DE112008003971T5

DE112008003971T5 - Vorrichtung und Verfahren für die iterative Störungskompensation für den mobilen Empfang von OFDM-Signalen in schnell veränderlichen Multipfad-Ausbreitungskanälen

Info

Publication number: DE112008003971T5
Application number: DE112008003971T
Authority: DE
Inventors: Karsten 89335 Schmid
Original assignee: Universitaet Ulm
Current assignee: Socionext Europe GmbH
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2011-07-14
Also published as: WO2010025760A1

Abstract

Empfänger für die Inter-Carrier-Interference-Kompensation (ICI-Kompensation) in einem orthogonalen Frequenzmultiplexsystem (OFDM-System), wobei der Empfänger umfasst:
einen OFDM-Demodulator (302) zum Demodulieren eines empfangenen OFDM-Signals r[l] zu einem Eingangssignal Y[l];
ein erstes Schätzmittel (304) zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und einer Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] aus dem Eingangssignal Y[l];
ein ICI-Verringerungsmittel (308) zum Verringern der ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l];
ein Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel (306) zum Bilden der Umkehrabbildung und zum Korrigieren von Fehlern der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI und zum Bilden eines Ausgangssignals X ^[l];
dadurch gekennzeichnet, dass
der Empfänger (300) ferner ein Neucodierungsmittel (307) zum iterativen Neucodieren und Abbilden des Ausgangssignals X ^[l] als neue geschätzte Sendewerte X ^^(j)[l] umfasst; wobei
das ICI-Verringerungsmittel (308) zum Verringern einer ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l] ausgelegt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Empfangen von Signalen in einem digitalen Kommunikationssystem auf der Grundlage des OFDM (orthogonalen Frequenzmultiplex). Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Störungskompensationsempfänger und auf ein Störungskompensations-Empfangsverfahren für den mobilen Empfang in schnell veränderlichen Multipfad-Ausbreitungskanälen.
Stand der Technik
Die große Mehrheit heutiger digitaler Kommunikationssysteme nutzt für die Übertragung OFDM (orthogonalen Frequenzmultiplex), um die Wirkungen von Multipfad-Schwundkanälen zu bewältigen. Im Gegensatz zu einem Einzelträgersystem kann die Verwendung einer großen Menge (orthogonaler) Subträger innerhalb der Übertragungskanalbandbreite dazu verwendet werden, die Wirkungen der Kanalstreuung (Multipfad-Ausbreitung) zu mildern. In einer statischen Umgebung wie dem digitalen Teilnehmerleitungssystem (DSL-System) ändern sich die Impulsantwort und somit die Frequenzantwort langsam. In einer solchen Situation ist der Übertragungskanal nahezu statisch und kann als zeitinvariant angesehen werden. In diesem Fall kann ein einfacher Entzerrer mit einem Abgriff verwendet werden, um die Wirkungen des Ausbreitungskanals zu invertieren, was zum (nahezu) fehlerfreien Empfang der gesendeten Informationen führt.
In der Mobilkommunikation ist die Situation ganz anders, da entweder der Sender, der Empfänger oder umgebende Objekte umherwandern können. Dies führt zu einer zeitlich veränderlichen Impulsantwort und zu einer zeitlich veränderlichen Frequenzantwort des Kommunikationskanals. Im Fall der digitalen Übertragung auf der Grundlage des OFDM führt die Situation zur Inter-Carrier-Interference (Übersprechen, ICI) zwischen den Subträgern des OFDM-Symbols. Die Stärke dieser Störung hängt von dem Verhältnis zwischen der maximalen Doppler-Verschiebung f_d und dem Trägerabstand f_Δ ab. Im Allgemeinen kann ein OFDM-System ein Verhältnis f_d/f_Δ ≤ 0,1 tolerieren, wobei die Doppler-Verschiebung mit der Empfängergeschwindigkeit über f_d = f_c v / c zusammenhängt, wobei f_c die Trägerfrequenz, v die Empfängergeschwindigkeit und c die Lichtgeschwindigkeit sind.
Ein OFDM-Übertragungs-Basissystem 100, wie es in 1 gezeigt ist, besteht aus den folgenden Signalverarbeitungsschritten.
