DE102009021417B4 - Method and apparatus for nonlinear transformation and envelope scaling of OFDM signals - Google Patents

Method and apparatus for nonlinear transformation and envelope scaling of OFDM signals Download PDF

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DE102009021417B4 DE200910021417 DE102009021417A DE102009021417B4 DE 102009021417 B4 DE102009021417 B4 DE 102009021417B4 DE 200910021417 DE200910021417 DE 200910021417 DE 102009021417 A DE102009021417 A DE 102009021417A DE 102009021417 B4 DE102009021417 B4 DE 102009021417B4
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Abstract

Verfahren zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung eines aus NF sinusförmigen Subträgern bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite B, dessen Dateninhalt mit der Kardinalität M des Modulationsalphabets durch eine dermöglichen Realisierungdes Datenvektors gegeben ist, dessen NF Komponentendie zu übertragenden Datensymbole repräsentieren und den komplexen Amplituden der NF Subträger entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer aus einem Satz {S (1)...S (S)} von S unterschiedlichen Abbildungmatrizen der Dimension NF×NF auszuwählenden Matrix S ( s ) aus dem Datenvektor d ( r ) nach (A2) der abgebildete Datenvektorgebildet wird, dieser mit der Fouriermatrixin den Vektortransformiert wird, aus u (r,s) nach (A4) durch D/A-Wandlung das zeitkontinuierliche Signal ũ (r,s)(t) gebildet wird, dieses mit einer aus dem Bereich (0, ∞) gewählten, als Preclipping-Faktor bezeichneten Größe g multipliziert wird, das dadurch resultierende Signal gũ (r,s)(t) geclippt wird gemäßaus u (r,s,g)cl (t) nach (A5) durch Entfernen der spektralen Anteile außerhalb der OFDM-Bandbreite B mittels Tiefpaßfilterung das Signal u (r,s,g)cl,LP (t) erzeugt wird, undaus diesem schließlich mit einem gewählten Einhüllendenmaximum A die komplexe Einhüllendedes zu übertragenden OFDM-Symbols gebildet wird, wobei aus dem Satz {S (1)...S (S)} nach erfolgter Wahl des Preclipping-Faktors g jene Abbildungsmatrix S ( s ) ausgewählt und in (A3) verwendet wird, die das PAPR des OFDM-Symbols mit der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A)(t) nach (A6) minimiert.Method for non-linear transformation and envelope scaling of an OFDM symbol consisting of NF sinusoidal subcarriers of bandwidth B, the data content of which is given with the cardinality M of the modulation alphabet by a possible realization of the data vector, the NF components of which represent the data symbols to be transmitted and the complex amplitudes of the NF Subcarriers, characterized in that with a matrix S (s) to be selected from a set {S (1) ... S (S)} of S different mapping matrices of the dimension NF × NF from the data vector d (r) according to (A2 ) the mapped data vector is formed, it is transformed into the vector with the Fourier matrix, the time-continuous signal ũ (r, s) (t) is formed from u (r, s) according to (A4) by D / A conversion, this with an the range (0, ∞) selected and designated as the preclipping factor is multiplied, the resulting signal gũ (r, s) (t) is clipped according to u ( r, s, g) cl (t) according to (A5) the signal u (r, s, g) cl, LP (t) is generated by removing the spectral components outside the OFDM bandwidth B by means of low-pass filtering, and from this finally with a selected envelope maximum A, the complex envelope of the OFDM symbol to be transmitted is formed, with that mapping matrix S (s) selected from the set {S (1) ... S (S)} after the preclipping factor g has been selected and in ( A3) is used, which minimizes the PAPR of the OFDM symbol with the complex envelope u (r, s, g, A) (t) according to (A6).

Description

1 Stand der Technik1 state of the art

Bei der Weiterentwicklung heutiger und bei der Konzipierung künftiger Mobilfunksysteme spielt das Kanalzugriffsverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) eine wichtige Rolle. OFDM wird auch in drahtlosen lokalen Netzwerken (engl. Wireless Local Area Network, WLAN) eingesetzt. Die Grundprinzipien sowie die Vor- und Nachteile der OFDM-Technik werden in dem Standardwerk R. van Nee, R. Prasad, ”OFDM for multimedia communications”, Artech House, 2000, eingehend beschrieben. Wie auf den Seiten 119 bis 123 dieses Buches dargelegt, kann bei OFDM-Signalen das als Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) bezeichnete Verhältnis aus maximaler Momentanleistung zu mittlerer Leistung sehr große Werte annehmen. Beim Einsatz leistungseffizienter Sendeverstärker, die typischerweise nichtlinear sind, führt ein hohes PAPR zu Signalverzerrungen und ist deshalb ein gravierender Nachteil des Verfahrens OFDM. Zum Mildern dieses Nachteils der OFDM-Übertragungstechnik wurde in der Literatur eine Reihe von Verfahren zur PAPR-Reduktion von OFDM-Sigalen vorgeschlagen. Diese Verfahren enstammen meist den beiden Welten der Einhüllendenbegrenzung (Clipping) beziehungsweise der Datenspreizung, die bisher als völlig disjunkt und nicht in synergetischen Kombinationen betrachtet wurden. Dies mag darauf zurückzuführen sein, daß das Clipping ein altbekanntes Verfahren schon aus den Zeiten der analogen Funkübertragungstechnik ist, während die Datenspreizung in OFDM-Übertragungssystemen dem modernen Bereich der digitalen Signalverarbeitung zuzuordnen ist. Die Datenspreizung beruht darauf, die einzelnen Datensymbole nicht jeweils einem einzigen OFDM-Unterträger aufzumodulieren, sondern über mehrere oder alle OFDM-Unterträger hinweg zu spreizen.In the development of today's and in the design of future mobile systems, the channel access method OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) plays an important role. OFDM is also used in wireless local area networks (WLAN). The basic principles as well as the advantages and disadvantages of the OFDM technique are described in detail in the standard work R. van Nee, R. Prasad, "OFDM for multimedia communications", Artech House, 2000. As explained on pages 119 through 123 of this book, the ratio of peak to average power ratio (PAPR) for OFDM signals can be very high. When using power-efficient transmit amplifiers, which are typically non-linear, a high PAPR leads to signal distortions and is therefore a serious disadvantage of the OFDM method. To mitigate this disadvantage of the OFDM transmission technique, a number of methods for PAPR reduction of OFDM signals have been proposed in the literature. Most of these methods originate from the two worlds of clipping and data spreading, which until now have been considered as completely disjoint and not in synergetic combinations. This may be due to the fact that clipping is a well-known method even from the days of analog radio transmission technology, while the data spread in OFDM transmission systems is to be assigned to the modern field of digital signal processing. The data spreading is based on not modulating the individual data symbols in each case to a single OFDM subcarrier, but to spread across several or all OFDM subcarriers.

