DE102004050688A1

DE102004050688A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kanalschätzung in einem Mehrträgerkommunikationssystem

Info

Publication number: DE102004050688A1
Application number: DE200410050688
Authority: DE
Inventors: Dragan Obradovic; Rui Chang; Andrei Szabo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kanalschätzung in einem Funkkommunikationssystem, bei dem ein in eine Mehrzahl an Subträgern (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) aufgeteiltes Frequenzband (F-BAND) eingesetzt wird. Auf mindestens einem ersten Subträger (SUB1, SUB5) wird eine empfängerseitig bekannte Symbolsequenz (PILOT) empfangen und zur Kanalschätzung für diesen Subträger (SUB1, SUB5) eingesetzt. Erfindungsgemäß wird auf mindestens einem zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) eine empfängerseitig unbekannte Symbolsequenz empfangen und zur Kanalschätzung für diesen Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) eingesetzt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kanalschätzung in einem Funkkommunikationssystem, bei dem ein in eine Mehrzahl an Subträgern aufgeteiltes Frequenzband eingesetzt wird.

In Funkkommunikationssystemen werden Nachrichten, beispielsweise mit Sprachinformation, Bildinformation, Videoinformation, SMS (Short Message Service), MMS (Multimedia Messaging Service) oder anderen Daten, mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle zwischen sendender und empfangender Funkstation übertragen. Bei den Funkstationen kann es sich hierbei je nach konkreter Ausgestaltung des Funkkommunikationssystems um verschiedenartige teilnehmerseitige Funkstationen oder netzseitige Funkeinrichtungen wie Repeater, Funkzugangspunkte oder Basisstationen handeln. In einem Mobilfunkkommunikationssystem handelt es sich bei zumindest einem Teil der teilnehmerseitigen Funkstationen um mobile Funkstationen. Das Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen erfolgt mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen.

Mobilfunkkommunikationssysteme sind oftmals als zellulare Systeme z.B. nach dem Standard GSM (Global System for Mobile Communication) oder UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) mit einer Netzinfrastruktur bestehend z.B. aus Basisstationen, Einrichtungen zur Kontrolle und Steuerung der Basisstationen und weiteren netzseitigen Einrichtungen ausgebildet. Außer diesen weiträumig organisierten (supralokalen) zellularen, hierarchischen Funknetzen gibt es auch drahtlose lokale Netze (WLANs, Wireless Local Area Networks) mit einem in der Regel räumlich deutlich stärker begrenzten Funkabde ckungsbereich. Beispiele verschiedener Standards für WLANs sind HiperLAN, DECT, IEEE 802.11, Bluetooth und WATM.

Der Zugriff von Funkstationen auf das gemeinsame Übertragungsmedium wird bei Funkkommunikationssystemen durch Vielfachzugriffsverfahren/Multiplexverfahren (Multiple Access, MA) geregelt. Bei diesen Vielfachzugriffen kann das Übertragungsmedium im Zeitbereich (Time Division Multiple Access, TDMA), im Frequenzbereich (Frequency Division Multiple Access, FDMA), im Codebereich (Code Division Multiple Access, CDMA) oder im Raumbereich (Space Division Multiple Access, SDMA) zwischen den Teilnehmerstationen aufgeteilt werden. Bei den Raumbereichs-Vielfachzugriffsverfahren sind z.B. MIMO-Verfahren (MIMO: Multiple Input Multiple Output) zu nennen, bei welchen Sender und Empfänger eine an sich beliebige Anzahl an Antennen aufweisen können. Auch Kombinationen von Vielfachzugriffsverfahren sind möglich.

Bei Frequenzbereichs-Vielfachzugriffsverfahren ist es vorteilhaft, das gesamte zur Verfügung stehende Frequenzband in mehrere Subträger zu unterteilen (Mehrträgerverfahren). Die den Mehrträgersystemen zugrunde liegende Idee ist es, das Ausgangsproblem der Übertragung eines breitbandigen Signals in die Übertragung einer Mehrzahl von schmalbandigen Signalen zu überführen. Dies hat u.a. den Vorteil, dass die am Empfänger erforderliche Komplexität reduziert werden kann. Ferner ermöglicht die Aufteilung der verfügbaren Bandbreite in mehrere schmalbandige Subträger eine deutlich höhere Granularität der Datenübertragung hinsichtlich der Verteilung der zu übertragenden Daten auf die unterschiedlichen Subträger, d.h. die Funkressourcen können mit einer großen Feinheit auf die zu übertragenden Daten bzw. auf die Empfänger verteilt werden. Bei OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) werden für die Subträger zeitlich annähernd rechteckige Pulsformen verwendet. Der Frequenzabstand der Subträger wird derart gewählt, dass im Frequenzraum bei derjenigen Frequenz, bei welcher das Signal eines Subträgers ausgewertet wird, die Signale der anderen Subträger einen Nulldurchgang aufweisen. Somit sind die Subträger orthogonal zueinander. Durch den meist sehr geringen Abstand der Subträger bei OFDM und der Schmalbandigkeit der auf den einzelnen Subträgern übertragenen Signale soll gewährleistet werden, dass die Übertragung innerhalb der einzelnen Subträger im allgemeinen nicht frequenzselektiv ist. Dies vereinfacht am Empfänger die Signalentzerrung.

