Bei
OFDM-Übertragungssystemen
wird das Übertragungsband
in eine Anzahl kmax von Subträgern aufgeteilt,
wobei jeder Subträger
einzeln mit einer Modulation, im Allgemeinen entweder PSK (phase
shift keying) oder QAM (quadrature amplitude modulation), belegt
wird. Ein OFDM-Symbol ergibt sich dabei als resultierender Vektor
der Modulation auf den einzelnen Subträgern. Im Sender wird das quasi im
Frequenzbereich vorliegende OFDM-Symbol mittels einer schnellen
inversen Fouriertransformation, auch als IFFT (inverse fast fourier
transform) bezeichnet, basierend auf den kmax Subträgern in
den Zeitbereich transformiert. Im Empfänger werden kmax oder
mehr Zeitsignal-Abtastwerte eines empfangenen OFDM-Symbols mittels
einer schnellen Fouriertransformation, auch als FFT (fast fourier
transform) bezeichnet, wieder in den Frequenzbereich transformiert
und dort demoduliert (PSK- oder QAM-Demodulation).
Einen
bekannten OFDM-Übertragungsstandard
stellt der WLAN-Standard
IEEE-802.11a dar. Bei diesem Standard wird ein OFDM-Symbol auf kmax = 52 Subträger aufgeteilt, wobei 48 feste
Subträger der Übertragung
von Dateninformationen und 4 feste Subträger der Übertragung von Pilotinformationen dienen.
Ein OFDM-Symbol umfasst dabei 48 QAM-Datensymbole und 4 PSK-Pilotsymbole. Mit dem
WLAN-Standard IEEE-802.11a werden Datenübertragungsraten bis zu 54
Mb/s erreicht.
Hinsichtlich
der in einem WLAN auftretenden Datenkommunikation sind grundsätzlich zwei
unterschiedliche Arten von Datenkommunikation zu unterscheiden:
1. Sporadische Datenkommunikation
Bei
der sporadischen Datenkommunikation kommt es nur gelegentlich zu
einem Datenaustausch. Ein typisches Beispiel für die sporadische Datenkommunikation
ist die Kommunikation über das
Internetprotokoll. Dabei agiert oder reagiert der Nutzer in gewissen
zeitlichen Abständen,
so dass kein kontinuierlicher sondern lediglich ein gelegentlicher
Datenaustausch stattfindet. Ein typisches Merkmal einer derartigen
Datenkommunikation ist eine relativ kurze Paketlänge. Bei kurzen Paketlängen ist die
Paket-Synchronisation, auch als Burst-Synchronisation bezeichnet, problematisch,
da zur Synchronisation nur ein kurzer Zeitraum zur Verfügung steht. Teilaspekte
der Burst-Synchronisation sind die Burst-Detektion, die Verstärkungseinstellung,
das Umschalten der Antenne bei einer Antennendiversität, die Grob-Frequenz-Synchronisation,
die Rahmen-Synchronisation, die Symbol-Synchronisation und die initiale
Kanalschätzung.
Die Burst-Synchronisation beruht auf der Auswertung einer Paket-Präambel, welche
den eigentlichen Nutzdaten in dem Paket vorausgeht. Da für kurze
Paketlängen
zur Gewährleistung
einer möglichst
hohen Transmissionseffizienz möglichst
kurze Paket-Präambeln
verwendet werden, muss die Burst-Synchronisation sehr schnell innerhalb
der kurzen Paket-Präambel
abgeschlossen sein.
2. Kontinuierliche Datenkommunikation,
insbesondere Streaming
Bei
der kontinuierlichen Datenkommunikation werden kontinuierlich Daten
von einer Datenquelle zu einer Datensenke übertragen. Ein typisches Beispiel
für eine
kontinuierliche Datenkommunikation ist das Streaming von Audio-
und/oder Videodaten, welche beim digitalen Rundfunk (DAB, DVB-T) übertragen
werden. Um beim Streaming von Audio- und/oder Videodaten eine hohe
Transmissionseffizienz zu gewährleisten,
sind die bei der kontinuierlichen Datenkommunikation im Vergleich
zu der sporadischen Datenkommunikation verwendeten Datenpakete im
Allgemeinen sehr lang. Sind die Datenpakete sehr lang, ergibt sich
hieraus die Anforderung, dass sowohl die Frequenz-Synchronisation als
auch die Kanalschätzung
fortlaufend aktualisiert werden müssen, um ein Abreißen der
Datenkommunikation während
eines langen Datenpakets zu verhindern. Ursächlich hierfür ist, dass
die Frequenz über
der Zeit driftet und sich die Kanalparameter aufgrund der Zeitinvarianz
des Kanals laufend ändern.
Die kontinuierliche Aktualisierung der Frequenz-Synchronisation und der Kanalschätzung während der Übertragung der
Nutzdaten eines Datenpakets wird auch als Frequency-Tracking bzw. Channel-Tracking
bezeichnet.