Das Clipping als nichtlinearer Vorgang hat den Nachteil, daß zunächst auch spektrale Anteile außerhalb des für die OFDM-Übertragung vorgesehenen Frequenzbands entstehen (out of band power), die man anschließend durch Filterung wieder beseitigen muß, wodurch als Nachteil 1 die angestrebte Einhüllendenbegrenzung zum Teil wieder zunichte gemacht wird (amplitude regrowth) und als Nachteil 2 je nach zu übertragenden Daten nicht vorhersehbare Einhüllendenmaxima entstehen. Es erfolgt also keine Einhüllenden-Skalierung, so daß man den senderseitigen Leistungsverstärker nicht für eine feste Maximalamplitude optimieren kann; dies geht mit dessen Effizienzminderung einher. In der US 2007/0121483 A1 wird ein Clipping-Verfahren zur PAPR-Reduktion vorgeschlagen, das den beiden genannten Nachteilen entgegenwirkt, insbesondere jedoch den Nachteil 2 nicht völlig vermeidet.The clipping as a non-linear process has the disadvantage that initially also spectral components outside the frequency band provided for the OFDM transmission arise (out of band power), which must then be eliminated by filtering again, which disadvantage as 1, the desired envelope limitation in part again is nullified (amplitude regrowth) and disadvantage 2 depending on the data to be transmitted unpredictable Einhüllendenmaxima arise. So there is no envelope scaling, so you can not optimize the transmitter-side power amplifier for a fixed maximum amplitude; this goes hand in hand with its reduction in efficiency. In the US 2007/0121483 A1 a clipping method for PAPR reduction is proposed, which counteracts the two disadvantages mentioned, but in particular does not completely avoid the disadvantage 2.

Die Datenspreizung hat den Nachteil, daß die entstehenden Einhüllendenmaxima wie beim Clipping von den zu übertragenden Daten abhängen, so daß man auch hier den senderseitigen Leistungsverstärker nicht für eine feste Maximalamplitude optimieren kann. In der DE 103 17 193 A1 sowie in der US 2006/0067414 A1 wird ein Verfahren der Datenspreizung zur PAPR-Reduktion vorgeschlagen, ohne daß jedoch der soeben genannte Nachteil vermieden wird.The data spread has the disadvantage that the resulting envelope maxima as in clipping depend on the data to be transmitted, so that you can not optimize the transmitter-side power amplifier for a fixed maximum amplitude here. In the DE 103 17 193 A1 as well as in the US 2006/0067414 A1 A method of data spreading for PAPR reduction is proposed without, however, avoiding the just mentioned disadvantage.

Der Aufsatz S. H. Han, J. H. Lee, ”An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission”, IEEE Wireless Communications, April 2005, S. 56–65, beschreibt die heute bekannten PAPR-Reduktionsverfahren für OFDM. In Tabelle 2 dieses Aufsatzes werden diese Verfahren aufgelistet und bezüglich ihrer Nach- und Vorteile charakterisiert. Nicht explizit erwähnt werden in dem Aufsatz zwei weitere Nachteile der bekannten Verfahren zur PAPR-Reduktion:

  • 1. Das nach der PAPR-Reduktion mit diesen Verfahren auftretende Einhüllendenmaximum des OFDM-Signals ist nicht a priori vorgebbar, sondern es ergibt sich a posteriori. Aufgrund dieses Nachteils ist es nicht möglich, Leistungsverstärker für die mit den bekannten Verfahren PAPR-reduzierten OFDM-Signale unter Vorgabe eines festen Einhüllendenmaximums auszulegen und zu optimieren.
  • 2. Der Fokus der bekannten Verfahren liegt ausschließlich auf der PAPR-Reduktion als solcher, obwohl es sinnvoller wäre, die PAPR-Reduktion nicht als Selbstzweck, sondern lediglich als Zwischenstufe im Kontext einer Optimierung der Performanz des gesamten OFDM-Übertragungssystems anzusehen. Deswegen weisen die lediglich mit dem Ziel der PAPR-Minimierung konzipierten, bekannten OFDM-Übertragungsverfahren nicht die bestmögliche Übertragungsqualität auf, quantitativ beispielsweise beschreibbar durch die Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit.
The article SH Han, JH Lee, "An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission", IEEE Wireless Communications, April 2005, p. 56-65, describes the PAPR reduction methods for OFDM known today. Table 2 of this Review lists these processes and characterizes their benefits and benefits. Not explicitly mentioned in the article two further disadvantages of the known methods for PAPR reduction:
  • 1. The envelope maximum of the OFDM signal occurring after the PAPR reduction with these methods can not be predefined a priori, but results a posteriori. Because of this disadvantage, it is not possible to design and optimize power amplifiers for the PAPR-reduced OFDM signals using the known methods while specifying a fixed envelope maximum.
  • 2. The focus of the known methods is exclusively on the PAPR reduction as such, although it would be more appropriate to view the PAPR reduction not as an end in itself but only as an intermediate in the context of optimizing the performance of the entire OFDM transmission system. Therefore, the known OFDM transmission methods designed only with the aim of minimizing PAPR do not have the best possible transmission quality, for example, quantitatively describable by the detection error probability.

