DE102021114327B3 - Method of transmitting signals between multiple transmitters and multiple receivers in a wireless communications network - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren zur Übertragung von einzelne Datenpakete aufweisenden Signalen mit einer Trägerfrequenz wird ein potentiell ein Datenpaket enthaltenes Empfangssignal bzgl. seiner Frequenz um mehrere Frequenzversatze verschoben, um jedes dementsprechend verschobene Empfangssignal einer Kennungsbestimmungseinheit zuzuführen, die ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Betrag den Grad der Erkennung der Kennung des Datenpakets repräsentiert. Die Ausgangssignale der Kennungsbestimmungseinheiten werden auf das betragsmäßig größte Ausgangssignal hin untersucht, um dann dieses Ausgangssignal zur Decodierung des Datenpakets weiterzuverarbeiten, sofern der Betrag des Ausgangssignals einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Kennungsbestimmungseinheiten sind beispielsweise jeweils Swiveled Korrelatoren, wodurch eine Bank von Swiveled Korrelatoren entsteht und erfindungsgemäß genutzt wird.In the method for transmitting signals with a carrier frequency that contain individual data packets, a received signal potentially containing a data packet is shifted in terms of its frequency by a number of frequency offsets in order to feed each correspondingly shifted received signal to an identifier determination unit, which generates an output signal whose magnitude reflects the degree of recognition of the Identifier of the data packet represented. The output signals of the identifier determination units are examined for the output signal with the greatest absolute value, in order then to further process this output signal for decoding the data packet if the absolute value of the output signal exceeds a predetermined threshold value. The identifier determination units are, for example, each swiveled correlators, as a result of which a bank of swiveled correlators is created and used according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Signalen mit einer Trägerfrequenz zwischen mehreren Sendern und mehreren Empfängern eines drahtlosen Kommunikationsnetzes, innerhalb dessen einzelne Datenpakete aufweisende Signale in zeitlich nicht-koordinierter Weise von den Sendern zu den Empfängern gesendet werden, wobei jedes Datenpaket eine den Empfängern bekannte Kennung aufweist und die Signale den Empfängern nicht bekannte Trägerfrequenzen aufweisen können.The invention relates to a method for transmitting signals with a carrier frequency between a plurality of transmitters and a plurality of receivers in a wireless communication network, within which signals containing individual data packets are sent from the transmitters to the receivers in a time-uncoordinated manner, with each data packet being known to the receivers Has identifier and the signals may not have carrier frequencies known to the receivers.
Es sei eine Situation betrachtet, in der mehrere Terminals unkoordiniert auf einen gemeinsamen drahtlosen Kommunikationskanal zugreifen, was zu möglichen Kollisionen der von den verschiedenen Terminals übertragenen Signale führt. Die Terminals senden Datenpakete von möglicherweise von beliebiger Länge. Jedes Paket enthält an einer vorbestimmten Position eine bekannte Sequenz oder einen Synchronisationsmarker (nachfolgend auch als Kennung bezeichnet). Diese Sequenz ist den Terminals und den Empfängern bekannt, d. h. sie ist Teil des Datenübertragungsprotokolls. Wenn diese Sequenz am Anfang des Pakets platziert ist, wird sie üblicherweise als Präambelsequenz bezeichnet, obwohl sie auch z.B. an einer anderen vordefinierten Position am Ende des Pakets platziert sein kann; in diesem Fall wird sie manchmal als Postambel bezeichnet.Consider a situation where multiple terminals are accessing a common wireless communication channel in an uncoordinated manner, leading to possible collisions of the signals transmitted by the different terminals. The terminals send packets of data, possibly of any length. Each packet contains a known sequence or synchronization marker (hereinafter also referred to as an identifier) at a predetermined position. This sequence is known to the terminals and the receivers, i. H. it is part of the data transmission protocol. When this sequence is placed at the beginning of the packet, it is usually referred to as a preamble sequence, although it can also be placed at another predefined position at the end of the packet, for example; in this case it is sometimes referred to as a postamble.
Die von den mehreren Terminals (nachfolgend auch als Sender bezeichnet) gesendeten Signale werden von einem oder mehreren Empfängern empfangen. Da die Übertragungen der Terminals nicht koordiniert sind, weiß der Empfänger (oder die Empfänger) a priori nicht, ob das Empfangssignal die Datenübertragung eines der Benutzer enthält. Um festzustellen, ob Übertragungen vorhanden sind, verwendet der Empfänger den Synchronisationsmarker, der, wie bereits erwähnt, a priori bekannt ist.The signals sent from the multiple terminals (hereinafter also referred to as transmitters) are received by one or more receivers. Since the terminals' transmissions are not coordinated, the receiver (or receivers) does not know a priori whether the received signal contains the data transmission of one of the users. In order to determine whether transmissions are present, the receiver uses the synchronization marker, which, as already mentioned, is known a priori.
Dieses Problem wird manchmal auch als Rahmensynchronisationsproblem, Benutzererkennungsproblem oder Paketsuchproblem bezeichnet.This problem is also sometimes referred to as a frame synchronization problem, user detection problem, or packet search problem.
Eine häufig verwendete Technik zur Handhabung dieses Problems ist der Einsatz eines Korrelators am Empfänger, um das Vorhandensein der Synchronisationsmarker im Empfangssignal zu erkennen.A commonly used technique to deal with this problem is to use a correlator at the receiver to detect the presence of the synchronization markers in the received signal.
Das Blockdiagramm eines Korrelators ist in
Hier sei angenommen, dass ein digitales Filter gk nach Abtastung und Quantisierung verwendet wird. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Signalverarbeitung ist jedoch offensichtlich, dass das Empfangsfilter auch im Analogen implementiert werden kann.Here it is assumed that a digital filter g k is used after sampling and quantization. However, it is obvious to a person skilled in the field of signal processing that the receive filter can also be implemented in analog.
