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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren in einem Kommunikationssystem
zum empfängerseitigen
Bestimmen einer senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver
Modulation sowie eine Demodulationsvorrichtung in einem Kommunikationssystem
zum Durchführen
eines solchen Verfahrens.
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Bei
verschiedenartigen Kommunikationssystemen, beispielsweise dem UMTS
(Universal Mobile Telecommunications System) als Mobilfunksystem oder
WLAN (Wireless Local Area Network) als funkgestütztem Datennetz werden zur Übertragung
von Daten über
eine Funkschnittstelle zwischen zwei Stationen digitale Kodierungs-
und Modulationsverfahren verwendet. Damit soll einerseits eine optimale Ausnutzung
der verfügbaren
Ressourcen der Funkschnittstelle und andererseits eine möglichst
sichere, dass heißt
verlustfreie Übertragung
von Daten ermöglicht
werden. Beispielhafte Modulationsverfahren sind das BPSK und das
QPSK (Binary bzw. Quadrature Phase Shift Keying), welche im unkodierten
Fall eine unterschiedliche Bandbreiteeffizienz bei unterschiedlicher
Robustheit gegenüber
Störungen
des Übertragungskanals
aufweisen. Bei diesen Verfahren werden einzelne Datenbit (BPSK)
bzw. Paare von Datenbit (QPSK) vor dem Versenden jeweils einem von
zwei bzw. vier verschiedenen zulässigen
Phasenzuständen
zugeordnet und entsprechend zu einem so genannten Symbol moduliert.
Empfängerseitig
wird ein derartiges empfangenes Symbol unter Kenntnis des senderseitig
verwendeten Modulationsverfahrens entsprechend demoduliert, um die
ursprünglichen
Daten zurückzugewinnen.
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Allgemein
bekannt ist auch eine so genannte adaptive Modulation, welche beispielsweise
in Zusammenhang mit Multiträger- Übertragungstechniken verwendet
wird. Dabei wird senderseitig die Übertragungsfunktion des verfügbaren Kanals
beobachtet, um subträgerspezifisch
ein bestgeeignetes Modulationsverfahren davon abhängig auszuwählen und
für die
Modulation zu verwenden. Auf Subträgern, welche durch den Kanaleinfluss
stark gedämpft
werden, wird entsprechend ein niederwertiges Modulationsverfahren,
ggf. gar kein Modulationsverfahren eingesetzt, wohingegen auf weniger
stark gedämpften
Trägern
höherwertige
Modulationsverfahren zum Einsatz kommen, um die Kapazität der Subkanäle bzw. Subträger bestmöglich auszunutzen.
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Die
Festlegung der auf den einzelnen Subträgern zu verwendenden Modulationsverfahren
erfolgt mittels eines so genannten Ladealgorithmus. Bekannte Ladealgorithmen
zielen entweder auf eine Maximierung der Gesamt-Datenrate bei einer
vorgegebenen festen Ziel-Bitfehlerrate oder auf eine Minimierung
der Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer fest vorgegebenen Datenrate,
dass heißt
einer vorgegebenen mittleren Anzahl von Bit pro Modulationssymbol
ab. Algorithmen der letztgenannten Art sind in der Regel aufwändiger,
jedoch ist die wohldefinierte Datenrate für höhere Protokollschichten des
Kommunikationssystems einfacher zu handhaben.
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Empfängerseitig
muss die Demodulation eines empfangenen Symbols entsprechend dem
vom Sender verwendeten Ladeschema durchgeführt werden. Wurde beispielsweise
für eine
erste Abfolge von zu übertragenden
Symbolen keine Modulation verwendet, d.h, die betreffenden Symbole
tragen keine Nutzinformation, und für eine zweite Folge von zu übertragenden
Symbolen QPSK verwendet, so müssen
empfängerseitig
die ersten empfangenden Symbole als unmodulierte Symbole behandelt
werden, d.h. es können
keine Daten zurückgewonnen
werden, während
die zweite Folge von Symbolen als QPSK-modulierte Symbole behandelt
und entsprechend demoduliert werden müssen. Damit die empfängerseitige
Station über
das senderseitig zuvor verwendete Ladeschema verfügt, ist
eine Signalisierung zwischen der senderseitigen und der empfängerseitigen
Station erforderlich.
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Diskutiert
wird auch die Möglichkeit,
dass die empfängerseitige
Station die entsprechend erforderliche Information über die
senderseitig verwendeten Modulationsverfahren eigenständig aus
dem Empfangssignal bzw. den empfangenen Symbolen rekonstruiert.
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In
dem Artikel von T. Keller, L. Hanzo „Adaptive Modulation Techniques
for Duplex OFDM Transmission",
IEEE Transactions of Vehicular Technology, Vol. 49, No. 5, September
2000, Seiten 1893-1906, werden verschiedene Techniken zur so genannten blinden
Detektion untersucht, und ein Trellis-basiexter Detektionsalgorithmus
als am leistungsfähigsten ermittelt.
Dabei werden alle empfangenen Unterträger unter Nutzung aller möglichen
Demodulatoren demoduliert, und daraus resultierende Bits so genannter
harter Entscheidungen parallelen Trellises für eine Viterbi-Dekodierung
zugeführt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren in einem Kommunikationssystem
zum empfängerseitigen
Bestimmen einer senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver
Modulation anzugeben, welches eine einfache Bestimmung der senderseitig
verwendeten Modulation ermöglicht, bzw.
eine Demodulationsvorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum empfängerseitigen Bestimmen einer
senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver Modulation bzw.
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand abhängiger
Patentansprüche.
