DE19838295A1

DE19838295A1 - Adaptive Subträgerselektion zur Verringerung der Spitzenwerte eines Multiträger-Signals

Info

Publication number: DE19838295A1
Application number: DE19838295A
Authority: DE
Inventors: Karl-Dirk Dr Kammeyer; Heiko Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: DE19838295B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Multiträgerübertragungsverfahren zum parallelen Übertragen von Informationen in Form eines Signals x(k) auf N Subkanälen über eine Übertragungs strecke zwischen einem Sender und einem Empfänger, wobei in dem Empfänger für jeden Subkanal eine Übertragungsfunktion bestimmt wird, wobei ferner die N Subkanäle gemäß der jeweiligen Übertragungsfunktion in ihrer Eignung zur Informationsübertra gung bewertet und die N_u besten Subkanäle für eine Informationsübertragung freigege ben und die übrigen N_I=N-N_u Subkanäle für eine Informationsübertragung gesperrt wer den, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Mul titrägerübertragungssender und/oder -empfänger, insbesondere zum Ausführen eines Multiträgerübertragungsverfahrens zum parallelen Übertragen eines Datenstromes in Form eines Signals x(k) auf N Subkanälen mit einem Sender und einem Empfänger, wo bei in dem Empfänger für jeden Subkanal eine Übertragungsfunktion bestimmt ist, wobei ferner die N Subkanäle gemäß der jeweiligen Übertragungsfunktion in ihrer Eignung zur Informationsübertragung bewertet und die N_u besten Subkanäle für eine Informations übertragung freigegeben und die übrigen N_I=N-N_u Subkanäle für eine Informationsüber tragung gesperrt sind, wobei ferner der Sender in Datenstromrichtung folgendes auf weist, einen Seriell-Parallel-Wandler, welcher einen eingehenden seriellen Datenstrom parallelisiert, eine Signalraumzuordnungsvorrichtung, welche mit einer Stufigkeit M eine Anzahl von jeweils log₂(M) Dateneinheiten einem Subkanal in Form einer jeweiligen komplexen Subkanal-Belegung s(i) des i-ten Subkanals zuordnet, und eine erste Trans formationsvorrichtung, welche die s(i) aller Subkanäle in eine jeweilige Subkanallage verschiebt und zu einer Funktion im Zeitbereich x(k) aufsummiert, gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 12.

Stand der Technik

Bei breitbandigen digitalen Übertragungsverfahren sollen je nach Anforderung und Um gebung Datenraten von 20 MBit/s bei 5.2 GHz bis zu 155 MBit/s bei 17.2 GHz innerhalb einer Zelle erreicht werden. Anwendung finden derartige Übertragungsverfahren bei sogn. "Indoor"-Umgebungen, wie beispielsweise drahtlose lokale Netzwerke (WLAN = Wireless Locale Area Network). Hierbei kommunizieren einzelne Mobilstationen nicht direkt sondern nur über eine Basisstation miteinander. Gemäß der Norm COST 231 ist eine Indoor-Umgebung durch schwach zeitvariante Mobilfunkkanäle charakterisiert.

Als breitbandiges Übertragungsverfahren wird häufig ein sogn. OFDM-Verfahren (OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplexing) benutzt. Dabei werden zu übertragende Daten auf mehrere, beispielsweise N Subkanäle mit einem jeweiligen Subträger bzw. einer Subträgerfrequenz verteilt und zeitgleich auf den im Frequenzbereich verschobe nen Subkanälen übertragen. Jede auf einem Subkanal übertragene Informationseinheit wird als "Symbol" bezeichnet, so daß jedem Symbol entsprechend der Aufteilung der zu übertragenden Gesamtdaten auf N Subkanäle eine Symboldauer T zukommt und sich dementsprechend eine Frequenzverschiebung der einzelnen Subträger Δf, d. h. ein relati ver Subträgerabstand ergibt gemäß

In einem Multiträger- oder OFDM-Sender wird ein seriell eingehender Strom von Daten, beispielsweise ein Bitstrom binärer Daten der Bitrate R, in einem Seriell-Parallel-Wandler auf N Subkanäle mit einer jeweiligen Bitrate von R'=R/N verteilt, wobei R eine Ge samtübertragungsrate des Systems bezeichnet. Auf jedem Subkanal erfolgt eine Codie rung der binären Dateneinheiten in Form einer komplexen Signalraumzuordnung, so daß zu jedem Zeitpunkt N diskrete Signalraumpunkte mit einer komplexen Amplitude s(i) exi stieren, wobei i den i-ten von N Subkanälen bezeichnet und i = 0. . .N-1 ist. Hierbei erfolgt eine lineare Modulation mit einer Stufigkeit M, wobei jeweils log₂(M) Bits einen komple xen Wert s(i) auf dem i-ten Subkanal generieren. Das komplexe Symbol s(i) kann dabei M verschiedene Werte annehmen. Falls sich diese Werte nur im Betrag unterscheiden spricht man von ASK-Modulation (amplitude shift keying), falls die Beträge festliegen, beispielsweise 1, unterscheiden sich die komplexen Symbole s(i) durch ihre jeweiligen Phasenwinkel und man spricht von PSK-Modulation (phase shift keying). Man kann sich daher die Signalraumzuordnung anschaulich als Amplitudenmodulation auf N unter schiedlichen Frequenzen vorstellen. Mittels einer inversen diskreten Fourier- Transformation (IDFT) werden die komplexen Symbole s(i) in die jeweilige Subkanallage verschoben. Mit anderen Worten erfolgt ein Übergang vom Frequenzraum in den Zeit raum.