Danach berechnet der Empfänger eine (Kreuz)-Korrelation von zk mit dem Synchronisationsmarker ck, mit k = 1,2, ...,L. Dies reduziert sich auf die Filterung von zk mit einem Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR), dessen Impulsantwort durch hk = c*{-k} gegeben ist, um ein Signal zu erhalten, das mit wk bezeichnet sei,
Dieser Ansatz ist zwar nicht optimal (siehe [5]), hat aber eine geringe Komplexität und liefert in der Praxis gute Ergebnisse. Aus diesem Grund wird dieser Ansatz in der überwiegenden Mehrheit der kommerziellen drahtlosen Kommunikationssysteme eingesetzt. Allerdings verschlechtert sich die Leistung schnell, wenn ein Trägerfrequenz-Offset vorhanden ist. Dieser Trägerfrequenz-Offset kann entweder durch Doppler-Verschiebung verursacht werden, wenn sich Sender und Empfänger relativ zueinander bewegen, durch die Instabilität von Oszillatoren am Sender oder Empfänger oder möglicherweise auch durch die Tatsache, dass die Sender ihre Sendefrequenz randomisieren.Although this approach is not optimal (see [5]), it is not very complex and delivers good results in practice. For this reason, this approach is used in the vast majority of commercial wireless communication systems. However, performance degrades quickly when a carrier frequency offset is present. This carrier frequency offset can be caused either by Doppler shift when the transmitter and receiver move relative to each other, by the instability of oscillators at the transmitter or receiver, or possibly by the fact that the transmitters randomize their transmit frequency.
Anstelle eines Korrelators können auch andere Metriken verwendet werden, wie in
Bei Vorhandensein eines großen Frequenz-Offsets ist stattdessen eine robustere Alternative die Verwendung einer Bank von Korrelatoren, die um verschiedene Frequenzen zentriert sind (siehe
Eine zweite Alternative ist die Verwendung eines sogenannten „Swiveled“ Korrelators [siehe 1] und [2], der eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) nutzt und eine geringere Komplexität aufweist. Um das Funktionsprinzip dieses Ansatzes zu veranschaulichen, sei daran erinnert, dass das Synchronisationswort (z. B. Präambel oder Postambel) mit ck bezeichnet wird, mit k = 1,2, ...,L. Das Synchronisationswort wird in M Segmente der Länge L/M aufgeteilt, wobei der Einfachheit halber angenommen wird, dass L durch M geteilt wird, und das i-te Synchronisationswortfragment mit ci,k bezeichnet wird, mit k = 1,2, ...,L/M und i = 1,2, ...,M. Dieser Vorgang ist in
Der Swiveled Korrelator arbeitet dergestalt, dass er zunächst das Empfangssignal y(t) abtastet, um yk zu erhalten. Anschließend wird dieses Signal mit einem angepassten Empfangsfilter (Matched Filter oder Optimalfilter) gk gefiltert, um ein digitales Signal zk zu erhalten,
Hierbei sei angenommen, dass ein digitales Empfangsfilter verwendet wird. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Signalverarbeitung ist jedoch offensichtlich, dass die Filterung auch im Analogen mit anschließender Abtastung und Quantisierung durchgeführt werden kann.It is assumed here that a digital reception filter is used. However, it is obvious to a person skilled in the field of signal processing that the filtering can also be carried out in analog with subsequent sampling and quantization.
Als nächstes wird das Signal zk mit allen Synchronisationswortsegmenten (z. B. Präambel) korreliert. Mit wi,k wird das Ergebnis der Korrelation von zk mit dem i-ten Synchronisationswortsegment bezeichnet
Danach wendet der Empfänger eine Verzögerung von
Als nächstes berechnet der Empfänger eine P-Punkt-FFT von ai,k über den Index i. Somit berechnet der Empfänger
Als nächstes berechnet der Empfänger
Der Swiveled Korrelator zeigt eine gute Leistung, wenn der Frequenz-Offset klein ist; bei einem großen Frequenz-Offset nimmt seine Leistung jedoch ab.The Swiveled Correlator performs well when the frequency offset is small; however, with a large frequency offset, its performance decreases.
Das Gleiche ist bei den in [3] und [4] vorgeschlagenen Techniken zu beobachten, da sie auf der Annahme basieren, dass der Kanal nur Gaußsches Rauschen hinzufügt.The same can be observed with the techniques proposed in [3] and [4] since they are based on the assumption that the channel only adds Gaussian noise.
Nach einer detaillierten Analyse wurde herausgefunden, dass der Grund für diesen Leistungsabfall nichts anderes als die Intersymbolinterferenz (ISI) ist, die durch das angepasste Empfangsfilter gk eingeführt wird.After a detailed analysis, it was found that the reason for this drop in performance is none other than the inter-symbol interference (ISI) introduced by the matched receive filter gk .
In [1] bis [4] wird davon ausgegangen, dass keine ISI vorhanden ist, aber in der Praxis ist immer ein bestimmter Anteil an ISI vorhanden, da das Empfangsfilter nicht an das Sendefilter angepasst ist, wenn ein unbekannter Frequenz-Offset vorliegt.In [1] to [4] it is assumed that there is no ISI, but in practice there is always a certain amount of ISI, since the receive filter is not matched to the transmit filter when there is an unknown frequency offset.
Es sei anzumerken, dass Situationen, in denen ein großer Frequenz-Offset (im Vergleich zur mittleren Trägerfrequenz) vorhanden ist, d. h. wenn bestehende Schemata stark unterdurchschnittlich abschneiden, in der Praxis häufig anzutreffen sind und in vielen Anwendungen an Bedeutung gewinnen. Dies ist zum Beispiel der Fall beim Empfang von Signalen, die von Bodenterminals an LEO-Satelliten gesendet werden. In solche Situationen führt die hohe Geschwindigkeit des Satelliten in Bezug auf ein (festes oder bewegliches) Bodenterminal zu sehr hohen Doppler-Verschiebungen.It should be noted that situations where there is a large frequency offset (compared to the mean carrier frequency), i. H. when existing schemes severely underperform, are common in practice, and gain importance in many applications. This is the case, for example, when receiving signals sent from ground terminals to LEO satellites. In such situations, the high speed of the satellite with respect to a ground terminal (fixed or mobile) results in very high Doppler shifts.
