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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Geschwindigkeit eines Empfängers mittels eines Signals eines Senders, insbesondere eines Breitbandsignals, wobei das Signal eine Schätzinformation, insbesondere in Form eines Pilotträgers, aufweist.
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Navigation innerhalb von Gebäuden ist ein aktuelles Problem in der drahtlosen Kommunikationstechnologie. Das GPS (Global Positioning System) ist ein weitverbreitetes satellitenbasiertes System, welches zur Ortsbestimmung und Navigation eingesetzt wird. Da die GPS-Signal mit einer geringen Leistung ausgesandt und über große Entfernungen übermittelt werden, sind zu empfangende Daten relativ schwach. Zudem können in Häusern und Häuserschluchten die Signale an den Wänden, Dächern und weiteren Objekten interferieren, sodass die empfangenen GPS-Signale für eine Navigation innerhalb von Gebäuden ungeeignet ist.
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In den letzten zehn Jahren wurde verschiedene Möglichkeiten zum Lösen des Problems der Ermittlung der Geschwindigkeit und der Navigation vorgeschlagen.
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Beispielsweise kann die Position eines mobilen Gerätes mittels der Trägerfrequenzen eines Netzwerkes und anhand der Zellsenderstandorte abgeschätzt werden. Diese Technik wird als Zellsendertriangualtion bezeichnet. Problematisch dabei ist, das die Zellsender eine heterogene Hardware und eine ungleichmäßige Ortsverteilung aufweisen. Dies führt teilweise zu Ortsungenauigkeiten von mehr als 100 m.
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Eine weitere viel verwendete Technik ist die WiFi basierte Positionierung. Dieses System basiert darauf, dass empfangene Signale von einer Vielzahl von WLAN Zugangsknoten stammen, wobei die unterschiedlichsten Charakteristika, wie beispielsweise empfangene Signalstärke oder MAC-Adresse, aus diesen Signal bestimmt und mit einer Referenzdatenbank verglichen werden. Voraussetzung für diese Technologie ist, dass immer Signale von drei WLAN Zugangsknoten empfangen werden. Das Hauptproblem bei dieser Art der Ortsbestimmung ist die kostenintensive Pflege der Referenzdatenbank, insbesondre dann, wenn Zugangsknoten ausgetauscht oder dem Netz hinzugefügt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Geschwindigkeit eines Empfängers mittels eines Signals eines Senders, insbesondere eines Breitbandsignals, wobei das Signal eine Schätzinformation, insbesondere in Form eines Pilotträgers, aufweist und das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Bestimmen einer ersten Signatur zu einem ersten Zeitpunkt t1 und einer zweiten Signatur zu einem zweiten Zeitpunkt t2, wobei die beiden Signaturen jeweils eine Information wenigstens zweier Frequenzantwortwerte aufweist;
- – Bestimmen einer Zusammenhangsmaßzahl, insbesondere einer Kovarianz, aus der ersten Signatur und der zweiten Signatur;
- – Bestimmen einer Änderung der Zusammenhangsmaßzahl, wobei durch die Änderung der Zusammenhangsmaßzahl die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmbar ist,
wobei die Frequenzantwortwerte unterschiedlichen Symbolen und/oder Rahmen oder gleichen Symbolen und/oder Rahmen zugehörig sind.
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Dadurch kann eine alternative Methode zum Bestimmen einer Geschwindigkeit und somit des Ortes bereitgestellt werden.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Ein „Empfänger” umfasst sämtliche mobile Gerätschaften, welche in der Lage sind ein Signal zu empfangen. Insbesondere umfasst der Begriff Empfänger Mobiltelefone, Smartphones, PDAs, i-Pods, GPS-Empfänger, Laptops und Hardware mit kabellosen Netzwerkempfang.
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Ein „Signal” umfasst sämtliche elektromagnetischen Signale, die der Kommunikation oder der Informationsübertragung dienen. Insbesondere kann das Signal ein OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)-moduliertes Signal und/oder ein DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial)-Signal, DVB-T2-Signal (Nachfolger zu DVB-T), DVB-H(Digital Video Broadcasting-Handheld; auch DVB-M oder DVB-X benannt)-Signal, DAB(Digital Audio Broadcasting)-Signal, T-DMB(terrestrisches Digital Multimedia Broadcasting)-Signal, IEEE801.11a, g, n-Signal und/oder ein UMTS(Universal Mobil Telecommunications System)-Signal sein.
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Ein „Sender” umfasst technische Anlagen, welche Signale in Form von elektromagnetischen Wellen aussendet, wobei die Sender insbesondere Sender der obig genannten Signale sind.
