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TECHNISCHES GEBIET
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Das
technische Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft im Allgemeinen
Datenübertragungssysteme
mit mehreren Ein- und Ausgängen
(Multiple-Input Multiple Output, MIMO) und im Besonderen die Messung
eines Kanals eines drahtlosen MIMO-Datenübertragungssystems.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
MIMO-Datenübertragungssystem
beinhaltet üblicherweise
mehrere Antennen auf der Sender- und auf der Empfängerseite,
um Schwunderscheinungen auszugleichen. Dadurch kann das Datenübertragungssystem
eine deutlich höhere Übertragungskapazität, Reichweite
und Zuverlässigkeit erreichen.
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Bei
der Entwicklung und Optimierung eines solchen MIMO-Systems ist die
Kenntnis der Eigenschaften des jeweiligen Funkkanals zwischen dem Sender
und dem Empfänger
von großer
Bedeutung. Zur Ermittlung der Kanalparameter wird der Kanal normalerweise
einem mit Channel Sounding bezeichneten Prüfverfahren unterzogen, bei
dem der Kanal mit einem Signal von bekanntem, eindeutig definiertem
Signalverlauf angeregt und die Kanalantwort durch Messen des ausgegebenen
Signalverlaufs bewertet wird.
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1 zeigt
eine Anordnung nach dem Stand der Technik zum Messen der schnellen
MOMO-Kanalantwort gemäß dem Channel-Sounding-Verfahren.
Aus 1 ist zu ersehen, dass ein Sender-Steuercomputer 103 einen
Funksender 101 steuert, um ein Anregungssignal gemäß einem
vorgegebenen Signalisierungsschema zu erzeugen. Das Anregungssignal
wird einer Digital-Analog-Umsetzung (D/A) und einer Aufwärtsumsetzung
in die Funkfrequenz (Hochfrequenz, HF) unterzogen und dann zu einer
Positionierungsautomatik 102 der Sendeantenne übertragen.
Die Positionierungsautomatik 102 der Sendeantenne wird
vom Sender-Steuercomputer 103 gesteuert, um die Zuweisung
der mehreren auf der Senderseite zur Verfügung stehenden Antennen zu
automatisieren und das Anregungssignal über die Funkkanäle zu senden.
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Auf
der Empfängerseite
empfängt
eine von einem Empfänger-Steuercomputer 106 gesteuerte Positionierungsautomatik 104 der
Empfangsantenne das Anregungssignal und sendet dieses an einen Funkempfänger 105.
Der Funkempfänger 105 setzt das
empfangene Anregungssignal von Hochfrequenz in die Basisbandfrequenzen
um, führt
eine Analog-Digital-Umsetzung (A/D) durch und leitet das hierdurch
erzeugte digitale Signal an den Empfänger-Steuercomputer 106 weiter.
Der Empfänger-Steuercomputer 106 analysiert
das digitale Signal, um den Kanal auszumessen, die Impulsantwort zu
bewerten, die Kapazität
und andere Parameter des Kanals zu ermitteln.
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2 zeigt
die Paketstruktur des bei dem in 1 gezeigten
Messsystem verwendeten Anregungssignals. Das Anregungssignal wird
in Form von „Super-Frames" (Großpaketen) übertragen. 2 zeigt,
dass jeder Super-Frame ein Channel-Sounding-Paket 201 und
mehrere aufeinander folgende Datenpakete 203 enthält, wobei
zwischen je zwei aufeinander folgende Pakete eine Funkstille 202 eingefügt ist.
Das Channel-Sounding-Paket 201 dient speziell der schnellen
Kanalmessung und wird auch als Sounding-Frame (Kanalprüfpaket)
bezeichnet. Auf der Empfängerseite
führt der
Empfänger-Steuercomputer 106 (1)
unter Verwendung eines Kanal-Prüfalgorithmus
mit dem in jedem Kanalprüfpaket 201 enthaltenen
Präambelteil
eine Kanalprüfung durch,
um für
jedes Kanalprüfpaket 201 die
schnelle Kanal-Impulsantwort zu erhalten. Bezüglich der übrigen Teile des Kanalprüfpakets,
d. h. der Funkstille 202 und der Datenpakete 203,
werden quasistatische Bedingungen angenommen. Das heißt, der Funkkanal ändert sich
während
der Übertragung
der Datenpakete nicht.
