DE10162545C1 - Adaptive Modulation für zwei oder mehr TX-Antennenelemente - Google Patents

Abstract

Zur Verbesserung der Übertragung von Mehrantennensystemen werden die Daten entsprechend aktueller Kanalzustandsinformationen adaptiv moduliert. Dazu werden für jeden Kanal durch Absenden von Pilotsignalen über jede Antenne Bit-Loading-Tabellen in einem Empfänger gewonnen. Diese Tabellen werden mit spezieller Signalisierung an den Sender gesandt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Übertragen von Daten mittels Mehrträgerübertra­ gung von einem Sender zu einem Empfänger mit mehreren Sende­ antennen zum Senden der Daten mit Raumdiversität.

Ein gravierendes Problem bei der Mobilfunkübertragung ist die Frequenzselektivität der Mobilfunkkanäle. Die Frequenzselek­ tivität, hervorgerufen durch Mehrwegeausbreitung mit großen Laufzeitdifferenzen, bewirkt starke lineare Verzerrungen des Empfangssignals, die den Einsatz aufwendiger Entzerrer und einer Viterbi-Detektion erforderlich machen. Geeignete Mit­ tel, den Nachteilen frequenzselektiver Kanäle entgegenzuwir­ ken, sind das sogenannte Space Frequency Block Coding (SFBC) und die Adaptive Modulation (AM). Beide Verfahren werden im folgenden näher beschrieben.

Adaptive Modulation wird in OFDM-Systemen (Orthogonal Fre­ quency Devision Multiplexing) dazu verwendet, die Nachteile frequenzselektiver Fading-Kanäle zu reduzieren. Dabei werden die Daten über einzelne Subträger übertragen.

Das Prinzip der adaptiven Modulation ist in Fig. 1 schema­ tisch dargestellt. Der Sender überträgt über den Funkkanal Daten zu einem Empfänger. In dem Sender werden die zu senden­ den Daten zunächst durch einen Codierer und Interleaver co­ diert und verschachtelt. Anschließend werden die Daten je nach Kanaleigenschaft mit unterschiedlicher Modulationswer­ tigkeit moduliert. Geeignete Modulationsalphabete/verfahren hierfür sind z. B. die bekannten Amplitude/Phase-Shift-Keying- Verfahren BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM usw. mit den jeweiligen Modulationswertigkeiten 1, 2, 4 und 6. Bei hohem Sig­ nal/Rausch-Abstand ist der jeweilige Subträger mit einer ho­ hen Bitzahl zu modulieren, während bei einem geringen Sig­ nal/Rausch-Verhältnis eine geringe Bitzahl genügt. Das Sig­ nal/Rausch-Verhältnis wird üblicherweise in dem Empfänger ge­ schätzt und für die einzelnen Subträger in eine sogenannte Bit-Loading-Tabelle umgesetzt. Beispielsweise kann eine sol­ che Bit-Loading-Tabelle Informationen über das Signal/Rausch­ verhältnis oder alternativ die angeforderte Modulationswer­ tigkeit für jeden einzelnen Subträger enthalten. Diese Bit- Loading-Tabelle wird dem Sender übermittelt, so dass dieser einen Demultiplexer DEMUX und einen Multiplexer MUX für die adaptive Modulation entsprechend ansteuern kann.

Gemäß Fig. 1 richtet der Demultiplexer DEMUX den vom Inter­ leaver erhaltenen Bit-Strom an den jeweils einer bestimmten Modulationswertigkeit zugeordneten Modulator MOD₁, . . ., MOD_n-1, MOD_n. Dabei kann der Modulator MOD₁ beispielsweise ein BPSK- Modulator und der Modulator MOD_n ein 64 QAM-Modulator sein. Die nach der jeweiligen Modulation erhaltenen Zeiger werden dann durch den Multiplexer MUX, der ebenfalls über die Bit- Loading-Tabelle gesteuert wird, einer Inversen Fast-Fourier- Transformation IFFT unterzogen. Dort werden die Zeiger auf den jeweiligen Subträger für die Übertragung umgesetzt und anschließend auf die Trägerfrequenz hochmoduliert.

