DE102013222211B4 - Device and method for detecting signal interference - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Detektion von Signalinterferenzen in einem komplexen Empfangssignal mit folgenden Merkmalen: einer Prozessoreinrichtung (12; 12'), die ausgebildet ist, um eine Anzahl (N) von Abtastwerten des komplexen Empfangssignals zu erfassen; Realteile und Imaginärteile der Abtastwerte des komplexen Empfangssignals zu extrahieren (38; 42); Potenzen (48; 48a; 48b) der extrahierten Realteile (38) und der extrahierten Imaginärteile (42) mit einem Exponenten von 4 zu erhalten; einen Mittelwert der Potenzen zu erhalten (52a; 52b); die Normierungspotenzen (46; 46a; 46b) der extrahierten Realteile (38) und der extrahierten Imaginärteile (42) mit einem Exponenten von 2 zu erhalten; einen Mittelwert der Normierungspotenzen (54; 54a; 54b) zu erhalten; einen Realteilquotienten (56a) basierend auf dem Mittelwert (54a) der Potenzen (48a) der Realteile (38) und dem Mittelwert (52a) der Normierungspotenzen (46a) der Realteile (38), und einen Imaginärteilquotienten (56b) basierend auf dem Mittelwert (54b) der Potenzen (48b) der Imaginärteile (42) und dem Mittelwert (52b) der Normierungspotenzen (46b) der Imaginärteile (42) zu erhalten; einen Summenwert (62) basierend auf einem Quadratwert (58a), der auf dem Realteilquotienten (56a) beruht, und einem Quadratwert (58b), der auf dem Imaginärteilquotienten (56b) beruht, zu erhalten; und das Ergebnis basierend auf einem Wurzelwert (64), der auf dem Summenwert (62) beruht, zu erhalten, so dass basierend auf einer Potenz (48a; 48b) einer Komponente (38; 42) des komplexen Empfangssignals mit einem Exponenten größer als 2 ein Ergebnis erhalten wird, das auf der Potenz (48a; 48b) beruht. einer Vergleichseinrichtung (14) zum Vergleichen des Ergebnisses mit einem vordefinierten Schwellwert (16), um ein Signalinterferenzdetektionsergebnis abhängig von dem Vergleich zu erhalten.Apparatus for detecting signal interference in a complex received signal, comprising: processor means (12; 12 ') arranged to detect a number (N) of samples of the complex received signal; Extracting real parts and imaginary parts of the samples of the complex received signal (38; 42); To obtain powers (48; 48a; 48b) of the extracted real parts (38) and the extracted imaginary parts (42) with an exponent of 4; to obtain an average of the powers (52a, 52b); to obtain the normalization powers (46; 46a; 46b) of the extracted real parts (38) and the extracted imaginary parts (42) with an exponent of 2; to obtain an average of the normalization powers (54; 54a; 54b); a real part quotient (56a) based on the mean (54a) of the powers (48a) of the real parts (38) and the mean (52a) of the normalization powers (46a) of the real parts (38), and an imaginary part quotient (56b) based on the mean ( 54b) of the powers (48b) of the imaginary parts (42) and the mean value (52b) of the normalization powers (46b) of the imaginary parts (42); a sum value (62) based on a square value (58a) based on the real part quotient (56a) and a square value (58b) based on the imaginary part quotient (56b); and obtaining the result based on a root value (64) based on the summation value (62), such that based on a power (48a; 48b) of a component (38; 42) of the complex received signal with an exponent greater than 2 a result is obtained which is based on the power (48a, 48b). a comparing means (14) for comparing the result with a predefined threshold value (16) to obtain a signal interference detection result depending on the comparison.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Signalinterferenzen in der funkgestützten Kommunikation durch Auswertung des empfangenen Funksignals.The invention relates to an apparatus and a method for detecting signal interference in the radio-based communication by evaluating the received radio signal.
Die funkbasierte Kommunikation wird zunehmend auch in der industriellen Automatisierungstechnik eingesetzt und ermöglicht kostengünstigere und flexiblere Fertigungsprozesse sowie die Umsetzung neuer Automatisierungskonzepte. Die Anforderungen an die funkbasierte Kommunikation, besonders an Zuverlässigkeit und Zeitverhalten, bspw. Echtzeitfähigkeit sind für diesen Anwendungsfall bedeutend höher als beispielsweise für den Heim- und Bürobereich.Radio-based communication is also increasingly used in industrial automation technology, enabling more cost-effective and flexible manufacturing processes and the implementation of new automation concepts. The requirements for radio-based communication, in particular reliability and time behavior, for example real-time capability, are significantly higher for this application than, for example, in the home and office sector.
Als problematisch erweist sich bei der Erfüllung dieser Anforderung die Tatsache, dass alle funkbasierten Kommunikationssysteme die begrenzte Ressource Funkspektrum gemeinsam nutzen und darum konkurrieren. Die Konkurrenz ist speziell in den sogenannten Industrial, Scientific and Medical (ISM) Bändern, d. h. Frequenzbereiche die ohne Zuteilung durch Regulierungsbehörden in Industrie, Wissenschaft, Medizin, in häuslichen und ähnlichen Bereichen genutzt werden können, groß. Darüber hinaus treten hochfrequente sowie niederfrequente Störungen durch beispielsweise Mikrowellensysteme oder Lichtbogenschweißen bzw. durch Transformatoren oder Motoren auf. Hierbei ist zu beachten, dass die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen nicht örtlich begrenzt ist.The fact that all radio-based communication systems share and compete for the limited resource radio spectrum proves to be problematic in meeting this requirement. The competition is particularly in the so-called Industrial, Scientific and Medical (ISM) bands, d. H. Frequency ranges that can be used without allocation by regulatory authorities in industry, science, medicine, domestic and similar areas, large. In addition, high-frequency and low-frequency interference occur, for example, by microwave systems or arc welding or by transformers or motors. It should be noted that the propagation of electromagnetic waves is not localized.
Durch das sogenannte Frequenzmanagement bzw. Koexistenzmanagement, welches bspw. durch die VDI/VDE-Richtlinie 2185 definiert ist, kann die Koexistenz von Funkanwendungen hergestellt und gewährleistet werden, welche die Grundvoraussetzung für die Erfüllung der Anforderungen ist. Das Problem dabei ist, dass das Frequenzmanagement nur Koexistenz zwischen erfassten Systemen gewährleisten kann. Fremdsysteme, wie etwa Mobiltelefone mit WLAN, Bluetooth, etc. und Störungen, wie die oben genannten, können die funkbasierte Kommunikation stören und damit ihre Zuverlässigkeit und Zeitverhalten negativ beeinflussen.By the so-called frequency management or coexistence management, which is defined for example by the VDI / VDE Guideline 2185, the coexistence of radio applications can be established and guaranteed, which is the basic requirement for the fulfillment of the requirements. The problem with this is that frequency management can only guarantee coexistence between detected systems. Third-party systems, such as mobile phones with WLAN, Bluetooth, etc., and interference, such as those mentioned above, can interfere with radio-based communication and thus adversely affect their reliability and timing.