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Ein
Problem bei dem oben erwähnten
Messsystem besteht jedoch darin, dass Sender und Empfänger asynchron
sind. Außerdem
wird die zur Kanalbewertung verwendete Präambel ausschließlich unter
Verwendung von Synchronisationsalgorithmen ermittelt, sodass es
zu Synchronisationsfehlern kommt und dadurch die gemessene Kanal-Impulsantwort zeitlich
versetzt wird. Somit kann das oben beschriebene System im Doppler-Spektrum
keine genaue Messung ausführen.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass die in den 1 und 2 gezeigte
Anordnung nur eine schnelle Kanalprüfung liefern kann, die auf
dem Kanalprüfpaket
beruht. Für
die Datenpakete werden jedoch quasistatische Bedingungen angenommen. Diese
Annahme führt
zu Messfehlern, wenn der Kanal schnellen Änderungen unterworfen ist.
Ferner vermag die oben beschriebene Anordnung nach dem Stand der
Technik keine anderen statistischen Daten wie zum Beispiel die Dopplerverschiebung
und das Leistungsverzögerungsprofil
(Power Delay Profile, PDP) zu liefern. Aufgrund dieser Probleme
kann der Kanal im zeitlichen Verlauf nicht genau wiederhergestellt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
drahtloses MIMO-Datenübertragungssystem
mit mehreren Ein- und Ausgängen
beinhaltet eine Sendeantennenanordnung und eine Empfangsantennenanordnung
sowie eine Übertragungsstrecke
zwischen einer Antenne in der Sendeantennenanordnung und einer Antenne
in der Empfangsantennenanordnung, die einen Kanal bildet. Das MIMO-System
beinhaltet auch ein Kanalmesssystem, das wiederum ein Sender-Teilsystem
zum Erzeugen von Testsignalpaketen beinhaltet, die synchron zu einem
Sendestartsignal über
die Sendeantennenanordnung übertragen
werden. Ein Sender-Teilsystem empfängt die Testsignalpakete synchron
zu einem Empfängerstartsignal über eine
Empfangsantennenanordnung von der Sendeantennenanordnung und prüft jeden
Kanal durch Berechnen der Kanalimpulsantwort für jedes der empfangenen Testsignalpakete.
Die Kanalimpulsantwort entspricht der zeitlichen Abstimmung zwischen
dem Sender- und dem Empfängerstartsignal.
Ein Synchronisations-Teilsystem
erzeugt die Sender- und Empfängerstartsignale, die
zueinander synchron sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen sowie weitere Merkmale dieser Erfindung können unter Bezug auf die folgende
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser
verstanden werden, wobei:
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1 eine
Anordnung zum Messen der schnellen MIMO-Kanalantwort nach dem Stand
der Technik zeigt;
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2 die
Paketstruktur des in der in 1 gezeigten
Messanordnung verwendeten Anregungssignals zeigt;
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3 ein
Kanalmesssystem für
ein drahtloses MIMO-Datenübertragungssystem
nach einer Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4A ein
Beispiel für
den zeitlichen Verlauf beim Senden des Testsignals zeigt;
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4B ein
Beispiel für
den zeitlichen Verlauf beim Empfangen des Testsignals zeigt;
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5 die
ermittelte schnelle Kanalimpulsantwort entsprechend dem Kanal zwischen
einem Antennenpaar zeigt;
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6 einen
vereinfachten Ablaufplan der auf der Senderseite des drahtlosen
MIMO-Datenübertragungssystems
von 3 von dem Kanalmesssystem von 3 gemäß einer
Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung ausgeführten Schritte zeigt;
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7 einen
vereinfachten Ablaufplan der auf der Empfängerseite des drahtlosen MIMO-Datenübertragungssystems
von 3 von dem Kanalmesssystem von 3 gemäß einer
Ausführungsart der
vorliegenden Erfindung ausgeführten
Schritte zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Folgenden werden Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild eines drahtlosen MIMO-Datenübertragungssystems 300.
Gemäß 3 beinhaltet
das MIMO-Datenübertragungssystem 300 eine
Senderseite (Module 303 bis 305) zum Erzeugen
und Senden von Datenübertragungssignalen
und eine Empfängerseite
(Module 306 bis 308) zum Empfangen der Datenübertragungssignale über MIMO-Kanäle 340.
Aus 3 ist zu ersehen, dass es sich bei einer Ausführungsart
des Datenübertragungssystems 300 auf
beiden Seiten um ein Zweiersystem handelt. Das bedeutet, dass die
Sendeantennenanordnung 305 des Datenübertragungssystems 300 zwei
Sendeantennen und die Empfangsantennenanordnung des Datenübertragungssystems 300 zwei
Empfangsantennen beinhaltet. Alternativ können zum Aufbau jeder der Antennenanordnungen 305 bis 306 mehr
oder weniger als zwei Antennen verwendet werden. In 3 sind
nicht alle Module des Systems 300 dargestellt.