Aufgabe der Erfindung ist es, auch für den Fall, dass die Trägerfrequenzen der Signale in einem größeren Maße abweichen, immer noch eine zuverlässige Kennungsbestimmung, also eine Erkennung der Synchronisationsmarker, möglich ist.It is the object of the invention, even if the carrier frequencies of the signals deviate to a greater extent, to still be able to reliably determine the identifier, ie to identify the synchronization marker.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einer ersten Variante der Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Signalen mit einer Trägerfrequenz zwischen mehreren Sendern und mehreren Empfängern eines drahtlosen Kommunikationsnetzes vorgeschlagen, innerhalb dessen einzelne Datenpakete aufweisende Signale in zeitlich nicht-koordinierter Weise von den Sendern zu den Empfängern gesendet werden, wobei jedes Datenpaket eine den Empfängern bekannte Kennung aufweist und die Signale den Empfängern nicht bekannte nicht bekannte Trägerfrequenzen aufweisen können, wobei bei dem Verfahren
- - empfängerseitig ein potenziell ein Datenpaket enthaltenes Empfangssignal gespeichert wird,
- - das Empfangssignal mit einem ersten Filter gefiltert wird, das einen größeren Frequenzgang als ein auf die Trägerfrequenz abgestimmtes Matched Filter oder Optimalfilter aufweist,
- - dass mittels einer Kennungsbestimmungseinheit des ersten Filters gefilterte Empfangssignal auf die Existenz einer Kennung eines Datenpakets hin untersucht wird,
- - bei erkannter Kennung ein möglicher Offset der Frequenz des Empfangssignals gegenüber der Trägerfrequenz ermittelt wird, und zwar z.B. anhand der Schätzung der Frequenz des gefilterten Empfangssignals mittels eines bekannten Verfahrens aus z.B. der Gruppe der Data-Added-Frequency Schätzverfahren oder durch Verwendung eines Swiveled Korrelators oder einer Korrelatorbank,
- - bei ermitteltem Frequenz-Offset das gespeicherte Empfangssignal hinsichtlich des Frequenz-Offset kompensiert wird und
- - das dergestalt frequenzkompensierte Empfangssignal zum Decodieren des Datenpakets einem zweiten auf die Trägerfrequenz abgestimmten Matched Filter oder Optimalfilter mit sich an dieses anschließender Signalverarbeitungseinheit zugeführt wird.
- - a received signal potentially containing a data packet is stored at the receiver end,
- - the received signal is filtered with a first filter that has a greater frequency response than a matched filter or optimal filter tuned to the carrier frequency,
- - that a received signal filtered by an identifier determination unit of the first filter is examined for the existence of an identifier of a data packet,
- - If the identifier is detected, a possible offset of the frequency of the received signal compared to the carrier frequency is determined, for example by estimating the frequency of the filtered received signal using a known method from, for example, the group of data-added-frequency estimation methods or by using a swiveled correlator or a correlator bank,
- - When the frequency offset is determined, the stored received signal is compensated with regard to the frequency offset and
- - The such frequency-compensated received signal for decoding the data packet is fed to a second matched filter or optimal filter tuned to the carrier frequency with a signal processing unit connected to this.
Bei dieser ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird neben einem Matched Filter (nachfolgend mitunter auch mit Optimalfilter bezeichnet) zusätzlich ein Filter eingesetzt, das einen größeren Frequenzgang aufweist als das auf die Trägerfrequenz abgestimmte Matched Filter. Der Vorteil der Verwendung eines derartigen Filters zur Filterung des Empfangssignals besteht darin, dass die Verzerrungen im gefilterten Empfangssignal auch bei einer größeren Abweichung der Trägerfrequenz des Empfangssignals von der „erwarteten“ Trägerfrequenz, auf die das Matched Filter abgestimmt ist, nicht allzu groß sind, was bedeutet, dass dann immer noch eine Untersuchung auf die Existenz einer Kennung eines Datenpakets im Empfangssignal möglich ist. Bei erkannter Kennung kann dann ein möglicherweise gegebener Offset der Trägerfrequenz des Empfangssignals gegenüber der „erwarteten“ Trägerfrequenz ermittelt werden, und zwar beispielsweise anhand der Schätzung der Frequenz des gefilterten Empfangssignals mittels an sich bekannter Verfahren aus beispielsweise der Gruppe der Data-Added-Frequency Schätzverfahren (beschrieben z.B. in [6]) oder durch Verwendung eines Swiveled Korrelators oder einer Korrelatorbank mit verschiedenen Frequenz-Verschiebungen zugeordneten Korrelatoren.In this first variant of the method according to the invention, a filter is used in addition to a matched filter (hereinafter sometimes also referred to as optimal filter), which has a greater frequency response than the matched filter tuned to the carrier frequency. The advantage of using such a filter to filter the received signal is that the distortions in the filtered received signal are not too great, even if the carrier frequency of the received signal deviates significantly from the "expected" carrier frequency to which the matched filter is tuned, what means that an examination for the existence of an identifier of a data packet in the received signal is still possible. If the identifier is recognized, a possibly given offset of the carrier frequency of the received signal compared to the "expected" carrier frequency can then be determined, for example based on the estimation of the frequency of the filtered received signal using methods known per se from, for example, the group of data-added-frequency estimation methods ( described e.g. in [6]) or by using a swiveled correlator or a correlator bank with correlators assigned to different frequency shifts.
Mit Hilfe des ermittelten Frequenz-Offsets kann dann das zuvor gespeicherte Empfangssignal entsprechend kompensiert werden und das derart frequenzkompensierte Empfangssignal anschließend zur Decodierung des Datenpakets mittels des Matched Filters und einer sich an dieses anschließenden Signalverarbeitungseinheit weiterverarbeitet werden.With the help of the determined frequency offset, the previously stored received signal can then be compensated accordingly and in such a way frequency-compensated received signal are then further processed for decoding the data packet by means of the matched filter and a signal processing unit connected to this.
