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Die Erfindung betrifft ein Mehrträger-Übertragungssystem
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Mehrträger-Übertragungssysteme wie z. B. das
OFDM-Übertragungssystem (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sind
Systeme, denen ein Mehrträgerverfahren, das heißt ein
Verfahren mit mehreren Unter-Trägerfrequenzen (sogenannte
subcarriers) zu Grunde liegt. Insbesondere
OFDM-Übertragungssysteme sind mittlerweile sehr verbreitet. So wird OFDM für
digitales Radio (DAB, Digital Audio Broadcasting), digitales
Fernsehen (DVB-T, Digital Video Broadcasting-Terrestrial) und
für lokale Funknetzwerke (HIPERLAN 2, High Performance Local
Area Network) eingesetzt.
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Ein wesentlicher Vorteil von Mehrträger-Übertragungssystemen
gegenüber Einträger-Übertragungssystemen wie z. B. QAM
(Quadrature Amplitude Modulation) ist die Tatsache, dass bei
entsprechender Dimensionierung des Systems auf eine
Entzerrung verzichtet werden kann.
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Insbesondere OFDM-Übertragungssysteme arbeiten mit
sogenannten scattered pilots, die innerhalb einer Matrix, die durch
eine zum OFDM-Übertragungssystem gehörende OFDM-Periodizität
aufgespannt ist, möglichst gut gleichmäßig verteilt
angeordnet sind. Heute wird diese gleichmäßige Verteilung in einem
einstufigen Periodizitätsermittlungsschritt erhalten.
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Neben den sogenannten scattered pilots arbeiten die OFDM-
Übertragungssysteme auch mit sogenannten continuous pilots,
die auf einzelnen Unter-Trägerfrequenz fortwährend, also
kontinuierlich gesendet werden.
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Bei einem OFDM-Übertragungssystem werden zu einem jeden
einzelnen Zeitabschnitt aufeinanderfolgender Zeitabschnitte, in
denen jeweils gesendet wird, ein jeweiliges sogenanntes OFDM-
Symbol gesendet. Ein solches einzelnes OFDM-Symbol umfasst
dabei, wie oben schon erwähnt, eine vorgegebene Anzahl von
Unter-Trägerfrequenzen, auf denen jeweilig entweder ein
sogenannter continuous pilot, scattered pilot oder eine
Nutzinformation übertragen wird. Es ist grundsätzlich auch möglich,
dass auf einer Unter-Trägerfrequenz in wenigstens einem
einzigen Zeitabschnitt gar nichts gesendet wird. Insgesamt
verkörpert eine jeweilige Unter-Trägerfrequenz einen separaten
Übertragungskanal.
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Eine festgelegte Anzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden
OFDM-Symbolen bilden innerhalb des OFDM-Übertragungssystems
eine Periodensequenz.
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Eine solche Periodensequenz hat somit eine Zeitkomponente und
eine Frequenzkomponente. Die Frequenzkomponente umfasst die
Summe der Unter-Trägerfrequenzen und die Zeitkomponente
umfasst die Zeitspanne des Aussendens der einzelnen
aufeinanderfolgenden OFDM-Symbole, die zu der betreffenden
Periodensequenz gehören. Durch diese beiden Komponenten ist eine
Matrix aufgespannt, innerhalb der zumindest die sogenannten
scattered pilots möglichst gleichmäßig verteilt platziert
sind.
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Die sogenannten scattered und continuous pilots sind Größen,
deren Aussehen und Beschaffenheit bekannt sind. Insbesondere
die scattered pilots dienen dazu, zu einem gegebenen
Zeitpunkt bezüglich einer gegebenen Unter-Trägerfrequenz den
dazugehörigen Übertragungskanal zu testen und die zugehörige
augenblicklich gültige Übertragungsfunktion zu ermitteln. Die
Übertragungsfunktion gibt Auskunft darüber, welche Qualität
der betreffende Übertragungskanal hat. Gleichzeitig können
durch eine solche Übertragungsfunktion bis zu einem gewissen
Grad auch die benachbarten Übertragungskanäle abgeschätzt
werden, auf denen gerade keine sogenannten scattered pilots
sondern vielleicht Nutzinformationen übertragen werden.