Dies erfolgt auf jedem Subkanal und die einzelnen Subkanalsignale werden zu einem sogenannten OFDM-Symbol x(k) im Zeitbereich aufsummiert. s(i) wird auch als OFDM- Symbol im Frequenzbereich bezeichnet.

Hierbei steht die Variable k für die Zeit und ist auf einen Bereich von 0 bis N-1 begrenzt. Ein OFDM-Symbol hat normalerweise N Abtastwerte. Die Dauer eines OFDM-Symbols beträgt T, weil auf jedem Subträger die Symboldauer T beträgt und die Symbole auf den Subträgern gleichzeitig übertragen werden, wobei k den mit T_a=T/N abgetasteten Zeit punkten entspricht. In der Praxis wird die IDFT numerisch in der Regel in Form einer in versen schnellen Fourier-Transformation (IFFT) ausgeführt. Dies führt also zu einer Überlagerung von N komplexen Schwingungen im Zeitbereich, wobei das OFDM-Symbol x(k) eine Dauer T hat. Dieses komplexe Signal wird anschließend in eine reelle Band paßlage verschoben und zu einem OFDM-Empfänger übertragen. Dieser ist symmetrisch zum OFDM-Sender aufgebaut. Nach Verschiebung des Bandpaßsignals in eine Basisla ge wird die spektrale Trennung der N Subkanäle mittels einer DFT (Diskrete Fourier- Transformation) bzw. numerisch mittels einer FFT (Fast Fourier-Transformation) durch geführt. Durch entsprechende Filterung und Abtastung erhält man die komplexen Signal räume auf jedem Subkanal.

Bei einer digitalen, drahtlosen Übertragung treten in Indoor-Umgebungen Echolaufzeiten zwischen 50 ns und 150 ns auf. Erfolgt beispielsweise eine zweistufige Übertragung (M=2) mit einer Datenrate bei einer Singleträger-Übertragung von 20 MBit/s, so liegt eine Sym boldauer T von 50 ns vor. Das bedeutet, daß ein empfangenes Symbol von mehreren zuvor gesendeten Symbolen gestört wird. Hierbei spricht man von Intersymbolinterferen zen (ISI). Zur Vermeidung dieser Intersymbolinterferenzen (ISI) findet eine zyklische Er weiterung des OFDM-Symbols um eine Zeitdauer T_g statt, wobei diese zusätzliche Zeit spanne als Schutzintervall oder Guardintervall bezeichnet wird. Das gesamte OFDM- Symbol mit Schutzintervall hat somit eine Länge T⁺=T+T_g. Wegen der höheren bzw. län geren zeitlichen Dauer des OFDM-Symbols stellt sich auch auf den einzelnen Subträgern eine Symboldauer T⁺ ein, wobei der Anteil T_g als Totzeit aufzufassen ist, da der Träger abstand 1/T erhalten bleibt. Wenn die Guardzeit T_g größer als die maximale Echolaufzeit des Kanals ist, läßt sich die vom Kanal verursachte Intersymbolinterferenz durch Weg schneiden des zyklischen Schutzintervalls im OFDM-Empfänger eliminieren.

Bei einer Datenübertragung mittels des Multiträgerverfahrens OFDM treten mehrere Pro bleme auf. Aufgrund einer Mehrwegausbreitung kommt es beispielsweise zu unter schiedlichen Fehlerraten auf den einzelnen Subträgern, so daß sich die Gesamtfehler rate aufgrund der hohen Fehleranfälligkeit weniger, stark gestörter Unterträger ver schlechtert. Aus der Arbeit "Analysen zur skalierbaren OFDM-Übertragung für drahtlose, ATM-basierte Zugangssysteme" von A. Hinrichs, Bosch, Universität-Bremen, September 1997 ist es bekannt, durch Anwendung einer Kanalcodierung die Fehlerrate eines OFDM-Systems in einer Mobilfunkumgebung zu verbessern. Der Artikel "Performance of an OFDM-TDMA Mobile Communication System" von H. Rohling und R. Grünheid (TU- Braunschweig) erschienen in den Proceedings der IEEE VTC '96, S. 1589-1593 be schreibt die Bestimmung einer Übertragungsfunktion der einzelnen Subträger, wobei die Stufigkeit M der Modulation auf jedem Subträger an diese Übertragungsfunktion ange paßt wird. Dieses Verfahren wird auch als adaptive Modulation bezeichnet und im Ex tremfall werden dabei einzelne Subträger vollständig ausgeblendet.