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Im
Folgenden wird im Einzelnen beschrieben, dass das drahtlose MIMO-Datenübertragungssystem 300 auch
ein Kanalmesssystem 350 gemäß einer Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung enthält.
Das Kanalmesssystem 350 dient zum präzisen Messen und Wiederherstellen
der Kanäle
zwischen der Senderseite und der Empfängerseite des Systems 300.
Dieses Messsystem wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
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Wie
aus 3 zu ersehen ist, beinhaltet das Kanalmesssystem 350 einen
Sender-Steuercomputer 301,
der zwei Testsignalfolgen mit jeweils einer Anzahl von Testsignalpaketen
erzeugt, die mit einem bekannten Datenübertragungs-Teststandard konform sind, der von einem
Benutzer des Datenübertragungssystems 300 vorgegeben
ist. Außerdem
beinhaltet das System 350 einen Zweikanal-Signalgenerator 302,
der Daten mit dem Sender-Steuerdomputer 301 austauscht
und zwei digitale Basisband-Signalverläufe erzeugt, die jeweils einer
der erzeugten Testsignalfolgen entsprechen. Die digitalen Basisband-Signalverläufe werden
dann an einen Digital-Analog-Umsetzer (D/A) 303 des Datenübertragungssystems 300 weitergeleitet
und in diesem D/A-Umsetzer 303 in analoge Basisband-Testsignale umgesetzt.
Dann empfängt
ein senderseitiges Hochfrequenz-(HF)Vorstufenmodul 304 des
Datenübertragungssystems 300 die
analogen Basisband-Testsignale, setzt die Testsignale aufwärts in eine
Zwischenfrequenz (ZF) und dann die ZF-Testsignale aufwärts in HF-Signale
um, um diese über
jede einzelne Antenne der Sendeantennenanordnung 305 zu
senden.
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Zur
Vereinfachung sind sowohl der Signalgenerator 302, der
D/A-Umsetzer 303 als auch die Sender-HF-Vorstufe 304 in 3 jeweils
als eine Einheit dargestellt, welche die beiden Signalkanäle entsprechend
verarbeiten können.
Das Kanalmesssystem kann jedoch mit zwei Signalgeneratoren, zwei D/A-Umsetzern
und zwei Sender-HF-Vorstufenmodulen
ausgestattet sein, um die Testsignale getrennt zu verarbeiten. Dasselbe
gilt auch für
die Einheiten der später
zu beschreibenden Empfängerseite.
Außerdem
stellt das in 3 gezeigte Zweifachsystem nur
ein Beispiel dar, sodass es sich bei dem Kanalmesssystem auch um
ein n-fach-System handeln kann, bei dem n eine ganze Zahl größer als
2 ist. Das bedeutet, dass die unterstützte Antennenanordnung durch
die Verwendung von mehr Sende-Empfangs-Einrichtungen beliebig erweitert werden
kann.
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Auf
der Empfängerseite
empfängt
ein Empfänger-HF-Vorstufenmodul 307 des
Datenübertragungssystems 300 die
HF-Testsignale von der Empfangsantennenanordnung 306 und
setzt diese in eine Zwischenfrequenz und anschließend in
(analoge) Basisbandsignale um. Ein Analog-Digital-Umsetzer (A/D) 308 setzt
die analogen Basisband-Testsignale in digitale Signale um und sendet
diese an einen Signalprozessor 309 des Kanalmesssystems 350.
Der Signalprozessor 309 analysiert jedes einzelne der von
verschiedenen Empfangsantennen empfangenen Testsignale. Bei einer
Ausführungsart
beinhaltet der Signalprozessor 309 eine (nicht gezeigte)
Kanalbewertungseinheit zum Berechnen auf der Grundlage des empfangenen
Testsignals der schnellen Kanalfrequenzantwort (channel frequency
response, CIR) zwischen jedem Sende-Empfangsantennenpaar unter Verwendung
von handelsüblichen
Kanalprüfalgorithmen
wie beispielsweise des LS-Algorithmus (least square, kleinste Fehlerquadrate)
oder des MMSE-Algorithmus (minimum mean square error, kleinste mittlere
Fehlerquadrate). Darüber
hinaus beinhaltet der Signalprozessor 309 eine (nicht gezeigte) Kanal-Wiederherstellungseinheit
zum Wiederherstellen der Kanäle
zwischen der Sendeantennenanordnung 305 und der Empfangsantennenanordnung 306 in
der Zeitachse auf der Grundlage der von der Kanalprüfeinheit
erhaltenen CIR. Zum Beispiel kann die Kanal-Wiederherstellungseinheit
die Kanalfrequenzantwort auf jedem Zwischenträger in der Zeitachse berechnen
und das Rechenergebnis an einen Empfänger-Steuercomputer 310 senden,
um es dort anzuzeigen und/oder bei Bedarf weiterzubearbeiten. Bei
einer weiteren Ausführungsart
führt der
Signalprozessor 309 die Kanalprüfung nur zur Gewinnung der
CIR durch und sendet die CIR zur Kanalwiederherstellung an den Empfänger-Steuercomputer 310. Die
Module 301 und 302 bilden das Sender-Teilsystem
und die Module 309 und 310 das Empfänger-Teilsystem
des Kanalmesssystems 350.
