DE10162546A1 - Bit-Loading-Signalisierung für adaptive Modulation bei verschiedenen Sätzen von QAM-Alphabeten - Google Patents

Bit-Loading-Signalisierung für adaptive Modulation bei verschiedenen Sätzen von QAM-Alphabeten

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Abstract

Der Signalisierungs-Overhead beim Signalisieren eines Modulationsalphabets an den Sender oder Empfänger soll weiter reduziert werden, ohne jedoch signifikante Leistungseinbußen in Kauf zu nehmen. Hierzu ist vorgesehen, einen Sender bzw. Empfänger mit einer Speichereinrichtung zum Speichern einer Zuordnungstabelle vorzusehen. Die Zuordnungstabelle ordnet den mehreren Übertragungsmodi jeweils einen Satz an Modulationsarten, welche jeweils mit einem Kenner adressiert sind, zu. Mit der Übertragungseinrichtung wird einer oder mehrere der Kenner an eine Gegenstelle übertragen und/oder von einer Gegenstelle empfangen, so dass für die Datenübertragung die entsprechende Modulationsart und Codierung pro Subträger und pro Sendeantenne verwendet werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Datensignalen unter Verwendung mehrerer Übertragungsmodi, denen jeweils mindestens eine vorgegebene nominale Bitrate oder Spitzendatenrate zugeordnet sind, wobei ein Übertragen mehrerer Kenner bezüglich der Übertragungsmodi vorgesehen ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Signalisieren von Bit- Loading-Tabellen für adaptive Modulation bei Verwendung reduzierter Sätze von QAM-Alphabeten.
  • Ein gravierendes Problem bei der Mobilfunkübertragung ist die Frequenzselektivität der Mobilfunkkanäle. Die Frequenzselektivität, hervorgerufen durch Mehrwegeausbreitung mit großen Laufzeitdifferenzen, bewirkt starke lineare Verzerrungen des Empfangssignals, die den Einsatz aufwendiger Entzerrer oder einer Viterbi-Detektion erforderlich machen. Ein geeignetes Mittel, den Nachteilen frequenzselektiver Kanäle entgegenzuwirken, ist die sogenannte Adaptive Modulation (AM), die im Folgenden näher beschrieben wird.
  • Adaptive Modualtion wird in OFDM-Systemen (Orthogonal Frequency 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 schematisch dargestellt. Der Sender überträgt über den Funkkanal Daten zu einem Empfänger. In dem Sender werden die zu sendenden Daten zunächst durch einen Codierer und Interleaver codiert und verschachtelt. Anschließend werden die Daten je nach Kanaleigenschaft mit unterschiedlicher Modulationswertigkeit 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 Signal/Rausch-Abstand ist der jeweilige Subträger mit einer hohen Bitzahl zu modulieren, während bei einem geringen Signal/Rausch-Verhältnis eine geringe Bitzahl genügt. Das Signal/Rausch-Verhältnis wird üblicherweise in dem Empfänger geschätzt und für die einzelnen Subträger in eine sogenannte Bit-Loading-Tabelle umgesetzt. Beispielsweise kann eine solche Bit-Loading-Tabelle Informationen über das Signal/Rauschverhältnis oder alternativ die angeforderte Modulationswertigkeit 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 Interleaver erhaltenen Bit-Strom an den jeweils einer bestimmten Modulationswertigkeit zugeordneten Modulator MOD1. . ., MODn-1, MODn. Dabei kann der Modulator MOD1 beispielsweise ein BPSK- Modulator und der Modulator MODn 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-Transformation von den einzelnen Subträgern als Zeiger gewonnen. Ein anschließender Demultiplexer DEMUX weist die Daten entsprechend der Bit-Loading-Tabelle dem geeigneten Demodulator zu. Der vom Demodulator DEMOD1, . . ., DEMODn-1, DEMODn gewonnene Bit-Strom wird über einen Multiplexer MUX einem Deinterleaver und Kanaldecodierer zugeführt.