Typischerweise wird zwischen den vorliegenden Pilotsymbolen, bzw.
den sogenannten scattered pilots, eine Interpolation in Zeit-
und/oder Frequenzrichtung durchgeführt, um die
Übertragungsfunktion des Kanals nach Betrag und Phase zu berechnen. Je
ferner die benachbarten Übertragungskanäle liegen, um so
ungenauer ist eine getroffene Interpolation. Deshalb ist es für
die Interpolationsgüte wichtig, dass das Muster auftretender
sogenannter scattered pilots innerhalb einer Periodensequenz
möglichst gleichmäßig verteilt angeordnet ist. In einem
solchen Fall liegt dann kein benachbarter Übertragungskanal
weiter weg als unbedingt nötig. Mit anderen Worten kann gesagt
werden, dass die Interpolationsgüte sich aus dem Kompromiss
zwischen der Anzahl der benutzten Pilotsymbole und dem
minimal möglichen Abstand zwischen in Zeit- und Frequenzrichtung
benachbarten Pilotsymbolen ergibt. Insgesamt gilt es jedoch
auch die Anzahl der benutzten. Pilotsymbole so gering wie
möglich zu halten, da für jedes zusätzliche Pilotsymbol ein
Datensymbol weniger übertragen werden kann und somit die
Nutzdatenrate des Systems sinkt.
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Nachteilig bei den heutigen z. B. OFDM-Übertragungssystemen
mit einer vorzugsweise geringen Anzahl an benutzten
Pilotsymbolen ist, dass die sogenannten scattered pilots, mit denen
die Abschätzung bzw. Interpolation der
Kanalübertragungsfunktion durchgeführt wird, tatsächlich nicht optimal
gleichmäßig verteilt innerhalb der Periodensequenz des
OFDM-Übertragungssystems angeordnet sind. Die Anzahl der benutzten
Pilotsymbole ist dafür zu gering, auch wenn sie im Sinne des
Abtasttheorems einer Abtastung des Kanals in Zeit- und
Frequenzrichtung (in Abhängigkeit des Kanals) vollständig
genügen.
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Die Möglichkeit einer fehlerbehafteten Abschätzung des
Übertragungskanals ist dadurch bedingt, dass es sich bei den
OFDM-Übertragungssystemen um Zeit-Variante- und
Frequenz-Selektive-Übertragungskanäle handelt. Die Interpolationsgüte
bzw. die Güte der Kanalabschätzung wird, wie schon
angesprochen, einerseits durch den Interpolationsabstand der
Pilotsymbole in Zeit- und Frequenzrichtung bestimmt. Andererseits
beeinträchtigt additives Rauschen auf dem Kanal den korrekten
Empfang der Piloten und führt somit zu weiteren
Störeinflüssen. Daher ist es wichtig, durch Minimierung der
Interpolationsabstände zwischen den Piloten in Zeit- und
Frequenzrichtung die Kanalschätzgüte zu optimieren. Diese Optimierung
bedeutet wiederum die Pilotsymbole möglichst im Sinne des
Abtasttheorems in Zeit- und Frequenzrichtung möglichst
gleichmäßig zu verteilen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mehrträger-
Übertragungssystem anzugeben, das bestmögliche
Übertragungsergebnisse gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Mehrträger-Übertragungssystem gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1
aufweist.
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Danach wird ein mehrstufiges Verfahren mit zumindest auch
einem Verwürfelungsschritt dafür angewendet, die sogenannten
scattered pilots innerhalb der Zeit-Frequenz-Matrix des
Mehrträger-Übertragungssystems wie z. B. das
OFDM-Übertragungssystem periodisch und möglichst gleichmäßig zu verteilen.