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Eine „Schätzinformation” ist eine Information, welche das Signal aufweist und über die beispielsweise das Übertragungsverhalten aufgrund bekannter Zusammensetzung der Schätzinformation bestimmbar ist. Insbesondere umfassen Pilotträger eines OFDM-Signals solche Schätzinformationen. Schätzfunktionen können insbesondere für Datenträger eine Zeitschätzung oder eine Frequenzschätzung beschreiben.
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Eine „Signatur” kann mittels eines Vektors oder einer Matrix dargestellt werden. Die Signatur kann insbesondere zur Beschreibung eines Kanals dienen, wobei ein Kanal eine Beschreibung des Verhaltens des Sendeweges vom Sender zum Empfänger auf das Signal beschreibt.
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Die „Zeitpunkte” t1 und t2 können beispielsweise eine Uhrzeit aufweisen zu der das Bestimmen der Signatur abgeschlossen ist.
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Ein „Frequenzantwortwert” kann insbesondere als das Verhältnis von einem durch den Kanal (Übertragungsweg) geänderten Trägersignal, insbesondere eines Pilotträgers, zu einem bekannten Sendersignal beschrieben werden. Weiterhin kann die Frequenzantwort eine Beschreibung des Kanals für ein Trägersignal darstellen.
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Das Beschreiben der Signatur kann folgender Maßen erfolgen:
- – Bestimmen einer Frequenzantwort wenigstens zweier (Pilot)-Träger;
- – Bestimmen der Signatur anhand der Frequenzantwort;
- – Aufzeichnen des Zeitpunktes zu dem das Bestimmen der Signatur abgeschlossen ist.
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Eine „Zusammenhangsmaßzahl” kann ein Maß für den Zusammenhang der beiden Signaturen darstellen. Da sich ein Kanal bei ruhenden Objekten nur wenig ändert, bleibt die Zusammenhangsmaßzahl im wesentlichen konstant. Wird dann zum Bestimmen der Zusammenhangsmaßzahl die Kovarianz verwendet, so liegt der Wert der Kovarianz bei ruhenden Objekten nahe Eins. Da sich das Verhalten des Kanals nur wenig oder nur langsam ändert, indiziert eine Änderung der Zusammenhangsmaßzahl ein Bewegen des Empfängers.
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Eine Näherungsformel für eine normalisierte Kovarianzfunktion c einer Signatur S0 und S1 bei einer Verzögerung = 0 lautet:
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Wobei K eine bestimmte Länge der Signatur ist und S* das konjungiert komplexe der Signatur darstellt.
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Ein „Symbol” umfasst eine Anzahl einer Entität zugehörigen Informationen. Im OFDM kann ein Symbol insbesondere die Summe aller Träger und deren Zuständen umfassen. In einem digitalen Signal kann die Entität dabei die Spalten oder Zeilen einer Darstellung des digitalen Signals sein, wobei die Spalten insbesondere Frequenzband uns die Zeile als Symbol bezeichnet wird. Im vorliegenden Sinne kann ein Symbol auch ein Frequenzband umfassen.
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Ein „Rahmen” umfasst insbesondere eine Gruppe von Informationen, welche in einem digitalen Signal mit Header und Trailer versendet werden und insbesondere in Form einer Matrix dargestellt werden können. Beim Internetprotokoll (IPv4; IPv6) wird beispielsweise statt Rahmen der Begriff „Paket” für eine Versendeeinheit verwendet.
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In einer weiteren Ausprägungsform kann die erste Signatur und/oder die zweite Signatur eine Information weiterer Frequenzantwortwerte aufweisen. Dadurch kann sich die Genauigkeit der Bestimmten Geschwindigkeit erhöhen.
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Um die Genauigkeit des Geschwindigkeitsbestimmens zu erhöhen, können weitere Zusammenhangsmaßzahlen der ersten Signatur, der zweiten Signatur und/oder der weiteren Signaturen bestimmt werden, wobei jede der weiteren Signaturen zu je einem Zeitpunkt bestimmt werden.
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Dabei kann das Zusammenhangsmaß, wie auch bei dem obigen Verfahren, aus einer Signatur mit sich selbst erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform können die Zusammenhangsmaßzahlen zu unterschiedlichen Zeiten bestimmt werden. Somit können aus den Änderungen der Zusammenhangsmaßzahl einer Signatur oder mehrerer bestimmter Signaturen die Geschwindigkeit bestimmt werden.