In 1 ist das Format der Paket-Präambel für den vorstehend
bereits erwähnten
WLAN-Standard IEEE-802.11a dargestellt. Die Definition der Paket-Präambel ist
dem Standard-Dokument
für IEEE-802.11a-1999, „Part 11:
Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications:
High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band", Sept. 16, 1999, entnommen.
Die
Präambel
umfasst einen ersten Teil 1, welcher sich in 10 periodische
Segmente B, auch als B-Segmente bezeichnet, untergliedern lässt. Bei
den identischen Segmenten B handelt es sich um kurze OFDM-Trainingssymbole,
die nur 12 Subträger
der insgesamt 52 Subträger
betreffen. Derartigen OFDM-Symbolen liegen bei der Darstellung im
Zeitbereich (d. h. nach der IFFT) eine Mehrzahl von Abtastwerten
zugrunde. Aufgrund der geringeren Anzahl von Subträgern ist
die Zeitdauer der kurzen OFDM-Trainingssymbole B mit 0,8 μs deutlich
kürzer
als die Zeitdauer von 4,0 μs
eines alle 52 Subträger
umfassenden OFDM-Symbols (die Zeitdauer von 4,0 μs umfasst bereits eine sogenannte
Guard-Time von 0,8 μs).
Die sich periodisch wiederholenden OFDM-Trainingssymbole B dienen
der Grob-Frequenz-Synchronisation,
der Burst-Detektion und der Einstellung der Verstärkung des
Empfangsverstärkers.
Ferner
umfasst die Präambel
einen zweiten Teil 2, welcher zwei periodische Segmente
C beinhaltet. Bei diesen als C-Segmente
bezeichneten Präambel-Abschnitten
handelt es sich um lange OFDM-Trainingssymbole, welche sämtliche
der 52 Subträger
nutzen und daher eine Zeitdauer von jeweils 3,2 μs aufweisen. Hauptsächlicher
Verwendungszweck der langen OFDM-Trainingssymbole
ist die initiale Schätzung
der Kanalparameter.
Zwischen
den kurzen OFDM-Trainingssymbolen B des ersten Teils 1 der
Präambel
und den langen OFDM-Trainingssymbolen C des zweiten Teils 2 der
Präambel
ist ferner ein Guard-Intervall CP mit einer Zeitdauer von 1,6 μs vorgesehen.
Im Anschluss an die langen OFDM-Trainingssymbole C wird ein OFDM-Präambel-Symbol signal übertragen,
welches Informationen über
die Datenrate und die Länge
der nachfolgenden Daten-Payload 3 des Pakets enthält.
Da
der Empfänger
aufgrund der durchzuführenden
Burst-Detektion
und der notwendigen Einstellung der Verstärkung erst nach der Dauer einiger B-Segmente
empfangsbereit ist, ist diesem die genaue Position eines kurzen
OFDM-Trainingssymbols B
innerhalb der 10 B-Segmente langen Kette nicht bekannt. Insofern
eignet sich der erste Teil 1 der Präambel nicht für die Rahmen-Synchronisation.
Die Rahmen-Synchronisation
erfolgt stattdessen anhand des Übergangs
zwischen dem ersten Teil 1 der Präambel und dem zweiten Teil 2 der
Präambel,
welcher einen eindeutig definierten Zeitpunkt innerhalb des Datenpakets
beschreibt. Nachteilig an einer derartigen Rahmen-Synchronisation
ist, dass diese verhältnismäßig spät innerhalb
der Präambel
durchgeführt wird.
Kann der gesamte Vorgang der Rahmen-Synchronisation nicht vollständig innerhalb
des zweiten Teils 2 der Präambel abgeschlossen werden,
ist der Datenempfang der ersten OFDM-Datensymbole innerhalb der
Daten-Payload 3 beeinträchtigt.
Für eine sporadische
Datenkommunikation mit einer relativ kurzen Paketlänge bedeutet
dies, dass bereits ein relativ großer Anteil der Daten- Payload 3 gestört werden
kann, so dass eine erneute Übersendung
des betroffenen Datenpakets notwendig ist. Darüber hinaus ist die Rahmen-Synchronisation
relativ ungenau, da die Autokorrelationsfunktion verhältnismäßig flach verläuft.
Aus
der Druckschrift „Improved
Frame Synchronisation for Spontaneous Packet Transmission over Frequency-Selective
Radio Channels",
von S. Fechtel et al., Proceedings IEEE Int. Conf. on Personal,
Indoor and Mobile Radio Comm., PIMR 1994, Seiten 353 bis 357, The
Hague, Netherlands, 1994, ist ein Präambel-Format bekannt, welches
auf periodischen Segmenten, ähnlich
den B-Segmenten, aufbaut, jedoch verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der
Rahmen-Synchronisation aufweist. Die in der genannten Druckschrift
beschriebene Präambel
ergibt sich aus der segmentweisen Multiplikation eines festen Ausgangssegments,
beispielsweise dem B-Segment, mit einer Vorzeichensequenz, deren
Elemente entweder den Wert +1 oder den Wert –1 aufweisen. Diese Präambel besitzt
gegenüber
einer Präambel aus
periodischen gleichen Segmenten deutlich verbesserte Autokorrelationseigenschaften.
