DE102005006443A1

DE102005006443A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Präambeln nach den IEEE 802.11a/b/g Wireless Standards und seine Anwendung auf einen 802.11 Multimodenempfänger

Info

Publication number: DE102005006443A1
Application number: DE102005006443A
Authority: DE
Inventors: Alain Chiodini; Frédéric Benoist
Original assignee: NewLogic Technologies GmbH
Current assignee: NewLogic Technologies GmbH
Priority date: 2005-02-12
Filing date: 2005-02-12
Publication date: 2006-08-24
Also published as: US20060199558A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet drahtloser Kommunikationssysteme und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Präambeln nach dem IEEE 802.11a/b/g-Wireless-LAN-Standard und seine Anwendung auf einen 802.11-Multimodenempfänger. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist in der Lage, 802.11a/b/g-Präambeln durch die Benutzung von zwei zusätzlichen grobauflösenden A/D-Wandlern (bis hinunter zu 1-Bit-Auflösung) zu detektieren, gekoppelt mit einem Präambeldetektor. Der Zweck dieser Vorrichtung ist es, innerhalb des Hochfrequenzteils eines Empfängers, welcher sich stromaufwärts des Basisbandteils befindet, die Basisbandfunktion zu entlasten, durch eine Signalbestimmung und ein Aufwecken der Basisbandfunktionen, nur dann, wenn das empfangene Signal entweder eine 802.11a/g- oder eine 802.11b-Präambel enthält. Dieses hat signifikante Stromeinsparungen in dem 802-11-Multimodenempfänger zur Folge, weil die Basisbandschaltung nicht jedes Mal aktiviert werden muss, wenn ein "falsches" Signal empfangen wird.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet drahtloser Kommunikationssysteme und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Präambeln nach den IEEE 802.11a/b/g Wireless LAN Standards und seine Anwendung auf einen 802.11 Multimodenempfänger.

Hintergrund der Erfindung

Drahtlose Multimodenempfänger nach 802.11 müssen eingehende Signale detektieren und erkennen, wenn sie auf einem Medium empfangsbereit sind. Weil der 802.11 Wireless LAN (WLAN) Standard eine Grundlagentechnologie in Anwendungen der Unterhaltungselektronikproduktion geworden ist, müssen Entwickler auf unterschiedliche, sich verändernden Anforderungen bezüglich der Stromaufnahme reagieren. Weil die WLAN Einrichtungen in der meisten Zeit im „Leerlauf" („idle") Modus betrieben werden, ist die Stromaufnahme für eine WLAN Einrichtung im „Horchmodus" („Listening") für den WLAN Empfänger ein kritischer Parameter. Deshalb müssen Entwickler beim Entwurf der Präambeldetektionstechnik zum Bau einer 802.11a/b/g-fähigen Architektur besondere Sorgfalt walten lassen.

In 802.11a/b/g-fähigen WLAN Vorrichtungen werden im Wesentlichen zwei Präambeln genutzt; eine für das orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), welches in dem 802.11a Standard verwendet wird, und eines für das direct sequence spread spectrum (DSSS), welches im 802.11b Standard benutzt wird. Die OFDM Präambel wird im Frequenzbereich beschrieben. Diese besteht es einen Satz von Tönen, welche mit Frequenzen, welche ein Vielfaches von der Frequenz 1,25 MHz sind, und deren Phasen so zusammengestellt sind, dass sie im Vergleich zur Durchschnittsleistung eine Signalform mit einer schmalen Spitze aufweisen. Dieses resultiert in einem Muster, welches sich alle 0,80 μs im Zeitbereich wiederholt.

Die DSSS Präambel ist eine Reihe von Barker 11 Sequenzen, welche mit einer Chiprate von 11 MHz ausgesendet werden. Jede Folge wird durch die Ausgabe einer Pseudorandomfolge moduliert (welche z. B. entsprechend einem vom Ausgangssignal festgelegt Verlauf ausgesendet wird oder einem dazu invertierten Verlauf). Diese Beschreibung bezieht sich auf den Zeitbereich. Die Präambel hat eine Fundamentalperiode von 1 μs.