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Das
in 3 gezeigte Kanalmesssystem 350 beinhaltet
ferner ein Synchronisations-Teilsystem 320 zur
zeitlichen Steuerung des Sendens und des Empfangens der Testsignale
in der Weise, dass die Kanalmessung und -wiederherstellung exakt
erfolgen können. 3 zeigt,
dass das Synchronisations-Teilsystem 320 eine Sender-Synchronisationssteuereinheit 321 zum
Erzeugen eines periodischen Sender-Startsignals und eine Empfänger-Synchronisationssteuereinheit 322 zum
Erzeugen eines periodischen Empfänger-Startsignals
beinhaltet. Das Sender-HF-Vorstufenmodul 304 tauscht
Daten mit der Sender-Synchronisationssteuereinheit 321 aus
und überträgt die Testsignale
synchron zum Sender-Startsignal periodisch an die Sendeantennenanordnung 305.
Die Empfänger-HF-Vorstufe 307 tauscht
Daten mit der Empfänger-Synchronisationssteuereinheit 322 aus
und empfängt
die Testsignale synchron zum Empfänger-Startsignal periodisch über die
Empfangsantennenanordnung.
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3 zeigt,
dass die Sender-Synchronisationssteuereinheit 321 eine
Sender-Takteinheit 331 zum
Bereitstellen eines Sender-Taktsignals und eine Sender-Startsignalerzeugungseinheit 332 enthält, welche
das Sender-Startsignal auf der Grundlage des von der Sender-Takteinheit 331 bereitgestellten Taktsignals
erzeugt. Desgleichen enthält
die Empfänger-Synchronisationssteuereinheit 322 eine
Empfänger-Takteinheit 333 zum
Bereitstellen eines Empfänger-Taktsignals
und eine Empfänger-Startsignalerzeugungseinheit 334,
welche das Empfänger-Startsignal
auf der Grundlage des von der Empfänger-Takteinheit 333 bereitgestellten
Taktsignals erzeugt. Gemäß einer
Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung sind die Sender-Takteinheit 331 und die Empfänger-Takteinheit 333 vorkalibriert,
sodass sie bereits vor Beginn der Messung synchron sind. Bei einer
Ausführungsart
handelt es sich bei beiden Takteinheiten um GPS-Empfänger (global
positioning system, globales Positionierungssystem), welche die Zeitdaten
von einem Satelliten empfangen. Bei einer anderen Ausführungsart
handelt es sich bei der Sender-Takteinheit 331 und der
Empfänger-Takteinheit 333 um
vorkalibrierte Rubidiumuhren. In keinem Fall besteht die Notwendigkeit,
die Senderseite und die Empfängerseite
zum Synchronisieren mit einem Kabel zu verbinden. Durch die Verwendung
der synchronisierten Sender-Takteinheit und Empfänger-Takteinheit sind das Sender-Startsignal und das Empfänger-Startsignal
synchron, obwohl sie getrennt voneinander erzeugt werden.
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4A zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf beim Senden des Testsignals.
Bei dem in 4A dargestellten Beispiel besteht
das Testsignal aus den durch schwarze Felder dargestellten Testsignalpaketen 401,
die mit einem vorgegebenen Datenübertragungsstandard
konform sind. Bei dem vorgegebenen Datenübertragungsstandard kann es sich
um einen Standard handeln, der für
das jeweils zu entwickelnde Datenübertragungssystem gewählt wurde.
Bei einer Ausführungsart
handelt es sich bei dem vorgegebenen Datenübertragungsstandard um den
Standard 802.11n. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, sodass beliebige
andere öffentliche
und/oder private Standards verwendet werden können.
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Aus 4A ist
zu ersehen, dass jedes Mal, wenn ein Sender-Startsignal 403 empfangen
wird, ein 802.11n-Testsignalpaket 401 gesendet wird. Bei einer
Ausführungsart
kann das periodische Senden der Testsignalpakete unter Verwendung
eines HF-Schalters bewerkstelligt werden, der jedes Mal, wenn ein
Sender-Startsignal 403 empfangen wird, für eine bestimmte
Zeitspanne eingeschaltet und nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne
ausgeschaltet wird. Bei der Ausführungsart
wird die vorgegebene Zeitspanne länger oder gleich der Zeitspanne
gewählt,
die zum Senden eines kompletten Testsignalpakets erforderlich ist.
