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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren von einem Sender zu einem Empfänger, wobei in den gesendeten OFDM-Symbolen ein Teil der Subträger Pilotsubträger sind, die mit einem Pilotsignal moduliert sind. Die Erfindung umfasst auch ein entsprechendes Kommunikationssystem.
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Stand der Technik
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Kommunikationssysteme der vierten und fünften Generation verwenden für die drahtlose Übertragung das sogenannte Orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM-Verfahren). Dieses Verfahren ist sehr robust gegen Mehrwegeausbreitung bei gleichzeitig hohen Datenraten. Bei der OFDM-Übertragungstechnik werden die zu übermittelnden Informationen bzw. wird der zu übermittelnde Datenstrom innerhalb des Funkkanals auf mehrere Subkanäle bzw. Subträger aufgeteilt bzw. parallelisiert, wobei die zu übermittelnden Informationen jeweils mit einer relativ geringen Datenrate, jedoch in additiv überlagerter Form parallel übertragen werden. Hierbei wird ausgehend von einem seriellen Datenstrom im Sender für die Modulation der beispielsweise n Subträger eine Seriell/Parallelwandlung durchgeführt, wobei für den zeitlich i-ten OFDM-Block mit der Blocklänge T und dem j-ten Subträger jeweils ein binäres Codewort gebildet, wird. Aus den gebildeten Codewörtern werden mit Hilfe eines senderspezifischen Modulationsverfahrens die entsprechenden komplexen Modulationssymbole – im Folgenden auch als Sendesymbole (oder Datensymbole) bezeichnet – gebildet, wobei zu jedem Zeitpunkt i jedem der k Subträger ein Sendesymbol zugeordnet ist. Durch Multiplikation der Schwingungen der einzelnen Subträger mit den entsprechenden Modulationssymbolen bzw. Datensymbolen und der anschließenden Addition der gebildeten Modulationsprodukte wird das entsprechende zeitdiskrete Sendesignal für den zeitlich i-ten OFDM-Block erzeugt. Dieses Sendesignal wird in abgetasteter, d. h. zeitdiskreter Form durch eine Inverse Diskrete Fourier-Transformation – IDFT direkt aus den Modulationssymbolen bzw. Datensymbolen der einzelnen betrachteten Subträger berechnet.
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Für drahtlose Echtzeitanwendungen, wie z.B. für Industriesteuerungen, werden hohe Datenraten und extrem niedrige Fehlerraten benötigt. Für solche Anwendungen kann das OFDM-Verfahren etwa mit den Parametern des Standards IEEE 802.11 .a/g/n/ac (WLAN) herangezogen werden.
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In diesem Standard werden die Sendesymbole im Frequenzbereich definiert und durch inverse Fouriertransformation in ein Zeitsignal umgewandelt. Die komplexwertigen Datensymbole werden als komplexe Amplituden der einzelnen Subträger übertragen. Bei WLAN transportieren vier Subträger jedoch keine Datensymbole, sondern nach einem bekannten zeitlichen Muster veränderliche Pilotsymbole. Diese Subträger werden auch Pilotsubträger genannt. Sie können im Empfänger zur Frequenzjustierung verwendet werden (d.h. Sender- und Empfängerfrequenz werden aufeinander abgestimmt, um die Demodulation zu ermöglichen). Die Änderung der Piloten nach einem bekannten und wiederkehrenden Muster führt zu einer spektralen Glättung der Piloten, erfordert jedoch eine Pilotmustersynchronisation im Empfänger; dazu ist eine Superframesynchronisation notwendig.
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Die spektralen Positionen der Pilotsubträger bleiben in aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen fix (d.h. unverändert). Mit anderen Worten: Es werden immer die gleichen Subträger für die Pilotsignale verwendet. Die auf die Pilotsubträger modulierten Pilotsignale werden ständig verändert. D.h. das Modulationsmuster der Pilotsubträger verändert sich von einem ODFM-Symbol zu nächsten. Die Modulation erfolgt üblicherweise mittels BPSK (binärer Phasenmodulation). Die sich zeitlich verändernden Phasensequenzen müssen im Empfänger bekannt sein. Die dadurch ebenfalls bedingte Pilotmustersynchronisation im Empfänger steht jedoch dem Echtzeiterfordernis (möglichst geringe Latenz) entgegen.