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Um eine einfache Implementierung des Verfahren in ein mobiles Gerät zu gewährleisten, kann die Änderung der Zusammenhangsmaßzahlen über einen Schwellwert der Zusammenhangsmaßzahlen bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausprägungsform kann bei einem Erreichen des Schwellwertes aus den Zeitpunkten t1, t2 und/oder dem Zeitpunkt einer weiteren Signatur ein Zeitintervall bestimmt werden, wobei aus diesem Zeitintervall eine Geschwindigkeit bestimmbar ist. Dadurch kann ein alternatives Bestimmen der Geschwindigkeit bereitgestellt werden.
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Um Signaturen in annähernd gleicher Zeitdauer zu bestimmen, können die Signaturen eine festgelegte Länge und/oder Größe aufweisen. Dies kann dazu führen, dass ein Fehler bei dem Bestimmen der Geschwindigkeit annähernd konstant gehalten wird.
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In einer weiteren Ausprägungsform können die Signaturen periodisch oder aperiodisch ermittelt werden. Somit kann das Verfahren auf die Rechenleistung des mobilen Empfängers angepasst werden.
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Um eine Positionsbestimmung und somit eine Navigation zu ermöglichen, kann eine Richtung der Geschwindigkeit durch Ortsbestimmungsmittel bestimmt werden, sodas der vektoriellen Größe Geschwindigkeit zu dem Betrag der Geschwindigkeit die Richtung ermittelbar ist. Beispielsweise können die Ortsbestimmungsmittel als Kompass und/oder Beschleunigungssensoren ausgestaltet sein.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Empfangsvorrichtung, insbesondere ein elektronisches Handgerät, welches ein zuvor beschriebenes Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, durchführt. Empfangsvorrichtungen der hier beschriebenen Art umfassen sämtliche mobile Empfänger wie Navigationsgeräte und Mobilfunktelefone.
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In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung kann die Aufgabe gelöst werden durch eine Recheneinheit mit einem Speichermittel und einem Rechnungsmittel, welche eine Software aufweisen, welche eine der zuvor beschriebenen Verfahren, insbesondere ein Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 10, ausführt.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt welches eine Software aufweist, mit welcher ein zuvor beschriebenes Verfahren, insbesondere ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, auf einer Rechnungseinrichtung ausführbar ist.
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Im Weiteren werden Grundlagen zu der Erfindung erläutert und ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Dabei zeigt
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1 eine OFDM Signalübertragung in einem Blockschaltbild,
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2 eine QPSK- und eine 16-QAM-Modulation in eine Konstellationsdiagramm,
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3 ein OFDM-Rahmen mit Pilotträgern und Signalträgern in einer schematische Teildarstellung,
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4 Indexpositionen der Pilotträger in einer tabellarischen Darstellung,
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5 zu unterschiedlichen Zeiten ermittelte Signaturen in einer Zeitstrahldarstellung,
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6a bis d eine normalisierte Kovarianz in Abhängigkeit zu einer Verzögerungszeit zu unterschiedlichen Zeitpunkten für eine Geschwindigkeit von 1 m/s jeweils in einer graphischen Abbildung,
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7a bis d eine normalisierte Kovarianz in Abhängigkeit zu einer Verzögerungszeit zu unterschiedlichen Zeitpunkten für einen Geschwindigkeitsanstieg von 1 m/s bis zu 3 m/s jeweils in einer graphischen Abbildung,
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8 eine Geschwindigkeit in Abhängigkeit zu einer Zeit, wobei die konstante echte Geschwindigkeit von 1 m/s und die durch das Verfahren bestimmte Geschwindigkeit abgebildet ist,
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9 eine Geschwindigkeit in Abhängigkeit zu einer Zeit, wobei die konstante echte Geschwindigkeit von 3 m/s und die durch das Verfahren bestimmte Geschwindigkeit abgebildet ist und
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10 eine Geschwindigkeit in Abhängigkeit zu einer Zeit, wobei die ansteigende echte Geschwindigkeit und die durch das Verfahren bestimmte Geschwindigkeit abgebildet ist.
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Die Übertragung eines DVB-T-Signals ist in 1 schematisch dargestellt. Zum Übertragen eines Datenstroms 0, wird dieser Datenstrom 0 mit dem Kodierer 1 in vorgegebene Länge unterteilt und kodiert. Dabei werden Kompressionsalgorithmen zur Reduktion des Speicherumfanges des Datenstroms eingesetzt. Weiterhin werden Fehlerkorrekturen eingesetzt. Danach liegt ein kodierter binärer Datenstrom vor.