Im Empfänger läuft dieser Prozess im Wesentlichen umgekehrt ab. Zunächst werden die Daten über eine Fast-Fourier-Trans­ formation von den einzelnen Subträgern als Zeiger gewonnen. Ein anschließender Demultiplexer DEMUX weist die Daten ent­ sprechend der Bit-Loading-Tabelle dem geeigneten Demodulator zu. Der vom Demodulator DEMOD₁, . . ., DEMOD_n-1, DEMOD_n gewonnene Bit-Strom wird über einen Multiplexer MUX einem Deinterleaver und Kanaldecodierer zugeführt.

Bei der Mehrwegeausbreitung wird üblicherweise der Vorteil ausgenutzt, dass für die Datenübertragung Wege herangezogen werden, bei denen eine möglichst geringe Sendeenergie notwen­ dig ist. Um die Vielfalt der Ausbreitungswege weiter zu erhö­ hen, kann bekanntermaßen die Übertragung über mehrere Sende- und/oder Empfangsantennen erfolgen. Mit anderen Worten, Mehr­ antennensysteme haben gegenüber Einzelantennensystemen einen deutlichen Vorteil.

Aus LIEW, T.; HANZO, L.: Space-time block coded adaptive mo­ dulation aided OFDM. In Proc. IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOMM '01), San Antoniio, 25.-29. November 2001, Seiten 136-140, sind ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung bekannt, bei denen Daten mittels adaptiver OFDM übertragen werden, wo­ bei das Modulationsschema, mit dem das nächste AOFDM-Symbol übertragen wird, auf der Grundlage der Kanalqualität bestimmt wird und wobei zur Steigerung der Übertragungsqualität mehre­ re Sendeantennen vorgesehen sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Ü­ bertragungsqualität bei Mehrantennensystem weiter zu verbes­ sern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Übertragen von Daten mittels Mehrträgerübertragung von einem Sender zu einem Empfänger durch Bereitstellen der zu sendenden Daten und Bereitstellen von mindestens zwei Sende­ antennen zum Senden der Daten mit Raumdiversität, sowie adap­ tives Modulieren der zu sendenden Daten für mehrere Träger auf der Grundlage aktueller Kanalzustandsinformationen bezüg­ lich der mindestens zwei Sendeantennen.

Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Übertragen von Daten mit Mehrträgerübertragung mit einer Sendeeinrichtung, die mindestens zwei Sendeantennen zum Sen­ den der Daten mit Raumdiversität umfasst, wobei in der Sende­ einrichtung die zu sendenden Daten für mehrere Träger auf der Grundlage aktueller Kanalzustandsinformationen bezüglich der mindestens zwei Sendeantennen adaptiv modulierbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Somit ist es möglich, bei OFDM-basierten Systemen, die be­ reits über zwei oder mehr RX-Empfangsantennen verfügen und im Sendepfad adaptive Modulation durchführen, die gleichen An­ tennen auch als zwei oder mehr TX-Sendeantennen unter Einsatz adaptiver Modulation zu verwenden. Dabei sollte der Antennen­ abstand hinreichend groß sein, um eine genügende Raumdiversi­ tät zu erzielen.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Szenario ergäbe sich bei einem System mit zwei TX-Sendeantennen und einer RX-Empfangsanten­ ne. Die Raumdiversität könnte bereits dadurch erzielt werden, dass entweder alle TX-Sendeantennen gleichzeitig verwendet oder alle TX-Sendeantennen mit Ausnahme einer einzelnen TX- Sendeantenne, die zum Senden notwendig ist, abgeschaltet wer­ den. Diese Konstellation ist jedoch im Falle von frequenzse­ lektiven Mehrwegeausbreitungskanälen nicht optimal. Ein zu­ sätzlicher Vorteil im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit (z. B. geringere Bit-Fehler-Rate) bestünde, wenn OFDM-Subträger für verschiedene TX-Sendeantennenelemente an- und abgeschal­ tet werden könnten. Damit könnten verhältnismäßig gute Sub­ träger mit einem hohen Signal/Rauschabstand für die Daten­ übertragung gewählt werden. Generell könnten auch unter­ schiedliche QAM-Modulationsalphabete für die Subträger ver­ wendet werden.