Dies ermöglicht
eine schnelle und präzise
Rahmen-Synchronisation.
Wie
bereits vorstehend ausgeführt
wurde, sind im WLAN-Standard
802.11a von den insgesamt kmax = 52 Subträgern lediglich
4 Subträger
zur Übertragung
von kontinuierlichen Pilotinformationen vorgesehen. In 2 ist die Belegung der 52
Subträger mit
dem Subträger-Index
von –26
bis +26 dargestellt (der Subträger
mit dem Index 0 bei 0 Hz wird nicht genutzt). Die Pilotsignale P–21,
P–7,
P7 und P21 werden auf
den Subträgern
mit dem Indices –21,
7, 7 bzw. 21 übertragen,
wobei pro Zeitschritt jedes Pilotsignal einem PSK-Pilotsymbol entspricht.
Sofern
bereits im Empfänger
bekannten Pilotsignale zur Synchronisation bzw. zum Tracking verwendet
werden, spricht man von einer datengestützten (DA – „data aided") Synchronisation
bzw. von einem datengestützten
(DA) Tracking. Beruht die Syn chronisation bzw. das Tracking auf
der Auswertung von im Empfänger
zunächst
unbekannten Datensignalen, spricht man hingegen von einer entscheidungsgestützten (DD – „decisiondirected") Synchronisation
bzw. von einem entscheidungsgestützten
(DD) Tracking.
Im
WLAN-Standard IEEE-802.11a sind für das kontinuierliche Frequency-Tracking
die Pilotinformationen auf den 4 Subträgern ausreichend, so dass das
Frequency-Tracking als vollständig
DA-basiertes Frequency-Tracking ausgeführt werden kann. Aufgrund der
Tatsache, dass die 4 Subträger
der Pilotsignale im Frequenzbereich relativ weit auseinander liegen,
ist eine hinreichend genaue kontinuierliche DA-basierte Schätzung der
Kanalparameter (Channel-Tracking) für alle Subträger eines
OFDM-Datensymbols anhand dieser Pilotsignale nicht möglich. Aus
diesem Grund ist das Channel-Tracking in IEEE802.11a-konformen Empfängern als
DD-basiertes Channel-Tracking
implementiert, d. h. für
das Channel-Tracking werden nicht die Pilotinformationen sondern
die Dateninformationen verwendet. Nachteil einer DD-basierten Implementierung
ist jedoch, dass demodulierte und entschiedene QAM-Datensymbole
auf den einzelnen Subträgern
empfängerseitig
zunächst
wieder moduliert und gegebenenfalls auch wieder kodiert werden müssen. Dieser
Vorgang ist dabei im Rahmen einer Mittelwertbildung für eine Mehrzahl
von OFDM-Symbolen zu wiederholen. Hierbei gilt, dass die damit in
Zusammenhang stehende Verzögerung
und die Komplexität
der Implementierung mit der Genauigkeit des Channel-Trackings im
Zusammenhang steht, d. h. je höher
die Genauigkeit des Channel-Trackings ist, desto größer sind
auch der Implementierungsaufwand und die zeitliche Verzögerung.
Für eine
kontinuierliche Datenkommunikation mit langen Paketen, bei welcher ein
hinreichend genau arbeitendes Channel-Tracking unumgänglich ist,
bedeutet dies, dass das Channel-Tracking mit Hilfe des DD-basierten
Ansatzes nur mit sehr großem
Implementierungsaufwand realisiert werden kann. Zum weitergehenden
Verständnis
des DD-basierten Channel-Trackings
sei auf die Veröffentlichung „Channel
Tracking in Wireless OFDM Systems" von H. Schmidt et al., SCI 2001, Orlando, Florida,
2001, verwiesen.
In
dem DVB-Standard-Dokument ETSI EN 300744, „Digital Video Broadcasting
(DVB): Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial
Television", European
Standard, V1.4.1, 2001, ist in Kapitel 4.5.3 beschrieben, neben
kontinuierlichen Pilotsignalen auf festen Subträgern zusätzliche verstreute Pilotsignale – auch als „scattered
pilots" bezeichnet – vorzusehen,
wobei sich der Subträger
eines derartigen „scattered
pilots" von OFDM-Symbol
zu OFDM-Symbol ändert.
Ein derartiges verstreutes Pilotsignal wandert zeitlich quasi über eine
Vielzahl verschiedener Subträger.
Mit Hilfe dieser Maßnahme
können
die Pilotsignale eine große Anzahl
von Subträgern
abdecken, ohne dass die Nutzdatenrate hierdurch merklich reduziert
wird.