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Mit einem solchen mehrstufigen Verfahren gelingt es die
sogenannten scattered pilots innerhalb der Zeit-Frequenz-Matrix
des Mehrträger-Übertragungssystems verbessert gleichmäßig zu
verteilen. Mit der verbesserten gleichmäßigen Verteilung der
scattered pilots ergibt sich zwischen der zu einem aktuellen
Zeitpunkt auf einer bestimmten Unter-Trägerfrequenz
physikalisch gültigen (und zu berechnenden) Übertragungsfunktion und
der zur Berechnung bzw. Interpolation dieses aktuellen
Schätzwertes benutzten, (in Zeit- und Frequenzrichtung)
benachbarten Pilotsymbole eine verbesserte Schätzgüte des
Übertragungskanals. Die Maßnahmen zur Durchführung von
Übertragungen sind dadurch wirkungsvoller als bisher. Das OFDM-
Übertragungssystem ist somit leistungsstärker als bisher.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Danach werden die erfindungsgemäßen Maßnahmen insbesondere
bei einem OFDM-Übertragungssystem angewendet und werden die
sogenannten continuous pilots vorzugsweise nur auf solchen
Unter-Trägerfrequenzen übertragen, die Frequenz bezogen sich
an den äußeren Rändern eines jeweiligen OFDM-Symbols
befinden. Der Frequenzbereich innerhalb des OFDM-Symbols bleibt
insbesondere frei für die Übertragung von Nutzinformationen.
Die Nutzdatenrate des OFDM-Übertragungssystems wird dadurch
erhöht.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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Fig. 1 ein OFDM-Übertragungsschema gemäß der Erfindung
über einen etwas größeren Zeitbereich als eine
Periode,
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Fig. 2 eine Gegenüberstellung zwischen dem Stand der
Technik und der Erfindung von innerhalb der
Zeit-Frequenz-Matrix eines Mehrträger-Übertragungssystems
wie z. B. das OFDM-Übertragungssystem aufgeteilten
scattered pilots,
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Fig. 3 eine zweite Darstellung der Darstellung gemäß Fig.
2, und
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Fig. 4 ein OFDM-Übertragungsschema gemäß dem Stand der
Technik.
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In der Fig. 1 ist eine Periodensequenz eines
OFDM-Übertragungssystems gezeigt. Bei der in der Fig. 1 gezeigten OFDM-
Übertragungssequenz sind waagrecht eine Reihe von
Unter-Trägerfrequenzen aufgelistet, die in der linken oberen Hälfte
mit den Indizes -26, -25, -24 usw. bis 0 gekennzeichnet sind.
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In der rechten Bildhälfte gehen die Unter-Trägerfrequenzen
weiter. Hier sind sie in der Fig. 1 jedoch nicht weiter mit
Indizes gekennzeichnet. Eine Kennzeichnung wäre hier mit den
Indizes 1, 2, 3 usw. bis 26 vorzunehmen.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die
Periodensequenz bezüglich der Unter-Trägerfrequenzen symmetrisch
ausgebildet. Unsymmetrische Ausbildungen währen aber
grundsätzlich auch möglich.
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In der Fig. 1 sind senkrecht nach unten Zeitabschnitte mit
Indizes -2,. . ., 0 usw. bis 30 gekennzeichnet bzw. gehen bis
32. Über die Fläche der auf diese Weise gebildeten Matrix
sind ausgewählte Unter-Trägerfrequenzen zu ausgewählten
Zeitpunkten mit einem dunkleren Hintergrund versehenen, während
innerhalb dieser Matrix weitere ausgewählte
Unter-Trägerfrequenzen mit einem weißen Hintergrund versehen sind. Die
Unter-Trägerfrequenz 0 ist zu allen Zeitabschnitten mit einem
helleren Hintergrund versehen.
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Die mittels des dunkleren Hintergrunds vorgenommene
Kennzeichnung symbolisiert, dass sogenannte pilots übertragen
werden. Die mittels des weißen Hintergrunds vorgenommene
Kennzeichnung symbolisiert, dass Nutzinformationen übertragen
werden. Die mittels des helleren Hintergrunds vorgenommene
Kennzeichnung symbolisiert, dass weder sogenannte pilots noch
Nutzinformationen übertragen werden.
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Bei der Übertragung von sogenannten pilots sind solche pilots
zu unterscheiden, die sich an den Rändern der Periodensequenz
befinden und die sich innerhalb der Matrix der
Periodensequenz befinden. Bei den pilots, die sich innerhalb der Matrix
der Periodensequenz befinden, handelte sich vorzugsweise
(aber nicht zwangsläufig ausschließlich) um sogenannte
scattered pilots. Bei den pilots, die den äußeren
Unter-Trägerfrequenzen zugeordnet sind, handelte sich um sogenannte
continuous pilots. Dies ist auch daran zu sehen, dass bei diesen
Trägerfrequenzen das pilot-Signal über alle Zeitindizes
vorhanden ist.
