DE10025838B4

DE10025838B4 - Verfahren zur Echtzeit-Simulation von Fadingbedingungen zum Testen von Mobilfunk-Empfängern

Info

Publication number: DE10025838B4
Application number: DE10025838A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.rer.nat. Keller; Holger Dr.-Ing. Stahl
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: DE10025838A1

Abstract

Verfahren zur Echtzeit-Simulation von Fadingbedingungen durch Mehrwegeausbreitung eines Mobilfunksignals für das Testen von Mobilfunk-Empfängern, bei dem das in digitaler Form im Basisband verfügbare komplexe Sendesignal mit einem komplexen Fadingsignal moduliert wird, das durch Monte-Carlo-Simulation als Summe einer begrenzten Anzahl von Einzelpfaden erzeugt wird, deren charakteristische Parameter stochastisch geändert werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Startphasen der Einzelpfade in den aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten so angepaßt werden,
daß Phasensprünge so gering wie möglich sind.

Description

Die Erfindung betrifft und geht aus von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
Beim Mobilfunk führt eine Mehrwegeausbreitung des Mobilfunksignals im sich bewegenden Mobilfunk-Empfänger zu einer schnell oszillierenden Leistungsschwankung, zur Frequenzspreizung und meist zu einer zeitlichen Leistungsspreizung. Um diese Auswirkungen einer Mehrwegeausbreitung zu erfassen und im Mobilfunkempfänger entsprechende Korrekturmechanismen zu erzeugen, ist es bekannt, einen externen sogenannten Fading-Simulator zwischen Sender und Empfänger des Mobilfunksystems zu schalten und in diesem die Fadingbedingungen durch Mehrwegeausbreitung nachzubilden. Solche Fadingsimulatoren sind sehr aufwendig und teuer. Selbst wenn ein solcher Fadingsimulator nur nach einem vereinfachten sogenannten Flat-Fading-Modell arbeitet und vorausgesetzt wird, daß die Zeitdispersion der Mehrwegeausbreitung kleiner ist als die Symboldauer des betrachteten Mobilfunksignals und damit die Zeitdispersion vernachlässigt werden kann, sind zur Erzeugung des Fadingsignals aufwendige orthogonale Rauschquellen und steilflankige Tiefpaßfilter hoher Ordnung erforderlich. Auch der Rechenaufwand bei solchen bekannten Fadingsimulatoren ist erheblich.

Es ist auch schon ein Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches bekannt, bei dem ein in digitaler Form im Basisband verfügbares komplexes Sendesignal mit einem komplexen Fading-Signal moduliert wird, das durch Monte-Carlo-Simulation als Summe einer begrenzten Anzahl von Einzelpfaden erzeugt wird, deren charakteristische Parameter stochastisch geändert werden ( DE 198 08 954 ). Die stochastischen Änderungen der bei der Simulation eingehenden Parameter werden bei diesem bekannten

Verfahren sprunghaft und unstetig geändert und das dadurch verursachte spektrale Rauschen führt zu einem relativ schlechten Signal/Rausch-Verhältnis.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Echtzeit-Simulation von Fading-Bedingungen, insbesondere für ein Satelliten-Mobilfunk-System aufzuzeigen, das diese Nachteile eines unerwünschten spektralen Rauschens weitgehend vermeidet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere auch für die Echtzeit-Simulation von DOPPLER-Verschiebungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können bereits mit nur beispielsweise zehn Einzelpfaden Simulationsergebnisse erreicht werden, die sich praktisch nicht mehr von den theoretisch berechneten unterscheiden, wie dies der Vergleich der Amplitudenverteilungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurven a und b) mit den theoretischen Verteilungen nach RAYLEIGH (Kurve c) bzw. RICE (Kurve d) nach 1 zeigt. Gleichgute Ergebnisse zeigt der Vergleich der spektralen Leistungsdichte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve a) mit dem simuliertem Fading nach RAYLEIGH (Kurve b) gemäß 2. Erreicht werden diese guten Ergebnisse allein dadurch, daß für beispielsweise nur zehn Einzelpfade jeweils die Amplitude, der Einfallswinkel und die Anfangsphasen dynamisch berechnet werden. Die dabei zur Mittelwertbildung benutzte sogenannte Monte-Carlo-Simulation ist bekannt und wird beispielsweise beschrieben im Buch "Simulationstechnik" von KOMARNICKI; VDI-Verlag, Düsseldorf.