Ansätze, um diese Effekte abzumildern beschreiben bspw. in [1], dass die Vorgaben des Frequenzmanagements z. B. durch „... ein automatisches System zur permanenten Überwachung des Funkspektrums installiert werden, das gegebenenfalls Unregelmäßigkeiten bereits feststellen kann, auch wenn diese noch keine Auswirkung auf den Anlagenbetrieb haben” Berücksichtigt werden können. Eine Realisierung eines solchen „automatischen Systems zur permanenten Überwachung des Funkspektrums” ist in [2] beschrieben. Dabei wird das Spektrum (Leistung über der Frequenz) im 2,4 GHz-ISM-Band gemessen und mit den in einer Lernphase bestimmten typischen Umgebungsbedingungen (Maske) verglichen. Überschreitet das gemessene Leistungsdichtespektrum den Referenzwert um einen einstellbaren Schwellwert so löst das System Alarm über eine oder mehrere Schnittstellen aus.Approaches to mitigate these effects describe, for example, in [1] that the requirements of the frequency management z. B. by "... an automatic system for the permanent monitoring of the radio spectrum to be installed, which may already detect irregularities, even if they have no effect on the plant operation" Can be considered. An implementation of such an "automatic system for the permanent monitoring of the radio spectrum" is described in [2]. The spectrum (power versus frequency) in the 2.4 GHz ISM band is measured and compared with the typical environmental conditions (mask) determined in a learning phase. If the measured power density spectrum exceeds the reference value by an adjustable threshold value, the system triggers an alarm via one or more interfaces.
Da Fremdsysteme oder Störer auch mit einer Leistung unterhalb des Referenzwertes auftreten können und Kollisionen von Systemen mit gleichen Grenzfrequenzen sich auf Basis der Spektralanalyse nicht detektieren lassen, ist diese Form der Realisierung prinzipiell zur Sicherung der Koexistenz und damit der Verfügbarkeit und des Zeitverhaltens begrenzt.Since foreign systems or interferers can also occur with a power below the reference value and collisions of systems with equal cutoff frequencies can not be detected on the basis of the spectral analysis, this form of realization is limited in principle to ensure coexistence and thus the availability and the time response.
Dabei wird die beispielsweise von Bluetooth-Systemen genutzte Liste der aufgrund von Störungen nicht zu verwendenden Frequenzen (Blacklist) zurückgegriffen. Mit dieser Information werden Störquellen anhand von Kanalmuster, Verlauf der Störung und Bandbreite der Störung erkannt.The list used by Bluetooth systems, for example, is the list of frequencies that are not to be used due to interference (blacklist). This information is used to detect sources of interference based on channel patterns, the course of the fault and the bandwidth of the fault.
In [1] ist ebenfalls ein Verfahren zur Schätzung eines Signal-zu-Rausch-Abstands (Signal-to-Noise-Ratio – SNR) beschrieben, das Rückschlüsse auf eine Kanalqualität liefern kann.[1] also describes a method for estimating a signal-to-noise ratio (SNR), which can provide conclusions about a channel quality.
Bspw. bietet Bluetooth-Technologie günstige und relativ unkomplizierte Lösungen für verschiedene Anwendungen im sogenannten ISM-Frequenzband. Bei Anwendungen, die starke Anforderungen bezüglich Betriebssicherung und Echtzeitfähigkeit stellen, wie etwa im Bereich der industriellen Automatisierungstechnik, kann es entscheidend sein, Interferenzquellen, die Datenpakete korrumpieren können, was zu erneuten Übertragungen und Verzögerungen führen kann, zu entdecken. In einem industriellen Umfeld, wo bestimmte Frequenzbänder für bestimmte Piconetze (lokal begrenzte Personal Area Network – PAN, die über bspw. über Bluetooth kommunizieren) reserviert sind, sind Funkkanäle normalerweise vordefiniert, wie es bspw. für Bluetooth in
Bluetooth wurde aufgrund seiner geringen Kosten und geringen Energiebedarfs sehr beliebt. Die Vorteile von Bluetooth erstrecken sich über mehrere industrielle Anwendungen, wie etwa Sensoren und Aktuatoren zur Steuerung beweglicher Maschinenteile, Messen und Steuern von beweglichen Objekten, Koordinierung zwischen Robotern und Fahrzeugen, Maschinenüberwachung und viele andere. Diese Anwendungen können strenge Zuverlässigkeit und Quality of Service(QoS)-Standards benötigen, da sonst die Effizient im Hinblick auf eingesetzte Ressourcen, wie etwa Zeit und/oder Geld, gefährdet sein können, wie es in [5] beschrieben ist. Folglich kann es äußerst kritisch sein, eine zuverlässige Kommunikation innerhalb von Umgebungen der industriellen Automatisierung zu unterhalten.Bluetooth became very popular due to its low cost and low energy requirements. The benefits of Bluetooth extend over several industrial applications, such as sensors and actuators for controlling moving machine parts, measuring and controlling moving objects, coordination between robots and vehicles, machine monitoring and many others. These applications may require strict reliability and Quality of Service (QoS) standards, otherwise the efficiency in terms of resources used, such as time and / or money, may be compromised, as described in [5]. Consequently, maintaining reliable communication within industrial automation environments can be extremely critical.
Signale werden im Bluetooth-Standard moduliert, indem Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) mit einem Modulationsindex von 0,35 genutzt wird. Eine binäre 1 ist durch eine positive Frequenzabweichung, eine binäre 0 ist durch eine negative Frequenzabweichung repräsentiert. GMSK ist eine Form des Continuous Phase Modulation (CPM), das Filter mit einer Gauss-Form zur Pulsformung nutzt. Die Sendeleistung kann bis 100 mW erreichen, was den Sendebereich bis auf 100 m erweitern kann. Bluetooth-Systeme haben 79 verschiedene Kanäle mit jeweils 1 MHz Bandbreite und genutzten Mittenfrequenzen, die durch
Funksender sind durch umfängliche Nutzung und eine zunehmende Anzahl von Geräten zunehmend verknappendem Spektrum gezwungen zu koexistieren, wie es in [7] beschrieben ist. Um ein gewisses Level industriellen QoS beizubehalten, ist es wichtig, gegenseitige Interferenz zu erkennen. Bluetooth-Bluetooth Koexistenz wurde in verschiedenen Arbeiten, wie etwa [8], [9] oder [10] behandelt. Ergebnisse dieser Arbeiten führen zu dem Schluss, dass Bluetooth-Bluetooth Interferenz mehr von der Dichte von Knoten in einem bestimmten Bereich denn von der Anzahl der Knoten abhängt. Willig erklärt in [11], dass ein höheres Risiko der Interferenz existiert, wenn dieselben Frequenzen durch einander überlappende Piconets temporär okkupiert (englisch: hopped) werden. In [12] wird durch Howitt ein analytisches Modell zur Charakterisierung gegenseitiger Interferenz in Bluetooth Piconets hergeleitet. Ferner wird die Wahrscheinlichkeit einer für die Datenübertragung schädlichen Kollision, die eine erneute Übertragung erfordert, hergeleitet und mehrere Faktoren, wie etwa die Frequenzverschiebung und die relative Stärke beider Signale berücksichtigt.Radio transmitters are forced to co-exist due to extensive use and an increasing number of devices increasingly scarce, as described in [7]. In order to maintain a certain level of industrial QoS, it is important to recognize mutual interference. Bluetooth-Bluetooth coexistence has been addressed in several papers, such as [8], [9] or [10]. Results of this work conclude that Bluetooth Bluetooth interference depends more on the density of nodes in a given range than on the number of nodes. Willig explains in [11] that there is a higher risk of interference if the same frequencies are temporarily occupied by overlapping piconets (hopped). In [12], Howitt derives an analytical model for characterizing mutual interference in Bluetooth piconets. Further, the likelihood of a data transmission detrimental collision requiring re-transmission is deduced, and several factors, such as the frequency shift and the relative strength of both signals, are taken into account.