Ein weiteres Problem des Multiträgerverfahrens OFDM liegt in nichtlinearen Verstär kereigenschaften, welche aufgrund hoher Spitzenwerte des zu sendenden OFDM- Symbols zu starken Störungen führen. Der Betrag des Signals x(k), also |x(k)|, kann nämlich hohe Spitzenwerte annehmen, die zu unerwünschten Effekten bei Verwendung eines nichtlinearen Verstärkers führen. Bekannte Auswirkungen sind u. a. beispielsweise eine unerwünschte Außerbandstrahlung und/oder Intermodulationseffekte. Zur Beschrei bung dieses Sachverhaltes ist ein sogn. Crestfaktor C als Verhältnis zwischen einem Spitzenwert des OFDM-Symbols x(k) und seinem Effektivwert definiert.

Hierbei ist

Zur Verbesserung einer Einhüllendenkonstanz mit entsprechender Reduktion der Stö rungen bzw. des Crestfaktors sind folgende Verfahren bekannt:
Die Arbeit "Analysen zur skalierbaren OFDM-Übertragung für drahtlose, ATM-basierte Zugangssysteme" von A. Hinrichs, Bosch, Universität-Bremen, September 1997 schlägt zur Verbesserung der Einhüllendenkonstanz einen Einsatz komplementärer Codes zur Kanalcodierung vor.

In dem zu OFDM-Fachgespräch '96 in Braunschweig veröffentlichten Artikel "Reduzie rung der durch Nichtlinearitäten hervorgerufenen Außerbandstrahlung bei einem Mehr trägerverfahren" von M. Pauli und H.-P. Kuchenbecker ist ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Multiplikation mit Gaußfunktionen einzelne Spitzenwerte reduziert werden.

In dem zu OFDM-Fachgespräch '97 in Braunschweig veröffentlichten Artikel "Reduktion von Nachbarkanalstörungen in OFDM-Funkübertragungssystemen" von T. May und H. Rohling (TU Braunschweig) wird die Reduktion einzelner Spitzenwerte durch die Überla gerung mit Korrekturfunktionen mit endlicher Bandbreite (Si-Funktionen) vorgeschlagen.

Bei dem im Artikel "OFDM-Signals with low Crest-Factor" von M. Friese (Deutsche Tele kom) auf der IEEE Globecom '97 vorgeschlagenen Verfahren werden zur Reduktion des Crestfaktors einzelne Subträger zu Blöcken zusammengefaßt und mit einem komplexen Drehoperator versehen, d. h. mit einem komplexen Faktor multipliziert. Diese komplexen Faktoren haben eine Amplitude 1 und erzeugen eine Phasendrehung. Die Variation die ser Faktoren führt zu einer Crestfaktoroptimierung, die für jedes OFDM-Symbol iterativ durchgeführt wird.

Ein Mehrpfad-Übertragungskanal, wie bei einem OFDM-Verfahren, hat i.a. ein frequenz selektives Verhalten, d. h. unterschiedliche Frequenzen werden in der Regel unterschied lich gut übertragen, so daß sich für jeden Subkanal einer frequenzabhängige Kanalüber tragungsfunktion ergibt. Der Phasenverlauf ist ebenfalls eine Funktion der Frequenz. Da man bei einem Multiträgerverfahren den zur Verfügung stehenden Frequenzbereich (Ge samtbandbreite B) in N Teilkanäle bzw. Subkanäle aufteilt, hat jeder Subkanal eine eige ne Kanalübertragungsfunktion, die bei einem OFDM-Verfahren innerhalb jeden Subka nals als konstant angenommen wird.

Bei dem OFDM-Multiträgersystem ist es möglich, die Amplitude der Kanalübertragungs funktion auf jedem Subkanal zu schätzen, bzw. sie durch Interpolation der Schätzwerte einiger Subkanäle zu bestimmen. Aufgrund einer Mehrwegeausbreitung werden die un terschiedlichen Subkanäle unterschiedlich stark gedämpft. Sendet man auf jedem Sub kanal mit gleicher Leistung, kann im OFDM-Empfänger eine Empfangene Leistung bzw. Amplitude bestimmt werden. So ergibt sich eine Betragsübertragungsfunktion des Kanals in Form von N Abtastwerten im Frequenzbereich. Am OFDM-Empfänger wird mittels der Betragsübertragungsfunktion für jeden Subkanal ein komplexer Wert bestimmt, dessen Amplitude für eine Rangordnung der Subkanäle genutzt wird. So bedeutet beispielsweise ein hoher Amplitudenwert eine hohe Zuverlässigkeit. Diese Informationen über die Sub kanaleigenschaften werden zur Festlegung eines Belegungsschemas genutzt, das fest legt, welche Subträger für die Informationsübertragung zu belegen sind. Ein Belegungs schema ist beispielsweise ein Vektor c _u, wobei jedes der N Vektorelemente c_u∈{0,1} ist.