Empfängerseitig wird in Funkkommunikationssystemen eine Kanalschätzung durchgeführt, mittels welcher Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen Sender und Empfänger ermittelt werden können. Das Ergebnis der Kanalschätzung kann dann bei der Verarbeitung von empfangenen Nachrichten eingesetzt werden, um die empfangenen Symbole zuverlässiger detektieren zu können. Üblicherweise werden zur Kanalschätzung Trainings- bzw. Pilotsequenzen übertragen, d.h. dem Empfänger bekannte Symbolsequenzen. Die Kanalschätzung wird umso genauer, je länger die Pilotdatensequenz ist. Auf der anderen Seite leidet in dem Fall einer sehr langen Pilotdatensequenz die Bandbreiteeffizienz, da während der Pilotphase keine nützlichen Informationen, d.h. dem Empfänger unbekannte Symbolsequenzen, übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren zur Kanalschätzung in einem Mehrträger-Funkkommunikationssystem vorzustellen. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufgezeigt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch Vorrichtungen mit Merkmalen von nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kanalschätzung wird auf mindestens einem ersten Subträger eine empfängerseitig bekannte Symbolsequenz empfangen und zur Kanalschätzung für diesen Subträger eingesetzt. Erfindungsgemäß wird auf mindestens einem zweiten Subträger eine empfängerseitig unbekannte Symbolsequenz empfangen und zur Kanalschätzung für diesen Subträger eingesetzt.

Die Kanalschätzung ist orientiert an der Ermittlung von Eigenschaften des Funkkanals, und nicht primär an der Detektion des Inhalts der empfangenen Sequenzen. Eine Detektion des Inhalts von empfangenen Sequenzen kann jedoch im Rahmen der Kanalschätzung erfolgen. Bei den Symbolen der empfangenen Symbolsequenzen kann es sich um Bits oder auch um komplexere Symbole handeln, abhängig von dem vom Sender verwendeten Modulationsalphabet. Es wird im Rahmen der Erfindung eine dem Empfänger bekannte Symbolsequenz, z.B. eine Pilotsequenz, eingesetzt, in Bezug auf diese Sequenz ist dem Empfänger bekannt, welche Symbole der Sender an ihn gesendet hat. Weiterhin wird eine dem Empfänger unbekannte Symbolsequenz eingesetzt, z.B. mit Nutz- und/oder Signalisierungsinformationen, in Bezug auf diese Sequenz ist dem Empfänger nicht bekannt, welche Symbole der Sender an ihn gesendet hat.

Für einen ersten Subträger wird eine bekannte Symbolsequenz zur Kanalschätzung eingesetzt, und für einen zweiten, von dem ersten Subträger unterschiedlichen Subträger, wird eine unbekannte Symbolsequenz zur Kanalschätzung eingesetzt, wobei die Symbolsequenzen auf den jeweiligen Subträgern übertragen werden, auf welchen sie zur Kanalschätzung eingesetzt werden. Vorzugsweise verwendet der erste Subträger keine auf dem ersten Subträger empfangene unbekannte Symbolsequenz zur Kanalschätzung und der zweite Subträger verwendet keine auf dem zweiten Subträger empfangene bekannte Symbolsequenz zur Kanalschätzung.

Die Aufteilung des Frequenzbandes in Subträger erfolgt vorzugsweise gemäß dem Vielträgerverfahren OFDM. Es besteht der Vorteil, dass ein frequenzselektives Frequenzband in eine Mehrzahl an nicht-frequenzselektiven Subträgern umgewandelt werden kann, wobei die Subträger auch als „flat fading" Kanäle bezeichnet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf eine Mehrzahl von Subträgern, vorzugsweise auf alle Subträger des Frequenzbandes, angewandt werden. Besteht das Frequenzband beispielsweise aus N Subträgern, so können auf i Subträgern bekannte, jeweils auf diesen Subträgern empfangene Symbolsequenzen zur Kanalschätzung eingesetzt werden, und auf j = N – i Subträgern unbekannte, jeweils auf diesen Subträgern empfangene Symbolsequenzen. Hierbei sind i und j ganze Zahlen größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich N.

In Weiterbildung der Erfindung wird für den mindestes einen zweiten Subträger für die Kanalschätzung unter Verwendung der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz mindestens ein Ergebnis einer Kanalschätzung eines anderen Subträgers verwendet. Bei dem anderen Subträger kann es sich um einen Subträger nach der Art des ersten Subträgers handeln, d.h. um einen Subträger, auf welchem eine bekannte Symbolsequenz empfangen und zur Kanalschätzung verwendet wird, oder um einen Subträger nach der Art des zweiten Subträgers, d.h. um einen Subträger, auf welchem eine unbekannte Symbolsequenz empfangen und zur Kanalschätzung verwendet wird. Der andere Subträger kann dem zweiten Subträger im Frequenzbereich benachbart sein, es kann sich jedoch auch um einen weiter entfernten Subträger handeln.

Einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß wird bei der Verwendung des mindestens einen Ergebnisses der Kanalschätzung des anderen Subträgers ein Ähnlichkeitsmaß zwischen dem mindestens einen zweiten Subträger und dem anderen Subträger berücksichtigt. Das Ähnlichkeitsmaß kann z.B. aus Kovarianzmatrizen des mindestens einen zweiten Subträgers und des anderen Subträgers ermittelt werden.

Die Kovarianzmatrix C eines Vektors x ⇀(k) aus n Zufallsvariablen der Dimension (n × 1) mit k einem Beobachtungszeitpunkt, wobei k Werte von 1 bis M annehmen kann, berechnet sich über

Hierbei ist m ⇀ der Mittelwert von x ⇀(k), H ist die Operation der transponierten komplexen Konjugation, und E ist der Erwartungswert. Die Matrix C hat die Dimension (n × n) und ist Hermitisch, d.h. C = C^H.