Die Abweichungen der Frequenz der empfangenen Signale von der „erwarteten“ Trägerfrequenz können verschiedene Ursachen haben. So kann sich beispielsweise aufgrund einer Dopplerverschiebung die Frequenz des empfangenen Signals verschieben. Auch ist es möglich, dass aus welchen Gründen auch immer die Sender mit unterschiedlichen Frequenzen senden.The deviations in the frequency of the received signals from the "expected" carrier frequency can have various causes. For example, due to a Doppler shift, the frequency of the received signal can shift. It is also possible that, for whatever reason, the transmitters transmit with different frequencies.
Hinsichtlich der Randbedingungen, was die Frequenzgänge des Matched Filters (bzw. des Optimalfilters) und des erfindungsgemäß eingesetzten breitbandigeren Filters betrifft, gelten ganz grundsätzlich folgende Überlegungen.With regard to the boundary conditions as far as the frequency responses of the matched filter (or the optimal filter) and the broadband filter used according to the invention are concerned, the following considerations apply quite fundamentally.
Das Matched Filter sollte exakt auf die Sendefrequenz abgestimmt sein, da man ansonsten Inter-Symbol-Interferenzen (ISI) zu erwarten hat. Das Matched Filter muss aber nicht zwingend schmalbandig sein. Die Brandbreite des Matched Filters hängt von der Symbolrate Bs, d.h. von der Anzahl gesendeter Symbole pro Zeiteinheit, und auch von einem Parameter Beta ab, der herkömmlicherweise auch als Low-Off bezeichnet wird und Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Die Brandbreite B des Matched Filters ist dann
Zur Vermeidung von zu großen Inter-Symbol-Interferenzen betrachtet man als einen wesentlichen Faktor die sogenannte normalisierte Frequenzverschiebung
Wenn fd < Beta ist, sind keine oder nur geringe Inter-Symbol-Interferenzen zu erwarten. Wenn hingegen fd > Beta ist, muss mit ausgeprägten Inter-Symbol-Interferenzen gerechnet werden.If fd < beta, little or no inter-symbol interference can be expected. On the other hand, if fd > beta, pronounced inter-symbol interference must be expected.
Hinsichtlich des Frequenzgangs des erfindungsgemäß eingesetzten „breiteren“ ersten Filters gilt nun zweckmäßigerweise, dass dessen Frequenzgang um Fd breiter ist, also ungefähr um die aufgrund beispielsweise von Doppler-Effekten oder anderen Einflüssen maximale zu erwartende Frequenzverschiebung breiter ist (d.h. etwa +/- bis zu 5% oder bis zu 10% oder bis zu 20%), als der Frequenzgang des Matched Filters.With regard to the frequency response of the "broader" first filter used according to the invention, it is expedient that its frequency response is wider by Fd, i.e. wider by approximately the maximum frequency shift to be expected due to Doppler effects or other influences (i.e. approximately +/- up to 5% or up to 10% or up to 20%) than the matched filter frequency response.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung wird mit dieser ein Verfahren zur Übertragung von Signalen mit einer Trägerfrequenz zwischen mehreren Sendern und mehreren Empfängern eines drahtlosen Kommunikationsnetzes vorgeschlagen, innerhalb dessen einzelne Datenpakete aufweisende Signale in zeitlich nicht-koordinierter Weise von den Sendern zu den Empfängern gesendet werden, wobei jedes Datenpaket eine den Empfängern bekannte Kennung aufweist und die Signale den Empfängern nicht bekannte Trägerfrequenzen aufweisen können, wobei bei dem Verfahren
- - ein potenziell ein Datenpaket enthaltendes Empfangssignal durch einen Empfänger empfangen wird,
- - das Empfangssignal bezüglich seiner Frequenz um mehrere Frequenzversatze verschoben wird,
- - jedes um einen Frequenzversatz verschobene Empfangssignal in einem Swiveled Korrelator mit einem auf ein gegenüber der Trägerfrequenz um den Frequenzversatz abgestimmten Matched Filter oder Optimalfilter verarbeitet wird, wobei jeder Swiveled Korrelator ein aus Einzelsignalen zusammengesetztes Ausgangssignal erzeugt,
- - die Ausgangssignale der Swiveled Korrelatoren auf das betragsmäßig größte Ausgangssignal hin untersucht werden und
- - das betragsmäßig größte Ausgangssignal zur Decodierung des Datenpakets weiterverarbeitet wird, wenn der Betrag dieses Ausgangssignal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
- - a received signal potentially containing a data packet is received by a receiver,
- - the frequency of the received signal is shifted by several frequency offsets,
- - each received signal shifted by a frequency offset is processed in a swiveled correlator with a matched filter or optimum filter tuned to the carrier frequency by the frequency offset, with each swiveled correlator generating an output signal composed of individual signals,
- - the output signals of the swiveled correlators are examined for the output signal with the greatest absolute value and
- - the output signal with the greatest absolute value is processed further for decoding the data packet if the amount of this output signal exceeds a predetermined threshold value.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einer Bank von Swiveled Korrelatoren gearbeitet. Derartige Korrelatoren sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Die Ausgangssignale der Swiveled Korrelatoren, bei denen es sich um komplexe Signale handelt, werden hinsichtlich ihrer Beträge auf das betragsmäßig größte Ausgangssignal hin untersucht. Das betragsmäßig größte Ausgangssignal wird dann zur Decodierung des Datenpakets weiterverarbeitet, wobei dieses betragsmäßig größte Ausgangssignal zumindest größer sein sollte als ein vorgegebener Schwellwert.In this method according to the invention, a bank of swiveled correlators is used. Such correlators are known in principle in the prior art. The output signals of the swiveled correlators, which are complex signals, are examined with regard to their magnitudes for the output signal with the greatest magnitude. The output signal with the highest absolute value is then processed further for decoding the data packet, with this output signal with the highest absolute value being at least greater than a predetermined threshold value.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass einander entsprechende Einzelsignale verschiedener Swiveled Korrelatoren zunächst zu Zwischensignalen zusammengefasst und/oder miteinander kombiniert werden, z.B. gewichtet addiert werden und/oder einer Mittelwertbildung unterzogen werden, und dass die Zwischensignale auf das betragsmäßig größte Zwischensignal hin untersucht werden, das somit das betragsmäßig größte Ausgangssignal bildet.In a further advantageous embodiment of the invention, it can be provided that corresponding individual signals from different swiveled correlators are first combined to form intermediate signals and/or combined with one another, e.g. are added in a weighted manner and/or are subjected to an averaging, and that the intermediate signals are based on the intermediate signal with the greatest absolute value are examined, which thus forms the output signal with the greatest magnitude.