Die WLAN Vorrichtung sendet eine Präambel verknüpft zu dem Datenmode wie folgt aus. Die herkömmlichen 802.11b Datenmodi (1, 2, 5.5 und 11 Mbit/s) sowie ein optionaler 802.11g 22 MBit/s Mode werden insgesamt durch eine DSSS Präambel eingeleitet. Die 802.11a basierenden Datenmodi (6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 und 54 Mbit/s) werden insgesamt durch eine OFDM Präambel eingeleitet. Um nun den höchstmöglichen Durchsatz zu erzielen, muss die Vorrichtung, welche die Aussendung aufnimmt, diese Präambeln innerhalb von 4 μs nach der Ankunftszeit erkannt haben. Eine Indikation der Präambeldetektion muss der medium access control (MAC) mitgeteilt werden, damit jede geplante Aussendung solange verzögert wird, bis das Medium frei ist. Der Zustand des Mediums wird durch einen clear channel assessment (CCA) Indikator signalisiert, auf dieser Weise reduziert das 802.11 Protokoll die Kollision auf der Luftschnittstelle. Die grundlegendste Zielsetzung der Präambel ist es, anzuzeigen, ob ein WLAN Paket ausgesendet werden wird. Tatsächlich geht die Detektion einer Präambel dem Empfang eines Paketes voraus. Wenn ein Paket verpasst wird, wird die Leistungsfähigkeit des Netzwerks darunter leiden. Diese sollte dazu führen, dass der Algorithmusentwickler eine Paketdetektion immer dann deklariert, wenn immer sich die Möglichkeit ergibt, dass eine Präambel vorhanden ist. Jedoch wird eine falsche Deklaration der Paketdetektion ebenfalls dazu führen, dass die Leistungsfähigkeit des Netzwerks darunter leiden wird, weil dieses eine unnötige Verzögerung der anstehenden Aussendungen zur Folge hat. Eine weitere Konsequenz der Falschdeklaration von Paketen ist die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass eine zusätzliche Signalverarbeitung aufgerufen wird, welches einen höheren Stromverbrauch zur Folge hat. Dieses wird auch durch das Risiko begleitet, dass ein echtes Paket während der Verarbeitung verloren geht. Weil die 802.11g WLAN Vorrichtungen in der gleichen Frequenzband arbeiten, wie andere Technologien, wie z. B. Mikrowellenherde, Bluetooth oder drahtlose Telefone, gibt es eine Anzahl von Signale, welche zu vermeiden sind. Störende Signale können dazu führen, dass Detektionsalgorithmen fälschlicherweise die Detektion einer WLAN Präambel anzeigen.

Das einfachste Vorgehen zur Erkennung irgendeines Signals, bei gleichzeitigem Minimieren des Signalverarbeitungsaufwands besteht darin, den Anstieg der Umgebungsenergie des Umfeldes zu messen. Ein Energiedetektor kann im analogen oder im digitalen Teil implementiert werden. Dabei wird eine Schwelle gesetzt und die digitale Verarbeitung wird dann aktiviert, wenn die Energie oberhalb einer festgelegten Schwelle liegt. Dieses kann zu einer falschen Sparsamkeit führen, insbesondere wenn in der Umgebung der 802.11g WLAN Vorrichtung viele Störsignale auftreten. Wenn eine hohe Anzahl von anderen Signalen vorliegt oder eine hohe Sensitivität gewünscht wird, wird die stromverbrauchende, digitale Signalverarbeitung zu häufig aktiviert. Um dieses zu vermeiden werden einige Signaleigenschaften ausgenutzt. Wenn der Detektionsalgorithmus ausschließlich OFDM Präambeln erkennen soll, steht eine Vielzahl von Algorithmen zur Verfügung. Algorithmen, welche den Frequenzinhalt eines Signals unter Benutzung einer schnellen Fourier Transformation (FFT) oder eines Kammfilters erkennen, können sehr effektiv eingesetzt werden. Diese Architektur ist jedoch nicht auf eine DSSS Präambel anwendbar.