Das Ähnlichkeitsmaß kann insbesondere dazu dienen, zu erkennen, wie ähnlich sich die Funkkanäle der durch das Ähnlichkeitsmaß erfassten Subträger verhalten. In Ausgestaltung der Erfindung wird aufgrund des Ähnlichkeitsmaßes darüber entschieden, welcher andere Subträger in Bezug auf sein Ergebnis der Kanalschätzung für die Kanalschätzung für den mindestens einen zweiten Subträger verwendet wird. Es kann derart verfahren werden, dass das Ergebnis der Kanalschätzung eines Subträgers dann im Rahmen der Kanalschätzung unter Verwendung der unbekannten Symbolsequenz für den zweiten Subträger zum Einsatz kommt, wenn das Ähnlichkeitsmaß in Bezug auf diesen und den zweiten Subträger einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.

In Weiterbildung der Erfindung umfasst für den mindestens einen zweiten Subträger die Kanalschätzung unter Verwendung der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz ein iteratives Verfahren, insbesondere einen Expectation-Maximation Algorithmus, wobei das Ergebnis der Kanalschätzung des anderen Subträgers als Anfangswert eingesetzt wird.

Für die Kanalschätzung für den mindestens einen zweiten Subträger unter Verwendung der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz kann mindestens eine statistische Eigenschaft der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz einbezogen werden. Hierbei können Annahmen über statistische Eigenschaften oder auch Messungen von solchen Eigenschaften zum Einsatz kommen.

Vorteilhaft ist es, wenn für den mindestens einen zweiten Subträger im Rahmen der Kanalschätzung die Symbole der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz detektiert werden. Bei der Detektion von Symbolen werden Aussagen über die Inhalte der Symbole getroffen.

Bei dem betrachteten Funkkommunikationssystem kann es sich insbesondere um ein MIMO-System (MIMO: Multiple Input Multiple Output) handeln. Die Versendung einer dem Empfänger bekannten Symbolsequenz bedeutet in diesem Fall, dass auf jeder Sendeantenne dem Empfänger bekannte Symbole gesendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kanalschätzung in einem Funkkommunikationssystem weist Mittel auf zum Durchführen einer Kanalschätzung für mindestens einen ersten Subträger unter Verwendung einer empfängerseitig bekannten auf dem mindestens einen ersten Subträger empfangenen Symbolsequenz, und Mittel zum Durchführen einer Kanalschätzung für mindestens einen zweiten Subträger unter Verwendung einer empfängerseitig unbekannten auf dem mindestens einen zweiten Subträger empfangenen Symbolsequenz.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei dies auch auf die Ausgestaltungen und Weiterbildungen zutreffen kann. Hierzu kann sie weitere geeignete Mittel umfassen, wie z.B. Mittel zum Verwenden eines Ergebnisses einer Kanalschätzung eines anderen Subträgers zur Kanalschätzung auf dem mindestens einen zweiten Subträger.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen
1: einen Ausschnitt aus einem Funkkommunikationssystem,
2: ein in eine Mehrzahl an Subträgern aufgeteiltes OFDM-Frequenzband.
Der in 1 dargestellte Ausschnitt aus einem Funkkommunikationssystem beinhaltet einen Sender TX und einen Empfänger RX für Funksignale. Bei dem betrachteten System handelt es sich um ein MIMO (Multiple Input Mulitple Output) System, d.h. der Sender TX weist eine Mehrzahl an Sendeantennen ATX1 bis ATXM mit M einer ganzen Zahl größer Null, und der Empfänger RX eine Mehrzahl an Empfangsantennen ARX1 bis ARXN mit N einer ganzen Zahl größer Null auf. Bei MIMO-Systemen handelt es sich um Systeme, bei denen die Funkstationen mit mehreren Sende- und Empfangsantennen ausgestattet werden und so eine deutliche Erhöhung der theoretischen Kanalkapazität realisierbar ist, welche der Erreichung eine höhere Datenrate dient. Das Konzept basiert auf der Theorie, dass Datenströme mit derselben Frequenz über mehreren separaten Sendeantennen übertragen werden, wobei analog dazu auch mehrere Empfangsantennen verwendet werden. Die MIMO-Technik setzt nicht zwingend voraus, dass genau so viele Empfangs- wie Sendeantennen vorhanden sind. Die MIMO-Signalverarbeitungs-Algorithmen vereinfachen sich jedoch, wenn die Anzahlen der Sende- und Empfangsantennen aneinander angepasst sind. Zur Vereinfachung wird im folgenden davon ausgegangen, dass die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen gleich ist. Die Erfindung ist jedoch auch auf den allgemeinen Fall einer beliebigen Anzahl an Sende- und Empfangsantennen anwendbar, einschließlich dem SISO-System (SISO: Single Input Single Output).