Ferner kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass pro Swiveled Korrelator anstelle des Matched Filters oder des Optimalfilters ein Filter verwendet wird, das einen größeren Frequenzgang als das Matched Filter oder das Optimalfilter aufweist. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung handelt es sich um eine Kombination beider bisher diskutierter Varianten der Erfindung. Die Vorteile der Verwendung eines Filters mit größerem Frequenzgang als das Matched Filter pro Swiveled Korrelator sind die gleichen, wie weiter oben im Zusammenhang mit der ersten Variante der Erfindung beschrieben. Auch die Bestimmung des Frequenzgangs dieses anstelle der Matched Filter verwendeten Filter ist so, wie weiter oben beschrieben.Furthermore, it can advantageously be provided that, instead of the matched filter or the optimum filter, a filter is used per swiveled correlator that has a greater frequency response than the matched filter or the optimum filter. This development of the invention is a combination of the two previously discussed variants of the invention. The advantages of using a filter with a larger frequency response than the matched filter per swiveled correlator are the same as described above in connection with the first variant of the invention. The determination of the frequency response of this filter used instead of the matched filter is also the same as described above.
Mit der Erfindung wird schließlich auch noch eine weitere Variante vorgeschlagen, bei der es sich um ein Verfahren zur Übertragung von Signalen mit einer Trägerfrequenz zwischen mehreren Sendern und mehreren Empfängern eines drahtlosen Kommunikationsnetzes handelt, innerhalb dessen einzelne Datenpakete aufweisende Signale in zeitlich nicht-koordinierter Weise von den Sendern zu den Empfängern gesendet werden, wobei jedes Datenpaket eine den Empfängern bekannte Kennung aufweist und die Signale den Empfängern nicht bekannte Trägerfrequenzen aufweisen können, wobei bei dem Verfahren
- - ein potenziell ein Datenpaket enthaltendes Empfangssignal durch einen Empfänger empfangen wird,
- - das Empfangssignal bezüglich seiner Frequenz um mehrere Frequenzversatze verschoben wird,
- - jedes um einen Frequenzversatz verschobene Empfangssignal einer Kennungsbestimmungseinheit zugeführt wird, die ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Betrag den Grad der Erkennung der Kennung des Empfangssignals repräsentiert, wobei es sich bei der Gesamtheit der Kennungsbestimmungseinheiten nicht um die Einheiten einer Korrelationsbank handelt,
- - die Ausgangssignale der Kennungsbestimmungseinheiten auf das betragsmäßig größte Ausgangssignal hin untersucht werden und
- - das betragsmäßig größte Ausgangssignal zur Decodierung des Datenpakets weiterverarbeitet wird, wenn der Betrag dieses Ausgangssignals einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
- - a received signal potentially containing a data packet is received by a receiver,
- - the frequency of the received signal is shifted by several frequency offsets,
- - each received signal shifted by a frequency offset is fed to an identifier determination unit, which generates an output signal whose amount represents the degree of recognition of the identifier of the received signal, the totality of the identifier determination units not being the units of a correlation bank,
- - the output signals of the identifier determination units are examined for the largest output signal in terms of absolute value and
- - The output signal with the highest absolute value is processed further for decoding the data packet if the absolute value of this output signal exceeds a predetermined threshold value.
Es werden also mit der Erfindung verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um die Leistung des Synchronisationswort-Suchblocks (oder Rahmensynchronisationsblocks) zu verbessern. Die Lösungen schließen einander nicht aus und können kombiniert werden.Various solutions are therefore proposed with the invention in order to improve the performance of the sync word search block (or frame sync block). The solutions are not mutually exclusive and can be combined.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 ein Blockdiagramm einer Synchronisationssuche mittels eines Korrelators, -
2 ein Blockdiagramm eines generischen Synchronisationswort-Suchalgorithmus (Rahmensychronisationsalgorithmus), -
3 ein Blockdiagramm einer Synchronisationssuche mittels einer Bank von Korrelatoren, die um verschiedene Frequenzen zentriert sind, -
4 eine Veranschaulichung, wie das Synchronisationswort in M Fragmente aufgeteilt wird, die der Einfachheit halber als gleich lang angenommen werden, -
5 ein Blockdiagramm einer Synchronisationswortsuche mit einem Swiveled Korrelator, -
6 eine Bank von N Swiveled Korrelatoren, kombiniert mit einem maximalen Betrieb, -
7 eine Bank von N Swiveled Korrelatoren, unter Verwendung von Clustering und Kombination, -
8 eine Bank von N generischen Synchronisationswort-Suchblöcken und -
9 Empfängerbetriebskennlinien, 1 - PCD (Wahrscheinlichkeit für eine korrekte Erkennung) in Abhängigkeit von PFA (Wahrscheinlichkeit für einen falschen Alarm) für das System mit einer Präambellänge von 16384 Symbolen,und 3000 Zweigen und drei für eine weitere Suche für den Swiveled Korrelator und wobei die ersten Kurven für einen einzelnen Swiveled Korrelator repräsentativ sind und die letzten beiden Kurven bei vier Swiveled Korrelatoren, parallel gefaltet, gedacht sind, und zwar mit einerSegmentlänge von 1 Symbol (M = L) und einer FFT von 16384 Punkten.
