DE102010023741B4

DE102010023741B4 - Verfahren zur Ermittlung von Basisparametern vorgegebener Sequenzen aus einem OFDM-Empfangssignal

Info

Publication number: DE102010023741B4
Application number: DE102010023741.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kuhn Christian
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: DE102010023741A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Basisparameters einer Sequenz eines vorgegebenen Sequenztyps aus einem OFDM-Signal mit folgenden Schritten:
– Empfangen des OFDM-Signals, Abtasten des OFDM-Signals zur Bildung einer Folge von Abtastwerten und Übergang in den Frequenzbereich,
– Ermitteln von ersten Einzelschätzwerten durch Auswerten eines Korrelationskennwertes, wobei der Korrelationskennwert wenigstens eine Nachbarträgerkorrelation von Messwerten umfasst,
– Ermitteln mindestens eines ersten Schätzwertes für den Basisparameter aus den ersten Einzelschätzwerten,
– Bildung einer Menge von Hypothesen für den Basisparameter, und
– Bildung von Entscheidungswerten für alle Hypothesen aus der Menge möglicher Hypothesen und dem mindestens einen ersten Schätzwert, und
– Auswerten des Entscheidungswertes zur Ermittlung des Basisparameters.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von unbekannten Basisparametern der in einem OFDM-Empfangssignal verwendeten Sequenzen. Insbesondere ermöglicht das dargestellte Verfahren die Ermittlung der Basisparameter von Zadoff-Chu-(ZC) und QPSK-Sequenzen aus einem realen Empfangssignal ohne a-priori-Kenntnisse der für die Sequenzerzeugung verwendeten Basisparameter. Basisparameter sind diejenigen Angaben, mit denen eine eindeutige Bestimmung der verwendeten Sequenz möglich ist.
Sequenzen (auch Pilotsequenzen) werden in in Sendern und Empfängern erzeugten Signalen in dem OFDM-Verfahren (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) als Pilotsignale verwendet. Diese Pilotsignale dienen beispielsweise als Grundlage für die Vermessung der Übertragungseigenschaften eines Funkkanals, indem die empfangenen Signale nach Amplitude und Phase ausgewertet werden. Für Endgeräte des Mobilfunksystems LTE (LTE: Long Term Evolution) werden als Pilotsequenzen Demodulationsreferenzsequenzen des Typs Zadoff-Chu oder QPSK-modulierte Sequenzen (QPSK: Quadrature Amplitude Shift Keying) definiert.
In der US 2009/0080550 A1 wird ein Gerät zur Erzeugung von Zadoff-Chu-Sequenzen zur Verwendung in einem OFDM-Kommunikationsgerät vorgeschlagen. Das Gerät erzeugt aus vorgegebenen Basisparametern (beispielsweise einer Basissequenznummer und einer zyklischen Verschiebung) einer Zadoff-Chu-Sequenz die zugehörige Sequenz. Das geschilderte Gerät ermöglicht die Bestimmung der Werte der Zadoff-Chu-Sequenz mit hoher Genauigkeit bei zugleich geringer dazu aufzuwendender Prozessorleistung. Die Sequenzerzeugung setzt allerdings bereits die Kenntnis der zur Erzeugung der Sequenz verwendeten Basisparameter voraus. Die Analyse eines unbekannten Empfangssignals, das unter Umständen einen Störanteil aufgrund des Einflusses eines realen Übertragungskanals aufweist oder die Analyse eines erzeugten Sendesignals zur Überprüfung der Standardkonformität der Erzeugung ist mit dem geschilderten Verfahren daher nicht möglich.
Die US 2010/0067591 A1 offenbart ein Verfahren zur Identifizierung von Referenzsymbolen in einer Verbindung zu einer Basisstation eines Mobilfunksystems. Eine Sequenz, die zur Erzeugung eines Referenzsymbols eingesetzt wird, kann in Abhängigkeit von dem verwendeten Übertragungsverfahren ausgewählt erzeugt werden. Das Referenzsignal kann über die Verbindung zur Basisstation übertragen werden. Die Basisstation ermittelt das für die Verbindung genutzte Übertragungsverfahren auf Grundlage von Parametern, die aus dem Referenzsignal ermittelt werden.
Die US 2010/0080112 A1 zeigt ein Verfahren zur Schätzung des Trägerfrequenzversatzes einer Basisstation eines Empfangssignals. Ausgewählte Symbole in Unterrahmen des Empfangssignals werden identifiziert und mittels geeignet berechneter Metriken wird eine Hypothese für den Trägerfrequenzversatz bestimmt und ausgewählt.
