DE102009051391A1 - Verfahren und Einrichtung zur Datenspreizung bei der OFDM-Übertragung - Google Patents
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- H04L27/2614—Peak power aspects
Abstract
Bei der Datenübertragung mit dem Kanalzugriffsverfahren OFDM über frequenzselektive Funkkanäle ist es nachteilig, dass die von den einzelnen OFDM-Subträgern transportierten Datenelemente mit unterschiedlicher Qualität empfangen werden. Es ist bekannt, dass diese unerwünschte Auswirkung der Frequenzselektivität durch Frequenzdiversität gemildert werden kann. Im Falle der OFDM-Übertragung lässt sich Frequenzdiversität dadurch erzielen, dass man den zu sendenden Datenvektor vor der inversen Fouriertransformation auf einen Vektor abbildet, in dessen Komponenten jeweils einige oder alle der zu sendenden Datenelemente eingehen. Entsprechende Verfahren einer derartigen Datenspreizung sind unter dem Namen Selective Data Mapping (SDM) bekannt, wobei das primäre Ziel von SDM eine PAPR-Reduktion ist. Nachteilig bei dieser bekannten Art der OFDM-Übertragung mit Datenspreizung ist, dass im Gegensatz zur herkömmlichen OFDM-Übertragung die empfängerseitige Datendetektion aus Aufwandsgründen nicht mehr nach dem Maximum-Likelihood (ML)-Verfahren, das heißt in optimaler Weise durchgeführt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der zu sendende Datenvektor in partielle Datenvektoren aufgespalten, von denen ein jeder einer gesonderten Datenspreizung unterzogen wird. Dadurch kann die empfängerseitige Datendetektion in eine Anzahl voneinander unabhängiger und aufwandsgünstiger partieller Detektionsprozesse aufgespalten werden, die aufgrund der im Vergleich zur Dimension des zu ...
Description
- 1 Stand der Technik
- 1.1 OFDM-Übertragungsstrecke
- 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. Das Prinzip der OFDM-Technik wird beispielsweise in dem Standardwerk R. van Nee and R. Prasad, "OFDM for multimedia communications", Artech House, 2000, eingehend beschrieben und ist somit allgemein bekannt. Deshalb soll dieses Prinzip anhand der Blockstruktur nach
1 eines herkömmlichen OFDM-Übertragungssystems lediglich soweit kurz rekapituliert werden, wie es für das Verständnis der vorliegenden Patentanmeldung erforderlich ist. - In der Blockstruktur nach
1 werden die zu übertragenden digitalen Daten im Block1 einer inversen Fouriertransformation unterzogen, und danach wird im Block2 das zyklische Präfix eingefügt. Im Block3 erfolgen Digital-Analog-Wandlung und anschließende Aufwärtsmischung in den Übertragungsfrequenzbereich. Das hierbei entstehende OFDM-Signal wird über den durch den Block4 repräsentierten gestörten und wegen Mehrwegeempfangs im allgemeinen frequenzselektiven Funkkanal zum Empfänger übertragen. Dort erfolgen im Block5 Abwärtsmischung und Analog-Digital-Wandlung. Das hierbei entstehende zeitdiskrete und wertekontinuierliche Signal wird dann im Block6 vom zyklischen Präfix befreit. Im Block7 wird aus dem Ausgangssignal des Blocks6 durch Fouriertransformation eine wertekontinuierliche Schätzung der zu übertragenden digitalen Daten gewonnen, aus der man schließlich durch Datendetektion im Block8 eine wertediskrete, das heißt also digitale Schätzung der gesendeten Daten bildet. - 1.2 Vereinfachtes OFDM-Übertragungsmodell
- Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es für den Fachmann ausreichend, den folgenden Betrachtungen anstelle der Blockstruktur nach
1 das vereinfachte OFDM-Übertragungsmodell nach2 zugrundezulegen. Dieses Modell entsteht aus der Blockstruktur nach1 durch Weglassen der Blöcke1 ,2 , und3 auf der Sendeseite und der Blöcke5 ,6 und7 auf der Empfangsseite sowie durch Ersetzen des Blocks4 durch die Blöcke9 und10 . Mit der Anzahl NF der OFDM-Subträger beschreibt Block9 den Funkkanal durch den Vektor dessen Elemente die für die einzelnen Subträger geltenden Werte der Kanalübertragungsfunktion sind; in der Regel unterscheiden sich die Komponentenbeträge des Vektors h voneinander, das heißt, man hat die in Unterabschnitt 1.1 bereits angesprochene Frequenzselektivität. Es sei daran erinnert, daß die Übertragungsqualität bekanntlich durch Frequenzselektivität beeinträchtigt wird, siehe J. G. Proakis, "Digital Communications", S. 719–738, McGraw-Hill Book Company, 1989. Aus dem Vektor h nach (1) kann man die als Kanalübertragungsfunktionsmatrix bezeichnete Diagonalmatrix bilden. Im Block10 wird in Form des additiven Rauschvektors die Störung eingefügt. - In den Block