Bei einer derartigen Selektion von Subträgern werden in einem ersten Schritt anhand einer Schwellwertentscheidung nur diejenigen Subkanäle für die Datenübertragung zu gelassen, deren Subkanalübertragungsfunktion des Kanals unterhalb einer festgelegten Schwelle liegt. Dabei ist die Anzahl der nutzbaren Kanäle von der momentanen Ka nalübertragungsfunktion abhängig.

In einem alternativen ersten Schritt wird davon ausgegangen, daß immer N_u von N Sub kanälen für die Übertragung benutzt werden. In diesem Fall ergibt sich aus der Rangord nung der Subkanäle in Abhängigkeit von den ermittelten Amplitudenwerten der Subka nalübertragungsfunktion ein Belegungsschema derart, daß die N_I = N - N_u am stärksten gedämpften Subkanäle von der Informationsübertragung ausgeschlossen werden.

Die Auswahl der Subträger erfolgt dabei adaptiv, d. h. es findet eine Entscheidung an hand der zu erwartenden Zuverlässigkeit der einzelnen Subkanäle je nach momentaner Empfangssituation bzw. je nach momentaner Betragsübertragungsfunktion am OFDM- Empfänger mit laufender Anpassung statt. In einer Indoor-Umgebung ändert sich der Subkanal bzw. die jeweilige Subkanalübertragungsfunktion nur sehr langsam, so daß eine geringe Adaptionsgeschwindigkeit in der Regel ausreicht. Diese adaptive Subkanal selektion erfolgt am OFDM-Empfänger, wobei durch eine bidirektionale Übertragung, beispielsweise auf Protokollebene, die Information über die jeweilige Auswahl der Sub kanäle ebenfalls dem OFDM-Sender vorliegt.

Bei einem OFDM-System beeinflussen sich die einzelnen Subträger aufgrund der oben erläuterten ISI-Freiheit des Systems nicht untereinander. Störungen benachbarte Subka näle bezeichnet man als ACI. Dies bezeichnet man als "orthogonal" bzw. die Subkanäle sind "orthogonal" zueinander (ACI-Freiheit). Aufgrund der Mehrwegeausbreitung des Mobilfunkkanals kommt es zu einer Überlagerung mehrerer Signal am Empfänger. Durch unterschiedliche Laufzeiten und Dämpfungen der einzelnen Signalpfade werden einige Frequenzen konstruktiv und andere destruktiv überlagert. Da das Rauschen hingegen alle Frequenzen gleichermaßen stört, kommt es zu unterschiedlich starken relativen Si gnalstörungen der einzelnen Subträger. Auf jedem Subkanal werden komplexe Symbole übertragen. Diese werden im Sender aus einem Alphabet von M verschiedenen komple xen Werten gebildet. Der Empfänger muß diese Werte auf jedem Subkanal zurückge winnen bzw. rekonstruieren. Gelingt dies aufgrund von Störungen nicht, so spricht man von Symbolfehlentscheidungen. Durch die unterschiedlichen oben erwähnten Signalstö rungen kommt es bei der Rückgewinnung des ursprünglichen digitalen Bitfolge am häu figsten auf den stärker gestörten Subträgern zu Symbolfehlentscheidungen. Bei Anwen dung der oben erläuterten adaptiven Subträgerselektion werden alle Subträger nicht mit Information belegt, welche unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegen. Dies erzielt zwar eine deutlich geringere Gesamtfehlerwahrscheinlichkeit, es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß nur eine geringere Bitrate und eine geringere Bandbreite-Effizienz erreich bar ist. Diese Faktoren begrenzen die Möglichkeit der Verbesserung der Bitfehlerrate der OFDM-Übertragung erheblich.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbesserte Multiträgerübertragungsver fahren und einen verbesserten Multiträgerübertragungssender und/oder -empfänger der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei eine verminderte Bitfehlerrate auf einfache Weise und ohne Verluste bezüglich einer Übertragungsrate erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Multiträgerübertragungsverfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch einen Multiträgerübertragungssen der und/oder -empfänger der o.g. Art mit den in Anspruch 12 gekennzeichneten Merk malen gelöst.

Dazu ist es bei dem Multiträgerübertragungsverfahren erfindungsgemäß vorgesehen, daß den N_I von der Informationsübertragung ausgeschlossenen Subkanälen jeweils eine Korrekturfunktion Δx(k) derart aufgegeben wird, daß ein Verhältnis zwischen einem Spit zenwert max{|x(k)|} des Signals x(k) und einem Effektivwert √E{|x(k)|²} des Signals x(k) minimiert oder zumindest vermindert wird, wobei ein Belegungsschema c _u, welches die N_u Kanäle mit Informationen und die N_I Kanäle ohne Informationen spezifiziert, auf einem Informationsweg zwischen dem Sender und dem Empfänger ausgetauscht wird, so daß beiden ein jeweilig gültiges Belegungsschema c _u bekannt ist.