Die Sendeantennen ATX1 bis ATXM senden jeweils einen Strom s1 bis sM an Symbolen. Die Empfangsantennen ARX1 bis ARXN empfangen jeweils einen Strom x1 bis xN an verrauschten Überlagerungen der gesendeten Ströme s1 bis sM. Der Funkkanal zwischen einer Sendeantenne i und einer Empfangsantenne j wird beschrieben durch die Größe H_ji. Bei dem Vektor s →_k handelt es sich um einen Vektor aus den zu dem Zeitpunkt k über die verschiedenen Sendeantennen ATX1 bis ATXM gesendeten Symbole; der erste Eintrag des Vektors s →_k ist somit das jeweilige Symbol des Stromes s1, der zweite Eintrag das jeweilige Symbol des Stromes s2, usw. Bei dem Vektor x →_k handelt es sich um einen Vektor aus den zu dem Zeitpunkt k über die verschiedenen Empfangsantennen ARX1 bis ARXN empfangenen Symbole; der erste Eintrag des Vektors x →_k ist somit das jeweilige Symbol des Stromes x1, der zweite Eintrag das jeweilige Symbol des Stromes x2, usw. Betrachtet man eine Mehrzahl an aufeinander folgenden Sende- bzw. Empfangszeitpunkten, entsprechen die Größen s → und x → Matrizen, wobei jede Spalte einem Zeitpunkt entspricht und somit einem Vektor s →_k bzw. x →_k.
Die Beziehung zwischen s →_k und x →_k lässt sich darstellen als x→x→_k = Hs ⇀_k + n ⇀, mit n ⇀ dem Rauschen – welches oft als unkorreliertes, weißes Rauschen mit Mittelwert Null bekannter Varianz angenommen wird – und H der Matrix mit den Einträgen H_ji, von welchen zumindest manche komplex sein können. Im allgemeinen ist H unbekannt und muss daher durch die empfängerseitige Kanalschätzung ermittelt werden.
Wenn über die Sendeantennen ATX1 bis ATXM Pilotsymbole gesendet werden, ist eine Reihe von Vektoren s →_k bekannt. In diesem Fall erfolgt die Kanalschätzung durch Maximierung der Wahrscheinlichkeitsgröße 1n p(x ⇀_k|s ⇀_k;H) über H. Bei der Größe p(x ⇀_k|s ⇀_k;H) handelt es sich um die Wahrscheinlichkeit, dass bei gegebenem H der Vektor x →_k empfangen wird, wenn der gesendete Vektor s →_k ist, sie entspricht der Dichtefunktion der Rauschens n ⇀.
Es wird der Fall betrachtet, dass es sich bei dem Funkkommunikationssystem um ein OFDM-System handelt. 2 zeigt das in dem System verwendete Frequenzband F-BAND, welches in die Subträger SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7 und SUB8 aufgeteilt ist. Es wird beispielhaft der Fall von 8 Subträgern betrachtet; in der Regel ist die Anzahl an verwendeten Subträgern in OFDM-Systemen größer. Die obigen Erläuterungen hinsichtlich des MIMO-Systems und der Kanalschätzung gelten für jeden der Subträger SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7 und SUB8 einzeln.
Auf manchen der Subträger SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7 und SUB8 wird eine Pilotsequenz PILOT übertragen. Dies bedeutet, dass in Bezug auf diese Subträger über alle Sendeantennen ATX1 bis ATXM dem Empfänger RX bekannte Symbolsequenzen ausgestrahlt werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um nicht benachbarte Subträger, in 2 wird die Pilotsequenz PILOT auf den Subträgern SUB1 und SUB5 gesendet. Der Inhalt der Pilotsequenz PILOT kann sich für die unterschiedlichen Subträger voneinander unterscheiden, wesentlich ist, dass dem Empfänger RX die jeweilige Pilotsequenz PILOT bekannt ist. Der Empfänger RX verwendet die Pilotsequenz PILOT zur Kanalschätzung für die Subträger SUB1 und SUB5. Hierbei können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen.
Auf den anderen Subträgern SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7 und SUB8 wird keine Pilotsequenz PILOT ausgestrahlt, so dass die Kanalschätzung in Bezug auf diese Subträger nicht unter Verwendung von auf diesen Subträgern ausgestrahlten empfängerseitig bekannten Symbolsequenzen erfolgen kann. Eine Kanalschätzung unter Verwendung von empfängerseitig nicht bekannten Sequenzen kann folgendermaßen durchgeführt werden: Sind die gesendeten Vektoren s →_k dem Empfänger nicht bekannt, handelt es sich um den Fall der blinden oder halb-blinden (englisch: semi-blind) Kanalschätzung. Bei den Vektoren s →_k kann es sich um Nutzdaten oder Signalisierungsinformationen handeln.
Bei der im folgenden erläuterten halb-blinden Kanalschätzung wird von folgenden Annahmen ausgegangen:

• Für jede Sendeantenne ATX1 bis ATXM sind die einzelnen Symbole der Ströme s1 bis sM, d.h. die zu verschiedenen Zeiten über eine Antenne versendeten Symbole, statistisch voneinander unabhängig.
• Die Ströme s1 bis sM der verschiedenen Sendeantennen ATX1 bis ATXM sind statistisch voneinander unabhängig.
• Die Ströme s1 bis sM bestehen aus Symbolen eines diskreten Modulationsalphabets, welches aus den Symbolen ξ¹ bis ξ^Q besteht. Das Modulationsalphabet ist dem Empfänger bekannt.
• Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines jeden Symbols ξ¹ bis ξ^Q innerhalb eines jeden Stromes s1 bis sM ist bekannt.

Hierbei handelt es sich um realistische Annahmen, welche in praktisch jedem digitalen Funkkommunikationssystem erfüllt sind.
Da die Ströme s1 bis sM dem Empfänger nicht bekannt sind, lautet im Fall der halb-blinden Kanalschätzung das Maximierungsproblem: max 1n p(x ⇀;H) über H. Hierbei stellt p(x ⇀;H) die Wahrscheinlichkeit dafür dar, dass bei gegebenem H die Matrix x ⇀ empfangen wird.
Es gilt Gleichung 1:
Bei x ⇀ handelt es sich um eine Matrix, entstehend durch eine Aneinanderreihung von Vektoren x ⇀_k, wobei der Index k für die Zeit steht. Die Reihen von x ⇀ bestehen somit aus den Strömen x1 bis xN, die Spalten x ⇀_k von x ⇀ bestehen aus den zu einem Zeitpunkt k empfangenen Symbolen. p(ξ q1 / k) ist die Wahrscheinlichkeit, dass zum Zeitpunkt k das Symbol ξ^q1 gesendet wird. p(x ⇀_k|ξ q1 / k,ξ q2 / k,...,ξ M / k;H) gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass bei gegebenem H der Vektor x ⇀_k empfangen wird, wenn der dazugehörige Sendevektor aus den Elementen ξ^q1,ξ^q2,...,ξ^M besteht. Die dreifache Summenbildung entspricht einer Integration über alle möglichen Werte, welche ein Vektor mit M Einträgen aus dem Modulationsalphabet mit Symbolen ξ¹ bis ξ^Q annehmen kann.
Bei der Erstellung von Gleichung 1 wird ausgenutzt, dass die Symbole zu verschiedenen Zeiten k statistisch unabhängig sind; dass für jeden Zeitpunkt k aufgrund der statistischen Unabhängigkeit der Ströme s1 bis sM voneinander gilt
(i indiziert hierbei die Sendeantenne), wobei p(si) = p(ξ^q) wenn si = ξ^q (q indiziert hierbei den Buchstaben des Modulationsalphabets mit q = 1...Q ).
Unter Berücksichtigung von Gleichung 1 lässt sich das Maximierungsproblem max 1n p(x ⇀;H) über H nicht analytisch lösen. Daher kann ein iteratives Verfahren angewandt werden, beispielsweise der in
A. Belouchrani, J-F. Cardoso: „Maximum likelihood source separation for descrete sources", EUSIPCO-94 vorgestellte Expectation Maximization Algorithmus.
Hierbei wird in einem ersten Schritt die Größe
gebildet. Hierbei handelt es sich in etwa um einen Mittelwert von 1n(p(x ⇀|s ⇀;H)). Der Index r zeigt die Iterationsstufe des Algorithmus an, H^r ist eine bekannte Größe. Zu Beginn wird eine Anfangsgröße H⁰ eingesetzt. In einem zweiten Schritt wird die Größe
über H maximiert. Das daraus resultierende H wird in dem folgenden Schritt als H^r in
eingesetzt, woraufhin eine erneute Maximierung hinsichtlich H stattfindet, usw, so dass H zu einem (gegebenenfalls lokalen) Optimum konvergiert.
Anstelle des erwähnten Expectation Maximization Algorithmus können auch andere Verfahren angewandt wenden.
Je besser die Anfangsgröße H⁰ dem tatsächlichen Kanal entspricht, desto rascher konvergiert der beschriebene iterative Algorithmus und desto besser ist das Ergebnis, zu welchem der Algorithmus konvergiert. Daher sollte als Anfangsgröße H⁰ für die Kanalschätzung für die Subträgern SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7 das Ergebnis der Kanalschätzung eines möglichst ähnlichen Kanals eingesetzt werden, so z.B. das Ergebnis der Kanalschätzung des benachbarten Subträgers.
Weiterhin findet durch die halb-blinde Kanalschätzung neben der Ermittlung von H eine Detektion der empfangenen unbekannten Symbole statt. Die zu Zwecken der Kanalschätzung empfangenen unbekannten Symbole müssen somit im Anschluss an die Kanalschätzung nicht mehr daraufhin untersucht werden, aus welchen gesendeten Symbolen sie hervorgegangen sind, da eine Wahrscheinlichkeitsverteilung eines jeden empfangenen Symbols im Hinblick auf das zur Verfügung stehende Modulationsalphabet nach Abschluss der Kanalschätzung zur Verfügung steht. Hierdurch entsteht eine Reduzierung des Signalsverarbeitungsaufwands beim Empfänger.

Um die Ähnlichkeit der Kanäle zweier Subträger i und j einzustufen, wird das Produkt U H / i·U_j berechnet. U ist jeweils eine orthogonale Matrix, welche berechnet wird aus der Eigenwertzerlegung der Kovarianzmatrix des empfangenen Signals an den Empfangsantennen ARX1 bis ARXN. Die Kovarianzmatrizen C werden wie bereits oben erläutert berechnet, wobei für den Vektor x ⇀(k) der Definition der Kovarianzmatrix der Vektor der auf einem Subträger über die mehreren Empfangsantennen ARX1 bis ARXN zum Zeitpunkt k empfangenen Symbole eingesetzt wird. Die Eigenwertzerlegung der hermitischen Matrizen C resultiert in den folgenden Matrizen: C = U·D·U^H, wobei D eine Diagonalmatrix mit den Eigenwerten von C ist. Die Matrix U ist eine orthogonale Matrix, d.h. U^–1 = U^H, wobei die Spalten von U die Eigenvektoren von C darstellen.

Wird senderseitig eine Anzahl L eingehender Ströme durch eine Matrix V auf die M Ströme der Sendeantennen umgesetzt, so wird empfängerseitig von den N Strömen der Empfangsantennen durch die Matrix U^H wieder auf L ausgehende Ströme umgesetzt. Die Matrix U besteht aus den Eigenvektoren, welche zu den L größten Eigenwerten korrespondieren.

Aus dem Produkt U H / i·U_j wird ein Ähnlichkeitsmaß für die beiden Subträger i und j berechnet. Wenn R_i,j = U H / i·U_j die Dimension (m × m) hat, so wird das Ähnlichkeitsmaß d(i,j) definiert als

Hierbei bedeutet

das Minimum über alle Zeilen, abs(z) den Absolutwert von z, diag_element das Diagonalelement einer Zeile, nondiag_elements eines der nicht-Diagonalelemente einer Zeile, und max(Zahlenreihe) den Maximalwert einer Zahlenreihe. D.h. zur Berechnung des Ähnlichkeitsmaßes d(i,j) wird für jede Zeile der Matrix R_i,j = U H / i·U_j die Differenz gebildet aus dem Absolutwert desjenigen Matrixelements, welches auf der Diagonale der Matrix steht, und dem Maximum des Absolutwertes aller Werte, welche nicht auf der Diagonale der Matrix stehen. Das Ähnlichkeitsmaßes d(i,j) entspricht der kleinsten dieser Differenzen.