Es wird kein Super-Frame erzeugt, und jedes 802.11n-Testsignalpaket
kann für die
Kanalmessung verwendet werden. Die Zeiten der Funkstille, d. h.
der Abschnitte zwischen benachbarten standardgemäßen Testsignalpaketen, sind
in 4A durch weiße
Felder 402 gekennzeichnet.
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Wie
oben bereits erwähnt,
werden die Sender-Startsignale mit den Empfänger-Startsignalen synchronisiert. Das heißt, ein
Sender-Startsignal wird zum selben Zeitpunkt wie ein Empfänger-Startsignal gesendet,
sodass der Empfänger
zu dem Zeitpunkt mit der Übernahme
eines Signalpakets beginnt, da der Sender das Signalpaket absendet. 4B zeigt schematisch
ein Beispiel des zeitlichen Verlaufs beim Empfangen des Testsignals.
Laut 4B wird jedes Mal, wenn ein Empfänger-Startsignal 403 empfangen
wird, ein Testsignalpaket 401 übernommen. Da das Testsignalpaket
jedoch eine bestimmte Zeit benötigt
(d. h. Laufzeitverzögerung),
um von der Sendeantennenanordnung bis zur Empfangsantennenanordnung
zu gelangen, kann das übernommene
Signal einen zusätzlichen
Funkstilleabschnitt 404 gemäß 4B enthalten.
Mit anderen Worten, der Empfänger
empfängt
ein Testsignalpaket nicht ab dem ersten Bit des Pakets, sondern
empfängt
zuerst einen Abschnitt mit einem Rauschsignal, das der Laufzeitverzögerung entspricht.
Wenn der in 3 gezeigte Signalprozessor 309 das
erste Testsignalpaket empfängt,
ermittelt dieser unter Verwendung eines Synchronisations-Softwareprogramms
die Zeitdauer (Laufzeitverzögerung)
zwischen dem Zeitpunkt des ersten Empfänger-Startsignals und dem ersten
Bit des ersten Testsignalpakets. Dem Fachmann ist klar, dass jedes
herkömmliche
Synchronisations-Softwareprogramm verwendet werden kann. Demzufolge
kann unter Verwendung der abgeschätzten Laufzeitverzögerung ermittelt
werden, wo sich das erste Bit des Testsignalpakets befindet, das heißt, wo das
Testsignal eigentlich beginnt.
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Nachdem
der Anfangszeitpunkt (d. h. das erste Bit) des ersten Testsignalpakets
gefunden wurde, können
unter Verwendung der Periodendauer der Startsignale auch die Anfangszeitpunkte
aller anderen Testsignalpakete ermittelt werden. Dadurch kann im
Gegensatz zu herkömmlichen
Kanalmesssystemen auf die Ermittlung der Anfangszeitpunkte jedes der
Testsignalpakete mittels Synchronisationsalgorithmen verzichtet
und die durch den Synchronisationsalgorithmus bedingte Zeitverschiebung
(d. h. der Synchronisationsfehler) ausgeschlossen werden, der die
Präambelsequenz
der Testsignalpakete verarbeitet.
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Bei
einer Ausführungsart
kann die periodische Übernahme
der Testpakete unter Verwendung eines HF-Schalters bewerkstelligt
werden, derjedes Mal, wenn ein Startsignal 403 empfangen
wird, für eine
vorgegebene Zeitspanne eingeschaltet und nach Ablauf der vorgegebenen
Zeitspanne wieder ausgeschaltet wird. Bei der Ausführungsart
wird die vorgegebene Zeitspanne länger als oder gleich der Zeitspanne
gewählt,
die zum Übernehmen
eines kompletten Testsignalpakets erforderlich ist. Bei einer Ausführungsart
beinhaltet der Signalprozessor 309 (siehe 3)
einen (nicht gezeigten) Puffer zum Speichern des übernommenen
Signals. Es wird darauf hingewiesen, dass das jedes Mal im Puffer
gespeicherte Signal zur Weiterverarbeitung das komplette Testsignalpaket
enthalten sollte.
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5 zeigt
schematisch die bewertete schnelle Kanalimpulsantwort für den Kanal
zwischen einem der Antennenpaare, d. h. für den Kanal zwischen einer
Antenne der Sendeantennenanordnung 305 und einer Antenne
der Empfangsantennenanordnung 306. 5 zeigt,
dass die Zeitpunkte der Startsignale 403 den bewerteten
CIR-Werten entsprechen.
