DE102008033437A1

DE102008033437A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem

Info

Publication number: DE102008033437A1
Application number: DE102008033437A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Kuhn
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung $I1 in einem OFDM-Übertragungssystem mit mindestens einer Sendeantenne (11, ...1nu, ..., 1U) und mindestens einer Empfangsantenne (21, ...2µ, ..., 2v) ermittelt im Frequenzbereich unter Anwendung einer Maximum-Likelihood-Schätzung einen Schätzwert $I2 für die in jeder Sendeantenne (11, ...1nu, ..., 1U) verursachte Gleichspannungs-Störung $I3, indem die in jeder Empfangsantenne (21, ...2µ, ..., 2v) jeweils empfangenen frequenztransformierten OFDM-Empfangssysmbolen $I4 mit korrespondierenden Matrixelementen (H+(µ,nu)) einer Pseudoinversen $I5 einer bekannten Kanalübertragungsmatrix $I6 mit zu den Übertragungskanälen zwischen jeder Sendeantenne (11, ...1nu, ..., 1U) und jeder Empfangsantenne (21, ...2µ, ..., 2v) gehörigen Kanalübertragungsfaktoren (H(µ,nu)) gewichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem.
Für zukünftige komplexe Applikationen im Mobilfunkbereich – beispielsweise digitales Fernsehen auf Mobilfunkgeräte – werden höhere Datenraten bei gleichzeitig geringer bis mittlerer Mobilität der Mobilfunk-Endgeräte benötigt. Um das erhöhte Datenaufkommen bewältigen zu können, werden zukünftig verstärkt Mehrantennen-Systeme – sogenannte Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO-)Systeme – gekoppelt mit Vielfachzugriffsverfahren basierend auf dem orthogonalen Frequenzmultiplex (Orthogonal-Frequency-Division-Multiple-Access (OFDM)) zum Einsatz kommen. Derartige MIMO-OFDM-Übertragungssysteme sind beispielsweise im WLAN-Standard IEEE802.11n oder im WiMAX-Standard IEEE802.16e standardisiert.
Die Mobilfunkgeräte weisen system- wie auch herstellungsbedingt gewisse Ungenauigkeiten auf, die zu einer zusätzlichen Störung im zu übertragenden OFDM-Nutzsignal führen. Derartige Störsignalanteile im OFDM-Nutzsignal können ohne ihre genaue Kenntnis in Detektoren von Mobilfunkempfängern üblicherweise nicht identifiziert und separiert werden und beeinträchtigen somit die Entzerrung des empfangenen OFDM-Signals im Empfänger.
Für eine hochwertige Übertragungsqualität sind folglich derartige Störeffekte offline bei der Inbetriebnahme wie auch online im laufenden Betrieb des MIMO-OFDM-Übertragungssystems mithilfe eines geeigneten Mobilfunkmessverfahrens und eines dazugehörigen bedienerfreundlichen und schnellen Mobilfunkmesssystems so genau wie möglich zu schätzen, um diese Störsignalanteile im empfangenen OFDM-Übertragungssignal weitestgehend im Mobilfunkempfänger zu kompensieren.
Im Folgenden wird als Störeffekt eine senderseitige Gleichanteilsstörung – auch I/Q-Offset, DC-Offset oder LO-Leakage bezeichnet – betrachtet, wie sie beispielsweise als Offsetfehler in Analog-Digital-Wandlern oder in Endstufenverstärkern von Sendestationen auftreten.
In der DE 103 03 475 B3 ist ein auf dem Maximum-Likelihood-Ansatz basierendes Schätzverfahren zur Schätzung eines DC-Offsets in einem Basisbandsignal in Kombination mit einer Schätzung des Single-Input-Single-Output(SISO)-Übertragungskanals in einem Funkempfänger offenbart. Bei der Gleichanteilsstörung handelt es sich um eine Störung, die erst im Empfänger eines im Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (Time-Division-Multiple-Access (TDMA)) betriebenen und GMSK-(Gaussian-Minimum-Shift-Keying-) bzw. 8-PSK-(8-Phase-Shift-Keying-) modulierten Übertragungssystem entstanden ist.
Die Schätzung der Gleichanteilsstörung erfolgt hierbei aufgrund des TDMA-Zugriffs, bei dem die zu den einzelnen Nutzern jeweils gehörigen Datensymbole in einzelnen zeitlich aufeinander folgenden Datenbursts angeordnet sind, über mehrere zeitlich aufeinander folgend empfangene Datenbursts y = [y(L) .. y(N – 1)]^T, was bei einer OFDM-Übertragung, bei der die von den sendenden und empfangenden Nutzern verwendeten OFDM-Symbole gemäß 1 im Frequenzbereich vorliegen, nicht zielführend ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schätzung einer in jedem einzelnen Sender verursachten Gleichanteilsstörung für den Fall einer OFDM-Übertragung in einem SISO- und einem MIMO-Übertragungssystem zu realisieren.
