DE102007035807B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Schätzung des ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Schätzung eines ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes (51) von Empfangssignalen bei digitalen Übertragungsverfahren mit Unterträgern und zur Erkennung der Belegung der Unterträger,
wobei die Anzahl allokierter Unterträger variabel ist,
wobei die Unterträger blockweise allokiert werden, und
wobei die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- Messung der spektralen Leistung (30) des Empfangssignals;
- Vergleich der spektralen Leistung (30) des Empfangssignals mit einem Schwellwert (31);
- Bestimmung der allokierten Unterträger und Untertragerblocke (50), und
- Bestimmung des ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes (51) des Empfangssignals, wobei das Verfahren unabhängig von Pilotsymbolen und/oder Pilotträgern arbeitet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Trägerfrequenzversatzes und der Trägerbelegung bei digitalen Übertragungsverfahren, insbesondere bei OFDM Übertragungsverfahren.
• In praktischen nachrichtentechnischen Systemen arbeiten Sender und Empfänger nicht exakt mit der gleichen Trägerfrequenz. Die daraus am Empfänger resultierenden, durch die analoge Hardware bedingten, Störungen werden üblicherweise nach der Analog-Digital-Wandlung geschätzt und kompensiert. Im zeitdiskreten Bereich wird typischerweise der Trägerfrequenzversatz bis auf einen ganzzahligen Anteil mit Standardalgorithmen kompensiert. Zur Schätzung des verbleibenden ganzzahligen Anteils muss Zusatzwissen ausgenutzt werden. Entsprechende Verfahren nutzen hier die Kenntnis über Pilotsymbole aus.
• So wird in der DE 10 2004 021 860 A1 die Frequenzsynchronität von Sender und Empfänger durch Ausnutzung von Pilot-Informationen gewährleistet.
• Das Dokument EP 0 729 250 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfang von OFDM-Signalen. Dabei wird auf Sendeseite ein bestimmtes Muster von Referenzträgern erzeugt. Um diese Referenzträger werden tatsächlich übertragene Träger in einem vorbestimmten Muster angeordnet. Bestimmte OFDM-Symbole werden als Frequenz-Referenz-Symbole periodisch ausgestrahlt. Auf Empfangsseite werden die Frequenz-Referenz-Symbole als Trägerempfangsmuster detektiert. Ein Frequenzversatz des Lokaloszillators wird basierend auf einer Differenz zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Trägermuster bestimmt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Trägerfrequenzversatzes und der belegten Unterträger in digitalen Übertragungsverfahren zu schaffen, welche ohne die Nutzung von Pilotsymbolen oder Pilottönen mit hoher Genauigkeit arbeiten.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 4 für die Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
• Zur Schätzung eines ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes von Empfangssignalen bei digitalen Übertragungsverfahren mit Unterträgern und zur Erkennung der Belegung der Unterträger wird eine Leistungsmessungs-Einrichtung und eine Auswertungs-Einrichtung benutzt. Dabei ist die Anzahl blockweise allokierter Unterträger variabel. Die Leistungsmessungs-Einrichtung misst zunächst die spektrale Leistung des Empfangssignals. Anschließend führt die Auswertungs-Einrichtung die folgenden Schritte aus:
• - Vergleich der spektralen Leistung des Empfangssignals mit einem Schwellwert;
• - Bestimmung der allokierten Unterträger und Unterträgerblöcke, und
• - Bestimmung des ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes des Empfangssignals.
• So ist keine zusätzliche Information auf Grund von Pilottönen oder Pilotsymbolen notwendig, um den ganzzahligen Trägerfrequenzversatz zu bestimmen und die allokierten Unterträger zu ermitteln. Weiterhin ist die Komplexität der notwendigen Berechnungen deutlich geringer als bei herkömmlichen Verfahren.
• Vorteilhafterweise ist das digitale Übertragungsverfahren ein Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Verfahren mit orthogonalen Unterträgern. Durch die hohe Anzahl der Unterträger, welche bei diesen Übertragungsverfahren nur blockweise allokiert werden können, ist die Ermittlung von ganzzahligem Trägerfrequenzversatz möglich.
• Bevorzugt wird ein fraktionaler Frequenzversatz des Empfangssignals vor Durchlaufen des oben geschilderten Verfahrens von einer Frequenz-Grobschätzungs-Einrichtung kompensiert. So liegt zuverlässig ein rein ganzzahliger Trägerfrequenzversatz vor, was die Genauigkeit der Ergebnisse erhöht.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• 1 eine beispielhafte Übersicht des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit belegbaren Unterträgern;
• 2 eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit der Blockstruktur der Unterträgerbelegung;
• 3 beispielhafte Messwerte eines über einen Übertragungskanal übertragenen OFDM Frequenzspektrums;
• 4 eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit der Blockstruktur der Unterträgerbelegung und Ergebnissen der Leistungsmessung und Schwellwertbildung an einem beispielhaften Empfangssignal;
• 5 eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit dem ganzzahligen Trägerfrequenzversatz eines beispielhaften Empfangssignals;
• 6 eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit dem trägerfrequenzkompensierten Empfangssignal und
• 7 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Zunächst werden anhand der 1 - 3 die Funktionsweise der blockweisen Allokation von Unterträgern in digitalen Übertragungssystemen gezeigt. Mittels 4 - 6 wird die Funktionsweise einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. 7 dient der Veranschaulichung des Aufbaus und der Funktionsweise einer beispielhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Identische Elemente wurden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
• Die in dieser Anmeldung genutzten Abkürzungen und Formelzeichen gehen aus den folgenden Tabellen hervor:

  Notation	Beschreibung
  Δf	Tragerfrequenzversatz
  hλ	Koeffizient der Impulsantwort des frequenzselektiven Kanals
  Hk , HkJ	Koeffizient der Übertragungsfunktion des frequenzselektiven Kanals
  i	Zeitindex
  j	imaginäre Einheit
  k	Unterträgerindex des OFDM Übertragungsverfahren
  kS	Unterträger mit dem kleinsten Index, der die Leistungsschwelle überschreitet
  kB	Unterträger mit dem kleinsten Index, der belegt werden kann
  κ	Indexverschiebung bedingt durch den ganzzahligen Frequenzversatz
  κ̂	Schätzwert für κ
  l	Symbolindex des OFDM Übertragungsverfahren
  L	Kanalgedächtnis
  mRU	Positionsindex des Ressourceblocks
  m̂RU	Schätzwert für den Positionsindex des ersten belegten Ressourceblocks
  M	OFDM Unterträger pro Ressourceblock
  max(.)	Maximumbildung
  n,	Additive Störung im Zeitbereich
  NkJ	Additive Störung im Frequenzbereich
  Nk	Anzahl der Unterträger mit einem Leistungsmaß oberhalb der Leistungsschwelle
  NFFT	Transformationslänge der DFT
  N̂RU	Schätzwert für die Anzahl der belegten Ressourceblöcke
  Pk	Summenleistung auf dem Unterträger k
  φi	Phasenwinkel
  ri	Empfangssequenz im Zeitbereich
  round(.)	Rundungsoperation
  Rk,l	Empfangssymbole im Frequenzbereich
  Si	Sendesymbol im Zeitbereich
  SkJ	Sendesymbol im Frequenzbereich
  T	Relative Leistungsschwelle

• Mit korrelationsbasierten Algorithmen kann laut T. M. Schmidl, D. C. Cox: Robust Frequency and Timing Synchronisation for OFDM; In: IEEE Transactions on Communications, Vol. 45, No. 12, S. 1613-1621, Dezember 1997 der fraktionale Trägerfrequenzversatz über wiederholt auftretende Sendewerte geschätzt werden. Dieser Anteil des realen Frequenzversatzes wird als ideal kompensiert vorausgesetzt. Zudem wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass die Wiederholungen im zeitlichen Abstand von N_FFT Abtastwerten auftreten. Nach Übertragung der Sendesymbole s_i über den frequenzselektiven Kanal mit den Koeffizienten h_λ der Impulsantwort ergeben sich die Empfangswerte im Zeitbereich zu $$r_i=\left({\displaystyle \sum _{\lambda =0}^L{h}_{\gamma }{S}_{i-\lambda }}\right)\cdot e^{J2\pi \frac{\kappa }{NFT}i}+n_i.$$