Vor der Berechnung des Ähnlichkeitsmaßes d(i,j) findet eine Phasenkorrektur der auf den jeweiligen Subträgern empfangenen Signale statt, so dass die Diagonalelemente von R_i,j = U H / i·U_j reell sind, d.h. die Signale der beiden Subträger werden aneinander ausgerichtet.

Sind die Kanäle zweier Subträger ähnlich, so sind auch die beiden Kovarianzmatrizen und somit die Matrizen U ähnlich. In diesem Fall ist das Produkt U H / i·U_j der Einheitsmatrix ähnlich, so dass das Ähnlichkeitsmaß d(i,j) für diese beiden Subträger einen großen Wert aufweist. Bei Übereinstimmung der beiden Kanäle erreicht das Ähnlichkeitsmaß d(i,j) den Wert 1.

Zu Beginn wird die Ähnlichkeit zwischen den Subträgern SUB1 und SUB2 durch Berechnung des Ähnlichkeitsmaßes d(2,1) überprüft. Es wird ein Schwellenwert γ eingesetzt, wobei zwei Kanäle als ähnlich gelten, wenn das Ähnlichkeitsmaß für die beiden Kanäle den Schwellenwert γ überschreitet. Als vorteilhaft erweist sich die Verwendung von γ = 0.3. Liegt das Ähnlichkeitsmaß d(2,1) für die beiden Subträger SUB1 und SUB2 über dem Wert des Schwellenwertes γ, so wird das Ergebnis der Kanalschätzung des Subträgers SUB1, welches unter Verwendung der Pilotsequenz PILOT bestimmt wurde, als Anfangswert für die halb-blinde Kanalschätzung des Subträgers SUB2 ver wendet und die Kanalschätzung für den Subträger SUB2 durchgeführt.

Liegt das Ähnlichkeitsmaß d(2,1) für die beiden Subträger SUB1 und SUB2 unter dem Wert des Schwellenwertes γ, so werden zwei Fälle unterschieden:
Im ersten Fall liegt das Ähnlichkeitsmaß d(2,1) unter dem Wert des Schwellenwertes γ und ist überdies negativ. In diesem Fall wird der Subträger SUB2 als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert bzw. gespeichert.

Im zweiten Fall liegt das Ähnlichkeitsmaß d(2,1) unter dem Wert des Schwellenwertes γ, ist jedoch positiv. Für diesen Fall wird für einen beliebigen Subträger i (welcher zur Verallgemeinerung der Vorgehensweise nun anstelle des Subträgers SUB2 betrachtet wird) das Ähnlichkeitsmaß mit weiter zurückliegenden Subträgern berechnet, d.h. mit Subträgern mit einer niedrigeren Nummerierung, wobei zur Berechnung des Ähnlichkeitsmaßes kein Subträger verwendet wird, welcher als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert ist und kein Subträger, auf welchem eine Pilotsequenz gesendet wird, überschritten wird. Wird auf diese Weise ein Subträger aufgefunden, in Bezug auf welchen das Ähnlichkeitsmaß mit dem Subträger i über dem Schwellenwert γ liegt, so wird das Ergebnis der Kanalschätzung für den aufgefundenen Subträger für die Kanalschätzung des Subträgers i verwendet, indem der jeweilige Wert als Anfangswert in den Algorithmus zur halb-blinden Kanalschätzung eingesetzt wird. Ist dies nicht gegeben, so wird der Subträger i als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert.

Im folgenden werden einigen konkrete Beispiels für den zweiten Fall betrachtet: für den Subträger SUB2 kann nicht weiter als bis zu dem Subträger SUB1 zurückgegangen werden, so dass der Subträger SUB2 im zweiten Fall als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert werden muss. Für den Subträger SUB3 kann – bei vorhandener Markierung des Subträgers SUB2 als „schlech ter Vorwärts-Subträger" – zu dem Subträger SUB1 zurückgegangen werden, so dass bei Überschreiten des Schwellenwertes γ durch das Ähnlichkeitsmaß d(3,1) das Ergebnis der Kanalschätzung des Subträgers SUB1 als Anfangswert für die halb-blinde Kanalschätzung des Subträgers SUB3 eingesetzt werden kann. Die Berechnung des Ähnlichkeitsmaßes d(3,2) kann unterbleiben, da aufgrund der Markierung des Subträgers SUB2 als „schlechter Vorwärts-Subträger" kein Kanalschätzungsergebnis für den Subträger SUB2 vorliegt. Für den Subträger SUB4 wird zuerst das Ähnlichkeitsmaß d(4,3) bestimmt. Liegt in Bezug auf dieses Ähnlichkeitsmaß der zweite Fall vor, so kann – wie in Bezug auf den Subträger SUB3 beschrieben – zu dem Subträger SUB1 zurückgegangen werden. Bei Betrachtung der Subträger SUB6, SUB7 und SUB8 ist zu beachten, dass nicht weiter als zu dem Subträger SUB5 zurückgegangen wird.