Falls jedoch die Vorteile der Kombination mehr als einer TX- Sendeantenne und adaptiver Modulation ausgenützt werden sol­ len, ist sowohl im Up Link als auch im Down Link zusätzliche Signalisierung erforderlich. Bei zwei oder mehr TX-Sendean­ tennen sind die folgenden Punkte zu berücksichtigen:

• a) Für jede TX-Sendeantenne muss beim Sender eine separate Bit-Loading-Tabelle zur Verfügung gestellt werden.
• b) Für jedes Antennenelement muss auf der Basis eines Pilot­ signals, das zu einem Zeitpunkt nur über eine einzige TX- Sendeantenne gesendet wurde, eine Bit-Loading-Tabelle be­ rechnet werden.
• c) Es muss entschieden werden, ob A) über alle Antennenele­ mente das gleiche QAM-Symbolalphabet über die gleichen Subträger gesendet werden muss oder B) alternativ nur ei­ ne spezielle TX-Sendeantenne zum Senden des QAM-Symbols verwendet wird und alle anderen Antennenelemente ausge­ schaltet sind (TX-Antennenselektion).
• d) Die Fälle A) und B) könnten innerhalb des gleichen OFDM- Symbols verwendet werden, solange dies auf unterschiedli­ chen Subträgern erfolgt. Jedenfalls kann A) und B) nicht auf den gleichen Subträger angewendet werden.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zum prinzipiellen Aufbau ei­ ner Sende- und Empfangseinheit mit adaptiver Mo­ dulation;

Fig. 2 ein Datentransportschema für eine Bit-Loading- Tabelle bei einer TX-Sendeantenne;

Fig. 3 ein Datentransportschema von zwei Bit-Loading- Tabellen bei zwei TX-Sendeantennen;

Fig. 4 ein Datenaufbauschema bei unterschiedlichen Über­ tragungssystemen; und

Fig. 5 Zeitablaufdiagramme für das Senden von Daten bei zwei Sendeantennen.

Die im Nachfolgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele stel­ len bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt zunächst den Transport einer Bit-Loading-Tabelle bei einem System mit einer einzelnen TX-Sendeantenne. In ei­ nem n-ten MAC-Rahmen sendet zu Beginn eine Basisstation im Down Link DL in einem Short Transport Channel eine logische LCCH (Link Control Channel). Anschließend sendet das Mobil­ terminal im Up Link UL ebenfalls in einem SCH eine LOCH. Dar­ aufhin sendet das Mobilterminal wiederum in einem SCH eine Bit-Loading-Nachricht AM LCCH (Adaptive Modulation Link Control Channel) an die Basisstation. Ferner sendet die Mo­ bilstation in einem LCH (Long Transport Channel) im Up Link UL Nutzerdaten UDCH (User Data Channel) an die Basisstation.

Die von dem Mobilterminal abgesandte Bit-Loading-Nachricht AM LCCH wirkt sich erst im (n + 1)-ten MAC-Rahmen aus. Dies bedeu­ tet, dass im (n + 1)-ten MAC-Rahmen die Basisstation gemäß der Bit-Loading-Tabelle, die sie von dem Mobilterminal erhalten hat, sendet.