Das heißt,
jeder der bewerteten CIR-Werte ist für die sofortige Kanalantwort
zu dem Zeitpunkt kennzeichnend, da das entsprechende Sender-/Empfänger-Startsignal
erzeugt wird.
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Da
gemäß 5 die
Zeitpunkte der Startsignale bekannt sind und der Abstand zwischen
den Anfangszeitpunkten der Präambelsequenzen
(dem ersten Bit der Präambel)
benachbarter Testsignalpakete für
die Abschätzung
der CIR konstant ist, kann der auf die Synchronisationsalgorithmen
zurückzuführende Synchronisationsfehler
kompensiert und somit der absolute Zeitpunkt für jede gemessene Kanalimpulsantwort
ermittelt werden. Dies verringert die zeitliche Verschiebung der
abgeschätzten
CIR aufgrund des Synchronisationsfehlers deutlich gegenüber herkömmlichen
Lösungen
zur Kanalmessung.
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Die
Frequenz der Sender- und Empfänger-Startsignale
sollte höher
als die Dopplerfrequenz sein. Um eine exakte Wiederherstellung des
Kanals durch Interpolation zu erreichen, sollte die Frequenz, bei
der die Sender- und Empfänger-Startsignale erzeugt
werden, höher
als die doppelte Dopplerfrequenz sein. Wenn sich der Empfänger zum
Beispiel in einem Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h
bewegt und die Trägerfrequenz
2,4 GHz beträgt,
beträgt
die maximale Dopplerfrequenz ungefähr 120 Hz. In diesem Fall sollten
die Sender- und Empfänger-Startsignale
vom Synchronisationssystem bei einer Frequenz von über 240
Hz gesendet werden. Die Frequenz der Sender- und Empfänger-Startsignale,
die der Periode der Startsignale umgekehrt proportional ist, kann
vom Synchronisationssystem 320 angepasst werden, um der
Abtasttheorie zu genügen.
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6 zeigt
einen vereinfachten Ablaufplan der vom Kanalmesssystem von 3 gemäß einer Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung auf der Senderseite des MIMO-Datenübertragungssystems 300 ausgeführten Schritte.
Gemäß 6 beginnt
die Bearbeitung auf der Senderseite mit Schritt 601, bei dem
vom Sender-Steuerungscomputer 301 des Messsystems 350 (siehe 3)
modulierte Symbole erzeugt werden. Bei einer Ausführungsart
werden die modulierten Symbole auf der Grundlage von übertragenen
Sprachdaten erzeugt. Die Verwendung von übertragenen Sprachdaten kann
die Kanalmessung zwischen einer Funkbasisstation und einem Mobiltelefon
erleichtern, entsprechend den aktuellen Anforderungen können aber
auch beliebige andere Arten von Daten verwendet werden.
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In
Schritt 602 werden aus dem modulierten Symbolen Pakete
gebildet. In Schritt 603 werden durch Einfügen von
Präambeln
standardkonforme Testsignalpakete gebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung
können
die Testsignalpakete konform mit einem vorgegebenen Standard, z.
B. mit dem Standard 801,11n, gebildet werden, ohne testspezifische Pakete
oder Super-Frames bilden zu müssen.
Insbesondere können
die Testsignalpakete konform mit demselben Standard erzeugt werden,
wie er gerade im aktuell betrachteten Datenübertragungssystem verwendet
wird. In dieser Beziehung ist das Kanalmesssystem 350 gemäß der vorliegenden
Erfindung sehr flexibel. Darüber
hinaus ist der vorgegebene Standard nicht auf den öffentlichen
Standard beschränkt,
sondern kann alle Arten öffentlicher
und privater Standards wie beispielsweise 802.11n, WiMax, 3GPP oder
LTE betreffen, um nur einige zu nennen.
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Es
sollte klar sein, dass die in die Testsignalpakete eingefügten Präambeln,
die über
verschiedene Sendeantennen gesendet werden, orthogonal zueinander
sind. Demzufolge kann die Kanalimpulsantwort zwischen Sende- und
Empfangsantennenpaaren gleichzeitig gemessen werden. Dem Fachmann
ist klar, dass jedes beliebige Orthogonalisierungsverfahren verwendet
werden kann.