Das beschriebene Verfahren wird vollständig in Vorwärtsrichtung durchgeführt, d.h. beginnend bei dem Subträger SUB2 bis zu dem Subträger SUB8, wobei der Subträger SUB5 aufgrund der Pilotsequenz PILOT ausgenommen ist. Am Ende des Vorwärtsdurchgangs liegt für zumindest manche der Subträger SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7 und SUB8 eine Kanalschätzung vor, die anderen Subträger sind als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert. Im Anschluss wird das Verfahren in Rückwärtsrichtung durchgeführt, beginnend bei dem SUB8 bis zu dem Subträger SUB2, wobei der Subträger SUB5 aufgrund der Pilotsequenz PILOT ausgenommen ist. Bei dem Rückwärtsdurchgang wird jedoch nur ausgehend von denjenigen Subträgern, welche bei dem Vorwärtsdurchgang als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert wurden, ein Ähnlichkeitsmaß mit weiter zurück liegenden Subträgern, d.h. Subträgern mit einer höheren Nummerierung, berechnet. Ist ausreichende Ähnlichkeit nach den für den Vorwärtsdurchgang vorgestellten Kriterien gegeben, so kann eine halb-blinde Kanalschätzung für diese als „schlechter Vorwärts-Subträger" markierten Subträger erfolgen. Wie bei der Vorwärtsrichtung wird die Ähnlichkeit mit Subträgern überprüft, welche nicht als „schlechter Vorwärts-Subträger" mar kiert sind, und es wird nicht ein Subträger überschritten, auf welchem eine Pilotsequenz PILOT gesendet wird.

So wird beispielsweise in Bezug auf den Subträger SUB2 -unter der Voraussetzung, dass er als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert ist, unter der Voraussetzung, dass der Subträger SUB3 nicht als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert ist, das Ähnlichkeitsmaß d(2,3) berechnet. Übersteigt das Ähnlichkeitsmaß d(2,3) den Schwellenwert γ, so wird das Ergebnis der Kanalschätzung des Subträgers SUB3 als Anfangswert für die halb-blinde Kanalschätzung des Subträgers SUB2 eingesetzt. Ist dies nicht der Fall, so wird unter der Voraussetzung, dass der Subträger SUB4 nicht als „schlechter Vorwärts-Subträger" markiert ist, das Ähnlichkeitsmaß d(2,4) berechnet. Übersteigt das Ähnlichkeitsmaß d(2,4) den Schwellenwert γ, so wird das Ergebnis der Kanalschätzung des Subträgers SUB4 als Anfangswert für die halb-blinde Kanalschätzung des Subträgers SUB2 eingesetzt. Ist dies nicht der Fall, so wird das Ähnlichkeitsmaß d(2,5) berechnet. Übersteigt das Ähnlichkeitsmaß d(2,5) den Schwellenwert γ, so wird das Ergebnis der Kanalschätzung des Subträgers SUB5 als Anfangswert für die halb-blinde Kanalschätzung des Subträgers SUB2 eingesetzt. Ist es auf die beschriebene Weise nicht möglich, in Rückwärtsrichtung einen Anfangswert für die Kanalschätzung eines in Vorwärtsrichtung als „schlechter Vorwärts-Subträger" markierten Subträgers zu finden, so kann beispielsweise ein beliebiger Wert als Anfangswert für die halb-blinde Kanalschätzung eingesetzt werden, oder das Ergebnis der Kanalschätzung eines benachbarten oder des ähnlichsten Subträgers wird als Kanalschätzergebnis verwendet.

Sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung können die beiden Gruppen an Subträgern SUB2, SUB3, SUB4 und SUB5, SUB6, SUB7 gleichzeitig behandelt werden. Dies liegt darin begründet, dass in keinem Fall zu einem Subträger zurückgegangen wird, bei welchem die Überschreitung eines Subträgers, auf welchem eine Pilotsequenz PILOT gesendet wird, nötig wäre.

Daher erfolgt die Behandlung der Subträger SUB2, SUB3, SUB4 unabhängig von der Behandlung der Subträger SUB5, SUB6, SUB7. Auch die pilotsequenz-basierte Kanalschätzung der Subträger SUB1 und SUB5 kann parallel erfolgen, da keine Wechselwirkung zwischen der Kanalschätzung für den Subträger SUB1 und den Subträger SUB5 besteht.

Je größer die Anzahl an Subträgern bei gegebener Breite des Frequenzbandes F-BAND ist, desto ähnlicher sind die Kanäle benachbarter Subträger. Daher wird ein besseres Ergebnis der halb-blinden Kanalschätzung erreicht, wenn schmalbandige Subträger verwendet werden. Auch das Rauschen spielt hierbei eine Rolle, da durch das Rauschen benachbarte Subträger Ähnlichkeit verlieren. Dem Einfluss des Rauschens kann dadurch begegnet werden, dass auf einer größeren Anzahl an nicht benachbarten Subträgern Pilotsequenzen zur Kanalschätzung gesendet werden.