Die Erfindung wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Maximum-Likelihood-Schätzung der senderseitig verursachten Gleichanteilsstörung im Frequenzbereich bzw. Spektralbereich durchgeführt, so dass eine Schätzung von Gleichanteilsstörungen in einem OFDM-Übertragungssystem möglich ist. Die Schätzung erfolgt erfindungsgemäß durch Gewichten der frequenztransformierten, in jeder Senderantenne jeweils empfangenen OFDM-Empfangssymbole mit den korrespondierenden Matrixelementen der Pseudoinversen einer Kanalübertragungsmatrix, die Kanalübertragungsfaktoren der einzelnen Übertragungskanäle zwischen jeder Sendeantenne und jeder Empfangsantenne beinhaltet.
Das erfindungsgemäße Maximum-Likelihood-Schätzverfahren und der erfindungsgemäße Maximum-Likelihood-Schätzvorrichtung eignet sich insbesondere für Mehrantennensysteme – MIMO – und kann in einem mobilen MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit hoher Datenrate und geringer bis mittlerer Mobilität der mobilen Endgräte eingesetzt werden.
Systemtheoretisch bedingt tritt die senderseitig verursachte Gleichanteilsstörung im 0-ten Unterträger des OFDM-Übertragungssystems – auch Gleichspannungs-Unterträger oder DC-Unterträger genannt – auf, so dass OFDM-Nutzdaten einzig in den übrigen Unterträgern – d. h. im 1-ten bis N-1-ten Unterträger – gesendet werden.
Um ein sicheres Schätzergebnis für die üblicherweise mit Kanalrauschen überlagerten senderseitigen Gleichanteilstörungen zu erzielen, wird die Maximum- Likelihood-Schätzung um eine Mittelung über eine bestimmte Anzahl L von im DC-Unterträger empfangenen OFDM-Empfangssymbolen erweitert.
Da eine Gleichanteilsstörung eine Pegelgröße darstellt, die üblicherweise zu einem Bezugspegel relativiert wird und in dB angezeigt wird, werden die ermittelten Schätzwerte mit einer Bezugsgröße normiert, die sich aus der Wurzel der mittleren Betragsquadrate sämtlicher in den einzelnen Unterträgern 1 bis N – 1 über die gesamte Mittelungslänge L von der jeweiligen Sendeantenne gesendeten OFDM-Sendesymbole ergibt.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem anhand der Zeichnung im Detail erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit zwei Sende- und zwei Empfangsantennen,
2 ein Blockschaltbild eines MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit zwei Sende- und zwei Empfangsantennen im Spektralbereich,
3 ein Blockdiagramm eines MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit zwei Sende- und zwei Empfangsantennen und senderseitigen Gleichanteilsstörungen,
4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem und
5 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem.
Bevor anhand der 4 und 5 der Zeichnung das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem vorgestellt wird, werden im Folgenden die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen mathematischen Grundlagen hergeleitet:
Gemäß 1, in der ein MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit zwei Sendeantennen 1₁ und 1₂ und zwei Empfangsantennen 2₁ und 2₂ dargestellt ist, wird pro Sendeantenne ν = 1,2 jeweils ein moduliertes OFDM-Sendesymbol X^(ν) _k,l im Frequenzbereich mittels des jeweiligen inversen diskreten Fourier-Transformators (IDFT) 3₁ und 3₂ in ein korrespondierendes OFDM-Sendesymbol x^(ν) _n,l im Zeitbereich entsprechend Gleichung (1) transformiert.
Hierbei stellt der Index k des OFDM-Sendesymbols X^(ν) _k,l im Frequenzbereich den Index des Unterträgers, in dem das von der Sendeantenne ν gesendete OFDM-Sendesymbols X^(ν) _k,l im Frequenzbereich übertragen wird, und der Index n des OFDM-Sendesymbols x^(ν) _n,l im Zeitbereich den dazu korrespondierenden, in den Zeitbereich transformierten Index dar, in dem das von der Sendeantenne ν gesendete OFDM-Sendesymbol x^(ν) _n,l im Zeitbereich übertragen wird, während mit dem Index l der Durchführungszeitpunkt der diskreten Fourier-Transformation bzw. der inversen diskreten Fourier-Transformation bezeichnet wird.