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Eine Lösung dieser Nachteile, insbesondere für Funksysteme mit Echtzeitanforderung, ist bislang nicht bekannt.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das diese Nachteile nicht aufweist und den Echtzeitanforderungen, insbesondere bei industriellen Anwendungen, gerecht wird, sodass besonders geringe Latenzzeiten erzielt werden können. Dabei sollen hohe Datenraten bei extrem geringer Fehlerrate für drahtlose Anwendungen, z.B. für Industriesteuerungen, ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird mit einem eingangs erwähnten Verfahren dadurch gelöst, dass für zeitlich aufeinanderfolgende OFDM-Symbole des Sendesignals dasselbe bzw. dieselben Pilotsignal(e) verwendet wird/werden, wodurch Pilotsubträger in zeitlich aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen mit demselben Modulationsmuster beaufschlagt sind.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik werden die auf die (reservierten) Pilotsubträger modulierten Pilotsignale von einem OFDM-Symbol zum nächsten nicht verändert. D.h. es werden nur fixe und damit nicht nach einem zeitlichen Muster veränderliche Piloten verwendet. Dieses fixe (bzw. gleichbleibende) Pilotsignal ist im Empfänger bekannt. Dies ermöglicht dem Empfänger eine sofortige Dekodierung der Pilotsignale. Mit der Erfindung ist die Implementierung eines Superframes bzw. einer Superframe-Synchronisation nicht mehr erforderlich. Signalisierungs-Overhead kann gering gehalten werden. Eine Pilotmustersynchronisation erübrigt sich. Der Empfänger kann die Piloten unmittelbar dekodieren und für die Frequenzkorrektur bzw. -justierung verwenden.
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Die Pilotsignale sind somit zeitlich invariant, d.h. sie bleiben über die OFDM-Perioden hin konstant. Der erfindungsgemäße Verzicht auf die Veränderung der Pilotsignale im zeitlichen Verlauf der Datenübertragung erlaubt es, dass der Empfänger die Piloten sofort bzw. unmittelbar dekodieren und für die Frequenzkorrektur bzw. -justierung verwenden kann. Es muss daher keine Superframe-Synchronisation vor der Kommunikationsaufnahme stattfinden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die spektrale Position (d.h. die Trägerfrequenz) der mit demselben Modulationsmuster beaufschlagten Pilotsubträger in aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen des Sendesignals unverändert bleibt. Solche Pilotträger werden auch als feste oder fixe Pilotsubträger bezeichnet. Dies erleichtert die Dekodierung im Empfänger, da die Trägerfrequenz, auf der ein Pilotsignal zu erwarten ist, immer dieselbe bleibt.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die spektrale Position der mit demselben Modulationsmuster beaufschlagten Pilotsubträger in allen OFDM-Symbolen des Sendesignals unverändert bleibt. Die Dekodierung wird dadurch besonders einfach und zuverlässig.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sämtliche mit einem Pilotsignal modulierten Pilotsubträger des Sendesignals mit demselben Modulationsmuster beaufschlagt sind. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da nur ein einziges (Referenz)Pilotsignal im Empfänger hinterlegt sein muss und sämtliche Pilotsubträger mit derselben Referenz ausgewertet werden können.
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Ein besonders einfaches Verfahren ergibt sich auch, wenn das Modulationsmuster, mit dem Pilotsubträger beaufschlagt werden, während der gesamten Datenübertragung unverändert bleibt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass dieses Modulationsmuster, mit dem Pilotsubträger in zeitlich aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen des Sendesignals beaufschlagt sind, im Empfänger hinterlegt ist. Dieses (Referenz)Modulationsmuster erlaubt die unmittelbare Dekodierung des Pilotsignals im Empfänger.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Empfänger anhand der dekodierten Pilotsignale eine Frequenzkorrektur und/oder Frequenzsynchronisation durchgeführt wird.
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In einer Ausführungsform wird das Pilotsignal mittels Phasenmodulation, vorzugsweise mittels binärer Phasenmodulation (BPSK), auf die jeweiligen Pilotsubträger moduliert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass im Empfänger keine Superframe-Synchronisation durchgeführt wird. Dadurch können die Latenzzeiten reduziert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass dem Verfahren ein WLAN-Standard 802.11a/g/n/ac zugrunde liegt. Bei diesem Standard wird ein OFDM-Symbol auf 52 Subträger aufgeteilt, wobei 48 feste Subträger der Übertragung von Dateninformationen und 4 feste (Pilot)Subträger der Übertragung von Pilotsignalen dienen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein Kommunikationssystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Kommunikationssystem einen Sender zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren zu einem Empfänger umfasst, wobei der Sender ein Sendesignal aussenden kann, bei welchem für zeitlich aufeinanderfolgende OFDM-Symbole des Sendesignals dasselbe Pilotsignal verwendet wird, wodurch Pilotsubträger in zeitlich aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen mit demselben Modulationsmuster beaufschlagt sind.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figuren Bezug genommen, aus denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zu entnehmen sind. Dabei zeigt
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1 ein Sendesignal gemäß vorliegender Erfindung,
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2 ein Kommunikationssystem mit Sender und Empfänger,
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3 eine Variante eines Sendesignals gemäß vorliegender Erfindung.