Gegenwärtig wird
in dem Forschungsprojekt WIGWAM (Wireless Gigabit with Advanced
Multimedia Support) an der Definition eines neuen OFDM-basierten
WLAN-Standards der nächsten
Generation gearbeitet, welcher auf dem bisherigen WLAN-Standard
IEEE-802.11a basiert, jedoch im Vergleich zum bisherigen Standard
IEEE-802.11a eine deutlich erhöhte
Datenübertragungsrate
aufweist. Hierbei werden Datenübertragungsraten
in der Größenordnung von
bis zu 1 Gb/s angestrebt. Zur Funkübertragung sind verschiedene
Frequenzbänder
zwischen 5 GHz und 60 GHz vorgesehen. Jedes Frequenzband ist näherungsweise
500 MHz breit und ermöglicht
die Übertragung
mehrerer OFDM-Kanäle. Besonders leistungsfähige Endgeräte könnten zudem
mehrere OFDM-Kanäle
bündeln,
so dass auf diese Weise die Datenübertragungsrate sogar auf mehrere
Gb/s gesteigert werden könnte.
Neben der erhöhten
Datenrate ist es ein wesentliches Merkmal dieses zukünftigen
WLAN-Standards, dass der Standard gegenüber dem bereits existierenden
WLAN-Standard Verbesserung sowohl hinsichtlich der sporadischen
Datenkommunikation als auch hinsichtlich des Streamings von Video-
und Audiodaten bietet.
Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, aufbauend auf dem WLAN-Standard 802.11a
ein paketorientiertes OFDM-Übertragungsverfahren
für ein WLAN
anzugeben, welches sowohl der sporadischen Datenkommunikation, bei
welcher kurze Datenpakete auftreten, als auch der kontinuierlichen Datenkommunikation,
bei der die Datenpakete sehr lang sind, in Form eines einzigen Übertragungsverfahrens
gerecht wird. Ein derartiges OFDM-Übertragungsverfahren könnte die
Grundlage eines neuen OFDM-basierten WLAN-Standards der nächsten Generation
bilden.
Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei
dem erfindungsgemäßen paketorientierten Übertragungsverfahren
für ein
WLAN werden OFDM-Symbole auf einer Mehrzahl von Subträgern übertragen.
Dabei umfasst ein Subträger
ein Datensignal oder ein Pilotsignal.
Das
erfindungsgemäße Übertragungsverfahren
beruht zur Lösung
der Aufgabenstellung auf zwei Teilaspekten:
Der erste Teilaspekt
betrifft die Definition der Präambel
in Hinblick auf die Rahmen-Synchronisation. Die erfindungsgemäße Paket-Präambel umfasst
N Präambel-Segmente.
Jedem der N Präambel-Segmente liegt
jeweils eine Mehrzahl von im Allgemeinen verschiedenen Abtastwerten
zugrunde. Vorzugsweise entspricht ein Präambel-Segment einem OFDM-Präambel-Symbol;
dies ist jedoch nicht zwingend, d. h. es können Präambel-Segmente mit beliebigen
Abtastwerten verwendet werden. Jedes der N Präambel-Segmente ergibt sich
aus der segmentweisen Multiplikation eines für alle N Präambel-Segmente festen Ausgangssegments
mit einer N Elemente langen, nicht-konstanten Multiplikationssequenz.
Bei der Multiplikationssequenz handelt es sich beispielsweise um
eine Vorzeichensequenz, deren Elemente entweder den Wert +1 oder
den Wert –1
aufweisen. Die Multiplikationssequenz sollte gute Autokorrelationseigenschaften
auf weisen, d. h. die Autokorrelationsfunktion der Multiplikationssequenz
sollte einen relativ hohen Wert bei 0 und relative geringe Vorläufer und
Nachläufer
um 0 herum besitzen. Die guten Autokorrelationseigenschaften der
Multiplikationssequenz übertragen
sich dabei auf die Autokorrelationseigenschaften der Präambel. Zur
Verbesserung der Autokorrelationseigenschaften sind auch Multiplikationssequenzen
mit reellwertigen oder komplexwertigen Elementen denkbar.
Die
erfindungsgemäße Präambel nach
dem ersten Teilaspekt des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahren ermöglicht aufgrund
ihrer Autokorrelationseigenschaften eine schnelle und präzise Rahmen-Synchronisation.
Dies verbessert insbesondere die Übertragung kurzer Datenpakete,
welche bei der sporadischen Datenkommunikation auftreten. Die vorstehend
beschriebene Problematik der Rahmen-Synchronisation bei kurzen Datenpaketen
tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht auf.
Der
zweite Teilaspekt betrifft die Definition der OFDM-Datensymbole in Bezug
auf die von den OFDM-Datensymbolen umfassten Pilotinformationen.
Für die
OFDM-Datensymbole gilt, dass mehrere zeitlich nacheinander übertragene
OFDM-Symbole jeweils mindestens ein Pilotsignal zur Kanalschätzung umfassen.
