AT517364A1 - Verfahren und Kommunikationssystem zur drahtlosen Datenübertragung über ein lokales Funknetz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren über ein lokales Funknetz, wobei ein Teil der Subträger (D1-D38, G1-G11, P1-P16) des Sendesignals als Pilotsubträger (P1-P16) für Pilotsymbole zur Kanalschätzung reserviert sind. Um eine bessere Abtastung des Übertragungskanals zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass alle Pilotsubträger (P1-P16) verwendet werden.

Description

Beschreibung

Verfahren und Kommunikationssystem zur drahtlosen Dateniibertragung iiber ein lokales Funknetz

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten mittels Orthogonalem

Frequenzmultiplexverfahren iiber ein lokales Funknetz, wobei ein Teil der Subträger des Sendesignals als Pilotsubträger für Pilotsymbole zur Kanalschätzung reserviert sind, sowie ein entsprechendes Kommunikationssystem.

Stand der Technik

Kommunikationssysteme der vierten und fünften Generation verwenden fiir die drahtlose Übertragung das sogenannte Orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM-Verfahren). Dieses Verfahren ist sehr robust gegen Mehrwegeausbreitung bei gleichzeitig hohen Datenraten.

Bei der OFDM-Übertragungstechnik werden die zu iibermittelnden Informationen bzw. wird der zu übermittelnde Datenstrom innerhalb des Funkkanals auf mehrere Subkanäle bzw. Subträger aufgeteilt bzw. parallelisiert, wobei die zu iibermittelnden Informationen jeweils mit einer relativ geringen Datenrate, jedoch in additiv iiberlagerter Form parallel iibertragen werden. Hierbei wird ausgehend von einem seriellen Datenstrom im Sender fiir die Modulation der beispielsweise n Subträger eine Seriell/Parallelwandlung durchgefiihrt, wobei fiir den zeitlich i-ten OFDM-Block mit der Blocklänge Τ' und dem j-ten Subträger jeweils ein binäres Codewort gebildet wird. Aus den gebildeten Codewörtern werden mit Hilfe eines senderspezifischen Modulationsverfahrens die entsprechenden komplexen Modulationssymbole - im folgenden auch als

Sendesymbole bezeichnet - gebildet, wobei zu jedem Zeitpunkt i jedem der k Subträger ein Sendesymbol zugeordnet ist. Durch Multiplikation der Schwingungen der einzelnen Subträger mit den entsprechenden Modulationssymbolen bzw. Sendesymbolen und der anschließenden Addition der gebildeten Modulationsprodukte wird das entsprechende zeitdiskrete Sendesignal für den zeitlich i-ten OFDM-Block erzeugt. Dieses Sendesignal wird in abgetasteter, d. h. zeitdiskreter Form durch eine Inverse, Diskrete Fourier-Transformation - IDFT -direkt aus den Modulationssymbolen bzw. Sendesymbolen der einzelnen betrachteten Subträger berechnet.

Fiir drahtlose Echtzeitanwendungen, wie z.B. fiir Industriesteuerungen, werden hohe Datenraten und extrem niedrige Fehlerraten benötigt. Fiir solche Anwendungen kann das OFDM-Verfahren etwa mit den Parametern des Standards IEEE 802.11.a/g/n/ac (WLAN) herangezogen werden. In diesem Standard setzt sich ein Sendesymbol aus mehreren Zeitabtastwerten zusammen, wobei eine kleinere Anzahl von Zeitabtastwerten als Präfix (cyclic prefix) dient und eine größere Anzahl von Zeitabtastwerten als Datenfeld (data field) fiir die Daten zur Verfiigung steht. So kann etwa das Sendesymbol 80 Zeitabtastwerte umfassen, wovon 16 als Präfix und 64 fiir Daten zur Verfiigung stehen.

