DE10348818B4

DE10348818B4 - Verfahren zur Regelung eines Schutzintervalls von Datenströmen in digitalen Funkübertragungseinrichtungen und Funkempfangsgerät hierzu

Info

Publication number: DE10348818B4
Application number: DE2003148818
Authority: DE
Inventors: Van Duc Dipl.-Ing. Nguyen; Hans-Peter Prof. Dr.-Ing. Kuchenbecker
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: WO2005041508A1; DE10348818A1

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Schutzintervalls (SI) in Datenströmen in digitalen Funkübertragungseinrichtungen, wobei die Schutzintervalle (SI) informationslose Bereiche des Datenstroms zur Vermeidung von Dateninterferenzen sind, mit den Schritten:
– fortlaufendes Messen von Signalen als Antwort eines Kanals auf ein Kanalstoßantworttestsignal,
– Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort (N_P) aus den gemessenen Signalen,
– Regeln der Länge des Schutzintervalls (SI) in Abhängigkeit von der geschätzten Länge der Kanalstoßantwort (N ^_P),
gekennzeichnet durch Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort (N ^_P) durch
a) Mittelung der Kanalstoßantwortsignale zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen zur Reduzierung des Rauschanteils;
b) Bilden einer Summenfunktion (S), wobei jeweils für die Funktionszeitpunkte (τ_i) der Summenfunktion (S) das gemittelte Kanalstoßantwortsignal ausgehend von einem dem jeweiligen Funktionszeitpunkt (τ_i) entsprechenden Zeitpunkt (τ_i) des gemittelten Kanalstoßantwortsignals bis zu einem festgelegten Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals aufsummiert wird;
c) Bilden einer kompensierten Summenfunktion (KS) durch Überlagerung einer Rauschfunktion (R) auf die Summenfunktion (S), wobei die...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Schutzintervalls von Datenströmen in digitalen Funkübertragungseinrichtungen, wobei die Schutzintervalle informationslose Bereiche des Datenstroms zur Vermeidung von Dateninterferenzen sind, mit den Schritten:

– fortlaufendes Messen von Signalen als Antwort eines Kanals auf ein Kanalstoßantworttestsignal,
– Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort aus den gemessenen Signalen, und
– Regeln der Länge des Schutzintervalls in Abhängigkeit von der geschätzten Länge der Kanalstoßantwort.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Funkgerät mit einem Funksende-/empfangsmodul zum Senden und/oder Empfangen für digitale Datenströme und einem Kanalschätzmodul zur Detektion von Kanalstoßantwortsignalen auf ein Kanalstoßantworttestsignal.
Schutzintervalle werden in digitalen Funkübertragungssystemen eingesetzt, insbesondere bei Mobilfunksystemen, die ein orthogonales Frequenzmultiplex-Modulationsverfahren OFDM verwenden. Derartige orthogonale Frequenzmultiplex-Modulationsverfahren werden auch beispielsweise im digitalen Rundfunk nach dem Digital-Audio-Broadcast-Standard (DAB), Digital-Video-Broadcast- Standard (DVB), Digital-Radio-Mondiale-Standard (DRM) und in lokalen Funknetzen (Wireless Local Area Networks WLAN) eingesetzt. Die durch Mehrwegeausbreitung verursachte Symbolinterferenz wird durch Einfügen von Schutzintervallen in den Datenstrom beseitigt. Da diese Schutzintervalle keine Information tragen, wird dadurch die erreichbare Datenrate reduziert. Die Reduktion ist um so größer, je länger die Schutzintervalle sind. Daher ist ein Bestreben, die Schutzintervalle so kurz wie möglich zu halten.
Die Länge des Schutzintervalls richtet sich nach der Länge der Kanalstoßantwort, also der Antwort des Funkkanals auf einen kurzen Kanalstoßantworttestimpuls. Das Schutzintervall muss mindestens so lang wie die Kanalstoßantwort sein. Allerdings ist die Länge der Kanalstoßantwort nicht konstant, sondern sie hängt wesentlich von der Umgebung ab, in der sich der Funkempfänger befindet. Wechselt beispielsweise der Teilnehmer eines lokalen Funknetzes vom Innenbereich eines Gebäudes in den Außenbereich, dann wird die Kanalstoßantwort erheblich länger. Um diesen Effekt aufzufangen, wird bisher die Länge der Kanalstoßantwort auf den ungünstigsten Fall eingestellt, also auf die maximale Länge. Dadurch wird die Übertragung uneffektiv, d. h. die Datenrate niedriger als nötig, solange sich der Teilnehmer in einem Umfeld mit kurzer Kanalstoßantwort befindet.

In der US 2003/0043887 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Kanalimpulsantwort bei einem Kommunikationssystem beschrieben, bei dem durch inverse Fast-Fourier-Transformation eines Impulsantwortspektrums eine Kanalimpulsantwort geschätzt wird. Hierzu werden signifikante relative Maxima des transformierten Signals selektiert.

In der US 2001/0006541 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Übertragungskanals beschrieben, das aus zwei komplementären Sequenzen besteht. Die komplementären Sequenzen werden zusammengesetzt, indem dazwischen ein Schutzintervall von einer Dauer festgelegt ist, die größer oder gleich der Länge der Kanalstoßantwort ist, die bestimmt werden muss. Die Länge des Schutzintervalls ist hierbei durch Zeitverzögerungen D₁ und D₂ festgelegt, die als bekannte Werte vorausgesetzt und festgelegt werden.