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Vorteilhaft
ist ein Verfahren zum empfängerseitigen
Bestimmen einer senderseitig verwendeten Modulation bei adaptiver
Modulation, bei dem empfängerseitig
auf empfangene Symbole ver schiedene oder alle der möglichen
Demodulationsverfahren angewendet werden, woraufhin die erzielten
Demodulationsergebnisse untersucht werden, um ein geeignetes der
Demodulationsergebnisse zu bestimmen. Dies ermöglicht eine schnelle Demodulation
empfangener Symbole mit dem jeweils richtigen Demodulationsverfahren
auch ohne die zuvor signalisierte Information über das senderseitig verwendete
Modulationsverfahren.
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Eine
entsprechende Vorrichtung weist vorzugsweise eine Vielzahl von Demodulatoren
für die verschiedenen
mög lichen
Demodulationsverfahren, welchen ein empfangenes Symbol zugeführt wird, sowie
eine Entscheidungseinrichtung auf, welche die Demodulationsergebnisse
hinsichtlich einer korrekten Demodulation untersucht. Diese derart
bestimmten demodulierten Daten werden dann für eine weitere Verarbeitung
bereit gestellt. Umsetzbar ist eine derartige Demodulationsvorrichtung
auch durch eine Steuereinrichtung in Form eines Prozessors, wie
er in beispielsweise Mobilfunkgeräten und dergleichen verwendet
wird, in Verbindung mit einem Speicher, in welchem entsprechende
Algorithmen für
die Durchführung
der diversen Modulationsverfahren sowie Speicherraum zum Abspeichern
von Symbolen und Daten verfügbar
ist.
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Vorteilhafterweise
kann bei dem Bestimmen des best geeigneten Demodulationsergebnisses auch
auf Informationen vorheriger oder ggf. nachfolgender demodulierter
Symbole zurückgegriffen
werden. Beispielsweise kann auf redundant übertragene Daten bzw. eine
Kanalkodierung zurückgegriffen werden,
welche über
mehrere Symbole hinweg verteilt übertragen
werden, so dass aus Inkonsistenzen gegenüber der empfängerseitig
bekannten Kodiervorschrift auf die falsche Auswahl bei der Demodulation
geschlossen werden kann.
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Prinzipiell
ist sowohl eine parallele als auch eine serielle Abarbeitung bei
der Demodulation eines empfangenen Symbols mit den verschiedenen
verfügbaren
Demodulationsverfahren möglich.
Mit Blick auf eine Zeitoptimierung ist dabei eine parallele Abarbeitung
besonders vorteilhaft. Mit Blick auf eine Reduzierung beim baulichen
Aufwand ist eine serielle Abarbeitung vorteilhaft, wobei in einem
Demodulator oder Prozessor auf ein empfangenes Symbol nacheinander
verschiedene Demodulationsverfahren angewendet und die Ergebnisse
zwischengespeichert werden. Anschließend oder parallel zu der Demodulation
mit weiteren Demodulationsverfahren kann dann die Entscheidungsprozedur
durchgeführt
werden, um ein geeignetes bzw. das wahrscheinlich geeignetste Demodulationsergebnis
auszuwählen.
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Bei
der Demodulation und Entscheidungsfindung in Verbindung mit der
Kanaldekodierung kann vorteilhafterweise ein für sich bekanntes Viterbi-Verfahren
verwendet werden. Insbesondere ist auch der Einsatz eines erweiterten
Trellis-Diagramms zur Auswahl der Verfahrensschrittabfolge vorteilhaft.
Neben den möglichen
Zuständen
und Zustandsübergängen eines
senderseitig verwendeten Faltungscodes können zusätzlich aufgrund einer entsprechenden
Erweiterung des Trellis-Diagramms auch alle verfügbaren Demodulationsmöglichkeiten
berücksichtigt
werden. Anhand von Metrikvergleichen kann der Pfad der wahrscheinlichen
Sendefolge und eines am wahrscheinlichsten verwendeten Modulationsverfahren-Ladeschemas
für die
einzelnen empfangenen Symbole bzw. Daten bestimmt werden. Vorteilhafterweise
können
in jedem Trellis-Knoten des Trellis-Diagramms alle einlaufenden
Pfade bis auf denjenigen mit der besten akkumulierten Metrik verworfen
werden.
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Neben
einer akkumulierten Metrik können
in Trellis-Knoten auch weitere Kriterien zum Ausschluss von Pfaden
mit einlaufenden Daten bzw. Symbolen in Betracht gezogen werden.
Beispielsweise kann als Kriterium festgelegt werden, dass die Anzahl
der einem Pfad zugeordneten Modulationssymbole in keinem Knoten
die Anzahl der insgesamt übertragenen Symbole übersteigen
darf. Auch andere besondere Eigenschaften des verwendeten Ladealgorithmus
bei der Pfadauswahl sind berücksichtigbar.
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Weiterhin
können
neben dem gewöhnlichen Viterbi-Algorithmus,
der als Ausgabe eine hart entschiedene Bitfolge liefert, auch erweiterte
Algorithmen, z.B. die für
sich bekannten SOVA (Soft Output Viterbi Algorithm) oder MAP (Maximum
a Posteriori), LOG-MAP,...) verwendet werden, die zusätzlich je
Bit eine Information über
die Zuverlässigkeit
der Entscheidung an nachgeschaltete Verarbeitungsstufen liefern.