Bei einem Multiträgerübertragungssender und/oder -empfänger ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß zusätzlich folgendes nach der ersten Transformationsvorrichtung im Datenstromweg in Form einer Rückkoppelschleife angeordnet ist, ein Schwellwertent scheider, welcher in Abhängigkeit von |x(k)| und einem Schwellwert S_x eine Korrektur funktion Δx_r,soll(k) bestimmt, eine zweite Transformationsvorrichtung welche in umge kehrter Weise bezüglich der ersten Transformationsvorrichtung die Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) in eine Trägerbelegung Δs_r,soll(i) transformiert, eine Ausblendvorrichtung, welche die N_u mit Informationen belegten Kanäle ausblendet und so Funktionen Δs_r,ist(i) für jeden i-ten Subkanal erzeugen, Rückkoppelleitungen für jeden Subkanal, welche in jeweilige Akkumulatoren der N Subkanäle vor der ersten Transformationsvorrichtung münden und s_r-1(i) mit Δs_r,ist(i) summieren.

Dies hat den Vorteil, daß auf einfach Weise sonst nicht benutze Subkanäle zu einer Mi nimierung bzw. Verminderung eines Crestfaktors C gemäß Formel (1.4) verwendbar sind, so daß eine bezüglich Bitfehlerrate und anderer Signalstörungen verbesserte und sicherere Informationsübertragung ohne Einbußen bezüglich einer Übertragungsrate erzielt wird.

Vorzugsweise Weitergestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

So ist es besonders bevorzugt, daß das Multiträgerübertragungsverfahren ein OFDM- Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ist, wobei das Signal x(k) als OFDM-Symbol durch inverse diskrete Fourier-Transformation (IDFT) bzw. durch inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT) gemäß

aus komplexen Subkanalbelegungen oder Symbolen s(i) des i-ten Subkanals mit i=0. . .N-1 gebildet wird, wobei die komplexen Symbole s(i) mittels linearer Modulation mit einer Stufigkeit M aus einem parallelisierten seriellen Datenstrom gebildet sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Korrekturfunktion Δx(k) mit folgenden Schritten gebildet:

(a) Bestimmen des Signals x(k) als ein Anfangssignal x₀(k) und Setzen eines Laufin dexes r auf eins,
(b) Bestimmen einer Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) mittels einer Schwellwertentschei dung mit einer vorbestimmten Schwelle S_x, wobei Δx_r,soll(k) für |x_r-1(k)| ≦ S_x einen ersten vorbestimmten Wert annimmt und für |x_r-1(k)| < S_x einen zweiten vorbe stimmten Wert annimmt, wobei r=1, 2, 3. . .,
(c) Transformation der Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) in den Frequenzbereich in eine Trägerbelegung Δs_r,soll(i),
(d) Ausblenden der Nu mit Informationen belegten Subkanäle aus Δs_r,soll(i) zu einem Vektor Δs_r,ist(i),
(e) Transformation der Trägerbelegung Δs_r,ist(i) in eine Korrekturfunktion Δx_r,ist(k) und
(f) Bestimmen eines korrigierten Signals x_r(k) gemäß
x_r(k) = Xr_r-1(k) + Δx_r,ist(k).
Eine besonders gute Verbesserung der Außerbandstrahlung durch iteratives ermitteln der Korrekturfunktion erzielt man durch folgenden zusätzlichen Schritt:
(g) Bestimmen des Crestfaktors C
und wiederholen der Schritte (b) bis (g), falls C einen vorbestimmten Wert unter schreitet mit r=r+1.

Hierbei wird bevorzugt in Schritt (a) x₀(k) aus dem zu übertragenden Datenstrom folgen dermaßen gebildet:
x₀(k) wird als das Signal x(k) als OFDM-Symbol durch inverse diskrete Fourier- Transformation (IDFT) bzw. durch inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT) gemäß

Zu einer weiteren Verbesserung der Verminderung des Crestfaktors wird in besonders vorteilhafter Weise vor jedem Schritt (b) die Schwelle S_x neu gesetzt bzw. vorbestimmt.

Beispielhaft wird in Schritt (b) bei der Schwellwertentscheidung folgende Funktion für die Korrekturfunktion gebildet:

Zweckmäßigerweise ist der Übertragungsstrecke eine Funkstrecke oder ein Kabel, wie beispielsweise ein Breitbandkabel.

Für eine optimale Bewertung von Subkanälen zur Eignung zur Übertragung von Informa tionen wird in bevorzugter Weise aus der Übertragungsfunktion ein resultierender Am plitudenwert bestimmt.

Der erfindungsgemäße Multiträgerübertragungssender und/oder -empfänger umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform eine Vorrichtung zum Berechnen eines Crestfaktors C, welche nach jedem Durchlauf der Rückkoppelschleife den Crestfaktor C einer resultie renden Funktion x_r(k)=x_r-1(k)+Δx_r,ist(k) berechnet und über einen nochmaligen Durchlauf der Rückkoppelschleife oder ein Aussenden von x_r(k) entscheidet.