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Einen Sonderfall bilden die pilots, die zu den Zeiten der
Zeitindizes -2 und -1 praktisch über sämtliche
Unter-Trägerfrequenzen gesendet werden. Diese pilot-Signale stellen in
Summe ein Kopfsignal d. h. eine sogenannten Präambel dar,
welches z. B. den generellen Beginn einer Übertragung
signalisiert. Hiervon ausgenommen ist die Unter-Trägerfrequenz 0,
auf der im vorliegenden Ausführungsbeispiel generell nichts
übertragen wird.
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Am rechten Bildrand sind die Zeitstufen ab dem Zeitindex 0
mit den Bezeichnungen D'00, D'01 usw. beschriftet.
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Die gemäß der Fig. 1 vorliegende Periodensequenz weist eine
Periodendauer von 25 Zeitabschnitten auf. Nach dieser Zeit
wiederholt sich das Muster der sogenannten scattered pilots.
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In der Fig. 2 ist das Muster der sogenannten scattered
pilots gemäß der Fig. 1 für den rechten Bildteil der Fig. 1
und für eine abgeschlossene Periodensequenz nochmals gezeigt,
mit der zusätzlichen Maßgabe, dass in der Fig. 2 die
Positionen der sogenannten scattered pilots mit kleinen Dreiecken
markiert sind und dass das gesamte Gebilde in Fig. 1 um 90
Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht worden ist.
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Wie schon in der Fig. 1 sind auch in der Fig. 2
Periodizitätsabschnitte mit jeweils fünf Zeitabschnitten näher
gekennzeichnet. Die Periodizitätsabschnitte sind dabei mit den
römischen Zahlen I bis V beschriftet. Die
Periodizitätsabschnitte ergeben sich visuell daraus, dass sich bei einer
Verbindung der Dreiecke von links nach rechts innerhalb eines
jeweiligen Periodizitätsabschnitts der Art nach jeweils ein
Sägezahn ergibt. Die Linie zum Verbinden der Dreiecke ist
hier als eine durchgezogene Linie gewählt.
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Den durch die Verbindung der Dreiecke hervorgehenden
Sägezähnen liegen Vorgängersägezähne zu Grunde, die durch Verbinden
von Kreisen an den in der Fig. 2 gezeigten Positionen
entstanden sind. Die Linie zum Verbinden der Kreise ist hier als
eine gestrichelte Linie gewählt.
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Die Kreise zeigen solche Positionen innerhalb der
Matrixstruktur der Periodensequenz für scattered pilots auf, die
sich nach einem einstufigen Periodizitätsermittlungsschritt
ergeben. Gemäß der Fig. 2 ist mit den kreisförmigen
Positionen ein Verteilungsschema für die scattered pilots
vorgegeben, das tatsächlich nicht wirklich einer gleichmäßigen
Verteilung entspricht. Eine solche Verteilung ist erst mit den
dreieckförmigen Positionen erreicht.
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Diese mit den Dreiecken gebildete Verteilung wird ausgehend
von den mit Kreisen gekennzeichneten Positionen durch
wenigstens einen weiteren Erzeugungsschritt erzielt, der z. B. eine
Verwürfelung von zeitlichen Periodizitätsabschnitten
beinhaltet. Eine solche Verwürfelung ist auch unter dem Begriff
Permutation bekannt. Einem Periodizitätsabschnitt ist jeweils
ein Sägezahn zugeordnet. Wegen des Begriffes Permutation ist
in der Fig. 2 der zu den Dreiecken gehörende gesamte
Sägezahn mit "permutation" bezeichnet, während in der Fig. 2 der
zu den Kreisen gehörende Sägezahn mit "scattered pilots"
bezeichnet ist.
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Die Permutation ist ausgehen von dem zu den Kreisen
gehörenden Sägezahn in der Weise durchgeführt, dass der
Eingansperiodizitätsabschnitt I auf den Ausgangsperiodizitätsabschnitt
I, der Eingansperiodizitätsabschnitt III auf den
Ausgangsperiodizitätsabschnitt II, der Eingansperiodizitätsabschnitt V
auf den Ausgangsperiodizitätsabschnitt III, der
Eingansperiodizitätsabschnitt II auf den Ausgangsperiodizitätsabschnitt
IV und der Eingansperiodizitätsabschnitt IV auf den
Ausgangsperiodizitätsabschnitt V mittels Permutation abgebildet wird.