-
1 a block diagram of a synchronization search using a correlator, -
2 a block diagram of a generic synchronization word search algorithm (frame synchronization algorithm), -
3 a block diagram of a synchronization search using a bank of correlators centered around different frequencies, -
4 an illustration of how the synchronization word is divided into M fragments, which for the sake of simplicity are assumed to be of equal length, -
5 a block diagram of a synchronization word search with a swiveled correlator, -
6 a bank of N Swiveled Correlators combined with a maximum operation, -
7 a bank of N swiveled correlators, using clustering and combination, -
8th a bank of N generic sync word search blocks and -
9 Receiver operating characteristics, 1 - P CD (probability of correct detection) versus P FA (probability of false alarm) for the system with a preamble length of 16384 symbols,
Die erste Lösung (Anspruch 1), betrifft die Verwendung eines beliebigen generischen Rahmensynchronisationsalgorithmus während gemäß der zweiten Lösung (Anspruch 2) eine Erweiterung des Swiveled Korrelators vorgeschlagen wird.The first solution (claim 1) relates to the use of any generic frame synchronization algorithm, while according to the second solution (claim 2) an extension of the swiveled correlator is proposed.
Erste LösungFirst solution
Die erste Lösung besteht in der Verwendung eines anderen Empfangsfilters gk. Die oben erwähnte Wahl gk = p*-k ist gerechtfertigt, wenn kein Frequenz-Offset vorhanden ist, da sie in diesem Fall optimal ist. Wenn ein (großer) Frequenz-Offset vorhanden ist, ist die Wahl nicht mehr gerechtfertigt. Wenn der Frequenz-Offset groß ist, ist diese Wahl sogar weit davon entfernt, optimal zu sein.The first solution is to use a different receive filter g k . The choice g k = p* -k mentioned above is justified when there is no frequency offset, since in this case it is optimal. If there is a (large) frequency offset, the choice is no longer justified. If the frequency offset is large, this choice is even far from optimal.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wendet der Empfänger einen beliebigen Rahmensynchronisationsalgorithmus an, jedoch mit einem Empfangsfilter, das nicht an das Sendefilter angepasst ist. Für den Fall, dass das Vorhandensein des Synchronisationswortes erkannt wird, geht der Empfänger zurück zur Sequenz yk und nicht zu zk, wie es bei einem Standard-Synchronisationswort-Suchalgorithmus der Fall ist.According to the present invention, the receiver applies any frame synchronization algorithm, but with a receive filter that is not matched to the transmit filter. In the event that the presence of the sync word is detected, the receiver goes back to the sequence y k and not to z k as is the case with a standard sync word search algorithm.
Sobald das Vorhandensein eines Synchronisationsworts erkannt wurde, wird der Frequenz-Offset in yk geschätzt und kompensiert. Im Falle des Swiveled Korrelators oder der Korrelatorbank kann eine Schätzung des Frequenz-Offsets direkt als Nebenprodukt erhalten werden und ein extra Frequenzschätzungsblock ist möglicherweise nicht erforderlich. Als nächstes wendet der Empfänger ein angepasstes Empfangsfilter (Matched Filter oder Optimalfilter)
- a) dass der Synchronisationswort-Suchblock (Rahmensynchronisation) ein anderes Empfangsfilter verwendet als der Rest der Empfängerverarbeitungskette und
- b) dass das Empfangssignal vor der Empfangsfilterung gespeichert wird.
- a) that the synchronization word search block (frame synchronization) uses a different receive filter than the rest of the receiver processing chain and
- b) that the reception signal is stored before reception filtering.
Im Allgemeinen hilft die Verwendung eines Filters gk mit einem breiteren Frequenzgang als p*-k dabei, den Effekt der ISI bei großen Frequenz-Offsets abzuschwächen. Eine Möglichkeit besteht darin, gk durch Ausführen eines Optimierungsalgorithmus so zu gestalten, dass der Pegel der ISI innerhalb des Bereichs möglicher Frequenz-Offsets im System möglichst konstant gehalten wird.In general, using a filter gk with a wider frequency response than p* -k helps to mitigate the effect of ISI at large frequency offsets. One possibility is to design g k by running an optimization algorithm in such a way that the level of the ISI is kept as constant as possible within the range of possible frequency offsets in the system.
Es sei angenommen, dass pk ein Root-Raised-Cosine-Filter ist, wie es in den meisten Kommunikationssystemen der Fall ist. Mit β wird der Roll-off-Faktor (oder die Überschussbandbreite) von pk bezeichnet. Mit fd wird der normalisierte maximale Trägerfrequenz-Offset bezeichnet, der sich wie folgt ergibt
Eine sinnvolle Wahl für gk ist die Wahl eines Root-Raised-Cosine-Filters mit einem Roll-off-Faktor β' > β. Eine Option ist die Wahl von β' als (ungefähr) β' ≈ β + ƒd. β' dass man etwas größer als zuvor definiert zu wählen, scheint in der Praxis eine gute Option zu sein. Es ist zu beachten, dass dies nur eine Möglichkeit ist und die vorliegende Erfindung jede Ausgestaltung des Filters abdeckt.A sensible choice for g k is to choose a root-raised cosine filter with a roll-off factor β'> β. One option is to choose β' as (approximately) β' ≈ β + ƒ d . β' Choosing something larger than previously defined seems to be a good option in practice. It should be noted that this is only one possibility and the present invention covers any embodiment of the filter.
Zweite LösungSecond solution
Die zweite Lösung besteht in der Verwendung einer Bank von Synchronisationswort-Suchblöcken. Diese Synchronisations-Suchblöcke können, müssen aber nicht, Swiveled Korrelatoren sein. Ein Beispiel für die Verwendung einer Bank von Swiveled Korrelatoren ist in
Eine Bank von N Swiveled Korrelatoren funktioniert wie folgt:
- - Für jeden der N Swiveled Korrelatoren:
- - Bevor das Empfangssignal yk dem i-ten Swiveled Korrelator zugeführt wird, wird das Signal um eine Frequenz ƒi frequenzverschoben.