Dadurch entsteht durch die Verwendung von Pilotsequenzen in Funkübertragungsverfahren der Bedarf nach Analyse der eingesetzten Sequenzen ohne Vorkenntnis der Basisparameter, nach Überprüfung der standardkonformen Auslegung der verwendeten Sequenzen und der korrekten Erzeugung der Sequenzen nach vorgegebenen Basisparametern in Kommunikationsgeräten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein entsprechendes Computerprogramm-Produkt und ein Computerprogramm zu schaffen, das die Bestimmung der unbekannten Basisparameter einer Sequenz eines vorgegebenen Sequenztyps aus einem OFDM-Signal ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie das entsprechende Computerprogrammprodukt und Computerprogramm gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe zur Ermittlung eines Basisparameters durch Empfangen und anschließendes Abtasten eines OFDM-Signals mit der Bildung einer Folge von Abtastwerten des OFDM-Signals. Durch vorhergehende Analysestufen ohne inhaltliche Auswertung des Empfangssignals ist der verwendete Sequenztyp bereits bestimmt oder a priori bekannt. Ebenso ist der dem Empfangssignal zugrundeliegende Übertragungsstandard bekannt. Die Bestimmung eines Basisparameters der verwendeten Sequenz nach dem erfindungsgenmäßen Verfahren erfolgt nach Übergang in den Frequenzbereich. Zunächst wird durch Auswerten eines Korrelationskennwerts auf benachbarten Unterträgern eine Menge erster Einzelschätzwerte ermittelt. Dabei erfolgt die Ermittlung der Korrelationskennwerte mit den gemessenen Empfangswerten des Mobilfunksignals auf Basis mindestens einer einseitigen Nachbarträgerkorrelation. Anschließend wird aus den ersten Einzelschätzwerten ein erster Schätzwert für den Basisparameter ermittelt. Für den Basisparameter erfolgt im nächsten Schritt des Verfahrens eine Bestimmung einer Menge von Hypothesen für den Basisparameter unter Heranziehen der Kenntnisse des verwendeten Übertragungs-standards und der damit vorgegebenen Menge möglicher Werte für den Basisparameter. Anschließend wird aus den möglichen Hypothesen für den Basisparameter und dem ersten Schätzwert für den Basisparameter eine Menge von Entscheidungswerten gebildet. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den Entscheidungswerten der Basisparameter ermittelt.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der erste Korrelationskennwert aus einer rechtsseitigen und einer linksseitigen Nachbarträgerkorrelation gebildet wird. Der erste Schätzwert für den Basisparameter der verwendeten Sequenz kann durch eine gewichtete Mittelung der ersten Einzelschätzwerte gebildet werden. Dies bietet den Vorteil, dass Messewerte auf belegten Unterträgern stark in die Ermittlung des Basisparameters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Ermittlung von Basisparametern von Sequenzen des Sequenztyps Zadoff-Chu oder QPSK-Sequenzen (QPSK: Quadrature Amplitde Shift Keying, Quadratur-Phasenumtastung oder auch Vier-Phasenmodulation).
Weiterhin ist es vorteilhaft, zur Ermittlung eines weiteren Basisparameters im Falle einer Zadoff-Chu-Sequenz folgende weitere Verfahrensschritte auszuführen: Zunächst wird aus dem bereits ermittelten Basisparameter die Basissequenz erzeugt und anschließend ein weiterer Korrelationskennwert, der mittels der Basissequenz korrigiert ist, ermittelt. Anschließend erfolgt die Ermittlung von zweiten Einzelschätzwerten für den weiteren Basisparameter mit dem weiteren Korrelationskennwert. Ein Gesamtschätzwert für den weiteren Basisparameter wird dann aus den zweiten Einzelschätzwerten bestimmt. Anschließend kann aus dem Gesamtschätzwert für den weiteren Basisparameter der weitere Basisparameter ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich aus dem Basisparameter eine Basissequenznummer und eine Basissequenzgruppe ermitteln. Die Basissequenznummer und die Basissequenzgruppe können in einem weiteren Verfahrensschritt dazu herangezogen werden, eine Entscheidung über das vorliegende Übertragungsverfahren für das OFDM-Signal zu treffen. In einem bestimmten Übertragungsverfahren können die Basissequenznummer oder die Basissequenzgruppe entweder konstant sein oder aber mit der Zeit variieren. Man spricht dementsprechend von einem Gruppensprungverfahren oder Frequenzsprungverfahren (engl. „Group hopping” oder „Frequency Hopping”). Das in einem zu analysierenden Signal verwendete Verfahren bzw. Übertragungsmodus kann demzufolge über eine zeitliche Auswertung von Basissequenznummer und/oder Basissequenzgruppe erkannt werden.
Weiter kann für OFDM-Signale, die eine Rahmenstruktur im Zeitbereich aufweisen, wobei ein Rahmen aus mehreren Unterrahmen besteht und die einem Unterrahmen zugeordnete Unterrahmennummer mit der in diesem Unterrahmen eingesetzten Basissequenz verknüpft ist, aus den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Basisparametern die Unterrahmennummer bestimmt werden. Damit wir die zeitliche Synchronisation des OFDM-Signals auf Rahmenebene unterstützt.
In einer Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreiben die ersten Einzelschätzwerte eine Phasendifferenz. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Menge von Distanzkennwerten für alle möglichen Hypothesen für den ersten Basisparameter nach dem verwendeten Übertragungsstandard aus dem mindestens einen ersten Schätzwert für einen ersten Basisparameter des vorgegebenen Sequenztyps und den ersten Einzelschätzwerten ermittelt. Anschließend wird der Entscheidungswert auf Basis der Distanzkennwerte und der Hypothesen für den Basisparameter gebildet. Auf Basis dieses Entscheidungswertes wird dann der Basisparameter bestimmt. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere für die Verwendung bei erkannten Sequenzen des Sequenztyps QPSK-Sequenz vorteilhaft.