Fig. 2 zeigt den Datentransport in einem erfindungsgemäßen System mit zwei TX-Sendeantennen. Das Mobilterminal muss für beide Sendeantennen eine Bit-Loading-Tabelle bzw. eine Bit- Loading-Nachricht AM LCCH ermitteln. Diese beiden Bit- Loading-Nachrichten AM LCCH sendet das Mobilterminal in je­ weils einem SCH im Up Link an die Basisstation. Es ist also notwendig, auch für die Übermittlung der zweiten Bit-Loading- Tabelle einen eigenen Transportkanal SCH bereitzustellen.

Wie bereits erwähnt wurde, müssen für das Signalisieren der Kanalzustandsinformation in der Bit-Loading-Nachricht AM LCCH bei einem System mit adaptiver Modulation und mehr als einer TX-Sendeantenne drei Punkte beachtet werden:

• a) Für jede TX-Sendeantenne muss beim Sender eine separate Bit-Loading-Tabelle zur Verfügung gestellt werden.
• b) Für jedes Antennenelement bzw. jeden Eigenmode, der sich aus dem Eigenvektor und dem Eigenwert der Übertragungs­ matrix ergibt, muss die Bit-Loading-Tabelle auf der Basis des Pilotsignals, das nur über eine einzige TX-Sende­ antenne zu einem Zeitpunkt gesendet worden ist, berechnet werden (TX-Antennenselektion).
• c) Es wird implizit oder explizit signalisiert, ob über alle Antennenelemente das gleiche QAM-Symbolalphabet über die gleichen Subträger gesendet werden muss, oder alternativ nur ein spezielles TX-Antennenelement verwendet wird, um das QAM-Symbol zu senden und die anderen Antennenelemente abgeschaltet werden. Verallgemeinert bedeutet dies, dass in der Bit-Loading-Nachricht signalisiert werden muss, welche Auswahl der mehreren Antennen zum Senden eines Da­ tensignals pro Subträger verwendet werden soll.

In vorteilhafter Weise kann dadurch die Leistungsfähigkeit des Systems erhöht werden. D. h. es ergibt sich entweder eine geringere PER (Packed Error Rate) bei einem bestimmten SNR (Signal to Noise Ratio) oder ein geringeres SNR bei einem be­ stimmten PER-Pegel.

Für die adaptive Modulation ist bezüglich der mehreren Anten­ nen ein spezielles Signalisieren notwendig. Bei der Übertra­ gung der Bit-Loading-Nachrichten über AM LCCH-Kanäle muss bei expliziter Signalisierung ein oder mehrere zusätzliche Bits in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten TX-Sendeanten­ nen verwendet werden.

Die folgende Tabelle 1 zeigt beispielhaft den Inhalt der ge­ nannten Bit-Loading-Nachricht zur adaptiven Modulation für einen Vorwärtstransportkanal (Forward Link) und einen Rück­ wärtstransportkanal (Reverse Link). Die anschließende Tabelle 2 zeigt eine Möglichkeit der Belegung des SCH-Felds, mit dem der Typ der Protokolldateneinheit PDU im Transportkanal SCH festgelegt werden kann.

Tabelle 1

Inhalte einer AM-Bit-Loading-Nachricht in einem Forward-SCH und Reverse SCH

Tabelle 2

SCH-Feld

In der Bit-Loading-Nachricht wird mit den ersten vier Bits der Typ der Nachricht festgelegt. In dem anschließenden 2TX- Antennen-Flag wird angegeben, ob zum Senden eine oder zwei Antennen verwendet werden. Falls mehr als zwei Antennen zum Senden verwendet werden, sind entsprechend mehr Bits für das TX-Antennen-Flag vorzusehen. Ein Bit-Load-ARQ-Bit wird auf "0" gesetzt, wenn in der vorausgehenden Gegenverbindung die Bit-Loading-Nachricht fehlerfrei übertragen wurde. Anderer­ seits wird das ARQ-Bit auf "1" gesetzt, wenn die Bit-Loading- Nachricht fehlerfrei übertragen wurde, so dass diese "1" als Anfrage zum erneuten Senden der Bit-Loading-Nachricht inter­ pretiert werden kann. Die beiden folgenden Bits in der Bit- Loading-Nachricht werden dazu verwendet, die Periode festzu­ legen, mit der der Empfänger aktualisierte Bit-Loading-Nach­ richten sendet. In dem Beispiel von Tabelle 1 kann mit den zwei Bits gewählt werden, dass in jedem MAC-Rahmen, in jedem vierten MAC-Rahmen, in jedem achten MAC-Rahmen oder in jedem zweiunddreißigsten MAC-Rahmen eine Bit-Loading-Nachricht ge­ sendet wird.