Neben einer Interferenz durch überlappende Piconets kann auch eine Interferenz durch externe Systeme und Geräte in einem Piconet die Übertragungsqualität beeinflussen.In addition to interference from overlapping piconets, interference from external systems and devices in a piconet can also affect transmission quality.
Bekannte Ansätze können in Energiedetektoren, Detektion durch Hypothesentests, informationstheoretische Detektoren und Detektion durch Hidden Markov Modulierung unterschieden werden. Energiedetektion ist aufgrund der geringen Komplexität eine der häufigsten Methoden, um Interferenz zu detektieren. Nach einer Fast Fourier Transformation (FFT) mit N Stützstellen wird die Gesamtleistung des Signals als die Summe der Leistungen an den N Frequenzpunkten und mit einem vordefinierten Schwellwert verglichen. Jedoch hängt dieser Schwellwert weitgehend von dem Rauschpegel ab, der in einem laufenden Betrieb variieren wird, wie es in [13] beschrieben ist. Deshalb nimmt der Gesamterfolg in Umgebungen mit einem starken Rauschanteil ab. Zusätzlich betrachten solche Detektoren lediglich die Gesamtleistung des empfangenen Signals. Eine fehlerhafte Entscheidung wird getroffen, wenn zwei Signale interferieren, ihre Gesamtleistung jedoch kleiner als der Schwellwert ist oder wenn ein einzelnes nutzbares Signal eine Leistung aufweist, die größer ist als der Schwellwert. So ist beispielsweise vorstellbar, dass zwei ggf. unkorrelierte oder gering korrelierte Signale eines Nutzsignalsenders und eines Störers eine Kollision von Datenpaketen auslösen, sich jedoch zumindest teilweise gegenseitig in Amplitude durch Superposition, d. h. Überlagerung, auslöschen. Dies kann dazu führen, dass eine nicht oder lediglich gering erhöhte, jedoch unterhalb eines Leistungs- oder Energieschwellwertes liegende Sendeleistung am Interferenzdetektor feststellbar ist. In anderen Worten kann in diesem Fall die Signalinterferenz an einem Energiedetektor unentdeckt bleiben.Known approaches can be distinguished in energy detectors, detection by hypothesis tests, information-theoretical detectors and detection by Hidden Markov modulation. Energy detection is one of the most common ways to detect interference due to its low complexity. After a Fast Fourier Transformation (FFT) with N nodes, the total power of the signal is compared as the sum of the powers at the N frequency points and with a predefined threshold. However, this threshold depends largely on the level of noise that will vary in a current operation, as described in [13]. Therefore, overall success decreases in high-noise environments. In addition, such detectors only consider the total power of the received signal. An erroneous decision is made when two signals interfere but their total power is less than the threshold or when a single usable signal has a power greater than the threshold. For example, it is conceivable that two possibly uncorrelated or slightly correlated signals of a useful signal transmitter and a jammer trigger a collision of data packets, but at least partially cancel each other out in amplitude by superposition, i. H. Overlay, extinguish. This can lead to a transmission power which is not or only slightly increased but lies below a power or energy threshold value detectable at the interference detector. In other words, in this case the signal interference at an energy detector can go undetected.
Bei einer Detektion durch Hypothesentests kann die Detektion von Interferenz als ein klassisches Detektionsproblem gesehen werden, bei dem die Detektionstheorie genutzt werden kann. Der Funkempfänger evaluiert die Wahrscheinlichkeit zweier Hypothesen: Die Anwesenheit oder die Abwesenheit von Interferenz, was für jede Frequenzlinie bzw. Spektrallinie durchgeführt wird. Die Hypothesenwahrscheinlichkeiten werden dann mit einem Schwellwert mittels einem generalisierten Wahrscheinlichkeitsquotiententests (Likelihood Ratio Test) verglichen, wie es beispielsweise in [14] beschrieben ist. Jedoch kann aufgrund der Komplexität von genutzten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (Probability Density Function) (PDF's) eine analytische Auswertung des Schwellwerts praktisch unausführbar sein. Zusätzlich erfordert eine Auswertung der Kanalverhältnisse Kenntnis über die Anzahl der Störer in jeder Frequenzlinie, so dass die Komplexität exponentiell mit der Anzahl der Störer steigen wird.When detected by hypothesis testing, the detection of interference can be seen as a classic detection problem where the detection theory can be used. The radio receiver evaluates the probability of two hypotheses: the presence or absence of interference, which is done for each frequency line or spectral line. The hypothesis probabilities are then compared to a threshold value by a generalized likelihood ratio test, as described, for example, in [14]. However, due to the complexity of Probability Density Function (PDF's) used, an analytical evaluation of the threshold may be practically unworkable. In addition, an evaluation of the channel ratios requires knowledge of the number of interferers in each frequency line so that the complexity will increase exponentially with the number of interferers.
Informationstheoretische Detektoren können die Anzahl der Störer in einer bestimmten Frequenzlinie durch Eigenwertanalyse schätzen, wie es in [15] beschrieben ist. Anstatt einen Energieschwellwert zu schätzen, wird eine Kovarianzmatrix geschätzt, um Eigenwerte zu generieren, die als eine Schätzung der spektralen Leistung dienen. Daraufhin werden informationstheoretische Kriterien genutzt, um die Signalraumdimensionen und somit die Anzahl der Störer zu schlussfolgern. Jedoch definiert die Signalraumdimension den Energieschwellwert, der in Energieverfahren genutzt wird, so dass von solchen Detektoren erwartet wird, dass sie ähnliche Ergebnisse erbringen, wie Energiedetektoren. Information-theoretical detectors can estimate the number of interferers in a given frequency line by eigenvalue analysis, as described in [15]. Instead of estimating an energy threshold, a covariance matrix is estimated to generate eigenvalues that serve as an estimate of the spectral power. Subsequently, information-theoretical criteria are used to conclude the signal space dimensions and thus the number of interferers. However, the signal space dimension defines the energy threshold used in energy processes so that such detectors are expected to provide similar results as energy detectors.
Bei einer Detektion mittels Hidden Markov-Modellierung basiert ein Interferenzdetektor auf Hidden Markov-Ketten, wie es beispielsweise in [16] vorgeschlagen wird. Eine Zustandsgröße repräsentiert die Anzahl möglicher Störer in jeder Frequenzlinie, wobei der erste Zustand lediglich Rauschen, der zweite Zustand Rauschen plus ein Signal, der dritte Zustand Rauschen plus zwei Signale, usw. darstellt. Somit bestimmt die Zustandsfolge für die Markov-Kette den Interferenzstatus jeder Frequenzlinie. Jedoch benötigt das Bestimmen des optimalen Modells für jede Situation große Speicheranforderungen und eine große Komplexität der Berechnung, wie es beispielsweise in [16] beschrieben ist. Zusätzlich sollte eine Übergangsmatrix, die die verschiedenen Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen zwei beliebigen Zuständen bestimmt, vorab bestimmt werden.In hidden Markov modeling detection, an interference detector is based on Hidden Markov chains, as suggested in [16], for example. A state quantity represents the number of possible interferers in each frequency line, where the first state represents only noise, the second state noise plus one signal, the third state noise plus two signals, and so forth. Thus, the state sequence for the Markov chain determines the interference status of each frequency line. However, determining the optimal model for each situation requires large memory requirements and a great deal of computational complexity, as described for example in [16]. In addition, a transition matrix that determines the various transition probabilities between any two states should be determined in advance.