  
• Die am Empfänger vorliegende additive Rauschstörung wird hierbei mit n_i bezeichnet. Ferner stellt κ den ganzzahligen Frequenzversatz bezüglich N_FFT dar.
• Für die weiteren Betrachtungen wird ein OFDM System zugrunde gelegt. Nach der zeitlichen Synchronisation am Empfänger werden dem Empfangsdatenstrom r_i die Empfangssequenzen der Länge N_FFT entnommen, welche den einzelnen OFDM Symbolen l zugeordnet werden können. Die anschließende diskrete Fouriertransformation (DFT) ergibt bei perfekter Synchronisation die Empfangswerte im Frequenzbereich $$\begin{array}{cc}{R}_{k,J}& =H_{k-\kappa ,J}\cdot S_{k-\kappa ,J}+N_{k,J}\\ & =H_{k-\kappa }\cdot e^{J{\phi }_l}\cdot S_{k-\kappa ,l}+N_{k,l}\end{array}.$$

  
• Es bezeichnen hierbei k den OFDM Unterträgerindex, H_kJ den Koeffizienten der Kanalübertragungsfunktion, S_kJ das Übertragungssymbol im Frequenzbereich und N_kJ die additive Rauschstörung im Frequenzbereich. Der Kanalkoeffizient H_kJ kann in den vom Symbolindex unabhängigen Anteil H_k und einen Exponentialterm mit der Phase φ_l zerlegt werden. Der Phasenwinkel ergibt sich durch die Lage des jeweiligen OFDM Symbols l im Empfangsdatenstrom. Der ganzzahlige Trägerfrequenzversatz bewirkt gemäß den Korrespondenzen der DFT, dass die über den Kanal mit den spektralen Koeffizienten H_kJ übertragenen Symbole S_kJ auf den um κ verschobenen Unterträgern empfangen werden.
• 1 zeigt eine beispielhafte Übersicht des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit belegbaren Unterträgern. In diesem beispielhaften OFDM System stehen 1000 Unterträger zur Verfügung, von welchen ca. 400 belegbar sind. Die belegbaren Unterträger 10 sind in einem die Übertragung besonders begünstigenden Frequenzbereich angeordnet.
• In 2 wird eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit der Blockstruktur der Unterträgerbelegung dargestellt. In dem beispielhaften OFDM System sind Unterträger lediglich in Blöcken 20 von zwölf Unterträgern allokierbar. In dem gezeigten Ausschnitt ergeben sich damit ca. zehn allokierbare Untertragerblocke 20, welche im Folgenden auch als Ressourcenblöcke bezeichnet werden.
• Das Verfahren basiert auf einer Leistungsmessung auf den jeweiligen, für die Übertragung verfügbaren, OFDM Unterträgern k. Es wird ein Summenleistungsmaß über mehrere Symbole l gemäß $$P_k={\displaystyle \sum _l{\left|R_{k,l}\right|}^2}$$

  

  gebildet. Die Trägerallokation muss dementsprechend über diesen betrachteten Symbolbereich konstant sein. Da hier keine Kenntnis über die Übertragungssymbole notwendig ist, können neben bekannten OFDM Referenzsymbolen auch OFDM Datensymbole verwendet werden. Über den einfachen Schwellenwertvergleich pro Unterträger $$P_k>T\cdot \underset{k}{\text{max}}{P}_k$$

  

  kann nun mit der relativen Schwelle T die Entscheidung getroffen werden, welche Träger belegt sind.
• Ausgehend vom Kanalmodell kann man den Erwartungswert der Leistung $$E\left\{P_k\right\}={\displaystyle \sum _{l}E\left\{{\left|R_{k,l}\right|}^2\right\}}$$

  

  bestimmen. Legt man einen mittelwertfreien Rauschprozess zugrunde, der signal- und kanalunabhängig ist, dann ergibt sich der Erwartungswert der Leistungsmessung zu $$E\left\{P_k\right\}={\displaystyle \sum _l\left({\left|H_k\right|}^{2}E\left\{{\left|S_{k,l}\right|}^2\right\}+E\left\{{\left|N_{k,l}\right|}^2\right\}\right).}$$