Die Zeitabtastwerte des Datenfelds werden durch eine schnelle inverse Fouriertransformation (IFFT) aus der gleichen Anzahl von Spektralwerten erzeugt, wobei eine bestimmte Anzahl dieser Spektralwerte die zu iibertragenden Kanalsymbole darstellt. Die so gewonnenen Zeitabtastwerte werden mit einer Rate von z.B. 20 Megasamples pro Sekunde iiber Digital-Analog-Wandler (DAC) an das Radiomodul eines Senders iibergeben. Die Signalbandbreite ist begrenzt und beträgt im vorliegenden Fall 20 MHz. Beim Standard 802.11.n/ac kann die Abtastrate auf 40 MHz/80 MHz/160 MHz und damit die Bandbreite auf 40/80/160 MHz erhöht werden. Die hier beschriebenen Probleme, die sich auf die 20 MHz WLAN-Variante beziehen, treten entsprechend auch bei den 40/80/160 MHz Varianten auf.

Beim vorher genannten WLAN Standard ist die tatsächliche nutzbare Bandbreite jedoch kleiner als 20 MHz, nämlich auf 18 MHz beschränkt. Diese Anforderung wird bei standardkonformen Implementierungen so eingehalten, dass die außerhalb dieses Bandes liegenden Subträger bzw. Kanalsymbole nicht verwendet werden, die entsprechenden Spektralwerte werden also auf Null gesetzt.

Wird eine auf Pilotsubträgern basierte Kanalschätzung durchgeführt, können im Empfänger die Werte der Kanalübertragungsfunktion bei den Pilotfrequenzen wegen der dort im Sendesignal bekannten Spektralwerte berechnet werden. Die Zwischenwerte, also die Spektralwerte fiir die Datensubträger, können mittels Tiefpassinterpolation geschätzt werden. Die in den Schutzbändern fehlenden Piloten haben dabei den Wert Null und verursachen mitunter beträchtliche Fehler bei der Interpolation der Kanalübertragungsfunktion. Dies führt wegen der falschen Entzerrung der Symbole zu einer erhöhten Bit Error Ratio (BER) und ist damit für Echtzeitsysteme nicht akzeptabel.

Bei Standard WLAN-Anwendungen tritt dieser Fehler nicht auf, da die Übertragungskanäle durch eine Trainingssequenz vermessen werden. Diese Trainingssequenz enthält alle Subträger, wodurch eine vollständige Kanalschätzung ohne Interpolation möglich ist. Allerdings wird durch diese Trainingssequenz das Übertragungspaket länger und damit die Realisierung drahtloser Echtzeitsysteme mit sehr kleinen erlaubten Latenzzeiten unmöglich.

Auch die bei WLAN-Anwendungen vorgesehene Wiederholung des Pakets im Falle einer fehlerhaften Übertragung ist bei einem Echtzeitsystem nicht möglich.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren über ein lokales Funknetz zur Verfügung zu stellen, welches Verfahren eine bessere Abtastung des Übertragungskanals gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, bei welchem Verfahren ein Teil der Subträger des Sendesignals als Pilotsubträger für Pilotsymbole zur Kanalschätzung reserviert sind. Gemäß Anspruch 1 besteht die Erfindung darin, dass alle Pilotsubträger verwendet werden.

Es wird also kein Pilotsubträger auf Null gesetzt, wodurch eine vollständige Abtastung des Übertragungskanals durch alle Pilotsubträger gewährleistet ist.

Weiters kann vorgesehen sein, dass neben alien Pilotsubträgern alle weiteren Subträger verwendet werden. Damit kann die Datenrate fiir die Übertragung erhöht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Insbesondere für den eingangs genannten WLAN Standard kann vorgesehen sein, dass bei 64 Subträgern alle 16 Pilotsubträger verwendet werden.

Zur Herstellung eines WLAN-konformen Spektrums des Sendesignals kann vorgesehen sein, dass die Abtastrate für das Sendesignal im Vergleich zu Verfahren, wo einzelne Pilotsubträger bzw. Datensubträger null gesetzt sind, verringert ist. So kann etwa im Hinblick auf den eingangs genannten WLAN Standard mit einer Abtastrate von 20 Megasamples pro Sekunde eine Abtastrate von weniger als 20 Megasamples pro Sekunde, insbesondere von weniger als 17 Megasamples pro Sekunde, verwendet werden, etwa eine Abtastrate von 16,25 Megasamples pro Sekunde. Damit wird sichergestellt, dass das Spektrum des neuen Verfahrens in die Spektralmaske des Standard WLANs passt und somit die Koexistenz beider Systeme möglich ist.