Durch die Anpassung der Startphasen der Einzelpfade in den aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten werden Phasensprünge so gering wie möglich gehalten und es werden daher weiche und sanfte stochastische Änderungen der bei der Simulation eingehenden Parameter erreicht, wodurch ein unerwünschtes spektrales Rauschen weitgehend vermieden wird und ein möglichst großes Signal/Rausch-Verhältnis erreicht wird. Dieser Effekt kann noch dadurch erhöht werden, daß die Amplituden der einzelnen Pfade in an sich bekannter Weise (Hoeher, P.: A Statistical Discrete-Time Model for the WSSUS Multipath Channel. In: IEEE Transaction on Vehicular Technology, vol. 41, no. 4, November 1992, S. 461 – 468) gefiltert werden. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Fading-Signal nur für einzelne Stützstellen zu bestimmen und dazwischen zu interpolieren, wobei der Abstand dieser Stützstellen in bekannter Weise ( DE 42 33 222 ) indirekt proportional zur Bandbreite des Signals gewählt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit beliebiger Hardware ausgeführt werden, im einfachsten Fall mit einem einfachen PC. Es kann auch auf einfache Weise in bereits bestehende Testsysteme für Mobilfunksysteme integriert werden, wobei dann die bereits bestehenden Schnittstellen des im Testsystem eingebauten Rechners für die Ausführung des Verfahrens benutzt werden können. Auch der Rechenaufwand ist minimal. Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Basisband des Senders zum Testen eines Mobilfunkempfängers angewandt werden, ohne daß irgendeine zusätzliche Hardwareumgebung vorhanden ist. Neben der Simulation von Fadingbedingungen können gleichzeitig auch generelle DOPPLER-Verschiebungen simuliert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Bei der Mehrwegeausbreitung eines Mobilfunksignals von einem Satelliten zu einem sich bewegenden Mobilfunkempfänger gibt es im wesentlichen drei Effekte, durch welche die Qualität der Mobilfunkübertragung beeinträchtigt wird, nämlich Zeitdispersion (Delay-Spread = Unterschied der längsten Laufzeit zur kürzesten Laufzeit), Fading (Schwund) und Frequenzdispersion (DOPPLER-Spread). Wenn die Zeitdisperion der Mehrwegeausbreitung kleiner als die Symboldauer des betrachteten Mobilfunksignals ist, kann die Zeitdispersion vernachlässigt werden und alle Effekte der Mehrwegeausbreitung lassen sich dann mit einem rein multiplikativen Fading-Modell (im Folgenden Flat-Fading-Modell bezeichnet) darstellen. 3 zeigt die Anwendung dieses Flat-Fading-Modells im Basisband. Das I/Q-Sendesignal s_T(t) wird mit einem komplexen Fadingsignal n(t) moduliert, das dadurch erhaltene Empfangssignal r_T(t) wird dem zu testenden Mobilfunkempfänger zugeführt. Das Basisband-Sendesignal wird durch Simulation gewonnen. Vernachlässigt werden sämtliche Zeitverzögerungen des Signals.
Für die Simulation von diffuser Mehrwegeausbreitung müßten theoretisch unendlich viele Pfade (Anzahl N → ∞) betrachtet werden, die jeweils zufällige Amplitude α_i und zufällige Einfallswinkel θ_i aufweisen. Das Fadingsignal wird dann erzeugt als Superposition (Interferenz) unkorrelierter gewichteter Pfadsignale (Exponentielle Schwingungen unterschiedlicher Frequenz und Phase).
φ_i = 0...2π ist die Anfangsphase des i-ten Pfades.
Die DOPPLER-Spreizung ⨍_Dmax hängt von der Geschwindigkeit v des sich bewegenden Empfängers ab:
ist die Wellenlänge des gesendeten Signals s_T(t).
Der Index i = 0 in Gl. (1) steht im Falle von RICE-Fading für den direkten Pfad (α_o, θ_o und ω_o sind wählbar und konstant). Bei RAYLEIGH-Fading gilt α_o = 0.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet vom prinzipiellen Ansatz her nach Gl.(1). Aufgrund spezieller Methoden zur Berechnung der stochastischen Amplituden, Einfallswinkel und Anfangsphasen gelingt es, bereits mit nur 10 Pfaden Simulationsergebnisse zu erreichen, die praktisch nicht mehr von den theoretisch berechneten abweichen. 1 zeigt die anhand von 12 Mio. Versuchen bestimmten Häufigkeiten im Vergleich zu den berechneten Wahrscheinlichkeitsdichten für RAYLEIGH bzw. RICE-Verteilungen.
