DE102022110459A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets (18), wobei das Verfahren (100) die nachfolgenden Schritte umfasst:- Empfangen (110) eines Datenpakets (18) von einer Sendeeinheit durch eine Empfangseinheit (12), wobei das Datenpaket (18) Headerdaten (20) der Länge L und Nutzdaten (22) der Länge M aufweist;- Einteilen (120) der Headerdaten (20) in insgesamt b Headerdaten-Blöcke, wobei b ≥ 2 ist;- Schätzen (130) eines Trägerfrequenz-Offsets für jeden der Headerdaten-Blöcke;- Einteilen (140) der Nutzdaten (22) in insgesamt c Nutzdaten-Blöcke, wobei c ≥ 2 ist;- Extrapolation (150) des innerhalb der Headerdaten-Blöcke geschätzten Trägerfrequenz-Offsets auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets sowie eine entsprechende Vorrichtung.
• Auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik gewinnen kleine Datennetze als neuer Ansatz für die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation immer mehr an Bedeutung. Dieses Paradigma, das sich durch den Austausch kurzer Informationspakete auszeichnet, findet seine natürliche Anwendung auf dem Gebiet der sogenannten Massive Machine Type of Communications (mMTC) und wurde sowohl in internationalen Standards als auch von kommerziellen Lösungen im terrestrischen und satellitengestützten Bereich aufgegriffen. In diesem Zusammenhang werden Daten von einer großen Anzahl von Endgeräten erzeugt, die sporadisch und unvorhersehbar senden, was herkömmliche orthogonale Kanalzugangsverfahren ineffizient macht. Dementsprechend werden häufig zugriffsfreie Verfahren auf der Grundlage von Abwandlungen des ALOHA-Zufallsprotokolls (im Englischen auch als random access protocoll oder RA protocol bezeichnet) eingesetzt, bei denen die Nutzer Informationen völlig asynchron und unkoordiniert über die gemeinsam genutzte Bandbreite senden. Bei solchen Lösungen liegt die Rechenlast beim Empfänger, der versuchen muss, Daten aus einem eingehenden Datenstrom abzurufen, bei dem die Ankunftszeit der Informationseinheiten nicht im Voraus bekannt ist und bei dem sich die Pakete gegenseitig stören können. Erschwerend kommt noch hinzu, dass die Pakete in den meisten Fällen durch einen Trägerfrequenz-Offset (auch als Trägerfrequenzversatz bezeichnet) beeinträchtigt werden, welches durch preiswerte Hardware und Oszillatoren verursacht wird, oder durch den Dopplereffekt, der durch die Bewegung des Empfängers (insbesondere bei der Satellitenkommunikation) und/oder des Senders zustande kommt. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Paketerkennung, d. h. die Fähigkeit, zu erkennen, ob eine Übertragung vorliegt und deren Beginn zu identifizieren, eine wichtige Voraussetzung für eine gute Leistung. Dies allein reicht aber nicht aus. Stattdessen müssen zudem eine präzise Schätzung und Kompensation des Frequenz-Offsets erfolgen. Ein signifikanter und nicht kompensierter Frequenz-Offset würde ein stark verzerrtes Signal erzeugen, was zu einer Verringerung des effektiven SNR (Signal-to-Noise-Ratio oder Signal-zu-Stör-Verhältnis) am Eingang des Decoders führt und die Effizienz solcher Verfahren verringert. Unter schwierigen Bedingungen, wie beispielsweise in der Satellitenkommunikation, würde dies zu einer starken Verringerung der Systemleistung führen.
• In den meisten praktischen Implementierungen erfolgt die Detektion durch Korrelation des eingehenden Datenstroms mit der bekannten Header-Sequenz, d. h. einer vordefinierten Folge von Symbolen, die den Nutzdaten in einem Paket vorausgeht und gute Autokorrelationseigenschaften aufweist. Anschließend wird ein Schwellwertkriterium angewendet, um das Vorhandensein eines Pakets zu erkennen. Aufgrund des großen Trägerfrequenz-Offsets, insbesondere in LEO-Satellitenkommunikationssystemen, bietet diese Technik auch eine erste grobe Frequenzschätzung. Auf die Erkennung folgt in der Regel eine Zeitschätzung, und das Signal wird dann dezimiert. Zur Korrektur des verbleibenden Frequenzfehlers kann eine feinere Schätzung des Frequenz-Offsets vorgenommen werden. Dies geschieht in der Regel entweder mit einem datengestützten oder einem nicht-datengestützten Ansatz und liefert in den meisten Fällen einen festen Trägerfrequenz-Offset für das gesamte Paket. Eine solche Lösung funktioniert in all denjenigen Szenarien gut, in denen der Trägerfrequenz-Offset über die Dauer des Pakets konstant ist und in denen die Pakete in den meisten Fällen nur durch additives weißes Gauß-Rauschen beeinflusst werden.
• In dieser Hinsicht versagt der derzeitige Stand der Technik bei der Berücksichtigung einiger sehr wichtiger Aspekte, die den mMTC-Verkehr über Satelliten beeinflussen. Der erste ist die durch die Bewegung eines LEO-Satelliten induzierte Dopplerfrequenz, die nicht vollständig kompensiert werden kann. Der zweite ist die Dopplerfrequenz, die durch die Pakete selbst verursacht wird, was zu einem Frequenz-Drift entlang des Pakets und somit zu einem variablen Trägerfrequenz-Offset entlang des Pakets führt. Schließlich sind die Oszillatorfehler zu erwähnen, insbesondere der Sender-Hardware, die einen zusätzlichen Frequenz-Offset und einen Frequenz-Drift verursachen können. Lösungen in einem Zug (auch als one shot solutions bezeichnet), wie sie typischerweise in modernen Empfängern eingesetzt werden, können die Frequenzänderung entlang der Pakete nicht richtig erfassen und führen daher zu einer Signalverzerrung.
• Zur Behebung der vorstehend genannten Nachteile wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets vorgeschlagen, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:
• - Empfangen eines Datenpakets von einer Sendeeinheit durch eine Empfangseinheit, wobei das Datenpaket Headerdaten der Länge L und Nutzdaten der Länge M aufweist;
• - Einteilen der Headerdaten in insgesamt b Headerdaten-Blöcke, wobei b ≥ 2 ist;
• - Schätzen eines Trägerfrequenz-Offsets für jeden der Headerdaten-Blöcke;
• - Einteilen der Nutzdaten in insgesamt c Nutzdaten-Blöcke, wobei c ≥ 2 ist;
• - Extrapolation des innerhalb der Headerdaten-Blöcke geschätzten Trägerfrequenz-Offsets auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke.
• Die vorliegende Erfindung erlaubt eine besonders präzise Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines empfangenden Datenpakets. Folglich kann eine verbesserte Kompensation des Trägerfrequenz-Offsets erfolgen, wodurch die Qualität des empfangenen Signals signifikant verbessert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in einem satellitengestützten Kommunikationssystem zum Einsatz kommt. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für terrestrische Kommunikationssysteme geeignet.
• Bei der Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets innerhalb der Headerdaten-Blöcke kann auf eines von zahlreichen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zurückgegriffen werden. Die vorliegende Erfindung ist insofern nicht auf ein spezifisches Schätzverfahren begrenzt.
• Bei der Extrapolation des geschätzten Trägerfrequenz-Offsets auf die Nutzdaten-Blöcke kann insbesondere auf ein lineares Extrapolationsverfahren zurückgegriffen werden. Alternativ hierzu kann aber beispielsweise auch eine trigonometrische Extrapolation oder eine logarithmische Extrapolation verwendet werden.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bevorzugt eine lineare Extrapolation zum Einsatz kommen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Extrapolation des innerhalb der Headerdaten-Blöcke geschätzten Trägerfrequenz-Offsets auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke die nachfolgenden Schritte aufweist:
• - Berechnen des durchschnittlichen Frequenz-Drifts innerhalb der Headerdaten als $$\mathrm{\Delta }ƒ=\frac{{\widehat{ƒ}}_{b-1}-{\widehat{ƒ}}_0}{b},$$
  
