DE102005025393B4

DE102005025393B4 - Radar Detektor und Verfahren zur Radardetektion für WLAN Systeme nach den 802.11 Standards für drahtlose Kommunikation

Info

Publication number: DE102005025393B4
Application number: DE102005025393.8A
Authority: DE
Inventors: Alain M. Chiodini
Original assignee: Wipro Ltd
Current assignee: Wipro Ltd
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2025-06-01
Also published as: DE102005025393A1

Abstract

Vorrichtung zur Verwendung in WLAN Systemen nach den 802.11 Standards für drahtlose Kommunikation, wobei sie einen Detektor für Radarsignale umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Projizieren eines empfangenen Phasenvektors des Signalteilraums orthogonal zum erwarteten Teilraum des Radarimpulses sowie Mittel zum Normieren des resultierenden Vektors umfasst, wobei je näher der normierte Vektor an Null ist, desto wahrscheinlicher ist das empfangene Signal ein Radarsignal.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radardetektor und ein Verfahren zur Radardetektion für WLAN Systeme nach den 802.11 Standards für drahtlose Kommunikation und bezieht sich insbesondere auf die Radardetektion für dynamische Frequenzselektionsmechanismen bei 802.11h.
Hintergrund der Erfindung
Der drahtlose 802.11h Kommunikationsstandard, der eine Erweiterung des 802.11a Standards ist, ist entwickelt worden, um die Europäischen Regularien in Bezug auf die Verwendung des 5 GHz Bandes zu erfüllen, indem sichergestellt wird, dass WLAN Systeme die in diesem Band arbeiten nicht das militärische Radar und andere Nutzer des Frequenzbandes stören. Zu diesem Zweck sind zwei Technologien zur Vermeidung vorgesehen:

– Dynamische Frequenzselektion (DFS)
– Regelung der Sendeleistung (TPC: Transmit Power Control)

Die früheren, in WLAN Systemen implementieren Radardetektoren basierten ausschließlich auf der Detektion (leistungsmäßig) eines einzelnen kurzen Impulses und man erwartet daher, dass eine hohe Anzahl an falschen Alarmen erreicht wird, falls eine Leistungsbewertung vorgenommen wird. Dieses System, welches im Rahmen der AGC (Automatic Gain Control) angesiedelt ist, verwendet die Leistungsmessungen die vom RSSI Block bereitgestellt werden, um eine Entscheidung zu treffen, ob ein kurzer Impuls empfangen wurde, und es ist wahrscheinlich, dass es bei jedem pulsähnlichen Signal ohne Unterscheidung auslöst; es existieren tatsächlich Radar-ähnliche kurze Impulse oder Bursts, die entweder von externem parasitärem Rauschen, Paketkollisionen von auf dem selben Kanal arbeitenden WLAN Stationen oder WLAN Aktivität in benachbarten Kanälen herrühren.
Das zu lösenden Problem tritt im Rahmen von DFS Systemen auf und betrifft die erfolgreiche Detektion von Radarsignalen auf Nachbarkanälen durch eine 802.11h Station, um jede Störung der normalen Funktion einer Radarstation durch einen nachfolgenden Kanalwechsel zu verhindern.
Das System zur Radardetektion muss sehr zuverlässig sein, denn jeder falsche Alarm in einer 802.11h Empfangsstation würde in einer Nichtbelegung des radargekennzeichneten Kanals für 30 Minuten resultieren.
Welche Arten von Signalen müssen wir detektieren können? Das Militär ist eigentlich alles andere als freizügig wenn es darum geht, den Rest der Gemeinschaft über die Eigenschaften der merkwürdigen Signale zu informieren, die von seinen Radarstationen abgestrahlt werden. Wie auch immer, abgesehen von dem Geheimnis um das militärische Radar, wird es grundsätzlich anerkannt, dass Radarsignale im allgemeinen Sinne in eine der beiden folgenden Kategorien fallen:

– Gepulste Wellenformen (Pulswiederholungsfrequenz), welche aus Folgen von zeitlich beabstandeten Impulsen bestehen, die in regelmäßigen Zeitintervallen abgestrahlt werden
– Kontinuierliche Wellen (frequenzmodulierte kontinuierliche Wellen), deren augenblickliche Frequenz nach einem periodischen Muster variiert, wobei der am meisten verwendete ein lineares Zirpen (chirp) ist.