Zweckmäßigerweise ist der Datenstrom ein Bitstrom digitaler Daten und die Dateneinheit ein Bit.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die se zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multiträgerübertragungssenders und/oder -empfängers.

Die in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mul titrägerübertragungssenders und/oder -empfängers 100 umfaßt einen OFDM-Sender 10, einen OFDM-Empfänger 12 und einen dazwischen liegender Übertragungsweg 14.

Der OFDM-Sender 10 umfaßt in Datenstromrichtung gesehen (in der Figur oben von links nach rechts) einen Dateneingang 16, an dem Daten, wie beispielsweise Datenbits binä rer Daten, seriell eingehen, einen Seriell-Parallel-Wandler 18, welcher eingehende Da tenbits N Subträgern zuordnet, eine Signalraumzuordnungsvorrichtung 20 mit einer Stu figkeit M, welche log₂(M) Bits zu einem komplexen Symbol s(i) generiert, eine Ausblend vorrichtung 22, welche gemäß einem nachfolgend erläuterten Belegungsschema c _u in Form eines Vektors mit Vektorelementen c₁, c₂, . . . c_i . . . c_N nicht für die Informationsüber tragung verwendete Subkanäle ausblendet, eine erste Transformationsvorrichtung 24, welche die s(i) aller Subkanäle in eine jeweilige Subkanallage verschiebt und zu einer Funktion im Zeitbereich x(k) aufsummiert.

Zusätzlich ist am OFDM-Sender folgendes nach der ersten Transformationsvorrichtung 24 im Datenstromweg in Form einer Rückkoppelschleife angeordnet: Ein Schwellwert entscheider 26, welcher in Abhängigkeit von |x(k)| und einem Schwellwert S_x eine Kor rekturfunktion Δx_r,soll(k) bestimmt, eine zweite Transformationsvorrichtung 28 welche in umgekehrter Weise bezüglich der ersten Transformationsvorrichtung 24 die Korrektur funktion Δx_r,soll(k) in eine Trägerbelegung Δs_r,soll(i) transformiert, eine Ausblendvorrichtung 30, welche die N_u mit Informationen belegten Subkanäle ausblendet und so Funktionen Δs_r,ist(i) für jeden i-ten Subkanal mittel des inversen Vektors erzeugen, Rückkoppel leitungen 32 für jeden Subkanal, welche in jeweilige Akkumulatoren 34 der N Subkanäle vor der ersten Transformationsvorrichtung 24 münden und s_r-1(i) mit Δs_r,ist(i) für alle i, d. h. für alle jeweiligen Subkanäle, aufsummieren.

Nach dem ersten Durchlauf der Rückkoppelschleife wird in der ersten Transformations vorrichtung 24 dann entsprechend x_r(k)=x_r-1(k)+ΔX_r,ist(k) generiert und über einen nochmaligen Durchlauf der Rückkoppelschleife oder ein Aussenden von x_r(k) entschie den. Bei einem nochmaligen Durchlauf wird r=r+1 gesetzt.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Aussendung erfolgt in den Kanal 40 über Leitung 36, eine Vorrichtung 38, welche ein Guardintervall hinzufügt und eine Fensterung 41, bei der das Signal mit einer Fenster funktion derart multipliziert wird, daß sich günstigere spektrale Eigenschaften ergeben. Im Übertragungsweg 14 ist mit N₀ eine Störung symbolisiert.

Der Empfänger 12 ist bezüglich der Datenstromrichtung (in der Figur unten von rechts nach links) umgekehrt symmetrisch aufgebaut und umfaßt eine Abtastvorrichtung 42, welche das vom Kanal 40 empfangene Signal (k), welches durch den Kanal bezüglich des Signals x(k) abgeändert ist, abtastet, eine Vorrichtung 44, welche die entsprechen den Guardintervalle entfernt, eine dritte Transformationsvorrichtung 46, welche das empfangene (k) zurück in den Frequenzraum, d. h. in (i) rücktransformiert, eine Bit- Dekodiervorrichtung 48, welche für jeden der N Subkanäle aus den jeweiligen (i) die entsprechenden Datenbits dekodiert, und einen Parallel-Seriell-Wandler 50, welcher schließlich den ursprünglichen seriellen Datenstrom wieder herstellt.

Der Empfänger umfaßt ferner in Datenstromrichtung gesehen nach der dritten Transfor mationsvorrichtung 46 für jeden Subkanal eine Vorrichtung 52 zur Betragsschätzung eines jeden Subkanals. Deren Ausgangswerte werden in einem Entscheider 54 zuge führt, welcher darüber entscheidet, welche N_u Subkanäle zur Informationsübertragung benutzt werden und welche N_I=N-N_u Subkanäle für die Informationsübertragung gesperrt werden. Hierzu generiert der Entscheider ein Belegungsschema in Form eines Vektors c _u, dessen N Vektorelemente den Wert 0 oder 1 annehmen. Ein Wert 1 im i-ten Vektor element c_i bedeutet dabei, daß der i-te Subkanal zur Informationsübertragung freigege ben ist, wogegen entsprechend umgekehrt ein Wert 0 bedeutet, daß der i-te Kanal für die Informationsübertragung gesperrt ist. Dieses Belegungsschema c _u wird auf durch gestrichelter Linien 56 symbolisierten Informationswegen an die Ausblendvorrichtungen 22 und 30 sowie an den Parallel-Seriell-Wandler 50 und den Seriell-Parallel-Wandler 18 gegeben.