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Beim
Bestimmen des besten Modulationsergebnisses kann vorteilhafterweise
auch jeweils eine gleiche Anzahl demodulierter Daten aus gegebenenfalls
unterschiedlicher Anzahl von jeweiligen Symbolen der verschiedenen
der Demodulationsverfahren verarbeitet werden.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
die Verfahrensweise das empfängerseitige
Bestimmen der senderseitig verwendeten Modulation ausschließlich anhand
der empfängerseitig
empfangenen Symbole, ohne dass eine zusätzliche Signalisierung der
Modulationsparameter erforderlich ist. Empfängerseitig kann dabei bei fehlender
Kenntnis über
die senderseitig verfügbare
Modulationsverfahrens-Auswahl auf alle empfängerseitig verfügbaren Demodulationsverfahren
aus der Demodulationsverfahrens-Auswahl
zurückgegriffen
werden.
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Diesbezüglich besonders
vorteilhaft kann auch eine empfängerseitige
Vorgehensweise vorteilhaft sein, bei der je nach momentaner Systemauslastung
oder je nach momentanen Umgebungsbedingungen nur auf bestimmte verfügbare Demodulationsverfahren
zurückgegriffen
wird, um den Verarbeitungsaufwand zu reduzieren. Bei beispielsweise
einer sehr hohen Systemauslastung ist es unwahrscheinlich, dass
empfangene Symbole mit höherwertigen
Modulationsverfahren moduliert wurden. Diese höherwertigen Modulationsverfahren
können
entsprechend bei der Demodulation unberücksichtigt bleiben. Umgekehrt
können
niederwertige Modulationsverfahren ausgelassen werden, wenn empfängerseitig
eine sehr geringe Systemauslastung bei zudem guten Umgebungsbedingungen
festgestellt wird, so dass von einer senderseitigen Modulation mit
einem hochwertigen Modulationsverfahren auszugehen ist.
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Insbesondere
im Falle sehr schlechter Umgebungsbedingungen oder einer sehr hohen
Systemauslastung ist auch die Möglichkeit
zu berücksichtigen,
dass einzelne Symbole von der Datenübertragung ausgenommen werden,
d.h. auf diese keine Nutzinformation moduliert und keine Signalenergie aufgewendet
wird.
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Entsprechend
müssen
diese Nullsymbole empfängerseitig
für die
Datenrückgewinnung
ignoriert werden.
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Möglich ist
in der Praxis alternativ auch, bei hoher Auslastung des Kommunikationssystems
besonders bandbreiteeffizient, also mit hochwertigen Modulationsverfahren
zu übertragen.
Bei geringer Auslastung kann hingegen mit niederwertigeren Verfahren
eine erhöhte
Robustheit zugelassen werden.
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Die
Verfahrensweise ermöglicht
es somit insbesondere im Fall einer faltungskodierten Übertragung
das Ladeschema implizit während
der Dekodierung der Empfangsdaten bzw. empfangenen Symbole zu ermitteln,
so dass eine ausdrückliche
Signalisierung des senderseitigen Ladeschemas nicht erforderlich
ist. Da eine derartige Signalisierung in der Regel mit einer sehr
robusten und somit wenig Bandbreite beanspruchenden effizienten
Modulation und Kodierung erfolgen müsste, erhöht der Verzicht auf diese Signalisierung
die Gesamteffizienz des Kommunikationssystems insbesondere bei einer
hohen Systemauslastung oder schlechten Umgebungsbedingungen deutlich.
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Ein
Ausführungsbeispiel
mit verschiedenen Ausführungsformen
wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Anordnung von miteinander kommunizierenden Stationen sowie
Unterkomponenten in diesen,
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2A Unterkomponenten
des Systems aus 1 mit einer Skizzierung eines
Datenflusses,
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2B eine
alternative Ausführungsform dazu,
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3 schematisch
die Zuordnung einzelner Modulationssymbole zu Abschnitten in einem
Trellis-Diagramm,
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4 eine
vereinfachte grafische Darstellung von Trellis-Segmenten und
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5 ein
erweitertes Trellis-Diagramm zur signalisierungsfreien Detektion
und Dekodierung adaptiert modulierter und faltungskodierter Bitfolgen.
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Wie
aus 1 ersichtlich, kommunizieren in einem beispielhaften
Funk-Kommunikationssystem WLAN (Wireless Local Area Network) zwei
Stationen MH (Mobile Host) und AP (Access Point) über eine Funk-Schnittstelle
V miteinander. Der Zugriffspunkt ist dabei vorzugsweise mit weiteren
netzseitigen Einrichtungen, beispielsweise einem Router IPR oder darüber weiteren
Zugangspunkten oder ortsfesten Rechnern bzw. Computern H (Hosts)
verbunden. Diese Verbindung wird vorzugsweise kabelgebunden und
gemäß dem Internetprotokoll
IP aufgebaut und aufrecht erhalten. Prinzipiell ist die nachfolgend
beschriebene Verfahrensweise jedoch auch auf andere Kommunikationssysteme,
beispielsweise das funkgestützte
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) oder auch kabelgebundene
Kommunikationssysteme übertragbar.
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Für die Verbindung über die
Funk-Schnittstelle V soll beispielhaft ein Verfahren verwendet werden,
welches auf eine Ressource mit Unter-Ressourcen zurückgreift.
Beispielsweise kann dies die bekannte orthogonale Frequenzaufteilungs-Modulation OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) sein. Dabei werden zu übertragende
Datensymbole senderseitig auf viele Subträger innerhalb des zur Verfügung stehenden
Frequenzbandes aufmoduliert. Auf jedem einzelnen Subträger findet
hierbei ein lineares Modulationsverfahren (BPSK, QPSK, ...) Anwendung,
wobei unterschiedlichen Subträgern
unterschiedliche Modulationsverfahren zugewiesen sein können. Ferner
kann sich die Zuweisung über
der Zeit ändern.