  wobei f̂_i den für den i-ten Block innerhalb der Headerdaten geschätzten Trägerfrequenz-Offset beschreibt; und
• - Berechnen des Trägerfrequenz-Offsets innerhalb der einzelnen Nutzdaten-Blöcke als $${\stackrel{⌣}{ƒ}}_j={\widehat{ƒ}}_{b-1}+j\mathrm{\Delta }ƒ,$$
  
  wobei f^̌ _j den für den j-ten Block innerhalb der Nutzdaten durch die Extrapolation geschätzten Trägerfrequenz-Offset beschreibt. Dadurch kann eine besonders effiziente Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleistet werden, die zudem sehr zuverlässige Ergebnisse liefert.
• Bevorzugt kann bei der vorliegenden Erfindung der nachfolgende Verfahrensschritt vorgesehen sein:
• - Feinschätzung des Trägerfrequenz-Offsets für die Nutzdaten basierend auf einem Verfahren zur nicht-datengestützten Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets.
• Dabei kann ein kaskadenartiges Schätzverfahren bereitgestellt werden, bei dem zunächst eine grobe Schätzung erfolgt und anschließend eine Feinschätzung des Trägerfrequenz-Offsets. Bei der nicht-datengestützten Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets kann auf eines von mehreren aus dem Stand der Technik bekannten Schätzverfahren zurückgegriffen werden, wobei nachfolgend in der vorliegenden Beschreibung Beispiele für eine mögliche Implementierung genannt werden.
• Ferner kann vorgesehen sein, dass die Nutzdaten Pilot-Sequenzen aufweisen und dass bei dem Verfahren eine Feinschätzung auf Grundlage der Pilot-Sequenzen durchgeführt wird. Dadurch kann die Präzision der Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets zusätzlich gesteigert werden, wodurch eine verbesserte Kompensation des Trägerfrequenz-Offsets ermöglicht wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass die Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets für einen Headerdaten-Block ein Schätzverfahren umfasst, das auf der Berechnung einer Autokorrelationsfunktion basiert. Schätzverfahren, die auf der Berechnung einer Autokorrelationsfunktion basieren, sind einfach zu implementieren und liefern zuverlässige Ergebnisse.
• Bevorzugt kann die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke einen konstanten Wert aufweisen. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach implementiert werden. Auch wird dadurch der Umstand berücksichtigt, dass ein Trägerfrequenz-Drift innerhalb eines Datenpakets häufig als konstant anzusehen ist.
• Auch kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke 10 ≤ N ≤ 40 und insbesondere 20 ≤ N ≤ 30 beträgt. Die genannten Blocklängen haben sich in der Praxis als besonders geeignet erwiesen. Mit den genannten Parametern konnten in den ersten Untersuchungen sehr zuverlässige Ergebnisse für die Trägerfrequenz-Offset-Schätzung erzielt werden.
• Darüber hinaus wird zur Lösung der eingangs beschriebenen Aufgabe ein Verfahren zur Kompensation eines Trägerfrequenz-Offsets umfassend das vorstehend beschriebene Verfahren zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets sowie die Kompensation des Trägerfrequenz-Offsets in Abhängigkeit von dem geschätzten Trägerfrequenz-Offset vorgeschlagen. Das Verfahren zur Kompensation eines Trägerfrequenz-Offsets erlaubt durch die präzisere Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Kompensation des Trägerfrequenz-Offsets.
• Zudem wird zur Lösung der eingangs beschriebenen Aufgabe eine Vorrichtung zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eine Empfangseinheit, eine Speichereinheit und eine Recheneinheit aufweist und
• - die Empfangseinheit dazu ausgelegt ist, ein Datenpaket von einer Sendeeinheit zu empfangen, wobei das Datenpaket Headerdaten der Länge L und Nutzdaten der Länge M aufweist; und
• - die Recheneinheit dazu ausgelegt ist,
  • - die Headerdaten in insgesamt b Headerdaten-Blöcke einzuteilen, wobei b ≥ 2 ist;
  • - einen Trägerfrequenz-Offset für jeden der Headerdaten-Blöcke zu schätzen;
  • - die Nutzdaten in insgesamt c Nutzdaten-Blöcke einzuteilen, wobei c ≥ 2 ist; und
  • - den geschätzten Trägerfrequenz-Offset innerhalb der Headerdaten-Blöcke auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke zu extrapolieren.