Die Kanalschätzung für die Subträger SUB1 und SUB5 kann auf an sich bekannte Weise unter Verwendung der Pilotsequenzen PILOT erfolgen. Besonders vorteilhaft ist jedoch das im folgenden beschriebene Vorgehen für die Kanalschätzung, welches für einen Subträger und im allgemeinen für eine Funkfrequenz unabhängig von der Kanalschätzung auf anderen Subträgern und somit unabhängig von dem bislang beschriebenen Verfahren eingesetzt werden kann:
Zuerst wird eine kurze, dem Empfänger RX bekannte Pilotsequenz gesendet, welche der Empfänger RX zur Kanalschätzung verwendet. Bei der Pilotsequenz handelt es sich um eine Matrix, deren Reihen den über die einzelnen Sendeantennen ATX1 bis ATXM gesendeten Strömen s1 bis sM entsprechen, welche dem Empfänger RX jeweils bekannt sind. Die Länge der Pilotsequenz, d.h. die Anzahl der Spalten der Matrix, ist kurz, so dass in der Regel aufgrund der ersten Kanalschätzung unter Verwendung der bekannten Pilotsequenz kein korrektes Ergebnis für H erzielt wird. Die Anzahl der für die kurze Pilotsequenz benötigten Symbole eines jeden Stromes s1 bis sM hängt von der Höhe des Rauschens ab, vorzugsweise werden 5 bis 10 Symbole auf jeder Sendeantenne ATX1 bis ATXM gesendet. Allerdings gilt, dass mit steigender Länge der gesendeten Pilotsequenz auch das Ergebnis der folgenden halb-blinden Kanalschätzung genauer wird. Die grobe erste Kanalschätzung reicht nicht aus, um eine zufrieden stellende empfängerseitige Entzerrung (englisch: equalisation) durchzuführen. Das Ergebnis der ersten groben Kanalschätzung wird als Anfangsgröße H⁰ für die anschließende halb-blinde Kanalschätzung verwendet. Somit genügt die Versendung einer an sich zu kurzen Pilotsequenz, um -in Kombination mit der darauf folgenden halbblinden Kanalschätzung unter Verwendung von dem Empfänger RX unbekannten Symbolen- ein korrektes Ergebnis H der Kanalschätzung zu erhalten. Dadurch, dass die für die halb-blinde Kanalschätzung verwendeten Symbole dem Empfänger unbekannt sind, werden Funkressourcen eingespart, welche üblicherweise für die Versendung einer längeren Pilotsequenz aufgewendet werden müssen. Anstelle des erwähnten Expectation Maximization Algorithmus können auch andere iterative Verfahren angewandt wenden, welche das Ergebnis H der ersten Kanalschätzung unter Verwendung der Pilotsequenz als Anfangswert einsetzen.

Das beschriebene Vorgehen für die Subträger SUB1 und SUB5 lässt sich folgendermaßen verallgemeinern: Zur Kanalschätzung in einem Funkkommunikationssystem empfängt eine Funkstation eine erste ihr bekannte Symbolsequenz und eine zweite ihr bekannte Symbolsequenz auf der gleichen Funkfrequenz bzw. im gleichen Funkfrequenzband, und es erfolgt eine Kanalschätzung unter Verwendung der ersten und der zweiten Symbolsequenz. Hierbei kann die Länge der ersten Symbolsequenz so bemessen sein, dass unter gegebenen Funkübertragungsbedingungen durch Verwendung der ersten Symbolsequenz lediglich eine Kanalschätzung mangelhafter Qualität resultiert.

Claims

Verfahren zur Kanalschätzung in einem Funkkommunikationssystem, bei dem ein in eine Mehrzahl an Subträgern (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) aufgeteiltes Frequenzband (F-BAND) eingesetzt wird, auf mindestens einem ersten Subträger (SUB1, SUB5) eine empfängerseitig bekannte Symbolsequenz (PILOT) empfangen und zur Kanalschätzung für diesen Subträger (SUB1, SUB5) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) eine empfängerseitig unbekannte Symbolsequenz empfangen und zur Kanalschätzung für diesen Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) für die Kanalschätzung unter Verwendung der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz mindestens ein Ergebnis einer Kanalschätzung eines anderen Subträgers (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung des mindestens einen Ergebnisses der Kanalschätzung des anderen Subträgers (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) ein Ähnlichkeitsmaß zwischen dem mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) und dem anderen Subträger (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des Ähnlichkeitsmaßes darüber entschieden wird, welcher andere Subträger (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) in Bezug auf das Ergebnis seiner Kanalschätzung für die Kanalschätzung für den mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ähnlichkeitsmaß aus Kovarianzmatrizen des mindestens einen zweiten Subträgers (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) und des anderen Subträgers (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) die Kanalschätzung unter Verwendung der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz ein iteratives Verfahren umfasst, wobei das Ergebnis der Kanalschätzung des anderen Subträgers (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) als Anfangswert eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das iterative Verfahren einen Expectation-Maximization Algorithmus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) für die Kanalschätzung unter Verwendung der empfängerseitig unbekannten Symbolse quenz mindestens eine statistische Eigenschaft der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz einbezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) im Rahmen der Kanalschätzung die Symbole der empfängerseitig unbekannten Symbolsequenz detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Funkkommunikationssystem um ein MIMO-System handelt.
Vorrichtung zur Kanalschätzung in einem Funkkommunikationssystem, wobei in dem Funkkommunikationssystem ein in eine Mehrzahl an Subträgern (SUB1, SUB2, SUB3, SUB4, SUB5, SUB6, SUB7, SUB8) aufgeteiltes Frequenzband (F-BAND) eingesetzt wird, mit Mitteln zum Durchführen einer Kanalschätzung für mindestens einen ersten Subträger (SUB1, SUB5) unter Verwendung einer empfängerseitig bekannten auf dem mindestens einen ersten Subträger (SUB1, SUB5) empfangenen Symbolsequenz (PILOT), gekennzeichnet durch Mittel zum Durchführen einer Kanalschätzung für mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) unter Verwendung einer empfängerseitig unbekannten auf dem mindestens einen zweiten Subträger (SUB2, SUB3, SUB4, SUB6, SUB7, SUB8) empfangenen Symbolsequenz.
Empfänger (RX) in einem Funkkommunikationssystem mit einer Vorrichtung zur Kanalschätzung nach Anspruch 11.