In einer besonders bevorzugten Ausformung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Ermittlung der Distanzkennwerte ein Korrekturparameter in Form einer temporären Verschiebung herangezogen, der Unstetigkeitsstellen in der Bildung der Distanzkennwerte ausgelöst durch eine modulo-Bildung geeignet berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren in den vorgestellten Ausführungsformen eignet sich insbesondere auch zur Realisierung in Form eines Computerprogramms mit Programmcode-Mitteln zur Ausführung auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor. Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 den Aufbau eines Zeitschlitzes für ein OFDM-Empfangssignal im Mobilfunkstandard LTE,
2 ein Blockschaltbild für eine Messanwendung zur Analyse eines Empfangssignals unter Berücksichtigung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Basisparameters einer ZC-Sequenz aus einem Empfangssignal,
4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines weiteren Basisparameters einer ZC-Sequenz aus einem Empfangssignal,
5 eine Ausgabe der Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein simuliertes Empfangssignal mit Demodulationsreferenzsymbolen, die ZC-Sequenzen enthalten, und
6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines Basisparameters einer QPSK-Sequenz aus einem Empfangssignal.
Die 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Zeitschlitzes 1 in einer Verbindung einer mobilen Teilnehmerendeinrichtung zur Basisstation für ein Mobilfunksignal. Das betrachtete Mobilfunksignal weist eine Rahmenstruktur im Zeitbereich auf, ein Senderahmen umfasst eine Reihe von Unterrahmen, ein Unterrahmen besteht wiederum aus einer Reihe von Zeitschlitzen. Die Zeichnung zeigt das Verfahren der Zuordnung von Unterträgern in einem Zeitschlitz 1 bestehend aus hier sieben aufeinanderfolgenden Symbolen 6 des Mobilfunksignals 1. Dabei sind in horizontaler Richtung sieben zugehörige OFDM-Symbole 6 eines Zeitschlitzes 1 dargestellt. In vertikaler Richtung sind die Unterträger 5 aufgetragen. Aus einer Vielzahl von möglichen Unterträgern 5 werden dem jeweiligen Zeitschlitz 1 ein oder mehrere Blöcke von Unterträgern (Ressource Blocks, RB) 3 zugewiesen. Die Anzahl der zugewiesenen Unterträgerblöcke 3 ist über einen Unterrahmen konstant. Ein Block von Unterträgern 3 umfasst stets zwölf benachbarte Unterträger 7 aus der Gesamtzahl zu Verfügung stehender Unterträger 5. Auf jedem dieser Unterträger 2 wird eine Folge von sieben Symbolen 6 innerhalb eines Zeitschlitzes 1 übertragen, wenn ein Unterrahmen mit einem Schutzintervall (Cyclic Prefix, CP) normaler Länge vorliegt. Das vorliegende Verfahren befasst sich mit der Auswertung eines OFDM-Symbols 6, dessen zeitliche Lage innerhalb eines Zeitschlitzes 1 bekannt ist. Zusätzlich ist bekannt, dass dieses Symbol, beispielsweise ein Demodulationsreferenzsymbol (abgekürzt DMRS), entweder eine Sequenz des Sequenztyps Zadoff-Chu oder QPSK-Sequenz enthält. Die Bestimmung der Basisparameter dieser ZC- oder QPSK-Signale ohne weitere Kenntnisse aus dem Empfangssignal eines bekannten Übertragungsstandards ist die zu lösende Aufgabe des vorgestellten Verfahrens.
Zunächst werden typische Sequenzen zur Verwendung in OFDM-DMRS-Signalen in der zum Verständnis notwendigen Tiefe vorgestellt.
Die Zadoff-Chu-Sequenz (abgekürzt ZC-Sequenz) als ein erster Sequenztyp gehört zur Klasse der CAZAC-Sequenzen (Constant Amplitude Zero AutoCorrelation) mit der für OFDM-Signale bekannten Eigenschaft der Orthogonalität aller aus einer Basissequenz durch zyklische Vertauschung ermittelter Sequenzen zueinander. Die ZC-Basissequenz nach dem gegenwärtigen LTE-Mobilfunkstandard ist durch die Beziehung
mit dem Index n und ≤ n < N_ZC, der ZC-Sequenz S (ZC) / n, der Länge N_ZC der ZC-Sequenz und der gewünschten Sequenzlänge N und dem ZC-Exponentenparamter q. Im Folgenden wird q auch als erster Basisparameter der ZC-Sequenz bezeichnet. Mit (1) ist damit die q-te Wurzel der ZC-Sequenz gegeben. Die Länge N_ZC ist die zu der gewünschten Länge N nächste kleinere Primzahl. Aus zyklischer Erweiterung resultiert die erweiterte Basissequenz
mit 0 ≤ n < N und S (R) / n für die erweiterte Basissequenz. Die in einem Demodulationsreferenzsymbol DMRS zu übertragene Demodulationsreferenzsequenz S (D) / n wird durch Multiplikation von S (R) / n mit einer Phasenfunktion erhalten S (D) / n = e^–jαnS (R) / n (3) wobei die Phasenfunktion e^–jαn einen ZC-Phasenparameter α enthält. α wird im Folgenden als weiterer oder zweiter Basisparameter der ZC-Sequenz bezeichnet. Die Parameter ν als Basissequenznummer, u als Basissequenzgruppe und n_ZC als zyklischer Vertauschungswert der ZC-Sequenz sind über die folgenden Terme (4), (5) und (6) gegeben
Der zulässige Wertebereich für die einzelnen Basisparameter ist dabei jeweils für einen eingesetzten Übertragungsstandard vorgegeben. Für den Fall eines Signals im Standard LTE (Technische Spezifikation 3GPP TS 36.211 V8.7.0, Ausgabe 8, Mai 2009) sind folgende Wertebereiche für die Basissequenzparameter vorgegeben u ∈ U = {0, 1, 2, 3, 4, ..., 29} (7) ν ∈ V = {0, 1} (8) n_cs ∈ S = {0, 1, 2, 11} (9)
Ziel des vorgestellten Verfahrens ist es die Basisparameter ν als Basissequenznummer, u als Basissequenzgruppe und n_ZC als zyklischer Vertauschungswert der ZC-Sequenz aus einem gestörten Empfangssignal robust zu ermitteln und so die eingesetzte Sequenz eindeutig zu bestimmen.