Hierbei ist der jeweils das mindestens eine Pilotsignal übertragende
Subträger
von dem zeitlichen Index des jeweiligen OFDM-Symbols abhängig. Dies
bedeutet, dass ein derartiges Pilotsignal den Subträger von
OFDM-Symbol zu OFDM-Symbol nach einem bestimmten vorgegebenen Muster
wechselt; es handelt sich also um ein verstreutes Pilotsignal („scattered
pilot"). In dem WLAN-Standard
802.11a belegt hingegen ein Pilotsignal immer denselben Subträger. Das
mindestens eine Pilotsignal wechselt den Subträger derart, dass mit Hilfe
des mindestens einen Pilotsignals ein Abtasten der Übertragungsfunktion
des Kanals in Frequenzrichtung, d. h. auf der Achse der Subträger, mit ausreichender
Auflösung
ermöglicht
wird. Die so generierten Abtastwerte erlauben ein hinreichend genaues
DAbasiertes Channel-Tracking, welches bei der Übertragung lan ger Datenpakete
aufgrund der sich laufend ändernden
Kanalverhältnisse
notwendig ist. Vorzugsweise sind mehrere jeweils den Subträger wechselnde
Pilotsignale in einem OFDM-Symbol vorgesehen.
Durch
die Kombination beider Teilaspekte des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens, nämlich einer
Paket-Präambel
zur schnellen und präzisen
Rahmen-Synchronisation einerseits und einer Verwendung von verteilten
Pilotsignalen in Hinblick auf ein DA-basiertes Channel-Tracking
andererseits, ergibt sich ein OFDM-Übertragungsverfahren, welches
sowohl für
die sporadischen Datenkommunikation, bei welcher kurze Datenpakete
auftreten, als auch für
die kontinuierliche Datenkommunikation, bei der die Datenpakete
sehr lang sind, geeignet ist.
Vorzugsweise
liegt der Präambel
als binäre Multiplikationssequenz
eine Barker-Sequenz zugrunde, beispielsweise die Barker-Sequenz
der Länge 13.
Die Barker-Sequenz zeichnet sich durch ihre guten Autokorrelationseigenschaften
aus.
Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens umfasst
die der Präambel
zugrunde liegende Multiplikationssequenz eine Teilsequenz, welche
lediglich Elemente mit dem Wert +1 beinhaltet. Ferner umfasst die
Präambel
außerdem
eine Barker-Sequenz. Hinsichtlich der Multiplikationssequenz gilt,
dass ein endseitiger Abschnitt der Teilsequenz, welcher eine Mehrzahl
von Elementen umfasst, zugleich einen anfangsseitigen Abschnitt
der Barker-Sequenz bildet, d. h. dass die Teilsequenz und die Barker-Sequenz überlappen.
Indem beide Teile der Multiplikationssequenz überlappen, ist die gesamte
Multiplikationssequenz und damit auch die resultierende Präambel kürzer, als
wenn auf einen Überlapp
verzichtet wird. Vorzugsweise wird basierend auf demjenigen Teil
der Präambel,
welchem die konstante Teilsequenz zugrunde liegt, u. a. die initiale
Grob-Frequenz-Synchronisation
durchgeführt,
wohingegen basierend auf demje nigen Teil der Präambel, welchem die Barker-Sequenz
zugrunde liegt, die Rahmen-Synchronisation erfolgt.
Der
vorstehend beschriebene Aufbau der Präambel basierend auf einer Multiplikationssequenz aus
zwei überlappenden
Teilen betrifft lediglich den ersten Teilaspekt der Erfindung. Diese
technische Lehre ist generell auch ohne den zweiten Teilaspekt der
Erfindung alleine denkbar. Dies gilt in gleicher Weise auch für andere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, welche entweder den
ersten oder den zweiten Teilaspekt der Erfindung betreffen.
Vorteilhafterweise
umfasst eine Mehrzahl zeitlich unmittelbar aufeinander folgender
OFDM-Symbole jeweils das mindestens eine Pilotsignal. Der Index
des jeweils das Pilotsignal übertragenden
Subträgers
nimmt mit zunehmendem zeitlichen Index des jeweiligen OFDM-Symbols
linear zu- oder ab, beispielsweise beträgt die Schrittweite 5 Subträger pro
OFDM-Symbol. Dies bewirkt, dass das mindestens eine Pilotsignal über einen
gewissen Zeitraum, welcher der Dauer der Mehrzahl der Symbole entspricht,
einen bestimmten Frequenzbereich durchläuft. Die Schrittweite pro OFDM-Symbol
bestimmt dabei die Auflösung
der Abtastung der Kanalübertragungsfunktion
in Frequenzrichtung.
Nach
einer vorteilhafter Ausführungsform umfassen
zwei OFDM-Symbole,
deren zeitlicher Index sich um eine feste Anzahl von Zeitschritten
unterscheidet, beispielsweise um 7 Zeitschritte, auf einem bestimmten
identischen Subträger
jeweils ein den Subträger
wechselndes Pilotsignal. Damit kann die Kanalübertragungsfunktion für einen
bestimmten Subträger
mit einer bestimmten zeitlichen Abtastrate in wiederholter Weise
neu abgetastet werden. Dies ist deswegen notwendig, da der Übertragungskanal zeitvariant
ist. Die Pilotsignale müssen
daher zur kontinuierlichen Kanalschätzung mit einer bestimmten
Wiederholrate pro Subträger
neu übertragen
werden.
Vorzugsweise
beträgt
die Datenrate des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens
ein ganzzahliges Vielfaches einer Datenrate des WLAN-Standards IEEE-802.11a.