2 Problem und Lösung2 problem and solution

Im folgenden werden Vektoren und Matrizen durch Fettdruck und Komplexwertigkeit durch Unterstreichen gekennzeichnet.In the following, vectors and matrices are indicated by bold and complex valence by underlining.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, die beiden Verfahren des Clippings und der Datenspreizung in neuartiger, synergetischer Weise zu kombinieren und hierbei durch Einbeziehen einer Einhüllenden-Skalierung das Einhüllendenmaximum des dem Clipping und der Datenspreizung unterzogenen Signals im Interesse einer optimalen Verstärkerauslegung a priori vorzugeben. Aufgabe der Erfindung ist es also, das PAPR eines OFDM-Signals durch ein Verfahren zu reduzieren,

  • • das es gestattet, das Einhüllendenmaximum des PAPR-reduzierten Signals a priori vorzugeben, und
  • • bei dem die PAPR-Reduktion mit einer Optimierung der Performanz der gesamten OFDM-Übertragung einhergehen kann.
The present invention is based on the problem of combining the two methods of clipping and data spreading in a novel, synergistic manner and, by incorporating envelope scaling, predetermine a priori the envelope maximum of the signal subjected to clipping and data spreading in the interest of optimal amplifier design. The object of the invention is thus to reduce the PAPR of an OFDM signal by a method,
  • • which allows to specify the envelope maximum of the PAPR reduced signal a priori, and
  • • in which the PAPR reduction can be accompanied by an optimization of the performance of the entire OFDM transmission.

Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Verfahren zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung und eines aus NF sinusförmigen Subträgern der Dauer T bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite B = NF/T (1) gelöst, dessen Dateninhalt mit der Kardinalität M des Modulationsalphabets durch eine der

Figure DE102009021417B4_0010
möglichen Realisierung
Figure DE102009021417B4_0011
des Datenvektors gegeben ist. Die NF Komponenten
Figure DE102009021417B4_0012
des Vektors d ( r ) repräsentieren die zu übertragenden Daten und werden als Datensymbole bezeichnet; sie entsprechen den komplexen Amplituden der NF OFDM-Subträger. Mit einer Abbildungsmatrix S (s) aus einem Vorrat von S unterschiedlichen, im allgemeinen komplexwertige Matrizen
Figure DE102009021417B4_0013
wird aus dem Datenvektor d ( r ) nach (3) der abgebildete Datenvektor
Figure DE102009021417B4_0014
erzeugt. Dieser wird mit der NF×NF-Fouriermatrix F in den Vektor
Figure DE102009021417B4_0015
transformiert, aus dem durch D/A-Wandlung das zeitkontinuierliche Signal ũ (r,s)(t) entsteht. Dieses Signal wird mit einer aus dem Bereich (0, ∞) gewählten, als Preclipping-Faktor bezeichneten Größe g multipliziert, und das dabei resultierende Signal gũ (r,s)(t) wird gemäß
Figure DE102009021417B4_0016
geclippt. Aus u (r,s,g) / cl (t) nach (7) entsteht durch Entfernen der spektralen Anteile außerhalb der OFDM-Bandbreite B nach (1) mittels Tiefpaßfilterung das Signal u (r,s,g) / cl,LP (t), und dieses wird schließlich durch Einhüllenden-Skalierung mit vorgegebenem Einhüllendenmaximum A gemäß
Figure DE102009021417B4_0017
in die komplexe Einhüllende des zu übertragenden OFDM-Symbols umgewandelt. Dieses ergibt sich mit der Trägerfrequenz ƒo aus u (r,s,g,A)(t) nach (8) durch Tiefpaß-Bandpaß-Transformation als Bandpaßsignal a(r,s,g,A)(t) = Re{u (r,s,g,A)(t)exp(j2πƒot)} (9) This problem is solved by the method of non-linear transformation and envelope scaling specified in claims 1 and 2, and an OFDM symbol of bandwidth consisting of N F sinusoidal subcarriers of duration T B = N F / T (1) whose data content with the cardinality M of the modulation alphabet by one of
Figure DE102009021417B4_0010
possible realization
Figure DE102009021417B4_0011
given the data vector. The N F components
Figure DE102009021417B4_0012
of the vector d ( r ) represent the data to be transmitted and are referred to as data symbols; they correspond to the complex amplitudes of the N F OFDM subcarriers. With an imaging matrix S (s) from a supply of S different, generally complex-valued matrices
Figure DE102009021417B4_0013
becomes from the data vector d ( r ) to (3) the imaged data vector
Figure DE102009021417B4_0014
generated. This becomes with the N F × N F -Fouriermatrix F in the vector
Figure DE102009021417B4_0015
transformed, from which the time-continuous signal ũ (r, s) (t) is formed by D / A conversion. This signal is multiplied by a quantity g chosen from the range (0, ∞), called the pre-clipping factor, and the resulting signal g ũ (r, s) (t) is calculated according to
Figure DE102009021417B4_0016
clipped. From u (r, s, g) / cl (t) according to (7), by removing the spectral components outside the OFDM bandwidth B according to (1) by means of low-pass filtering, the signal u (r, s, g) / cl, LP (t), and this is finally determined by envelope scaling with a given envelope maximum A according to
Figure DE102009021417B4_0017
converted into the complex envelope of the OFDM symbol to be transmitted. This results with the carrier frequency ƒ o from u (r, s, g, A) (t) according to (8) by low-pass bandpass transformation as a bandpass signal a (r, s, g, A) (t) = Re {u (r, s, g, A) (t) exp (j2πƒ o t)} (9)

Für das PAPR des Signals a(r,s,g,A)(t) nach (9) folgt mit u (r,s,g,A)(t) nach (8)

Figure DE102009021417B4_0018
For the PAPR of the signal a (r, s, g, A) (t) according to (9) follows with u (r, s, g, A) (t) according to (8)
Figure DE102009021417B4_0018

Die geschilderten Wahlmöglichkeiten bezüglich der Abbildungsmatrix S ( s ), des Preclipping-Faktors g und des Einhüllendenmaximums A können gemäß Patentanspruch 1 zur PAPR-Minimierung oder gemäß Patentanspruch 2 zur Minimierung der Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeit genutzt werden.The described options with regard to the mapping matrix S ( s ) , the preclipping factor g and the envelope maximum A can be used according to claim 1 for PAPR minimization or according to claim 2 for minimizing the transmission error probability.