Die Idee der Erfindung besteht im wesentlichen darin, ausgehend von einem oben be schriebenen Multiträgerverfahren, die nicht mit Information belegten Subträger zur Re duktion des Crestfaktors (vgl. Formel 1.4) zu nutzen. Dabei findet keine zusätzliche Stö rung der Nutzträger statt, d. h. derjenigen Subkanäle, welche durch das Belegungssche ma c _u zur Informationsübertragung freigegeben sind. Außerdem wird die in der Rück koppelschleife 26, 28, 30, 32 und 34 durchgeführte Korrekturmaßnahme derart gewählt, daß die Leistung des OFDM-Signals nur geringfügig steigt, da sich die Steigerung der mittleren Leistung in Form einer höheren Bitfehlerrate aufgrund einer maximalen Sende leistung der Verstärker bemerkbar machen würde.

Erfindungsgemäß werden also zur Crestfaktorreduktion die nicht für die Übertragung genutzten Subträger so belegt, daß der Crestfaktor des OFDM-Signals möglichst klein oder ggf. minimiert wird. Das Subträger-Belegungsschema c _u gibt vor, welche Subträger mit Informationssymbolen belegt sind und welche zunächst Nullsymbole enthalten sollen. Dafür wird erfindungsgemäß ein iteratives Verfahren für jedes OFDM-Symbol vorge schlagen, das eine Belegung der zur Crestfaktorreduktion verfügbaren Subträger zur Folge hat und eine Korrekturfunktion Δx_ist(k) folgendermaßen berechnet:

1. Das OFDM-Symbol im Zeitbereich x₀(k) wird gemäß Formel (1.3) unter Verwen dung einer IFFT berechnet.
2. Beginn einer Iterationsschleife mit r als Iterationsindex, wobei r=1 gesetzt wird.
3. Ermitteln einer Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) mit Hilfe einer Schwellwertentscheidung (Entscheider 26) an der Schwelle S_x, welche ggf. mit jeder Iterationsschleife zu S_r,x geändert wird, gemäß
4. Transformation der Funktion Δx_r,soll(k) in den Frequenzbereich mittels einer FFT (zweite Transformationsvorrichtung 28), so daß sich eine Trägerbelegung Δs_r,soll(i) ergibt, die notwendig wäre, um die Funktion Δx_r,soll(k) optimal zu approximieren.
5. Da für die Korrekturfunktion nur N_I von N Subträgern zur Verfügung stehen, wird der Vektor Δs_r,ist(i) aus Δs_r,soll(i) durch Ausblenden der N_u mit Informationen belegten Subträger gebildet (Ausblendvorrichtung 30). Dies erfolgt beispielsweise durch Vektormultiplikation von Δs_r,soll(i) mit . Die zugehörige Zeitfunktion Δx_r,ist(k) wird dann x_r-1(k) überlagert gemäß
x_r(k) = x_r-1(k) + Δx_r,ist(k),
wodurch x_r(k) deutlich geringere Spitzenwerte aufweist.
6. Falls der Crestfaktor von x_r(k) weiterhin zu groß ist, findet eine erneute Iteration statt, indem bei Schritt 2. der Iterationsindex um 1 erhöht wird und die Schritte 3. bis 6. nochmals durchlaufen werden,

Für den Abbruch dieser Iterationsschleife kommen mehrere Kriterien in Frage. Bei spielsweise kann die Anzahl der Iterationen begrenzt sein und/oder das Unterschreiten eines vorgesehenen Crestfaktors bestimmt sein. Zur Verbesserung der Effektivität dieses Verfahrens läßt sich die Entscheidungsschwelle S_x von Iteration zu Iteration variieren.

Bezieht man dieses Verfahren auf die in der Figur dargestellte Vorrichtung so folgt nach der Serieil-Parallel-Wandlung in 18 ein Mapping der zu übertragenden Bits auf die zu nutzenden Subträger. Anschließend findet eine Signalraumzuordnung in 20 statt, welche beispielsweise in Form einer differentiellen Modulation erfolgt. Hierbei werden mehrere Bits (nämlich log₂(M)) auf jedem Subträger einem komplexen Wert s(i) zugeordnet. Die Information steckt dann in den komplexen Symbolen s(i) auf jedem Subkanal. Bei diffe renzieller Modulation steckt die Information in der Differenz entweder zweier benachbar ter Symbole oder zweier zeitlich aufeinanderfolgender Symbole. Anschließend werden in 22 N_I Subträger gemäß dem Belegungsschema c _u ausgeblendet und mit Hilfe der IFFT ergibt sich in 24 das OFDM-Symbol x(k) im Zeitbereich. Per Schwellwertentscheidung in 26 wird nun eine Korrekturfunktion gebildet, die nach Durchführung der FFT in 28 und einem Ausblenden nach dem inversen Belegungsschema in 30 und anschließender IFFT in 24 möglichst gut approximiert werden kann. Nach Durchführung mehrerer Iterati onen wird das Guardintervall in 38 angehängt und die einzelnen Symbole werden mit einer Fensterfunktion (cos-roll-off) gewichtet.