Eine weitere Form möglicher Basissequenzen nach dem genannten LTE-Mobilfunkstandard sind QPSK-modulierte Demodulationsreferenzsequenzen. Diese Sequenzen werden nach folgender Formel bestimmt
mit dem Index 0 ≤ n < N, dem QPSK-Wert S (QPSK) / n und dem QPSK-Exponentenparameter φ (u) / n mit dem Wertebereich φ (u) / n ∈ {–3, –1, +1, +3} und den Längen N = 12 und N = 24. Die QPSK-Basissequenzgruppe u kann nach dem genannten Standard einen von 30 verschiedenen Werten aus u ∈ U mit U = {0, 1, 2, ..., 29} (11) einnehmen. Wurden in einem Empfangssignal Empfangswerte dieses zweiten Sequenztyps erkannt oder ist deren Verwendung bekannt, so kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch der Basisparameter u aus diesen Empfangswerten, also die verwendeten QPSK-Basissequenzgruppe u ermittelt werden. Im Folgenden wird u auch als Basisparameter der Sequenz des Sequenztyps QPSK bezeichnet.
Anhand von 2 werden nun die notwendigen Schritte zur Verarbeitung des OFDM-Empfangssignals in einer Messanwendung 8 kurz erläutert. In einem ersten Verarbeitungsmodul 10 wird das OFDM-Empfangssignal 9 empfangen und abgetastet, so dass eine Sequenz von Abtastwerten 11 vorliegt. Anschließend wird das Signal in einem nächsten Analysemodul 12 inhaltsunabhängig analysiert. In diesem Schritt wird die Folge von Abtastwerten zeitlich synchronisiert und Frequenzfehler werden kompensiert. Dabei wird im Rahmen der Synchronisation des Signals eine Suche nach Demodulationsreferenzsymbolen durchgeführt. Die erkannten Demodulationsreferenzsymbole ermöglichen eine zeitliche Synchronisation des Empfangssignals 9, da die Lage der Demodulationsreferenzsymbole in der Rahmenstruktur des Empfangssignals standardabhängig und damit bekannt ist. Eine inhaltliche Auswertung der Demodulationsreferenzsymbole ist in diesem Schritt nicht notwendig. Für die Auswertung des Empfangssignals nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt damit nun eine frequenzkompensierte und zeitlich synchronisierte Folge von Abtastwerten 13 vor, die für bekannte Indexwerte der Folge von Abtastwerten DMRS-Symbole mit einem bekannten Sequenztyp aufweist. Der Inhalt der Sequenz des bekannten Sequenztyps ist noch nicht bekannt und wird im folgenden Sequenzanalysemodul 16 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt. Hierzu erhält das Sequenzanalysemodul 16, die synchronisierte und frequenzkompensierte Folge der Abtastwerte 15, die Lage der erkannten Demodulationsreferenzsymbole in der Sequenz von Abtastwerten 18, die im Rahmen einer Leistungsmessung bestimmte Primzahl N_ZC 19, die im Rahmen einer Leistungsmessung in dem vorhergehenden Analysemodul 12 zur inhaltsunabhängigen Auswertung ermittelt wurde und die Vorgaben hinsichtlich der Sequenztyps 20 der verwendeten Sequenz und der für den Sequenztyp nach dem Funkstandard zulässigen Basisparameter 21. Das Sequenzanalysemodul 16 ermittelt aus diesen Signalen die verwendeten Basisparameter 22 der tatsächlich in dem empfangenen OFDM-Signal 9 verwendeten Basissequenz.
Im Folgenden wird die Bestimmung von Basisparametern für einen ersten Sequenztyp der Zadoff-Chu-Sequenz gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von 3 erläutert.