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In
Schritt 604 werden die Testsignalpakete in den Signalgenerator 302 (siehe 3)
geladen, der den digitalen Basisband-Signalverlauf des Testsignals
erzeugt. Der digitale Basisband-Signalverlauf wird dann in Schritt 605 einer
D/A-Umsetzung und einer Aufwärtsumsetzung
in HF unterzogen. In Schritt 606 werden periodisch die Testsignalpakete
von der Steuereinheit 321 von 3 synchron
zum Sender-Startsignal
gesendet. Insbesondere werden die Testsignalpakete zu den von den
Sender-Startsignalen festgelegten Zeitpunkten gesendet, und die
Intervalle zwischen den benachbarten Testsignalpaketen, d. h. die
Periode der Sender-Startsignale, können vom Synchronisations-Teilsystem 320 (siehe 3) angepasst
werden, um der Abtasttheorie zu genügen. Nach dem Senden der Testsignalpakete
sind die Arbeitsschritte auf der Senderseite beendet.
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7 zeigt
einen vereinfachten Ablaufplan der vom Kanalmesssystem von 3 gemäß einer Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung auf der Empfängerseite des MIMO-Datenübertragungssystems 300 ausgeführten Schritte.
Gemäß 7 beginnt
die Bearbeitung auf der Empfängerseite
mit Schritt 701, bei dem periodisch die Testsignalpakete synchron
zum Empfänger-Startsignal
empfangen werden. In Schritt 702 wird das empfangene Testsignal
einer Abwärtsumsetzung
auf die Basisbandfrequenz und einer A/D-Umsetzung unterzogen, sodass die
Testsignalpakete aus dem empfangenen Testsignal wiederhergestellt
werden.
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In
Schritt 703 wird der Kanal im Signalprozessor 309 (siehe 3)
durch Berechnen der Kanalimpulsantwort (CIR) für jedes der empfangenen Testsignalpakete
bewertet. Vor Beginn der Berechnung muss aufgrund der Laufzeitverzögerung der Anfangszeitpunkt
eines Testsignalpakets ermittelt werden. Wie oben bereits erwähnt, kann
der Anfangszeitpunkt des ersten Testsignalpakets durch einen Synchronisationsalgorithmus
und können
die Anfangszeitpunkte der anderen Testsignalpakete durch die Periode
der Sender- und Empfänger-Startsignale
ermittelt werden. Der Kanal kann unter Verwendung von Kanalbewertungsalgorithmen
wie beispielsweise LS (least square, kleinste Fehlerquadrate), MMSE
(minimum mean square error, kleinste mittlere Fehlerquadrate) usw.
bewertet werden.
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In
Schritt 704 wird der Kanal durch Interpolation auf der
Zeitachse wiederhergestellt. Da die Ergebnisse der Kanalmessung,
d. h. die CIR-Werte, unter Verwendung der Präambel jedes der Testsignalpakete
berechnet werden, stellen die CIR-Werte diskrete Werte auf der Zeitachse
dar. Demzufolge wird durch die Interpolation der CIR-Werte eine
kontinuierliche CIR-Kurve auf der Zeitachse erhalten, d. h. der
Kanal wird exakt wiederhergestellt. Außerdem kann die Kanalfrequenzantwort
auf jedem der Zwischenträger
aus den CIR-Werten berechnet und gleichermaßen eine kontinuierliche Kurve
für die
Kanalfrequenzantwort auf der Zeitachse erhalten werden.
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Oben
wurde bereits darauf hingewiesen, dass die bewerteten CIR-Werte
den Zeitpunkten der Startsignale entsprechen. Insofern kann die
Zeitverschiebung (d. h. der Synchronisationsfehler) infolge des
Synchronisationsalgorithmus ausgeschlossen werden, der die Präambelsequenz
der Testsignalpakete verarbeitet. Das bei der Wiederherstellung
des Kanals verwendete Interpolationsverfahren beruht unter anderem,
aber nicht ausschließlich,
auf der linearen Interpolation.
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7 zeigt,
dass der Prozess auf der Empfängerseite
nach Schritt 704 beendet ist. Dem Fachmann ist jedoch klar,
dass zusätzlich
zu den in 7 dargestellten Schritten weitere
Arbeitsschritte, zum Beispiel andere Analysen, mit den empfangenen Testsignalpaketen
ausgeführt
werden können.