Auf der Seite des Empfängers (50) trägt jedes OFDM-Symbol I einen Datenvektor X[l]. Die komplexen Werte dieses Vektors sind das Ergebnis eines digitalen Modulationsschemas wie etwa QAM oder PSK. Die Elemente von X[l] werden auf die Subträger der OFDM-Symbole im Frequenzbereich abgebildet und das Zeitbereichssignal wird durch Anwenden einer inversen diskreten Fourier-Transformation (IDFT) auf X[l] beim IDFT-Mittel 51 erhalten. Nach der Einführung eines Schutzintervalls (zyklisches Präfix) bei der Schutzintervall-Hinzufügeeinrichtung 52 zwischen der Zeitbereichsdarstellung der ODFM-Symbole wird das Signal s[l] über einen Funkkanal 60 übertragen. In einer mobilen Umgebung ist der Kanal linear und zeitlich veränderlich. Dies führt zu einem Übersprechen zwischen den Subträgern (Inter-Carrier-Interference) und verschlechtert die Empfängerleistung in der mobilen Umgebung.
Ein OFDM-Empfänger 100 entfernt im Allgemeinen das Schutzintervall von r[l] bei der Schutzintervall-Entfernungseinrichtung 101 und berechnet unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) beim DFT-Mittel 102 die Empfangsdaten Y[l] in jedem Subträger. Nach der Kanalschätzung und -entzerrung beim EQ-Mittel 103 wird ein Schutzwert der Sendedaten X ^[l] zu der nächsten Stufe weitergeleitet. In praktischen Anwendungen wird die OFDM-Übertragung immer gemeinsam mit einer Fehlerkorrekturcodierung verwendet, sodass die geschätzten Sendedaten zu dem Fehlerkorrekturblock (in 1 nicht gezeigt) weitergeleitet werden.
Das Gesamtsystem, wie es in 1 gezeigt ist, kann durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden:
Sendesignal: s[l] = G_aF_N ^–1X[l] (1) wobei G_a und F_N ^–1 zwei Matrizen sind, die zum Modellieren des Betriebs der Schutzintervall-Hinzufügeeinrichtung 52 bzw. des IDFT-Mittels 51 verwendet werden.
Empfangssignal vor der Entzerrung: Y[l] = F_NG_rH_o[l]s[l] + N_T[l] = H[l]X[l] + N_T[l]_p (2) wobei G_a und F_N zwei Matrizen sind, die zum Modellieren des Betriebs der Schutzintervall-Entfernungseinrichtung 101 bzw. des DFT-Mittels 102 verwendet werden.
Es kann gezeigt werden, dass die Übertragung über einen statischen (zeitlich unveränderlichen) Kanal zu einer Diagonalmatrix H[l] führt. Ein zeitlich veränderlicher Kanal veranlasst eine Inter-Carrier-Interference und führt zu einer dichten Kanalmatrix.
Für einen statischen Kanal kann der Entzerrer recht einfach realisiert werden (EQ mit einem Abgriff), während ein mobiler Empfänger ebenfalls die volle Kanalmatrix in Betracht ziehen muss.
Je nach Typ des Entzerrers können die Schätzwerte durch X ^ = H^–1Y (Schätzeinrichtung der kleinsten Quadrate, LS-EQ) oder X ^ = H^H(HH^H + σ 2 / N I)Y (Schätzeinrichtung der kleinsten mittleren Quadrate/Wiener-Filter, MMSE-EQ) berechnet werden, wobei σ_NI die Rauschvarianzmatrix des Kanals und des Empfängereingangsteils sind.
Es gibt mehrere weitere Zugänge zum Entzerrerentwurf für den mobilen Empfang. Fischer, Volker u. a., "ICI Reduction Method for OFDM Systems", Institute for Communication Technology, Technische Universität Darmstadt, Deutschland, oder Schmidt, Karsten, u. a., "Low Complexity Inter-Carrier Interference Compensation for Mobile Reception of DVB-T", Abteilung Mikroelektronik, Universität Ulm, Deutschland, offenbaren ein Störungssubtraktionsschema 200 mit niedriger Komplexität, wie es etwa in 2 gezeigt ist. Es wird angemerkt, dass das in 2 gezeigte zweite Kanalschätzmittel 205 optional ist.
Jedes einzelne Element Y ~_i des Empfangsvektors Y ~[l] mit verringerter ICI kann berechnet werden durch
wobei H_i,k der Wert der i-ten Zeile und der k-ten Spalte der Kanalmatrix H[l] ist und q die Anzahl relevanter Subträger auf jeder Seite des Trägers i bezeichnet. Der Empfangsvektor Y ~[l] mit verringerter ICI wird in das EQ-Mittel 203 eingespeist, um durch Entzerrung X ^'[l] zu erhalten. Von dem Vektor X ^'[l] wird daraufhin durch das Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel 206 die Umkehrabbildung gebildet und werden seine Fehler korrigiert.