Bei diffuser Mehrwegeausbreitung ergibt sich für die Dopplerverschiebung, d.h. das Leistungsdichtespektrum L_nn (f) des Fadingsignals n (t) ein sog. JAKES-Spektrum
das in 2 einmal als berechnete Kurve b und zum anderen als Ergebnis a der Monte-Carlo-Simulation aufgetragen ist.
Auch bei den spektralen Eigenschaften zeigt sich also eine nahezu perfekte Übereinstimmung der Simulation mit der Theorie.
Das komplexe Fadingsignal n(t) wird gemäß der Erfindung durch Monte-Carlo-Simulation gemäß Gleichung 1 erzeugt und zwar direkt als Summe einer begrenzten Anzahl von Signalpfaden, die dynamisch stochastisch variiert werden. Dazu werden die Amplituden a_i der Einzelpfade nicht statisch, sondern mit einem speziellen Zufallsprozeß zeitvariant gewählt, das heißt, es gilt αi = α(t), i = 1... N. Gl.(4)
Die Amplitude α₀ des direkten Pfades wird nicht variiert.
Dabei wird gemäß 4 das Ausgangssignal einer GAUßschen Rauschquelle R mit einem Tiefpaßfilter TP spektral auf die Cut-Off-Frequenz ωg begrenzt und mit einem Faktor b skaliert. ω_g wird so gewählt, daß die maximale Rate der zufälligen Änderungen proportional zur Geschwindigkeit v des Empfängers, also proportional zum Betrag der DOPPLER-Spreizung ⨍_Dmax ist: ωg ∼ ⨍Dmax Gl.(5)
Der Skalierungsfaktor b wird so gewählt, daß die Amplituden α(t) eine konstante wählbare Varianz ϭ² _α aufweisen:
Wahl von b so, daß σ²α = const für alle Werte von ⨍DmaX Gl.(6)
Der konstante additive Wert a stellt den Erwartungswert des Zufallssignals α(t) ein:
Bei der Erzeugung des komplexen Fadingsignals n(t) mit Gl.(1) werden die Einfallswinkel θ_i der Einzelpfade nicht statisch, sondern mit einem speziellen Zufallsprozeß zeitvariant gewählt, d.h. θi = θ(t), i = 1... N. Gl.(7)
Der Einfallswinkel θ₀ des direkten Pfades wird nicht variiert.
Die Einfallswinkel θ(t) legen über die Beziehung ⨍(t) = ⨍_Dmax cos[θ(t)] die momentanen Frequenzen der einzelnen Ausbreitungspfade fest. Die Einfallswinkel θ(t) der einzelnen Reflexionspfade werden dazu als dynamische gleichverteilte Zufallsgröße erzeugt. Das Ausgangssignal einer GAUßschen Rauschquelle R wird gemäß 5 mit einem Faktor c skaliert, der Skalierungsfaktor c wird so gewählt, daß die maximale Änderungsrate des Winkels proportional zur Geschwindigkeit v (s. Gl.(2)) des Empfängers ist: c ∼ ⨍Dmax Gl. (8)
Die dynamische statistische quasi-stetige Änderung der Pfadparameter für Amplituden und Einfallswinkel erfolgt gemäß 6 periodisch nach Ablauf einer wählbaren Zeit (Anzahl von Samplepunkten). Während dieses Zeitintervalls werden die individuellen Parameter der einzelnen Ausbreitungspfade konstant gehalten.
Durch die nur geringen stochastischen Änderungen zwischen den Zeitintervallen ist eine Fading-Statistik 2. Ordnung (korreliertes Fading mit stetigem Signalverlauf und Jakes-Spektrum) gewährleistet.
Bei sämtlichen dynamischen stochastischen Veränderungen vom Zeitintervall n zum Zeitintervall (n+1) werden die Phasen Ψ_i der einzelnen Pfade (i = 0... N) stetig angepaßt. Hierdurch können die Phasensprünge gering gehalten werden, so daß das Summensignal n(t) als quasi-stetig betrachtet werden kann, wie dies 6 zeigt.
Im Langzeitspektrum nach 2 wird damit eine hohe spektrale Reinheit erzielt, d.h. ein hoher Pegelabstand des JAKES-Spektrums zu den umgebenden Spektralbereichen.
Zusätzlich zum Fading kann eine Bewegung des Senders mit einer DOPPLER-Frequenzverschiebung simuliert werden, indem die Frequenzen aller Pfadsignale gemäß 7 um einen identischen Wert ⨍_off angehoben oder gesenkt werden.
Dazu wird das komplexe Fadingsignal n(t) gemäß 8 vor der Multiplikation mit dem Sendesignal s_T(t) mit einer exponentiellen Schwingung der Frequenz ⨍_off multipliziert.
Wenn die Bandbreite des (DOPPLER-verschobenen) Fadingsignals verglichen mit der des modulierten Signals relativ schmal ist, läßt sich das Fadingsignal interpolieren (FFT, linear). Die zeitraubende Berechnung des Fadingsignals kann damit auf wenige Stützstellen beschränkt werden. Der Abstand Δt zwischen den Stützstellen richtet sich nach der Gesamt-Bandbreite des Fadingsignals:
9 illustriert die berechneten Stützstellen sowie das mit diesen Stützstellen interpolierte Fadingsignal n(t).