• Die erfindungsgemäße Schätzvorrichtung kann insbesondere in einer Empfangseinheit innerhalb eines satellitengestützten Kommunikationssystems oder innerhalb eines terrestrischen Kommunikationssystems zum Einsatz kommen.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, eine Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets für jeden der Nutzdaten-Blöcke basierend auf ein Verfahren zur nicht-datengestützten Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets durchzuführen.
• Zudem kann gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Nutzdaten Pilot-Sequenzen aufweisen und dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, eine Feinschätzung des Trägerfrequenz-Offsets auf Grundlage der Pilot-Sequenzen durchzuführen.
• Ferner kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, die Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets für einen Headerdaten-Block unter Verwendung eines Schätzverfahrens durchzuführen, das auf der Berechnung einer Autokorrelationsfunktion basiert.
• Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke einen konstanten Wert aufweist.
• Dabei kann die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke bevorzugt 10 ≤ N ≤ 40 und insbesondere 20 ≤ N ≤ 30 betragen.
• Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets bereitgestellt. Dabei erfolgt eine datengestützte Schätzung, wobei anschließend (optional) eine Verfeinerung der geschätzten Restträgerfrequenz und des Frequenz-Drifts mit einer nicht-datengestützten Frequenzschätzung erfolgen kann. Bei der vorliegenden Erfindung kann Folgendes angenommen werden:
• • ein mMTC-Paket besteht aus bekannten Headerdaten, Nutzdaten und (optional) einer bekannten Pilot-Sequenz;
• • die Paketübertragung wird korrekt erkannt, die grobe Frequenzschätzung ist bereits erfolgt und das empfangene Signal ist kompensiert; und
• • die Zeitsynchronisation wird ebenfalls angewendet und das Signal wird anschließend dezimiert, d. h. das Signal befindet sich auf Symbol- (oder Chip-) Ebene und es findet keine Überabtastung mehr statt.
• Dabei können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt die folgenden Schritte implementiert werden:
• • Die bekannten Headerdaten werden aus dem dezimierten Empfangssignal extrahiert, und es wird eine datengestützte Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets durchgeführt. Abhängig von der Stabilität der Oszillatoren und der Dopplerrate kann eine Blockgröße (in Anzahl der Symbole oder Chips) festgelegt werden, über die die Frequenz als konstant angenommen wird. Dann wird der Trägerfrequenz-Offset auf einer blockweisen Basis berechnet. Die Blocklänge kann beispielsweise 10 bis 40 Symbole aufweisen.
• • Falls bekannte Pilot-Sequenzen in den Nutzdaten vorhanden sind, können diese auch zur Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets über die Nutzdaten verwendet werden.
• • Wenn keine Pilot-Sequenzen vorhanden sind, kann der Trägerfrequenz-Offset innerhalb der Nutzdaten auf Grundlage der bei der Auswertung der Headerdaten extrapolierten Werte geschätzt werden.
• • Die Kompensation des Trägerfrequenz-Offsets kann auf Grundlage der Schätzung und Extrapolation auf die Nutzlast des Pakets angewendet werden.
• • Die Nutzlast kann mit einem nicht-datengestützten Trägerfrequenz-Offset-Schätzer weiterverarbeitet werden, um den Restfrequenzfehler zu verringern.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können ferner die folgenden Annahmen gemacht werden:
• - Das zu untersuchende Paket wird korrekt erkannt und somit aus dem empfangenen Signalstrom extrahiert. Es kann durch die Störungen anderer gleichzeitiger Übertragungen beeinträchtigt werden.
• - Eine grobe Frequenzschätzung und eine angepasste Filterung können durchgeführt werden, um zu gewährleisten, dass der größte Teil der Signalenergie aus dem Detektor herausgeholt wird.
• - Die Ausgabe des Detektors, d. h. eine angepasste gefilterte überabgetastete Version des übertragenen Pakets, kann in die Zeitsynchronisierung eingegeben werden, die die optimale Abtastzeit ausgibt.
• - Dieses Paket kann dann dezimiert werden, um die übertragene Symbol- oder Chipsequenz zu rekonstruieren. Das beobachtete Paket hat die in 3 dargestellte Form mit einem gewissen Rest an Trägerfrequenz-Offset, Frequenz-Drift und möglicherweise Phasen-Drift.
• Nachfolgend soll mit r das empfangene Signal auf Symbolebene am Eingang des Trägerfrequenzschätzerblocks $$r=x+i+n$$

