DE102021116549A1

DE102021116549A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von über orthogonale Frequenzmultiplexsignale übertragenen Symbolen

Info

Publication number: DE102021116549A1
Application number: DE102021116549.0A
Authority: DE
Inventors: Xiaobei LIU; Yujie Liu; Yong Liang Guan; David González González
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Nanyang Technological University
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH; Nanyang Technological University
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-12-29
Also published as: EP4360267A1; KR20240027011A; WO2022268666A1; CN117882342A

Abstract

Ein OFDM-Empfänger umfasst einen ersten, pilotsignalgestützten Kanalschätzungsblock, dessen Ausgangsignal zusammen mit dem empfangenen Signal einem ersten Entzerrerblock zugeführt wird. Ein Ausgangssignal des ersten Entzerrerblocks wird zusammen mit dem empfangenen Signal einem zweiten, datengestützten Kanalschätzungsblock zugeführt. Ein Ausgangssignal des zweiten Kanalschätzungsblocks wird zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Entzerrerblocks und dem empfangenen Signal einem einstellbaren Interferenzunterdrückungsblock zugeführt. Das Ausgangssignal des Interferenzunterdrückungsblocks und das Ausgangssignal des zweiten Kanalschätzungsblocks werden einem zweiten Entzerrerblock zugeführt. Ein Ausgangssignal des zweiten Entzerrerblocks wird einem Rückabbildnerblock, dem zweiten Kanalschätzungsblock und dem Interferenzunterdrückungsblock zugeführt, um eine iterative Wiederholung der zweiten Kanalschätzung, der Interferenzunterdrückung und der zweiten Entzerrung für ein empfangenes Signal zu ermöglichen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Symbolen, die drahtlos mittels orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM) über einen Kommunikationskanal übertragen werden, der Störungen ausgesetzt ist, insbesondere Störungen, die durch sich bewegende Sender und/oder Empfänger verursacht werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Empfänger, der das Verfahren durchführt.
HINTERGRUND
Bei der mobilen Funkkommunikation, der Radarerfassung und der Satellitenkommunikation stellen Signalverzerrungen im Kommunikationskanal ein erhebliches Problem für die korrekte Dekodierung der empfangenen Signale dar. Zu den Signalverzerrungen können zeitlich veränderliche Kanaleigenschaften gehören, unter anderem die berüchtigten Dopplerverschiebungen oder - spreizungen, d. h. die Frequenzstreuung, die durch sich bewegende Sender, Empfänger oder Signalreflektoren verursacht werden. Nähern sich Sender und Empfänger, erhöht sich die Empfangsfrequenz, und wenn sich der Abstand zwischen Sender und Empfänger vergrößert, verringert sich die Empfangsfrequenz. In Kommunikationssystemen, die Daten mit OFDM übertragen, kann die Frequenzverschiebung aufgrund der relativen Bewegung zwischen Sender und Empfänger dazu führen, dass der frequenzverschobene Träger mit dem benachbarten Träger interferiert, was auch als Interträgerinterferenz bezeichnet wird. Die Interträgerinterferenz kann den gesamten OFDM-Block beeinträchtigen und stellt ein Problem für die Symbolerkennung dar.
Die Signalverzerrung kann auch frequenzselektiv sein und unter anderem durch Mehrwegeausbreitung verursacht werden, d. h., ein Kommunikationskanal kann einer zeitlichen Dispersion unterliegen.
Daher werden reale drahtlose Kanäle im Allgemeinen als doppelt selektive Fading-Kanäle angenommen. Die hohe zeitliche und frequenzmäßige Streuung der doppelt selektiven Kanäle kann das übertragene Signal erheblich verzerren, so dass effiziente Kanalschätzungs- und Entzerrungstechniken erforderlich sind.
In hochmobilen Systemen mit doppelt selektivem Fading zerstört die Fading-Zeitvariation die Orthogonalität zwischen den Unterträgern und führt zu Interferenz zwischen den Trägern, was die Leistung von OFDM-basierten Übertragungssystemen erheblich beeinträchtigt.
Bekanntlich werden in OFDM-Übertragungssystemen verschiedene Symbole eines Übertragungsblocks gleichzeitig auf mehreren Unterträgerfrequenzen übertragen, die voneinander beabstandet sind. zeigt eine beispielhafte Darstellung eines OFDM-Kommunikationssystems. Auf der Senderseite werden serielle Binärdaten in einen Signalabbildner eingegeben, der z. B. ein Signal bereitstellen kann, das nach den Modulationsverfahren BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) oder QAM (Quadrature Amplitude Modulation) moduliert ist. Die komplexen Werte der modulierten Daten werden dann auf einzelne Unterträger abgebildet und stehen somit parallel zur Verfügung (Block: S/P), wobei ein oder mehrere Pilotsignale hinzugefügt oder eingefügt werden können. Die resultierende Gruppe oder der Block von Unterträgern, die die Daten im Frequenzbereich darstellen, werden dann einer inversen Fourier-Transformation unterzogen, z. B. einer inversen diskreten Fourier-Transformation (Block: IDFT). Durch die inverse Fourier-Transformation wird das Signal vom Frequenzbereich in den Zeitbereich transformiert, was praktisch einer Parallel-Serien-Wandlung entspricht (Block: P/S). Schließlich wird ein zyklisches Präfix (Block: CP addieren) hinzugefügt, und das Zeitbereichssignal wird über den doppelt selektiven Kanal (Block: h[n;l). Während der Übertragung über den doppelt selektiven Kanal können Rauschen und Verzerrungen (v[n]) hinzukommen, bevor das Signal beim Empfänger ankommt.