Nach der Erzeugung des OFDM-Sendesymbols x^(ν) _n,l im Zeitbereich in der Sendeantenne ν erfolgt die Übertragung über den Übertragungskanal mit der Kanalimpulsantwort h_λ ^(μ,ν) zur Empfangsantenne μ. Der Index λ kennzeichnet hierbei den einzelnen Koeffizienten der Kanalimpulsantwort h_λ ^(μ,ν) zwischen Sendeantenne ν und Empfangsantenne μ. Beim jeweiligen Übertragungskanal wird Frequenzselektivität und Zeitinvarianz angenommen.
Die Übertragung des von Sendeantenne ν gesendeten OFDM-Sendesymbols x^(ν) _n,l über den Übertragungskanal zwischen Sendeantenne ν und Empfangsantenne μ ergibt sich aus der Faltung
des von Sendeantenne ν gesendeten OFDM-Sendesymbols x^(ν) _n,l mit der Kanalimpulsantwort h_λ ^(μ,ν) des Übertragungskanals zwischen Sendeantenne ν und Empfangsantenne μ zuzüglich einer in der Empfangsantenne μ verursachten additiven Rauschstörung w^(μ) _n,l.
Das von der Empfangsantenne μ empfangene OFDM-Empfangssymbol y^(μ) _n,l im Zeitbereich ergibt sich aus der Überlagerung sämtlicher über die einzelnen Übertragungskanäle jeweils übertragenen und von den einzelnen Sendeantennen ν jeweils gesendeten OFDM-Sendesymbole x^(ν) _n,l im Zeitbereich. Für das in 1 dargestellte MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit 2 Sendeantennen und 2 Empfangsantennen ergeben sich demnach die mathematischen Beziehungen für die in den Empfangsantennen 2₁ und 2₂ empfangenen OFDM-Empfangssymbole y⁽¹⁾ _n,l und y⁽²⁾ _n,l im Zeitbereich gemäß Gleichung (2A) und (2B).
In an die Empfangsantennen 2₁ und 2₂ jeweils anschließenden diskreten Fourier-Transformatoren 4₁ und 4₂ werden aus den von der jeweiligen Empfangsantenne μ = 1,2 empfangenen OFDM-Empfangssymbol y^(μ) _n,l im Zeitbereich mittels diskreter Fouriertransformation (DFT) von der jeweiligen Empfangsantenne μ empfangene OFDM-Empfangssymbole Y^(μ) _k,l im Frequenzbereich gemäß Gleichung (3) berechnet.
Für das in 2 dargestellte MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit 2 Sendeantennen und 2 Empfangsantennen im Frequenzbereich ergeben sich demnach die mathematischen Beziehungen für die in den Empfangsantennen 2₁ und 2₂ empfangenen OFDM-Empfangssymbole Y⁽¹⁾ _k,l und Y⁽²⁾ _k,l im Frequenzbereich gemäß Gleichung (4A) und (4B). Y(1) k,l = Hk (1,1)·Xk,l (1) + Hk (1,2)·Xk,l (2) + W(1) k,l (4A) Y(2) k,l = Hk (2,1)·Xk,l (1) + Hk (2,2)·Xk,l (2) + W(2) k,l (4B)
Bei dem zum Unterträger k gehörigen Teilkanal handelt es sich wie im Fall eines SISO-OFDM-Übertragungssystems um einen frequenzflachen Teilkanal, d. h. um einen nicht-frequenzselektiven Teilkanal mit einem im gesamten Frequenzband des Teilkanals konstanten Übertragungskanalfaktor H_k ^(μ,ν).
Treten senderseitig Gleichanteilstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] auf, die additive, komplexwertige und zeitinvariante Störungen darstellen, so geht das Blockschaltbild für ein MIMO-OFDM-Übertragungssystem mit zwei Sendeantennen 1₁ und 1₂ und zwei Empfangsantennen 2₁ und 2₂ in 1 in das korrespondierende, mit senderseitigen Gleichanteilsstörungen versehene Blockschaltbild in 3 über.
Die korrespondierenden mathematischen Beziehungen für die in den Empfangsantennen 2₁ und 2₂ empfangenen OFDM-Empfangssymbole y⁽¹⁾ _n,l und y⁽²⁾ _n,l im Zeitbereich ergeben sich ausgehend von Gleichung (2A) und (2B) gemäß Gleichung (5A) und (5B).