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Durch diese Vertauschung bzw. Verwürfelung bzw. Permutation
wird eine Verteilung der Positionen für die scattered pilots
erhalten, wie sie mit den Dreiecken einerseits in der Fig. 2
und andererseits in der Fig. 3 angegeben sind.
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In der Fig. 3 sind neben den auf Grund der Permutation neu
gewonnenen Positionen für die scattered pilots auch die
jeweiligen Ausgangspositionen angegeben, die wieder mit Kreisen
gekennzeichnet sind. Zur Veranschaulichung sind die äußeren
Grenzen der mit den jeweiligen Positionsgruppen gebildeten
Bereiche eingerahmt. Innerhalb dieser Bereiche sind die
Dreiecke gleichmäßiger verteilt als die Kreise.
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Die durch die gleichmäßigere Verteilung der Positionen für
die sogenannten scattered pilots erzielte Verbesserung wird
anhand eines Beispiels verdeutlicht:
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Wird an der mit einem Viereck gekennzeichneten Position eine
Nutzinformation übertragen, ist nun dem zugehörigen
Übertragungskanal eine geschätzte Übertragungsfunktion zugeordnet,
die an der mit 1 gekennzeichneten Dreiecks-Position ermittelt
worden ist. Vorher wäre diesem Übertragungskanal eine
geschätzte Übertragungsfunktion zugeordnet worden, die an der
mit 2 gekennzeichneten Kreis-Position ermittelt worden wäre.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist klar ersichtlich, dass
die mit 1 gekennzeichnete Dreiecks-Position näher an der
Position der übermittelten Nutzinformation liegt als die mit 2
gekennzeichnete Kreis-Position. Daher ist die an der mit 1
gekennzeichneten Dreiecks-Position ermittelte
Übertragungsfunktion für die Übertragung der Nutzinformation
aussagekräftiger, d. h. weniger fehlerbehaftet als die an der mit 2
gekennzeichneten Kreis-Position.
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Nachfolgend ist in Form eines Matlab Scripts ein
Verfahrensablauf wiedergegeben, durch den in einem Verwürfelungsschritt
letztlich die Dreiecks-Positionen der Fig. 2 und 3
ermittelt sind.
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In der Fig. 4 ist nochmals ein OFDM-Übertragungssystem
gezeigt, dessen Positionen für die scattered pilots nach einem
einstufigen Verfahren ermittelt worden sind.
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Zu erkennen ist insbesondere, dass der scattered pilot an der
Stelle Frequenzindex = -24, Zeitindex = 19 eine
Unregelmäßigkeit darstellt. Gleiches gilt für die Position des
scattered pilot an der Stelle Frequenzindex = -22, Zeitindex =
24. Dies führt bei regelmäßigem "Einsammeln" der scattered
pilots über die Zeit zu unterschiedlichen "zeitlich
aktuellen" Werten.
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Geht man Näherungsweise davon aus, dass sich der Kanal über
fünf OFDM-Symbol zeitlich nicht wesentlich ändert, so ergibt
sich nach dem Einsammeln eines (zeitlichen) 5-er Blocks
jeweils auf jedem 5-ten Subträger ein aktueller scattered
pilot. Bei einem Zeitindex z. B. 4 ergibt sich auf den
Subträgern -25, -20, -15, -10, -5 jeweils ein scattered pilot.
Bei Interpolation zwischen den scattered pilots ergibt sich
somit eine Interpolationsperformance abhängig vom Abstand 5.
Dies ist ebenfalls für alle anderen 5-er Blöcke gemäß Fig. 1
der Fall (abgesehen von den continuous pilots am Rande und
dem Subträger 0).
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Wählt man nun den Zeitindex = 23 aus und sammelt die
"vergangenen 5-er Blöcke" ein, so stellt man fest, dass auf den
Subträgern -22 bis -18 insgesamt 6 Subträger
(Interpolationsabstand = 7) fehlen. Diese aufzufüllen würde zusätzlichen
sogenannten overhead bedeuten. Ein Interpolationsabstand in
Frequenzrichtung von 6 (ohne Auffüllen von zusätzlichen
Pilotsymbolen) verglichen mit 5 liefert jedoch eine schlechtere
Schätzgüte der Übertragungsfunktion auf diesem Unterträger.