Im Empfänger wird das zyklische Präfix entfernt (Block: S/P & CP entfernen) und die einzelnen Träger werden aus dem empfangenen Signal extrahiert, was in der Regel bedeutet, dass das Signal einer Fourier-Transformation unterzogen wird, z.B. einer diskreten Fourier-Transformation (Block: DFT). Dadurch werden die Unterträger und die darin enthaltenen Informationen parallel, d. h. gleichzeitig, verfügbar. Dieses Signal stellt im Frequenzbereich einen komplexen Vektor Y dar. Der empfangene gesendete Block steht nun für die Kanalschätzung und Entzerrung zur Verfügung, woraufhin die Symbole in Binärdaten umgewandelt und als serieller Binärdatenstrom, d. h. als Nutzlast, bereitgestellt werden können.
Die Dispersion aufgrund der Dopplerspreizung führt dazu, dass ein Empfänger Datensymbole tragende Unterträger innerhalb eines Frequenzbereichs und nicht lediglich auf einer bestimmten Frequenz erkennen können muss. Die Breite der Streuung nimmt z.B. mit der relativen Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger zu.
Ein empfangener gesendeter Block kann im Zeitbereich bspw. als komplexer Signalvektor Ydargestellt werden. Der komplexe Signalvektor Y wird durch den übertragenen komplexen Informationsvektor S der Dimension N × 1 und durch die komplexe N × N Kanalmatrix H bestimmt. Der Signalvektor Y kann also geschrieben werden als $Y = H S + V$
Der komplexe Vektor V der Dimension N × 1 steht für Rauschen und Verzerrungen, die hinzukommen können.
und b) zeigen beispielhafte Darstellungen der Elemente einer Kanalmatrix H ohne und mit Dopplerspreizung. Die in gezeigte Kanalmatrix H ohne Dopplerspreizung ist eine reine Diagonalmatrix, während sich mit Dopplerspreizung die Energie auf der Diagonalen derselben Kanalmatrix H innerhalb einer Dispersionsbreite B_H in Unter- und Überdiagonalen aufspreizt, wie in dargestellt. Mit Dispersion ist nicht mehr zu erwarten, dass die empfangenen Symbole bei einer bestimmten Frequenz zu finden sind, sondern sie können innerhalb der gesamten Dispersionsbreite B_H zu finden sein.
Wie bereits erwähnt, werden in einem typischen Empfänger nach der Umwandlung des im Zeitbereich empfangenen Signals in den Frequenzbereich, z.B. durch Anwendung einer DFT, die Eigenschaften des Kanals in einem Kanalschätzungsblock geschätzt und die Symbole in einem Entzerrerblock erkannt oder bestimmt, bevor sie in eine binäre Datenausgabe zurückabgebildet werden.
Typische Entzerrer, die in OFDM-Empfängern verwendet werden, sind der Kleinste-Quadrate-Entzerrer (englisch: Least-Square; LS), der versucht, Symbole zu erkennen, indem er die euklidische Normalverteilung des Schätzfehlers minimiert, und der MMSE-Entzerrer (Minimum Mean Square Error), der versucht, Symbole zu erkennen, indem er, wie der Name schon sagt, versucht, den Mittelwert der quadrierten Schätzfehler zu minimieren, der MP-Equalizer (Message Passing), der versucht, durch Lösen einer Reihe von Gleichungen die wahrscheinlich übertragenen Nachrichtensymbole in Abhängigkeit von bereits erkannten Nachrichtensymbolen zu erkennen, und der MLSE-Equalizer (maximum likelihood sequence estimation), der versucht, eine Sequenz zu finden, die der übertragenen Sequenz am nächsten kommt.
Die Komplexität von LS-, MMSE- oder MP-Entzerrern ist zwar geringer als die Komplexität eines MLSE-Entzerrers, doch bieten sie auch eine geringere Performance, die sich in einer hohen Bitfehlerrate äußern kann. Die hohe Komplexität des MLSE-Entzerrers, die mit B_H, exponentiell ansteigt, wird jedoch nicht durch seine überlegene Performance unter idealen Bedingungen ausgeglichen, was den Einsatz von MLSE-Entzerrern in Übertragungssystemen mit hoher Dopplerspreizung praktisch verbietet.
Es wurden verschiedene Ansätze vorgeschlagen, um die nachteiligen Auswirkungen der Zeit- und Frequenzstreuung in OFDM-basierten Übertragungssystemen zu beheben.
Zum Beispiel schlagen I. Barhumi und M. Moonen, in „MLSE and MAP equalization for transmission over doubly selective channels“, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 58, no. 8, pp. 4120-4128, Oct. 2009, ein iteratives Kanalschätzungs- und Entzerrungsverfahren für OFDM-Signale vor, die über doppelt selektive Kanäle übertragen werden, das als komplex-exponentielles Basis-Expansionsmodell (CE-BEM) modelliert ist.