Die senderseitigen Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] im Zeitbereich gehen infolge der diskreten Fourier-Transformation einzig in den DC-Unterträger. Die mathematischen Beziehungen für die in den Empfangsantennen 2₁ und 2₂ empfangenen OFDM-Empfangssymbole Y⁽¹⁾ _k,l und Y⁽²⁾ _k,l im Frequenzbereich bei Vorliegen von senderseitigen Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] ergeben sich somit ausgehend von Gleichung (5A) und (5B) gemäß Gleichung (6A) und (6B).
Da die senderseitige Gleichanteilsstörung b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] nur im Unterträger mit dem Index k = 0 auftritt, werden auf diesem Unterträger meist keine OFDM-Sendesymbole X^(ν) _0,l übertragen. Die Gleichungen (6a) und (6b) gehen folglich nach Gleichung (7A) und (7B) über.
Zur Schätzung von in insgesamt U Sendern jeweils verursachten Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] in jedem der insgesamt V Empfänger μ, 1 ≤ μ ≤ V, kann folglich die mathematische Beziehung zur Schätzung von in 2 Sendern verursachten Gleichanteilsstörungen b⁽¹⁾ und b⁽²⁾ in jeder der beiden Empfänger – Untergleichung für den Fall k = 0 der Gleichung (7A) und (7B) – herangezogen werden und gemäß Gleichung (8) erweitert werden.
Der Übertragungskanalfaktor H₀ ^(μ,ν) im DC-Unterträger des Übertragungskanals zwischen der ν-ten Sendeantenne und der μ-ten Empfangsantenne kann aufgrund fehlender Datensymbolübertragung – X^(ν) _0,l = 0 – nicht direkt geschätzt werden, sondern wird durch Interpolation, beispielsweise durch Wiener-Interpolation, aus den in den jeweils benachbarten Unterträgern geschätzten Übertragungskanalfaktoren ermittelt.
Bei Anwendung des Maximum-Likelihood-Ansatzes ergibt sich unter der Voraussetzung von unkorrelierten Rauschprozessen bezüglich der Empfangsantennen μ ausgehend von Gleichung (8) die zu minimierende Maximum-Likelihood-Kostenfunktion L(b⁽¹⁾, .., b^(U)) gemäß Gleichung (9).
Die Maximum-Likelihood-Schätzung erfolgt hierbei durch Mittelung über insgesamt L OFDM-Empfangssymbole Y^(μ) _0,l im Frequenzbereich je Empfangsantenne μ und jeweiligem DC-Unterträger.
Zur Schätzung der insgesamt U Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] ist die Maximum-Likelihood- Kostenfunktion L(b⁽¹⁾, .., b^(U)) hinsichtlich aller U Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] zu minimieren, indem die Maximum-Likelihood-Kostenfunktion L(b⁽¹⁾, .., b^(U)) nach der jeweiligen Gleichanteilsstörung b^(ρ) gemäß Gleichung (10) differenziert und anschließend zu Null gesetzt wird.
Gleichung (10) lässt sich nach Gleichung (11) mathematisch umformen.
Da der mathematische Term der rechten Seite von Gleichung (11) nicht vom Index l abhängt, kann die Summe über den Index l durch Multiplikation des Restterms der rechten Seite von Gleichung (11) mit dem Faktor L gemäß Gleichung (12) aufgelöst werden.
Die linke Seite der Gleichung (12) kann äquivalent für jede Sendeantenne ν, 1 ≤ ν ≤ U, ermittelt werden und in einen Vektor gemäß Gleichung (13) eingefügt werden. Gleichung (13) kann als Matrizen-Multiplikation des mit 1-Werten besetzten Vektors 1 mit der Empfangssymbolmatrix Y ₀ und mit der Kanalübertragungsmatrix H ₀ im DC-Unterträger interpretiert werden.
Die rechte Seite der Gleichung (12) kann äquivalent für jede Sendeantennen ν, 1 ≤ ν ≤ U, ermittelt werden und in einen Vektor gemäß Gleichung (14) eingefügt werden. Gleichung (14) kann als Matrizen-Multiplikation des mit den Schätzwerten der Gleichanteilstörungen besetzten Vektors
mit der Kanalübertragungsmatrix H ₀ im DC-Unterträger und mit der zugehörigen hermitschen Kanalübertragungsmatrix H ₀ ^H interpretiert werden.
Kombiniert man die in Gleichung (13) und (14) ermittelten Terme für die rechte und linke Seite von Gleichung (12), so erhält man die mathematische Beziehung in Gleichung (15), die nach mathematischer Umformung zum Schätzwert
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] für die senderseitige Gleichanteilsstörung b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] gemäß Gleichung (16) führt.