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Bei
dem System und dem Verfahren zur Kanalmessung gemäß der vorliegenden
Erfindung gibt es bezüglich
der auf der Senderseite bzw. der Empfängerseite verwendeten Mittel
keine bindenden Vorschriften. Je nach den verschiedenen Messszenarien können verschiedene
Teile des Messsystems durch benutzerdefinierte Einheiten und Systeme
ersetzt werden. Wenn der Benutzer zum Beispiel an der Messung der
Leistung der zu verwendenden Antennen interessiert ist, können die
Sendeantennen und die Empfangsantennen durch die Antennen des Benutzers
ersetzt werden. Es brauchen keine speziell konstruierten oder kalibrierten
Antennen verwendet zu werden. Wenn gemäß einem anderen Beispiel der Benutzer
an einer Kanalmessung unter Betriebsbedingungen interessiert ist,
kann die gesamte Senderseite durch eine Basisstation oder eine Mobileinheit des
Benutzers ersetzt werden, während
die Empfängerseite
mit genau kalibrierten Antennen wie bei herkömmlichen Kanalmesssystemen
ausgestattet werden kann. Dabei müssen nur die HF-Vorstufen über die
erforderlichen Anschlüsse
für die
Verbindung mit dem Synchronisationssystem verfügen und in der Lage sein, Testsignale
als Antwort auf die Startsignale zu senden und zu empfangen.
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Es
muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass das Kanalmesssystem
gemäß der vorliegenden Erfindung
auch zusammen mit HF-Schaltern und größeren Antennenanordnungen mit
einer größeren Anzahl
von Antennen verwendet werden kann, um Winkelparameter wie die Empfangsrichtung
usw. genauer messen zu können.
In diesem Fall muss jede Antennenanordnung in mehrere Gruppen mit
gleicher Anzahl von Antennen aufgeteilt werden, und der HF-Schalter
schaltet in regelmäßigen Intervallen
jede der Antennengruppen der Reihe nach durch.
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Zur
Erhöhung
der Genauigkeit der Kanalmessung gemäß der vorliegenden Erfindung
können weitere
Verbesserungen vorgenommen werden. Bei einer Ausführungsart
können
zur Messung der Kanalimpulsantwort neben dem Präambelteil auch die Nutzdaten
des standardgemäßen Testsignals
herangezogen werden. Insbesondere kann eine speziell ausgewählte Sequenz
in die Nutzdaten der Testsignalpakete eingefügt werden. Zum Beispiel werden
in die 802.11n-Pakete wiederholte CAZAC-Sequenzen (Constant Amplitude Zero Auto
Correlation) als spezielle Nutzdaten eingefügt. Die konstante Amplitude der
durch wiederholte CAZAC-Sequenzen gebildeten Nutzdaten bewirkt,
dass Systeme mit mehreren Zwischenträgern ein niedriges Verhältnis der
Spitzenleistung zur Durchschnittsleistung (peak average power ratio,
PAPR) aufweisen, und deren guten Korrelationseigenschaften erleichtern
die Synchronisation und die Kanalbewertung.
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Durch
die Mittelwertbildung der empfangenen CAZAC-Sequenzen kann die Leistungsfähigkeit der
Kanalbewertung bei niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen verbessert werden.
Wenn der Kanal von sehr schnellen Änderungen betroffen ist und/oder
das Signal-Rausch-Verhältnis
niedrig ist, kann die Anzahl der in die Nutzdaten eingefügten CAZAC-Sequenzen
erhöht
werden, um die Leistungsfähigkeit
der Kanalbewertung weiter zu erhöhen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die speziellen Sequenzen nicht
auf die CAZAC-Sequenzen beschränkt
sind, sondern dass alle Arten von Sequenzen verwendet werden können, die
eine hohe Leistungsfähigkeit
bei der Kanalbewertung zeigen.
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Unter
Verwendung des oben erwähnten
Ansatzes, bei dem zusätzlich
zum Präambelteil
der standardgemäßen Testsignalpakete
die Nutzdaten verwendet werden, kann die Leistungsfähigkeit
der Kanalmessung weiter erhöht
werden und können
somit präzisere
Ergebnisse der Kanalmessung erzielt werden. Für Netzentwickler wäre es sehr
nützlich, auch
bestimmte andere brauchbare Informationen wie beispielsweise über die
Kanalkapazität
zu gewinnen. Die Kanalkapazität
stellt die maximale fehlerfreie Datenrate je Bandbreiteneinheit
dar, die sich sehr gut für
die Charakterisierung der MIMO-Leistungsparameter und die Planung
von MIMO-Systemen eignet. Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
präzise
Messergebnisse gewonnen und daraus dann die Kanalkapazität präzise berechnet
werden.
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Die
Erfindung kann in anderen speziellen Formen realisiert werden, ohne
vom Geist der Erfindung und deren wesentlichen Merkmalen abzuweichen.
Die vorliegenden Ausführungsarten
sind deshalb in jeder Beziehung als Veranschaulichung und nicht
als Einschränkung
anzusehen, wobei der Geltungsbereich der Erfindung nicht durch die
obige Beschreibung, sondern durch die angehängten Ansprüche dargelegt wird und alle Änderungen,
die im Rahmen der Bedeutungen und der Gleichwertigkeit der Ansprüche liegen,
hierin eingeschlossen sind.