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Im nächsten Schritt setzt Mapper 2 den kodierten binären Datenstrom auf die Signalebene um. Dabei mapped der Mapper 2 die kodierten Daten in Konstellationspunkte wie beispielsweise QPSK (Quadraturphasenumtastung), 16-QAM (Quadraturamplitudenmodulation) oder dergleichen.
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Wie in 2 dargestellt ist kann beispielsweise die Gruppe der Bits „00” zum komplex modulierten Symbol „1 + j” gemapped werden. Die exakten Werte der Konstellationspunkte sind z ∊ {n + j m} mit Beispielswerten für m und n wie diese im Weiteren angegeben werden
QPSK
n ∊ {–1, 1}, m ∊ {–1, 1}
16-QAM
n ∊ {–3, –1, 1, 3}, m ∊ {–3, –1, 1, 3}
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Ein übertragenes DVB-T Signal ist in Rahmen mit 68 OFDM Symbolen aufgebaut, wobei jedes OFDM Symbol aus einem Satz von K = 6817 Träger (im 8K Modus) oder aus einem Satz von K = 1705 Träger (im 2K Modus) aufgebaut. Jeder Träger übermittelt ein komplexes Symbol, welches einem Konstellationspunkt eines speziellen Modulationsschemas für ein ausgewähltes OFDM Signal entspricht.
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Dabei übertragen nicht alle Träger eines OFDM Symbols Nutzdaten. Verschiedene Träger werden mit Referenzinformationen moduliert, welche eine Synchronisation, Kanalschätzung und Identifikationen für die Übertragungsparameter wie beispielsweise das Modulationsschema, die Koderaten und weitere ermöglichen. Diese Referenzinformationen werden Piloten genannt.
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Die verteilten Piloten werden entsprechend folgendem Muster in den Rahmen eingefügt: {k = Kmin + 3(l mod 4) + 12p|p integer, p ≥ 0, k ∊ [Kmin; Kmax]}
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Dabei ist L der Symbolindex, welcher Werte zwischen 0 und 67 annimmt und p ist eine Ganzzahl größer 0, vorausgesetzt, dass der Ergebniswert für k in dem Intervall [Kmin; Kmax] liegt.
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Eine diesbezügliche graphische Veranschaulichung ist in 3 dargestellt. Die schwarzen Punkte entsprechen den Pilotträgern, während die weißen Punkte den Nutzdaten entsprechen.
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Zusätzlich zu den verteilten Pilotträger weist der Rahmen auch kontinuierliche Pilotträger auf, welche Referenzinformationen zu jedem OFDM Symbol aufweisen. Im 2K Modus gibt es 45 kontinuierliche Pilotträger und im 8K Modus gibt es 177 kontinuierliche Pilotträger. In 4 sind die Indizes für die kontinuierlichen Pilotträger der 3 für den 2K Modus und dem 8K Modus angegeben.
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Im nächsten Schritt 3 (siehe 1) erfolgt das Erstellen eines Rahmens, bei dem Piloten 3a hinzugefügt werden.
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Anschließend erfolgt eine IFFT (Inverse Fast Fourier Transformation), welche auf jedes OFDM Symbol angewandt wird, sodass die gemappten Nutzdatensymbole und die Pilotsymbole im 8K Modus auf den 6816 und im 2K Modus auf 1704 orthogonalen Träger übermittelt werden.
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Im folgenden Schritt 5 wird ein Wächterintervall zu jedem OFDM Symbol hinzugefügt, indem Kopien der letzten Träger an den Anfang des OFDM Symbols hinzugefügt wird.
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Anschließend 6 (1) erfolgt Aufwärtskonvertierungsprozess, welcher eine reales Signal s(t) aussendet, welches mittig auf einer spezifischen Trägerfrequenz übermittelt wird.
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Vor dem Schritt 8 liegt ein Empfangssignal r(t) vor, welches sich aus einer Faltung des ausgesendeten Signals s(t) mit der Kanalübertragungsfunktion h(t) 7 (1) ergibt. Daraus folgt: r(t) = s(t) ⊗ h(t)
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Im Frequenzraum ergibt sich für das Signal R(w) = S(w) H(w), wobei H(w) die Frequenzantwort bildet.
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Aus dem Empfangssignal r(t) wird die Übermittlungsträgerfreuenz herausgefiltert 8 (1), sodass ein Grundbandsignal vorliegt.
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Im Folgeschritt 9 werden die Wächterintervalle ausgewertet und anschließend 10 durch eine FFT (Fast Fouriertransformation) transformiert, wobei die FFT auf jedes OFDM-Symbol angewandt wird.