Der Term (H ₀ ^H·H ₀)^–1·H ₀ ^H in Gleichung (16) stellt die Pseudoinverse H ₀ ⁺ der Kanalübertragungsmatrix H ₀ im DC-Unterträger mit ihren Koeffizienten H₀ ⁺ ^(μ,ν) dar.
Die mathematische Beziehung für den Schätzwert
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] der senderseitigen Gleichanteilsstörung b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] gemäß Gleichung (16) kann als Kombination einer räumlichen Zero-Forcing-Entzerrung der im DC-Unterträger jeweils übertragenen OFDM-Symbole und einer anschließender Mittelung des Zero-Forcing-Entzerrungsergebnisses über aufeinander folgende Zeitpunkte, in denen jeweils eine Fourier-Transformation durchgeführt wird, interpretiert werden.
Die Schätzwerte
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] der senderseitigen Gleichanteilsstörung b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] gemäß Gleichung (16) stellen absolute Pegelgrößen dar. Da absolute Pegelgrößen über weite Dimensionen schwanken können, werden sie im Hinblick auf eine sinnvolle Darstellung in einer Anzeigevorrichtung mittels Normierung mit einer Bezugsgröße zu einer relativen Pegelgröße normiert.
Als Bezugsgröße b^(ν) _Ref zur Normierung des Schätzwerts b ^^(ν) im ν-ten Sender verursachten Gleichanteilsstörung b^(ν) wird üblicherweise die Wurzel der mittleren Betragsquadrate – Root-Mean-Square (RMS) – der Datensymbole verwendet. Der RMS-Wert ist im Allgemeinen durch den entsprechenden Übertragungsstandard festgelegt oder gemäß Gleichung (17) durch die Wurzel der mittleren Betragsquadrate der OFDM-Sendesymbole X^(ν) _k,l im Frequenzbereich in insgesamt N_k Unterträgern k, die mit OFDM-Sendesymbolen der Sendeantenne ν versehen sind, und in allen insgesamt L für die Mittelung vorgesehenen DFT-Durchführungszeitpunkten l bestimmt.
Der normierte Schätzwert b ^^(ν) _rel für die im ν-ten Sender verursachten Gleichanteilsstörung b^(ν) ergibt sich demnach gemäß Gleichung (18).
Für ein SISO-Übertragungssystem mit einer Senderantenne und einer Empfangsantenne ergibt sich der Schätzwert b ^⁽¹⁾ für eine im Sender verursachte Gleichanteilsstörung b⁽¹⁾ gemäß Gleichung (19), wobei ausgehend von Gleichung (16) die Kanalübertragungsmatrix H ₀ mit den Übertragungskanalfaktoren H₀ ^(μ,ν) im DC-Unterträger der Übertragungskanäle zwischen jeder Sendeantenne und jeder Empfangsantenne durch den Übertragungskanalfaktor H₀ ^(1,1) im DC-Unterträger des Übertragungskanals zwischen der einzigen Sendeantenne und der einzigen Empfangsantenne und die Matrix Y ₀ mit den von den einzelnen Empfangsantennen μ in den einzelnen DFT-Durchführungszeitpunkten l jeweils empfangenen OFDM-Empfangssymbolen Y^(μ) _0,l im Spektralbereich durch den Vektor Y ₀ ^T = [Y_0,l ⁽¹⁾ .. Y_0,L ⁽¹⁾] mit den von der einzigen Empfangsantenne in den einzelnen DFT-Durchführungszeitpunkten l jeweils empfangenen OFDM-Empfangssymbolen Y⁽¹⁾ _0,l ersetzt wird.
Als Bezugsgröße b⁽¹⁾ _Ref zur Normierung des Schätzwerts b ^⁽¹⁾ der im einzigen Sender verursachten Gleichanteilsstörung b⁽¹⁾ ergibt sich in Analogie zu Gleichung (17) für ein MIMO-Übertragungssystem gemäß Gleichung (20).
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem anhand des Flussdiagramms in 4 beschrieben.