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Wünschenswert wäre demnach eine Vorrichtung und ein Verfahren, die bzw. das mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand eine zuverlässige Detektion von Signalinterferenzen ermöglicht.It would therefore be desirable to have a device and a method which, with relatively little computational effort, enable a reliable detection of signal interferences.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine zuverlässigere Detektion von Interferenzen in einer funkgestützten Kommunikation zu schaffen.The object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method for a more reliable detection of interference in a radio-based communication.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass Ergebnisse und Auswertungen basierend auf Potenzen von Signalkomponenten mit einer Ordnung größer als 2, Rückschlüsse auf eine durch einen interferierenden Sendeknoten erzeugte Signalinterferenz ermöglichen.The core idea of the present invention is to have realized that the above object can be achieved by providing results and evaluations based on powers of Signal components with an order greater than 2, allow conclusions about a generated by an interfering transmitting node signal interference.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung zur Detektion von Signalinterferenzen eines Empfangssignals eine Prozessoreinrichtung und eine Vergleichseinrichtung. Die Prozessoreinrichtung ist ausgebildet, um eine Potenz einer Komponente des Empfangssignals mit einem Exponenten größer als 2 zu berechnen und ein Ergebnis auszugeben, das auf der Potenz beruht. Die Vergleichseinrichtung ist ausgebildet, um das Ergebnis mit einem vordefinierten Schwellwert zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich ein Vergleichsergebnis, beispielsweise eine festgestellte Signalinterferenz, bereitzustellen. Dabei ist die Prozessoreinrichtung ausgebildet, um eine Anzahl von Abtastwerten des komplexen Empfangssignals zu erfassen und um Realteile und Imaginärteile der Abtastwerte des komplexen Empfangssignals zu extrahieren. Die Prozessoreinrichtung ist ausgebildet, um Potenzen der extrahierten Realteile und der extrahierten Imaginärteile mit einem Exponenten von 4 sowie einen Mittelwert der Potenzen zu erhalten. Ferner ist die Prozessoreinrichtung ausgebildet, um die Normierungspotenzen der extrahierten Realteile und der extrahierten Imaginärteile mit einem Exponenten von 2 und einen Mittelwert der Normierungspotenzen zu erhalten. Die Prozessoreinrichtung ist ferner ausgebildet, um einen Realteilquotienten basierend auf dem Mittelwert der Potenzen der Realteile und dem Mittelwert der Normierungspotenzen der Realteile, und einen Imaginärteilquotienten basierend auf dem Mittelwert der Potenzen der Imaginärteile und dem Mittelwert der Normierungspotenzen der Imaginärteile zu erhalten. Ferner wird durch die Prozessoreinrichtung ein Summenwert basierend auf einem Quadratwert, der auf dem Realteilquotienten beruht, und einem Quadratwert, der auf dem Imaginärteilquotienten beruht, und das Ergebnis basierend auf einem Wurzelwert, der auf dem Summenwert beruht, zu erhalten.According to one exemplary embodiment, a device for detecting signal interferences of a received signal comprises a processor device and a comparison device. The processor means is adapted to calculate a power of a component of the received signal having an exponent greater than 2 and to output a result based on the power. The comparison device is designed to compare the result with a predefined threshold value and to provide a comparison result, for example a detected signal interference, based on the comparison. In this case, the processor device is designed to detect a number of samples of the complex received signal and to extract real parts and imaginary parts of the samples of the complex received signal. The processor device is designed to obtain powers of the extracted real parts and the extracted imaginary parts with an exponent of 4 as well as an average of the powers. Further, the processor means is adapted to obtain the normalization powers of the extracted real parts and the extracted imaginary parts with an exponent of 2 and an average of the normalization powers. The processor means is further adapted to obtain a real part quotient based on the mean of the powers of the real parts and the mean of the normalization powers of the real parts, and an imaginary part quotient based on the mean of the powers of the imaginary parts and the mean of the normalization powers of the imaginary parts. Further, the processor means obtain a sum value based on a square value based on the real part quotient and a square value based on the imaginary part quotient and the result based on a root value based on the summation value.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass eine Signalinterferenz unabhängig von einer Gesamtsendeleistung, die möglicherweise durch mehrere interferierende Sender in einem Frequenzband abgestrahlt wird, feststellbar ist und eine erhöhte Genauigkeit bzw. Aussagesicherheit des Vergleichsergebnisses erhalten werden kann.An advantage of this embodiment is that a signal interference is independent of a total transmission power, which is possibly radiated by a plurality of interfering transmitter in a frequency band, detectable and an increased accuracy or reliability of the comparison result can be obtained.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. Preferred embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before embodiments of the present invention are explained in more detail in detail with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and / or structures in the different figures are provided with the same reference numerals, so that shown in different embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to each other.
Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass die Prozessoreinrichtung
Eine Potenz mit einem Exponenten größer 2 kann mithin den Informationsgewinn der Signalüberlagerung ermöglichen.A power with an exponent greater than 2 can thus enable the information gain of the signal superposition.
Die Vergleichseinrichtung
Das Empfangssignal kann beispielsweise von einer Empfangseinrichtung
Der Schwellwertspeicher
So können bspw. verschiedene Schwellwerte für eine Interferenz eines zu empfangenen Bluetooth-Signals, oder eines zu empfangenen WLAN-Signals auf dem Schwellwertspeicher gespeichert sein. Alternativ oder zusätzlich können bspw. verschiedene Schwellwerte für verschiedene Szenarien einer Kommunikationsumgebung, bspw. eine Industrie- oder Lagerhalle auf dem Schwellwertspeicher gespeichert sein, die Schwellwerte abhängig davon, ob die Lagerhalle voll, d. h., es finden viele Reflektionen von Funksignalen statt, oder leer, d. h., es ein Funksignal wird ggf. weniger oft reflektiert, ist.Thus, for example, various threshold values for interference of a Bluetooth signal to be received, or of a WLAN signal to be received, can be stored on the threshold value store. Alternatively or additionally, for example, different threshold values for different scenarios of a communication environment, for example an industrial warehouse or a warehouse, may be stored on the threshold memory, the threshold values depending on whether the warehouse is full, ie. h., there are many reflections of radio signals, or empty, d. h., it is a radio signal that may be reflected less often, is.
Vorrichtung
Vorrichtung
Wird Vorrichtung
Das Gesamtsystem erlaubt es selbst Interferenzen mit relativ niedriger spektralen Leistungsdichte zu detektieren.The overall system allows itself to detect interferences with a relatively low spectral power density.