Das vorliegende, zu untersuchende Empfangssignal wird ohne Einschränkung der allgemeinen Gültigkeit über ein OFDM-Übertragungssystem übertragen. Dabei werden die Unterträger mit dem Unterträgerindex k ab einem systemseitig vorgegebenen Startunterträger k₀ in einem OFDM-Symbol mit dem Symbolwert Ski mit dem OFDM-Symbolindex l mit der Demodulations-referenzsequenz
belegt:
Wird die Demodulationsreferenzsequenz über einen frequenzselektiven Kanal übertagen, so erhält man die Empfangswerte
mit dem Empfangswert R_k,l, dem Kanalkoeffizienten H_k, der Phasenfunktion φ_k,l und einem Rauschwert N_k,l. Der zugrundeliegende Rauschprozess wird als mittelwertfrei und unkorreliert angenommen. Die Phasenfunktion
modelliert dabei die unterschiedlichen Störeinflüsse auf das Empfangssignal. Diese in Zusammenhang (14) berücksichtigten Störeinflüsse umfassen dabei einen fraktionalen Trägerfrequenzversatz Δf, einen Abtastratenversatz ζ und einen Gleichphasenfehler φ_l. Das Transformationsfenster der schnellen Fouriertransformation (im Folgenden abgekürzt FFT für Fast Fourier Transformation) der Länge N_FFT beginnt mit einem Versatz des FFT-Transformationsfensters von Δ_T an einem Startindex Δ_l innerhalb des Schutzintervalls (abgekürzt CP für Cyclic Prefix). Diese zeitlichen Störeinflüsse können infolge der vorhergehenden Synchronisation als bekannt angenommen werden.
Zur Schätzung der Basisparameter wird in einem ersten Schritt S01 für die Unterträger k ein Korrelationskennwert in Form einer beidseitigen Nachbarträgerkorrelation ρ_k (15) ermittelt, ρ_k = ρ (L) / kρ (R) / k (15)
Die Ermittlung erfolgt aus einem Produkt aus der linksseitigen Nachbarträgerkorrelation ρ (L) / k
und der rechtsseitigen Nachbarträgerkorrelation ρ (R) / k ρ (R) / k = R_k,lR * / k+1,l (17)
Dabei ist R_k,l der Empfangswert für das OFDM-Symbol mit dem Symbolindex l und dem Unterträger mit dem Unterträgerindex k. R * / k+1,l ist der entsprechend konjugiert komplexe Empfangswert für den Unterträgerindex k + 1 und den Symbolindex l. In einem nächsten Schritt S02 werden die ersten Einzelschätzwerte q ^ (S) / k
mit der Primzahl N_ZC als der der Sequenzlänge N der ZC-Sequenz nächstkleineren Primzahl ermittelt. Gegebenenfalls müssen diese Einzelschätzungen auf den gültigen Wertebereich 0 ≤ q ^ (S) / k < N_ZC (19) mittels Addition oder Subtraktion von N_ZC abgebildet werden. Durch dieses Vorgehen wird die Mehrdeutigkeit der Phasenfunktion e^–jαn aus (3) aufgelöst und verhindert, dass negative Phasenwerte den im nächsten Schritt S03 zu ermittelnden ersten Schätzwert für den ersten ZC-Basisparameter verfälschen. Die in (18) bzw. (19) verwendete Leistungsmessung ist im Empfänger aus einer Leistungsmessung bekannt und wird der Basisparameterermittlung zugeführt. Im folgenden Schritt wird nun über eine gewichtete Mittelung aus den ersten Einzelschätzungen ein erster Schätzwert q ^(S) für den ersten ZC-Basisparamater nach Zusammenhang (20) ermittelt:
In (20) wird im Zähler über alle k das Produkt aus den ersten Einzelschätzwerten q ^ (S) / k und dem Betrag des Korrelationsmaßes summiert und im Nenner die Summe der Beträge der Korrelations-kennwerte über alle k gebildet. Die dargestellte gewichtete Mittelung kann über alle vorhandenen und möglichen k Unterträger durchgeführt werden. Im Fall unbelegter Unterträger führt die Gewichtung mit dem Betrag des Korrelationsmaßes zu einem nur geringen Korrelationsbeitrag zu dem ersten Schätzwert für den ersten Basisparameter. Wird hingegen nur über die tatsächlich belegten Unterträger summiert, kann eine Verbesserung des ersten Schätzwertes in erreicht werden.
In einem nächsten Schritt S04 wird die Menge Q aller Hypothesen q_i für den ersten Basisparameter der ZC-Sequenz über die Zusammenhänge (4) und (5) ermittelt. Aus dem, über den für das Signal verwendeten Übertragungsstandard beschränkten Wertevorrat für Basissequenznummer ν und Basissequenzgruppe u ist die Anzahl der Hypothesen q_i ebenfalls eingeschränkt. Anschließend wird in Schritt S05 ein Entscheidungswert |q ^^(S) – q_i| für alle möglichen Hypothesen für den ersten Basisparameter q_i gebildet und entsprechend Formel (21) in Schritt S06 ausgewertet:
Der so in Schritt S06 ermittelte Basisparameter erfüllt nach (21) die Bedingung, von dem messtechnisch ermittelten ersten Schätzwert für den Basisparameter die betragsmäßig geringste Abweichung aufzuweisen. Mittels eindeutiger Abbildung können aus q ^ anschließend in Schritt S06 entsprechend den Formeln (4) und (5) die Schätzwerte u ^ und v ^ für Basissequenznummer ν und Basissequenzgruppe u errechnet werden.