Empfängerseitig
wird eine entsprechende Demodulation vorgenommen, um aus den senderseitig
erzeugten und über
die Funk- Schnittstelle
V übertragenen
Symbolen s wieder die ursprünglichen Daten
d zu rekonstruieren.
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Vorteilhafterweise
weisen die beiden dargestellten kommunizierenden Stationen für ihren üblichen
Betriebsablauf und die beschriebene Verfahrensweise eine Vielzahl
von Einrichtungen C, M, MM, DM auf, welche als eigene Bauelemente
miteinander kommunizierend ausgebildet sein können oder prozessorgestützt mit
entsprechend gespeicherten Funktionen und Daten ausgeführt werden
können.
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Die
miteinander kommunizierenden Stationen MH, AP weisen jeweils eine
Steuereinrichtung C auf, die durch einen Prozessor ausgebildet sein
kann und für
den allgemeinen Betriebsablauf und die Verarbeitung von zu übertragenden
bzw. empfangenen Daten ausgelegt ist. In einem Speicher M sind für den Betrieb
und die Verarbeitung zu versendender bzw. empfangener Daten erforderliche
Parameter und Steueralgorithmen hinterlegt. Außerdem bietet der Speicher
M Speicherraum zum Zwischenspeichern von zu versendenden bzw. empfangenen
Daten, modulierten Symbolen und dergleichen.
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Die
Verfahrensweise zum Modulieren und Demodulieren von zu übertragenden
Daten d wird nachfolgend in der Richtung von der mobilen Station MH
zu dem netzseitigen Zugriffspunkt AP beschrieben, wobei die Bezeichnungen
senderseitige Station und empfängerseitige
Station verwendet werden, da der umgekehrte Sende- und Verfahrensablauf
gleichermaßen
anwendbar ist.
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Zur
Modulation von zu versendenden Daten d weisen beide Stationen MH,
AP einen Modulationseinrichtung MM auf. Zur Demodulation derart
modulierter und als Symbole s übertragener
Daten weisen die Stationen MH, AP außerdem jeweils eine Demodulationseinrichtung
DM auf. Sowohl die Modulationsreinrichtung MM als auch die Demodulationseinrichtung
DM können
beispielsweise als eigenständige
Bauelemente oder als Bestand teil eines prozessorgesteuerten Verfahrensablaufs
realisiert sein. Außerdem
möglich
sind z.B. Realisierungen in programmierbaren Logikbausteinen (FPGA)
oder als Bestandteil eines integrierten Bausteins (ASIC, Spezial-IC),
der auch noch andere Baugruppen beinhaltet.
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Im
Falle einer hardwaremäßigen Umsetzung der
Demodulationseinrichtung DM kann diese wahlweise als eine mit Parametern
variabel einstellbare Demodulationseinrichtung oder, wie dargestellt,
als eine Gruppe von einzelnen Demodulatoren DM0, DM1, DM2,... ausgebildet
sein, welchen ein empfangenes Symbol zur Demodulation mit einem
jeweils eigens zugeordneten Demodulationsablauf aus der Vielzahl
verschiedenartiger möglicher
Demodulationsverfahren zugeführt
wird.
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Entsprechend
kann auch die Modulationsreinrichtung MM verschiedenartig realisiert
werden und zur Berücksichtigung
verschiedener anwendbarer Modulationsverfahren aus einer Modulationsverfahrens-Auswahl
ausgebildet sein.
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Ein
beispielhafter Verfahrensablauf zur Modulation, Übertragung und Demodulation
von Daten d ist in 2A dargestellt, wobei die skizzierten Komponenten
denen aus 1 entsprechen.
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Ein
zu versendendes Datenpaket oder Datenbit d, das beispielsweise durch
Digitalisierung eines analogen Sprachsignals gewonnen wurde, oder ein
von einem mobilen Rechner bereitgestelltes Datenbit bzw. eine Datenbitsequenz
wird der Modulationsreinrichtung MM zugeführt. Zuvor oder parallel dazu
wird mit Hilfe der Steuereinrichtung C und weiterer dafür erforderlicher
Einrichtungen die Übertragungsfunktion
des gewünschten
Trägers
auf der Funk-Schnittstelle V beobachtet. Abhängig davon wird ein Modulationsverfahren
Mod0, Mod1, Mod2,... aus einer Modulationsverfahrens-Auswahl MTAB ausgewählt, die
beispielsweise im Speicher M hinterlegt ist. Beim dargestellten
Beispiel wird ein Modulationsverfahren Mod2 ausgewählt und
die entsprechenden Parameter werden der Modulationseinrichtung MM
zugeführt.
Die Modulationseinrichtung MM wendet daraufhin das ausgewählte Modulationsverfahren
Mod2 auf die dem Modulationsverfahren entsprechende Anzahl aufeinanderfolgender
Datenbit an, wodurch ein zu übertragendes
Symbol s2 erzeugt wird.
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Ein
derartiges zu übertragendes
Symbol s2 trägt
entweder keine Information, die Information von einem einzigen Datenbit
d oder auch mehreren Datenbit abhängig davon, ob keine Modulation
angewendet wurde, eine einfache Modulation oder eine höherwertige
Modulation angewendet wurde. Bei der für sich bekannten Modulation
BPSK (Binary Phase Shift Keying) werden jeweils zwei Phasenzustände in einem
Symbol zusammengefasst. Bei QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
werden mehrere Phasenzustände
bzw. zwei Datenbit d zu einem zu übertragenden Symbol s2 zusammengefasst.