Dies wird beispielsweise dadurch bewirkt, dass das Modulationsverfahren
und das Kodierverfahren des WLAN-Standards 802.11a im Wesentlichen
für das
erfindungsgemäße Übertragungsverfahren
wiederverwendet wird. Dadurch kann der Implementierungsaufwand für Endgeräte, welche
den WLAN-Standard der nächsten
Generation unterstützen,
erheblich reduziert werden.
Beispielsweise
umfasst ein OFDM-Symbol des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens insgesamt
432 Subträgern
zur Übertragung
von Datensignalen, wobei die OFDM-Symbolrate 1/(3,6 μs) beträgt. Bei
dem WLAN-Standard IEEE-802.11a werden 48 Subträger zur Datenübertragung
verwendet, wobei die OFDM-Symbolrate 1/(4,0 μs) beträgt. In diesem Fall ergibt sich
für das
erfindungsgemäße Übertragungsverfahren
eine 10 mal höhere
Datenrate als bei dem WLAN-Standard IEEE-802.11a.
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert;
in diesen zeigen:
1 eine
Darstellung der Paket-Präambel für den WLAN-Standard IEEE-802.11a;
2 eine
Darstellung der Belegung von 4 der insgesamt 52 Subträger eines
OFDM-Symbols mit Pilotsignalen bei dem WLAN-Standard IEEE-802.11a;
3 eine
Darstellung einer Paket-Präambel
bei einem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens;
4 eine
Darstellung der Belegung der Subträger mit Pilotsignalen bei einem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens;
und
5 eine
Darstellung der Belegung eines Teils der Subträger mit Pilotsignalen bei einem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens.
Die 1 und 2 zum
Stand der Technik wurden oben bereits erläutert.
In 3 ist
eine Paket-Präambel
dargestellt, welche dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens
zugrunde liegt. Die Präambel
basiert auf der in 1 dargestellten Präambel für den WLAN-Standard
IEEE-802.11a. Die Paket-Präambel umfasst
einen ersten Teil 4 mit kurzen Segmenten (Zeitdauer 0,4 μs) und einen
zweiten Teil 7 mit zwei längeren Segmenten (Zeitdauer
3,2 μs).
Der erste Teil 4 der Paket-Präambel beinhaltet N = 18 kurze Segmente.
Die mit B oder B bezeichneten Segmente bestehen jeweils aus einer
Mehrzahl von Abtastwerten. Der erste Teil 4 der Präambel umfasst
einen ersten Abschnitt 5 und einen zweiten Abschnitt 6.
Die insgesamt 10 Segmente des ersten Abschnitts 5 sind dabei
identisch. Der erste Abschnitt 5 verhält sich folglich wie der erste
Teil 1 der Präambel
für den WLAN-Standard
IEEE-802.11a (vgl. 1). Die Segmente des zweiten
Abschnitts 6, welcher mit dem ersten Abschnitt 5 überlappt,
sind im Gegensatz zum ersten Abschnitt 5 nicht vollständig identisch.
Der Balken deutet dabei die Inversion der einzelnen Abtastwerte
des B-Segments an.
Der
erste Teil 4 der Paket-Präambel ergibt sich aus der Überlagerung
einer Sequenz B' _
[B, B, ..., B, B] von identischen Segmenten B mit einer Vorzeichensequenz
S = [s1, s2, ...,
sN–1,
sN] mit si = {+1, –1}. Der
erste Teil 4 der Paket-Präambel lässt sich somit in der Form
[s1·B,
s2·B,
..., sN–1·B, sN·B)
darstellen.
Im
vorliegenden Fall wird eine Vorzeichensequenz S = [1, 1, 1, 1, 1,
1, 1, 1, 1, 1, –1, –1, 1, 1, –1, 1, –1, 1] verwendet.
Die ersten 10 Elemente, welche dem ersten Abschnitt 5 zugrunde
liegen, sind jeweils zu 1 gesetzt, während die letzten 13 Elemente
der Vorzeichensequenz eine Barker-Sequenz der Länge 13 bilden.
Der
erste Abschnitt 5, welcher dem ersten Teil 1 der
Präambel
im WLAN-Standard IEEE-802.11a sehr ähnelt, ermöglicht die Wiederverwendung
aus dem WLAN-Standard IEEE-802.11a bereits bekannter Synchronisationsalgorithmen.
Diese Synchronisationsalgorithmen betreffen die Burst-Detektion,
die Verstärkungseinstellung,
das Umschalten der Antenne bei einer Antennendiversität und die
Grob-Frequenz-Synchronisation.
Aufbauend
auf dem zweiten Abschnitt 6, welchem die Barker-Sequenz der Länge 13 zugrunde liegt,
kann eine Rahmen-Synchronisation
durchgeführt
werden. Eine Rahmen-Synchronisation
basierend auf dem zweiten Abschnitt 6 ist dabei deutlich leistungsfähiger als
die aus dem WLAN-Standard 802.11a bekannte Rahmen-Synchronisation,
welche auf der Detektion des Übergangs
zwischen dem ersten Abschnitt 1 und dem zweiten Abschnitt 2 basiert (vgl. 1).