Im ersten Verfahrensschritt S10 werden die Übertragungskanalfaktoren H₀ ^(μ,ν) im DC-Unterträger aller Übertragungskanäle zwischen jeweils einer Sendeantenne ν und jeweils einer Empfangsantenne μ ermittelt. Da in den einzelnen DC-Unterträgern keine OFDM-Sendesymbole gesendet werden, können für die DC-Unterträger auf direkten Weg keine Kanalschätzungen durchgeführt werden, so dass die Übertragungskanalfaktoren der zum jeweiligen DC-Unterträger benachbarten Unterträger mittels herkömmlicher Kanalschätzverfahren geschätzt werden und aus den für benachbarte Unterträger ermittelten Schätzwerten mittels Interpolation, bevorzugt mittels Wiener-Interpolation, die Übertragungskanalfaktoren H₀ ^(μ,ν) im DC-Unterträger aller Übertragungskanäle bestimmt werden. Aus den einzelnen Übertragungskanalfaktoren H₀ ^(μ,ν) im DC-Unterträger werden die Kanalübertragungsmatrix H ₀ im DC-Unterträger und die dazugehörige hermitsche Kanalübertragungsmatrix H ₀ ^H und schließlich die Pseudoinverse H ₀ ⁺ der Kanalübertragungsmatrix H ₀ im DC-Unterträger gebildet.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt S20 werden die von den einzelnen Empfangsantennen μ jeweils erfassten OFDM-Empfangssymbole y^(μ) _n,l im Zeitbereich mittels diskreter Fouriertransformation in OFDM-Empfangssymbole Y^(μ) _0,l in den Frequenzbereich transformiert. Aus den einzelnen OFDM-Empfangssymbolen Y^(μ) _0,l im Frequenzbereich wird die Empfangssymbol-Matrix Y ₀ gebildet.
Im darauffolgenden Verfahrenschritt S30 wird für eine OFDM-Übertragung in einem Mehrantennensystem auf der Basis des Maximum-Likelihood-Schätzansatzes aus der ermittelten Pseudoinverse H ₀ ⁺ der Kanalübertragungsmatrix H ₀ im DC-Unterträger und der Empfangssymbol-Matrix Y ₀ gemäß Gleichung (16) der Schätzwert
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] der senderseitigen Gleichanteilsstörung b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] ermittelt.
Für ein SISO-Übertragungssystem wird gemäß Gleichung (19) aus dem Übertragungskanalfaktor H₀ ^(1,1) im DC-Unterträger des einzigen Übertragungskanals und dem zugehörigen konjugiert-komplexen Übertragungskanalfaktor H₀ ^(1,1)* und dem mit von der einzigen Empfangsantenne empfangenen OFDM-Empfangssymbolen besetzten Vektor Y ₀ ^T = [Y_0,l ⁽¹⁾ .. Y_0,L ⁽¹⁾] der Schätzwert b ^⁽¹⁾ der im einzigen Sender verursachten Gleichanteilsstörung b⁽¹⁾ ermittelt.
Schließlich erfolgt im abschließenden Verfahrensschritt S40 für den Fall eines MIMO-Übertragungssystems gemäß Gleichung (17) und (18) eine Normierung der ermittelten Schätzwerte
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] der senderseitigen Gleichanteilsstörung b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] mit einer korrespondierenden Bezugsgröße b _Ref = [b⁽¹⁾ _Ref .. b^(ν) _Ref .. b^(U) _Ref] zur Bestimmung von normierten Schätzwerten
= [b ^⁽¹⁾ _Rel .. b ^^(ν) _Rel .. b ^^(U) _Rel] und für den Fall eines SISO-Übertragungssystems gemäß Gleichung (19) und (20) eine Normierung des ermittelten Schätzwerts b ^⁽¹⁾ der senderseitigen Gleichanteilsstörung b⁽¹⁾ mit einer entsprechenden Bezugsgröße b⁽¹⁾ _Ref zur Bestimmung eines normierten Schätzwerts b ^⁽¹⁾ _Rel. Die normierten Schätzwerte
= [b ^⁽¹⁾ _Rel .. b ^^(ν) _Rel .. b ^^(U) _Rel] im Fall eines MIMO-Übertragungssystems und der normierte Schätzwert b ^⁽¹⁾Rel im Fall eines SISO-Übertragungssystems werden abschließend auf einer Anzeigevorrichtung dargestellt.
Im Folgenden wird anhand des Blockdiagramms in 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem am Beispiel eines Mehrantennensystems bestehend aus 2 Sendeantennen und 2 Empfangsantennen gemäß 3 vorgestellt.
An das 2×2-Übertragungssystem schließt sich der Maximum-Likelihood-Schätzer 5 an, der Schätzwerte b ^ für die senderseitigen Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] aus den von den Empfangsantennen 2₁ und 2₂ jeweils empfangenen und von den beiden diskreten Fourier-Transformatoren 4₁ und 4₂ jeweils ermittelten OFDM-Empfangssymbolen Y⁽¹⁾ _k,l und Y⁽²⁾ _k,l im Frequenzbereich und aus der von einem Kanalschätzer 8 erhaltenen Pseudoinversen H ₀ ⁺ der Kanalübertragungsmatrix H ₀ mit Übertragungskanalfaktoren H₀ ^(μ,ν) der einzelnen DC-Unterträger ermittelt.