Bei 16-QAM wird eine kodierte Folge aus vier zu übertragenden Datenbit d zu
einem Symbol zusammengefasst, bei 64-QAM eine kodierte Folge aus
sechs Bit d zu einem Symbol zusammengefasst.
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Je
weniger ausgelastet das Kommunikationssystem WLAN mit Blick auf
den Träger
auf der Funk-Schnittstelle V ist und je weniger dämpfende Einflüsse auf
den Träger
durch die Umgebungsbedingungen einwirken, desto höherwertiger
kann das Modulationsverfahren Mod0, Mod1,... sein, welches für die Modulation
einer Folge von zu übertragenden Datenbit
verwendet wird. Bei höherwertigen
Modulationsverfahren werden dabei jeweils mehrere aufeinanderfolgende
Datenbit d zu dem über
die Funk-Schnittstelle V zu übertragenden
Symbol s2 zusammengefasst.
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Empfängerseitig
wird entsprechend ein über die
Antenne A der empfangenen Station AP empfangenes Symbol s2 demoduliert.
Um die ursprünglichen
Daten bzw. Datenbit d rekonstruieren zu können, ist es erforderlich,
das richtige Demodulationsver fahren auszuwählen, welches dem senderseitigen Modulationsverfahren
zugeordnet ist.
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Im
Fall der Ausführungsform
in 2A wird entsprechend eine Vielzahl einzelner Modulatoren DM0,
DM1,... bereitgestellt. Ein über
eine Antenne A eintreffendes Symbol s2, welches senderseitig mit dem
zweiten Modulationsverfahren Mod2 aus der Vielzahl dort verfügbarer Modulationsverfahren MTAB
moduliert wurde, wird empfängerseitig
parallel allen vorhandenen Demodulatoren DM0, DM1,... zugeführt. Jeder
einzelne dieser Demodulatoren DM0, DM1,... wendet das ihm zugeordnete
Demodulationsverfahren auf das empfangene Symbol s2 an und gibt
je nach verwendetem Demodulationsverfahren ein Datenbit d1 oder
eine Bitfolge d2,... als Demodulationsergebnis aus.
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Nachfolgend
werden diese verschieden demodulierten Daten bzw. Datenbit d1, d2,...,
sowie vorzugsweise für
den Fall einer nicht vorgenommenen Demodulation (Mod0) auch ein
nicht demoduliertes Datenbit d0, welches dem empfangenen Sendesymbol
entspricht, einer Entscheidungseinrichtung DC zugeführt. Die
Entscheidungseinrichtung DC trifft dann eine Entscheidung, welche
der zugeführten
Daten d0, d1, d2,.., mit dem richtigen Demodulationsverfahren DM0,
DM1, DM2,.., demoduliert wurden. Sofern keine eindeutige Entscheidung
getroffen werden kann, wird von der Entscheidungseinrichtung DC bestimmt,
welches der Demodulationsergebnisse am wahrscheinlichsten das richtige
Ergebnis ist. Daraufhin wird das ausgewählte Demodulationsergebnis, vorliegend
die Daten d2, welche mit dem zweiten Demodulationsverfahren im Demodulator
DM2 demoduliert wurden, als rekonstruierte ursprüngliche Daten d bestimmt und
zur Weiterverarbeitung oder Ausgabe bereitgestellt.
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Die
Verfahrensweise ermöglicht
somit eine Dekodierung eines empfangenen Symbols s2 ohne Kenntnis
des senderseitig verwendeten Ladeschemas bzw. Modulationsverfahrens
Mod2.
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Bei
einer komplexeren Ausführungsform,
die in 2B dargestellt ist, wird wieder
davon ausgegangen, dass senderseitig Daten d mit dem zweiten Modulationsverfahren
Mod2 aus der senderseitig verfügbaren
Vielzahl von Modulationsverfahren bzw. Modulationsverfahrens-Auswahl
MTAB zur Modulation moduliert wurden.
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Empfängerseitig
wird in einem ersten Verfahrensschritt das über die Antenne A empfangene Symbol
s2 einer Schalteinrichtung SW zugeführt, welche von der Steuereinrichtung
C gesteuert wird. Je nach Vorgabe durch die Steuereinrichtung C
führt die
Schalteinrichtung SW das empfangene Symbol s2 einem oder mehreren
der Demodulatoren DM0, DM1, DM2 in der Demodulatoreinrichtung DM
zu.
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Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird davon ausgegangen, dass beispielsweise aufgrund empfängerseitig
festgestellter schlechter Umgebungsbedingungen oder Übertragungsqualität ein höherwertiges
Modulationsverfahren nicht verwendet werden konnte und somit davon
auszugehen ist, dass das hochwertige Demodulationsverfahren DM3 senderseitig
nicht verwendet werden konnte. Empfängerseitig kann durch das Auslassen
einer oder mehrerer Möglichkeiten
für die
Anwendung von Demodulationsverfahren Rechenleistung insbesondere in
Fällen
gespart werden, in denen die Demodulation durch einen Prozessor
in serieller Abarbeitung durchgeführt wird.
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Wie
bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Demodulationsergebnisse, dass
heißt
die demodulierten Datenbit oder Daten d1, d2,..., sowie ein nicht
demodulierter Datenwert d0 aus der Demodulationsstufe DM0 der Entscheidungseinrichtung
DC zugeführt.