In dem US-Patent 6,333,953 B1 ist ein Verfahren zur Charakterisierung eines Kanals mit Hilfe von Kanalkoeffizienten bei einer angenommenen Kanalstoßantwortzeit beschrieben.

Die WO 99/04537 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Länge einer Kanalstoßantwort durch iterative Inkrementierung einer Abtastlänge und Bestimmung von kanalstatistischen Größen auf der Basis der angenommenen Abtastlänge.

In dem US-Patent 5,606,580 ist ein Verfahren zur Einstellung der Länge eines Datenblocks in einem TDMA-Kommunikationssystem (Time-Division-Multiple-Access) beschrieben, bei dem die Impulsantwort eines Kommunikationskanals auf ein Kanalstoßantworttestsignal bestimmt und hieraus ein Signal-Rausch-Verhältnis berechnet wird. Es werden obere und untere Grenzfunktionen berechnet und die Länge eines Schutzintervalls entsprechend eingestellt. Eine Regelung der Länge des Schutzintervalls kann jedoch nicht erfolgen, da die tatsächliche Länge der momentanen Kanalstoßantwort nicht mit ausreichender Genauigkeit geschätzt wird.

Mit den bekannten Methoden ist eine Schätzung der Länge der Kanalstoßantwort mit einer ausreichenden Genauigkeit nicht möglich. Das Empfangssignal, aus dem die Kanalstoßantwort geschätzt werden muss, ist nämlich in der Regel merklich durch Rauschen gestört. Daher ist es am Ausgang des Kanalschätzers schwierig zu erkennen, welcher Anteil von der eigentlichen Kanalstoßantwort und welcher vom Rauschen herrührt.

In der JP 2002374223 A ist ein OFDM-Kommunikationssystem beschrieben, bei der die Schutzintervalllänge auf der Basis einer angenommenen maximalen Zeitverzögerung generiert und rückgekoppelt wird. Die maximale Zeitverzögerung wird aus einer Korrelationsfunktion bestimmt.

In der EP 1 061 687 A1 ist ein Verfahren zur Festlegung der Länge des Schutzintervalls auf der Basis der Empfangsqualität der Daten beschrieben.

Aus der EP 1 014 639 A2 ist ein OFDM-Kommunikationssystem bekannt, bei der eine optimale Schutzintervalllänge in Abhängigkeit von einem Korrelationswert aus einem Empfangssignal festgelegt wird.

In der EP 1 065 855 A1 ist ein OFDM-Kommunikationssystem offenbart, bei dem die Länge des Schutzintervalls in Abhängigkeit von einem Verzögerungswert eingestellt. Der Verzögerungswert wird als maximaler Verzögerungswert zwischen der höchsten und niedrigsten Kanalantwortsignalspitze einer Kanalverzögerung zwischen Schwellenwerten bestimmt.

Aus der WO 97/30531 ist ein OFDM-Kommunikationssystem bekannt, bei dem der Konflikt zwischen der optimalen Kanalnutzkapazität und dem Bedarf an langen Schutzintervallen mit Hilfe einer variablen Länge der Schutzintervalle gelöst wird. Die Länge der Schutzintervalle wird adaptiv auf das minimalste Maß herabgeregelt, das zur Vermeidung von Datenverlust noch möglich ist.

In der EP 0 615 352 A1 ist ebenfalls ein Funkkommunikationssystem beschrieben, bei dem die Schutzintervalllänge in Abhängigkeit von der gemessenen Impulsantwort angepasst wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur optimalen Anpassung eines Schutzintervalls von Datenströmen an die jeweiligen Umgebungsbedingungen in digitalen Funkübertragungseinrichtungen zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren gelöst durch Schätzung der Länge einer Kanalstoßantwort durch:

a) Mittelung der Kanalstoßantwortsignale zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen zur Reduzierung des Rauschanteils;
b) Bilden einer Summenfunktion, wobei jeweils für die Zeitpunkte der Summenfunktion gemittelte Kanalstoßantwortwerte ausgehend von einem dem jeweiligen Signalzeitpunkt entsprechenden Zeitpunkt des gemittelten Kanalstoßantwortsignals bis zu einem festgelegten Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals aufsummiert werden;
c) Bilden einer kompensierten Summenfunktion durch Überlagerung einer Rauschfunktion auf die Summenfunktion, wobei die Rauschfunktion für eine angenommene Rauschvarianz des gemittelten Kanalstoßantwortsignals generiert wird;
d) Anpassen der Varianz und Wiederholen des Schrittes c) solange, bis die kompensierte Summenfunktion mit einer annähernd horizontalen Geraden ausläuft; und
e) Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort aus dem Zeitpunkt, an dem die kompensierte Summenfunktion eine Knickstelle von einem Anfangsbereich zu der auslaufenden horizontalen Geraden aufweist.

Damit kann eine Schätzung der Länge einer Kanalstoßantwort mit einer zur Regelung der Länge des Schutzintervalls ausreichenden Genauigkeit bei einem verrauschten Kanalstoßantwortsignal erfolgen.