  • Wie bereits erwähnt, ist für die adaptive Modulation die gewünschte Bit-Loading-Tabelle vom Sender zum Empfänger zu übertragen. Ein wesentlicher Punkt dabei ist, dass die Bit- Loading-Tabellen typischerweise im Empfänger auf der Basis von RSSI (Radio Signal Strength Indication) und SNR (Signal to Noise/Interference Ratio) berechnet und dem Sender übermittelt werden müssen. Für ein TDD-Schema (Time Division Duplex) wird üblicherweise ein WSS-Kanal (Wide Sense Stationary) für einen Zeitraum, in dem die Bit-Loading-Tabelle gültig ist, angenommen. Dieses periodische Übertragen von Kanalgrößen führt gewöhnlich zu einem sogenannten Signalisierungs- Overhead, der selbstverständlich so klein wie möglich aber so hoch wie nötig gehalten werden sollte, um die Leistungsfähigkeit des Systems nicht übermäßig herabzusetzen. Es besteht also das Problem, den Signalisierungs-Overhead, der durch das Übertragen der gewünschten Bit-Loading-Tabelle vom Empfänger zum Sender verursacht wird, zu reduzieren.
  • Bislang wurden in OFDM-Systemen (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) unterschiedliche Effekte verwendet, um den Signalisierungs-Overhead zu optimieren. Bei einer Variante wird die Korrelation des SNR pro Subträger verwendet und das gleiche QAM-Alphabet für eine Gruppe beziehungsweise ein Cluster von benachbarten OFDM-Subträgern verwendet. In diesem Fall wird der gleiche Satz an QAM-Alphabeten (z. B. BPSK, QPSK, 16QAM) für alle PHY-Modi verwendet. Dabei stellt ein PHY-Modus einen Übertragungsmodus dar, der typischerweise durch eine konstante nominale Bitrate definiert ist. Wenn eine feste Modulation verwendet wird, wird ein bestimmtes festes QAM-Alphabet für alle Subträger in Kombination mit einer bestimmten Coderate eingesetzt.
  • Eine weitere Möglichkeit, den Signalisierungs-Overhead zu reduzieren, besteht beim periodischen Senden einer Bit-Loading- Tabelle. Der Signalisierungs-Overhead wird dadurch reduziert, dass die Bit-Loading-Tabelle nur gesendet wird, wenn dies tatsächlich erforderlich ist.
  • Eine dritte Variante zur Reduktion der Signalisierungs- Overheads ist aus dem IST-BRAIN-Projekt, Deliverable D3.2, Seiten 30 bis 33, bekannt. Sie wird als Bit-Load-Swapping bezeichnet. Diese Lösung basiert auf der Idee, einen Untersatz von QAM-Alphabeten für unterschiedliche nominale Bitraten zu verwenden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Signalisierungs-Overhead bei der Signalisierung von Bit-Loading-Tabellen für adaptive Modulation weiter zu reduzieren, ohne jedoch signifikante Leistungseinbußen in Kauf zu nehmen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Datensignalen unter Verwendung mehrerer Übertragungsmodi, denen jeweils mindestens eine vorgegebene nominale Bitrate oder Spitzendatenrate zugeordnet sind, mit einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Information bezüglich der Übertragungsmodi, und eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Zuordnungstabelle, die den mehreren Übertragungsmodi jeweils einen Satz an Modulationsarten, welche jeweils mit einem Kenner adressierbar sind, zuordnet, wobei mit der Übertragungseinrichtung einer oder mehrere der Kenner an eine Gegenstelle übertragbar und/oder von einer Gegenstelle empfangbar ist.
  • Ferner wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Senden und/oder empfangen von Datensignalen unter Verwendung mehrerer Übertragungsmodi, denen jeweils mindestens eine vorgegebene nominale Bitrate oder Spitzendatenrate zugeordnet sind, durch Übertragen mehrerer Kenner bezüglich der Übertragungsmodi, und Bereitstellen einer Zuordnungstabelle, die den mehreren Übertragungsmodi jeweils einen Satz an Modulationsarten, welche jeweils mit einem Kenner adressierbar sind, zuordnet, und Übertragen der Zuordnungstabelle an eine Gegenstelle und/oder Empfangen der Zuordnungstabelle von einer Gegenstelle.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.
