DE10317193A1 - Multiple carrier data transfer method, e.g. for use with OFDM in wireless LAN systems, whereby the transmission signal is modulated and sent over an orthogonal sub-carrier with the signal carried in the time domain - Google Patents

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Abstract

Multiple carrier data transfer method in which data symbols are inserted and carried over a number of modulated data sub-layers. The method involves modulating the transmission signal on an orthogonal sub-carrier and insertion of the modulated signal in the time domain. An independent claim is made for a device for Multiple carrier data transfer.

Description

Bei drahtlosen und mobilen Kommunikationssystemen, insbesondere bei WLAN Systemen, wird vermehrt OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) als rechenaufwandeffizientes Mehrträgerübertragungsverfahren eingesetzt. Dabei wird die, bei hohen Datenraten sich normalerweise ergebende, Interferenz zwischen aufeinander folgend gesendeten Datensymbolen dadurch vermieden, dass das vorhandene Spektrum in ausreichend langsam modulierte Unterträger aufgeteilt wird. Über jeden der zueinander orthogonalen Unterträger kann dann jeweils ein Datensymbol übertragen werden. Die Spektrumsaufteilung in orthogonale Unterträger kann dabei sehr effizient durch eine IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) auf der Sendeseite und eine FFT (Fast Fourier Transform) auf der Empfangsseite erreicht werden. Auf der Empfangsseite kann dann getrennt für jeden Unterträger das gesendete Datensymbol rekonstruiert werden.at wireless and mobile communication systems, especially at WLAN systems, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) as a multi-carrier transmission method that is efficient in terms of computing power used. This is usually the case with high data rates resulting interference between successively transmitted data symbols thereby avoided that the existing spectrum modulated in slowly enough subcarrier is divided. about each of the orthogonal subcarriers can then transmit a data symbol become. The spectrum can be divided into orthogonal subcarriers very efficient thanks to an IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) on the sending side and an FFT (Fast Fourier Transform) on the Reception side can be reached. On the reception side can then be separated for each subcarrier the sent data symbol can be reconstructed.

Eine Erweiterung dieser OFDM Systeme besteht darin, diese mit dem Prinzip der Spreizung, bekannt aus sogenannten DS-CDMA (Direct Sequence-Code Division Multiple Access) Systemen, zu kombinieren. Bei DS-CDMA Systemen werden mehreren Teilnehmern zueinander orthogonale Spreizsequenzen zugewiesen, so dass diese Teilnehmer gleichzeitig Senden bzw. Empfangen können und über die Orthogonalität der Spreizsequenzen getrennt werden können. Eine Kombination von OFDM und DS-CDMA, was meistens entweder als OFDM-CDMA oder als Multi-Carrier CDMA (MC-CDMA) bezeichnet wird, bietet nun ebenfalls die Möglichkeit der gleichzeitigen Versorgung mehrerer Teilnehmer im gleichen Frequenzband (Buch „OFDM for Wireless Multimedia Communications", R. van Nee and R. Prasad, Artech House, 2000, Seiten 179 bis 211).A Extending these OFDM systems is based on the principle the spread, known from so-called DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) systems. With DS-CDMA Systems become spreading sequences orthogonal to one another for several participants assigned so that these participants send or receive at the same time can and about the orthogonality the spreading sequences can be separated. A combination of OFDM and DS-CDMA, which is mostly referred to either as OFDM-CDMA or as multi-carrier CDMA (MC-CDMA) now also offers the option of simultaneous supply of several participants in the same frequency band (Book “OFDM for Wireless Multimedia Communications ", R. van Nee and R. Prasad, Artech House, 2000, pages 179 to 211).