9 wird der zu sendende wertediskrete Datenvektor eingegeben, wobei eine jede der NF Komponenten die komplexe Amplitude des jeweils gleich indizierten OFDM-Subträgers darstellt. Am Ausgang des Blocks10 erhält man mit H nach (2), d nach (4) und n nach (3) den gestörten Empfangsvektor aus dem im Block8 durch Datendetektion eine Schätzung des gesendeten Datenvektors d nach (4) gebildet wird. - 1.3 Datendetektion
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- Ohne Einschränkung der Allgemeinheit setzen wir voraus, daß die R Realsierungen nach (11) alle mit der gleichen Wahrscheinlichkeit 1/R auftreten. Dann erfolgt die optimale Datendetektion, wie aus dem oben angeführten Buch von J. G. Proakis, S. 234–241, zu entnehmen, nach dem Maximum-Likelihood(ML)-Prinzip, im folgenden kurz ML-Datendetektion genannt, mit r nach (5) gemäß
- Da d wertediskret ist, ist die ML-Datendetektion nach (12) nichtlinear und damit von Natur aus aufwendig. Falls die Komponenten des Rauschvektors n nach (3) gaußverteilt und unabhängig sind und alle die gleiche Varianz haben, dann kann man anstelle von (12) schreiben. Da H diagonal ist, ordnet (13) einer jeden Komponente des zu sendenden Datenvektors d eindeutig und exklusiv eine Komponente des Vektors r und damit des Vektors zu. Dann kann die ML-Datendetektion nach (13) subträgerweise gemäß durchgeführt werden. Eine solche subträgerweise ML-Datendetektion ist sehr aufwandsgünstig.
- 1.4 Datenabbildung
- Aus dem Aufsatz R. W. Bäumel, R. F. H. Fischer, and J. B. Huber, "Reducing the peak-to-average power ratio of multicarrier modulation by selected mapping", Electronics Letters, vol. 32, S. 2056–2057, 1996, ist bekannt, daß das OFDM-Übertragungsmodell nach
2 wie in3 dargestellt senderseitig um einen als Mapper (Abbilder) bezeichneten Block11 erweitert werden kann. In diesem Block wird der Datenvektor d nach (4) vor dem Einspeisen in den Block9 linear auf den Vektor abgebildet. Der Block11 ist durch die Abbildungsmatrix S der Dimensionen NF × NF charakterisiert, so daß besagte Abbildung durch beschrieben werden kann. Analog zu (5) ergibt sich der gestörte Empfangsvektor nunmehr zu und anstelle von (13) hat die ML-Datendetektion nunmehr gemäß zu erfolgen. - Wie schon aus dem Titel des genannten Aufsatzes von R. W. Bäumel et al. hervorgeht, kann durch günstige Wahl der Abbildungsmatrix S – man spricht dann auch von Selective Data Mapping (SDM) – das Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) des zu sendenden OFDM-Signals reduziert werden. Eine solche Reduktion ist, wie in dem eingangs angeführten Standardwerk von R. van Nee and R. Prasad dargelegt, wünschenswert, damit energieeffiziente Sendeverstärker mit ihrer nichtlinearen Charakteristik eingesetzt werden können, ohne daß diese zu starke Signalverzerrungen verursachen.
- Gemäß Stand der Technik werden diagonale Abbildungsmatrizen S mit komplexen Diagonalelementen eingesetzt. Dann ist auch die in (17) auftretende Matrix H S diagonal, und dies bietet den Vorteil, daß im Empfänger die ML-Datendetektion nach wie vor analog zu (14) subträgerweise und damit aufwandsgünstig durchgeführt werden kann. Allerdings sind auch Arbeiten bekannt, siehe zum Beispiel Y. Wu, C. K. Ho and J. Y. Park, "On some properties of Walsh-Hadamard transformed OFDM", Proc. 56th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC-Fall 2002), Singapore 2002, S. 2096–2100, die anstelle einer diagonalen eine vollbesetzte Abbildungsmatrix S vorsehen, durch deren passende Wahl man ebenfalls das PAPR reduzieren kann.