  • Der erfindungsgemäße Ansatz ergibt sich aus der Überlegung, dass SNR typischerweise pro Subträger chi-quadrat verteilt ist. Dies bedeutet, dass alle SNR-Werte, die auftreten können, um einen SNR-Mittelwert geschart sind. Der SNR-Mittelwert kann tatsächlich als mehr oder weniger stationär betrachtet und zur Ermittlung der durchschnittlichen QAM-Alphabetgröße verwendet werden. Da die SNR-Werte zwar um den Mittelwert geschart sind, aber nicht alle möglichen SNR-Werte abgedeckt werden, dürfen nicht alle verfügbaren, d. h. durch die entsprechende Hardware unterstützten, QAM-Alphabete für einen bestimmten Übertragungsmodus, der gemäß dem Standard HIPERLAN/2 als "PHYsical Layer Mode" bezeichnet wird, verwendet werden. Da die QAM-Alphabetgröße dementsprechend an das SNR pro Subträger angepasst wird, ist daher effizient nur ein Untersatz an allen unterstützten QAM-Alphabeten zur Verwendung für einen PHY-Modus zu benutzen. Die Verwendung eines derartigen Untersatzes erspart Signalisierungs-Overhead ohne die Leistungsfähigkeit des Systems signifikant herabzusetzen.
  • In einer bevorzugten Variante befindet sich in jedem Untersatz das NIL-Modulationsalphabet zum Ein-/Ausschalten eines bestimmten Subträgers. Die Verwendung des NIL-Alphabets in jedem Untersatz würde dem oben genannten Bit-Load-Swapping- Prinzip, das eine konstante nominale Bitrate impliziert, für höhere Modulationsalphabete als QPSK widersprechen und ist daher in bereits bekannten Verfahren nicht vorgesehen. Erfindungsgemäß erfolgt jedoch das Bit-Swapping von den Subträgern mit geringem SNR zu Subträgern mit höherem SNR. Zum Signalisieren an die jeweilige Gegenstelle werden unterschiedliche Untersätze von QAM-Alphabeten für jeden PHY-Modus, der nicht notwendigerweise durch eine konstante nominale Bitrate definiert sein muss, verwendet. Besonders vorteilhaft ist, wenn in Systemen mit mehreren Sendeantennen in jedem Untersatz das NIL-Alphabet für die PHY-Modi verwendet wird.
  • Das vorgeschlagene Signalisierungsschema kann in einem OFDM- System aber auch in Systemen vom Typ MC-CDMA (Multi Carrier Code Division Multiple Access) eingesetzt werden. Wie bereits angeklungen ist, ist das Signalisierungsschema nicht auf PHY- Modi mit konstanter Bitrate beschränkt, sondern kann auch für PHY-Modi mit variabeler Bitrate verwendet werden. Durch das NIL-Modulationsalphabet kann das Mehrsendeantennensystem (TX) gewisse TX-Antennen gezielt an- und abschalten.