Im Folgenden wird anhand einer Erwartungswertbetrachtung für den Korrelationskennwert ρ_k gezeigt, dass der Zusammenhang (18) zur Ermittlung der Einzelschätzungen q ^ (S) / k robust gegen Störungen des Empfangssignals ist. E{ρ_k} = E{ρ (L) / kρ (R) / k} = E{R_k,lR * / k-1,lR_k,lR * / k+1,l} = = H 2 / kH * / k-1H * / k+1E{S 2 / k,lS * / k-1,lS * / k+1,l} (22)
Dabei ist E{ρ_k} der Erwartungswert des Korrelationskennwerts ρ_k, ρ (L) / k die linksseitige Nachbarträgerkorrelation, ρ (R) / k die rechtsseitige Nachbarträgerkorrelation, R_k,l der Empfangswert für den Symbolindex l und den Unterträgerindex k. Das Kanalmodell für den Übertragungskanal für das Empfangssignal ohne Berücksichtigung eines ganzzahligen Frequenzversatzes lautet
mit dem Kanalkoeffizienten H_k für den Unterträger mit dem Unterträgerindex k und der Phasenfunktion φ_k,l des Kanalmodells. Wird vorausgesetzt, dass sich der Übertragungskanal auf benachbarten Unterträgern k nur wenig ändert, so gilt mit der Amplitudenveränderung ΔA_k und der Phasenveränderung Δφ_k für den Unterträger k
Der Erwartungswert für den Korrelationskennwert E{ρ_k) lässt sich daher nach (22) und (23) auch mit
beschreiben. Werden nun ausschließlich Unterträger ausgewertet, die mit der ZC-Sequenz S (D) / n nach (1) belegt worden sind, erhält man
für den Erwartungswert des Produkts der übertragenen OFDM-Symbole. Man erkennt, dass in (26) lediglich eine Abhängigkeit vom ersten Basisparameter q der ZC-Sequenz besteht. Sämtliche Phasenstörungen werden durch die Mehrfachkorrelation im Mittel eliminiert. Der Einfluss von Amplituden- und Phasenschwankungen auf benachbarten Unterträgern kann als gering angenommen werden und wird zudem über die in (20) vorgenommene Mittelung über den Unterträgerindex reduziert.
Die Ermittlung eines zweiten Basisparameters α und damit auch dem zyklischen Vertauschungswert n_cs für den Fall einer Sequenz des ersten Sequenztyps Zadoff-Chu wird nun anhand 4 dargestellt.
Zunächst wird anhand des in 3 dargelegten Verfahrens ein Schätzwert q ^ für den ersten Basisparameter q ermittelt. Aus diesem Schätzwert kann in Schritt S08 die Basissequenz S (R) / n gemäß Formel (1) und (2) erzeugt werden. Mit dieser Basissequenz S (R) / n wird wird in einem nächsten Schritt S09 ein mit der Basissequenz korrigierter Korrelationskennwert
aus den Empfangswerten R_n und R_n+1 entsprechend dem Zusammenhang (1) ermittelt. Es werden im Folgenden nur die mit der ZC-Sequenz belegten Unterträger für die Berechnung verwendet. Im nächsten Schritt S10 werden nun zweite Einzelschätzwerte
für den zweiten Basisparameter n_cs aus dem korrigierten Korrelationskennwert ξ_n ermittelt. In (27) steht Δ_T für den zeitlichen Versatz des FFT-Fensters der Länge N_FFT. Die ermittelten Werte müssen dabei innerhalb des zulässigen Wertebereichs 0 ≤ n ^ (S) / CS,n < 12 (29) gemäß dem verwendeten Übertragungsstandard, hier der Standard LTE, liegen. Gegebenenfalls wird die Einhaltung der Bedingung (28) über eine Subtraktion oder eine Addition mit 12 erreicht. In Schritt S11 wird dann der Gesamtschätzwert n ^ (S) / CS für den zweiten Basisparameter n_cs durch eine gewichtete Mittelung aus den jeweiligen Einzelschätzwerten ermittelt:
Dabei steht in (29) n ^ (S) / CS,n für die Einzelschätzwerte und ξ_n für den korrigierten Korrelationskennwert. Über die Beziehung (30) wird anschließend n ^_cs = round(n ^ (s) / cs)mod12 (31) in Schritt S12 ein Schätzwert n ^_cs für den zweiten Basisparameter beziehungswiese den zyklischen Vertauschungswert n_cs über eine Rundungsoperation mit anschließender modulo-Bildung ermittelt. Dieser Schritt berücksichtigt, dass nach (9) im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Mobilfunkstandards LTE nur Werte zwischen 0 und 11 für den zweiten Basisparameter n_cs zulässig sind.
Wird für den basissequenzbefreiten und damit korrigierten Korrelationskennwert entsprechend Zusammenhang (27) der Erwartungswert E{ξ_n} betrachtet, so erhält man mit (23), (24) für den Erwartungswert
Aus (32) lässt sich entnehmen, dass die Schätzung nach (28) für die zweiten Einzelschätzwerte n ^ (S) / CS,n für kleine Veränderungen der Kanalübertagungsfunktion H_n auf benachbarten Unterträgern k bzw. k + 1 robust ist. Dies gilt ebenso für geringe in der Realität auftretende Werte für den Abtastratenversatz ς. Aus (32) kann ebenfalls entnommen werden, dass eine Korrektur nach Formel (31) für die Einzelschätzungen mittels Δ_T notwendig ist.