Gleichermaßen kann eine DSSS Präambel durch eine einfache, angepasste Filterarchitektur sicher detektiert werden. Das Problem dieser Architektur ist die niedrige Ansprechgeschwindigkeit. Während dieses das Verfahren der Wahl für Entwickler einer 802.11 oder 802.11b WLAN-Vorrichtung war, machten die neuen Anforderungen, bei denen das Detektieren einer Präambel innerhalb von 4 μs oder lediglich 4 DSSS Präambelperioden geschehen sein muss, diese Implementation schwierig zu rechtfertigen.

Eine bessere Methode ist es, die Eigenschaft der Periodizität der Präambel auszunutzen. Zur Ausnutzung der Periodizität der Präambeln wird eine Autokorrelationskonstruktion eingesetzt. Weil die DSSS Präambel und die OFDM Präambel eine wohl definierte Periodizität hat, ist es möglich eine Konstruktion zu entwerten, welche nach den beiden, Periodendauern Ausschau hält. Der Vergleich von empfangenen Abtastwerten in Zeitbereich mit solchen, welche 0.8 μs und 1 μs zuvor empfangen worden sind, wird beim Empfang einer der beiden Präambeln zu einer Übereinstimmung führen. Die Unterschiede in der Periodizität der eingesetzten Präambeln können zur Unterscheidung zwischen den jeweiligen Präambeln ausgenutzt werden. Um eine größere Sicherheit bei der Detektion zu erzielen, können mehrere Präambelperioden nacheinander betrachtet werden.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Merkmal der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von 802.11a/b/g Präambeln vorzusehen, welche in einem drahtlosen Empfänger nach 802.11 einfach zu implementieren sind, welche eine schnelle und zuverlässige Präambeldetektion ermöglichen und die Reduktion der Stromaufnahme des assoziierten Empfängers erlauben.

Dieses Merkmal wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von 802.11 Präambeln erreicht, wie dieses in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben wird.

Andere Eigenschaften, welche als charakteristisch für diese Erfindung angesehen werden, werden im weiteren in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung vor, welche in der Lage, ist 802.11a/b/g Präambeln durch den Einsatz von zwei grobauflösenden zusätzlichen A/D-Wandlern (herunter bis 1-Bit Auflösung) zu detektieren, welche mit dem Präambeldetektor, welcher z. B. ein Autokorrelator ist, gekoppelt sind. Der Zweck dieser Vorrichtung, welche innerhalb des HF-Teils des Empfängers stromaufwärts des Basisbandteils angeordnet ist, ist es, die Basisbandfunktionen zu entlasten oder zu vereinfachen, durch eine Signalerkennung und das Aufrufen der Basisbandfunktion nur in dem Fall, wenn ein Signal empfangen wird, in welchem eine 802.11a/g oder 802.11b Präambel eingebettet ist. Dieses führt zu signifikanten Stromeinsparungen in einem Multimodeempfänger nach 802.11, weil die Basisbandschaltkreise nicht jedesmal aktiviert werden müssen, wenn ein "falsches" Signal empfangen wird.

Die Vorrichtung weist ein System zum Aufheben des Gleichspannungsversatzes auf, welches zwei grobauflösende A/D-Wandler (in diesem Beispiel mit 1-Bit) aufweist, einen RSSI Block zur bandinternen Leistungsmessung, einen Präambeldetektor und einen Bewertungsblock (Zustandsmaschinen). Grobauflösende quantisierte Signale werden dem Präambeldetektor zugeführt, welcher zwei Untereinheiten aufwiest, welche gleichzeitig betrieben werden. Die erste Untereinheit ist dazu vorgesehen, die 802.11a Präambeln zu detektieren, während die zweite Untereinheit auf 802.11b Präambeln anspricht. Gleichspannungsversatzfreie Basisband I/Q Signale werden zur Leistungsmessung in dem RSSI Block benutzt. Der Versatzausschlussblock, der Leistungsmessteil und der Präambeldetektor werden parallel, mit dem gleichen Taktsignal betrieben, um eine schnelle Präambeldetektionszeit sicherzustellen, welche für 802.11a/g Signale im höchsten Maße kritisch ist.