Die weiteren Bits in der AM-Bit-Loading-Nachricht werden für die Bit-Loading-Tabelle mit der Zuordnung der Modulationsal­ phabete zu Subträgern bzw. Clustern von Subträgern und für den Redundanzcheck CRC verwendet, so dass die Bit-Loading- Nachricht insgesamt zweiundsiebzig Bits umfasst. Für die hier und im gesamten vorliegenden Dokument verwendeten Abkürzungen sei auf die "HYPERLAN/2-Spezifikation Version 1.0" des Euro­ pean Telecommunication Standards Institute, Broadband Radio Access Network (ETSI BRAN) verwiesen.

Zur Berechnung der Bit-Loading-Tabelle bzw. -Tabellen beim Empfänger ist vom Sender zum Empfänger ein Pilotsignal bzw. eine Präambel zu übertragen. Eine derartige Präambel ist sym­ bolhaft in Fig. 4A dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus den Teilen A und B mit jeweils einer Länge von 4 µs sowie einem Teil C mit einer Gesamtlänge von 16 µs. Diese Struktur der Präambel entspricht einem HYPERLAN-konformen "Broadcast Burst". Da eine Schätzung der Bit-Loading-Tabelle pro Anten­ nenelement notwendig ist, und im vorliegenden Fall ein Bei­ spiel mit zwei Sendeantennen 1TX und 2TX gewählt ist, muss der C-Teil der Präambel jeweils für beide TX-Sendeantennen übertragen werden. Eine andere Möglichkeit wäre, den C-Teil in zwei oder mehr kleinere Teile zu splitten, um dem Empfän­ ger die Berechnung der Bit-Loading-Tabellen für alle Sendean­ tennen zu ermöglichen.

In Fig. 4B ist ein sogenannter "Down Link Burst" für das Zwei-Sendeantennen-System dargestellt. Bei ihm kann auf die Teile A und B verzichtet werden, da . . .

Weiterhin zeigt Fig. 4C einen sogenannten "Up Link Burst" mit kurzer Präambel. Ein entsprechender "Up Link Burst" mit lan­ ger Präambel ist schließlich in Fig. 4D gezeigt. Eine lange Präambel ist dann nützlich, wenn . . .

Im Folgenden wird die Datenübertragung mit mehreren Sendean­ tennen wiederum anhand eines 2TX-Sendeantennensystems näher erläutert. Die Fig. 5A und 5B zeigen Zeitablaufdiagramme der über die Sendeantennen 1TX und 2TX gesendeten Datenbursts. Dabei werden die C-Teile C^1TX und C^2TX nur auf der jeweiligen TX-Sendeantenne gesendet. Andere Abschnitte des Bursts, z. B. der A-Teil und/oder B-Teil der Präambel, können entweder auf beiden Antennen 1TX und 2TX oder nur auf einer einzelnen An­ tenne gesendet werden.

Die Anzahl der C-Teile richtet sich, wie bereits erwähnt, nach der Anzahl der eingesetzten TX-Sendeantennen. Dies gilt sowohl für HYPERLAN/2 als auch äquivalent für IEEE 802.11a. Jeder C-Teil ist also nur über eine TX-Sendeantenne zum Emp­ fänger, der die Bit-Loading-Tabelle berechnet, zu senden.