Das OFDM-Signal a(r,s,g,A)(t) nach (9) wird über die Übertragungsstrecke zum Empfänger gesendet. Die Übertragungsstrecke repräsentiert den im allgemeinen störungsbehafteten Übertragungskanal, aber auch Systemkomponenten können der Übertragungsstrecke zugeschlagen werden. Für die Beeinflussung des Signals a(r,s,g,A)(t) nach (9) durch die Übertragungsstrecke wird der Kanaloperator Ƙ eingeführt. Beispielsweise berücksichtigt

  • • die Charakteristiken von Sendeverstärker und Sendefilter,
  • • die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals, der zum Beispiel ein frequenzselektiver Funkkanal sein kann, oder eine statistische Charakterisierung des Übertragungskanals in Form der Scattering Function, und
  • • die Charakteristik der Störung, die zum Beispiel ein weißes Bandpaß-Gaußrauschen am Empfängereingang sein kann.
The OFDM signal a (r, s, g, A) (t) of (9) is sent over the transmission link to the receiver. The transmission path represents the generally interference-prone transmission channel, but also system components can be added to the transmission link. For influencing the signal a (r, s, g, A) (t) according to (9) through the transmission path, the channel operator Ƙ is introduced. For example, considered
  • The characteristics of transmission amplifiers and transmission filters,
  • The transmission function of the transmission channel, which may be, for example, a frequency-selective radio channel, or a statistical characterization of the transmission channel in the form of the scattering function, and
  • The characteristic of the disturbance, which may be, for example, a white bandpass Gaussian noise at the receiver input.

Das in die Übertragungsstrecke eingespeiste Signal a(r,s,g,A)(t) nach (9) führt an deren Ausgang zu einem Signal der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A,Ƙ) / Rx(t) = Ƙ(u (r,s,g,A)(t)). (11) The fed into the transmission line signal a (r, s, g, A) (t) according to (9) leads at the output to a signal of the complex envelope u (r, s, g, A, Ƙ) / Rx (t) = Ƙ ( u (r, s, g, A) (t)). (11)

Bei gewähltem Preclipping-Faktor g hängt das PAPR nach (10) von der gewählten Abbildungsmatrix S ( s ) nach (4) ab. Durch Wahl der Abbildungsmatrix S ( s ) mit dem Hochindex

Figure DE102009021417B4_0019
kann man gemäß Patentanspruch 1 das PAPR minimieren.If the preclipping factor g is selected, the PAPR depends on (10) from the selected imaging matrix S ( s ) according to (4). By selecting the imaging matrix S ( s ) with the high index
Figure DE102009021417B4_0019
can be minimized according to claim 1, the PAPR.

Der Empfänger hat ganz allgemein die Aufgabe, unter Kenntnis des Signals der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A,Ƙ) / Rx (t) nach (11), das die Übertragungsstrecke ausgibt, eine Schätzung

Figure DE102009021417B4_0020
des gesendeten Datenvektors d ( r ) nach (3) mit möglichst geringer Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit zu liefern. Im folgenden wird an einem Beispiel erläutert, wie der Empfänger zum Bilden einer solchen Schätzung vorgehen könnte. Es wird angenommen, daß alle R Datenvektoren d ( r ) nach (3) mit gleicher Wahrscheinlichkeit 1/R auftreten, und daß das wohlbekannte Maximum-Likelihood(ML)-Schätzverfahren angewandt wird. Nach diesem Verfahren ergibt sich der Hochindex des am wahrscheinlichsten gesendeten Datenvektors zu
Figure DE102009021417B4_0021
The receiver generally has the task of knowing the signal of the complex envelope u (r, s, g, A, Ƙ) / Rx (t) after (11), which outputs the transmission path, an estimate
Figure DE102009021417B4_0020
of the transmitted data vector d ( r ) according to (3) with the lowest possible detection error probability. The following is an example of how the receiver could proceed to make such an estimate. It is assumed that all R data vectors d ( r ) according to (3) occur with equal probability 1 / R, and that the well-known maximum likelihood (ML) estimation method is used. According to this method, the high index of the most likely sent data vector results
Figure DE102009021417B4_0021

Durch den Inhalt der Klammer auf der linken Seite von (13) wird ausgedrückt, daß r ^ abhängt von der Wahl der Abbildungsmatrix S ( s ), des Preclipping-Faktors g und des Einhüllendenmaximums A sowie von den Eigenschaften der Übertragungsstrecke, repräsentiert durch den Kanaloperator Ƙ. Mit r ^(s,g,A,Ƙ) nach (13) kann man die Wahrscheinlichkeit eines Detektionsfehlers bei gesendetem Datenvektor d ( r ) ausdrücken als P(r,s,g,A,Ƙ) = Prob(r ^(s,g,A,Ƙ) ≠ r|d(r) gesendet). (14) The content of the bracket on the left side of (13) expresses that r ^ depends on the choice of the mapping matrix S ( s ) , the preclipping factor g and the envelope maximum A, and the characteristics of the link represented by the channel operator ƙ. With r ^ (s, g, A, Ƙ) according to (13) one can express the probability of a detection error with transmitted data vector d ( r ) as P (r, s, g, A, Ƙ) = Prob (r ^ (s, g, A, Ƙ) ≠ r | d (r) is sent). (14)

Bei gewählten Größen g und A sowie bei gegebenem Kanaloperator Ƙ hängt P(r,s,g,A,Ƙ) nach (14) von der Wahl der Abbildungsmatrix S ( s ) nach (4) ab. Durch Wahl der Abbildungsmatrix mit dem Hochindex

Figure DE102009021417B4_0022
kann man gemäß Patentanspruch 2 die Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit minimieren.For selected quantities g and A and for a given channel operator Ƙ, P (r, s, g, A, Ƙ) depends on (14) the choice of the mapping matrix S ( s ) according to (4). By choice of the imaging matrix with the high index
Figure DE102009021417B4_0022
can be minimized according to claim 2, the detection error probability.