In „Pilot-assisted time-varying channel estimation for OFDM systems“, IEEE Trans. Signal Process, vol. 55, no. 5, pp. 2226-2238, May 2007, schlagen Z. Tang, R. C. Cannizzaro, G. Leus und P. Banelli ein pilotsignalgestütztes zeitvariantes Kanalschätzungsverfahren für doppelt selektive Kanäle vor, die durch CE-BEM modelliert werden, und die Nutzung eines MMSE-Equalizers für die Symboldetektion.
Ein strukturiertes, verteiltes Compressive-Sensing-Verfahren, das die geringe Dichte von doppelt selektiven Kanälen im Verzögerungsbereich ausnutzt, wird von P. Raviteja, K. T. Phan, Y. Hong und E. Viterbo in „Interference Cancellation and Iterative Detection for Orthogonal Time Frequency Space Modulation“, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 17, no. 10, pp. 6501-6515, Oct. 2018, doi: 10.1109/TWC.2018.2860011 vorgeschlagen.
Ein iteratives Kanalschätzungs- und Entzerrungsverfahren für MIMO-OFDM-Signale, die über doppelt selektive Kanäle übertragen werden, wird von K. Zhong, X. Lei und S. Q. Li in „Iterative channel estimation and data detection for MIMO-OFDM systems operating in time-frequency dispersive channels under unknown background noise“, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2013, 2013:182 vorgeschlagen.
Allerdings weisen alle bekannten Kanalschätzungs- und Entzerrungsmechanismen eine relativ hohe Komplexität oder eine alles andere als optimale Performance bezüglich der Bitfehlerrate auf.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein iteratives Verfahren niedriger Komplexität zur Bestimmung von Symbolen bereitzustellen, die in einem Übertragungsblock über einen doppelt selektiven OFDM-Übertragungskanal übertragen werden, welches eine verbesserte Bitfehlerrate aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Empfänger bereitzustellen, der das Verfahren implementiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren und die in Anspruch 7 beschriebene Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung von Symbolen bereitgestellt, die in einem Übertragungsblock über einen drahtlosen Kanal unter Verwendung von orthogonalem Frequenzmultiplexing, im Folgenden OFDM-Übertragungskanal genannt, übertragen werden. Der Übertragungsblock umfasst mindestens einen Daten-Teilblock und mindestens einen Pilotsignal-Teilblock. Der Pilotsignal-Teilblock und der Daten-Teilblock enthalten jeweils mindestens eine Trägerfrequenz. Im Falle von mehr als einem Daten-Teilblock und/oder Pilotsignal-Teilblock können der Pilotsignal-Teilblock und der Daten-Teilblock gemultiplext werden, wie in der Frequenzbereichsdarstellung von gezeigt.
Der in dargestellte beispielhafte Übertragungsblock besteht aus drei Teilblöcken, die jeweils einen Daten-Teilblock und einen Pilotsignal-Teilblock enthalten. Jeder Pilotsignal-Teilblock enthält ein Pilotsignal in der Mitte, der von einer Reihe von Null-Unterträgern auf beiden Seiten umgeben ist. Die Platzierung von Null-Unterträgern auf beiden Seiten des Pilotsignals ist bei Hochgeschwindigkeits-Fading notwendig, da andernfalls die Dopplerspreizung zu Interferenzen zwischen Pilotsignal und Daten führt und das OFDM-Signal verzerrt, was die Kanalschätzung verschlechtert. Optimierte Positionen des Pilotsignals (in der Abbildung nicht dargestellt) können die Kanalschätzungsleistung weiter verbessern.
Das Verfahren umfasst das Empfangen eines über den OFDM-Kommunikationskanal übertragenen Übertragungsblocks im Frequenzbereich und die Anwendung einer pilotsignalgestützten ersten Kanalschätzungsfunktion auf dem empfangenen Übertragungsblock im Frequenzbereich. Der empfangene Übertragungsblock kann zuvor aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich konvertiert worden sein, z.B. indem er einer diskreten Fourier-Transformationsfunktion (DFT) unterzogen wird. Das Ausgangssignal der ersten Kanalschätzungsfunktion ist ein Satz von Kanalfrequenzantwortkoeffizienten.
Bei dem Verfahren werden der empfangene Übertragungsblock und das Ausgangssignal der pilotsignalgestützten ersten Kanalschätzungsfunktion einer ersten Kanalentzerrerfunktion zugeführt, um die im empfangenen Übertragungsblock übertragenen Datensymbole zu schätzen. Ein Ausganagssignal der ersten Kanalentzerrerfunktion ist ein Satz von geschätzten Symbolen der ersten Iteration. Der Satz der geschätzten Datensymbole in dieser ersten Iteration umfasst mindestens ein geschätztes Symbol und liefert möglicherweise nicht für alle Symbole gültige Schätzungen.
In einem nächsten Schritt des Verfahrens werden der empfangene Übertragungsblock und der Satz der in der ersten Iteration geschätzten Symbole einer datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion zugeführt, was den Beginn einer neuen Iteration darstellt. Die zweite und weitere Iterationen verwenden nicht die erste Kanalschätzungsfunktion oder die erste Kanalentzerrerfunktion, die in der allerersten Iteration aufgerufen wurden, sondern verwenden wiederholt eine andere Kanalschätzung und eine andere Kanalentzerrerfunktion als in der ersten Iteration, zusammen mit einer einstellbaren Interferenzunterdrückungsfunktion.