  
• 3 zeigt beispielhafte Messwerte eines über einen Übertragungskanal übertragenen OFDM Frequenzspektrums. In der beispielhaften Darstellung sind sämtliche allokierbare Unterträgerblöcke 20 belegt. Die Leistung 30 des beispielhaften Empfangssignals wird gemessen und mit dem Schwellwert 31 verglichen. Innerhalb des Bereichs zulässiger Unterträger überschreitet die gemessene Leistung 30 des Empfangssignals den Schwellwert 31 deutlich. Der Abfall der Leistung zum oberen Rand des Bereichs zulässiger Unterträger ist auf eine Tiefpasscharakteristik des Übertragungskanals zurückzuführen.
• In vielen OFDM Systemen, wie beispielsweise EUTRA, können laut 3GPP TR 36.211, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Access Network; Physical Channels and Modulation (Release 8), V1.0.0, März 2007 die Unterträger nur in Gruppen von M Einzelträgern allokiert werden. Diese Ressourceblöcke können üblicherweise auch nur in einem bestimmten Raster liegen. Somit stellt nicht jede Gruppierung von M Unterträgern einen gültigen bzw. standardkonformen Ressourceblock dar. Dieses Wissen über das spektrale Allokationsraster des OFDM Systems wird im Folgenden ausgenutzt, um den ganzzahligen Frequenzversatz zu schätzen.
• Es wird für die weiteren Betrachtungen ein gleichmäßiges Allokationsraster zugrunde gelegt. Der erste im betrachteten OFDM System belegbare Unterträger wird mit dem Index k_B bezeichnet und die Ressourceblöcke werden mit m_RU≥0 fortlaufend in Frequenzrichtung durchnummeriert. Demnach ergeben sich die zulässigen Unterträger mit denen ein Ressourceblock beginnen kann zu k_B + m_RU · M für die jeweiligen Werte von m_RU.
• In 4 wird eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit der Blockstruktur der Unterträgerbelegung und Ergebnissen der Leistungsmessung und Schwellwertbildung an einem beispielhaften Empfangssignal dargestellt. So sind die ermittelten Unterträger 40, deren gemessene Leistung den Schwellwert überschreitet, über den gesamt allokierbaren Unterträgerblöcken 20 aufgetragen. Ein ganzzahliger Trägerfrequenzversatz äußert sich in einem Versatz der belegten Unterträger niedrigster und höchster Frequenz, welche den Unterträgerblock begrenzen, gegenüber den Grenzen der zulässigen Unterträgerblöcke 20.
• Nach der Leistungsmessung wird der Träger mit dem kleinsten Index k_S bestimmt, der die Schwelle überschreitet. Ebenso wird die Gesamtanzahl der Unterträger N_k ermittelt, die ein Leistungsmaß größer der Schwelle aufweisen.
• Der Schätzwert für die Gesamtanzahl der belegten Ressourceblöcke ergibt sich demnach aus der Beziehung $${\widehat{N}}_{RU}=\text{round}\left(\frac{N_k}{M}\right)$$

  

  wobei M wieder die Anzahl der Unterträger pro Ressourceblock darstellt. Mit dem ersten belegbaren Unterträger k_B und den spektral direkt aneinander anschließenden Ressourceblöcken m_RU, ergibt sich der Schätzwert für den Index des ersten belegten Ressourceblocks zu $${\widehat{m}}_{RU}=\text{round}\left(\frac{k_S-k_B}{M}\right).$$

  
• Die Größen aus (7) und (8) beschreiben für das zugrunde gelegte Allokationsraster eindeutig die Trägerbelegung. Somit wurde hiermit eine automatische Erkennung realisiert.
• 5 zeigt eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit dem ganzzahligen Trägerfrequenzversatz eines beispielhaften Empfangssignals. So sind die ermittelten Unterträger 40, deren gemessene Leistung den Schwellwert überschreitet, über den allokierten Unterträgerblöcken 50 aufgetragen. Der Versatz 51 der ermittelten Unterträger 40 und der allokierten Untertragerblocke 50 entspricht dem ganzzahligen Trägerfrequenzversatz. Somit wird abschließend der ganzzahlige Trägerfrequenzversatz über die Beziehung $$\widehat{\kappa }=k_B+{\widehat{m}}_{RU}\cdot M-k_S$$