Der Vorteil dieser Lösung im Vergleich zu dem herkömmlichen Entzerrer 100 ist die Recheneffizienz. Die Gleichung (3) erfordert nicht die Umkehrung der Kanalmatrix H[l] (wobei z. B. für DVD-T in der 8k-Betriebsart H[l] 8192 × 8192 Elemente enthält). Im Allgemeinen ist dies weitaus zu komplex, um in einem Hardwareempfänger des Standes der Technik verarbeitet zu werden.
Gleichung (3) erfordert einen Schätzwert X ^_k der gesendeten Werte, der durch eine Anfangsschätzung auf der Grundlage eines LS- oder MMSE-Entzerrers 204 an den durch ICI gestörten empfangenen Werten erhalten werden kann. Offensichtlich hat die Zuverlässigkeit von X ^_k erheblichen Einfluss auf die ICI-Verringerungsleistung des Empfängers, wobei sich die Qualität der geschätzten Sendewerte bei höheren Doppler-Frequenzen erheblich verschlechtert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Störungskompensationsvorrichtung zur Verwendung in einem digitalen Kommunikationssystem auf der Grundlage des OFDM zu schaffen, die zuverlässige Schätzwerte für den ICI-Verringerungsalgorithmus liefert, sodass höhere Doppler-Frequenzen bewältigt werden könnten.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen Empfänger für die Inter-Carrier-Interference-Kompensation (ICI-Kompensation) in einem orthogonalen Frequenzmultiplexsystem (OFDM-System), der einen OFDM-Demodulator zum Demodulieren eines empfangenen OFDM-Signals r[l] zu einem Eingangssignal Y[l], ein erstes Schätzmittel zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und zum Schätzen einer Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] aus dem Eingangssignal Y[l], ein ICI-Verringerungsmittel zum Verringern der ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l], ein Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel zum Bilden der Umkehrabbildung eines digitalen Modulationsschemas und zum Korrigieren der verbleibenden Fehler der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI und zum Bilden eines Ausgangssignals X ^[l] umfasst, wobei der Empfänger ferner ein Neucodierungsmittel zum iterativen Neucodieren und Abbilden des Ausgangssignals X ^[l] als neue geschätzte Sendewerte X ^^(j)[l] umfasst und wobei das ICI-Verringerungsmittel zum Verringern einer ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l] ausgelegt ist. Der Empfänger der vorliegenden Erfindung erzielt hinsichtlich des erforderlichen Träger/Rausch-Verhältnisses für eine spezifische Bitfehlerrate eine bessere Leistung und arbeitet somit bei größeren Doppler-Verschiebungen. Darüber hinaus ist im Ergebnis die Empfängergeschwindigkeit verbessert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ferner ein zweites Schätzmittel zum Schätzen einer aktualisierten Kanalmatrix H ^_d'[l] der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI. Es ist vorteilhaft, das zweite Schätzmittel bereitzustellen, da die Erfassung der OFDM-Werte in den Signalen Y ~[l] mit verringerter ICI verbessert werden kann.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet das erste Schätzmittel ferner die Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l], wobei die Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] vorzugsweise eine Tridiagonalmatrix ist. Es ist vorteilhaft, eine Tridiagonalkanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] zu verwenden, da die geschätzten Sendewerte weiter verbessert werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in dem Empfänger ferner ein Begrenzungsmittel zum Begrenzen der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] des ersten Schätzmittels auf die Modulationskonstellation vorgesehen. Es ist vorteilhaft, die geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] zu beschränken, um eine übermäßige Fehlerfortpflanzung zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet das Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel ein Vorwärtskorrekturschema. Es ist vorteilhaft, eine Vorwärtsfehlerkorrektur zu verwenden, da die Zuverlässigkeit der geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l] verbessert werden kann.
In einer abermals weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel des Empfängers eine Soft-Entscheidungs-Umkehrabbildungseinrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Neucodierungsmittel des Empfängers ein Fehlerkorrekturcodierungsmittel und ein Abbildungsmittel, die dem Fehlerkorrekturcodierungsmittel und dem Abbildungsmittel eines Senders in dem OFDM-System entsprechen. Es ist vorteilhaft, ein Neucodierungsmittel zu verwenden, das dem Codierungsmittel der Senderseite entspricht, da die Werte der neuen geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l] weiter verbessert und zuverlässiger gemacht werden können.
Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verwendung in einem Inter-Carrier-Interference-Kompensationsempfänger (ICI-Kompensationsempfänger) in einem orthogonalen Frequenzmultiplexsystem (OFDM-System), das die Schritte des Demodulierens eines empfangenen OFDM-Signals zu einem Eingangssignal, des Schätzens und Entzerrens der geschätzten Sendewerte aus dem Eingangssignal, des Verringerns der ICI des Eingangssignals unter Verwendung der geschätzten Sendewerte und des Bildens der Umkehrabbildung und Korrigierens von Fehlern der Signale mit verringerter ICI und des Bildens eines Ausgangssignals umfasst, wobei das Verfahren ferner die Schritte des iterativen Neucodierens und Abbildens des Ausgangssignals als neue geschätzte Sendewerte und des Verringerns der ICI des Eingangssignals unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte umfasst.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Verschiedene Aspekte eines OFDM-Empfängers für die iterative Störungskompensation in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind beispielhaft und nicht einschränkend in der beigefügten Zeichnung dargestellt, in der:
1 ein OFDM-Basissystem des Standes der Technik zeigt,
2 ein ICI-Verringerungsschema zeigt, das auf dem OFDM-Empfänger des Standes der Technik beruht,
3 einen OFDM-Empfänger in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
4 einen Ablaufplan des Verfahrens in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
5 einen Leistungsvergleich zwischen Empfängern des Standes der Technik mit einer Einzelantenne und mit einer Zweifachantenne und einem Empfänger in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung
Die im Folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung dargelegte ausführliche Beschreibung ist als Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung bestimmt und ist nicht zur Darstellung der einzigen Ausführungsformen bestimmt, in denen die Erfindung verwirklicht werden kann. Die ausführliche Beschreibung enthält spezifische Einzelheiten, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu schaffen. Allerdings ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten verwirklicht werden kann. In einigen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Komponenten in Blockschaltplanform gezeigt, um zu verhindern, dass die Konzepte der Erfindung verdeckt werden.
Es ist zuvor angemerkt worden, dass die vorliegende Erfindung und die im Folgenden beschriebene bevorzugte Ausführungsform auf alle gegenwärtigen und künftigen Normen für drahtlose Netze, die auf codiertem OFDM beruhen, wie etwa Worldwide Interoperability from Microwave Access (WiMAX) und auf gegenwärtige und künftige Rundfunknormen und allgemeine Kommunikationssysteme wie etwa z. B. Digital Audio Broadcast (DAB), Digital Radio Mondial (DRM), Digital Media Broadcast (DMB) und irgendeine weitere Erweiterung (DxB), Digital Video Broadcast Terrestrial (DVB-T, DVB-H, DVB-SH), Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial (ISDB-T) der Association of Radio industries and Businesses (ARIE) in Japan oder auf den herstellerspezifischen Standard MediaFLO von Qualcomm anwendbar sind.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung auf einzelne und mehrfache Empfängerwege (d. h. Empfänger mit Antennen-Diversity) anwendbar.
Der, Empfänger in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist als Teil eines Zugangsendgeräts oder einer Basisstation anwendbar. Das Zugangsendgerät kann irgendeine feste, vorzugsweise aber eine mobile Funkvorrichtung wie etwa ein Mobiltelephon, ein Personal Digital Assistant (PDA), ein Personal Computer oder Laptop-Computer, ein Fernsehempfänger, eine Spielekonsole, eine Kamera, ein MP3-Player oder irgendeine andere Video-, Audio- oder Datenvorrichtung, die zur Funkkommunikation fähig ist, sein. Das Zugangsendgerät kann ferner ein Empfänger sein, der in ein Fahrzeug (z. B. in einen PKW, in einen Zug oder in einen Bus) eingebaut ist. Die Basisstation kann ein fester, vorzugsweise aber ein mobiler Sender-Empfänger sein, der eines oder mehrere Zugangsendgeräte in seinem geographischen Gebiet bedient. Die Basisstation kann dazu verwendet werden, Multimediarundfunksendungen bereitzustellen, um zu ermöglichen, dass Zugangsendgeräte miteinander kommunizieren oder als ein Gateway zu verdrahteten paketgestützten und/oder leitungsvermittelten Netzen dienen.
Anhand von 3, in der eine Konfiguration als ein Blockschaltplan auf hoher Ebene gezeigt ist, wird nun die erste Ausführungsform eines Empfängers 300 beschrieben.