Der Patentanspruch 3 beschreibt eine einfache Vorgehensweise zum Bilden der Abbildungsmatrizen als Produkt der NF×NF-Walsh-Hadamard-Matrix W und jeweils einer von S unterschiedlichen Vertauschungsmatrizen

Figure DE102009021417B4_0023
gemäß
Figure DE102009021417B4_0024
wobei eine jede Zeile und Spalte der Matrizen C( s ) eine einzige Eins und ansonsten Nullen enthält. Die nach (16) generierten Abbildungsmatrizen sind reell, und deshalb ist das Symbol S( s ) in (16) nicht unterstrichen.Claim 3 describes a simple procedure for forming the imaging matrices as a product of the N F × N F Walsh-Hadamard matrix W and in each case one of S different interchange matrices
Figure DE102009021417B4_0023
according to
Figure DE102009021417B4_0024
wherein each row and column of the matrices C ( s ) contains a single one and otherwise zeros. The mapping matrices generated by (16) are real, and therefore the symbol S ( s ) in (16) is not underlined.

Besonders vorteilhaft ist das Bilden der Vertauschungsmatrizen durch zyklische Vertauschung gemäß Patentanspruch 4. Hierbei wählt man S gleich NF und schreibt

Figure DE102009021417B4_0025
Particularly advantageous is the formation of the interchangeable matrices by cyclic permutation according to claim 4. Here one chooses S equal to N F and writes
Figure DE102009021417B4_0025

Die Generierung von NF Abbildunsmatrizen

Figure DE102009021417B4_0026
nach (16) und (17) ist neu und bietet die Vorteile, daß

  • • lediglich der Hochindex (nF) zum Empfänger signalisiert werden muß, um diesen über die verwendete Abbildungsmatrix
    Figure DE102009021417B4_0027
    zu informieren, und daß
  • • die Abbildungsmatrizen
    Figure DE102009021417B4_0028
    im Empfänger nicht gespeichert werden müssen, sondern dort on-line auf einfache Weise anhand von (16) und (17) generiert werden können.
The generation of N F image matrices
Figure DE102009021417B4_0026
after (16) and (17) is new and offers the advantages that
  • • Only the high index (n F ) must be signaled to the receiver to this over the used imaging matrix
    Figure DE102009021417B4_0027
    to inform, and that
  • • the image matrices
    Figure DE102009021417B4_0028
    need not be stored in the receiver, but can be generated there on-line in a simple manner using (16) and (17).

Die Abbildunsmatrizen nach (16) bis (17) sind voll besetzt. Daraus ergibt sich eine vorteilhafte Frequenzdiversität: Die in einer jeden Komponente

Figure DE102009021417B4_0029
des Datenvektors d ( r ) nach (3) enthaltene Information wird über alle NF Subträger gespreizt, was den schädlichen Einfluß der Frequenzselektivität der Radiokanäle auf die Systemperformanz mildert.The image matrices according to (16) to (17) are fully occupied. This results in an advantageous frequency diversity: that in each component
Figure DE102009021417B4_0029
The information contained in the data vector d ( r ) according to (3) is spread over all N F subcarriers, which mitigates the deleterious effect of frequency selectivity of the radio channels on system performance.

3 Einrichtung zum Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens3 Device for applying the method according to the invention

3.1 Vorbemerkung3.1 Preliminary note

Patentanspruch 5 betrifft eine Einrichtung zum Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens, die anhand der Sendeseite und der Übertragungsstrecke eines OFDM-Übertragungssystems näher erläutert wird. 1 zeigt die aus vier Blöcken bestehende betrachtete Struktur im äquivalenten Tiefpaßbereich. Die Blöcke 1 bis 3 repräsentieren den Sender, der Block 4 die Übertragungsstrecke.Claim 5 relates to a device for applying the method according to the invention, which is explained in more detail with reference to the transmission side and the transmission path of an OFDM transmission system. 1 shows the four-block structure under consideration in the equivalent low-pass range. The blocks 1 to three represent the transmitter, the block 4 the transmission path.

3.2 Selektiver Daten-Abbilder 1 3.2 Selective data images 1

d ( r ) nach (3) wird in den Block ”Selektiver Daten-Abbilder 1” eingegeben, dessen Aufgabe das Ermitteln des abgebildeten Datenvektors d ( r,s ) nach (5) ist. d ( r ) after (3) is placed in the block "Selective Data Mapping 1" whose task is to determine the imaged data vector d ( r, s ) according to (5).

3.3 Inverser Fourier-Transformer und D/A-Wandler 2 3.3 Inverse Fourier Transformer and D / A Converter 2

Wie aus 1 zu ersehen, wird der abgebildete Datenvektor d ( r,s ) nach (5) in den Block ”Inverser Fourier-Transformer und D/A-Wandler 2” eingegeben. Dieser liefert an seinem Ausgang das aus u ( r,s ) nach (6) durch D/A-Wandlung gebildete Tiefpaßäquivalent ũ ( r,s )(t) des noch nicht nichtlinear transformierten und noch nicht einhüllenden-skalierten OFDM-Symbols, das dem abgebildeten Datenvektor d ( r,s ) entspricht.How out 1 As can be seen, the imaged data vector d ( r, s ) after (5) in the block "inverse Fourier transformer and D / A converter 2 Entered. At its output, this delivers the low-pass equivalent ũ ( r, s ) (t) of the not yet non-linearly transformed and not yet enveloped scaled OFDM symbol from u ( r, s ) to (6) by D / A conversion corresponds to the imaged data vector d ( r, s ) .

3.4 Tiefpaßbegrenzer 3 3.4 low-pass limiter three

Die innere Struktur des Blocks ”Tiefpaßbegrenzer 3” umfaßt, wie aus 2 zu ersehen, drei Blöcke. Der Block ”Clipper 5” führt die Operation (7) durch. Der Block ”Tiefpaßfilter 6” bildet das oben eingeführte Signal u (r,s,g) / cl,LP (t). Dieses wird in den Block ”Einhüllenden-Skalierer 7” eingegeben, an dessen Ausgang das Signal u ( r,s,g,A )(t) nach (8) vorliegt.The internal structure of the block "Tiefpaßbegrenzer three "Covers how out 2 to see, three blocks. The block "Clipper 5 "Performs the operation (7). The block "low-pass filter 6 "Forms the above introduced signal u (r, s, g) / cl, LP (T). This is placed in the block "Encapsulation Scaler 7 At the output of which the signal u ( r, s, g, A ) (t) according to (8) is present.