  • Im Zusammenhang von Kommunikationssystemen mit adaptiver Modulation ermöglicht dieses Signalisierungsschema den Einsatz eines variablen, reduzierten Satzes von QAM-Alphabeten mit Mehrantennenelementen. Ein derartiges Mehrantennensystem wäre beispielsweise ein SFBC-System (Space Frequency Block Coding) oder ein einfaches geschaltetes TX-Antennendiversitätssystem. Dadurch, dass stets das NIL-Alphabet für jeden Untersatz von QAM-Alphabeten pro PHY-Modus verwendet wird, ergibt sich ein einziges, kohärentes Bit-Loading-Signalisierungsschema, so dass adaptive Modulation kombiniert mit einer SFBC oder einem einfachen geschalteten TX-Antennendiversitätsschema verwendet werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild zur adaptiven Modulation gemäß dem Stand der Technik;
  • Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Senders und Empfängers für einen reduzierten Satz an Modulationsalphabeten gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 3 ein Blockschaltdiagramm eines Senders und Empfängers für einen reduzierten Satz von Modulationsalphabeten gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Ein erfindungsgemäßes Übertragungssystem mit einer Signalisierung eines reduzierten Satzes an Modulationsalphabeten ist in Fig. 2 dargestellt. Die Schaltblöcke entsprechen dabei im wesentlichen denen von Fig. 1. Nach der adaptiven Modulation wird das Signal einem TX-Antennenselektor zugeführt. Dieser wählt aufgrund von aktuellen Kanalgrößen, die über eine Bit- Loading-Tabelle erhalten werden, die entsprechende Sendeantenne. In der Figur sind die Übertragungswege durch Kanal 1 und Kanal 2 symbolisiert. Nach der Antennenselektion werden die Signale für die einzelnen Antennen bzw. Kanäle jeweils durch eine IFFT auf die Subträger aufmoduliert.
  • Durch den Bit-Loading-Algorithmus werden wie bei der adaptiven Modulation gemäß Fig. 1 die Signal-/Rauschverhältnisse der jeweiligen Subträger und Sendeantenne ermittelt und in einer Tabelle die jeweilige Modulationswertigkeit für die einzelnen Subträger pro Sendeantenne festgelegt. Damit kann die adaptive Modulation über mehrere Sendeantennen optimal im Sinne einer Anpassung des Sendesignals an den Übertragungskanal durchgeführt werden.
  • Im Empfänger werden die adaptiv modulierten und von den Sendeantennen übermittelten Sendedaten empfangen und durch FFT von den jeweiligen Subträgern adaptiv demoduliert. Die Symbole am Ausgang des FFT-Transformators werden durch adaptive Demodulation mit dem über die Bit-Loading-Tabelle gewählten QAMDemodulierer wieder in einen Bit-Strom gewandelt. Anschließend wird der Bit-Strom gegebenenfalls in einem Deinterleaver mit nachgeschaltetem Kanalcodierer entgültig decodiert.
  • In einer Weiterentwicklung gemäß Fig. 3 besitzt das erfindungsgemäße Übertragungssystem zwei Sendeantennen (TX) und zwei Empfangsantennen (RX). Aus dieser Antennenkombination ergeben sich die mindestens vier Übertragungskanäle Kanal 1, Kanal 2, Kanal 3 und Kanal 4. In den beiden Empfangsantennen überlagern sich die Eingangssignale der Übertragungskanäle Kanal 1 und Kanal 2 bzw. Kanal 3 und Kanal 4 additiv. Die beiden Empfangssignale von den Empfangsantennen werden zunächst einer Trägerdemodulation unterworfen und anschließend in bekannterweise durch Maximum-Ratio-Combining (MRC), Maximum-Gain-Combining (MGC) oder auch Optimum-RX-Combining unter Ausnutzung von Kanalzustandsinformation, auch Channel State Information (CSI) genannt, zusammengefasst bzw. optimiert. Anschließend findet die bereits erwähnte adaptive Demodulation statt. Für die weiteren Elemente sei auf den HIPERLAN/2 Standard verwiesen.
  • Die nachfolgende Tabelle dient als konkretes Beispiel für einen reduzierten Satz an Modulationsalphabeten für mehrere Übertragungsmodi bzw. PHY-Modes, wie sie erfindungsgemäß vom Sender zum Empfänger oder umgekehrt übertragen wird. Mehreren gewünschten nominalen Bitraten sind jeweils ein Satz von QAM- Alphabeten für adaptive Modulation als PHY-Erweiterung zugeordnet. Die Subträger-Modulations-Identifier bzw. -Kenner geben mit zwei Bits das dazugehörige Modulationsalphabet an. Für eine Clustergröße von zwei Subträgern ist es möglich, nur zwei Bits für die Wahl des QAM-Alphabets pro Subträger zu wählen. An dieser Stelle sei betont, dass auch andere QAM- Alphabete, die nicht in HIPERLAN/2 spezifiziert sind, nämlich 8PSK, 32QAM und 128QAM durchaus für Modulationsschemata in Betracht gezogen werden können. Ferner können systembedingt auch Clustergrößen von 1, 3, 4 etc. verwendet werden.