Dies betrifft zum einen die Genauigkeit der Rahmen-Synchronisation,
welche aufgrund des hohen Wertes der Autokorrelationsfunktion bei
0 deutlich größer ist
als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ansatz. Ferner wird
auch die Rahmen-Synchronisation innerhalb der Präambel zeitlich früher abgeschlossen,
d. h. bei dem erfindungsgemäßen Ansatz
ist die Rahmen-Synchronisation
bereits vor dem zweiten Teil der Präambel abgeschlossen.
In 4 ist
die Belegung der Subträger
mit Pilotsignalen für
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens
dargestellt. Jedes OFDM-Datensymbol wird auf einer Mehrzahl kmax von Subträgern übertragen. Jeder Subträger ist dabei
mit einem PSK-modulierten Pilotsymbol oder mit einem QAM-modulierten
Datensymbol belegt. Das OFDM-Datensymbol-Format wird durch die zwei-dimensionale
Anordnung von PSK-Pilotsymbolen
p(n, k) und QAM-Datensymbolen a(n, k) bestimmt, wobei n den OFDM-Symbol-Index
(Zeitrichtung) und k den Subträger-Index
(Frequenzrichtung) bezeichnet.
Das
OFDM-Übertragungsverfahren
verwendet insgesamt kmax = 2·226 =
452 Subträger,
wobei der Abstand benachbarter Subträger zueinander – wie im
WLAN-Standard IEEE-802.11a – 312,5
kHz beträgt.
Die kmax = 452 Subträger sind auf 6 Blöcke mit
je 74 Subträgern
aufgeteilt und belegen einen Frequenzbereich von 144,4 MHz, wobei
die Bandbreite des Gesamtkanals 160 MHz beträgt. Die Bandbreite des Gesamtkanals
entspricht dabei der Abtastrate bei der OFDM-Modulation bzw. Demodulation. Zur
OFDM-Modulation bzw. OFDM-Demodulation wird eine IFFT bzw. FFT mit
512 Punkten durchgeführt,
wobei die Anzahl der Punkte um den Faktor 8 höher ist als beim WLAN-Standard
802.11a. Die Mitte des Frequenzspektrums, d. h. der Frequenzbereich zwischen
den Subträgern
mit den Indizes –6
und +6, wird zur Datenübertragung
nicht genutzt. Dies vereinfacht die Realisierung des Empfängers als
Direct-Conversion-Empfänger.
Die
Symboldauer eines OFDM-Symbols ohne Guard-Intervall beträgt 512/(160
MHz) = 3,2 μs. Diese
Zeitdauer ist identisch mit der Symboldauer eines OFDM-Symbols ohne
Guard-Intervall im WLAN-Standard IEEE-802.11a. Die Länge des
Guard-Intervalls beträgt
0,4 μs.
Im WLAN-Standard IEEE-802.11a beträgt diese Zeitdauer 0,8 μs. Die Gesamtsymboldauer
eines OFDM-Symbols mit Guard-Intervall beträgt daher 3,6 μs (vgl. dazu
auch 3), d. h. 9/10 der Gesamtsymboldauer von 4,0 μs im WLAN-Standard IEEE-802.11a.
Von
den insgesamt kmax = 452 Subträgern werden
432 zur Übertragung
von QAM-Datensymbolen genutzt. Im Vergleich zum WLAN-Standard IEEE-802.11a,
welcher lediglich 48 Subträger
(d. h. 1/9 der Subträger
im Vergleich zum erfindungsgemäßen Übertra gungsverfahren)
mit QAM-Datensymbolen bei einer OFDM-Gesamtsymbolzeitdauer von 4,0 μs (d. h.
10/9 der OFDM-Gesamtsymbolzeitdauer
im Vergleich zum erfindungsgemäßen Übertragungsverfahren)
belegt, sind die erzielbaren Datenraten damit um den Faktor 10 höher, d.
h. 60 Mb/s bis 540 Mb/s im Vergleich zu 6 Mb/s bis 54 Mb/s beim WLAN-Standard
IEEE-802.11a.
Die
pro OFDM-Symbol verbleibenden 20 Subträger, die nicht zur Datenübertragung
verwendet werden, dienen zur Übertragung
von Pilotinformation. Wie aus 4 ersichtlich,
sind 8 kontinuierliche Piloten 10 vorgesehen, die jeweils
pro OFDM-Symbol einen Subträger
belegen und deren Subträger-Index
für zeitlich
aufeinander folgende OFDM-Symbole gleich bleibt. Diese kontinuierlichen
Piloten 10 dienen dem Frequency-Tracking. Ferner sind insgesamt
12 verstreute Piloten 11 („scattered pilots") vorgesehen, die
jeweils pro OFDM-Symbol einen Subträger belegen und deren Subträger-Index
k sich von OFDM-Symbol
zu OFDM-Symbol verändert.
Die verstreuten Piloten 11, lassen sich in der Form p(n,
k(n)) beschreiben, d. h. der Subträger-Index k des verstreuten
Piloten 11 ist eine Funktion des OFDM-Symbol-Index n. Die
verstreuten Piloten 11 dienen dabei dem Channel-Tracking,
d. h. der kontinuierlichen Aktualisierung der Kanalschätzung.