  

  aus den Allokationsgrößen geschätzt. Es wird also der erste belegte Unterträger im vorgegebenen Ressourceblockraster ermittelt und mit dem ersten belegten Unterträger aus der Leistungsmessung k_S verglichen. Die Differenz ergibt den ganzzahligen Frequenzversatz.
• In 6 wird eine beispielhafte Übersicht eines Ausschnitts des Frequenzspektrums eines OFDM Übertragungssystems mit dem trägerfrequenzkompensierten Empfangssignal dargestellt. Durch eine Anpassung der Trägerfrequenzen der Unterträger wird das ursprünglich ausgesendete Frequenzraster wiederhergestellt. Die Frequenzen der ermittelten Unterträger 40 entsprechen wieder den Frequenzen der ursprünglich allokierten Unterträger der Unterträgerblöcke 50.
• 7 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine Frequenz-Grobschätzungs-Einrichtung 70 schätzt den fraktionalen Trägerfrequenzversatz des Empfangssignals z.B. mittels korrelationsbasierter Algorithmen und kompensiert diesen Versatz. Ein ganzzahliger Trägerfrequenzversatz verbleibt jedoch in dem an die Leistungsmessungs-Einrichtung 71 weitergeleiteten Signal. Die Leistungsmessungs-Einrichtung 71 misst die Leistung, welche das Signal auf den einzelnen belegbaren Unterträgern enthält, und leitet die Ergebnisse an die Auswertungs-Einrichtung 72 weiter. Die Auswertungs-Einrichtung führt das anhand der 1-6 dargestellte Verfahren durch, und ermittelt so die allokierten Unterträger und bestimmt den ganzzahligen Trägerfrequenzversatz.
• Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Wie bereits erwähnt, kann unter anderem die Synchronisation für unterschiedliche digitale Übertragungsverfahren neben OFDM eingesetzt werden. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur Schätzung eines ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes (51) von Empfangssignalen bei digitalen Übertragungsverfahren mit Unterträgern und zur Erkennung der Belegung der Unterträger, wobei die Anzahl allokierter Unterträger variabel ist, wobei die Unterträger blockweise allokiert werden, und wobei die folgenden Schritte ausgeführt werden: - Messung der spektralen Leistung (30) des Empfangssignals; - Vergleich der spektralen Leistung (30) des Empfangssignals mit einem Schwellwert (31); - Bestimmung der allokierten Unterträger und Untertragerblocke (50), und - Bestimmung des ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes (51) des Empfangssignals, wobei das Verfahren unabhängig von Pilotsymbolen und/oder Pilotträgern arbeitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Übertragungsverfahren ein Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Verfahren mit orthogonalen Unterträgern ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein fraktionaler Frequenzversatz des Empfangssignals vor Durchführung des Verfahrens kompensiert wird.
4. Vorrichtung zur Schätzung eines ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes (51) von Empfangssignalen bei digitalen Übertragungsverfahren mit Unterträgern und zur Erkennung der Belegung der Unterträger mit einer Leistungsmessungs-Einrichtung (71) und einer Auswertungs-Einrichtung (72), wobei die Anzahl allokierter Unterträger variabel ist, wobei die Unterträger blockweise allokiert sind, wobei die Leistungsmessungs-Einrichtung (71) die spektrale Leistung (30) des Empfangssignals misst, und wobei die Auswertungs-Einrichtung (72) - die spektrale Leistung (30) des Empfangssignals mit einem Schwellwert (31) vergleicht, - die allokierten Unterträger und Unterträgerblöcke (50) bestimmt, und - den ganzzahligen Trägerfrequenzversatzes (51) des Empfangssignals bestimmt, wobei die Vorrichtung unabhängig von Pilotensymbolen und/oder Pilotenträgern arbeitet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Übertragungsverfahren ein Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Verfahren mit orthogonalen Unterträgern ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein fraktionaler Frequenzversatz des Empfangssignals von einer Frequenz-Grobschätzungs-Einrichtung (70) kompensiert ist.

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