  

  bezeichnet werden. Dabei ist x das Kandidatenpaket nach grober Frequenzschätzung, angepasster Filterung, Zeitschätzung und Dezimierung, i die Gesamtstörleistung des Kandidatenpakets auf Symbolbasis und n ein abgetastetes Ergebnis eines weißen Gaußschen Rauschprozesses.
• Unter der Annahme, dass die Erkennung korrekt ist und das Timing erfolgreich wiederhergestellt wurde, hat x die Form: $$x=\left[p_0{}^{e^{j\left[2\mathrm{\pi }ƒ+\theta \right]}},\dots ,p_{L-1}{e}^{j\left[2\mathrm{\pi }ƒ\left(L-1\right)T+\theta \right]},c_0{e}^{j\left[2\pi ƒLT+\theta \right]},c_1{e}^{j\left[2\mathrm{\pi }ƒ\left(L+1\right)T+\theta \right]},\dots ,c_{K-1}{e}^{j\left[2\pi ƒ\left(L+K-1\right)T+\theta \right]}\right]$$

  
• Dabei sind [c₀, c₁, ..., c_K-1] die Nutzdaten der Dimension K, f die verbleibende Frequenzabweichung und θ die verbleibende Phasenverschiebung. Ferner ist zu beachten, dass (der Einfachheit halber) davon ausgegangen wird, dass der Zeitversatz korrekt kompensiert ist.
• Auch ist zu beachten, dass der erste Teil des empfangenen Signals aus der Präambelsequenz besteht. Die Präambelsequenz p = [p₀,p₁, ...,p_L-1] wird am Anfang des Pakets in den Headerdaten eingefügt und ist dem Empfänger bekannt. Die Rolle der Präambel ist in erster Linie der Paketerkennung bei sporadischen Übertragungen gewidmet, kann aber auch weiteren wichtigen Zwecken dienen. In der vorliegenden Offenlegung wird die Präambel zusätzlich für die datengestützte Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets genutzt, wobei ein zusätzlicher Extrapolationsschritt vorgesehen ist. Dabei können bevorzugt die nachfolgenden Verfahrensschritte implementiert werden:
1. 1) Unterteilen der Präambel (Headerdaten) in Unterblöcke der Dimension N mit N ≤ L. N muss sorgfältig gewählt werden, um einerseits den verbleibenden Trägerfrequenz-Offset zu kompensieren und andererseits das Rauschen zu mitteln. In der Praxis haben sich Blocklängen in der Größenordnung von ca. 10 bis 50 Symbolen, insbesondere 20 bis 30 Symbolen als geeignet erwiesen. Ferner wird die Anzahl der Blöcke mit b bezeichnet.
2. 2) Die datengestützte Trägerfrequenzschätzung wird innerhalb der Headerdaten des Pakets durchgeführt. Dabei kann auf einen der zahlreichen aus dem Stand der Technik bekannten Schätzalgorithmen zurückgegriffen werden. Ein möglicher Algorithmus umfasst die nachfolgenden Schritte:
   1. a. Berechne die Präambelsequenz z_k als die datenunabhängige Version des empfangenen Signals. Für PSK-modulierte Signale entspricht dies der Berechnung von $$z_k=r_k{p}_k^{*}\text{ f}\ddot{\text{u}}\text{r }k=\mathrm{1,}\dots ,L$$
      
      wobei (·)* die komplex Konjugierte bezeichnet. Für andere Modulationsarten kann ein entsprechender Ausdruck ermittelt werden, um Datenabhängigkeiten zu vermeiden.
   2. b. Berechne für jeden Block die Autokorrelation R_m von z_k (nachfolgend soll der Fokus auf den ersten Block, d. h. b = 0, gesetzt werden) $$R_m=\frac{1}{N-m}{\displaystyle {\sum }_{k=m}^{N-1}{z}_k{z}_{k-m}^{*}}\text{ f}\ddot{\text{u}}\text{r }1\le m\le N-1$$
      
   3. c. Berechne anschließend den geschätzten Trägerfrequenz-Offset f̂ als $$\widehat{ƒ}=\frac{1}{\pi \left(V+1\right)T}arg\left\{{\displaystyle \sum _{m=1}^{V}R\left(m\right)}\right\}$$
      