In 3 umfasst der Empfänger 300 wenigstens ein OFDM-Signal-Empfangsmittel (nicht gezeigt), einen OFDM-Demodulator, der eine Schutzintervall-Entfernungseinrichtung 301 und eine Einrichtung für die diskrete Fourier-Transformation (DFT) 302 enthält, ein ICI-Verringerungsmittel 308, ein erstes Schätzmittel 304, ein Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel 306 und ein Neucodierungsmittel 307.
Das OFDM-Signal-Empfangsmittel (in 3 nicht gezeigt) empfängt ein über einen Funkkanal übertragenes OFDM-Signal r[l], das von einer OFDM-Senderseite (nicht gezeigt), die dem OFDM-Empfänger 300 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform entspricht, gesendet wird. Das empfangene OFDM-Signal r[l] wird in die Schutzintervall-Entfernungseinrichtung 301 eingespeist, in der das durch eine entsprechende Schutzintervall-Hinzufügeeinrichtung 52 auf der Senderseite (1) hinzugefügte Schutzintervall aus dem empfangenen OFDM-Signal r[l] entfernt wird. Das hinzugefügte Schutzintervall kann irgendeines der gut bekannten Schemata wie etwa ein CP-Schema oder ein ZP-Schema sein. Zum Beispiel wird im Fall des CP-Schemas ein durch die Schutzintervall-Hinzufügeeinrichtung 52 der Senderseite hinzugefügtes zyklisches Präfix verworfen, wobei die verbleibenden Signale (Vektoren) an die DFT 302 ausgegeben werden. Im Fall des ZP-Schemas werden die Vektoren, die durch Hinzufügen der mehreren Nullen, die durch die Schutzintervall-Hinzufügeeinrichtung 52 der Senderseite zu dem Anfangsabschnitt des Vektors hinzugefügt werden, erhalten werden, an die DFT 302 ausgegeben. Die DFT 302 berechnet an jedem Subträger unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation, die der inversen diskreten Fourier-Transformation 51 der Senderseite entspricht, das Eingangssignal Y[l].
Das Eingangssignal Y[l] wird in das ICI-Verringerungsmittel 308 eingespeist, um unter Verwendung einer geschätzten Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] und der geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l], wobei j eine fortlaufende Zahl bezeichnet, die die tatsächliche Anzahl der Iterationsschritte angibt, die Inter-Carrier-Interference zu verringern. Die Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] wird durch lineares Approximieren des Funkkanals bestimmt, wobei die Kanalschätzung z. B. wenigstens drei aufeinander folgende OFDM-Symbole des Eingangssignals Y[l] verwendet, um die Diagonalelemente der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] zu bestimmen, wobei das gegenwärtige OFDM-Symbol verwendet wird, um die Diagonalelemente der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] zu bestimmen, und wobei die vorhergehenden und die nachfolgenden OFDM-Symbole verwendet werden, um durch lineare Approximation die Nichtdiagonalelemente der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] zu schätzen. Darüber hinaus werden die geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] unter Verwendung eines Schätzverfahrens wie etwa Schätzung der kleinsten Quadrate [LS-EQ], Schätzung der kleinsten mittleren Quadrate (MMSE-EQ) oder durch Lösen eines reduzierten Systems linearer Gleichungen (auf der Grundlage einer Tridiagonalmatrix-Approximation der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l]) geschätzt. Die Approximation der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] ist vorzugsweise eine Diagonalmatrix oder eine Tridiagonalmatrix. Die Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] und die geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] werden anfangs durch das erste Rechenmittel 304 berechnet. Das ICI-Verringerungsmittel 308 gibt ein Signal Y ~[l] mit verringerter ICI aus.
Das Signal Y ~[l] mit verringerter ICI wird in das Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel 306 eingespeist, in dem ein Entzerrer 303 ein Ausgangssignal X ^[l] bildet. Der Entzerrer verwendet eine Schätzung der kleinsten Quadrate (LS-EQ), eine Schätzung der kleinsten mittleren Quadrate (MMSE-EQ) oder irgendein anderes im Gebiet bekanntes Schätzverfahren. Die Umkehrabbildungseinrichtung berechnet eine Zuverlässigkeit der Bits, die die geschätzten Sendewerte X ^'[l] des Signals Y ~[l] mit verringerter ICI repräsentieren, die die Grundlage für die folgende Fehlerkorrektur sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Fehlerkorrektur eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), die im Gebiet bekannt ist.