Diese bestimmt bei richtiger Bestimmung wiederum den Datenwert d2 aus
dem zweiten Demodulator DM2 als den richtig demodulierten Datenwert
d und gibt diesen als weiter zu verarbeitenden oder auszugebenden
Datenwert d = d2 aus.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform wird
von der Entscheidungseinrichtung DC außerdem eine Information DInfo
ausgegeben und der Steuereinrichtung C oder einem entsprechenden Speicherraum
im Speicher M zugeführt.
Die Information kann von der Steuereinrichtung C bei nachfolgenden
Verarbeitungsschritten verwendet werden. Beispielsweise kann als
Information DInfo das zuletzt verwendete Demodulationsverfahren
DM2 mitgeteilt werden, so dass die Steuereinrichtung C für nachfolgend
empfangene und zu verarbeitende Symbole s2 festlegen kann, dass
nur dieses und andere hinsichtlich der Wertigkeit nicht zu weit
entfernte Demodulationsverfahren zur Demodulation verwendet werden.
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Die
Information DInfo kann aber auch einen Wahrscheinlichkeitswert angeben,
welcher besagt, mit welcher Wahrscheinlichkeit die letzte Entscheidung
der Entscheidungseinrichtung als richtig oder falsch anzusehen ist.
Der Steuereinrichtung C zugeführt
oder zwischenzeitlich in der Speichereinrichtung M in einem Speicherfeld
d(i-1) hinterlegt werden können
auch Daten d, welche von der Entscheidungseinrichtung DC als rekonstruierte
und richtig demodulierte Daten d ausgegeben werden. Diese bereits
demodulierten und als richtig entschiedenen Daten d können beispielsweise
bei weiteren Verarbeitungsschritten berücksichtig werden. Für den Fall, dass
senderseitig zu versendende Daten d mit einem Kodierungsverfahren
redundant auf eine Vielzahl von zu übertragenden Symbolen s2 verteilt
werden, kann beispielsweise empfängerseitig überprüft werden,
ob zu Daten d aus einem ersten empfangenen Symbol s2 entsprechende
redundante Daten aus den nachfolgend empfangene Symbolen rekonstruiert
werden können.
Falls nein, können
die zuvor empfangenen und ebenfalls in der Speichereinrichtung M
in einem entsprechenden Speicherraum sm zwischengespeicherten Symbole
s2 erneut einer Verarbeitung zugeführt werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
auch die einzelnen Demodulationsergebnisse d0, d1, d2,... der Vielzahl
von Demodula toren DM0, DM1, DM2,... in dem Speicher M zwischengespeichert
werden, um auf diese zu einem späteren
Zeitpunkt für
eine erneute Verarbeitung in der Entscheidungseinrichtung DC zurückgreifen
zu können.
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Die
Entscheidung in der Entscheidungseinrichtung DC, welcher Ausgangsbitstrom,
dass heißt welche
der verschiedenen demodulierten Daten d0, d1, d2,... jeweils gültig sind,
und welche zu verwerfen sind, wird während der Dekodierung des Faltungscodes
mittels des für
sich bekannten Viterbi-Algorithmus getroffen. Die Dekodierung wird
dabei vorzugsweise in einem erweiterten Trellis-Diagramm vorgenommen,
welches neben den möglichen
Zuständen und
Zustandsübergängen des
Faltungscoders auch alle Möglichkeiten
der Demodulation berücksichtigt und
es somit ermöglicht,
anhand von Metrikvergleichen den Pfad der wahrscheinlichsten Sendefolge und
des am wahrscheinlichsten verwendeten Ladeschemas zu identifizieren.
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Die
Struktur des beispielhaft verwendeten erweiterten Trellis-Diagramms
wird nachfolgend anhand eines Beispiels und unter Bezug auf die 3 – 6 dargestellt.
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Senderseitig
soll bei diesem Beispiel nur zwischen drei Modulationsverfahren
QPSK, 16-QRM (Quadrature Amplitude Modulation) und 64-QAM gewählt werden
können.
Außerdem
soll zur Vereinfachung der senderseitig verwendete Ladealgorithmus die
Datenrate und somit die Anzahl von Bit pro kodierter Folge konstant
halten. Der verwendete Faltungscode soll zur Vereinfachung die Gedächtnislänge 2 haben,
dass heißt
der zugehörige
Viterbi-Decoder hat ohne eine Erweiterung vier Zustände. Außerdem soll
die kodierte Folge nicht punktiert werden. Diese Annahmen dienen
lediglich der Vereinfachung der Erläuterung. Abweichende Parameter
lassen sich in üblicher
Art und Weise und ohne signifikante Veränderung oder mit geringen Modifikationen
des Detektionsverfahrens bzw. Detektionsalgorithmus realisieren.
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3 veranschaulicht
die Zuordnung von einzelnen Abschnitten im Trellis-Diagramm zu Modulationssymbolen
für die
drei beispielhaften Modulationsverfahren, wobei zur Veranschaulichung
von einer nicht-adaptiven Modulation ausgegangen wird. Das oberste
Diagramm zeigt die Situation im Trellis-Diagramm für eine Modulation
mit dem 16-QAM-Verfahren. Jede Spalte 16-QAM sym 1, 16-QAM sym 2
bzw. 16-QAM sym 3 symbolisiert dabei eines der Symbole s, wie sie über die
Antenne A der senderseitigen Station MH ausgesendet werden. Dargestellt
ist jeweils in einem Kreis ein zweiwertiger Zustand als Ausgangslage.