   4. d. Die Schritte b. und c. Können für alle b Blöcke wiederholt werden, so dass sich ein Vektor des geschätzten Trägerfrequenz-Offsets über die Headerdaten ergibt als $\widehat{ƒ}=\left[{\widehat{ƒ}}_0,{\widehat{ƒ}}_1,\dots ,{\widehat{ƒ}}_{b-1}\right].$
      
3. 3) Anschließend kann eine Extrapolation über den Nutzdatenanteil des Datenpakets beispielsweise wie folgt durchgeführt werden:
   1. a. Berechnen des durchschnittlichen Frequenz-Drifts entlang der Headerdaten als $$\mathrm{\Delta }ƒ=\frac{{\widehat{ƒ}}_{b-1}-{\widehat{ƒ}}_0}{b}$$
      
   2. b. Unterteilen der Nutzdaten in einzelne Nutzdaten-Blöcke. Die Dimension kann die gleiche sein wie die der Headerdaten-Blöcke. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass die Blockdimension auch hier N ist, und dass c Blöcke vorhanden sind.
   3. c. Der extrapolierte Trägerfrequenz-Offset pro Block über die Nutzlast kann anschließend wie folgt berechnet werden: $${\stackrel{⌣}{ƒ}}_i={\widehat{ƒ}}_{b-1}+i\mathrm{\Delta }ƒ\text{ f}\ddot{\text{u}}\text{r }i=\mathrm{1,}\dots ,c$$
      
4. 4) Die Nutzlastdaten können dann durch den geschätzten Trägerfrequenz-Offset kompensiert werden, wodurch sich Folgendes ergibt: $$r_k^{\text{'}}=c_k{e}^{j\left[2\pi \left(ƒ-{\stackrel{⌣}{ƒ}}_l\right)\left(L+k-1\right)T+\theta \right]}\text{ f}\ddot{\text{u}}\text{r }k=\mathrm{0,}\dots ,K-1\text{ und }i=\left[k/N\right]+1$$
   
   Dabei ist [.] die Bodenoperation (im Englischen auch als flooring operation bezeichnet), die dazu führt, dass die ganze Zahl kleiner und näher am Divisionsergebnis ist.
5. 5) Es kann eine Verfeinerung des geschätzten Trägerfrequenz-Offsets über die Nutzlast durch eine nicht-datengestützte Frequenzschätzung erfolgen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Open-Loop-Algorithmus erreicht werden:
   1. a. Das empfangene Signal über die Nutzlast des Pakets kann unter der Annahme einer PSK-Modulation wie folgt beschrieben werden $$r_k^{\text{'}}=c_{k-L-1}{e}^{j\left[2\pi \left(f-{\stackrel{⌣}{f}}_l\right)kT+\theta \right]}+i_k+n_k\text{ f}\ddot{\text{u}}\text{r }k=L+\mathrm{1,}\dots ,K\text{ und }i=\lfloor \left(k-L-1\right)\text{/}N\rfloor +1$$
      
   2. b. Unter der Annahme einer QPSK-Modulation, kann dann festgestellt werden, dass $c_k^4=1$
      
      für jeden Konstellationspunkt e^jmπ/2 mit m = 0, 1, 2, 3 ist. Daher kann durch Erhöhen von r_k auf die vierte Potenz die Abhängigkeit von dem unbekannten Datenteil beseitigt werden.
   3. c. Die Schätzung für den Nutzdaten-Block i kann dann die folgende Form annehmen $${\tilde{f}}_l=\frac{1}{8\pi T}arg\left\{{\displaystyle \sum _{k=1}^{N-1}{\left[r_k{r}_{k-1}^{*}\right]}^4}\right\}$$
      
      für jedes i = 1, ...,c.
6. 6) Die Nutzdaten werden dann durch den geschätzten Trägerfrequenz-Offset kompensiert, wodurch sich $$r_k^{"}=c_k{e}^{j\left[2\pi \left(f-{\stackrel{⌣}{f}}_l-{\tilde{f}}_l\right)\left(L+k-1\right)T+\theta \right]}\text{ f}\ddot{\text{u}}\text{r }k=\mathrm{0,}\dots ,K-1\text{ und }i=\lfloor k/N\rfloor +1$$
   