Der Kanalschätzer 8 führt zur Bestimmung der Pseudoinversen H ₀ ⁺ der Kanalübertragungsmatrix H ₀ in den zu den einzelnen DC-Unterträgern jeweils benachbarten Unterträgern Kanalschätzungen durch und ermittelt aus den Übertragungskanalfaktoren der jeweils benachbarten Unterträger mittels Interpolation die Übertragungskanalfaktoren H₀ ^(μ,ν) in den einzelnen DC-Unterträgern. Die Kanalschätzung kann hierbei entweder einmal zu Beginn der Übertragung bei zeitinvarianten Übertragungskanälen oder zyklisch in einem bestimmten Zeitraster bei zeitvarianten Kanälen durchgeführt werden.
Der sich an den Maximum-Likelihood-Schätzer 5 anschließende Normierer 6 ermittelt im Fall eines MIMO-Übertragungssystems normierte Schätzwerte
= [b ^⁽¹⁾ _Rel .. b ^^(ν) _Rel .. b ^^(U) _Rel] durch Normierung der ermittelten Schätzwerte
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] für die senderseitigen Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] mit einer Bezugsgröße b _Ref = [b⁽¹⁾ _Ref .. b^(ν) _Ref .. b^(U) _Ref] und im Fall eines SISO-Übertragungssystems einen normierten Schätzwert b ^⁽¹⁾ _Rel durch Normierung des ermittelten Schätzwerts b ^⁽¹⁾ für die senderseitige Gleichanteilsstörung b⁽¹⁾ mit einer Bezugsgröße b⁽¹⁾ _Ref.
Die sich an den Normierer 6 anschließende Anzeigevorrichtung 8 stellt die für den Fall eines MIMO-Übertragungssystems ermittelten normierten Schätzwerte b _Ref = [b⁽¹⁾ _Rel .. b^(ν) _Rel .. b^(U) _Rel] für die senderseitigen Gleichanteilsstörungen b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)] und den für den Fall eines SISO-Übertragungssystems ermittelten normierten Schätzwert b⁽¹⁾ _Rel für die senderseitige Gleichanteilsstörung b⁽¹⁾ auf einem Display dar.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung in einem OFDM-Übertragungssystem beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10303475 B3 [0006]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) in einem OFDM-Übertragungssystem mit mindestens einer Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) und mindestens einer Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ), bei dem im Frequenzbereich unter Anwendung einer Maximum-Likelihood-Schätzung ein Schätzwert (
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)]) für die in jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) verursachte Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) durch Gewichtung von in jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) jeweils empfangenen frequenztransformierten OFDM-Empfangssymbolen (Y = [Y⁽¹⁾ .. Y^(μ) .. Y^(V)]) mit korrespondierenden Matrixelementen (H^+(μ,ν)) einer Pseudoinversen (H ⁺ = (H ^H·H)^–1·H ^H) einer Kanalübertragungsmatrix (H) mit zu den Übertragungskanälen zwischen jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) und jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) gehörigen Kanalübertragungsfaktoren (H^(μ,ν)) geschätzt wird.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem aus mehreren Sendeantennen und mehreren Empfangsantennen besteht.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Übertragungskanal aus jeweils einer der Transformationslänge (N) der verwendeten diskreten Fourier-Transformation entsprechenden Anzahl von Unterträgern (k) besteht, wobei die Gleichspannungs-Störung jeweils im Unterträger (k) mit dem Index 0 vorliegt, in dem jeweils kein OFDM-Sendesymbol (x = [x⁽¹⁾ .. x^(ν) .. x^(U)]) gesendet wird.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung des Schätzwerts (
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)]) für die in jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) verursachte Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) zusätzlich eine Mittelung über jeweils L OFDM-Empfangssymbole beinhaltet.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pseudoinverse (H ⁺ = (H ^H·H)^–1·H ^H) der Kanalübertragungsmatrix (11) eine Pseudoinverse (H ₀ ⁺ = (H ^H ₀·H ₀)^–1·H ^H ₀) einer Kanalübertragungsmatrix (H ₀) mit zu Übertragungskanälen zwischen jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) und jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) gehörigen Kanalübertragungsfaktoren (H₀ ^(μ,ν)) in einem jeweiligen Gleichspannungs-Unterträger ist.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwert
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] für die in jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) verursachte Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) nach folgender mathematischen Beziehung ermittelt wird:
wobei H ₀ eine Übertragungskanalmatrix mit Übertragungskanalfaktoren der Gleichspannungs-Unterträger zwischen jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) und jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ), Y ₀ eine Matrix mit von jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) im Gleichspannungs-Unterträger jeweils empfangenen L aufeinander folgenden frequenztransformierten OFDM-Empfangssymbolen, 1 ein Vektor, dessen Komponenten den Wert 1 beinhalten, N die Transformationslänge der verwendeten diskreten Fourier-Transformation und L die Anzahl der jeweils im Zeitbereich gemittelten, aufeinander folgend empfangenen OFDM-Empfangssymbole ist.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungskanalfaktoren (H₀ ^(μ,ν)) der Übertragungskanalmatrix (H ₀) im Gleichspannungs-Unterträger zwischen jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) und jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) durch Interpolation der für die jeweils benachbarten Unterträger geschätzten Übertragungskanalfaktoren ermittelt werden.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein normierter Schätzwert
= [b⁽¹⁾ _rel .. b^(ν) _rel .. b^(U) _rel] für die in jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) verursachte Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) durch Normierung des Schätzwerts
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] für die in jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) verursachte Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) mit der Wurzel der mittleren Betragsquadrate von jeweils insgesamt L aufeinander folgenden, von der jeweiligen Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) in allen N – 1 Unterträgern jeweils gesendeten frequenztransformierten OFDM-Sendesymbole X = [X⁽¹⁾ .. X^(ν) .. X^(U)] ermittelt wird.
Verfahren zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der normierte Schätzwert b ^^(ν) _rel für die in der ν-ten Sendeantenne (1^ν ) verursachte Gleichspannungs-Störung b^(ν) nach folgender mathematischer Formel berechnet wird:
wobei b ^^(ν) ein unnormierter Schätzwert für die in der ν-ten Sendeantenne (1^ν ) verursachte Gleichspannungs-Störung, X_k,l ^(ν) ein von der ν-ten Sendeantenne (1^ν ) im k-ten Unterträger und in der l-ten Zeitposition gesendetes frequenztransformiertes OFDM-Sendesymbol und N_k die mit OFDM-Sendesymbolen der Sendeantenne ν besetzten Unterträger k sind.
Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) in einem OFDM-Übertragungssystem insbesondere mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit mindestens einer Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) und mindestens einer Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) enthaltend zumindest einen Maximum-Likelihood-Schätzer (5) zur Schätzung eines Schätzwerts (
= [b ^⁽¹⁾ .. b ^^(ν) .. b ^^(U)] für die in jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) verursachte Gleichspannungs-Störung (b = [b⁽¹⁾ .. b^(ν) .. b^(U)]) mittels Gewichtung von in jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) jeweils empfangenen frequenztransformierten OFDM-Empfangssymbolen (Y = [Y⁽¹⁾ .. Y^(μ) .. Y^(V)]) mit korrespondierenden Matrixelementen (H^+(μ,ν)) einer Pseudoinversen (H ⁺ = (H ^H·H)^–1·H ^H) einer bekannten Kanalübertragungsmatrix (H) mit zu den Übertragungskanälen zwischen jeder Sendeantenne (1¹ , .. 1^ν , .., 1^U ) und jeder Empfangsantenne (2¹ , .. 2^μ , .., 2^V ) gehörigen Kanalübertragungsfaktoren (H^(μ,ν)).
Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Maximum-Likelihood-Schätzer (5) ein Normierer (6) zur Ermittlung von normierten Schätzwerten
= [b ^⁽¹⁾ _Rel .. b ^^(ν) _Rel .. b ^^(U) _Rel] und eine Anzeigevorrichtung (7) zur Darstellung der normierten Schätzwerte
= [b ^⁽¹⁾ _Rel .. b ^^(ν) _Rel .. b ^^(U) _Rel] anschließt.
Vorrichtung zur Ermittlung einer senderseitig verursachten Gleichspannungs-Störung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximum-Likelihood-Schätzer (5) mit einem Kanalschätzer (8) zur Ermittlung von Kanalübertragungsfaktoren (H^(μ,ν)) der Übertragungskanalmatrix (H), insbesondere von Kanalübertragungsfaktoren (H₀ ^(μ,ν)) einer Übertragungskanalmatrix (H ₀) mit Gleichspannungs-Unterträgern, verbunden ist.