Die Dauer, für welche die Information der Bit-Loading-Nach­ richt AM LTCH angewendet werden soll, kann sich sowohl auf eine feste Rahmenstruktur als auch auf eine nicht fest vorge­ gebene, asynchrone Rahmenstruktur, insbesondere derjenigen bei einem Carrier Sense Multiple Access (CSMA) basierten Zugriffsverfahren, beziehen.

Ferner kann die vorliegende Erfindung sowohl in TDD- als auch FDD-Systemen Anwendung finden.

Die Erfindung wurde zwar in Zusammenhang mit dem HYPERLAN/2- Standard erläutert, ist aber ebenso auf IEEE 802.11a und an­ dere Systeme anwendbar.

Claims (10)

1. Verfahren zum Übertragen von Daten mittels Mehrträger­ übertragung von einem Sender zu einem Empfänger durch Be­ reitstellen der zu sendenden Daten und Bereitstellen von mindestens zwei Sendeantennen zum Sen­ den der Daten mit Raumdiversität, mit einem adaptiven Mo­ dulieren der zu sendenden Daten für mehrere Träger auf der Grundlage aktueller Kanalzustandsinformationen bezüg­ lich der mindestens zwei Sendeantennen, dadurch gekenn­ zeichnet, dass vom Sender und vom Empfänger signalisiert wird, welche der mehreren Sendeantennen zum Senden eines Symbols be­ nutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kanalzustandsinfor­ mationen von einem Empfänger in eine oder mehrere Bit- Loading-Tabellen, die jeweils eine Zuordnung von Modula­ tionswertigkeiten zu Subträgern umfassen, umgesetzt wer­ den und die Bit-Loading-Tabellen oder -Tabelle dem Sender zum adaptiven Modulieren übertragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für jede Sendeantenne eine separate Bit-Loading-Tabelle für das adaptive Modu­ lieren zur Verfügung gestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ak­ tuellen Kanalzustandsinformationen mittels mindestens ei­ nes Pilotsignals, das von einer oder mehreren Sendeanten­ nen abgesandt wird, gewonnen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei vom Sender und/oder vom Empfänger signalisiert wird, ob über alle oder mehrere der Sendeantennen ein Symbol mit dem gleichen Subträger gesendet wird.

6. Vorrichtung zum Übertragen von Daten mit Mehrträgerüber­ tragung mit einer Sendeeinrichtung, die mindestens zwei Sendeantennen zum Senden der Daten mit Raumdiversität um­ fasst, wobei in der Sendeeinrichtung die zu sendenden Da­ ten für mehrere Träger auf der Grundlage aktueller Kanal­ zustandsinformationen bezüglich der mindestens zwei Sen­ deantennen adaptiv moduliert sind, dadurch gekennzeich­ net, dass von der Sendeeinrichtung und der Empfangsein­ richtung signalisiert wird, welche der mehreren Sendean­ tennen zum Senden eines Symbols benutzt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit weiterhin einer Emp­ fangseinrichtung zum Bereitstellen einer oder mehrere Bit-Loading-Tabellen, die jeweils eine Zuordnung von Mo­ dulationswertigkeiten zu Subträgern umfassen, auf der Grundlage der Kanalzustandsinformationen und zum Übertra­ gen der Bit-Loading-Tabellen oder -Tabelle zu der Sende­ einrichtung zum adaptiven Modulieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei durch die Empfangsein­ richtung für jede Sendeantenne eine separate Bit-Loading- Tabelle für das adaptive Modulieren bereitstellbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die aktuellen Kanalzustandsinformationen mittels mindestens eines Pilotsignals, das von einer oder mehreren Sendean­ tennen abgesandt wird, durch die Empfangseinrichtung er­ mittelbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei von der Sendeeinrichtung und/oder der Empfangseinrichtung signalisierbar ist, ob über alle oder mehrere der Sende­ antennen ein Symbol mit dem gleichen Subträger gesendet wird oder zu senden ist.