   ergibt. Dabei beschreibt [.] erneut die Bodenoperation (flooring operation), die dazu führt, dass die ganze Zahl kleiner und näher am Divisionsergebnis ist.
• Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch auf ein Szenario angewendet werden kann, bei dem Piloten-Sequenzen in die Nutzdaten eingefügt werden. Insbesondere kann auf die Schätzung und Extrapolation eine weitere Verfeinerung der Trägeroffset-Schätzung mit einem datengestützten Schätzalgorithmus folgen.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Dabei zeigen die
• 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 3 ein Datenpaket mit Headerdaten und Nutzdaten,
• 4 ein Datenpaket wie in der 3 gezeigt, mit zusätzlichen Pilot-Sequenzen,
• 5 ein Streudiagramm der Benchmark-Lösung,
• 6 ein Streudiagramm der mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Lösung, wobei ein erster, ein zweiter und ein zehnter Block überlagert dargestellt sind,
• 7 ein Streudiagramm der Daten der vorgeschlagenen Lösung für die vollständigen Nutzdaten,
• 8 ein Streudiagramm der Benchmark-Lösung mit SNR = 20 dB, und
• 9 ein Streudiagramm der mit der Erfindung vorgeschlagenen Lösung, wobei ein erster, ein zweiter und ein zehnter Block überlagert dargestellt sind, bei einem SNR = 20 dB.
• In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 dargestellt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße Verfahren 100 insgesamt fünf Verfahrensschritte 110-150 auf. Auch wenn die Verfahrensschritte in einer konkreten Reihenfolge beschrieben sind, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die beschriebene Reihenfolge für das Erreichen der technischen Wirkung nicht zwingend eingehalten werden muss und dass einzelne Schritte in einer abweichenden Reihenfolge durchgeführt werden können. In einem ersten Verfahrensschritt 110 empfängt eine Empfangseinheit ein Datenpaket von einer Sendeeinheit. Das Datenpaket enthält Headerdaten der Länge L sowie Nutzdaten der Länge M. In einem zweiten Verfahrensschritt 120 werden die Headerdaten in insgesamt b Blöcke (auch als Headerdaten-Blöcke bezeichnet) eingeteilt, wobei mindestens zwei Blöcke vorgesehen sind. Die Anzahl der Blöcke kann aber auch mehrere zehn oder mehrere hundert betragen. Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt 130 für jeden der Headerdaten-Blöcke ein Trägerfrequenz-Offset geschätzt. Für die Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets kann eines von zahlreichen Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden. Insbesondere kann dabei ein Verfahren verwendet werden, dass auf der Berechnung einer Autokorrelationsfunktion basiert. Nach Durchführung des Verfahrensschritts 130 liegen b Trägerfrequenz-Offsets vor, die beispielsweise in einem Offset-Vektor zusammengefasst werden können. Anschließend werden in einem vierten Verfahrensschritt 140 die Nutzdaten in insgesamt c Blöcke (auch als Nutzdaten-Blöcke bezeichnet) eingeteilt, wobei mindestens zwei Blöcke vorgesehen sind. In der Praxis können auch mehrere zehn oder mehrere hundert Nutzdaten-Blöcke vorgesehen sein. Die Länge der Nutzdaten-Blöcke kann dabei identisch sein mit der Länge der Headerdaten-Blöcke. Dies ist jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung nicht zwingend erforderlich. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass beispielsweise der vierte Verfahrensschritt zur Einteilung der Nutzdaten in die Nutzdaten-Blöcke beispielsweise auch unmittelbar nach dem zweiten Verfahrensschritt 120 oder aber auch vor dem Verfahrensschritt 120 erfolgen kann, ohne dabei von dem vorliegenden Erfindungsgedanken abzuweichen. Anschließend werden in einem fünften Verfahrensschritt 150 die geschätzten Trägerfrequenz-Offsets innerhalb der Headerdaten-Blöcke auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke extrapoliert. Wird beispielsweise festgestellt, dass innerhalb der Headerdaten der Trägerfrequenz-Offset linear mit einer bestimmten Steigung zunimmt, so kann diese lineare Steigerung auf die Nutzdaten extrapoliert werden, sodass für die einzelnen Nutzdaten-Blöcke Schätzungen des Trägerfrequenz-Offsets vorgenommen werden können. Dadurch wird eine präzisere Bestimmung des Trägerfrequenz-Offsets innerhalb der Nutzdaten ermöglicht, wodurch eine verbesserte Kompensation des Trägerfrequenz-Offsets ermöglicht wird.
• In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 dargestellt. Die Vorrichtung 10 kann als eine Empfangsvorrichtung in einem Satellitenkommunikationssystem oder aber auch in einem terrestrischen Kommunikationssystem eingesetzt werden. Die Vorrichtung 10 weist eine Empfangseinheit 12, eine Speichereinheit 14 sowie eine Recheneinheit 16 auf. Die Empfangseinheit 12 ist dazu vorgesehen, Datenpakete von einer Sendevorrichtung zu empfangen. Bei der Empfangseinheit 12 handelt es sich insbesondere um eine Empfangseinheit, die zur drahtlosen Kommunikation ausgelegt ist. Die Speichereinheit 14 dient dazu, die empfangenen Daten (entweder in einem codierten oder einem decodierten Format) abzuspeichern. Ferner ist die Recheneinheit 16 dazu eingerichtet, die vorstehend im Zusammenhang mit der 1 erläuterten Verfahrensschritte durchzuführen.
• In der 3 ist ein kurzes Datenpaket 18 dargestellt. Das Datenpaket 18 weist Headerdaten 20 sowie Nutzdaten 22 auf. In den Headerdaten 20 ist eine bekannte Folge p = [p₀, p₁, ..., p_L-1] von L-Symbolen gespeichert.
• In der 4 ist ein weiteres Datenpaket 18 dargestellt, wobei zusätzlich eine vordefinierte Folge von Pilot-Sequenzen 24 in den Nutzdaten 22 enthalten sind, die auch der Empfängervorrichtung bekannt ist. Diese Pilot-Sequenzen 24 können sich mit Datensymbolen im TDM-Verfahren abwechseln oder in jeder anderen Form bereitgestellt werden, z. B. als Phasenkomponente und gemultiplext mit den Daten, die bei einem QPSK-modulierten Signal in Quadratur sind. In der 4 ist beispielhaft ein Paket mit Headerdaten 20 und Pilot-Sequenzen 24 im TDM (time-division multiplexing oder Zeitmultiplexverfahren) mit Daten dargestellt.
• Nachfolgend wird ein konkretes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die Vorteile der vorliegenden Erfindung veranschaulicht werden. Es wird ein Datenpaket betrachtet, dass die in der 3 gezeigte Struktur aufweist. Bei diesem Datenpaket sind keine Pilot-Sequenzen vorhanden. Zunächst wird von einem idealisierten Szenario ausgegangen, in dem weder Rauschen noch Interferenzen vorhanden sind. Dabei gilt $$r=x$$