Das Ausgangssignal X ^[l] des Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittels 306 wird in das Neucodierungsmittel 307 eingespeist, das das Ausgangssignal X ^[l] neu codiert. Das Neucodierungsmittel 307 arbeitet vorzugsweise ähnlich zum Codieren eines Signals X[l] auf der Senderseite. Die Ausgabe des Neucodierungsmittels 307 wird als neue geschätzte Sendewerte X ^^(j)[l], wobei j = 1 die erste Iteration angibt, zu dem ICI-Verringerungsmittel 308 rückgekoppelt. Das ICI-Verringerungsmittel 308 verringert unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l] die Inter-Carrier-Interference des Eingangssignals Y[l]. Die Iterationszahl j wird in jedem Iterationsschritt um 1 erhöht.
Nach einer Anzahl von Iterationen wird das Ausgangssignal X ^[l] in das nächste Verarbeitungsmittel (nicht gezeigt) des Empfängers eingespeist. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Iteration anhält, wenn j eine maximale Anzahl von Iterationen erreicht, die ein vorgegebener Wert sein kann oder während des Betriebs des Empfängers 300 in Übereinstimmung mit einem Systemzustand wie etwa einem spezifischen Zuverlässigkeitsparameter eingestellt werden kann. Die Anzahl der Iterationen kann festgesetzt oder je nach den OFDM-Systemparametern optimiert werden. In einem DVB-T-System wird die Anzahl der Iterationen z. B. gleich 3 oder kleiner eingestellt.
Eine zweite Ausführungsform des Empfängers beruht auf der ersten Ausführungsform und umfasst ferner ein zweites Schätzmittel 305 zum Schätzen einer aktualisierten Kanalmatrix H ^'_d[l] auf der Grundlage der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI. Das zweite Schätzmittel 305 ist ähnlich dem ersten Schätzmittel 304, bestimmt aber vorzugsweise nur die Diagonalelemente der aktualisierten Kanalmatrix H ^'_d[l]. Die aktualisierte Kanalmatrix H ^'_d[l] wird vom Entzerrer 303 verwendet, um die Entzerrung des Ausgangssignals X ^'[l] zu verbessern.
Eine dritte Ausführungsform des Empfängers 300 umfasst ferner ein Begrenzungsmittel (in 3 nicht gezeigt) zum Begrenzen der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] des ersten Schätzmittels 304 oder des zweiten Schätzmittels 305. Da die geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] normalerweise nicht völlig gleich dem Signal X[l] sind, kann es vorteilhaft sein, die Werte auf den Maximalwert des entsprechenden digitalen Modulationsschemas (z. B. QPSK/QAM für DVB-T) zu beschränken, anstatt einfach auf gültige Sendesymbole abzubilden. Somit wird eine übermäßige Fehlerfortpflanzung in der ICI-Verringerung vermieden. Zum Beispiel bedeutet die 16-QAM-Modulation vom DVB-T, dass der Absolutwert des Real- bzw. des Imaginärteils von X ^⁽⁰⁾[l] eine Größe von 3 (oder 0,95 für normierte Daten) nicht übersteigen sollte. Falls der Real- oder der Imaginärteil diesen Wert übersteigt, wird er auf diesen Wert begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel 306 des Empfängers 300 vorzugsweise eine Soft-Entscheidungs-Umkehrabbildungseinrichtung, da bekannte Soft-Entscheidungs-Umkehreinrichtungen nach der Fehlerkorrektur zu besserer Leistung als eine im Gebiet bekannte Hard-Entscheidungs-Umkehreinrichtung führen können.
Wie in 4 gezeigt ist, schafft die vorliegende Erfindung darüber hinaus außerdem ein Verfahren, das in einem Inter-Carrier-Interference-Kompensationsempfänger (ICI-Kompensationsempfänger) 300 für ein orthogonales Frequenzmultiplexsystem (OFDM-System) verwendet werden kann. Das Verfahren umfasst die Schritte S1, S2 des Demodulierens eines empfangenen OFDM-Signals r[l] zu einem Eingangssignal Y[l], des Schätzens und Entzerrens der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] von dem Eingangssignal Y[l] bei S3, des Verringerns der ICI des Eingangssignals Y[l] bei S4 unter Verwendung der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und bei Schritt S5 des Bildens der Umkehrabbildung und Korrigierens von Fehlern der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI und des Bildens eines Ausgangssignals X ^[l].
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt S6 des iterativen Neucodierens und Abbildens des Ausgangssignals X ^[l] als neue geschätzte Sendewerte und S4 des Verringerns der ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l].