Durch die fortlaufende Schätzung der Länge der Kanalstoßantwort mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und die optimale Anpassung der Länge des Schutzintervalls kann die jeweils maximal mögliche Datenrate bei gleicher Sendeleistung und Bandbreite erreicht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die spektrale Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit des Funksystems deutlich erhöht.

Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Länge des Kanalstoßantwortsignals als Ausgangssignal eines an sich bekannten Kanalschätzers mindestens so groß wie die Länge der längsten Kanalstoßantwort ist. Weiterhin wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass sich die Länge der Kanalstoßantwort wesentlich langsamer ändert als die Kanalstoßantwortsignale zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen. Schließlich wird die Eigenschaft des Rauschens ausgenutzt, dass das Rauschen mittelwertfrei und die Varianz des Rauschens für alle Abtastwerte einer Kanalstoßantwort gleich groß ist.

Zunächst wird die durch das Rauschen verursachte Störung durch Mittelung der Kanalstoßantwortsignale zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort- Messungen reduziert. Die Mittelung erfolgt vorzugsweise durch Mittelung von quadrierten Beträgen der zu gleichen Abtastzeitpunkten gemessenen Kanalkoeffizienten von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Kanalstoßantwort-Messungen, wenn die Signale der Kanalstoßantwort aus einem kontinuierlichen Empfangssignal abgetastete Kanalkoeffizienten sind.

Anschließend wird eine Summenfunktion durch Berechnen einer Folge aufsummierter gemittelter quadrierter Beträge gebildet. Die Beträge werden dabei beginnend mit dem ersten, dann mit dem zweiten, dann mit dem dritten, und sofort, jeweils bis zum letzten Betragsquadrat aufsummiert. Die Summenfunktion enthält sowohl Komponenten der Kanalstoßantwort als auch des Rauschens.

Zur Trennung des Rauschanteils vom Kanalanteil wird eine Rauschfunktion durch Berechnen einer Folge aufsummierter Varianzwerte mit einer angenommenen Varianz gebildet. Dabei wird gegenläufig zur oben beschriebenen Bildung der Summenfunktion jeweils für die einzelnen Abtastzeitpunkte der Kanalkoeffizienten ausgehend von dem entsprechenden Abtastzeitpunkt eine Folge von Varianzwerten bis zu dem Anfang der Folge von Varianzwerten aufsummiert. Für eine beliebige angenommene Varianz erfolgt also eine gegenläufige Summation der zugehörigen Varianz-Werte beginnend mit dem letzten Wert, dann mit dem vorletzten, dann dem Wert davor, und sofort, jeweils bis zum ersten Varianzwert.

Die Summenfunktion und die Rauschfunktion werden zur Bildung einer kompensierten Summenfunktion überlagert. Die angenommene Varianz wird solange angepasst und die Schritte c) und d) wiederholt, bis die kompensierte Summenfunktion mit einer annähernd horizontalen Geraden ausläuft. Die Knickstelle der kompensierten Summenfunktion markiert die Länge der Impulsantwort.

Die Varianzwerte der Folge sind vorzugsweise gleich, so dass die Rauschfunktion durch Multiplikation des Varianzwertes mit einer jeweiligen fortlaufenden Indexnummer der Abtastzeitpunkte gebildet werden kann.

Die Überlagerung der Summenfunktion und der Rauschfunktion kann vorzugsweise durch Summation der Summenfunktionswerte und Rauschfunktionswerte für die einzelnen Abtastzeitpunkte erfolgen.

Eine annähernd horizontale Gerade der kompensieren Summenfunktion kann erkannt werden, wenn der minimale Wert der kompensierten Summenfunktion erstmalig am Ende der betrachteten kompensierten Summenfunktion liegt. Dabei sollte die zunächst angenommene Varianz größer als die tatsächliche Rauschvarianz sein. Bei der nachfolgenden Anpassung der Varianz wird diese solange reduziert, bis die kompensierte Summenfunktion am Ende nicht mehr ansteigt, wie dies bei einer zu großen Varianz zu beobachten ist, sondern horizontal ausläuft oder am Ende leicht abfällt und dort den geringsten Wert der kompensierten Summenfunktion hat.

Vorzugsweise wird die angenommene Varianz dadurch gebildet, dass der erste Abtastwert des Kanalstoßantwortsignals dem Kanal und die übrigen Abtastwerte dem Rauschen zugeordnet werden. Die angenommene Varianz ist dabei die maximal mögliche.

Das Verfahren wird vorzugsweise mit digitalen Datenströmen durchgeführt, die mit einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren moduliert sind, wie beispielsweise bei Datenströmen, die in Mobilfunksystemen, digitalen Rundfunksystemen und in lokalen Funknetzen auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Funkgerät zum Senden und/oder Empfangen digitaler Datenströme mit einem Kanalschätzmodul zur Detektion von Kanalstoßantwortsignalen auf ein Kanalstoßantworttestsignal zu schaffen, mit dem eine Regelung eines Schutzintervalls von Datenströmen ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Funkgerät dadurch gelöst, dass ein Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist und eine mit dem Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul gekoppelte Regelungseinheit zur Regelung der Länge des Schutzintervalls in Abhängigkeit von der geschätzten Länge der Kanalstoßantwort vorgesehen ist.