  
• Das empfangene Signal wird durch einen Trägerfrequenz-Offset von 1 kHz beeinflusst. Zusätzlich ist ein Trägerfrequenz-Drift von 560 Hz/s vorhanden. Ferner sei angenommen, dass das Datenpaket Headerdaten mit 1000 Symbolen aufweist sowie Nutzdaten mit 9000 Symbolen, die alle QPSK-moduliert sind. Die Abtastzeit beträgt beispielsweise 4 Mikrosekunden.
• Die vorgeschlagene Lösung wird mit einem Benchmark verglichen, der durch einen datengestützten Trägerfrequenzschätzer (gleicher Algorithmus) charakterisiert ist, der mit der gesamten Präambel arbeitet (dabei werden keine Unterblöcke berücksichtigt).
• In der 5 ist ein Streudiagramm nach der Trägerfrequenzschätzung und der Kompensation unter Verwendung der Benchmark- oder Standardlösung zur Lösung der Frequenz-Offset-Schätzung dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Kompensation nicht das gewünschte Ergebnis liefert. In der Tat ist ein Trägerfrequenz-Offset immer noch deutlich sichtbar. Dies ist das Ergebnis der Nichtberücksichtigung des potenziellen Trägerfrequenz-Drifts und wird durch den geschätzten Offset von -0,9 Hz deutlich.
• In der 6 ist das resultierende Streudiagramm nach der Trägerfrequenzschätzung über die Headerdaten und der Extrapolation und Kompensation über die Nutzdaten dargestellt. Der erste, der zweite und der zehnte Block mit jeweils 100 Symbolen sind hier überlagert. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Trägerfrequenzverschiebung und der Trägerfrequenz-Drift sehr gut geschätzt und kompensiert werden, was zu einem klaren Streudiagramm führt.
• In der 7 ist das Gesamtstreudiagramm für die gesamte Nutzlast nach der Kompensation des Frequenz-Offsets dargestellt. Obwohl immer noch ein gewisser Frequenz-Offset vorhanden ist, stellt das Ergebnis immer noch eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Benchmark dar. Durch die Bearbeitung von Teilblöcken mit jeweils 100 Symbolen können der restliche Frequenz-Offset und der Phasen-Offset leicht kompensiert werden.
• Nachfolgend werden die Ergebnisse gezeigt, wenn Rauschen vorhanden ist: $$r=x+n$$

  
• Es sei die Situation betrachtet, in welcher der SNR 20 dB beträgt. In der 8 ist ein Streudiagramm nach der Trägerfrequenzschätzung und der Kompensation unter Verwendung der Benchmark- oder Standardlösung zur Lösung der Frequenz-Offset-Schätzung dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Kompensation nicht das gewünschte Ergebnis liefert. In der Tat ist ein Trägerfrequenz-Offset immer noch deutlich sichtbar. Dies ist das Ergebnis der Nichtberücksichtigung des potenziellen Trägerfrequenz-Drifts und wird durch den geschätzten Offset von 6,9 Hz verdeutlicht.
• In der 9 ist das resultierende Streudiagramm nach der Trägerfrequenzschätzung über die Headerdaten und der Extrapolation und Kompensation über die Nutzdaten dargestellt. Der erste, der zweite und der zehnte Block mit jeweils 100 Symbolen sind hier überlagert dargestellt. In dieser Figur ist deutlich zu erkennen, dass der Trägerfrequenz-Offset und der Trägerfrequenz-Drift sehr gut geschätzt und kompensiert werden, was zu einem klaren Streudiagramm führt.
• Die Auswirkung des Rauschens ist deutlich sichtbar, hindert den beschriebenen Algorithmus jedoch nicht daran, den Frequenz-Offset ordnungsgemäß zu schätzen und zu kompensieren.
• Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für alle Anwendungen, bei denen die Übertragung von kurzen Paketen stattfindet. Typische Anwendungen sind dabei massive machine type of communications (mMTC) und IoT, wobei diese gleichermaßen in einem satellitenbasierten oder einem terrestrischen Kommunikationsnetzwerk implementiert sein können.
• BEZUGSZEICHENLISTE

10

Vorrichtung

12

Empfangseinheit

14

Speichereinheit

16

Recheneinheit

18

Datenpaket

20

Headerdaten

22

Nutzdaten

24

Pilot-Sequenzen

100

Verfahren

110

erster Verfahrensschritt

120

zweiter Verfahrensschritt

130

dritter Verfahrensschritt

140

vierter Verfahrensschritt

150

fünfter Verfahrensschritt

Claims (17)