Die pilotsignalgestützte erste und die datengestützte zweite Kanalschätzungsfunktion können ein Basis-Expansionsmodell anwenden, das eine Anzahl von zeitvariablen Kanalkoeffizienten in eine kleinere Anzahl von zeitinvarianten Basis-Expansionsmodellkoeffizienten umwandelt. Basis-Expansionsmodell-Algorithmen für die Kanalschätzung können ein überabgetastetes Basis-Expansionsmodell beinhalten, das bekannt dafür ist, den Modellierungsfehler auf Kosten einer erhöhten Rauschempfindlichkeit zu reduzieren.
Die Symbole aus dem Satz der der in der ersten Iteration geschätzten Symbole werden als Pseudo-Pilotsymbole verwendet, so dass eine Kanalschätzung für Unterträger durchgeführt werden kann, die keinen echten Pilotton haben. Die datengestützte zweite Kanalschätzungsfunktion kann somit eine Kanalschätzung auf der Grundlage eines größeren Satzes bekannter Pilotsymbole und geschätzter Symbole durchführen, wodurch die Genauigkeit der Kanalschätzung verbessert wird. Das Ausgangssignal der datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion ist ein Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten für die aktuelle Iteration.
Anschließend werden der empfangene Übertragungsblock, der Satz der in der ersten Iteration geschätzten Symbole und das Ausgangssignal der datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion einer einstellbaren Interferenzunterdrückungsfunktion zugeführt. Das Ausgangssignal der Interferenzunterdrückungsfunktion ist eine Repräsentation des empfangenen Übertragungsblocks mit reduzierter oder zumindest teilweise entfernter Interträgerinterferenz im empfangenen Übertragungsblock.
Die Interferenzunterdrückungsfunktion kann erst aufgerufen werden, wenn der Satz der in der ersten Iteration geschätzten Symbole verfügbar ist, da für eine korrekte Interferenzunterdrückung die übertragenen Symbole bekannt sein müssen. Da die gesendeten Symbole beim Empfänger normalerweise nicht von Anfang an bekannt sind, werden bei der Erfindung auch die Datensymbole aus dem Satz der in der ersten Iteration geschätzten Symbole zusammen mit den bekannten Piloten als Approximation der gesendeten Symbole für die Interferenzunterdrückung verwendet.
Das Ausgangssignal der Interferenzunterdrückungsfunktion und das Ausgangssignal der datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion werden dann einer zweiten Entzerrerfunktion zugeführt, um die im empfangenen Übertragungsblock gesendeten Symbole zu schätzen. Das Ausgangssignal der zweiten Entzerrerfunktion ist ein Satz von geschätzten Symbolen der i-ten Iteration, wobei i größer als 1 ist, wobei jeder Satz von geschätzten Symbolen der i-ten Iteration den Satz der geschätzten Symbole der vorherigen Iteration als Teilmenge enthalten kann. Symbole in dem Satz der geschätzten Symbole aus der vorherigen Iteration können in jeder Iteration ersetzt oder aktualisiert werden.
In einer nächsten Iteration werden das Ausgangssignal der zweiten Entzerrerfunktion und der empfangene Übertragungsblock der datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion bzw. der Interferenzunterdrückungsfunktion zugeführt. Diese Iteration wird so lange wiederholt, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erfüllt ist. Die Sätze von geschätzten Symbolen früherer Iterationen liefern möglicherweise nicht für alle Symbole gültige Schätzungen, und nachfolgende Iterationen können immer vollständigere Sätze von geschätzten Symbolen liefern.
Die vorgegebene Abbruchbedingung kann z.B. erfüllt sein, wenn alle Symbole ordnungsgemäß empfangen wurden und fehlerfrei in binäre Ausgangsdaten umgewandelt werden können, oder wenn genügend Symbole für die Umwandlung und Rekonstruktion binärer Ausgangsdaten anhand einer Vorwärtsfehlerkorrektur empfangen wurden, oder wenn eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen erreicht wurde, oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert in vorteilhafter Weise einen ersten Entzerrer, vorzugsweise mit geringer Komplexität oder geringer Performance, der eine Anfangs-Eingangsgröße für eine datengestützte Kanalschätzung bereitstellt und nutzt die Anfangs-Eingangsgröße und die Ausgangsgröße der datengestützten Kanalschätzung zur Durchführung einer einstellbaren Interferenzunterdrückung des empfangenen Signals, bevor eine Repräsentation des empfangenen Signals mit reduzierter oder zumindest teilweise entfernter Interferenz und die neueste Kanalschätzung einem zweiten Entzerrer zugeführt wird, der auch ein Entzerrer mit einer höheren Komplexität oder einer höheren Leistung sein kann. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass der Nachteil, unter anderem in Bezug auf die Geschwindigkeit, der typischerweise mit komplexeren oder hochperformanten Entzerrern verbunden ist, weitgehend von der Größe der Signaldispersion abhängt, wie sie in doppelt selektiven Übertragungskanälen zu finden ist, und welche durch einstellbare Interferenzunterdrückung niedrig gehalten werden kann. Die iterative Wiederholung der Kanalschätzung, der einstellbaren Interferenzunterdrückung und der hochkomplexen oder hochperformanten Entzerrung kann schnell zu einem konvergierenden Satz von geschätzten Symbolen führen, dessen BER niedrig genug ist, um ihn in eine binäre Datenausgabe rückabzubilden.