3.5 Übertragungsstrecke 4 3.5 transmission path 4

Der Block ”Übertragungsstrecke 4” repräsentiert den durch den oben eingeführten Operator Ƙ charakterisierten, im allgemeinen störungsbehafteten Übertragungskanal, kann aber zum Beispiel zusätzlich auch den Sendeverstärker und das Sendefilter umfassen, und führt die Operation (11) aus.The block "Transmission line 4 "Represents the generally interference-prone transmission channel characterized by the operator Ƙ introduced above, but may additionally include, for example, the transmission amplifier and the transmission filter, and performs the operation (11).

Claims (6)

Verfahren zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung eines aus NF sinusförmigen Subträgern bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite B, dessen Dateninhalt mit der Kardinalität M des Modulationsalphabets durch eine der
Figure DE102009021417B4_0030
möglichen Realisierung
Figure DE102009021417B4_0031
des Datenvektors gegeben ist, dessen NF Komponenten
Figure DE102009021417B4_0032
die zu übertragenden Datensymbole repräsentieren und den komplexen Amplituden der NF Subträger entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer aus einem Satz {S (1)...S (S)} von S unterschiedlichen Abbildungmatrizen der Dimension NF×NF auszuwählenden Matrix S ( s ) aus dem Datenvektor d ( r ) nach (A2) der abgebildete Datenvektor
Figure DE102009021417B4_0033
gebildet wird, dieser mit der Fouriermatrix
Figure DE102009021417B4_0034
in den Vektor
Figure DE102009021417B4_0035
transformiert wird, aus u (r,s) nach (A4) durch D/A-Wandlung das zeitkontinuierliche Signal ũ (r,s)(t) gebildet wird, dieses mit einer aus dem Bereich (0, ∞) gewählten, als Preclipping-Faktor bezeichneten Größe g multipliziert wird, das dadurch resultierende Signal gũ (r,s)(t) geclippt wird gemäß
Figure DE102009021417B4_0036
aus u (r,s,g) / cl (t) nach (A5) durch Entfernen der spektralen Anteile außerhalb der OFDM-Bandbreite B mittels Tiefpaßfilterung das Signal u (r,s,g) / cl,LP (t) erzeugt wird, undaus diesem schließlich mit einem gewählten Einhüllendenmaximum A die komplexe Einhüllende
Figure DE102009021417B4_0037
des zu übertragenden OFDM-Symbols gebildet wird, wobei aus dem Satz {S (1)...S (S)} nach erfolgter Wahl des Preclipping-Faktors g jene Abbildungsmatrix S ( s ) ausgewählt und in (A3) verwendet wird, die das PAPR des OFDM-Symbols mit der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A)(t) nach (A6) minimiert.
Method for non-linear transformation and envelope scaling of an OFDM symbol of bandwidth B consisting of N F sinusoidal subcarriers, the data content of which is connected to the cardinality M of the modulation alphabet by one of the
Figure DE102009021417B4_0030
possible realization
Figure DE102009021417B4_0031
given the data vector whose N F components
Figure DE102009021417B4_0032
represent the data symbols to be transmitted and correspond to the complex amplitudes of the N F subcarriers, characterized in that a matrix to be selected from a set { S (1) ... S (S) } of S different mapping matrices of dimension N F × N F S ( s ) from the data vector d ( r ) to (A2) the imaged data vector
Figure DE102009021417B4_0033
is formed, this with the Fourier matrix
Figure DE102009021417B4_0034
in the vector
Figure DE102009021417B4_0035
is transformed from u (r, s) to (A4) by D / A conversion, the time-continuous signal ũ (r, s) (t) is formed, this with a selected from the range (0, ∞), as a preclipping Factor g is multiplied, the resulting signal g ũ (r, s) (t) is clipped according to
Figure DE102009021417B4_0036
from u (r, s, g) / cl (t) after (A5) by removing the spectral components outside the OFDM bandwidth B by means of low-pass filtering the signal u (r, s, g) / cl, LP (t) is generated, and from this finally with a selected envelope maximum A the complex envelope
Figure DE102009021417B4_0037
is formed from the set { S (1) ... S (S) } after the selection of the preclipping factor g that image matrix S ( s ) and in (A3) is used, the minimizes the PAPR of the OFDM symbol with the complex envelope u (r, s, g, A) (t) to (A6).
Verfahren zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung eines aus NF sinusförmigen Subträgern bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite B, dessen Dateninhalt mit der Kardinalität M des Modulationsalphabets durch eine der
Figure DE102009021417B4_0038
möglichen Realisierung
Figure DE102009021417B4_0039
des Datenvektors gegeben ist, dessen NF Komponenten
Figure DE102009021417B4_0040
die zu übertragenden Datensymbole repräsentieren und den komplexen Amplituden der NF Subträger entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer aus einem Satz {S (1)...S (S)} von S unterschiedlichen Abbildungmatrizen der Dimension NF×NF auszuwählenden Matrix S ( s ) aus dem Datenvektor d (r) nach (A8) der abgebildete Datenvektor
Figure DE102009021417B4_0041
gebildet wird, dieser mit der Fouriermatrix
Figure DE102009021417B4_0042
in den Vektor
Figure DE102009021417B4_0043
transformiert wird, aus u (r,s) nach (A10) durch D/A-Wandlung das zeitkontinuierliche Signal ũ (r,s)(t) gebildet wird, dieses mit einer aus dem Bereich (0, ∞) gewählten, als Preclipping-Faktor bezeichneten Größe g multipliziert wird, das dadurch resultierende Signal gũ (r,s)(t) geclippt wird gemäß
Figure DE102009021417B4_0044
aus u (r,s,g) / cl (t) nach (All) durch Entfernen der spektralen Anteile außerhalb der OFDM-Bandbreite B mittels Tiefpaßfilterung das Signal u (r,s,g) / cl,LP (t) erzeugt wird, und aus diesem schließlich mit einem gewählten Einhüllendenmaximum A die komplexe Einhüllende
Figure DE102009021417B4_0045