Die ETSI, welche für diesen Fall Anstrengungen für eine Regulation initiiert hat, schrieb ein Dokument, das bestimmte Charakteristika von in Europa anzutreffenden Radarsignalen beschreibt, welche sogar die erste der oben beschriebenen Kategorien hervorhebt. Daher, soweit wir davon betroffen sind und als ein Ausgangspunkt, haben wir die verfügbaren Informationen des ETSI Materials für gegeben angenommen und haben daher entschieden uns nur auf die Detektion von gepulsten Wellenformen zu beschränken. Es wird angenommen, dass diese Radarimpulse:

– entweder sinusförmig oder ähnlich einem Zirpen sind
– Abrupt starten und leistungsmäßig enden
– eine (Puls)Breite von entweder 1 oder 2 μs haben
– eine Wiederholrate von entweder 330, 700 oder 1800 pro Sekunde haben

Die US 2003/0107512 A1 offenbar eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren von Radarsignalen in einem Zugangspunkt eines WLAN-Netzes nach dem 802.11 Standard, wobei die Detektion der Radarsignale anhand der Länge der empfangenen Signale und einer anschließenden Frequenzanalyse erfolgt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Radardetektor und ein Verfahren zur Radardetektion in WLAN Systemen nach den 802.11 Standards für drahtlose Kommunikation bereit zu stellen, welche die Rate der Fehlererkennungen beträchtlich verringern ohne die Detektionsrate zu vermindern.
Diese Aufgabe wird durch Bereitstellung eines Radardetektors und eines Verfahrens zur Radardetektion erzielt, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen und charakteristische Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Als wesentliche Eigenschaften und Aufgaben sollen die folgenden Dinge erreicht werden:

– Die Detektion der Anwesenheit von jeglichem auf dem interessierenden Kanal arbeitenden Radar innerhalb einer Ruheperiode (Sendepause)
– sicherstellen, dass das Radar aktiv ist und durch Aussenden eines einzelnen Pulses arbeitet
– eine niedrige Rate von falschem Alarm erzielen
– Integration der Radardetektion innerhalb der normalen 802.11a Paket Detektionsprozedur

Verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen geht die neue Lösung einen Schritt weiter, indem sie jeden empfangenen Impuls verarbeitet, um die Natur des empfangenen Signals zu bestimmen und zu entscheiden, ob es sich um ein Radarsignal gemäß unseren Standards mit den oben angegebenen Eigenschaften handelt. Dieses neue System wurzelt nach wie vor in der AGC Prozedur aber erfordert nun, dass beide ADC (Analog-Digital Converter) während aktiviertem Radar Suchmodus angeschaltet sind. Von einem theoretischen Standpunkt aus besteht der Kern der Erfindung in der Projektion des empfangenen Phasenvektors im Signal Teilraum orthogonal auf dem erwarteten Radar Teilraum und Normierung des resultieren Vektors. Je näher die Norm an Null ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass das empfangene Signal ein Radarsignal ist.
Wie auch immer, von einem praktischen Standpunkt aus gesehen ist es einfacher, ein Skalarprodukt aus dem empfangenen Phasenvektor und einem darauf zugeschnittenen Modell zu berechnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Radardetektors für sinusförmige Signale.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Radardetektors, welcher Funktionseinheiten einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC: Automatic Gain Control) eines WLAN Empfängers verwendet.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Zwei Systeme sind verfügbar abhängig von der Natur des empfangenen Radarimpulses:
a. ein sinusförmiger Impulsdetektor
Der Detektor für sinusförmige Impulse basiert auf der Tatsache, dass jede sinusförmige Funktion phasenmäßig vollständig durch zwei Parameter charakterisiert ist:

– seiner Kreisfrequenz
– seiner anfänglichen Phase

Daher besteht das Phasenmodell für einen sinusförmigen Impuls aus einer affinen Linie, deren Steigung beziehungsweise Überschneidung mit der Phasenachse der eben genannten Kreisfrequenz beziehungsweise der anfänglichen Phase entspricht. Kurz gesagt, sobald eine Detektion einer ansteigen Rampe erfolgt (aufgrund der Anwesenheit eines entsprechenden Signals im betrachteten Frequenzband), wird ein kurzes Sample (einige Abtastwerte) des eingehenden Signals erfasst und dessen Gleichspannungsversatz kompensiert. In einer bevorzugten Implementierung werden 32 60-MHz Samples eines komplexen I- und Q-Signals erfasst und von Analog-Digital-Wandlern (Block 1) in digitale Signale konvertiert. Dank dem RSSI Block, der gewöhnlich in einem WLAN Empfänger vorhanden ist, ist eine grobe Abschätzung des Gleichspannungsversatzes verfügbar, wobei eine DC-Gleichspannungsversatzkompensation (Block 2) durchgeführt wird. Dann wird das Signal dem Radardetektor zugeführt. Die aktuelle tatsächliche Phase Φ des empfangenen Signals wird dann mit Hilfe eines CORDIC (COrdinate Rotation Digital Computer) (Block 3) bestimmt und entpackt (unwrapped) (Block 4). Es folgt eine Bestimmung der Parameter des Phasenmodells, d. h. der Kreisfrequenz ω und der anfänglichen Phase φ. Die Berechnung der Kreisfrequenz ω und der anfänglichen Phase φ wird durch die Minimierung einer Kostenfunktion ein „least square sense” Verfahren erreicht und deren Berechnung verringert sich auf die Berechnung von einigen Skalarprodukten (Block 5). Die entsprechende Phasenrampe wird rekonstruiert (Block 6) und von dem aktuellen Phasensignal Φ subtrahiert. Die resultierende Phasendifferenz zusammen mit einem konstanten Wert wird auf ein 8-bit Signal begrenzt (Block 7) und einem CORDIC Rotator zugeführt (Block 8), um ein komplexes exponentielles Signal (I und Q) zu erzeugen, dessen Abtastwerte (Samples) schließlich akkumuliert werden (Block 9). Es wird dann eine Bewertungszahl berechnet, dadurch dass einfach der absolute Wert der resultierenden Summe genommen wird (Block 10). Die Bewertungszahl gibt grundsätzlich den gesamten Phasenabstand zwischen dem aktuellen und dem idealen Phasensignal an. Eine Entscheidung über die Art des eingehenden Signals wird schlussendlich durch Vergleich der Bewertungszahl und der geschätzten Kreisfrequenz mit ein Paar vorgegebenen Schwellenwerten durchgeführt (Block 11).
b. Zirpen-ähnlicher Impulsdetektor
Der Zirpen-ähnliche Impulsdetektor ist einfach eine Erweiterung des oben beschriebenen sinusförmigen Impulsdetektors. Er basiert auf den genau gleichen Prinzipien mit Ausnahme der Tatsache, dass jede Zirp-Funktion mindestens drei Parameter zu deren phasengemäßer Charakterisierung benötigt, da das Phasenmodell nicht länger linear ist. Von einem praktischen Standpunkt überträgt sich das auf die Tatsache, dass mindestens ein weiteres skalares Produkt während des Signalverarbeitungsschrittes berechnet werden muss.
2 ist ein Blockdiagramm eines Radardetektors (Block 20), welcher Funktionsteile einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC) (Block 21) eines WLAN-Empfängers verwendet. Das AGC liefert ein digitales und phasenkompensiertes Signal (I und Q), das zum Radardetektor (Block 20) geführt wird. Das AGC stellt auch ein ”Aufweck” Signal für den Radardetektor zur Verfügung, immer dann, wenn eine ansteigende Rampe (ramp up) des ankommenden Signals erfasst wird.
Dar Radardetektor gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert die Rate für Falschalarm erheblich ohne die Detektionsrate zu verringern.