Die erste Entzerrerfunktion hat vorzugsweise eine Rechenkomplexität oder Performance, die geringer ist als die Rechenkomplexität oder Performance der zweiten Entzerrerfunktion. Der erste Entzerrer kann einfacher aufgebaut oder weniger genau sein als der zweite Entzerrer. Die Rechenkomplexität kann in diesem Zusammenhang als die Anzahl der Operationen betrachtet werden, die erforderlich sind, um zu einem Ergebnis zu gelangen. Die rechnerische Komplexität kann von einer Anzahl möglicher Sätze von Symbolen abhängen, die analysiert werden müssen, wobei jedem Symbol in einem Satz von Symbolen eine Wahrscheinlichkeit zugewiesen wird, um einen wahrscheinlichsten Satz von Symbolen zu erhalten. Es ist leicht ersichtlich, dass eine höhere Anzahl möglicher Sätze von Symbolen mehr Berechnungen erfordert als eine geringere Anzahl. Der Rechenaufwand für eine identische Anzahl möglicher Sätze von Symbolen kann sich jedoch je nach der verwendeten Entzerrer-Funktion erheblich unterscheiden, da z.B. bei einigen Entzerrer -Funktionen die Anzahl der Operationen logarithmisch mit der Anzahl möglicher Sätze von Symbolen ansteigen kann, während sie bei anderen exponentiell ansteigen kann. Die Performance kann als Maß für die Genauigkeit des Ergebnisses der Schätzung der Symbole angesehen werden, oder welche Wahrscheinlichkeit einem geschätzten Symbol zugeordnet werden kann. Eine niedrige Performance kann zu einer geringeren Genauigkeit bei der Schätzung führen, oder die Ergebnisse der Schätzung können eine geringere Wahrscheinlichkeit haben, richtig zu sein, aber das Ergebnis kann schneller verfügbar sein. Eine hohe Performance kann mit einer höheren Genauigkeit der Ergebnisse verbunden sein, oder die Ergebnisse können eine höhere Wahrscheinlichkeit haben, richtig zu sein.
In einer oder mehreren Ausführungsformen implementiert die erste Entzerrerfunktion einen Message-Passing- (MP) oder einen Minimum Mean Square Error (MMSE)-Equalizer.
In einer oder mehreren Ausführungsformen implementiert die zweite Entzerrerfunktion einen MLSE-Entzerrer (Maximum Likelihood Sequence Estimation).
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Interferenzunterdrückungsfunktion dazu eingerichtet, die Interträgerinterferenz auf von Null verschiedenen Subdiagonalen und Superdiagonalen der Kanalmatrix H im Frequenzbereich zu unterdrücken und die Kanalmatrix H in eine bandförmig begrenzte Diagonalmatrix H_b mit einer einstellbaren Dispersionsbreite B_Hb. umzuwandeln, die kleiner ist als die der ursprünglichen Kanalmatrix H. Ein kleinerer Wert von B_Hb verringert die Komplexität des MLSE-Equalizers auf Kosten einer geringen Performance-Verschlechterung und umgekehrt. Da jedoch das Ausgangssignal der zweiten Entzerrerfunktion iterativ an die zweite Kanalschätzungsfunktion weitergegeben wird, kann eine kontrollierte Anpassung der Dispersionsbreite B_Hb der bandförmig begrenzten Diagonalmatrix H_b, die bei jeder Iteration von der Interferenzunterdrückung ausgegeben wird, dazu beitragen, dass in der nächsten Iteration verbesserte Kanalfrequenzgangkoeffizienten bereitgestellt werden, was wiederum eine verbesserte Interferenzunterdrückung ermöglichen kann, die schließlich dazu beiträgt, dass die zweite Entzerrerfunktion schneller Ergebnisse liefert.