5 enthält in einer Tabelle das Ergebnis für eine Implementierung des vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wurden für ein reales Übertragungszenario für eine Bandbreite von 5 MHz die Schätzwerte für die ZC-Parameter bestimmt. Das erzeugte Sendesignal wurde über einen Kanal mit Tiefpasscharakteristik übertragen. Der eingestellte Trägerfrequenzversatz betrug 17 kHz und der Abtastratenversatz 10 ppm. Das Signal-zu-Rauschverhältnis am Empfängereingang wurde mit 30 dB angenommen. Das Ergebnis der Ermittlung der ZC-Parameter ist in 5 dargestellt. Dabei enthält Spalte 23 den Zeitindex i für die jeweilige Position im Pufferspeicher der Messapplikation, Spalte 24 den, dem in Spalte 8 genannten Zeitindex i zugeordneten ermittelten ersten Schätzwert für den ersten ZC-Basisparameter q, Spalte 25 die ermittelte Basissequenzgruppe u, Spalte 26 die ermittelte Basissequenznummer ν, Spalte 27 die ermittelte zyklische Verschiebung N_CS bzw. Länge des Schutzintervalls und Spalte 28 mit N_ZC die ermittelte Länge der ZC-Sequenz.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Anschluss an die Ermittlung der Basissequenznummer ν und der Basissequenzgruppe u in einem weiteren Schritt eine Aussage über einen im Empfangssignal vorliegenden Übertragungsmodus getroffen werden. Für das Beispiel des LTE-Funkübertragungsverfahrens können über eine Variation mit dem OFDM-Symbolindex i für die Basissequenznummer ν und/oder der Basissequenzgruppe u bestimmte zusätzliche Übertragungsmodi eingestellt werden. Im Fall einer Variation der Basissequenzgruppe u spricht man von einem Gruppenfrequenzsprungverfahren (engl. group hopping), im Falle einer Variation der Basissequenznummer ν von einem Sequenzsprungverfahren (engl. sequence hopping). Werden nun die ermittelten Schätzwerte u ^ und ν ^ für die Werte für Basissequenznummer ν und Basissequenzgruppe u auf ihre Veränderung mit dem Symbolindex i des Empfangssignals untersucht, so lässt sich aus dem Ergebnis eine Aussage über den verwendeten Übertragungsmodus treffen. Im Fall des in 5 dargestellten Übertragungssystems wurde aufgrund der Veränderung des Schätzwertes u ^ für die Basissequenzgruppe u in Spalte 25 die Betriebsart Gruppenfrequenzsprungverfahren 29 erkannt und mit dem Wert „1” ausgegeben. Ebenso wurde infolge des konstanten Schätzwerts ν ^ für die Basissequenznummer ν in Spalte 26 der Betriebsmodus Sequenzsprungverfahren 30 korrekt als nicht vorliegend erkannt und mit dem Wert „0” ausgegeben.
In einem folgenden zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand eines mit QPSK-Sequenzen modulierten Empfangssignals des Mobilfunkstandards LTE die Ermittlung des Basisparameters u der QPSK-Sequenz näher ausgeführt. Die grundlegenden Eigenschaften der Sequenz und des Basissequenzgruppe u wurden vorstehend anhand Formeln (10) und (11) bereits erläutert. Die einzelnen Schritte des Verfahrens im zweiten Ausführungsbeispiel sind in 6 in einem Flussdiagramm dargestellt.
Das Empfangssignal wird zunächst empfangen, abgetastet und in eine Folge von Abtastwerten überführt. Anschließend erfolgt der Übergang in den Frequenzbereich. Wurden in den, dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgelagerten Analyseschritten Empfangswerte einer QPSK-Sequenz in der Folge von Abtastwerten des Empfangssignals erkannt oder ist deren Existenz a priori bekannt, so kann auch der Basisparameter u mittels des Korrelationskennwerts nach (15) aus einer linksseitigen und einer rechtsseitigen Nachbarträgerkorrelation ermittelt werden. Die Bildung dieses Korrelationskennwerts erfolgt in Schritt S13 in 6. Anschließend werden in Schritt S14 aus den Werten des Korrelationskennwerts ρ_n Schätzwerte τ ^ (S) / n für einen ersten Basisparamater in Form einer Phasendifferenz τ (u) / n nach τ ^ (S) / n = ( 4 / πarg{ρ_n})mod8 (33) ermittelt. In (33) wird für die Auswertung des Korrelationskennwerts ρ_n lediglich der Bereich der tatsächlich belegten Unterträger herangezogen. Für die im vorliegenden Ausführungsbeispiel anzuwendenden Vorgaben des Funkstandards LTE ergibt sich für die definierten Basissequenzen φ (u) / n ∈ {–3, –1, +1, +3} mit 0 ≤ n < N eine eindeutige Zuordnung zu den Phasendifferenzen τ (u) / n ∈ {0, 2, 4, 6} (34) mit 1 ≤ n < N – 1. Zur Entscheidung des Selektionsindex u und damit der verwendeten QPSK-Basissequenz bildet man im folgenden Schritt S15 eine Menge von Distanzkennwerten Δ (u) / n für alle möglichen Hypothesen für den ersten Basisparameter u Δ (u) / n = |(τ (u) / n – τ ^ (S) / n + δ)mod8 – δ| (35) unter Verwendung einer temporären Verschiebung δ zur Berücksichtigung der Unstetigkeit bei 0 bzw. 8 verursacht durch die modulo-Bildung in (33). Für den Zahlenbereich zwischen 0 und 8 wird die temporäre Verschiebung δ günstig zu 4 gewählt. In Schritt S16 wird nun ein Entscheidungswert gebildet und anschließend in Schritt S17 ausgewertet: u ^ = argmin_uΣ N-1 / n=2Δ (u) / n (36)
Damit liegt nach Schritt S17 ein Schätzwert u ^ für den ersten ersten Basisparameter u einer Sequenz vom Sequenztyp QPSK vor. Auch in diesem Fall kann eine Gewichtung vor der Minimumbildung erfolgen. Wird eine solche Gewichtung ausgeführt, so werden verlässlichere Distanzmessungen Δ (u) / n höher gewichtet.