Das Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul ist ein herkömmlicher Kanalschätzer, der ein Kanalstoßantwortsignal generiert mit einer nachfolgenden digitalen Signalverarbeitungseinheit, die beispielsweise durch Programmierung erfindungsgemäß ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 – Struktur eines mit einem orthogonalen Frequenzmultiplex-Modulationsverfahren modulierten OFDM-Symbols;

2 – Skizze zur Darstellung der Abhängigkeit der Länge einer Kanalstoßantwort von der Umgebung;

3 – Diagramm von aktuellen und geschätzten Kanalkoeffizienten über die Länge einer Kanalstoßantwort zur Darstellung der Beeinträchtigung der Kanalschätzung durch additives Rauschen;

4 – Diagramm mit einer Folge geschätzter Kanalkoeffizienten mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen über die jeweilige Länge der Kanalstoßantwort;

5 – Diagramm von gemittelten quadratischen Beträgen der geschätzten Kanalkoeffizienten aus der 4, die zu entsprechenden Abtastzeitpunkten über zeitlich aufeinanderfolgende Kanalstoßantwort-Messungen in einem Mittelungsbereich gemittelt sind;

6 – Skizze der aus den gemittelten quadratischen Beträgen der geschätzten Kanalkoeffizienten aus der 5 gebildeten Summenfunktion mit dem Anteil des Kanals und des Rauschens über den Tab-Index des abgetasteten Kanalstoßantwortsignals;

7 – Diagramm der kompensierten Summenfunktion mit einer Darstellung der Summenfunktion und einer Rauschfunktion zur Kompensation des Rauschanteils, wobei die angenommene Rauschvarianz gleich der tatsächlichen Rauschvarianz ist;

8 – Diagramm der kompensierten Summenfunktion mit einer angenommenen Varianz des Rauschsignals, die größer, gleich und kleiner als die tatsächliche Rauschvarianz ist;

9 – Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schätzung der Länge der Kanalstoßantwort;

10 – Blockdiagramm eines Funksystem mit Sende- und Empfangsteil und mit einem an ein Kanalschätzmodul angeschlossenen Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul mit nachfolgender Regelung der Länge des Schutzintervalls.

Die 1 lässt die Struktur eines Symbols erkennen, das mit einem orthogonalen Frequenzmultiplex-Modulationsverfahren OFDM moduliert ist. Ein solches OFDM-Symbol hat herkömmlicherweise ein festes Schutzintervall SI, in dem keine Informationen übertragen werden, sowie einen Nutzanteil ND mit den eigentlichen Nutzdaten des Datenstroms.
Das Schutzintervall SI ist erforderlich, um die durch Mehrwegeausbreitung hervorgerufene Symbolinterferenz zu beseitigen. Die Länge des Schutzintervalls SI richtet sich nach der Länge der Kanalstoßantwort als der Antwort des Funkkanals auf einen kurzen Kanalstoßantworttestimpuls. Das Schutzintervall SI muss dabei mindestens so lang wie die Kanalstoßantwort sein. Die Länge der Kanalstoßantwort ist jedoch nicht konstant, sondern hängt wesentlich von der Umgebung ab, in der sich das Funkgerät befindet.
Die 2 lässt eine Skizze eines Funkübertragungssystems mit zwei Basisstationen BTS-1 und BTS-2 zum Senden und Empfangen von digitalen Datenströmen und einem mobilen Funkgerät M, das sich in einem Fall innerhalb eines Gebäudes G, d. h. in einer Indoor-Umgebung, und in einem anderen Fall außerhalb eines Gebäudes, d. h. in einer Outdoor-Umgebung befindet. Im Gebäude besteht eine Verbindung vom mobilen Funkgerät M zur BTS-1, außerhalb zur BTS-2.
Wie aus den zugehörigen Diagrammen der Kanalstoßantwort ersichtlich ist, kann bei einem Betrieb des mobilen Funkgerätes M in einer Indoor-Umgebung eine geringere Länge der Kanalstoßantwort als beim Betrieb in der Outdoor-Umgebung festgestellt werden. Herkömmlicherweise wird, um eine sichere Funkübertragung zu gewährleisten, das Schutzintervall SI in Abhängigkeit von der maximalen Länge der Kanalstoßantwort N_P unter ungünstigsten Umgebungsbedingungen fest eingestellt.
Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, die Länge des Schutzintervalls SI in Abhängigkeit von der aktuellen Länge der Kanalstoßantwort N_P unter der jeweiligen Umgebungsbedingung zu regeln. Hierzu wird die Länge der Kanalstoßantwort N_P geschätzt.
Die 3 lässt ein Diagramm von Kanalstoßantwortkoeffizienten als abgetastete Beträge eines Kanalstoßantwortsignals in Abhängigkeit von Abtastzeitpunkten τ_i bei einem Schritt-Index i erkennen, wobei das Kanalstoßantwortsignal ein Signal-Rausch-Verhältnis von 5 dB aufweist. Die mit einem Stern symbolisierten Kanalkoeffizienten sind die aus dem Kanalstoßantwortsignal geschätzten Kanalkoeffizienten |h ^_i| und die mit einem Kreis gekennzeichneten Kanalkoeffizienten die tatsächlichen aktuellen Kanalkoeffizienten |h_i|. Es ist erkennbar, dass aus den geschätzten Kanalkoeffizienten aufgrund des additiven Rauschens keine Aussage über die tatsächliche Länge der Kanalstoßantwort getroffen werden kann.
Die Darstellung der tatsächlichen aktuellen Kanalkoeffizienten zeigt hingegen, dass die Länge der Kanalstoßantwort N_P bei dem Wert i = 8 liegt.
Um die Länge der Kanalstoßantwort bei einem verrauschten Kanalstoßantwortsignal mit einer ausreichenden Genauigkeit schätzen zu können und damit eine Regelung der Länge des Schutzintervalls in Abhängigkeit von der geschätzten Kanalstoßantwort während des Betriebes fortwährend durchführen zu können, muss der Anteil des Kanalstoßantwortsignals von der eigentlichen Kanalstoßantwort von dem Anteil des Rauschens getrennt werden.
Hierzu erfolgt