Ein erfindungsgemäßer OFDM-Empfänger verfügt über einen ersten Kanalschätzungsblock, der dazu eingerichtet ist, anhand eines empfangenen Übertragungsblocks eine pilotsignalgestützte Kanalschätzung im Frequenzbereich durchzuführen. Ein Ausgangsignal des ersten Kanalschätzungsblocks, bei dem es sich um einen Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten handelt, wird zusammen mit dem empfangenen Signal im Frequenzbereich einem ersten Entzerrerblock zugeführt, der dazu eingerichtet ist, im Frequenzbereich eine Symboldetektionsfunktion auf den empfangenen Übertragungsblock anzuwenden. Der Übertragungsblock kann zuvor vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umgewandelt worden sein, z. B. in einem Block, der eine Fourier-Transformationsfunktion auf ein im Zeitbereich empfangenes Signal anwendet. Das Ausgangssignal des ersten Entzerrerblocks, bei dem es sich um einen Satz von geschätzten Symbolen der ersten Iteration handelt, wird zusammen mit dem empfangenen Signal im Frequenzbereich einem zweiten Kanalschätzungsblock zugeführt. Der zweite Kanalschätzungsblock führt eine datengestützte Kanalschätzung durch und gibt einen Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten der zweiten Iteration an einen Block zur einstellbaren Interferenzunterdrückung aus, dem außerdem den Satz von geschätzten Symbolen der ersten Iteration vom ersten Entzerrerblock und das empfangene Signal im Frequenzbereich zugeführt werden. Der Block zur einstellbaren Interferenzunterdrückung ist dazu eingerichtet, eine Repräsentation des empfangenen Übertragungsblocks mit reduzierter oder zumindest teilweise entfernter Interträger-Interferenz zu bestimmen und auszugeben. Das Ausgangssignal des Blocks zur einstellbaren Interferenzunterdrückung und der Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten der zweiten Iteration werden einem zweiten Entzerrerblock zugeführt, der dazu eingerichtet ist, Symbole in der von dem Block zur Interferenzunterdrückung ausgegebenen Repräsentation des empfangenen Signals im Frequenzbereich zu schätzen. Das Ausgangssignal des zweiten Entzerrerblocks ist ein Satz von geschätzten Symbolen der i-ten Iteration, wobei i größer als 1 ist. Jeder Satz von geschätzten Symbolen der i-ten Iteration kann den Satz der geschätzten Symbole der vorherigen Iteration als Teilmenge enthalten. Das Ausgangssignal des zweiten Entzerrerblocks wird dem zweiten Kanalschätzungsblock und dem Block zur Interferenzunterdrückung zugeführt, um die Kanalschätzung, die Interferenzunterdrückung und die Symbolschätzung iterativ zu wiederholen. Das Ausgangssignal des zweiten Entzerrerblocks wird auch einem Signal-Rückabbildnerblock zur Verfügung gestellt, um die empfangenen Symbole in Binärdaten umzuwandeln.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des OFDM-Empfängers ist der Block für die pilotsignalgestützte erste Kanalschätzung und/oder der Block für die datengestützte zweite Kanalschätzung dazu eingerichtet, eine Funktion auszuführen, die ein Basisexpansionsmodell zugrunde legt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des OFDM-Empfängers ist der erste Entzerrerblock dazu eingerichtet, eine Message-Passing- oder eine Minimum Mean Square Error (MMSE)-Entzerrerfunktion anzuwenden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen des OFDM-Empfängers ist der zweite Entzerrerblock dazu eingerichtet, eine MLSE-Entzerrerfunktion (Maximum Likelihood Sequence Estimation) anzuwenden.
Die einzelnen Blöcke des erfindungsgemäßen OFDM-Empfängers können in Software, die auf einem Allzweckcomputer läuft, in spezieller Hardware oder in Kombinationen davon implementiert sein. Ein Computerprogrammprodukt umfasst Computerprogrammanweisungen, die, wenn sie von einem Mikroprozessor ausgeführt werden, den Computer veranlassen und/oder die dedizierte Hardware dazu ansteuern, das Verfahren gemäß einer oder mehrerer der hier vorgestellten Ausführungsformen der Erfindung auszuführen.
Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Medium oder Datenträger gespeichert sein. Das Medium oder der Datenträger kann physisch verkörpert sein, z. B. in Form einer Festplatte, einer Solid-State-Disk, einer Flash-Speichereinrichtung oder dergleichen. Das Medium oder der Datenträger kann aber auch ein moduliertes elektromagnetisches, elektrisches oder optisches Signal umfassen, das vom Computer mittels eines entsprechenden Empfängers empfangen und in einen Speicher des Computers übertragen und dort gespeichert wird.
Figurenliste
Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen

1 eine beispielhafte Darstellung eines OFDM-Kommunikationssystems zeigt,
2 a), 2 b) beispielhafte Darstellungen von Elementen einer Kanalmatrix H ohne und mit Dopplerspreizung zeigt,
3 einen beispielhaften Übertragungsblock mit Daten- und Pilotteilblöcken in einer Frequenzbereichsdarstellung zeigt,
4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt,