des zu übertragenden OFDM-Symbols gebildet wird, wobei aus dem Satz {S (1)...S (S)} nach erfolgter Wahl des Preclipping-Faktors g jene Abbildungsmatrix S ( s ) ausgewählt und in (A9) verwendet wird, die minimale Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit ergibt bei der empfängerseitigen Detektion des in die Übertragungsstrecke eingespeisten OFDM-Symbols der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A)(t) nach (Al2).
Method for non-linear transformation and envelope scaling of an OFDM symbol of bandwidth B consisting of N F sinusoidal subcarriers, the data content of which is connected to the cardinality M of the modulation alphabet by one of the
Figure DE102009021417B4_0038
possible realization
Figure DE102009021417B4_0039
given the data vector whose N F components
Figure DE102009021417B4_0040
represent the data symbols to be transmitted and correspond to the complex amplitudes of the N F subcarriers, characterized in that a matrix to be selected from a set { S (1) ... S (S) } of S different mapping matrices of dimension N F × N F S ( s ) from the data vector d (r) to (A8) the imaged data vector
Figure DE102009021417B4_0041
is formed, this with the Fourier matrix
Figure DE102009021417B4_0042
in the vector
Figure DE102009021417B4_0043
is transformed from u (r, s) to (A10) by D / A conversion, the time-continuous signal ũ (r, s) (t) is formed, this with a selected from the range (0, ∞), as a preclipping Factor g is multiplied, the resulting signal g ũ (r, s) (t) is clipped according to
Figure DE102009021417B4_0044
from u (r, s, g) / cl (t) after (All) by removing the spectral components outside the OFDM bandwidth B by means of low-pass filtering the signal u (r, s, g) / cl, LP (t) is generated, and from this finally with a selected envelope maximum A the complex envelope
Figure DE102009021417B4_0045
is formed from the set { S (1) ... S (S) } after the selection of the preclipping factor g that image matrix S ( s ) and in (A9) is used, the Minimum detection error probability results in the receiver-side detection of the OFDM symbol of the complex envelope fed into the transmission link u (r, s, g, A) (t) to (Al2).
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Satz der Abbildungsmatrizen aus S reellen Matrizen S( s ) besteht, die aus der NF×NF-Walsh-Hadamard-Matrix W und jeweils einer von S unterschiedlichen Vertauschungsmatrizen
Figure DE102009021417B4_0046
gebildet wird gemäß
Figure DE102009021417B4_0047
wobei eine jede Zeile und Spalte der Matrizen C( s ) eine einzige Eins und ansonsten Nullen enthält.
Method according to one of the claims 1 or 2, characterized in that the set of mapping matrices consists of S real matrices S ( s ) consisting of the N F × N F Walsh-Hadamard matrix W and one of S different commutation matrices
Figure DE102009021417B4_0046
is formed according to
Figure DE102009021417B4_0047
wherein each row and column of the matrices C ( s ) contains a single one and otherwise zeros.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Satz der Abbildungsmatrizen aus NF reellen Matrizen
Figure DE102009021417B4_0048
besteht und die Vertauschungsmatrizen gemäß
Figure DE102009021417B4_0049
gebildet werden.
Method according to Patent Claim 3, characterized in that the set of mapping matrices consists of N F real matrices
Figure DE102009021417B4_0048
and the interchange matrices according to
Figure DE102009021417B4_0049
be formed.
Einrichtung zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung eines aus NF sinusförmigen Subträgern bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite B, dessen Dateninhalt mit der Kardinalität M des Modulationsalphabets durch eine der
Figure DE102009021417B4_0050
möglichen Realisierung
Figure DE102009021417B4_0051
des Datenvektors gegeben ist, dessen NF Komponenten
Figure DE102009021417B4_0052
die zu übertragenden Datensymbole repräsentieren und den komplexen Amplituden der NF Subträger entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Block ”Selektiver Daten-Abbilder 1” mit einer aus einem Satz {S (1)...S (S)} von S unterschiedlichen Abbildungmatrizen der Dimension NF×NF ausgewählten Matrix S ( s ) aus dem Datenvektor d (r) nach (A16) den abgebildeten Datenvektor
Figure DE102009021417B4_0053
bildet, dieser in einen Block ”Inverser Fourier-Transformer und D/A-Wandler 2” eingegeben wird, der mit der Fouriermatrix
Figure DE102009021417B4_0054
den Vektor d (r,s) nach (A17) in den Vektor
Figure DE102009021417B4_0055
transformiert, aus u (r,s) nach (A18) durch D/A-Wandlung das zeitkontinuierliche Signal ũ (r,s)(t) bildet und in einen Block ”Tiefpaßbegrenzer 3” eingibt, der das Signal ũ (r,s)(t) mit einer aus dem Bereich (0, ∞) gewählten, als Preclipping-Faktor bezeichneten Größe g multipliziert, das dadurch resultierende Signal gũ (r,s)(t) clippt gemäß
Figure DE102009021417B4_0056
aus u (r,s,g) / cl (t) nach (A19) durch Entfernen der spektralen Anteile außerhalb der OFDM-Bandbreite B mittels Tiefpaßfilterung das Signal u (r,s,g) / cl,LP (t) erzeugt, und aus diesem schließlich mit einem gewählten Einhüllendenmaximum A die komplexe Einhüllende
Figure DE102009021417B4_0057
des zu übertragenden OFDM-Symbols bildet und ausgibt, wobei aus dem Satz {S (1)...S (S)} nach erfolgter Wahl des Preclipping-Faktors g jene Abbildungsmatrix S ( s ) ausgewählt und in (A17) verwendet wird, die das PAPR des OFDM-Symbols mit der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A)(t) nach (A20) minimiert.
Apparatus for nonlinear transformation and envelope scaling of an OFDM symbol of bandwidth B consisting of N F sinusoidal subcarriers, the data content of which is connected to the cardinality M of the modulation alphabet by one of the
Figure DE102009021417B4_0050
possible realization
Figure DE102009021417B4_0051
given the data vector whose N F components