- Im Fall einer voll besetzten Abbildungsmatrix S wird durch (15) eine jede der NF Komponenten des zu sendenden Datenvektors d über alle NF Komponenten des abgebildeten Datenvektors und damit über alle NF OFDM-Subträger gespreizt. In der genannten Arbeit von Y. Wu et al. wird die Hoffnung ausgedrückt, daß durch eine solche Datenspreizung, die im Falle der OFDM-Übertragung einer Frequenzdiversität entspricht, die schädliche Auswirkung der Frequenzselektivität des Funkkanals gemildert werden kann. Hierbei wird allerdings übersehen, daß aufgrund der genannten Datenspreizung die in (17) auftretende Matrix H S nicht mehr diagonal, sondern voll besetzt ist, so daß die ML-Datendetektion nicht mehr subträgerweise analog zu (14) durchführbar ist. Dies bedeutet, daß die optimale Art der Datendetektion, nämlich die ML-Datendetektion, prohibitiv aufwendig wäre, insbesondere, wenn die Subträgeranzahl NF die in der Praxis üblichen großen Werte bis zu 1000 und mehr annimmt. Als Beispiel sei M gleich vier und NF gleich 128 betrachtet. In diesem Fall gibt es nach (10) R gleich 4128 ≈ 1077 unterschiedliche Realisierungen d (r) des Datenvektors d nach (4), und für jede dieser Realisierungen müßte man den in (17) auftretenden Ausdruck |H S d – r| auswerten.
- Aufwandsmäßig machbar ist bei voll besetzter Matrix H S lediglich die Datendetektion auf der Basis bekannter linearer Verfahren wie zum Beispiel der im oben angeführten Buch von J. G. Proakis, S. 554–584, beschriebenen Verfahren Zero Forcing (ZF) Detection oder Minimum Mean Square Error (MMSE) Detection. Allerdings ist auch bekannt, daß derartige lineare Verfahren wesentlich schlechtere Detektionsergebnisse liefern als die (optimale) ML-Datendetektion, so daß bei der OFDM-Übertragung der durch Datenspreizung gewonnene Nutzeffekt der Frequenzdiversität konterkariert wird.
- Ein im Falle der linearen Datendetektion im Block
8 vorgesehener ZF-Datendetektor ermittelt in einem ersten, linearen Schritt aus dem gestörten Empfangsvektor r nach (16) zunächst die wertekontinuierliche Schätzung des gesendeten Datenvektors d nach (4). Aus dieser gewinnt man im Block8 dann gemäß die wertediskrete Schätzung. (19) kann analog zu (14) aufwandsgünstig komponentenweise ausgeführt werden. Das oben angesprochene schlechte Detektionsverhalten des ZF-Datendetektors rührt daher, daß die gemäß (18) zu invertierende Matrix H S je nach aktuellem Kanalzustand sehr schlecht konditioniert sein kann. - 1.5 Kritik des Stands der Technik
- Der durch die vorliegende Erfindung zu verbessernde Stand der Technik ist dahingehend zu kritisieren, daß eine Datenspreizung mit voll besetzter Abbildungsmatrix S zwar das reduzieren des PAPR erlaubt und gleichzeitig Frequenzdiversität ergibt. In diesem Fall wäre die (optimale) ML-Datendetektion allerdings prohibitiv aufwendig, so daß man auf suboptimale lineare Datendetektionsverfahren wie den ZF-Datendetektor ausweichen muß. Es besteht also das Problem, daß der durch Datenspreizung mit voller Abbildungsmatrix S, das heißt durch Frequenzdiversität angestrebte Vorteil durch das schlechtere Verhalten des nicht optimalen, aber aus Aufwandsgründen ausschließlich verwendbaren linearen Datendetektors konterkariert wird.
- 2 Problemlösung
- 2.1 Grundgedanke der Erfindung
- Das in Unterabschnitt 1.5 dargelegte Problem wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren der partiellen Datenspreizung gelöst. Diesem Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, einen zu übertragenden Datenvektor
d = (d 1...d n...d N)T (20) N = NF, (24) Z = 64, (25) N(z) = 2, z = 1...64, (26) - 2.2 Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung
- Bei einem frequenzselektiven Funkkanal mit einer Kanalübertragungsfunktionsmatrix H nach (2) variieren im Falle der Zeitvarianz zwei Werte der Kanalübertragungsfunktion umso unabhängiger voneinander, je mehr sich deren Indices nF und n'F voneinander unterscheiden. Um bei partieller Datenspreizung nach (23) größtmögliche Frequenzdiversität zu erzielen, sollten deshalb gemäß Patentanspruch 2 die Komponenten eines jeden der Z abgebildeten partiellen Datenvektoren nach (23) an OFDM-Subträger mit möglichst großem gegenseitigem Frequenzabstand als komplexe Amplituden zugewiesen werden.