Die Profilkurven zwischen einem SINR-Grenzwert und der Potenz können beispielsweise erstellt werden, indem beispielhafte Signalvektoren in Software, wie etwa MATLAB eingegeben und die Potenz, bspw. ein zentrales Moment mit einer Ordnung von größer als 2, des Vektors bzw. der Vektoren berechnet wird, wie es bspw. in der
Da viele Mobilfunkstandards, wie beispielsweise GSM oder Bluetooth eine dynamische Einstellung der Sendeleistung erlauben, um beispielsweise bei einer guten Empfangsqualität mit einer geringeren Sendeleistung senden zu können und mithin Energie in beispielsweise mobilen Geräten einzusparen, um beispielsweise Gerätelaufzeiten zu verlängern, ist vorstellbar, dass eine Überlagerung zweier Sendesignale mit jeweils geringer Leistung zu einer Interferenz bzw. einer Datenkollision und mithin eines Verlustes eines Datenpaketes führen kann, eine gemeinsame Sendeleistung der beiden Sendesignale jedoch unterhalb des vordefinierten Leistungs- oder Energieschwellwertes liegt.Since many mobile radio standards, such as GSM or Bluetooth allow a dynamic adjustment of the transmission power to send, for example, with a good reception quality with a lower transmission power and thus save energy in, for example, mobile devices, for example, to extend device lifetimes, it is conceivable that an overlay two transmission signals, each with low power to an interference or a data collision and thus a loss of a data packet can lead, however, a common transmission power of the two transmission signals is below the predefined power or Energieschwellwertes.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass durch eine Potenz einer Komponente des Empfangssignals mit einem Exponenten größer als 2 eine Signalinterferenzdetektion unabhängig von einer Leistung eines Nutzsignals und/oder einer Interferenz ermöglicht werden kann, so dass eine zuverlässige Signalinterferenzdetektion durchführbar ist. Zuverlässig bedeutet in dieser Hinsicht, dass eine Signalinterferenz, die bspw. zu einer Kollision von Datenpaketen führen kann, auch erkannt werden kann, wenn bspw. eine Sendeleistung von Nutzsignalsender und/oder Störer unterhalb eines Schwellwertes liegen, der auf einer maximalen Signalleistung basiert. An advantage of this embodiment is that by a power of a component of the received signal with an exponent greater than 2 signal interference detection can be made independent of a power of a desired signal and / or interference, so that a reliable signal interference detection is feasible. Reliable means in this regard that a signal interference, which may, for example, lead to a collision of data packets, can also be detected if, for example, a transmission power of Nutzsignalsender and / or interferers are below a threshold based on a maximum signal power.
Neben der oben beschriebenen Erhöhung der Zuverlässigkeit von Funksystemen, können auch Anwendungen im Bereich des Cognitive Radio (CR) von dieser Form der Interferenzdetektion profitieren. Cognitive Radio ist ein Verfahren, bei dem ein drahtlos arbeitendes Kommunikationsgerät seine Umgebung wahrnimmt und opportunistisch auf das kurzzeitig nicht benutzte Spektrum zugreift. Hierbei muss ein CR erkennen, wenn ein primärer Nutzer sein lizenziertes Frequenzband wieder beansprucht und das beanspruchte Band unmittelbar wieder freigegeben, ohne dass störende Interferenzen entstehen.In addition to the above-described increase in the reliability of radio systems, applications in the field of cognitive radio (CR) can benefit from this form of interference detection. Cognitive radio is a process whereby a wireless communication device perceives its environment and opportunistically accesses the unused spectrum. In this case, a CR must recognize when a primary user reclaims its licensed frequency band and immediately releases the claimed band without disturbing interference.
Bisherige CR-Ansätze setzen hierbei entweder auf eine Datenbankabfrage (TV White Space Devices) – in welcher alle aktuell freien Frequenzbereiche hinterlegt sind – oder auf Spectrum Sensing, bei welchem der Kanal vor dem eigentlichen Senden auf einen primären Nutzer geprüft wird. Dennoch kann es bei Nutzung von Spectrum Sensing zu Interferenzen mit dem primären Nutzer kommen. Gründe hierfür finden sich im sogenannten Hidden-Terminal-Problem oder dem gleichzeitigen oder kurzzeitig versetzten Beginn der Funkübertragung des primären Nutzers und CRs.Previous CR approaches rely either on a database query (TV White Space Devices) - in which all currently available frequency ranges are deposited - or on Spectrum Sensing, in which the channel is checked before the actual transmission to a primary user. However, using Spectrum Sensing may interfere with the primary user. Reasons for this can be found in the so-called hidden-terminal problem or the simultaneous or short-staggered beginning of the radio transmission of the primary user and CRs.
Abhilfe kann hierbei ein Netzwerk von CRs, welches mit der oben beschriebenen Interferenzdetektion ausgestattet ist, schaffen. Durch diese können die anderen CRs während der Übertragung eine Interferenz erkennen, und somit frühzeitig den Kanal dem primären Nutzer freigeben.This can be remedied by creating a network of CRs equipped with the interference detection described above. These allow the other CRs to detect interference during transmission, thereby enabling early release of the channel to the primary user.
Ferner sind Anwendungen in der Medizintechnik oder im industriellen Umfeld, wie etwa in der Maschinensteuerung, die hohe Anforderungen an eine zuverlässige Datenübermittlung stellen kann, realisierbar.Furthermore, applications in medical technology or in the industrial environment, such as in the machine control, which can make high demands on a reliable data transmission feasible.
Unterschiedliche Drahtloskommunikationsstandards können bspw. Bluetooth- oder Wireless Local Area Network-(WLAN-) sein und Kommunikationsvorschriften bereitstellen, die eine drahtlose Übermittlung von Signalen in verschiedenen Frequenzbereichen und/oder Bandbreiten definieren. So kann ein Kanal bspw. im Bluetooth-Standard, wie es schematisch in der
Der Konfigurator
Basierend auf der Konfiguration des Konfigurators
Die Berechnungseinrichtung
Vorteilhaft dieser Ausführungsform ist, dass in einer Kommunikationsumgebung, in welcher mehrere Drahtloskommunikationsstandards für eine Kommunikation verwendet werden, die Signalinterferenz für mehrere oder alle verwendeten Drahtloskommunikationsstandards detektierbar sein können. So kann bspw. ein Störer durch eine ausgesendete Interferenz den Empfang eines WLAN-Datenpaketes in einem Umfang, der unterhalb des für den WLAN-Standard vordefinierten ersten Schwellwertes liegt, und den Empfang eines Bluetooth-Datenpaketes in einem Umfang, der oberhalb eines zweiten vordefinierten Schwellwertes liegt, durch Interferenz stören, so dass für die WLAN oder die Bluetooth-Kommunikation ein entsprechendes Vergleichsergebnis, aus dem bspw. ein Alarmsignal abgeleitet werden kann, erhalten wird.It is advantageous in this embodiment that in a communication environment in which multiple wireless communication standards are used for communication, signal interference may be detectable for multiple or all wireless communication standards used. Thus, for example, a disturber can send out a WLAN data packet to an extent that lies below the predefined for the WLAN standard first threshold value, and the reception of a Bluetooth data packet in a scope that is above a second predefined threshold value by a transmitted interference interferes with interference, so that for the WLAN or the Bluetooth communication, a corresponding comparison result from which, for example, an alarm signal can be derived is obtained.
Der Konfigurator oder die Vorrichtung
Die Prozessoreinrichtung
Die Prozessoreinrichtung
Die Prozessoreinrichtung
Der Summierer
Der Realteilpfad
Der Realteilpfad
Der Imaginärteilpfad
Die Potenzierer
Die Prozessoreinrichtung
Alternative Ausführungsbeispiele zeigen Vorrichtungen, die entweder den Realteilpfad oder den Imaginärteilpfad ganz oder teilweise aufweisen. Diese Ausführungsbeispiele weisen teilweise modifizierte Realteilpfade oder Imaginärteilpfade auf, die das Ergebnis aus dem jeweiligen Quotientenbilder
Gegenüber diesen Ausführungsformen hat Vorrichtung
Alternative Ausführungsbeispiele zeigen eine Normierungspotenz die innerhalb einer Toleranz von kleinergleich ±10%, ±15% oder ±20% bezüglich des Exponenten der Potenz der Komponente dividiert durch zwei liegt. Ist die Potenz der Komponente bspw. 3, so kann die Normierungspotenz bei einer Toleranz von ±10% bspw. in einem Bereich zwischen 1,35 und 1,65 liegen. Ist die Potenz der Komponente bspw. 4, wie etwa bei einer Berechnung der Kurtosis, so kann die Normierungspotenz bei einer Toleranz von ±20% in einem Bereich zwischen 1,6 und 2,4 liegen.Alternative embodiments show a normalization power that is within a tolerance of less than or equal to ± 10%, ± 15% or ± 20% with respect to the exponent of the power of the component divided by two. If the power of the component is, for example, 3, then the normalization power can lie at a tolerance of ± 10%, for example in a range between 1.35 and 1.65. For example, if the power of the component is 4, such as in a kurtosis calculation, the normalization potency may range between 1.6 and 2.4 at a tolerance of ± 20%.