a) eine Mittelung der Kanalstoßantwortsignale zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen zur Reduzierung des Rauschanteils;
b) Bilden einer Summenfunktion, wobei jeweils für die Zeitpunkte der Summenfunktion das gemittelte Kanalstoßantwortsignal ausgehend von einem dem jeweiligen Signalzeitpunkt entsprechenden Zeitpunkt des gemittelten Kanalstoßantwortsignals bis zu einem festgelegten Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals aufsummiert oder integriert wird;
c) Bilden einer kompensierten Summenfunktion durch Überlagerung einer Rauschfunktion auf die Summenfunktion, wobei die Rauschfunktion für eine angenommene Rauschvarianz des gemittelten Kanalstoßantwortsignals generiert wird;
d) Anpassen der Varianz und Wiederholen des Schrittes c) solange, bis die kompensierte Summenfunktion mit einer annähernd horizontalen Geraden ausläuft; und
e) Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort aus dem Zeitpunkt, an dem die kompensierte Summenfunktion eine Knickstelle von einem Anfangsbereich zu der auslaufenden horizontalen Geraden aufweist.

Dieses Verfahren wird nachfolgend anhand eines Beispiels mit konkreten Messwerten erläutert.
Die 4 zeigt ein Diagramm geschätzter Beträge von Kanalkoeffizienten |h ^(τ_i,t_k)|, wobei der Schritt-Index i multipliziert mit einer Abtastzeit von 50 ns der Zeitverzögerung τ_i entspricht. Es ist erkennbar, dass zu mehreren Zeitpunkten t_k zeitlich aufeinanderfolgend Kanalstoßantwort-Messungen mit jeweils resultierenden Kanalstoßantwortsignalen durchgeführt werden. Dabei ändert sich die Länge der Kanalstoßantwort N_P der zeitlich aufeinanderfolgenden Kanalstoßantwort-Messungen wesentlich langsamer, als die Kanalkoeffizienten selbst. Zudem ist die Länge der Kanalstoßantwortsignale mindestens so groß wie die Länge der längsten Kanalstoßantwort.
Unter der Annahme eines mittelwertfreien Rauschens mit einer für alle Kanalkoeffizienten einer Kanalstoßantwort gleich großen Varianz ist es nun möglich, mit dem oben genannten Verfahren die Länge der Kanalstoßantwort mit für eine Regelung des Schutzintervalls ausreichender Genauigkeit zu schätzen.
Hierzu werden zunächst, wie in der 5 dargestellt, die zu einem Abtastzeitpunkt τ_i gemessenen Kanalkoeffizienten zeitlich aufeinanderfolgender Kanal stoßantwort-Messungen über einen geeignet festzulegenden Mittelungsbereich t_m gemittelt. Obwohl die Wahl des Mittelungsverfahrens grundsätzlich beliebig ist, hat sich die Ermittlung der gemittelten quadratischen Beträge der geschätzten Kanalkoeffizienten h ^(τ_i,t_k) als vorteilhaft herausgestellt. Die Mittelung der quadrierten Beträge |h ^(τ_i,t_k)|² der Kanalkoeffizienten zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten τ_i am Zeitpunkt T der Kanalschätzung erfolgt somit beispielhaft im Intervall t₁ bis t_L nach der Formel
Es ergeben sich folgende Werte aus dem Ausführungsbeispiel:
Die gemittelten Kanalkoeffizienten ρ(τ_i,T) wurden über einen Mittelungsbereich L = 3 bestimmt, d. h. über die Kanalkoeffizienten von drei unmittelbar aufeinanderfolgenden Kanalstoßantwort-Messungen. Dabei wurden die Werte lediglich für die gemittelten Kanalkoeffizienten der ersten Kanalstoßantwort-Messung zum Zeitpunkt t = t₁ und der zweiten Kanalstoßantwort-Messung zum Zeitpunkt t = t₂ und der dritten Kanalstoßantwort-Messung zum Zeitpunkt t = t₃ berechnet.
Aus dem in der 5 dargestellten Signalverlauf ist allerdings noch keine Länge N_P der tatsächlichen Kanalstoßantwort erkennbar.
Im folgenden in 6 erläuterten Schritt wird aus den gemittelten Beträgen eine Summenfunktion S(i) über die Abtastzeitpunkte i gebildet. Hierzu werden jeweils für die einzelnen Abtastzeitpunkte i die für einen Zeitpunkt T gemittelten quadrierten Beträge von dem jeweiligen Abtastzeitpunkt i bis zu einem festgelegten Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals aufsummiert. Die Summenfunktion S(i) hat einen näherungsweise exponentiell abfallenden Anteil und einen anschließenden annähernd geraden Anteil. Der exponentiell abfallende Anteil beruht auf dem auf einen Kanalstoßantwort-Testimpuls folgenden Antwortsignal des Kanals. Aufgrund der gleichen Varianz für die Kanalkoeffizienten ist der vom Rauschen herrührende Anteil der Summenfunktion eine Gerade. Die Knickstelle von dem Anfangsbereich zu der auslaufenden Geraden ist das Maß für die Kanalstoßantwortlänge N_P. Um die Kanalstoßantwortlänge N_P mit ausreichender Sicherheit feststellen zu können, muss eine Mindestanzahl N_PL von geschätzten Kanalkoeffizienten ermittelt werden, d. h. eine ausreichende Länge des Kanalstoßantwortsignals.