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- Patentanspruch 4 betrifft den Fall, daß zusätzlich auch alle partiellen Datenvektoren d (z) nach (21) die gleiche Dimension haben, für die sich dann N/Z ergibt.
- Der Patentanspruch 5 beschreibt die Möglichkeit, im Falle der Verfahrensausgestaltung nach den Patentansprüchen 3 und 4 einige oder alle der Z partiellen Abbildungsmatrizen S (z) nach (22) gleich zu wählen.
- Der Patentanspruch 6 betrifft Verfahrensausgestaltungen nach den Patentansprüchen 3 und 4 für den Fall N = NF, bei dem sich quadratische partielle Abbildungsmatrizen S (z) ergeben.
- Die Patentansprüche 7 und 8 beschreiben Möglichkeiten zur Wahl solcher quadratischer partieller Abbildungsmatrizen S (z).
- Patentanspruch 9 betrifft die PAPR-Reduktion durch passende Wahl der partiellen Abbildungsmatrizen S (z).
- Patentanspruch 10 betrifft das Durchführen der Datendetektion mit dem ML-Verfahren.
- Das Problem des Ermittelns der Elemente eines jeden der Z partiellen Datenvektoren d ( z ) nach (21), das heißt das Problem der Datendetektion, ist mathematisch äquivalent zum Problem der Mehrteilnehmerdetektion. Zum Lösen dieses Problems können die Verfahren der sukzessiven oder parallelen Interferenz-Beseitungung (engl. successive oder parallel interference cancellation) angewandt werden, die in der Arbeit We-Lin Kuan et al., "Joint-detection and interference cancellation based burst-by-burst adaptive CDMA schemes", Section III, IEEE Trans. an Vehicular Technology, vol. 5, 2002, dargelegt werden. Patentanspruch 11 betrifft diese Variante der Datendetektion.
- Gegenstand des Patentanspruchs 12 ist eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- R. van Nee and R. Prasad, ”OFDM for multimedia communications”, Artech House, 2000 [0001]
- J. G. Proakis, ”Digital Communications”, S. 719–738, McGraw-Hill Book Company, 1989 [0003]
- J. G. Proakis, S. 234–241 [0007]
- R. W. Bäumel, R. F. H. Fischer, and J. B. Huber, ”Reducing the peak-to-average power ratio of multicarrier modulation by selected mapping”, Electronics Letters, vol. 32, S. 2056–2057, 1996 [0009]
- R. W. Bäumel et al. [0010]
- Y. Wu, C. K. Ho and J. Y. Park, ”On some properties of Walsh-Hadamard transformed OFDM”, Proc. 56th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC-Fall 2002), Singapore 2002, S. 2096–2100 [0011]
- Y. Wu et al. [0012]
- J. G. Proakis, S. 554–584 [0013]
- We-Lin Kuan et al., ”Joint-detection and interference cancellation based burst-by-burst adaptive CDMA schemes”, Section III, IEEE Trans. an Vehicular Technology, vol. 5, 2002 [0025]
Claims (12)
- Verfahren zum Übertragen eines wertediskreten Datenvektors
d = (d 1...d n...d N)T (A1) - Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle partiellen Datenvektoren d (z) nach (A2) die gleiche Dimension N(z) = N/Z haben.
- Verfahren nach den Patentansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle der Z partiellen Abbildungsmatrizen S (z) nach (A4) einander gleich sind.
- Verfahren nach den obigen Patentansprüche 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimension N des Datenvektors d nach (A1) gleich der Anzahl NF der OFDM-Subträger ist.
- Verfahren nach Patentansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle der Z partiellen Abbildungsmatrizen S (z) nach (A4) nicht-diagonale unitäre Matrizen sind.
- Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Z partiellen Abbildungsmatrizen S (z) nach (A4) Walsh-Hadamard-Matrizen sind.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die partiellen Abbildungsmatrizen S(z) nach (A4) mit dem Ziel der PAPR-Reduktion ausgewählt werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die empfängerseitige Datendetektion nach dem Maximum-Likelihood-Verfahren erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Datendetektion das Verfahren der sukzessiven oder der parallelen Interferenz-Beseitigung (eng. interference cancellation) verwendet wird.
- Einrichtung zum Übertragen eines wertediskreten Datenvektors
d = (d 1...d n...d N)T (A8)
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