- - Anschließend wird ein Empfangsfilter angewendet, das an das Sendefilter angepasst sein kann,
- - Anschließend werden Korrelationen mit den M Synchronisationswortfragmenten berechnet, die wi,k ergeben und das Signal entsprechend verzögern, um ai,k zu erhalten.
- - Als nächstes wird eine P-Punkt-FFT von ai,k berechnet, die sn,k, n = 1,2, ...P ergibt. Diese Signale werden als die Ausgangssignale des i-ten Korrelators betrachtet.
- - Als nächstes werden die Ausgangssignale der mehreren Swiveled Korrelatoren miteinander kombiniert, um eine kombinierte Metrik zu erhalten.
- - Schließlich wird durch den Vergleich der kombinierten Metrik entschieden, ob das Synchronisationswort im Empfangssignal bei Abtastung k vorhanden war oder nicht.
- - For each of the N Swiveled Correlators:
- - Before the received signal y k is fed to the i-th swiveled correlator, the signal is frequency-shifted by a frequency ƒ i .
- - A reception filter is then applied, which can be adapted to the transmission filter,
- - Correlations are then calculated with the M synchronization word fragments that give w i,k and delay the signal accordingly to obtain a i,k .
- - Next, a P-point FFT of a i,k is computed that gives s n,k , n = 1,2,...P. These signals are considered to be the output signals of the i-th correlator.
- - Next, the outputs of the multiple Swiveled Correlators are combined together to obtain a combined metric.
- - Finally, by comparing the combined metric, it is decided whether or not the synchronization word was present in the received signal at sampling k.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Ausgangssignale der einzelnen Swiveled Korrelatoren zu kombinieren. Davon werden im Folgenden zwei Möglichkeiten beschrieben.There are different ways to combine the output signals of the individual swiveled correlators. Two options are described below.
Eine erste Möglichkeit ist die Bildung eines Maximums, wie in
Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, die Ausgangssignale der einzelnen Swiveled Korrelatoren zu kombinieren. Eine andere, allgemeinere Möglichkeit ist die Verwendung eines Clustering- und Kombinationsansatzes.However, this is not the only way to combine the output signals of the individual swiveled correlators. Another, more general possibility is to use a clustering and combining approach.
Mit si,n,k, n = 1,2, ...P, i = 1,2, ...,N wird das n-te Ausgangssignal des i-ten Swiveled Korrelators für die Abtastung k bezeichnet. Man kann diese Signale in mehreren Schritten kombinieren:
- 1) Clustern der Ausgangssignale si,n,k, die zu ähnlichen Frequenzen (oder der gleichen Frequenz) gehören. Es ist zu beachten, dass si,n,k der Frequenz
- 2) Kombinieren der verschiedenen Ausgangssignale, die zu demselben Cluster gehören. Dies kann z. B. durch die Verwendung einer gewichteten Summe erreicht werden, was im Folgenden erläutert wird. Es wird angenommen, dass es l Signale gibt, die dem i-ten Frequenz-Cluster zugeordnet sind, und dass mit ri,b,k, b = 1, 2, ... l das b-te Signal des i-ten Frequenz-Clusters für die k-te Abtastung bezeichnet ist. Man kann die Signale kombinieren, indem eine gewichtete Summe berechnet wird
- 3) Schließlich wird eine kombinierte Metrik für die k-te Abtastung berechnet, indem das Maximum unter den Ausgangssignalen der l Frequenz-Cluster genommen wird,
- 1) Clustering the output signals s i,n,k belonging to similar frequencies (or the same frequency). Note that s i,n,k is the frequency
- 2) Combining the different outputs belonging to the same cluster. This can e.g. B. be achieved by using a weighted sum, which is explained below. It is assumed that there are l signals associated with the i-th frequency cluster and that with r i,b,k , b=1,2,...l the b-th signal of the i-th frequency clusters for the kth sample. One can combine the signals by calculating a weighted sum
- 3) Finally, a combined metric for the kth sample is calculated by taking the maximum among the outputs of the l frequency clusters,
Schließlich wird qk mit einem Schwellwert verglichen, um festzustellen, ob das Synchronisationswort vorhanden war oder nicht.Finally, q k is compared to a threshold to determine whether the sync word was present or not.
Es ist zu beachten, dass die Präambel-Suchblöcke keine Swiveled Korrelatoren sein müssen, sondern auch Algorithmen sein können, wie die in [3] und [4] beschriebenen. Diese Algorithmen liefern, wenn sie isoliert verwendet werden, nur Informationen über das Vorhandensein eines Synchronisationsworts, aber keine Schätzung der Frequenzverschiebung.
- - Für jeden der N Synchronisationswort-Suchblöcke:
- - Bevor das Empfangssignal yk dem i-ten Präambel-Suchblock-Korrelator zugeführt wird, wird das Signal um eine Frequenz ƒi frequenzverschoben.
- - Anschließend wird ein Empfangsfilter angewendet, das an das Sendefilter angepasst sein kann,
- - Anschließend wird eine Synchronisationswort-Suchmatrix wi,k berechnet z. B. unter Verwendung der in [3] und [4] beschriebenen Algorithmen.
- - For each of the N sync word search blocks:
- - Before the received signal y k is fed to the i-th preamble search block correlator, the signal is frequency-shifted by a frequency ƒ i .
- - A reception filter is then applied, which can be adapted to the transmission filter,
- - A synchronization word search matrix w i,k is then calculated z. B. using the algorithms described in [3] and [4].
Insbesondere ist wi,k das Ausgangssignal des i-ten Sychronisationssuchblocks für die k-te Abtastung.In particular, w i,k is the output of the i th synchronization search block for the k th sample.
Als nächstes werden die Ausgangssignale jedes einzelnen Synchronisationssuchblocks wi,k verwendet, um eine Metrik
Es ist zu beachten, dass, wenn der Synchronisationssuchblock ein einfacher Korrelator ist, man eine Bank von Korrelatoren erhält, was bekannt ist. Nach der Erfindung sind hier also andere Metriken zu verwenden, wie die in [3] und [4] beschriebenen, so dass man einen anderen Algorithmus erhält.Note that if the sync search block is a simple correlator, one obtains a bank of correlators, which is known. According to the invention, other metrics are to be used here than those described in [3] and [4], so that a different algorithm is obtained.