Es ergeben sich folgende Werte des Summensignals S(i):
Aus der Summenfunktion ist allerdings die Knickstelle noch nicht eindeutig herleitbar, da aufgrund der abfallenden Geraden, die von dem Rauschen herrührt, der Übergang von der Exponentialfunktion zur Geraden fließend ist.
Es wird daher eine Rauschfunktion R zur Kompensation des tatsächlichen Rauschens mit einer iterativ optimierten Varianz gebildet und der Summenfunktion S überlagert. Dies ist in der 7 dargestellt. Dabei ist die angenommene Rauschvarianz σ ^ 2 / A gleich der tatsächlichen Rauschvarianz σ², so dass die auslaufende Gerade der durch die Überlagerung kompensierten Summenfunktion KS annähernd horizontal verläuft. Die Rauschfunktion R ist dabei eine gegenläufig zum durch das tatsächliche Rauschen verursachten Anteil der Summenfunktion S verlaufende Gerade. Die Rauschfunktion R wird durch Annahme eines Varianzwertes σ ^ 2 / A gebildet, wobei der für alle Abtastzeitpunkte i konstante Varianzwert σ ^ 2 / A mit dem Schritt-Index i multipliziert wird.
Zunächst wird die angenommenen Varianz σ ^ 2 / A größer als die tatsächliche Rauschvarianz σ² angenommen, so dass, wie in der 8 dargestellt, die auslaufende Gerade der kompensierten Summenfunktion KS ansteigt. Der minimale Punkt i = L I / f,min der kompensierten Summenfunktion KS liegt dabei auf einem geringeren Schritt-Index i als der Schritt-Index i = N_P bei der tatsächlichen Länge der Kanalstoßantwort N_P. Wenn die angenommene Varianz σ ^ 2 / A des Rauschsignals der tatsächlichen Rauschvarianz σ² entspricht, läuft die kompensierte Summenfunktion KS mit einer annähernd horizontalen Geraden aus und weist eine charakteristische Knickstelle auf. Die angenommene Rauschvarianz σ ^ 2 / A wird nunmehr iterativ verringert, bis eine annähernd optimale Anpassung an die tatsächliche Rauschvarianz σ² erfolgt ist.
Aus der 8 ist weiter erkennbar, dass bei einer angenommenen Varianz σ ^ 2 / A, die kleiner als die tatsächliche Rauschvarianz σ² ist, die kompensierte Summenkurve KS nach unten fallend ohne charakteristische Knickstelle in einer fallenden Geraden ausläuft.
Das Verfahren wird nachfolgend nochmals anhand eines Flussdiagramms erläutert, das in der 9 dargestellt ist.
Nach dem Start eines entsprechenden Algorithmus wird in einem Schritt a) die Mittelungslänge t_m zur Mittelung der Kanalstoßantwortkoeffizienten zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen festgelegt und eine Varianzstufe Δσ² gewählt, mit der eine iterative Reduzierung der angenommen Varianz σ ^ 2 / A erfolgen soll.
In einem Schritt b) erfolgt die Mittelung der Kanalstoßantwortsignale zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen zur Reduzierung des Rauschanteils durch Addition der Betragsquadrate der geschätzten Kanalkoeffizienten. Andere Mittelungsverfahren zur Mittelung der Kanalkoeffizienten aufeinanderfolgender Kanalstoßantwortsignale zu gleichen Abtastzeitpunkten i sind gleichermaßen denkbar.
In einem Schritt c) wird eine Varianz σ ^ 2 / A für den ersten Iterationsschritt festgelegt, um eine Rauschfunktion zu bilden. Die Varianz σ ^ 2 / A wird vorzugsweise als maximal denkbare Varianz des Kanalstoßantwortsignals angenommen. Die maximal mögliche Varianz liegt dann vor, wenn der erste Abtastwert des Kanalstoßantwortsignals dem Kanal und die übrigen Abtastwerte dem Rauschen zugeordnet werden.
In einem Schritt d) wird eine Summenfunktion durch Berechnen einer Folge von Summen der im Schritt b) gemittelten quadrierten Beträge gebildet. Hierbei wird jeweils für die einzelnen Abtastzeitpunkte i ausgehend von dem gemittelten Betragsquadrat zu dem entsprechenden Abtastzeitpunkt eine Folge gemittelter Beträge bis zu einem festgelegten Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals aufsummiert. Das festgelegte Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals muss mindestens so lang wie die maximal erwartete Länge der Kanalstoßantwort sein.
In einem Schritt e) wird eine kompensierte Summenfunktion KS durch Überlagerung der Summenfunktion S und der Rauschfunktion R gebildet. Zur Überlagerung werden die Werte der Summenfunktion S und der Rauschfunktion R zu den jeweiligen Abtastzeitpunkten i vorzugsweise aufsummiert.