Die vorgeschlagene Schaltung ermöglicht eine Anzeige der relativen Signalqualität. Es ist dann möglich, das Signal/Rausch-Verhältnis von zwei unterschiedlichen Antennen zu vergleichen (Antennendiversität).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 stellt ein Blockdiagramm der vorgeschlagenen Vorrichtung dar.

2 stellt ein Zustandsdiagramm der Zustandsmaschine dar.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1a ist ein Blockdiagramm eines 802.11 Empfängers dargestellt, welcher einen Präambeldetektor nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Signal, welches von Antenne 1 empfangen wird, wird in den Mischerblock 2 eingespeist, wo es in analoge I und Q Basisband-Ausgangssignale herunter konvertiert wird. Die herunterkonvertierten analogen I/Q Signale, welche von dem Mischerblock 2 ausgegeben werden, werden tiefpaßgefiltert und in einem Filter- und Verstärkerblock 3 verstärkt und einem Gleichanteilsversatzschätzungs- und Ausgleichsblock 4 zugeführt, wo die I/Q Signale gleichanteilsversatzkompensiert werden. Verschiedene Gleichanteilsversatzkompensationstechniken, wie sie Stand der Technik sind, können hierbei verwendet werden. Der Gleichanteilsversatzschätzungs- und Kompensationsblock 4 stellt dabei sicher, dass der Versatzpegel und der Quantisierungsrauschenpegel niedrig genug sind, um die Leistungsschätzung und Präambeldetektion nicht zu stören. Die Gleichanteilsversatzschätzung und Kompensation muss schnell genug durchgeführt werden, so dass es nicht zu störenden Verzögerungen der Detektion kommt.
Die gleichanteilsversatzkompensierten I/Q Signale 5a, 5b, die vom Gleichanteilsversatzschätzungs- und Kompensationsblock 4 ausgegeben werden, werden in einen Analog/Digital-Wandlerblock 6 eingespeist, sowie auch in einen RSSI Block 12, in welchem die bandinterne Leistung gemessen wird. In dem Analog/Digital-Wandlerblock 6 werden die analogen I/Q Signale 5a, 5b in digitale I/Q Signale umgesetzt, welche dem Basisbandteil des Empfängers, welcher ein (Dualmode)Modem 9 umfasst, zugeführt werden, wo das digitale I/Q Signal demoduliert wird, um die ursprünglich gesendeten Informationen zu erhalten.
Nach der vorliegenden Erfindung werden zwei grobauflösende Analog/Digital-Wandler 8 zwischen dem Gleichanteilsversatzschätzungs- und Kompensationsblock 4 und einem Präambeldetektor 10 angeordnet oder vorzugsweise innerhalb des Gleichanteilsversatzschätzungs- und Kompensationsblock 4 eingerichtet. Die grobauflösenden A/D-Wandler 8 bestehen vorzugsweise aus 1-Bit A/D-Wandlern. Diese A/D-Wandler 8 ziehen einen Vorteil aus der jeweiligen 802.11a/b/g Präambelkonstruktion (Phasenmodulation) und konvertieren die gleichanteilsversatzkompensierten analogen I/Q Signale 5a, 5b in digitale 1-Bit I/Q Signalströme 9a, 9b, welche in den Präambeldetektor 10 eingespeist werden.
Der Präambeldetektor 10, der aus mindestens zwei Detektionsteileinheiten, welche mit einem 1-Bit quantisierten Signal arbeiten, ist in der Lage, jede 802.11a/b/g Präambel zu detektieren. Um dieses zu erfüllen, kann der Präambeldetektor Schaltkreise und Verfahren, welche Stand der Technik sind, einsetzen, z. B. Verfahren basierend auf der Autokorrelation oder jeden anderen Schaltkreis und jedes andere Verfahren, welcher/welches in Zukunft entwickelt werden wird. Wenn der Präambeldetektor 10 eine 802.11 Präambel detektiert, gibt dieser eine Indikation an seinen Ausgängen 11a oder 11b aus, entsprechend dem Fall, ob es sich um eine Präambel nach 802.11a oder 802.11b handelt. Die zwei Ausgänge 11a und 11b des Präambeldetektors sind mit korrespondierenden Eingängen eines Bewertungsblocks verbunden, welcher eine Zustandsmaschine 14 umfasst. Unabhängig von der Speisung des A/D-Wandlerblocks 6, welcher das Basisbandteil bedient, werden die gleichanteilsversatzkompensierten I/Q Signale 5a, 5b in den RSSI Block 12 eingespeist, wo die bandinterne Leistung des Signals gemessen wird. Wenn die bandinterne Leistung des Signals eine gewisse Schwelle überschreitet, gibt der RSSI Block 12 ein analoges Signal aus, welches in den Analog/Digital-Wandler 13 eingespeist wird. Der Analog/Digital-Wandler 13 gibt ein digitales Signal aus, welches angibt, ob ein bandinternes Signal mit einer annehmbaren Leistung aufgenommen wurde. Das Ausgangssignal das A/D-Wandlers 13 wird in die Zustandsmaschine 14 des Evaluationsblocks eingeführt.
2 stellt das Zustandsdiagramm der Zustandmaschine 14 des Evaluationsblocks dar, wobei ((11a | 11b) & (RSSI > Schwelle)) = 1 ist.
Die vier Eingangslinien der Zustandsmaschine bestimmen, welcher Übergang folgen wird:

– der 11a Detektionszweig (Ausgang des Präambeldetektors),
– der 11b Detektionszweig (Ausgang des Präambeldetektors),
– der RSSI Eingang (Ausgang des RSSI/A/D-Wandlers),
– die Rückstellleitung.

Wenn die Zustandsmaschine 14 ein Signal auf ihrem RSSI Eingang empfängt, das anzeigt, dass ein bandinternes Signal mit einer annehmbaren Leistung empfangen worden ist (z. B. wenn die gemessene bandinterne Leistung eine voreingestellte Schwelle überschreitet) werden, die Ausgänge 11a, 11b des Präambeldetektors 10 abgetastet. Wann immer der Präambeldetektor eine 802.11a/b Präambel detektiert, gibt dieser ein Signal entweder an dem 11a oder 11b Ausgang an die Zustandsmaschine 14 aus, und die Zustandsmaschine 14 schaltet in einen der beiden Zustände und gibt ein Basisbandaktivierungssignal 15 aus, welches den korrespondieren Basisbandfunktionen (Modem 9) erlaubt, die empfangenen 802.11a, 802.11b oder 802.11g Signale zu erkennen. Bei den gegebenen Latenzzeiten in den verschiedenen Blocks, welche in der vorgeschlagenen Vorrichtung eingeschlossen sind, kann die Basisbandschaltung innerhalb von 2 μs von dem Beginn der Kurzpräambel aus gerechnet, aktiviert werden.

1: Antenne
2: Mischerblock
3: Filter- und Verstärkerblock
4: Gleichanteilsversatzschätzungs- und Kompensationsblock
5a, 5b: gleichanteilsversatzkompensierte analoge I/Q Signale
6: A/D-Wandlerblock
7: Modem
8: grobauflösender A/D-Wandler
9a, 9b: 1-Bit Signalströme
10: Präambeldetektor
11a, 11b: Ausgänge des Präambeldetektors
12: RSSI Block
13: A/D-Wandler
14: Zustandsmaschine
15: Basisbandaktivierungssignal