In anderen Worten kann Vorrichtung
Wird lediglich der Realteil oder der Imaginärteil bzw. das komplexwertige Empfangssignal für die Interferenzdetektion ausgewertet, kann eine Summation einzelner Potenzen mit dem vordefinierten Schwellwert verglichen werden. Bspw. kann ein Summationswert, der von Null verschieden ist, auf einen Gleichanteil, der von einer Interferenz auf dem Übertragungskanal des Empfangssignal verursacht ist, hindeuten.If only the real part or the imaginary part or the complex-valued received signal for the interference detection is evaluated, a summation of individual powers can be compared with the predefined threshold value. For example. For example, a summation value other than zero may indicate a DC component caused by interference on the transmission channel of the received signal.
Ist Vorrichtung
Vorrichtung
Die Prozessoreinrichtung
In andere Worten ist die Prozessoreinrichtung
Die Kurtosis ist mathematisch definiert als das standardisierte vierte Moment des Mittelwertes und kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: wobei kurt(X) die Kurtosis, E[(X – μ)] den Erwartungswert einer Abweichung eines Wertes X von einem Mittelwert μ bezeichnet. Vorteilhaft an der Kurtosis ist, dass sie unabhängig von der Signalleistung ist und lediglich abhängig von der Kontur der PDF ist. Damit kann Vorrichtung
Ferner erlaubt die Kurtosis eine Aufhebung von Effekten des additiven weißen Gaußschen Rauschens (Additive White Gaussian Noise – AWGN). Die Kurtosis einer Gaußschen Zufallsvariable ist gemäß Formel 2 gleich dem Wert 3. Wird von dem Ergebnis der Wert 3 abgezogen, so kann die Kurtosis den Wert 0 annehmen und somit für weitere Betrachtungen das AWGN vernachlässigt werden.Furthermore, the kurtosis allows the cancellation of additive white gaussian noise (AWGN) effects. The kurtosis of a Gaussian random variable is equal to the value 3 according to
Es versteht sich, dass die Darstellungen und Erläuterungen mathematischer Natur sind. Eine Vorrichtung zur Detektion von Signalinterferenzen kann eine Umsetzung gleicher, äquivalenter oder ähnlicher Zusammenhänge realisieren. Die Formeln und Zusammenhänge erlauben jedoch eine Darstellung, warum die Kurtosis als Entscheidungskriterium für das Vorhandensein einer Signalinterferenz nutzbar und ggf. vorteilhat ist.It is understood that the illustrations and explanations are mathematical in nature. A device for detecting signal interferences can implement a realization of identical, equivalent or similar relationships. However, the formulas and relationships allow a representation of why the kurtosis is useful as a decision criterion for the presence of a signal interference and possibly advantageous.
Die Kurtosis β eines Signals I ist definiert alsThe kurtosis β of a signal I is defined as
Ein mathematischer Erfahrungswert einer Wertereihe ist definiert als die Mittelung über alle Werte, d. h. zu allen Zeitpunkten und mithin von –∞ bis +∞. Vorrichtung
Der Schätzer ist in diesem Fall erwartungstreu.The estimator is unbiased in this case.
Der geschätzte Erwartungswert E kann auch als ein gleitender Mittelwert, d. h. als ein Mittelwert des Empfangssignals über ein begrenztes vergangenes Zeitfenster, bspw. der Länge N ausgeführt sein. Eine Berücksichtigung neuerer, d. h. gegenwärtiger oder zukünftiger Werte kann beispielsweise durch ein ”Vergessen” realisiert sein, d. h. es wird stets eine gewisse Anzahl von aufeinanderfolgenden vergangenen Werten berücksichtigt. Ältere Werte bleiben bspw. unberücksichtigt. Alternativ kann eine Gewichtung vergangener Werte derart erfolgen, dass eine Anzahl N vergangener Abtastwerte, ggf. in Form des vergangenen geschätzten Erfahrungswertes mit einem geringeren Faktor als nachfolgende, neue Abtastwerte gewichtet wird. So können bspw. langsame Veränderungen der Kommunikationsumgebung berücksichtigt werden, da die vergangenen Werte weiter berücksichtigt werden können.The estimated expected value E can also be implemented as a moving average, ie as an average value of the received signal over a limited past time window, for example of length N. Taking account of newer, ie present or future, values can, for example, be realized by "forgetting", ie a certain number of successive past values are always taken into account. Older values, for example, are disregarded. Alternatively, a weighting of past Values are carried out in such a way that a number N of past sampled values, possibly in the form of the past estimated empirical value, is weighted with a smaller factor than subsequent, new sampled values. Thus, for example, slow changes in the communication environment can be taken into account, as the past values can be further taken into account.
Wird die Kurtosis bspw. auf ein interferiertes Signal der Form
Dabei bezeichnet X1(t) und X2(t) das Nutzsignal bzw. das interferierende Signal mit Sendeleistungen normalisiert auf 1. N(t) bezeichnet additives weißes Gaußsches Rauschen mit einer festen Varianz
Eine Ausbreitung von Funksignalen über eine Nicht-Sichtverbindung (Non-Line-Off-Sight – NLOS) kann über einen sogenannten Rayleigh-Fading Channel über die Rayleighverteilten Zufallsvariablen A1 und A2 berücksichtigt werden. Diese werden in Formel 5 in Form von p1 und p2 als Parameter der Zufallsvariablen A1 und A2 dargestellt und ermöglichen, um Differenzen der Sendeleistungen zwischen den Signalen X1 und X2 zu charakterisieren.Propagation of radio signals over a non-line-off-sight (NLOS) can be considered via a Rayleigh fading channel over the Rayleigh distributed random variables A 1 and A 2 . These are represented in
Das SINR mit X1 als das Nutzsignal und X2 als der Störer kann ausgedrückt werden als: The SINR with X 1 as the useful signal and X 2 as the interferer can be expressed as:
Ein Vergleich der Formeln 5 und 6 zeigt, dass der SINR direkt mit der Kurtosis zusammenhängt. Das SINR beruht auf den Variablen p1, p2 und σn. Diese sind auch in Formel 6 enthalten. Dadurch kann durch Bestimmung der Kurtosis auf das SINR und somit die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Interferenz zurückgeschlossen werden. Der vordefinierte Schwellwert, bspw. einer Kurtosis, kann bspw. durch eine Simulation oder messtechnische Erfassung bestimmt sein, wobei ein Kurtosis-Wert dann einen Rückschluss auf einen vorab erfassten SINR-Wert erlaubt.A comparison of
Dies kann ferner erlauben, über eine Anwesenheit einer Interferenz auch die Stärke der Interferenz zu bestimmen. Ein SINR-Schwellwert für eine Entscheidung, einen Alarm zu generieren, kann beispielsweise von einer benötigten oder angestrebten Bitfehlerrate (Bit Error Rate – BER) abhängig sein. Beispielsweise kann für Bluetooth-Systeme ein minimales SINR von 11 dB angestrebt werden, um eine Bitfehlerwahrscheinlichkeit ≤ 0,1% für Gleichkanalstörungen (Co-Channel Interference) zu erreichen, wie es beispielsweise in [6] beschrieben ist.This may also allow the intensity of interference to be determined by the presence of interference. For example, a SINR threshold for a decision to generate an alarm may depend on a required or desired bit error rate (BER). For example, for Bluetooth systems a minimum SINR of 11 dB may be sought to achieve a bit error probability ≤ 0.1% for co-channel interference, as described for example in [6].