In einem Schritt f) erfolgt dann eine Suche des minimalen Punktes der kompensierten Summenfunktion KS. Wenn der minimale Punkt L I / f,min nicht an dem Ende der betrachteten kompensierten Summenfunktion KS liegt, und wenn die kompensierte Summenfunktion KS nicht mit einer annähernd horizontalen Geraden ausläuft, wird in einem Schritt h) die angenommene Varianz σ ^ 2 / A durch Verringerung um die gewählte Varianzstufe Δσ² reduziert und das Verfahren mit den Schritten e) bis h) iterativ wiederholt, so lange bis der minimale Punkt L I / f,min beim letzten Schritt-Index i der kompensierten Summenfunktion KS liegt.
Dann werden in einem Schritt i) die Rauschvarianz σ² und die Kanalstoßantwortlänge N_P bestimmt und das Verfahren beendet.
Die 10 lässt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Funksystems mit Sende- und Empfangsteil für das Modulationsverfahren OFDM erkennen.
Im Sendeteil wird ein auszusendender Datenstrom IN in bekannter Weise mit einem Modulator 1 im Basisband moduliert. Anschließend werden in einem Pilotsymbol-Modul 2 Pilotsymbole in den Datenstrom eingefügt und eine Fast-Fourier -Transformation 3 durchgeführt. In einem Schutzintervall-Modul 4 wird ein adaptives Schutzintervall in den transformierten Datenstrom eingefügt. Das Schutzintervall-Modul ist als Regelungseinheit ausgebildet, um die Länge des Schutzintervalls SI in Abhängigkeit von der geschätzten Länge der Kanalstoßantwort N ^_P während des Betriebs fortlaufend zu regeln.
Der mit Schutzintervallen SI versehene Datenstrom wird einem Digital-Analog-Wandler 5 zugeführt und in einem Funkkanal 6 ausgesendet. Das von dem Funkkanal ausgesendete Signal wird mit einem Rauschen überlagert, das eine tatsächliche Rauschvarianz σ² hat.
Im Empfangsteil wird das verrauschte Funkempfangssignal mit einem Analog-Digital-Wandler 7 in einen digitalen Datenstrom umgewandelt. In einem Schutzintervall-Modul 8 wird das adaptive Schutzintervall SI entfernt. Hierbei muss die aktuelle Länge des Schutzintervalls bekannt sein. Nach einer inversen Fast-Fourier-Transformation 9 werden in einem Pilot-Symbol-Modul 10 die Pilot-Symbole des zurücktransformierten Datenstroms ausgewählt. Die Pilot-Symbole sind Kanalstoßantworttestsignale zur Messung der Kanalstoßantwort
In einem an sich bekannten Kanalschätzmodul 11 erfolgt dann eine Detektion des Kanalstoßantwortsignals auf die Kanalstoßantworttestsignale und eine Generierung von Kanalkoeffizienten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einem Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul 12 realisiert, das beispielsweise eine programmierbare Signalverarbeitungseinheit sein kann. Nach der iterativen Anpassung der angenommenen Rauschvarianz σ ^ 2 / A und Bildung und Auswertung der kompensierten Summenfunktion KS werden die Rauschvarianz σ² und die Kanalstoßantwortlänge N_P geschätzt. Die geschätzte Rauschvarianz σ ^² wird einem Modul 13 zur Erzeugung einer Kanalzustandsinformation zugeführt. Die geschätzte Kanalstoßantwortlänge N ^_P wird ihrerseits den Schutzintervall-Modulen 4, 8 und einem Entzerrer 14 als Regelgröße zugeführt.
Der entzerrte Datenstrom wird anschließend in einem Demodulator 15 im Basisband demoduliert und steht als Ausgangsdatenstrom zur Verfügung.
Mit dem erfindungsgemäßen Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul 12 kann somit im Sender und Empfänger die Länge des Schutzintervalls SI adaptiv optimal festgelegt werden. Im Empfänger kann zudem die geschätzte Rauschvarianz σ ^² zur Erzeugung von Kanalzustandsinformationen verwendet werden, die z. B. bei der Entzerrung 14 und Kanaldecodierung benötigt wird.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Schutzintervalls (SI) in Datenströmen in digitalen Funkübertragungseinrichtungen, wobei die Schutzintervalle (SI) informationslose Bereiche des Datenstroms zur Vermeidung von Dateninterferenzen sind, mit den Schritten: – fortlaufendes Messen von Signalen als Antwort eines Kanals auf ein Kanalstoßantworttestsignal, – Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort (N_P) aus den gemessenen Signalen, – Regeln der Länge des Schutzintervalls (SI) in Abhängigkeit von der geschätzten Länge der Kanalstoßantwort (N ^_P), gekennzeichnet durch Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort (N ^_P) durch a) Mittelung der Kanalstoßantwortsignale zeitlich aufeinanderfolgender Kanalstoßantwort-Messungen zur Reduzierung des Rauschanteils; b) Bilden