Claims

Verfahren zur Echtzeit-Simulation von Fadingbedingungen durch Mehrwegeausbreitung eines Mobilfunksignals für das Testen von Mobilfunk-Empfängern, bei dem das in digitaler Form im Basisband verfügbare komplexe Sendesignal mit einem komplexen Fadingsignal moduliert wird, das durch Monte-Carlo-Simulation als Summe einer begrenzten Anzahl von Einzelpfaden erzeugt wird, deren charakteristische Parameter stochastisch geändert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Startphasen der Einzelpfade in den aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten so angepaßt werden, daß Phasensprünge so gering wie möglich sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Einzelpfade aus einem durch ein Tiefpaßfilter begrenzten und mit einem Skalierungsfaktor skalierten Ausgangssignal einer GAUßschen Rauschquelle erzeugt werden, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters so gewählt ist, daß die Rate der zufälligen Änderungen proportional zur Geschwindigkeit der simulierten Bewegung des Mobilfunk-Empfängers ist, und der Skalierungsfaktor so gewählt ist, daß die Einzelpfade eine konstante vorbestimmte Varianz aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallswinkel der Einzelpfade aus dem mit einem Skalierungsfaktor skalierten und in einem Integrator integrierten Ausgangssignal einer GRUßschen Rauschquelle erzeugt werden, wobei, der Skalierungsfaktor so gewählt ist, daß die maximale Änderung des Einfallswinkels proportional zur Geschwindigkeit der simulierten Bewegung des Mobilfunk-Empfängers ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fadingsignal nur für in zeitlichen Abständen aufeinanderfolgende Stützstellen bestimmt wird und dazwischen interpoliert wird, wobei der Abstand der Stützstellen indirekt proportional zur Bandbreite des Fading-/DOPPLER-Signals ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Echtzeit-Simulation von Dopplerverschiebungen das komplexe Fadingsignal mit der exponentiellen Schwingung einer DOPPLER-Verschiebungsfrequenz multipliziert wird.