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Durch ein Vergleichen eines Wertes eines empfangenen Pilotträgers mit dem bekannten Wert für diesen Pilotträger wird ein Frequenzantwortwert abgeschätzt 11 (1). Dies kann beispielsweise mit der Methode der kleinsten Quadrate, mit dem MMSE-Verfahren oder weiteren bekannten Kanalabschätzungsverfahren erfolgen.
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Um die Kanalantwort der der Datenträger abzuschätzen 11, werden Interpolationsverfahren eingesetzt, welche die abgeschätzten Frequenzantworten der Pilotträger verwenden.
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Dann erfolgt ein „Demapping” 12, welches als Umkehrung des Schrittes 2 verstanden werden kann, und ein Dekodieren im Schritt 13, sodass abschließend 14 die Nutzdaten vorliegen.
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Als Basis für die vorliegende Erfindung dient eine Zusammensetzung (Bestimmen) der (Kanal-)Signaturen aufgrund der Frequenzantwortwerte. Dabei ist ein Frequenzantwortwert ein Wert von H(w) eines bestimmten Pilotträgers.
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Je mehr Frequenzantwortwerte in einer Signatur verwendet werden, desto unempfindlicher ist die Signatur in Bezug auf Aliassing.
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Die Anzahl der Frequenzantwortwerte in einer Signatur kann dynamisch angepasst werden, um beispielsweise die Berechnungsdauer oder den Energieverbrauch zu reduzieren.
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Dabei müssen die Frequenzantwortwerte, welche zum Bestimmen der Signatur dienen, nicht zum gleichen OFDM Symbol zugehörig sein. Beispielsweise kann eine Signatur maus eine Frequenzantwortwert eines Trägers mit dem Index 100 des OFDM Symbols k und einem Frequenzantwortwert eines Trägers mit dem Index 200 des OFDM Symbols k + 1 stammen.
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Eine Änderung des Kanals wird durch das Berechnen einer Zusammenhangsmaßzahl durch das Verwenden einer Kovarianz ermittelt, welche auf die aktuellste Signatur S0 und einer zuvor ermittelten Signatur Sm-1 oder mehrerer zuvor verwendeter Signaturen S1-Sm-1 angewandt werden (siehe 5). Dabei kann die Anzahl der zuvor bestimmten Signaturen auf zuvor bestimmte Kovarianzen basieren.
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6 und 7 zeigen Beispiele für die ermittelten Kovarianzen zwischen der aktuellsten Signatur So und einer Anzahl zuvor ermittelter Signaturen, welche einer Zeitverzögerung von 80 ms entsprechen. Dabei wird die Kovarianz zu diskreten Zeiten über einer Periode von 3 Sekunden bestimmt, wobei die Geschwindigkeit der Bewegung des Empfängers konstant 1 m/s in 6 und bei 3 m/s bei 7 ist.
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In den 6 und 7 sind jeweils auf der Abszisse die Verzögerungszeit in ms und jeweils auf der Ordinate die Werte für die Kovarianz aufgetragen.
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Wie den 6 und 7 entnommen werden kann, liegt der Maximalwert der Kovarianz bei eine Zeitverzögerung von Null. Mit steigender Zeitverzögerung fällt der Wert der Kovarianz aufgrund der Geschwindigkeit des Empfängers. Somit entspricht diese Zeitverzögerung einer Änderung der Signatur und gibt somit ein Maß für die Kohärenzzeit des Kanals an.
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Wird die Kohärenzzeit als die Zeit definiert in der die Zeitkorrelationsfunktion oberhalb 0,5 liegt, ist die Kohärenzzeit näherungsweise Tc = 0 .423λ / ν, wobei λ die Wellenlänge der Trägerwelle des OFDM Signals und ν die Geschwindigkeit des Empfängers ist. Somit kann durch die Bestimmung der Kovarianz und einem Schwellwert von 0,5 die Geschwindigkeit bestimmt werden. Für andere Schwellwerte muss der Skalierungsfaktor entsprechend angepasst werden.
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In den 8, 9 und 10 sind jeweils auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und jeweils auf der Ordinate die Geschwindigkeiten in m/s aufgetragen. Die gestrichelten Kurven geben die abgeschätzten Geschwindigkeiten und die durchgezogenen Kurven die „echte” Geschwindigkeit des Empfängers wieder.
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Die Anwendung der hier vorgestellten Methode funktioniert auch bei sich ändernden Geschwindigkeiten des Empfängers (siehe 10).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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