Auch für die Phasendifferenzen τ ^ (S) / n nach (32) ist anhand einer Betrachtung des Erwartungswerts E{S 2 / k,lS * / k-1,lS * / k+1,l} die Korrelation nach (15) geprüft worden. Für den Erwartungswert des Produktes der übertragenen Symbole bei Betachtung benachbarter Unterträger k – 1, k, k + 1, die mit Folgewerten der QPSK-Sequenz nach Formel (10) belegt sind, erhält man:
Den resultierenden Exponenten in (36) kann man auf dem eindeutigen Zahlenbereich mit τ (u) / n = (2φ (u) / n – φ (u) / n-1 – φ (u) / n+1)mod8 (38) mit 0 ≤ n < N – 1 angeben. Aus (36) kann mittels einer Leistungsmessung und Anwendung des Zusammenhangs (33) ein erster Schätzwert für einen ersten Basisparameter nach der QPSK-Sequenz ermittelt werden.
Das anhand zweier Ausführungsbeispiele anhand eines Empfangssignals nach dem Standard LTE dargestellte Verfahren eignet sich zur empfängerseitigen Schätzung von Basisparametern verwendeter Pilotsequenzen bei realen und mit Störungen behafteten Signalen. Insbesondere lassen sich damit auch Konformität der Signalerzeugung und Erzeugung der Basissequenzen mit dem anzuwendenden Standard überprüfen. Zusätzlich können die ermittelten Parameter im Rahmen einer weitergehenden Signalanalyse Verwendung finden. Beispielsweise kann mit Hilfe der ermittelten Basisparameter eine Autodemodulation realisiert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können alle beschrieben Merkmale der vorgestellten Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Das dargestellte Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Realisierung in Form eines ausführbaren Programms zur Anwendung auf Computern oder Signalprozessoren.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Basisparameters einer Sequenz eines vorgegebenen Sequenztyps aus einem OFDM-Signal mit folgenden Schritten: – Empfangen des OFDM-Signals, Abtasten des OFDM-Signals zur Bildung einer Folge von Abtastwerten und Übergang in den Frequenzbereich, – Ermitteln von ersten Einzelschätzwerten durch Auswerten eines Korrelationskennwertes, wobei der Korrelationskennwert wenigstens eine Nachbarträgerkorrelation von Messwerten umfasst, – Ermitteln mindestens eines ersten Schätzwertes für den Basisparameter aus den ersten Einzelschätzwerten, – Bildung einer Menge von Hypothesen für den Basisparameter, und – Bildung von Entscheidungswerten für alle Hypothesen aus der Menge möglicher Hypothesen und dem mindestens einen ersten Schätzwert, und – Auswerten des Entscheidungswertes zur Ermittlung des Basisparameters.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrelationskennwert aus einer rechtsseitigen und einer linksseitigen Nachbarträgerkorrelation gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schätzwert für den Basisparameter durch eine gewichtete Mittelung der ersten Einzelschätzwerte ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sequenztyp eine Zadoff-Chu-Sequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Basisparameter für die verwendete Sequenz von Abtastwerten ermittelt wird, wobei folgende weitere Verfahrensschritte ausgeführt werden: – Erzeugen der Basissequenz aus dem ermittelten Basisparameter, und – Ermitteln eines mit der Basissequenz korrigierten weiteren Korrelationskennwertes, und – Ermitteln von zweiten Einzelschätzwerten für den weiteren Basisparameter mit dem weiteren Korrelationskennwert, und – Berechnen eines Gesamtschätzwertes für den weiteren Basisparameter aus den zweiten Einzelschätzwerten für den weiteren Basisparameter, und – Bestimmen des weiteren Basisparameters aus dem Gesamtschätzwert für den weiteren Basisparameter.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Basisparameter eine Basissequenznummer und eine Basissequenzgruppe ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt aus der Basissequenznummer und/oder der Basissequenzgruppe eine Entscheidung über das für das OFDM-Signal vorliegende Übertragungsverfahren getroffen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das OFDM-Signal eine Rahmenstruktur im Zeitbereich aufweist und ein Rahmen aus mehreren Unterrahmen besteht, und die einem Unterrahmen zugeordnete Unterrahmennummer aus dem ersten Basisparameter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einzelschätzwerte eine Phasendifferenz beschreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von Distanzkennwerten für alle möglichen Hypothesen für den Basisparameter aus dem mindestens einen ersten Schätzwert für den Basisparameter des vorgegebenen Sequenztyps und ersten Einzelschätzwerten ermittelt wird, und der Entscheidungswert auf Basis der Distanzkennwerte und der Hypothesen für den Basisparameter gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Distanzkennwerte aus der Menge von Distanzkennwerten mit einem Korrekturparameter zur Berücksichtigung der Unstetigkeit einer modulo-Bildung korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sequenztyp eine QPSK-modulierte Sequenz ist.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 durchführen zu können, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.
Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 durchführen zu können, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.