5 zeigt
einen Ausschnitt der in 4 dargestellten Subträger-Belegung
für einen
Block. Auf der y-Achse ist dabei der relative Subträger-Index
in Bezug auf den Blockanfang angegeben, d. h. der erste Subträger des
Blocks weist den relativen Subträger-Index
0 auf. Aus 5 ist ersichtlich, dass der
jeweilige Subträger
der verstreuten Piloten 11 pro Zeitschritt, d. h. pro OFDM-Symbol,
um 5 Subträger zunimmt.
Die Veränderung
des Subträger-Index
des jeweiligen Piloten bestimmt dabei die Auflösung der Abtastung der Kanalübertragungsfunktion
in Frequenzrichtung. Hierbei gilt, dass je höher die zeitliche Spreizung
des übertragenen
Signals aufgrund der Mehrwegcharakteristik des Kanals ist, desto
höher muss die
Auflösung
der Abtastung in Frequenzrichtung sein. Ändert sich der Index des Subträgers um
5 Subträger
von OFDM-Symbol zu OFDM-Symbol, so können die Kanalparameter ungefähr bis zu
einer zeitlichen Spreizung des empfangenen Signals von 1/(5 312,5
kHz) = 0,64 μs
ausreichend genau geschätzt
werden, was für
die meisten Applikationen ausreichend ist.
Aus 5 ist
ferner ersichtlich, dass mit einer bestimmten Wiederholrate ein
bestimmter Subträger
mit einem Pilotsymbol eines verstreuten Piloten 11 belegt
ist. Im vorliegenden Fall wird alle 7 OFDM-Symbole ein bestimmter
Subträger
mit einem Pilotsymbol belegt. Die wiederholte Belegung eines bestimmten
Subträgers
mit einem Pilotsymbol ist notwendig, da der Übertragungskanal zeitvariant
ist. Die Pilotsymbole müssen
daher zur kontinuierlichen Kanalschätzung mit einer bestimmten
Wiederholrate pro Subträger
neu übertragen
werden. Wird bei einer Gesamtsymboldauer von 3,6 μs alle 7
OFDM-Symbole ein Pilotsymbol auf einem bestimmten Subträger übertragen,
ist die hierauf basierende Kanalschätzung bis zu einer Doppler-Frequenz-Spreizung (Maß für die Zeitvarianz
eines Übertragungskanals) von ½/(7·3,6 μs) = 19,8
kHz hinreichend genau.
Dies
setzt natürlich
voraus, dass sobald ein neues Pilotsymbol auf einem bestimmten Subträger empfangenen
worden ist, die Kanalschätzung
für diesen
Subträger
aktualisiert wird. Wird beispielsweise das OFDM-Symbol mit dem Symbol-Index
n = 8 empfangen, wird anhand des Pilotsymbols, welches den Subträger mit
dem Index 40 belegt, eine Aktualisierung der Kanalparameter für den Subträger mit
dem Index 40 durchgeführt;
wird anschließend
das OFDM-Symbol mit dem Symbol-Index n = 9 empfangen, wird anhand
des Pilotsymbols, welches den Subträger mit dem Index 45 belegt,
eine Aktualisierung der Kanalparameter für den Subträger mit dem Index 45 durchgeführt. Da
gemäß 4 grundsätzlich 12
verstreute Piloten vorgesehen sind, werden pro OFDM-Symbol jeweils
die Kanalparameter für
12 Subträger
aktualisiert.
Da
die tatsächlich
auftretende Doppler-Frequenz-Spreizung für typische WLAN-Applikationen im
Allgemeinen deutlich geringer ist als 19,8 kHz (typischerweise im
Bereich einiger 100 Hz), ist es im Sinne der Erfindung denkbar,
dass die Kanalparameter für
das gesamte OFDM-Übertragungsband,
d. h. für
alle Subträger
gemeinsam (jedoch mit einer Auflösung
von 5 Subträgern),
oder für
größere Teile
des OFDM-Übertragungsbands
in einem gewissen Zeitraster aktualisiert werden. In diesem Fall
werden die Pilotsymbole zwischen zwei derartigen Kanalschätzung zwischengespeichert.
Beispielsweise kann, wie in 5 dargestellt,
zu dem Zeitpunkt n = 7 eine erste Aktualisierung der Kanalparameter
und zu dem Zeitpunkt n = 14 eine zweite Aktualisierung der Kanalparameter
für sämtliche
Subträger
durchgeführt werden,
d. h. die Aktualisierung der Kanalparameter erfolgt jeweils für eine Gruppe
von 7-OFDM-Symbolen. Hierbei wird die Kanalübertragungsfunktion in Frequenzrichtung
für eine
aus 7-OFDM-Symbolen bestehenden Gruppe jeweils neu interpoliert.
Die Pilotsymbole zwischen zwei Aktualisierungszeitpunkten, d. h.
für die
Zeitpunkte n = 8 bis n = 13, müssen dazu
zwischengespeichert werden.