In anderen Worten umfasst die Detektion von Signalinterferenzen zwei Schritte. In einem ersten Schritt werden Profilkurven, die die Kurtosis zu dem SINR in ein Verhältnis setzen, empirisch erzeugt und ein jeweiliger SINR Schwellwert basierend auf einer benötigten oder angestrebten Bitfehlerrate ausgewählt und in dem Schwellwertspeicher der Vorrichtung
Die Prozessoreinrichtung
In anderen Worten setzt Vorrichtung
Vorrichtung
In anderen Worten ist Vorrichtung
Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass die Prozessoreinrichtung
Gegenüber einer Berechnung der Kurtosis für den Realteil und den Imaginärteil, wie es in
Der simulative Aufbau kann bspw. in einer MATLAB-Umgebung umgesetzt sein und umfasst zwei Signalquellen
Vereinfachend kann für die Simulation davon ausgegangen werden, dass X1 und X2 unabhängige Zufallsprozesse (mittelwertfrei) mit normalisierten Varianzen und Momenten vierter Ordnung m1,4 bzw. m2,4 sind. Weiterhin sind A1 und A2 Rayleigh-verteilte Zufallsvariablen mit den Parametern P1 und P2.For the sake of simplification, it can be assumed that X 1 and X 2 are independent random processes (mean-free) with normalized variances and fourth-order moments m 1.4 and m 2.4 , respectively. Furthermore, A 1 and A 2 are Rayleigh distributed random variables with the parameters P 1 and P 2 .
Die Signale X1 und X2 können beispielsweise Bluetooth- oder WLAN-Signale simulieren. Ein Rauschgenerator
In dem interferenzfreien Berechnungspfad
Der interferierte Berechnungspfad
In anderen Worten kann ein direkter Vergleich von einer interferenzfreien Übertragung für verschiedene Zeitpunkte und/oder Szenarien im Ergebnisblock
Damit kann eine Bestimmung eines SINR-Wertes während eines laufenden Betriebs einer Vorrichtung zu Interferenzdetektion entfallen, da für solch eine Vorrichtung
In anderen Worten überlagert die MATLAB-Simulation Bluetooth-Signale in einem AWGN-Kanal mit Rayleigh-Streuung, um eine Interferenz zu modellieren (beispielsweise Bluetooth-Interferenzen). Die Bluetooth-Signale können in einem komplexen Basisband generiert werden. Zur Berechnung der Kurtosis werden die Inphase und Quadratur-Komponenten eines jeden Signals berücksichtigt. Das Bluetooth-Signal kann eine Datenrate von 1 Mbps ohne Spreizung aufweisen, was zu einer Bitdauer von ca. 1 μs führt. Ein Datenpaket mit einer Länge von 625 Bits wird für die Simulation zusammengesetzt. Für eine Simulation kann zusätzlich angenommen werden, dass die Pakete in einem einzelnen Zeitintervall übertragen werden (Single Time Slot Pakets). Ein Zeitfenster von ungefähr 272 μs, das ca. 30.000 Abtastpunkten entspricht, wird in dem jeweiligen Detektionsprozess des Berechnungspfades
A1 und A2 können für das experimentelle Setup als Zufallsvariablen der Rayleigh-Streuung mit A1, das einen Parameter von 0 dB aufweist und A2 mit einem Parameter, der zwischen 0 und 20 dB variiert, bestimmt werden. Die Leistung des thermischen Rauschens N ist auf einen Wert von 0 dB normalisiert. Für jeden SINR-Schritt wird eine gewisse Anzahl, bspw. 5.000, 10.000 oder 20.000 Simulationen ausgeführt. Für die weitere Bearbeitung kann bspw. der Median-Wert oder der geometrische Mittelwert der Ergebnisse der Gesamtzahl an Simulationen berücksichtigt werden.A 1 and A 2 can be determined for experimental setup as random variables of Rayleigh scattering with A 1 having a parameter of 0 dB and A 2 with a parameter varying between 0 and 20 dB. The thermal noise power N is normalized to a value of 0 dB. For each SINR step, a certain number, for example 5,000, 10,000 or 20,000 simulations are executed. For further processing, for example, the median value or the geometric mean of the results of the total number of simulations can be taken into account.
Bluetooth-Bluetooth-Interferenzszenarien können so getestet und an eine Softwaredefinierte Funkumgebung (Software Defined Radio-SDR). Zwei Bluetooth-Quellen ohne eine direkte Sichtverbindung (Non Line-Off-Sight – NLOS) werden hierfür auf einem gleichen Kanal interferiert, wobei eine Sendeleistung eines Senders konstant gehalten und eine Sendeleistung des zweiten Signalgenerators variiert wird.Bluetooth Bluetooth interference scenarios can be tested and sent to a software-defined radio environment (Software Defined Radio SDR). For this purpose, two Bluetooth sources without a direct line-of-sight (NLOS) are interfered on a same channel, whereby a transmission power of a transmitter is kept constant and a transmission power of the second signal generator is varied.
Die Vorrichtung
Eine Wertermittlung kann bspw. so erhalten werden, dass für beide Kurven die Leistung einer Quelle konstant gehalten und die Leistung der anderen Quelle variiert wird. Nach Empfang des Signals werden Kurtosis-Werte von Inphase- und Quadratur-Komponenten bestimmt und dann für verschiedene SINR-Werte in MATLAB kombiniert. Dies wird sowohl für die Simulation, wie sie in
Eine zweite, durch rautenförmige Datenpunkte dargestellte Datenreihe zeigt mögliche Ergebnisse eines Experimentes mit Hardware-Komponenten, wie sie beispielsweise durch ein Experiment erhaltbar ist, wie es in
In anderen Worten ändert sich das vierte zentrale Moment, die Kurtosis, auch in Abhängigkeit des Signal- zu Interferenzverhältnisses. Die Kurtosis weist in einem Bereich eines SINR bis hin zu beispielsweise 10 dB signifikante Unterschiede auf, d. h. sie kann beispielsweise zwischen 3,2 und 2,6 variieren, was eine Detektion von Interferenz basierend auf der Kurtosis ermöglichen kann. Der Bereich eines SINR von 0 dB, d. h. Interferenz und Nutzsignal weisen in etwa gleiche Leistung auf, bis hin zu einem SINR von 11 dB kann als relevant eingestuft werden. Beispielsweise kann bei Bluetooth bei einem SINR von größer als 11 dB eine Bitfehlerwahrscheinlichkeit kleiner 0,1% erreicht werden, was für viele Anwendungen ausreichend sein kann. Alternative Ausführungsbeispiele zeigen Anforderungen, die beispielsweise einen relevanten Bereich bis 15, 17 oder 20 dB erfordern und mithin einen derartigen relevanten Bereich definieren. Auch kann beispielsweise bei Betrachtung oder Überwachung eines anderen drahtlosen Übertragungsmediums, wie beispielsweise WLAN oder Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) verschiedene Werte eines Potenzwertes, wie etwa eines Kurtosis-Wertes, in Abhängigkeit eines jeweiligen SINR erhalten werden. In other words, the fourth central moment, the kurtosis, also changes depending on the signal to interference ratio. The kurtosis has significant differences in a range of SINR up to, for example, 10 dB, ie, it may vary, for example, between 3.2 and 2.6, which may allow detection of interference based on the kurtosis. The range of a SINR of 0 dB, ie interference and useful signal have approximately the same power, up to a SINR of 11 dB can be classified as relevant. For example, with Bluetooth, with a SINR greater than 11 dB, a bit error probability of less than 0.1% can be achieved, which may be sufficient for many applications. Alternative embodiments show requirements which, for example, require a relevant range of up to 15, 17 or 20 dB and thus define such a relevant range. Also, for example, when viewing or monitoring another wireless transmission medium, such as WLAN or Wireless Metropolitan Area Network (WMAN), various values of a power value, such as a kurtosis value, may be obtained depending on a particular SINR.