Der Stand der Technik bei OFDM-CDMA besteht darin, N zu versendende Datensymbole eines Teilnehmers im Frequenzbereich mit einer Spreizsequenz der Länge Q zu spreizen, so dass man anschließend N·Q Datenchips erhält. Als Spreizsequenzen werden üblicherweise Hadamard Walsh Codes verwendet. Die aus der Spreizung resultierenden N·Q Datenchips werden wiederum durch eine IFFT der Länge N·Q auf ebenso viele orthogonale Unterträger moduliert und im Zeitbereich überlagert.The State of the art in OFDM-CDMA consists of N to be sent Data symbols of a subscriber in the frequency domain with a spreading sequence the length Spread Q so that you then get N · Q data chips. As Spreading sequences are common Hadamard Walsh codes used. The N · Q data chips resulting from the spread are again orthogonal by an IFFT of length N · Q subcarrier modulated and overlaid in the time domain.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass bei gleichbleibender Anzahl an Datensymbolen N die Anzahl, der durch die IFFT zu erzeugenden orthogonalen Unterträger, mit dem Faktor Q zunimmt. Ebenso nimmt auch das PAPR (Peak to Average Power Ratio) des Sendesignals mit steigendem Q zu. Dieser Effekt resultiert aus der Tatsache, dass bei steigender Anzahl an orthogonalen Unterträgern auch die Anzahl der sich im Zeitbereich überlagernden Datensignale erhöht und somit auch die Wahrscheinlichkeit einer konstruktiven Überlagerung dieser Einzelbeiträge zu einem Sendesignal mit höherer Sendeleistung, d.h. größerem PAPR, ansteigt.adversely The thing about this method is that with the same number of data symbols N is the number of orthogonal subcarriers to be generated by the IFFT, with the factor Q increases. The PAPR (Peak to Average Power ratio) of the transmission signal with increasing Q. This effect results from the fact that with increasing number of orthogonal subcarriers the number of data signals overlapping in the time domain also increases and thus also the probability of a constructive overlay of these individual contributions to one Broadcast signal with higher Transmit power, i.e. larger PAPR, increases.

In Anbetracht der erwähnten Nachteile des Standes der Technik hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Mehrträgerübertragungverfahren mit gespreizten Datensymbolen zu schaffen, das ein geringeres PAPR aufweist.In Considering the mentioned The present invention has disadvantages of the prior art given the task of a multi-carrier transmission process with spread data symbols to create a lower PAPR having.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Mehrträgerübertragungsverfahren mit gespreizten Datensymbolen vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Aufmodulieren des Sendesignals auf orthogonale Unterträger und Spreizen des modulierten Signals im Zeitbereich.to solution this task becomes a multi-carrier transmission method suggested with spread data symbols, characterized in that is that the method comprises the following steps: modulation of the transmission signal on orthogonal subcarriers and spreading the modulated Signals in the time domain.

Weitere vorteilhafte Ausprägungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen zu finden.Further advantageous forms of the method according to the invention are in the subclaims to find.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung und ein Computer-Programm-Produkt zur Mehrträgerübertragung.The task according to the invention will also be resolved by a device and a computer program product for multi-carrier transmission.

Die vorliegende Erfindung basiert auf einer geänderten Reihenfolge der Signalverarbeitungsblöcke ,IFFT' und ,Spreizung'. Und zwar wird hierbei zuerst durch eine IFFT die Modulation der N Datensymbole auf nur N orthogonale Unterträger und die anschließende zeitliche Überlagerung der entstehenden Signale vorgenommen. Erst danach wird durch eine Q-fache zeitliche Wiederholung von modulierten Datensymbolen die Spreizung durchgeführt. Somit können sich nur N zufällig modulierte Unterträgersignale im Zeitbereich überlagern und das PAPR hängt bei einer Betrachtung der N·Q zu sendenden Datenchips nicht von der Spreizlänge Q ab. Die in dieser Erfindung beschriebene Zeitbereichsspreizung bei OFDM kann man sich im Frequenzbereich so vorstellen, als dass man erst wie bei dem herkömmlichen OFDM-CDMA Verfahren gespreizte Datenchips über das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum spreizt, diese Datenchips dann aber noch mit der Fouriertransformierten des Spreizcodes gewichtet.The The present invention is based on a changed order of the signal processing blocks 'IFFT' and 'spread'. And that is first by an IFFT modulating the N data symbols to only N orthogonal subcarriers and the subsequent one temporal overlay of the resulting signals. Only after that is a Q-fold time repetition of modulated data symbols Spread carried out. So you can just N randomly modulated subcarrier signals overlay in the time domain and the PAPR is attached a consideration of the N · Q data chips to be sent do not depend on the spreading length Q. The in this invention Time domain spreading described with OFDM can be seen in the frequency domain in such a way that you can only see the conventional OFDM-CDMA Procedure spread data chips over the to disposal standing frequency spectrum spreads, but then these data chips weighted with the Fourier transform of the spreading code.