Die untersten beiden Kurven des Diagramms der
Wie zu sehen ist, ist die Leistung des Standard-Swiveled Korrelators (cyanfarbene Kurve) etwas schlechter als die der parallelen Suche mit 3000 Zweigen. Dennoch ist die Komplexität des Standard-Swiveled Korrelators etwa 90-mal geringer als die der parallelen Suche mit 5000 Zweigen. Die geringere Leistung wird also durch eine deutlich reduzierte Komplexität kompensiert.As can be seen, the performance of the standard Swiveled Correlator (cyan curve) is slightly worse than that of the 3000-branch parallel search. Nevertheless, the complexity of the standard swiveled correlator is about 90 times lower than that of the 5000-branch parallel search. The lower performance is thus compensated by a significantly reduced complexity.
Es sei ferner angemerkt, dass die mit dieser Erfindung erzielte Leistung diejenige des Standard-Swiveled Korrelator übertrifft und nahe an der mit dem parallelen Suchalgorithmus erzielten Leistung liegt. Darüber hinaus ist die Komplexität des in dieser Erfindung beschriebenen Schemas zwischen 100- und 200-mal niedriger. Daher zeigt der in dieser Erfindung beschriebene Algorithmus eine gute Komplexität-Leistung-Trade-off.It should also be noted that the performance obtained with this invention exceeds that of the standard swiveled correlator and is close to the performance obtained with the parallel search algorithm. In addition, the complexity of the scheme described in this invention is between 100 and 200 times lower. Therefore, the algorithm described in this invention shows a good complexity-performance trade-off.
Die vorliegende Erfindung gilt für jedes drahtlose Kommunikationssystem, in dem eine Paketerfassung erforderlich ist. Besonders vorteilhaft ist sie immer dann, wenn Frequenz-Offsets, die nicht vorkompensiert werden können (z. B. aufgrund der Komplexität), das Empfangssignal beeinflussen. Ein Beispiel für Anwendungen mit praktischer und kommerzieller Relevanz ist die maschinelle Kommunikation über Low-Earth-Orbit-Satelliten. In dieser Situation sendet eine möglicherweise große Anzahl von Bodenterminals Datenpakete, die von einem Satelliten gesammelt werden sollen, was häufig auf Random-Access-Protokolle beruht. Eine effiziente Paketerfassung am Empfänger spielt in solchen Systemen eine Schlüsselrolle, um eine gute Leistung zu erreichen, kann aber durch den sehr großen Frequenz-Offset, der durch die Dopplerverschiebung, die durch die Hochgeschwindigkeitsbewegung des Satelliten relativ zu den Sendern verursacht wird, stark behindert werden. Die Erfindung kann jedoch auch auf terrestrische Funksysteme angewendet werden.The present invention applies to any wireless communication system in which packet capture is required. It is particularly advantageous whenever frequency offsets that cannot be pre-compensated (e.g. due to the complexity) affect the received signal. An example of applications with practical and commercial relevance is machine communication via low-earth orbiting satellites. In this situation, a potentially large number of ground terminals send data packets to be collected by a satellite, often relying on random access protocols. Efficient packet detection at the receiver plays a key role in such systems to achieve good performance, but can be severely hampered by the very large frequency offset caused by the Doppler shift caused by the high-speed motion of the satellite relative to the transmitters . However, the invention can also be applied to terrestrial radio systems.
- [1] M. Sust, R. Kaufmann, F. Molitor and G. A. Björnström Rapid acquisition concept for voice activated CDMA communication, Proc. of IEEE Globecom 1990.[1] M Sust, R Kaufmann, F Molitor and GA Björnström Rapid acquisition concept for voice activated CDMA communication, Proc. of IEEE Globecom 1990.
- [2] S. M. Spangenberg, I. Scott, S. Mclaughlin, G. J. R. Povey, D. G. M. Cruickshank, P. M. Grant, An FFT-Based Approach for Fast Acquisition in Spread Spectrum Communication Systems, Wireless Personal Communications Vol. 13, pp 27-56, 2000, Wiley[2] Spangenberg SM, Scott I, Mclaughlin S, Povey GJR, Cruickshank GM, Grant PM, An FFT-Based Approach for Fast Acquisition in Spread Spectrum Communication Systems, Wireless Personal Communications Vol. 13, pp 27-56, 2000 , Wiley
- [3] Choi, Z. Y. and Lee, Y. H.. Frame synchronization in the presence of frequency offset. IEEE Transactions on Communications, Vol. 50, Issue 7, Nov, 2002[3] Choi, Z.Y. and Lee, Y.H.. Frame synchronization in the presence of frequency offset. IEEE Transactions on Communications, Vol. 50, Issue 7, Nov, 2002
- [4] Wuerll, R., Robert, J., Kilian, G., and Heuberger, G, Optimal One-Shot Detection of Preambles with Frequency Offset. Proceedings of the International Symposium on Advanced Networks and Telecommunication Systems (ANTS), Dec. 2018[4] Wuerll, R., Robert, J., Kilian, G., and Heuberger, G, Optimal One-Shot Detection of Preambles with Frequency Offset. Proceedings of the International Symposium on Advanced Networks and Telecommunication Systems (ANTS), Dec. 2018
- [5] J. Massey, „Optimum Frame Synchronization,“ in IEEE Transactions on Communications, vol. 20, no. 2, pp. 115-119, April 1972.[5] J. Massey, "Optimum Frame Synchronization," in IEEE Transactions on Communications, vol. 20, no. 2, pp. 115-119, April 1972.
- [6] U. Mengali and M. Morelli, „Data-aided frequency estimation for burst digital transmission,“ in IEEE Transactions on Communications, vol. 45, no. 1, pp. 23-25, Jan. 1997.[6] U Mengali and M Morelli, "Data-aided frequency estimation for burst digital transmission," in IEEE Transactions on Communications, vol. 45, no. 1, pp. 23-25, Jan. 1997.
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