Nachdem ein derartiges Profil erhalten ist, kann ein Schwellwertpunkt auf der Kurve ausgewählt werden. Dieser Schwellwert kann beispielsweise genutzt werden, um empfangene Signale als interferiert oder nicht interferiert zu klassifizieren (basiert auf der Sensitivität des Empfängers). Wird beispielsweise ein minimales SINR von 11 dB benötigt, um eine Bitfehlerrate von ≤ 0,1% für Gleichkanalinterferenz zu erreichen, wie es beispielsweise in [6] beschrieben ist, so kann dies beispielsweise einer Kurtosis von ca. 2,5 auf dem Profil des Graphen entsprechen. In anderen Worten kann jeweils eine Anzahl von Samples, bspw. mit 30.000 empfangenen Abtastpunkten mit einer Kurtosis von mehr als 2,5 als nicht interferiert und angenommen werden, dass eine korrekte Demodulation des Signals mit einer Bitfehlerwahrscheinlichkeit ≤ 0,1% erreichbar ist. Ein empfangenes Sample mit einer Kurtosis von weniger als 2,5 kann als fehlerhaft betrachtet werden, wenn beispielsweise die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nicht den Anforderungen entspricht.After such a profile is obtained, a threshold point on the curve can be selected. This threshold can be used, for example, to classify received signals as being interfered or not interfering (based on the sensitivity of the receiver). For example, if a minimum SINR of 11 dB is needed to achieve a bit error rate of ≤ 0.1% for co-channel interference, as described in [6], for example, this may have a kurtosis of about 2.5 on the profile of the Correspond to graphs. In other words, each time a number of samples, for example with 30,000 received sample points with a kurtosis of more than 2.5, can not be considered as interfering and it can be assumed that a correct demodulation of the signal with a bit error probability ≤ 0.1% can be achieved. A received sample with a kurtosis of less than 2.5 may be considered erroneous if, for example, the bit error probability does not meet the requirements.
In einem Schritt
In anderen Worten zeigt
Wifi-Signale sind beispielsweise WLAN-Signale, welche auf dem 802.11-Standard aufsetzen. Bei kleinen bis sehr kleinen SINR-Werten, d. h. beispielsweise Werte zwischen –50 und –30 dB des SINR beträgt die Kurtosis ca. 1,8, was beispielsweise einem nahezu oder vollständig uninterferierten WLAN-Signal entsprechen kann. Bei steigendem SINR steigt die Kurtosis für die Datenreihen
Eine Interferenzdetektion basierend auf der Kurtosis kann besonders gut bei etwa gleichgroßen Leistungen von Nutzsignalsender und Störer, d. h. bei einem SINR von ca. 0 dB, erfolgen, da hier große Variationen in der Kurtosis vorliegen. Dieser Bereich kann nachrichtentechnisch als ein kritischer oder der kritischste Bereich beschrieben werden, da hier eine Demodulation des Nutzsignals oft oder meist verhindert ist. Eine Detektion von Interferenz in diesem Bereich kann mithin große Vorteile bergen, insbesondere wenn Signalinterferenzen mittels Leistungsbetrachtung von Nutz- und Interferenzsignal von Energiedetektoren nicht oder mangelhaft erkannt werden. Dies kann beispielsweise geschehen, wenn Sendeleistung von Nutzsignalsender und Störer niedrig sind und eine gemeinsame Sendeleistung unterhalb eines Schwellwertes verbleibt. Die Leistungsunabhängigkeit der Kurtosis erlaubt demgegenüber die Interferenzdetektion auch in solchen Fällen.An interference detection based on the kurtosis can be particularly good at about the same size of useful signal transmitter and interferer, d. H. at a SINR of about 0 dB, since there are large variations in the kurtosis. This area can be described as a critical or the most critical area in terms of telecommunications, since demodulation of the useful signal is often or usually prevented here. Detection of interference in this area can therefore offer great advantages, especially if signal interferences are not or poorly detected by means of performance consideration of useful and interference signals of energy detectors. This can happen, for example, if the transmission power of the useful signal transmitter and the interferer are low and a common transmission power remains below a threshold value. In contrast, the performance independence of the kurtosis allows the interference detection even in such cases.
Herleitung der Kurtosis-BeschreibungDerivation of the kurtosis description
Die Kurtosis β eines Signals I kann als definiert werden: The kurtosis β of a signal I can be defined as:
Das Moment vierter Ordnung von I, das ebenfalls mittelwertfrei ist, da es eine Summe mittelwertfreier Zufallsvariablen ist, ist durch mI,4 = E[I4] definiert. Für I4 gilt: werden die Terme gleicher Dimension summiert, so ergibt sich aus obiger Gleichung: The fourth-order moment of I, which is also free of average values because it is a sum mean value-free random variables is given by m I, 4 = E [I 4] defined. For I 4 applies: if the terms of the same dimension are summed up, then the above equation results:
Aufgrund der Linearität des Erwartungswert-Operators ist der Erwartungswert von I4 die Summe der Erwartungswerte der individuellen Komponenten: Due to the linearity of the expectation operator, the expected value of I 4 is the sum of the expected values of the individual components:
X1, X2, A1, A2 und N sind voneinander unabhängig, so dass f1(X1), f2(X2), f3(A1), f4(A2), und f5(N) für beliebige Funktionen f1, f2, f3, f4 und f5 ebenfalls unabhängig voneinander sind. Damit könnte Formel 9 auch geschrieben werden als: X 1 , X 2 , A 1 , A 2 and N are independent of each other such that f 1 (X 1 ), f 2 (X 2 ), f 3 (A 1 ), f 4 (A 2 ), and f 5 (N) for any functions f 1 , f 2 , f 3 , f 4 and f 5 are also independent of each other. So
Da N, X1 und X2 mittelwertfrei sind, reduziert sich Gleichung 10 zu: Since N, X 1 and X 2 are mean free,
A1 und A2 sind Rayleigh-verteilt und weisen Moment zweiter und vierter Ordnung
Das Moment zweiter Ordnung von 1 ergibt sich zu: The second order moment of 1 results in:
Da X1, X2 und N unabhängig voneinander und mittelwertfrei sind, reduziert sich Gleichung 14 zu: Since X 1 , X 2, and N are independent of each other and mean-free,
Eine Quadrierung des Terms ergibt: A squaring of the term yields:
Um schließlich die Kurtosis zu erhalten, wird, wie es für Gleichung A gezeigt ist, das Moment vierter Ordnung durch das Quadrat des Momentes zweiter Ordnung dividiert: womit Gleichung 5 hergeleitet ist.Finally, to obtain the kurtosis, as shown for Equation A, the fourth-order moment is divided by the square of the second-order moment: with which
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. The implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk, or other magnetic disk or optical memory are stored on the electronically readable control signals that can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable. Thus, some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer. The program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.Other embodiments include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer. A further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.In some embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform one of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed by any hardware device. This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
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