Die vorliegende Erfindung, bei der die Spreizung als eine Spreizung im Zeitbereich bezeichnet wird, ist allerdings nicht zu verwechseln mit den in der Literatur (Zeitschrift „Overview of Multicarrier CDMA", S. Hara and R. Prasad, IEEE Communications Magazine, Dezember 1997, Seiten 126 bis 133) ebenfalls als Mehrträgerübertragungsverfahren mit einer Spreizung im Zeitbereich vorgestellten Systeme. Bei den letztgenannten Verfahren wird die zeitliche Spreizung nicht innerhalb eines OFDM Symbols, sondern über mehrere OFDM Symbole, also mehrere Datenbursts, ausgeführt. Dies bedeutet, dass dabei im Prinzip nur eine normale OFDM Modulation mit N orthogonalen Unterträgern durchgeführt wird und die dabei resultierenden Bursts komplett zeitlich wiederholt werden.However, the present invention, in which the spread is referred to as a spread in the time domain, should not be confused with those in the literature ("Overview of Multicarrier CDMA", S. Hara and R. Prasad, IEEE Communications Magazine, December 1997, Pages 126 to 133) also presented as a multi-carrier transmission method with a spread in the time domain .. In the latter method, the time spread is not carried out within an OFDM symbol, but over several OFDM symbols, that is to say several data bursts when in principle only normal OFDM modulation is carried out with N orthogonal subcarriers and the resulting bursts are repeated completely in time.

Die vorliegende Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht werden.The The present invention will now be illustrated using an exemplary embodiment become.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1: ein Mehrträgerübertragungsverfahren nach dem Stand der Technik und 1 : a multi-carrier transmission method according to the prior art and

2: ein Mehrträgerübertragungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 : a multi-carrier transmission method according to the present invention.

Ausgangspunkt für die im Weiteren detaillierter dargestellten OFDM Übertragungssysteme sind Datensymbolströme der Länge N mit z.B. QPSK modulierten Datensymbolen. Insgesamt greifen K Teilnehmer gleichzeitig auf das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum zu, so dass sich für den k-ten Teilnehmer, k = 1, ..., K, der zugehörige Datenstrom in Vektorschreibweise ergibt als d(k) = (d1 (k), ..., dN (k))T. The starting point for the OFDM transmission systems shown in more detail below are data symbol streams of length N with, for example, QPSK modulated data symbols. In total, K subscribers access the available frequency spectrum at the same time, so that for the k-th subscriber, k = 1, ..., K, the associated data stream results in vector notation as d (K) = (i.e. 1 (K) , ..., d N (K) ) T ,

1 zeigt ein Verfahren nach dem Stand der Technik, bei dem man die zu übertragenden Datenströme s(k) durch die folgenden, durch Matrixmultiplikationen beschriebenen, Signalverarbeitungsblöcke erhält: s(k) = F–1 (NQ)·PFI·C(k)·d(k) 1 shows a method according to the prior art, in which the data streams s (k) to be transmitted are obtained by the following signal processing blocks described by matrix multiplications: s (K) = F -1 (NQ) · P FI · C (K) · d (K)