1. Verfahren (100) zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets (18), wobei das Verfahren (100) die nachfolgenden Schritte umfasst: - Empfangen (110) eines Datenpakets (18) von einer Sendeeinheit durch eine Empfangseinheit (12), wobei das Datenpaket (18) Headerdaten (20) der Länge L und Nutzdaten (22) der Länge M aufweist; - Einteilen (120) der Headerdaten (20) in insgesamt b Headerdaten-Blöcke, wobei b ≥ 2 ist; - Schätzen (130) eines Trägerfrequenz-Offsets für jeden der Headerdaten-Blöcke; - Einteilen (140) der Nutzdaten (22) in insgesamt c Nutzdaten-Blöcke, wobei c ≥ 2 ist; - Extrapolation (150) des innerhalb der Headerdaten-Blöcke geschätzten Trägerfrequenz-Offsets auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrapolation des innerhalb der Headerdaten-Blöcke geschätzten Trägerfrequenz-Offsets auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke die nachfolgenden Schritte aufweist: - Berechnen des durchschnittlichen Frequenz-Drifts innerhalb der Headerdaten (20) als $$\Delta f=\frac{{\widehat{f}}_{b-1}-{\widehat{f}}_0}{b},$$

   

   wobei f̂_i den für den i-ten Block innerhalb der Headerdaten (20) geschätzten Trägerfrequenz-Offset beschreibt; und - Berechnen des Trägerfrequenz-Offsets innerhalb der einzelnen Nutzdaten-Blöcke als $${\stackrel{⌣}{f}}_j={\widehat{f}}_{b-1}+j\Delta f,$$

   

   wobei f̌_j den für den j-ten Block innerhalb der Nutzdaten (22) durch die Extrapolation geschätzten Trägerfrequenz-Offset beschreibt.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den nachfolgenden Verfahrensschritt: - Feinschätzung des Trägerfrequenz-Offsets für jeden der Nutzdaten (22) basierend auf ein Verfahren (100) zur nicht-datengestützten Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets.
4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzdaten (22) Pilot-Sequenzen (24) aufweisen und dass bei dem Verfahren (100) eine Feinschätzung auf Grundlage der Pilot-Sequenzen (24) durchgeführt wird.
5. Verfahren (100) nach Anspruch 4, wobei die Pilot-Sequenzen (24) mittels eines Zeitmultiplexverfahrens in den Nutzdaten (22) eingebettet sind.
6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets für einen Headerdaten-Block ein Schätzverfahren umfasst, das auf der Berechnung einer Autokorrelationsfunktion basiert.
7. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke einen konstanten Wert aufweist.
8. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke 10 ≤ N ≤ 40 und insbesondere 20 ≤ N ≤ 30 beträgt.
9. Verfahren (100) zur Kompensation eines Trägerfrequenz-Offsets umfassend das Verfahren (100) zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie die Kompensation des Trägerfrequenz-Offsets in Abhängigkeit von dem geschätzten Trägerfrequenz-Offset.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Satellitenkommunikationssystem eingesetzt wird, wobei das Verfahren insbesondere für die Kommunikation zwischen einer Bodenstation und einer LEO-Satelliten eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer massive machine type of communications, mMTC, Anwendung eingesetzt wird, wobei der Einsatz des Verfahrens insbesondere in einem 5G-Netzwerk erfolgt.
12. Vorrichtung (10) zur Schätzung eines Trägerfrequenz-Offsets innerhalb eines Datenpakets (18), wobei die Vorrichtung (10) eine Empfangseinheit (12), eine Speichereinheit (14) und eine Recheneinheit (16) aufweist und - die Empfangseinheit (12) dazu ausgelegt ist, ein Datenpaket (18) von einer Sendeeinheit zu empfangen, wobei das Datenpaket (18) Headerdaten (20) der Länge L und Nutzdaten (22) der Länge M aufweist; - die Recheneinheit (16) dazu ausgelegt ist - die Headerdaten (20) in insgesamt b Headerdaten-Blöcke einzuteilen, wobei b ≥ 2 ist; - einen Trägerfrequenz-Offset für jeden der Headerdaten-Blöcke zu schätzen; - die Nutzdaten (22) in insgesamt c Nutzdaten-Blöcke einzuteilen, wobei c ≥ 2 ist; und - den geschätzten Trägerfrequenz-Offset innerhalb der Headerdaten-Blöcke auf die einzelnen Nutzdaten-Blöcke zu extrapolieren.
13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (16) zudem dazu ausgelegt ist, eine Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets für jeden der Nutzdaten-Blöcke basierend auf ein Verfahren (100) zur nicht-datengestützten Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets durchzuführen.
14. Vorrichtung (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzdaten (22) Pilot-Sequenzen (24) aufweisen und dass die Recheneinheit (16) dazu ausgelegt ist, eine Feinschätzung des Trägerfrequenz-Offsets auf Grundlage der Pilot-Sequenzen (24) durchzuführen.
15. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (16) dazu ausgelegt ist, die Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets für einen Headerdaten-Block unter Verwendung eines Schätzverfahrens durchzuführen, das auf der Berechnung einer Autokorrelationsfunktion basiert.
16. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke einen konstanten Wert aufweist.
17. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Blocklänge N der Headerdaten-Blöcke 10 ≤ N ≤ 40 und insbesondere 20 ≤ N ≤ 30 beträgt.

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