Von diesen Zustand aus führen
zwei Möglichkeiten
zu einem Folgezustand abhängig
davon, ob in den ersten Zustand ein Bit mit dem Wert „1" oder mit dem Wert „0" eingegeben wird. Die
eingegebenen Bit sind jeweils unter den von dem dargestellten Zustand
nach rechts wegführenden Pfeilen
dargestellt. Die aus dem Zustand bei Eingabe eines bestimmten Eingangsbit
resultierende Ausgabe ist jeweils über dem jeweiligen Pfeil dargestellt. Ausgehend
von zum Beispiel dem ursprünglichen Zustand „00" resultiert bei Eingabe
des Bit „0" die Ausgabe „00" bei gleichzeitigem Übergang
in den Zustand „00", während nach
Eingabe des Bitwertes „1" die Ausgabe „11" lautet und in den
Zustand „01" übergegangen wird. Von dem ursprünglichen
Zustand „01" ausgehend erfolgt
eine Verzweigung zu den nachfolgenden Zustandssymbolen „10" und „11". Vom ursprünglichen
Zustand „10" folgt eine Weiterführung zu
den nachfolgenden Zuständen „00" und „01". Von letztendlich
dem ursprünglichen
Zustand „11" findet ein Übergang
zu den Zuständen „10" bzw. „11" statt. Anfänglich vom
Zustand „00" ausgehend werden
in der ersten Folgestufe die beiden Zustände „00" und „01" und in der zweiten Stufe die Zustände „00", „01", „10" und „11" erreicht. Bei der
Kodierung wird ein eindeutiger Weg durch ein solches Trellis-Diagramm
durchschritten. Um bei der Pfadrückverfolgung
im Decoder einen eindeutigen Ausgangspunkt zu gewährleisten,
wird häufig
durch senderseitiges Anfügen
einer Nullsequenz wieder eine Verjüngung des Diagramms auf in
der letzten Übertragungsstufe ein
einziges Zustandssymbol erzwungen.
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In
der zweiten Zeile ist das Trellis-Diagramm für die QPSK-Modulation dargestellt. Dabei entspricht
jede Spalte einem zweiwertigen QPSK-Symbol QPSK-sym 1, QPSK-sym
2, QPSK-sym 3, QPSK-sym 4, QPSK-sym 5. Beispielhaft für eine in dieses
Trellis-Diagramm eingegebene Datenfolge werden die nacheinanderfolgend
eingegebene Datenbit „011" betrachtet. Im ersten
Schritt vom Zustand „00" ausgehend, wird
bei Eingabe des Bit „0" ein erstes Symbol
QPSK-sym 1 mit dem Wert „00" ausgegeben. Das
zweite ausgegebene Symbol QPSK-sym 2 erhält nach Eingabe des Bit „1" den Wert „11". Das dritte Symbol
QPSK-sym 2 erhält
nach Eingabe des Bit „1" den Wert „01".
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In
der dritten Zeile ist das Trellis-Diagramm für das Modulationsverfahren
64-QAM skizziert, bei dem die erzeugten und über die Funk-Schnittstelle übertragenden
Symbole 64-QAM-sym 1 bzw. 64-QAM-sym 2 sind.
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Wegen
der aus der übereinander
dargestellten Abfolge der drei Modulationsdiagramme ersichtlichen
unterschiedlichen Länge
der einzelnen Abschnitte bzw. Symbole, welche über die Funk-Schnittstelle V zu übertragen
sind, werden bei der Erstellung eines Trellis-Diagrammes für die Berücksichtigung
von Wechseln zwischen einzelnen dieser Modulationsverfahren für aufeinanderfolgend zu übertragende
Symbole zusätzliche
Pfade eingeführt,
so dass ein erweitertes Trellis-Diagramm entsteht. In dem erweiterten
Trellis-Diagramm kann nun senderseitig nicht nur zwischen einzelnen
Zuständen innerhalb
eines Modulationsverfahrens gewechselt werden sondern auch ein Wechsel
von einem zu dem anderen Modulationsverfahren vorgenommen werden.
Bei den Wechseln ist dabei zu berücksichtigen, dass für die verschiedenen
Modulationsverfahren Symbole mit einer unterschiedlichen Anzahl
zugeordneter Bit erstellt werden, was insbesondere später beim
Dekodieren zu berücksichtigen
ist.
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Zur
Erläuterung
des in 5 dargestellten erweiterten Trellis-Diagramms
wird die in 4 dargestellte vereinfachte
graphische Repräsentation von
Trellis-Segmenten verwendet. Ausgehend in einer ersten Spalte mit
den vier möglichen
Zuständen „00", „01", „10" und „11" führen die
bereits anhand 3 beschriebenen Pfade zu den
in der zweiten Spalte beschriebenen Zuständen. Unter den Pfeilen ist
wiederum angegeben, welcher Bitzustand in den ersten Zustand eingegeben
wurde, um zu dem entsprechenden zweiten Zustand zu gelangen, wobei die
Ausgabewerte für
das zu erstellende Symbol wiederum oberhalb der Pfeile dargestellt
sind. Aus jedem Zustand werden wie zuvor je nach Eingabe eines Bit „0" oder eines Bit „1" zwei vorgegebene
Zustände
der zweiten Spalte angesteuert, wobei die zweite Spalte für den Zeitpunkt
steht, bei dem ein weiteres Bit eingegeben wird, woraufhin ein neues Symbol
im Falle einer 2-wertigen Modulation oder die nächsten beiden Bit für das in
Erstellung befindliche Symbol, wie bei der 16-QAM, bereitgestellt werden.
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Bei
dem in 5 dargestellten erweiterten Trellis-Diagramm wird
wie bei 3 durch die obere Zeile eine
16-QAM, für
die mittlere Zeile eine QPSK-Modulation und für die untere Zeile eine 64-QAM
repräsentiert.