Claims

802.11 a/b/g Präambeldetektor, eingebettet in einen 802.11 Multimodemempfänger, welcher einen Hochfrequenzteil und einen Basisbandteil aufweist, und welcher umfasst: einen Gleichanteilsversatzschätzungs- und Kompensationsblock (4) zur Durchführung einer Gleichanteilsversatzkompensation analoger I/Q Signale, welche von empfangenen und herunterkonvertierten Hochfrequenzsignalen erhalten werden, zur Ausgabe analoger, gleichanteilsversatzkompensierter I/Q Signale (5a, 5b), grobauflösenden Analog/Digital-Wandler (8) zur Umwandlung gleichanteilsversatzkompensierter analoger I/Q Signale (5a, 5b) in digitale n-Bit I/Q Signalströme (9a, 9b), ein Präambeldetektor (10) zum Detektieren von 802.11a/b/g Präambeln innerhalb der digitalen n-Bit I/Q Signalströme (9a, 9b) und zum Generieren eines Ausgangssignals (11a, 11b), welches die Art der detektierten Präambel anzeigt, ein RSSI Block (12) zur Messung der bandinternen Sendeleistung der analogen, gleichanteilsversatzkompensierten I/Q Signale (5a, 5b) und zur Generierung eines Ausgangssignals, wenn die gemessene bandinterne Leistung eine voreingestellte Schwelle überschreitet, und ein Evaluationsblock, welcher eine Zustandsmaschine (14) zur Generierung eines Aktivierungssignals (15) für den Basisbandteil (9) des Empfängers umfasst, wenn der gemessene bandinterne Leistungswert eine voreingestellte Schwelle überschreitet und der Präambeldetektor eine 802.11a/b/g Präambel detektiert.
802.11a/b/g Präambeldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grobauflösenden Analog/Digitaler-Wandler (8) 1-Bit A/D-Wandler sind.
802.11a/b/g Präambeldetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in dem Hochfrequenzteil des Empfängers eingebettet ist.
802.11a/b/g Präambeldetektor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Präambeldetektor (11) aus zwei Untereinheiten besteht, eine erste Untereinheit zur Detektion von 802.11a Präambeln und eine zweite Untereinheit zur Detektion von 802.11b Präambeln.
Verfahren zur Detektion von Präambeln nach dem 802.11a/b/g Wireless Standard in einem 802.11 Multimodenempfänger, bestehend aus den Schritten: Empfang und Herunterkonvertierung eines Hochfrequenzsignals in einem Hochfrequenzteil des Empfängers zum Erhalten analoger I/Q Signale; Ausführung einer Gleichanteilsversatzkompensation der analogen I/Q Signale in einem Gleichanteilsversatzschätzungs- und Kompensationsblock (4), zur Erstellung analoger, gleichanteilsversatzkompensierter I/Q Signale (5a, 5b); Anwendung einer grobauflösenden Analog/Digitaler-Wandlung auf die Gleichanteilsversatzkompensierten analogen I/Q Signale (5a, 5b) zur Generierung von digitalen n-Bit I/Q Signalströmen (9a, 9b), Detektion von 802.11a/b/g Präambeln innerhalb der digitalen n-Bit I/Q Signalströme (9a, 9b) in einem Präambeldetektor (10) und Generierung eines Ausgangssignals (11a, 11b), welches den Typ der detektierten Präambel anzeigt, Messung der bandinternen Leistung der analogen gleichanteilsversatzkompensierten I/Q Signale (5a, 5b) in einem RSSI Block (12) und Generierung eines Ausgangssignals, wenn die gemessene bandinterne Leistung eine voreingestellte Schwelle überschreitet, und Einsatz eines Evaluationsblocks, welcher einer Zustandsmaschine (14) umfasst zur Generierung eines Aktivierungssignals (15) für den Basisbandteil des Empfängers, wenn die gemessene bandinterne Leistung eine voreingestellte Schwelle überschreitet und der Präambeldetektor eine 802.11a/b/g Präambel detektiert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte der Gleichanteilsversatzkompensation, der bandinternen Leistungsmessung und der Präambeldetektion gleichzeitig parallel durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichanteilsversatzkompensierten, analogen I/Q Signale (5a, 5b) in digitale 1-Bit I/Q Signalströme (9a, 9b) konvertiert werden.