Claims

Vorrichtung zur Verwendung in WLAN Systemen nach den 802.11 Standards für drahtlose Kommunikation, wobei sie einen Detektor für Radarsignale umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Projizieren eines empfangenen Phasenvektors des Signalteilraums orthogonal zum erwarteten Teilraum des Radarimpulses sowie Mittel zum Normieren des resultierenden Vektors umfasst, wobei je näher der normierte Vektor an Null ist, desto wahrscheinlicher ist das empfangene Signal ein Radarsignal.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radardetektor Mittel für die Bestimmung der tatsächlichen Phase Φ eines empfangenen Signals umfasst, Mittel für die Berechnung der Kreisfrequenz ω und der Ausgangsphase φ aus dem tatsächlichen Phasensignal, Mittel für die Bestimmung der Phasenrampe, das der Kreisfrequenz und Anfangsphase entspricht, und für die Berechnung eines Differenzsignals Φ – φ, durch Subtraktion der Ausgangsphase von der tatsächlichen Phase, Mittel für das Erzeugen eines komplexen exponentialen Signals, I und Q, aus dem Differenzsignal, Mittel für die Berechnung einer Bewertungsgröße aus dem komplexen exponentialen Signal und Mittel für das Treffen einer Entscheidung betreffend die Natur des ankommenden Signals, durch Vergleich der Bewertungsgröße und der ermittelten Kreisfrequenz ω mit vorbestimmten Schwellenwerten.
Verfahren zur Detektion von Signalen in WLAN Systemen nach den 802.11 Standards für drahtlose Kommunikation, wobei Radarsignale detektiert werden, gekennzeichnet durch den Schritt des Projizierens eines empfangenen Phasenvektors des Signalteilraums orthogonal zum erwarteten Teilraum des Radarimpulses und Normieren des resultierenden Vektors, wobei je näher der normierte Vektor an Null ist, desto wahrscheinlicher ist das empfangene Signal ein Radarsignal.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sinusförmige Radarsignale detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zirpen-ähnliche impulsförmige Radarsignale detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3–5, gekennzeichnet durch die Schritte: eine Aufnehmen einer Anzahl von Abtastwerten der empfangenen I- und Q-Signale, Umwandeln der Signale in digitale I- und Q-Signale, Durchführen eines DC-Offsetausgleichs der digitalen Signale, Bestimmen der tatsächliche Phase Φ des digitalen Signals, Bestimmen der Kreisfrequenz ω und der Ausgangsphase φ des Signals, Rekonstruieren der der Kreisfrequenz und Ausgangsphase entsprechenden Phasenrampe, Berechnen eines Differenzsignals Φ – φ durch Subtrahieren der Ausgangsphase von der tatsächlichen Phase, Erzeugen eines komplexen exponentialen Signals, I und Q, und Summieren seiner Werte, Berechnen einer Bewertungsgröße durch Nehmen des Absolutwerts der resultierenden Summe, Treffen einer Entscheidung betreffend ist die Natur des ankommenden Signals durch Vergleichen der Bewertungsgröße und der ermittelten Kreisfrequenz ω mit vorbestimmten Schwellenwerten.