Beim Standard 802.11.n/ac kann die Abtastrate auf 40 MHz/80 MHz/160 MHz und damit die Bandbreite auf 40/80/160 MHz erhöht werden. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass zur Herstellung eines WLAN-konformen Spektrums des Sendesignals für Bandbreiten von 40,80, oder 160 MHz entsprechend eine Abtastrate von weniger als 40, 80 oder 160 Megasamples pro Sekunde verwendet wird. Wenn also der WLAN Standard eine Bandbreite von 40 MHz vorsieht, wird eine Abtastrate von weniger als 40 Megasamples pro Sekunde verwendet, bei einer Bandbreite von 80 MHz eine Abtastrate von weniger als 80 Megasamples pro Sekunde und bei einer Bandbreite von 160 MHz eine Abtastrate von weniger als 160 Megasamples pro Sekunde. Auch bei Bandbreiten von 40,80, oder 160 MHz kann die Reduktion der Abtastraten im Bereich von 10-20% liegen.

Alle hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, die sich auf die 20 MHz WLAN-Variante beziehen, können sinngemäß auf die 40/80/160 MHz Varianten erweitert werden und sind daher in der Folge nicht mehr explizit angeführt.

Urn eine vollständige Kanalschätzung zu ermöglichen, muss garantiert sein, dass die Lange der Kanalimpulsantwort (also der inversen Fouriertransformierten der

Kanalübertragungsfunktion) die Summe der Zeitabtastwerte der Pilotsubträger nicht überschreitet. Bei 16 Pilotsubträgern sollte die Lange der Kanalimpulsantwort daher die Zeitabtastwerte der 16 Pilotsubträger nicht überschreiten. Wenn die Lange der Kanalimpulsantwort kleiner oder gleich 980 ns ist, ist für ein eingangs genanntes Sendesymbol aus 80 Zeitabtastwerten die Performanz gleich gut wie bei auf Trainingssequenzen basierten Kanalabschätzungen. Es wird also dann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bit Error Ratio nicht durch fehlerhafte Kanalschätzung erhöht.

Ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem umfasst einen Sender zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren über ein lokales Funknetz, der ein Sendesignal aussenden kann, bei welchem ein Teil der Subträger des Sendesignals als Pilotsubträger für Pilotsymbole zur Kanalschätzung reserviert sind und alle Pilotsubträger verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figuren Bezug genommen, aus denen weitere vorteilhafte Einzelheiten und mögliche Einsatzgebiete der Erfindung zu entnehmen sind. Dabei zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Sendesymbol mit Aufteilung in Präfix und Datenfeld,

Fig. 2 eine Spektralmaske gemäß WLAN Standard,

Fig. 3 eine Darstellung der Spektralwerte (Subträger) eines

Sendesignals nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 eine Darstellung der Spektralwerte (Subträger) eines erfindungsgemäßen Sendesignals.

Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Sendesymbol eines OFDM-Verfahrens mit den Parametern des Standards IEEE 802.11.a/g/n (WLAN). In diesem Standard setzt sich das Sendesymbol aus achtzig Zeitabtastwerten 1-80 zusammen, wobei sechzehn Zeitabtastwerte 1-16 als Präfix (cyclic prefix) PR dienen und 64 Zeitabtastwerte 17-80 als Datenfeld (data field) DF für die Daten zur Verfügung steht.

Die 64 Zeitabtastwerte 17-80 des Datenfelds werden durch eine schnelle inverse Fouriertransformation (IFFT) aus 64 Spektralwerten erzeugt, wobei eine bestimmte Anzahl dieser Spektralwerte die zu übertragenden Kanalsymbole darstellt.

Die so gewonnenen Zeitabtastwerte werden mit einer Rate von 20 Megasamples pro Sekunde über Digital-Analog-Wandler (DAC) an das Radiomodul eines Senders übergeben. Die Signalbandbreite ist begrenzt und beträgt im vorliegenden Beispiel 20 MHz.