Figure DE102009021417B4_0052
represent the data symbols to be transmitted and correspond to the complex amplitudes of the N F subcarriers, characterized in that a block "Selective Data Mapping 1 With a matrix S ( s ) selected from a set { S (1) ... S (S) } of S different mapping matrices of the dimension N F × N F from the data vector d (r) according to (A16) the imaged data vector
Figure DE102009021417B4_0053
Form this into a block "Inverse Fourier Transformer and D / A Converter 2 "Is input, with the Fourier matrix
Figure DE102009021417B4_0054
the vector d (r, s) to (A17) in the vector
Figure DE102009021417B4_0055
transformed from u (r, s) to (A18) by D / A conversion, the time-continuous signal ũ (r, s) (t) forms and in a block "Tiefpaßbegrenzer three "Which multiplies the signal ũ (r, s) (t) by a variable g selected from the range (0, ∞), called a preclipping factor, the resulting signal g ũ (r, s) (t) clipped according to
Figure DE102009021417B4_0056
from u (r, s, g) / cl (t) after (A19) by removing the spectral components outside the OFDM bandwidth B by means of low-pass filtering the signal u (r, s, g) / cl, LP (t), and from this finally with a selected envelope maximum A the complex envelope
Figure DE102009021417B4_0057
forms and outputs the OFDM symbol to be transmitted, wherein from the set { S (1) ... S (S) } after the selection of the preclipping factor g, that imaging matrix S ( s ) is selected and used in (A17), which minimizes the PAPR of the OFDM symbol with the complex envelope u (r, s, g, A) (t) to (A20).
Einrichtung zur nichtlinearen Transformation und Einhüllenden-Skalierung eines aus NF sinusförmigen Subträgern bestehenden OFDM-Symbols der Bandbreite B, dessen Dateninhalt mit der Kardinalität M des Modulationsalphabets durch eine der
Figure DE102009021417B4_0058
möglichen Realisierung
Figure DE102009021417B4_0059
des Datenvektors gegeben ist, dessen NF Komponenten
Figure DE102009021417B4_0060
die zu übertragenden Datensymbole repräsentieren und den komplexen Amplituden der NF Subträger entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Block ”Selektiver Daten-Abbilder 1” mit einer aus einem Satz {S (1)...S (S)} von S unterschiedlichen Abbildungmatrizen der Dimension NF×NF ausgewählten Matrix S ( s ) aus dem Datenvektor d (r) nach (A22) den abgebildeten Datenvektor
Figure DE102009021417B4_0061
bildet, dieser in einen Block ”Inverser Fourier-Transformer und D/A-Wandler 2” eingegeben wird, der mit der Fouriermatrix
Figure DE102009021417B4_0062
den Vektor d (r,s) nach (A23) in den Vektor
Figure DE102009021417B4_0063
transformiert, aus u (r,s) nach (A24) durch D/A-Wandlung das zeitkontinuierliche Signal ũ (r,s)(t) bildet und in einen Block ”Tiefpaßbegrenzer 3” eingibt, der das Signal ũ (r,s)(t) mit einer aus dem Bereich (0, ∞) gewählten, als Preclipping-Faktorbezeichneten Größe g multipliziert, das dadurch resultierende Signal gũ (r,s)(t) clippt gemäß
Figure DE102009021417B4_0064
aus u (r,s,g) / cl (t) nach (A25) durch Entfernen der spektralen Anteile außerhalb der OFDM-Bandbreite B mittels Tiefpaßfilterung das Signal u (r,s,g) / cl,LP (t) erzeugt, und aus diesem schließlich mit einem gewählten Einhüllendenmaximum A die komplexe Einhüllende
Figure DE102009021417B4_0065
des zu übertragenden OFDM-Symbols bildet und ausgibt, wobei aus dem Satz {S (1)...S (S)} nach erfolgter Wahl des Preclipping-Faktors g jene Abbildungsmatrix S (s) ausgewählt und in (A23) verwendet wird, die minimale Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit ergibt bei der empfängerseitigen Detektion des in die Übertragungsstrecke eingespeisten OFDM-Symbols der komplexen Einhüllenden u (r,s,g,A)(t) nach (A26).
Apparatus for nonlinear transformation and envelope scaling of an OFDM symbol of bandwidth B consisting of N F sinusoidal subcarriers, the data content of which is connected to the cardinality M of the modulation alphabet by one of the
Figure DE102009021417B4_0058
possible realization
Figure DE102009021417B4_0059
given the data vector whose N F components
Figure DE102009021417B4_0060
represent the data symbols to be transmitted and correspond to the complex amplitudes of the N F subcarriers, characterized in that a block "Selective Data Mapping 1 With a matrix S ( s ) selected from a set { S (1) ... S (S) } of S different mapping matrices of the dimension N F × N F from the data vector d (r) according to (A22) the imaged data vector
Figure DE102009021417B4_0061
Form this into a block "Inverse Fourier Transformer and D / A Converter 2 "Is input, with the Fourier matrix
Figure DE102009021417B4_0062
the vector d (r, s) after (A23) in the vector
Figure DE102009021417B4_0063
transformed from u (r, s) to (A24) by D / A conversion, the time-continuous signal ũ (r, s) (t) forms and in a block "Tiefpaßbegrenzer three ", Which multiplies the signal ũ (r, s) (t) by a quantity g selected from the range (0, ∞), referred to as the preclipping factor, and clips the resultant signal g ũ (r, s) (t) according to
Figure DE102009021417B4_0064
from u (r, s, g) / cl (t) after (A25) by removing the spectral components outside the OFDM bandwidth B by means of low-pass filtering the signal u (r, s, g) / cl, LP (t), and from this finally with a selected envelope maximum A the complex envelope
Figure DE102009021417B4_0065
forms and outputs the OFDM symbol to be transmitted, wherein from the set { S (1) ... S (S) } after the selection of the preclipping factor g that image matrix S (s) is selected and used in (A23), the minimum detection error probability results in the receiver-side detection of the OFDM symbol of the complex envelope fed into the transmission link u (r, s, g, A) (t) according to (A26).
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