Dabei beschreibt die Matrix C(k) die Spreizung und kann weiter beschrieben werden als C(k) = I(N)⊗c(k),wobei c(k) der dem k-ten Teilnehmer zugewiesene Spreizcode der Länge Q, z.B. Hadamard Walsh Code, in Vektorschreibweise ist. I(N) bezeichnet dabei eine Einheitsmatrix der Dimension N×N und ⊗ bezeichnet das Kroneckerprodukt. Die Permutationsmatrix PFI beschreibt ein optionales Vertauschen der nach der Spreizung entstehenden Datenchips (Frequenzinterleaving). F–1 (NQ) beschreibt die IFFT der Länge N·Q. Was auch noch bei dem OFDM-CDMA Verfahren nach dem Stand der Technik als auch bei dem im Folgenden beschriebenen neuen OFDM-CDMA Verfahren vorausgesetzt wird, ist eine zyklische Erweiterung der Sendedatenströme s(k), um die Gedächtnislänge der frequenzselektiven Übertragungskanäle zu kompensieren. Die Faltung der K Teilnehmersignale mit den entsprechenden Kanalimpulsantworten des Übertragungskanals und deren Überlagerung wird in 1 durch die Matrix H und additives Rauschen durch den Vektor n beschrieben. Im Empfänger wird das empfangene Signal x erst durch eine Fouriertransformation wieder in den Frequenzbereich transformiert und anschließend werden die gesendeten Datensymbole detektiert. Dabei kann die Entspreizung und die Entfernung des Kanaleinflusses getrennt oder zusammen durchgeführt werden. Genauso kann man auch eine Detektion der Datensymbole der einzelnen Teilnehmer und eine gemeinsame Detektion aller gleichzeitig gesendeten Datensignale unterscheiden. Letzterer Ansatz ist in 1 dargestellt, bei dem gleichzeitig die K Datensignale entspreizt und der Kanaleinfluss entfernt wird (Joint Detection).The matrix C (k) describes the spread and can be further described as C (K) = I (N) ⊗c (K) . where c (k) is the spreading code of length Q assigned to the k-th participant, for example Hadamard Walsh code, in vector notation. I (N) denotes a unit matrix of the dimension N × N and ⊗ denotes the Kronecker product. The permutation matrix P FI describes an optional swapping of the data chips created after the spreading (frequency interleaving). F -1 (NQ) describes the IFFT of length N · Q. What is also required in the OFDM-CDMA method according to the prior art and also in the new OFDM-CDMA method described below is a cyclical expansion of the transmit data streams s (k) in order to compensate for the memory length of the frequency-selective transmission channels. The convolution of the K subscriber signals with the corresponding channel impulse responses of the transmission channel and their superimposition is shown in 1 described by the matrix H and additive noise by the vector n. In the receiver, the received signal x is first transformed back into the frequency domain by a Fourier transformation, and then the transmitted data symbols are detected. The despreading and the removal of the channel influence can be carried out separately or together. In the same way, one can also distinguish between a detection of the data symbols of the individual subscribers and a common detection of all data signals transmitted simultaneously. The latter approach is in 1 shown, in which the K data signals are despread and the channel influence is removed (joint detection).

2 zeigt ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der man die zu übertragenden Datensymbole s(k) durch die folgenden Signalverarbeitungsblöcke erhält: s(k) = C(k)·F–1 (N)·d(k) 2 shows a method according to the present invention, in which the data symbols s (k) to be transmitted are obtained by the following signal processing blocks: s (K) = C (K) · F -1 (N) · d (K)

Der wesentliche Unterschied zu dem Stand der Technik besteht in der vorliegenden Erfindung in einem Vertauschen der Operationen Spreizung und IFFT, sowie in der verkürzten IFFT-Länge N anstelle von N·Q. Dieselben Datensymbole s(k) kann man allerdings auch durch die folgenden Operationen s(k) = F–1 (NQ)·Δ(k)·d(k) = (F–1 (N)⊗I(Q))·C(k)·d(k) erhalten, welche allerdings mit einem höheren Implementierungsaufwand verbunden sind. Die Matrix Δ(k) stellt dabei die Fouriertransformierte der Spreizmatrix C(k) dar: Δ(k) = F(NQ)·C(k)·F–1 (N) The main difference from the prior art in the present invention is a swapping of the spreading and IFFT operations, and in the shortened IFFT length N instead of N * Q. The same data symbols s (k) can also be obtained by the following operations s (K) = F -1 (NQ) · Δ (K) · d (K) = (F -1 (N) ⊗I (Q) ) · C (K) · d (K) received, which are associated with a higher implementation effort. The matrix Δ (k) represents the Fourier transform of the spreading matrix C (k) : Δ (K) = F (NQ) · C (K) · F -1 (N)