Beim genannten WLAN Standard ist die tatsächliche nutzbare Bandbreite jedoch auf 18 MHz beschränkt, was in Fig. 2 dargestellt ist: für eine bestimmte Frequenz fc ist der Signalpegel in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt, wobei der Signalpegel in einem Frequenzbereich von fc+/-9 MHz keine Änderung zeigt, darüber hinaus jedoch abniirmt. Die tatsächlich nutzbare Bandbreite ist daher auf 18 MHz beschränkt. Diese Beschränkung wurde bei standardkonformen Implementierungen bisher so eingehalten, dass die außerhalb dieses Bandes liegenden Subträger nicht verwendet werden. Die entsprechenden Spektralwerte werden also null gesetzt.

Dies ist in Fig. 3 dargestellt, wo die Verwendung der 64 Subträger des Sendesignals dargestellt ist. Ein entsprechendes Verfahren zur Kanalschätzung auf Basis von Pilotsubträgern ist etwa aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 13197228.3 bekannt.

In Fig. 3 ist auszugsweise die Verwendung der Spektralwerte 1-64 des Sendesignals dargestellt, wobei die Bereiche zwischen den Spektralwerten 7 und 27 einerseits und 39 und 63 andererseits weggelassen wurden. Spektralwerte beginnend mit D kennzeichnen in Form von Kreuzen die als Datensymbole genutzten Spektralwerte. DC (Direct Current) entspricht dem Subträger bei 0 kHz. Dieser Wert wird immer auf null gesetzt. Die Spektralwerte P1-P14, hier dargestellt durch Pfeile PI, P2, P7, P8 und P14, zeigen die dem Empfanger bekannten Spektralwerte des Sendesignals bei den vierzehn

Pilotfrequenzen, entsprechen also Pilotsymbolen.

Grundsätzlich ist also jeder vierte Spektralwert fiir ein Pilotsymbol reserviert. Die Kreise G1 bis Gil zeigen die null gesetzten Spektralwerte, wobei bei zweien dieser Spektralwerte, bei G4 und G8, ebenfalls Pfeile PS7+ und PS8-eingezeichnet sind. Diese Pfeile bezeichnen die vom Empfänger hinzugefügten „Pseudopiloten" und entsprechen den beiden bei einem Standard WLAN null gesetzten Pilotsymbolen PS7+ und PS8- .

Die Werte der Kanalübertragungsfunktion können im Empfänger bei den Pilotfrequenzen P1-P14 wegen der dort im Sendesignal bekannten Spektralwerte berechnet werden. Die Schätzung der Zwischenwerte erfolgt durch Tiefpassinterpolation. Die Voraussetzung dafür ist, dass die Länge der Kanalimpulsantwort sechzehn Zeitabtastwerte nicht überschreitet. Damit ist eine mindestens kritische Abtastung der Übertragungsfunktion durch die Piloten garantiert.

Werden die Spektralwerte zwischen den beiden mittleren Pilotfrequenzen P7, P8 null gesetzt, so entspricht dies der Multiplikation der Kanalübertragungsfunktion mit einer Maskenfunktion, die bei den mittleren Pilotfrequenzen den Abtastwert null, bei alien anderen Pilotfrequenzen Abtastwerte von eins aufweist. Der Multiplikation im Frequenzbereich entspricht eine Faltung im Zeitbereich. Damit kommt zur Lange der Kanalimpulsantwort noch die Länge der mit der Maskenfunktion korrespondierenden Zeitfunktion: war die ursprüngliche Kanalübertragungsfunktion nicht weit überkritisch abgetastet, dann ist die maskierte Kanaliibertragungsfunktion nun signifikant unterabgetastet.

Die interpolierten Werte weichen dann sehr stark von den tatsächlichen Werten der Übertragungsfunktion ab. Dies fiihrt zu einer falschen Entzerrung der Symbole und somit zu einer erhöhten Bit Error Ratio (BER).

Bei speziellen Übertragungsfunktionen können die Interpolationsfehler durch vom Empfänger aus den vorhandenen

Piloten P1-P14 abgeleiteten „Pseudopiloten" PS7+,PS8-verringert werden. Im allgemeinen Fall wird dadurch aber keine ausreichende Verbesserung erreicht.