  • In einer konkreten Ausführungsform ist der Sender bzw. Empfänger mit mehreren Sende- und/oder Empfangsantennen sowie mit einem Speicher zum Abspeichern der obigen Tabelle ausgerüstet. Die Tabelle ordnet dabei jedem PHY-Modus eine Untermenge zulässiger Modulationsarten und Codierungen zu, wobei jede einzelne Modulationsart und Codierung durch einen Identifier bzw. Kenner adressiert wird. Zur Signalisierung zwischen Sender und Empfänger wird der Kenner ausgetauscht, so dass in der jeweiligen Gegenstelle über die Tabelle eine Zuordnung zu einem Modulationsalphabet vorgenommen werden kann.
  • Vorzugsweise beinhaltet jeder PHY-Modus einige zulässige Modulationen und Codierungen, insbesondere mit dem Eintrag NIL, um bestimmte OFDM-Subträger auf bestimmten Sendeantennen auszuschalten bzw. mit NIL zu modulieren. Dabei wird jeweils ein Subträger-Modulations-Identifier einem Subträger bzw. Subträgercluster und jeweils einer Sendeantenne zugeordnet. Tabelle Subträger-Modulations-Identifier für Subträger- Clustergröße 2

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Datensignalen unter Verwendung mehrerer Übertragungsmodi, denen jeweils mindestens eine vorgegebene nominale Bitrate oder Spitzendatenrate zugeordnet sind, mit einer Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Information bezüglich der Übertragungsmodi, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Zuordnungstabelle, die den mehreren Übertragungsmodi jeweils einen Satz an Modulationsarten, welche jeweils mit einem Kenner adressierbar sind, zuordnet, wobei mit der Übertragungseinrichtung einer oder mehrere der Kenner an eine Gegenstelle übertragbar und/oder von einer Gegenstelle empfangbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Übertragungsmodus durch eine konstante nominale Bitrate oder Spitzendatenrate definiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Satz an Modulationsarten aus eine Teilmenge einer umfangreicheren Menge von Modulationsalphabeten besteht und wobei die umfangreichere Menge vorzugsweise: NIL, BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 128QAM umfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei jeder Satz an Modulationsarten das NIL-Modulationsalphabet umfasst.
5. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 4, mit mehreren Sende- und/oder Empfangsantennen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine der mehreren Sendeantennen durch Verwenden des NIL-Modulationsalphabets ausschaltbar ist.
7. Verfahren zum Senden und/oder Empfangen von Datensignalen unter Verwendung mehrerer Übertragungsmodi, denen jeweils mindestens eine vorgegebene nominale Bitrate oder Spitzendatenrate zugeordnet sind, durch Übertragen mehrerer Kenner bzgl. der Übertragungsmodi, gekennzeichnet durch
Bereitstellen einer Zuordnungstabelle, die den mehreren Übertragungsmodi jeweils einen Satz an Modulationsarten und/oder Codierungen, welche jeweils mit einem Kenner adressierbar sind, zuordnet, und
Übertragen der Zuordnungstabelle an eine Gegenstelle und/oder Empfangen der Zuordnungstabelle von einer Gegenstelle.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Übertragungsmodus durch eine konstante oder variable nominale Bitrate definiert ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Satz an Modulationsarten eine Teilmenge aus einer umfangreicheren Menge von Modulationsalphabeten besteht und die umfangreichere Menge vorzugsweise: NIL, BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 128QAM umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei in jedem Satz an Modulationsarten das NIL-Modulationsalphabet enthalten ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Datensignale über mehrere Sende- und/oder Empfangsantennen übertragen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine der mehreren Sendeantennen durch Verwendung des NIL-Modulationsalphabets ausgeschaltet wird.
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