einer Summenfunktion (S), wobei jeweils für die Funktionszeitpunkte (τ_i) der Summenfunktion (S) das gemittelte Kanalstoßantwortsignal ausgehend von einem dem jeweiligen Funktionszeitpunkt (τ_i) entsprechenden Zeitpunkt (τ_i) des gemittelten Kanalstoßantwortsignals bis zu einem festgelegten Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals aufsummiert wird; c) Bilden einer kompensierten Summenfunktion (KS) durch Überlagerung einer Rauschfunktion (R) auf die Summenfunktion (S), wobei die Rauschfunktion (R) für eine angenommene Rauschvarianz (σ ^ 2 / A) gemittelten Kanalstoßantwortsignals generiert wird; d) Anpassen der Varianz (σ ^ 2 / A) und Wiederholen des Schrittes c) solange, bis die kompensierte Summenfunktion (KS) mit einer annähernd horizontalen Geraden ausläuft; und e) Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort (N_P) aus dem Zeitpunkt (τ_i), an dem die kompensierte Summenfunktion (KS) eine Knickstelle von einem Anfangsbereich zu der auslaufenden horizontalen Geraden aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signale der Kanalstoßantworten aus einem kontinuierlichen Empfangssignal geschätzte Kanalkoeffizienten (h ^_i,k = h ^(τ_i,t_k)) sind.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch a) Mittelung der quadrierten Beträge (|h ^_i,k|²) der zu sich entsprechenden Abtastzeitpunkten (i) geschätzten Kanalkoeffizienten (h ^_i,k) von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Kanalstoßantwort-Messungen (t₀, t₁); b) Bilden einer Summenfunktion (S) durch Berechnen einer Folge (p ^(i)) aufsummierter gemittelter quadrierter Beträge, wobei jeweils für die einzelnen Abtastzeitpunkte (i) der Kanalkoeffizienten ausgehend von dem entsprechenden Abtastzeitpunkt (i) bis zu einem festgelegten Ende des betrachteten Kanalstoßantwortsignals die gemittelten quadrierten Beträge aufsummiert werden, und dadurch das Element (p ^(i)) der Folge bilden; c) Bilden einer Rauschfunktion (R) durch Berechnen einer Folge aufsummierter Varianzwerte mit einer angenommenen Varianz (σ ^ 2 / A), wobei jeweils für die einzelnen Abtastzeitpunkte (i) der Kanalkoeffizienten ausgehend von dem entsprechenden Abtastzeitpunkt (i) eine Folge von Varianzwerten bis zu dem Anfang der Folge von Varianzwerten aufsummiert wird; d) Überlagern der Summenfunktion (S) und der Rauschfunktion (R) zur Bildung einer kompensierten Summenfunktion (KS); e) Anpassen der angenommenen Varianz (σ ^ 2 / A) und Wiederholen der Schritte c) und d), wenn die kompensierte Summenfunktion (KS) nicht mit einer annähernd horizontalen Geraden ausläuft, bis die kompensierte Summenfunktion (KS) mit einer annähernd horizontalen Geraden ausläuft; f) Schätzen der Länge der Kanalstoßantwort (N_P) aus dem Zeitpunkt (i), an dem die kompensierte Summenfunktion (KS) eine Knickstelle von einem Anfangsbereich zu der auslaufenden horizontalen Geraden aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Varianzwerte der Folge gleich sind und die Rauschfunktion (R) durch Multiplikation des Varianzwertes mit einer jeweiligen fortlaufenden Indexnummer (i) der Abtastzeitpunkte gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagern der Summenfunktion (S) und der Rauschfunktion (R) durch Summation der Summenfunktionswerte (S(i)) und Rauschfunktionswerte (R(i)) für die Abtastzeitpunkte (i) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angenommene Varianz (σ ^ 2 / A) auf einen Signal-Rauschverhältniswert (SNR) des Summensignals (S) festgelegt wird, wenn der erste Abtastwert (i = 0) des Summensignals (S) als Kanalstoßantwortsignal und das restliche Summensignal als Rauschen gewertet wird, und dass die angenommene Varianz (σ ^ 2 / A) zur Anpassung schrittweise verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Datenströme mit einem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) moduliert sind.
Funkgerät mit einem Funksende-/empfangsmodul zum Senden und/oder Empfangen digitaler Datenströme, einem Kanalschätzmodul (11) zur Detektion von Kanalstoßantwortsignalen auf ein Kanalstoßantworttestsignal, gekennzeichnet durch ein Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul (12) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und eine mit dem Kanalstoßantwortlängen-Schätzmodul (12) gekoppelte Regelungseinheit (4, 8) zur Regelung der Länge des Schutzintervalls in Abhängigkeit von der geschätzten Länge der Kanalstoßantwort (N ^_P).