5 enthält einen Leistungsvergleich des Verfahrens in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (durchgezogene Linie mit Rhomben,
) mit mehreren Techniken des Standes der Technik, wobei die durchgezogene Linie mit Kreuzen (
) die Leistung eines Empfängers für statische Kanäle bezeichnet, die durchgezogene Linie mit Kreisen (
) die Leistung eines mobilen Empfängers bezeichnet und die durchgezogene Linie mit Punkten (
) die Leistung eines Zweifach-Diversit-Empfängers bezeichnet. Das Beispiel beruht auf den Sendeparametern eines DVB-T-Systems. 5 zeigt das geforderte Träger/Rausch-Verhältnis (C/N) für eine Bitfehlerrate (BER) kleiner oder gleich 2·10^–4 nach dem Faltungsdecodierer (8k-Betriebsart, 16 QAM und Coderate 0,5). Die Anzahl der Empfängerwege (Antennen) ist mit M bezeichnet und die Anzahl benachbarter Träger, die für die ICI-Kompensation verwendet werden, ist mit 2q = 32 bezeichnet. Es ist gezeigt, dass der Zweifach-Diversity-Empfänger (M = 2-Empfänger) hinsichtlich des geforderten C/N zu einer Verbesserung von näherungsweise 6 dB führt und die maximal erreichbare Doppler-Verschiebung effektiv verdoppelt. Somit kann die Empfängergeschwindigkeit verdoppelt werden.
In 5 ist zu sehen, dass das iterative ICI-Verringerungsschema in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu einer erheblichen Verbesserung der Empfängerfähigkeiten hinsichtlich des geforderten C/N und der maximal erreichbaren Doppler-Verschiebung führt. Im Vergleich zu einem Empfänger des ICI-Verringerungsschemas kann die maximale Doppler-Verschiebung um 30% und im Vergleich zu einem feststehenden Empfänger um 70% erweitert werden. Die geforderte C/N wird dementsprechend verringert.
Darüber hinaus wird angemerkt, dass die Anzahl benachbarter Träger dazu verwendet werden kann, die Leistung der ICI-Verringerung und die Rechenkomplexität des Empfängers einzustellen. Mehr Träger verbessern die Qualität und die Komplexität weiter.
Das Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann durch einen dedizierten digitalen Signalprozessor (DSP) und in Software ausgeführt werden. Alternativ können alle oder ein Teil der Verfahrensschritte in Hardware oder in Kombinationen aus Hardware und Software wie etwa ASICs (Application Specific Integrated Circuit), ASSP (Application Specific Standard Products), rekonfigurierbare Logikvorrichtungen wie etwa FPGA (Field Programmable Gate Array) usw. ausgeführt werden.
Es wird erwähnt, dass der Ausdruck ”umfassend” andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und dass ”ein” oder ”eine” eine Mehrzahl von Elementen nicht ausschließt. Darüber hinaus sind Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Beschränkung des Umfangs der Ansprüche anzusehen.
Anhand der obigen Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Der Fachmann auf dem Gebiet, der diese Beschreibung liest, erwartet mehrere weitere Alternativen, wobei diese Alternativen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen sollen. Auch andere Kombinationen als die oben spezifisch erwähnten sollen im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen. Die vorliegende Erfindung ist nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.