Erfindungsgemäß werden deshalb alle 64 Subträger des Sendesignals (OFDM-Signals) verwendet, es werden keine Subträger null gesetzt. Damit werden auch alle als Pilotsubträger reservierten Subträger als Pilotsubträger verwendet. Somit wird eine vollständige Abtastung des Übertragungskanals durch die nun sechzehn Pilotsubträger gewährleistet, nämlich durch P1-P14 (wie in Fig. 3) und zusätzlich P15 und P16 (entspricht PS7+,PS8- in Fig. 3), siehe Fig. 4.

Von den in Fig. 3 null gesetzten Spektralwerten (Subträgern) Gl-Gll bleiben dann in Fig. 4 neben den zusätzlichen Pilotsubträgern P15 und P16 noch neun weitere Spektralwerte (Subträger) G1-G3, G5-G7, G9-G11 übrig, die nun ebenfalls fiir die Datenübertragung zur Verfügung stehen und verwendet werden, wodurch die Datenrate erhöht werden kann. In Fig. 4 sind diese Spektralwerte (Subträger) ebenfalls durch ein Kreuz als Datensymbol gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird trotz Verwendung aller 64 Subträger ein WLAN-konformes Spektrum erreicht. Dazu wird fiir das OFDM-Signal statt einer Abtastrate von 20 Megasamples pro Sekunde eine Abtastrate von 16,25 Megasamples pro Sekunde verwendet. Diese Abtastrate ermbglicht es nun, dass innerhalb eines WLAN-Kanals alle 16 Piloten fiir die Kanalschätzung verwendet werden können.

Bis zu einer Lange der Kanalimpulsantwort kleiner oder gleich 980 ns ist die Kanalschätzung auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens gleich gut wie bei auf Trainingssequenzen basierten Kanalschätzungen.

Bezugszeichenliste: D1-D38 als Datensymbole genutzte Spektralwerte (Datensubträger) DF Datenfeld DC Direct Current (Subträger bei 0 kHz) fc Frequenz

Gl-Gll auf Null gesetzte Spektralwerte (Subträger) P1-P16 als Pilotfrequenzen (Pilotsymbole) genutzte Spektralwerte (Pilotsubträger) PS7+ Pseudo-Pilotfrequenz PS8- Pseudo-Pilotfrequenz PR Präfix

Claims (8)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren über ein lokales Funknetz, wobei ein Teil der Subträger (D1-D38, Gl-Gll, P1-P16) des Sendesignals als Pilotsubträger (P1-P16) für Pilotsymbole zur Kanalschätzung reserviert sind, dadurch gekennzeichnet, dass alle Pilotsubträger (P1-P16) verwendet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben alien Pilotsubträgern (P1-P16) alle weiteren Subträger (D1-D38, G1-G3, G5-G7, G9-G11) verwendet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei 64 Subträgern (D1-D38, Gl-Gll, P1-P16) alle 16 Pilotsubträger (P1-P16) verwendet werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines WLAN-konformen Spektrums des Sendesignals die Abtastrate für das Sendesignal im Vergleich zu Verfahren, wo einzelne Pilotsubträger (P15, P16) bzw. Datensubträger (Gl-Gll) null gesetzt sind, verringert ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastrate von weniger als 20 Megasamples pro Sekunde, insbesondere von weniger als 17 Megasamples pro Sekunde, verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines WLAN-konformen Spektrums des Sendesignals für Bandbreiten von 40, 80, Oder 160 MHz entsprechend eine Abtastrate von weniger als 40, 80 oder 160 Megasamples pro Sekunde verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lange der Kanalimpulsantwort die Summe der Zeitabtastwerte der Pilotsubträger (P1-P16) nicht überschreitet.
8. 8. Kommunikationssystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem einen Sender zur drahtlosen Übertragung von Oaten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren iiber ein lokales Funknetz umfasst, der ein Sendesignal aussenden kann, bei welchem ein Teil der Subträger (D1-D38, Gl-Gll, P1-P16) des Sendesignals als Pilotsubträger (P1-P16) für Pilotsymbole zur Kanalschätzung reserviert sind und alle Pilotsubträger (P1-P16) verwendet werden.