Der Empfänger für das in dieser Erfindung beschriebene OFDM-CDMA Verfahren ist ähnlich aufgebaut wie für das OFDM-CDMA Verfahren nach dem Stand der Technik. Allerdings ist dabei zu beachten, dass der Joint Detection Prozess in 2 nun die Fouriertransformierte Δ(k) und nicht die ursprüngliche Spreizmatrix C(k) berücksichtigt. Wie schon für den Stand der Technik erwähnt, ist die Joint Detection nur ein Beispiel für eine Empfängerarchitektur; ebenso können die Detektion der einzelnen Teilnehmersignale als auch Entspreizung und Kanalentzerrung getrennt vorgenommen werden. Bei einer getrennten Entspreizung und Kanalentzerrung kann dann auch die Entspreizung von C(k) vor die FFT gezogen werden.The receiver for the OFDM-CDMA method described in this invention is constructed similarly to the OFDM-CDMA method according to the prior art. However, it should be noted that the joint detection process in 2 now the Fourier transform Δ (k) and not the original spread matrix C (k) is taken into account. As mentioned for the prior art, joint detection is only one example of a receiver architecture; Likewise, the detection of the individual subscriber signals as well as despreading and channel equalization can be carried out separately. With separate despreading and channel equalization, the despreading of C (k) can then be drawn in front of the FFT.

Zusätzlich könnte der Empfänger auch noch Empfangsantennendiversität durch Verwenden von Antennengruppen berücksichtigen. Die bisher beschriebenen Verfahren beziehen sich auf die Aufwärtsstrecke in einem Mobilfunksystem. Das in dieser Erfindung beschriebene Verfahren kann aber genauso für die Abwärtsstrecke, bei der die Basisstation als Sender agiert und die Datensignale für die einzelnen Teilnehmer überlagert sendet, eingesetzt werden. Ebenso könnte auch für die Abwärtsstrecke eine Antennengruppe eingesetzt werden und das OFDM-CDMA Verfahren mit Beamforming- und Vorverzerrungsalgorithmen kombiniert werden.In addition, the receiver could also consider receiving antenna diversity by using antenna groups. The methods described so far relate to the uplink in a mobile radio system. However, the method described in this invention can also be used for the downlink in which the base station acts as a transmitter and the data signals for the one sends individual participants superimposed, are used. An antenna group could also be used for the downlink and the OFDM-CDMA method combined with beamforming and predistortion algorithms.

Claims (6)

Mehrträgerübertragungsverfahren mit gespreizten Datensymbolen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: – Aufmodulieren des Sendesignals auf orthogonale Unterträger und – Spreizen des modulierten Signals im Zeitbereich.Multi-carrier transmission method with spread data symbols, characterized in that the method comprises the following steps: - modulating the transmission signal onto orthogonal subcarriers and - spreading the modulated signal in the time domain. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Aufmodulieren durch eine inverse Fouriertransformation vorgenommen wird.A method according to claim 1, characterized in that said modulation by an inverse Fourier transform is made. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Spreizung im Zeitbereich durch Multiplikation jedes Wertes des modulierten Signals der Dauer T mit einer Codesequenz, die aus Q Chips der Dauer Tc = T/Q besteht, vorgenommen wird.Method according to one of claims 1 to 2, characterized in that that spread in the time domain by multiplying each Value of the modulated signal of duration T with a code sequence, which consists of Q chips of the duration Tc = T / Q. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Codesequenzen, die zur Spreizung der Signale unterschiedlicher Teilnehmer verwendet werden, zueinander orthogonal sind.A method according to claim 3, characterized in that the code sequences used to spread the signals differently Participants are used that are orthogonal to each other. Vorrichtung zur Mehrträgerübertragung mit gespreizten Datensymbolen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst: – Mittel zum Aufmodulieren des Sendesignals auf orthogonale Unterträger und – Mittel zum Spreizen des modulierten Signals im Zeitbereich.Device for multicarrier transmission with spread Data symbols, characterized in that the device comprises: - Medium for modulating the transmission signal onto orthogonal subcarriers and - Medium for spreading the modulated signal in the time domain. Computer-Programm-Produkt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist und Softwarequelltext zur Ausführung der Verfahrensschritte eines der Ansprüche 1–4 enthält, wenn besagtes Programm auf einem Computer abgespielt wird.Computer program product that directly into the internal A digital computer's memory is loadable and software source code for execution which includes method steps of any of claims 1-4 when said program is played on a computer.
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DE102009051391A1 (en) * 2009-11-02 2011-05-05 Baier, Paul Walter, Prof. Dr.-Ing. Value discrete data vector transmitting method for mobile radio system in wireless local area network, involves transmitting orthogonal frequency division multiplexing signal to receiver, and determining rating for partial data vector
DE102009021417B4 (en) * 2009-05-12 2014-09-04 Paul Walter Baier Method and apparatus for nonlinear transformation and envelope scaling of OFDM signals

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