5 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Empfängers gemäß der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die 1, 2 a), 2 b) und 3 wurden bereits weiter oben beschrieben und werden hier nicht noch einmal behandelt.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens 100. In Schritt 102 wird ein über den OFDM-Übertragungskanal gesendeter Übertragungsblock im Frequenzbereich empfangen, d.h., nach einer Fourier-Transformation und dem Entfernen des zyklischen Präfixes in Schritt 101. In Schritt 104 wird eine pilotsignalgestützte erste Kanalschätzung für den empfangenen Übertragungsblock durchgeführt. Das Ausgangssignal der Kanalschätzung ist ein Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten für den Übertragungskanal. In Schritt 106 werden der empfangene Übertragungsblock und die Kanalfrequenzgangkoeffizienten für den Übertragungskanal einer ersten Kanalentzerrerfunktion unterzogen. Das Ausgangssignal der ersten Kanalentzerrerfunktion ist ein Satz von geschätzten Symbolen der ersten Iteration, die in Schritt 108 zusammen mit dem empfangenen Übertragungsblock einer datengestützten zweiten Kanalschätzfunktion zugeführt werden. Das Ausgangssignal der datengestützten zweiten Kanalschätzfunktion ist ein weiterer Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten, der auch als Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten der zweiten Iteration bezeichnet wird, da dies die zweite Kanalschätzung ist. In Schritt 110 werden der Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten der zweiten Iteration und der Satz von geschätzten Symbolen der ersten Iteration einer einstellbaren Interferenzunterdrückungsfunktion unterzogen, die eine Repräsentation des empfangenen Übertragungsblocks mit reduzierter oder zumindest teilweise entfernter Interträgerinterferenz ausgibt. Als nächstes werden in Schritt 112 die Repräsentation des empfangenen Übertragungsblocks, die von der Interferenzunterdrückungsfunktion ausgegeben wird, und der Satz von Kanalfrequenzgangkoeffizienten der zweiten Iteration einer zweiten Entzerrerfunktion zugeführt. Das Ausgangssignal der zweiten Entzerrerfunktion ist ein Satz von geschätzten Symbolen der zweiten Iteration, da dies das zweite Mal ist, dass eine Symbolbestimmung an dem empfangenen Übertragungsblock oder einer Repräsentation davon durchgeführt wurde. In Schritt 114 prüft das Verfahren, ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist. Ist die Abbruchbedingung nicht erfüllt, „Nein“-Zweig von Schritt 114, werden der Satz von geschätzten Symbolen der zweiten Iteration und der empfangene Übertragungsblock der datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion in Schritt 108 zugeführt, und das Verfahren wird in einer weiteren Iteration wiederholt, bis die Abbruchbedingung erfüllt ist. In diesem Fall, dem „Ja“-Zweig von Schritt 114, kann der Satz der in der letzten Iteration geschätzten Symbole in Schritt 116 einem Signal-Rückabbildner zur Erzeugung eines binären Ausgangssignals zugeführt werden.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften erfindungsgemäßen OFDM-Empfängers 200. Ein empfangener Übertragungsblock Y[k] wird einem ersten, pilotsignalgestützten Kanalschätzungs-Funktionsblock PACE und einem ersten Entzerrer-Funktionsblock EQ1/MP zugeführt, der auch das Ausgangssignal des ersten pilotsignalgestützten Kanalschätzungs-Funktionsblocks PACE empfängt. Das Ausgangssignal des ersten Entzerrer-Funktionsblocks EQ1/MP wird einem Interferenzunterdrückungs-Funktionsblock IC und einem zweiten, datengestützten Kanalschätzungs-Funktionsblock DACE zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten, datengestützten Kanalschätzungs-Funktionsblocks DACE wird ebenfalls dem Interferenzunterdrückungs-Funktionsblock IC zugeführt. Das Ausgangssignal des Interferenzunterdrückungs-Funktionsblocks IC wird einem zweiten Entzerrer-Funktionsblock EQ2/MLSE zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Signal-Rückabbildner (in der Abbildung nicht dargestellt), dem Interferenzunterdrückungs-Funktionsblock IC und dem zweiten, datengestützten Kanalschätzungs-Funktionsblock DACE zugeführt wird, was eine iterative Verbesserung der Kanalschätzung, der Interferenzunterdrückung und der Entzerrung ermöglicht.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine Signaldetektion, die eine geringe Gesamtkomplexität aufweist und somit niedrige Hardwarekosten und einen geringen Energieverbrauch ermöglicht. Darüber hinaus bieten das Verfahren und die Vorrichtung eine schnelle Konvergenz der Signaldetektion, was eine geringe Verzögerung der Signalverarbeitung ermöglicht.
Das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung können in zukünftigen 6G-Kommunikationssystemen nützlich sein und können auch in leicht modifizierten 5G-Netzen eingesetzt werden

Claims

Verfahren (100) zum Bestimmen von Symbolen, die in einem Übertragungsblock (S[k]) über einen drahtlosen Kanal mittels orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM-Übertragungskanal) übertragen werden, wobei der Übertragungsblock (S[k]) mindestens einen Daten-Unterblock und mindestens einen Pilotsignal-Unterblock enthält, umfassend: a) Empfangen (102) eines über den OFDM-Übertragungskanal übertragenen Übertragungsblocks (Y[k]) im Frequenzbereich, b) Anwenden (104) einer pilotsignalgestützten ersten Kanalschätzungsfunktion (PACE) auf den empfangenen Übertragungsblock (Y[k]), c) Zuführen (106) des empfangenen Übertragungsblocks (Y[k]) und des Ausgangssignals (ĥ_q(l)₁) der pilotsignalgestützten ersten Kanalschätzungsfunktion (PACE) zu einer ersten Kanalentzerrerfunktion (EQ1/MP), wobei ein Ausgangssignal der ersten Kanalentzerrerfunktion (EQ1/MP) ein Satz von geschätzten Symbolen (Ŝ[k]₁) der ersten Iteration ist, d) Zuführen (108) des