Jede Spalte der oberen beiden Zeilen entspricht dabei einem Zeitpunkt,
zu dem ein weiteres Bit bzw. ein weiterer Datenwert zur Modulation
bereitgestellt und verarbeitet wird. Nach jedem der dargestellten
Abschnitte, welche einem Modulationssymbol zuzuordnen sind, existieren
zusätzliche
Verzweigungen, die jeweils einen möglichen Wechsel des Modulationsverfahrens
zu Beginn des nächsten
Symbols beschreiben. Tatsächlich
steht jeder der dargestellten Pfeile für insgesamt 8 Zustandsübergänge, wobei
in jedem Schritt von den zugeführten
Pfaden eine Auswahl getroffen wird, so dass pro Zustand jeweils
nur ein einlaufender Übergang
nachfolgend weiter berücksichtigt
wird. Bei der Erstellung eines Symbols werden bei QPSK beispielsweise
2 Bit zusammengefasst, bei 16-QAM werden
bei einer kodierten Folge 4 Bit zusammengefasst und bei 64-QAM werden
bei kodierter Folge 6 Bit zusammengefasst.
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Von
beispielsweise dem linksseitig ersten Modulationsschritt ausgehend,
wird für
die Erstellung des nächsten
Symbols entschieden, ob wiederum QPSK zur Modulierung der nächsten 2
Bit verwendet wird oder hinsichtlich der Modulation auf zum Beispiel
64-QAM gewechselt wird, wobei dann die nächsten sechs aufeinanderfolgenden
Bit zu dem zweiten Symbol zusammengesetzt würden. Zeitlich würde eine
Rückverzweigung
für die
danach erfolgende Erstellung eines dritten Symbols im Falle eines
Wechsels zu QPSK zu einem theoretisch vierten Modulationsschritt
bei QPSK führen,
da zur Modulierung mit ausschließlich QPSK anstelle insgesamt
3 insgesamt 4 Symbole erzeugt worden wären. Nach jeder Symbolerstellung
ist wiederum ein Wechsel in ein anderes Modulationssystem möglich, wobei
zusätzlich
auch hier Wechsel von 64-QAM zu 16-QAM möglich sind. Die Zustände der
mittleren Zeile sind in der Figur im Gegensatz zu den Übergängen nicht
exklusiv der QPSK zugeordnet, sondern werden z.B. auch beim Wechsel
von 16-QAM nach 64-QAM durchlaufen. Bei einer Erweiterung auf weitere
verfügbare
Modulationsverfahren wird das erweiterte Trellis-Diagramm um weitere Zeilen und Verbindungen
erweitert.
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Empfängerseitig
kann für
die umgekehrte Suche nach dem wahrscheinlichsten Pfad bei der senderseitigen
Modulation ebenfalls auf das erweiterte Trellis-Diagramm zurückgegriffen
werden, wobei der für
sich bekannte Viterbi-Algorithmus einfach angewendet werden kann.
Bei der Verfahrensweise nach Viterbi wird das erweiterte Trellis-Diagramm
von vorne nach hinten abgearbeitet, wobei für je zwei in denselben Zustand
hineinlaufende Pfeile jeweils das Beste mögliche Ergebnis bestimmt wird.
Anschließend
wird von hinten nach vorne der wahrscheinlichste Pfad gesucht, um
daraufhin eine Abfolge von empfangenen Bit den Symbolen zuzuordnen
und entsprechend eine Rekonstruierung der ursprünglichen Daten vorzunehmen.
Der Viterbi-Decoder sucht somit den wahrscheinlichsten Weg durch das
Trellis-Diagramm, wobei es sich um ein übliches Optimierungsverfahren
handelt. Für
die einzelnen Bit wird jeweils geprüft, was wäre, wenn die einzelnen Demodulatoren
DM0, DM1, DM2,... das richtige Ergebnis liefern würden.
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In
jedem Trellis-Knoten können
alle einlaufenden Pfade bis auf denjenigen mit der besten akkumulierten
Metrik verworfen werden. Neben der akkumulierten Metrik können auch
weitere zusätzliche Kriterien
zum Ausschluss von Pfaden in Betracht gezogen werden. Beispielsweise
kann festgelegt werden, dass die Anzahl der einem Pfad zugeordneten Modulationssymbole
in keinem Knoten die Anzahl der insgesamt übertragenen Symbole übersteigen darf.
Ferner können
besondere Eigenschaften der senderseitig zur Verfügung stehenden
Ladealgorithmen bei der Pfadauswahl berücksichtigt werden. Insbesondere
sind dabei Beschränkungen
möglich,
beispielsweise dass senderseitig bei schlechten Übertragungsfunktionen auf dem
gewählten
Träger
nur bestimmte Modulationsverfahren aus der Modulationsverfahrens-Auswahl,
die prinzipiell zur Verfügung stehen
würde,
verwendet werden dürfen.
Empfängerseitig
können
solche Informationen berücksichtigt werden.
Insbesondere kann empfängerseitig
berücksichtigt
werden, dass in bestimmen Situationen generell nur eine Unterauswahl
der insgesamt verfügbaren
Modulationsverfahrens-Auswahl bei der Sendestation MH verwendet
werden darf, so dass auch empfängerseitig
nur die entsprechende Auswahl von Demodulationsverfahren aus der
prinzipiell verfügbaren
Demodulationsverfahrens-Auswahl DTAB berücksichtigt werden muss. Fehlen
solche Informationen kann empfängerseitig
auch prinzipiell auf sämtliche
theoretisch verfügbaren
Demodulationsverfahren zurückgegriffen
werden, um die empfangenen Daten bzw. Symbole zu demodulieren.