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Ausführung der Erfindung
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Bei einem Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten in Echtzeit mittels Orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren von einem Sender 2 zu einem Empfänger 3 (2) wird in den OFDM-Symbolen 1a–1f des Sendesignals 1 ein Teil der Subträger als Pilotsubträger P1–P4 reserviert. Die Pilotsubträger P1–P4 sind jeweils mit einem Pilotsignal moduliert (1, 3). Für zeitlich aufeinanderfolgende OFDM-Symbole 1a–1f des Sendesignals 1 (in den 1 und 3 entlang eines Zeitpfeils t dargestellt) werden dieselben Pilotsignale verwendet, wodurch Pilotsubträger P1–P4 in zeitlich aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen 1a–1f mit demselben Modulationsmuster A (in 3: A, B, C, D) beaufschlagt sind. Die leeren Kästchen in 1 und 3 sind Datensubträger, denen Datensignale (Nutzsignale) aufmoduliert sind.
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In den dargestellten Ausführungsformen bleibt die spektrale Position der mit demselben Modulationsmuster beaufschlagten Pilotsubträger P1–P4 in aufeinanderfolgenden – hier sogar in allen – OFDM-Symbolen 1a–1f des Sendesignals 1 unverändert (ersichtlich anhand des Frequenzpfeiles f).
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In der bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 sind sämtliche mit einem Pilotsignal modulierten Pilotsubträger P1–P4 des Sendesignals 1 mit demselben Modulationsmuster A beaufschlagt. Das Modulationsmuster A, mit dem Pilotsubträger P1–P4 beaufschlagt werden, bleibt vorzugsweise während der gesamten Datenübertragung unverändert.
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In der Variante aus 3 ist jedem Pilotsubträger P1–P4 ein anderes Modulationsmuster A, B, C, D zugeordnet. Im zeitlichen Verlauf ändern sich diese Modulationsmuster jedoch nicht.
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In 3 ist angedeutet, dass das Modulationsmuster A, oder die Modulationsmuster A, B, C, D, mit dem Pilotsubträger P1–P4 in zeitlich aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen 1a–1f beaufschlagt sind, im Empfänger 3 als Referenz hinterlegt ist. Die Dekodierung der Pilotsignale erfolgt im Dekodier-Abschnitt 5 unter Zuhilfenahme der hinterlegten Referenz. Im Empfänger 3 kann nun anhand der dekodierten Pilotsignale (im Korrektur-Abschnitt 6) eine Frequenzkorrektur und/oder Frequenzsynchronisation durchgeführt werden.
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Die Pilotsignale werden bevorzugt mittels Phasenmodulation, vorzugsweise mittels binärer Phasenmodulation (BPSK), auf die jeweiligen Pilotsubträger moduliert. Da die Pilotsignale sofort bzw. unmittelbar dekodiert werden können, wird im Empfänger 3 keine Superframe-Synchronisation durchgeführt.
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Das Verfahren kann nach einem WLAN-Standard 802.11 durchgeführt werden. Bei diesem Standard wird ein OFDM-Symbol auf 52 (Daten)Subträger aufgeteilt, wobei 48 feste Subträger der Übertragung von Dateninformationen und 4 feste (Pilot)Subträger (hier: P1–P4) der Übertragung von Pilotsignalen dienen.
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Im Folgenden wird das Kommunikationssystem 7 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der 2 erläutert. In einen Eingangsdatenstrom werden senderseitig Pilotsignale eingefügt (Einfügeabschnitt 4). Durch eine Transformation, vorzugsweise IFFT, die das entstehende Signal im Zeitbereich abbildet, wird das Sendesignal generiert. Empfangsseitig wird das Empfangssignal einer Transformation, vorzugsweise einer FFT, unterzogen, die den Abtastbereich im Frequenzbereich abbildet. Es schließen der Dekodier-Abschnitt 5 und der (Frequenz)Korrektur-Abschnitt 6 an.
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Der Sender 2 ist nun dazu eingerichtet, ein Sendesignal 1 auszusenden, bei welchem für zeitlich aufeinanderfolgende OFDM-Symbole 1a–1f dasselbe bzw. dieselben Pilotsignal(e) verwendet werden, wodurch Pilotsubträger P1–P4 in zeitlich aufeinanderfolgenden OFDM-Symbolen 1a–1f mit demselben Modulationsmuster A bzw. A, B, C, D beaufschlagt sind.
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Der Sender 2 enthält neben den schon genannten Elementen einen Digital-Analog-Wandler D/A und einen Frequenzmodulator RF. Der Empfänger 3 enthält neben den schon genannten Elementen einen Frequenzdemodulator RF und einen Analog-Digital-Wandler A/D.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sendesignal
- 1a–1f
- ODFM-Symbol
- 2
- Sender
- 3
- Empfänger
- 4
- Pilotsignal-Einfügeabschnitt
- 5
- Pilotsignal-Dekodierabschnitt
- 6
- Korrekturabschnitt
- 7
- Kommunikationssystem
- P1–P4
- Pilotsubträger
- f
- Frequenz
- t
- Zeit
- A, B, C, D
- Modulationsmuster
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standards IEEE 802.11 .a/g/n/ac [0003]
- WLAN-Standard 802.11a/g/n/ac [0019]
- WLAN-Standard 802.11 [0031]