Zusammenfassung
Vorrichtung und Verfahren für die iterative Störungskompensation für den mobilen Empfang von OFDM-Signalen in schnell veränderlichen Multipfad-Ausbreitungskanälen
Es werden ein Empfänger und ein Empfangsverfahren für die Inter-Carrier-Interference-Kompensation (ICI-Kompensation) in einem orthogonalen Frequenzmultiplexsystem (OFDM-System) geschaffen. Der Empfänger umfasst einen OFDM-Demodulator (302) zum Demodulieren eines empfangenen OFDM-Signals r[l] zu einem Eingangssignal Y[l], ein erstes Schätzmittel (304) zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X⁽⁰⁾[l] und einer Kanalmatrix H⁽⁰⁾[l] aus dem Eingangssignal Y[l], ein ICI-Verringerungsmittel (308) zum Verringern der ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der geschätzten Sendewerte X⁽⁰⁾[l] und der Kanalmatrix H⁽⁰⁾[l], ein Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel (306) zum Bilden der Umkehrabbildung und zum Korrigieren von Fehlern der Signale Y[l] mit verringerter ICI und zum Bilden eines Ausgangssignals X[l]. Ferner umfasst der Empfänger (300) ein Neucodierungsmittel (307) zum iterativen Neucodieren und Abbilden des Ausgangssignals X[l] als neue geschätzte Sendewerte X^(j)[l] und ist das ICI-Verringerungsmittel (308) zum Verringern einer ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte X^(j)[l] ausgelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Fischer, Volker u. a., ”ICI Reduction Method for OFDM Systems”, Institute for Communication Technology, Technische Universität Darmstadt, Deutschland [0012]
Schmidt, Karsten, u. a., ”Low Complexity Inter-Carrier Interference Compensation for Mobile Reception of DVB-T”, Abteilung Mikroelektronik, Universität Ulm, Deutschland [0012]

Claims

Empfänger für die Inter-Carrier-Interference-Kompensation (ICI-Kompensation) in einem orthogonalen Frequenzmultiplexsystem (OFDM-System), wobei der Empfänger umfasst: einen OFDM-Demodulator (302) zum Demodulieren eines empfangenen OFDM-Signals r[l] zu einem Eingangssignal Y[l]; ein erstes Schätzmittel (304) zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und einer Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] aus dem Eingangssignal Y[l]; ein ICI-Verringerungsmittel (308) zum Verringern der ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l]; ein Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel (306) zum Bilden der Umkehrabbildung und zum Korrigieren von Fehlern der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI und zum Bilden eines Ausgangssignals X ^[l]; dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (300) ferner ein Neucodierungsmittel (307) zum iterativen Neucodieren und Abbilden des Ausgangssignals X ^[l] als neue geschätzte Sendewerte X ^^(j)[l] umfasst; wobei das ICI-Verringerungsmittel (308) zum Verringern einer ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l] ausgelegt ist.
Empfänger nach Anspruch 1, der ferner umfasst: ein zweites Schätzmittel (305) zum Schätzen einer aktualisierten Kanalmatrix H ^_d'[l] der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI.
Empfänger nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das erste Schätzmittel ferner die Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] verwendet.
Empfänger nach Anspruch 3, bei dem die Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] eine Tridiagonalmatrix ist.
Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner umfasst: ein Begrenzungsmittel zum Begrenzen der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] des ersten Schätzmittels (304).
Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel (306) eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) zum Korrigieren von Fehlern der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI verwendet.
Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Umkehrabbildungs- und Fehlerkorrekturmittel (306) eine Soft-Entscheidungs-Umkehrabbildungseinrichtung ist.
Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Neucodierungsmittel (307) ein Fehlerkorrekturcodierungsmittel und ein Abbildungsmittel umfasst, die einem Fehlerkorrekturwdierungs- und einem Abbildungsmittel eines Senders (50) in dem OFDM-System entsprechen.
Verfahren zur Verwendung in einem Inter-Carrier-Kompensationsempfänger (ICI-Kompensationsempfänger) in einem orthogonalen Frequenzmultiplexsystem (OFDM-System), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Demodulieren eines empfangenen OFDM-Signals r[l] zu einem Eingangssignal Y[l]; Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und einer Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] aus dem Eingangssignal Y[l]; Verringern der ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] und der Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l]; und Bilden der Umkehrabbildung und Korrigieren von Fehlern der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI und Bilden eines Ausgangssignals X ^[l]; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: iteratives Neucodieren und Abbildens des Ausgangssignals X ^[l] als neue geschätzte Sendewerte X ^^(j)[l]; und Verringern der ICI des Eingangssignals Y[l] unter Verwendung der neuen geschätzten Sendewerte X ^^(j)[l].
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Schätzen einer aktualisierten Kanalmatrix H ^_d'[l] der Signale Y ~[l] mit verringerter ICI.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem der Schritt des Schätzens und Entzerrens ferner die Kanalmatrix H ^⁽⁰⁾[l] zum Schätzen und Entzerren der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l] verwendet.
Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Begrenzen der geschätzten Sendewerte X ^⁽⁰⁾[l].
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der Schritt des Bildens der Umkehrabbildung und des Korrigierens von Fehlern ein Vorwärtsfehlerkorrekturverfahren verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem von den Signalen Y ~[l] mit verringerter ICI in dem Schritt des Bildens der Umkehrabbildung und Korrigierens von Fehlern auf der Grundlage einer Soft-Entscheidung die Umkehrabbildung gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der Schritt des Neucodierens und Abbildens ein Fehlerkorrekturcodierungsverfahren und ein Abbildungsverfahren nutzt, die einem Fehlerkorrekturcodierungsverfahren und einem Abbildungsverfahren eines Senders (50) in dem OFDM-System entsprechen.