empfangenen Übertragungsblocks (Y[k]) und des Satzes der bei der ersten Iteration geschätzten Symbole (Ŝ[k]₁) zu einer datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion (DACE), e) Zuführen (110) des empfangenen Übertragungsblocks (Y[k]), des Satzes der bei der ersten Iteration geschätzten Symbole (Ŝ[k]₁) und des Ausgangssignals (ĥ_q(l)i) der datengestützten zweiten Kanalschätzfunktion (DACE) zu einer einstellbaren Interferenzunterdrückungsfunktion (IC), f) Zuführen (112) des Ausgangssignals (ĥ_q(l)i) der datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion (DACE) und des Ausgangssignals (Y'[k]) der einstellbaren Interferenzunterdrückungsfunktion (IC) zu einer zweiten Entzerrerfunktion (EQ2/MLSE), wobei ein Ausgangssignal der zweiten Entzerrerfunktion (EQ2/MLSE) ein Satz von geschätzten Symbolen der i-ten Iteration (Ŝ[k]i) ist, wobei i größer als 1 ist, wobei jeder Satz von geschätzten Symbolen der i-ten Iteration (Ŝ[k]i) den Satz der geschätzten Symbole (Ŝ[k]_i-1) der vorhergehenden Iteration als eine Teilmenge enthalten kann, g) Wiederholen der Schritte e) und f), wobei der empfangene Übertragungsblock (Y[k]) und der i-te Satz geschätzter Symbole (Ŝ[k]i) iterativ der datengestützten zweiten Kanalschätzungsfunktion (DACE) bzw. der einstellbaren Interferenzunterdrückungsfunktion (IC) zugeführt wird, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Kanalentzerrerfunktion eine Rechenkomplexität oder Performance aufweist, die geringer ist als die der zweiten Kanalentzerrerfunktion.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die pilotsignalgestützte erste Kanalschätzungsfunktion (PACE) und/oder die datengestützte zweite Kanalschätzungsfunktion (DACE) ein Basisexpansionsmodell zugrunde legen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Kanalentzerrerfunktion einen Message Passing (MP)- oder einen Minimum Mean Square Error (MMSE)-Equalizer implementiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Kanalentzerrerfunktion einen MLSE- Equalizer (Maximum Likelihood Sequence Estimation) implementiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Interferenzunterdrückungsfunktion (IC) einstellbar ist und dazu eingerichtet ist, die Interträger-Interferenz auf den von Null verschiedenen Subdiagonalen und Superdiagonalen der Kanalmatrix (H) im Frequenzbereich zu unterdrücken und die Kanalmatrix (H) in eine bandförmig begrenzte Diagonalmatrix (H_b) mit einer geringeren Dispersionsbreite als die der ursprünglichen Kanalmatrix (H) umzuwandeln.
OFDM-Empfänger (200) mit einem ersten Kanalschätzungsblock (PACE), der dazu eingerichtet ist, eine pilotsignalgestützte Kanalschätzung für einen empfangenen Übertragungsblock (Y[k]) im Frequenzbereich durchzuführen, wobei ein Ausgangssignal dieses ersten Kanalschätzungsblocks (PACE) zusammen mit dem empfangenen Signal (Y[k]) im Frequenzbereich einem ersten Entzerrerblock (EQ1/MP) zugeführt wird, wobei ein Ausgangssignal des ersten Entzerrerblocks (EQ1/MP) zusammen mit dem empfangenen Signal (Y[k]) im Frequenzbereich einem zweiten Kanalschätzungsblock (DACE) zugeführt wird, der dazu eingerichtet ist, eine datengestützte Kanalschätzung an einem empfangenen Übertragungsblock durchzuführen, wobei ein Ausgangssignal des zweiten Kanalschätzungsblocks (DACE) zusammen mit dem Ausgangssignal (Ŝ[k]₁) des ersten Entzerrerblocks (EQ1/MP) und dem empfangenen Übertragungsblock (Y[k]) im Frequenzbereich einem Interferenzunterdrückungsblock (IC) zugeführt wird, wobei das Ausgangssignal (Y'[k]) des Interferenzunterdrückungsblocks (IC) und das Ausgangssignal (ĥ_q(l)_{i; i=2}...) des zweiten Kanalschätzungsblocks (DACE) einem zweiten Entzerrerblock (EQ2/MLSE) zugeführt werden, wobei das Ausgangssignal (Ŝ[k]_{i; i=2}...) des zweiten Entzerrerblocks (EQ2/MLSE) einem Signal-RückabbildnerBlock zugeführt wird, und außerdem dem zweiten Kanalschätzungsblock (DACE) und dem Interferenzunterdrückungsblock (IC) zugeführt wird, um eine iterative Wiederholung der Kanalschätzung, Interferenzunterdrückung und Entzerrung für einen empfangenen Übertragungsblock (Y[k]) im Frequenzbereich zu ermöglichen.
OFDM-Empfänger (200) nach Anspruch 7, wobei der Block für die pilotsignalgestützte erste Kanalschätzung (PACE) und/oder der Block für die datengestützte zweite Kanalschätzung (DACE) dazu eingerichtet sind, eine Funktion auszuführen, die ein Basisexpansionsmodell zugrunde legt.
OFDM-Empfänger (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste Entzerrer-Block (EQ1/MP) dazu eingerichtet ist, eine Message Passing (MP)- oder eine Minimum Mean Square Error (MMSE)-Equalizer-Funktion auszuführen.
OFDM-Empfänger (200) nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei der zweite Entzerrer-Block (EQ2/MLSE) dazu eingerichtet ist, eine MLSE-Entzerrerfunktion (Maximum Likelihood Sequence Estimation) durchzuführen.
Drahtlosgerät mit einem OFDM-Empfänger (200) nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10.
Computerprogrammprodukt, das Computerprogrammanweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Mikroprozessor ausgeführt werden, den Computer und/oder Hardwarekomponenten eines OFDM-Empfängers (200) gemäß den Ansprüchen 7 bis 9 so steuern, dass das Verfahren (100) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, das das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 12 abrufbar speichert.