Im Empfänger findet zunächst in 42 eine Abtastung statt, bevor das Guardintervall in 44 entfernt wird. Nach der Transformation in 46 in die jeweiligen Subträgerlagen, d. h. Zerle gung in spektrale Anteile mittels FFT, werden die komplexen Symbole entsprechend der verwendeten Modulationsart dekodiert. Eine Schätzung der Betragsübertragungsfunktion der einzelnen Subträger erfolgt in 52 parallel und wird zur Aktualisierung des Subträger- Belegungsschemas c_u herangezogen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduktion des Crestfaktors bei einem Mul titrägerverfahren werden also die nicht für die Informationsübertragung genutzten Sub träger mit Korrektursymbolen belegt, so daß sich ein minimaler oder zumindest verrin gerter Crestfaktor einstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduktion des Crestfaktors mit Hilfe der Subträ gerselektion ist beispielsweise für folgendes spezielle Anwendungsbeispiel geeignet. Ein OFDM-System mit 8-stufiger Modulation (M=8) und 64 Subträgern, von denen 32 für die Informationsübertragung genutzt werden. Die übrigen Subträger stehen einer Reduktion des Crestfaktors nach dem oben beschriebenen Verfahren zur Verfügung.

Claims

1. Multiträgerübertragungsverfahren zum parallelen Übertragen von Informationen in Form eines Signals x(k) auf N Subkanälen über eine Übertragungsstrecke zwi schen einem Sender und einem Empfänger, wobei in dem Empfänger für jeden Subkanal eine Übertragungsfunktion bestimmt wird, wobei ferner die N Subkanäle gemäß der jeweiligen Übertragungsfunktion in ihrer Eignung zur Informations übertragung bewertet und die N_u besten Subkanäle für eine Informationsübertra gung freigegeben und die übrigen N_I=N-N_u Subkanäle für eine Informationsüber tragung gesperrt werden, dadurch gekennzeichnet, daß den N_I von der Informationsübertragung ausgeschlossenen Subkanälen jeweils eine Korrekturfunktion Δx(k) derart aufgegeben wird, daß ein Verhältnis zwischen einem Spitzenwert max{|x(k)|} des Signals x(k) und einem Effektivwert √E{|x(k)|²} des Signals x(k) minimiert oder zumindest vermindert wird, wobei ein Belegungsschema c _u, welches die N_u Kanäle mit Informationen und die N_I Ka näle ohne Informationen spezifiziert, auf einem Informationsweg zwischen dem Sender und dem Empfänger ausgetauscht wird, so daß beiden ein jeweilig gülti ges Belegungsschema c _u bekannt ist.

2. Multiträgerübertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Multiträgerübertragungsverfahren ein OFDM-Verfahren (Orthogonal Fre quency Division Multiplexing) ist.

3. Multiträgerübertragungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal x(k) als OFDM-Symbol durch inverse diskrete Fourier-Transformation (IDFT) bzw. durch inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT) gemäß
aus komplexen Subkanalbelegungen oder Symbolen s(i) des i-ten Subkanals mit i=0. . .N-1 gebildet wird, wobei die komplexen Symbole s(i) mittels linearer Modula tion mit einer Stufigkeit M aus einem parallelisierten seriellen Datenstrom gebildet sind.

4. Multiträgerübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfunktion Δx(k) mit folgenden Schritten gebildet wird

(a) Bestimmen des Signals x(k) als ein Anfangssignal x₀(k) und Setzen eines Laufindexes r auf eins,
(b) Bestimmen einer Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) mittels einer Schwellwertent scheidung mit einer vorbestimmten Schwelle S_x, wobei Δx_r,soll(k) für |x_r-1(k)| ≦ S_x einen ersten vorbestimmten Wert annimmt und für |x_r-1(k)| < S_x einen zweiten vorbestimmten Wert annimmt, wobei r=1, 2, 3. . .,
(c) Transformation der Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) in den Frequenzbereich in eine Trägerbelegung Δs_r,soll(i),
(d) Ausblenden der N_u mit Informationen belegten Subkanäle aus Δs_r,soll(i) zu einem Vektor Δs_r,ist(i),
(e) Transformation der Trägerbelegung Δs_r,ist(i) in eine Korrekturfunktion Δx_r,ist(k) und
(f) Bestimmten eines korrigierten Signals x_r(k) gemäß
x_r(k) = x_r-1(k) + Δx_r,ist(k).

5. Multiträgerübertragungsverfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgenden zusätzlichen Schritt

(g) Bestimmen des Crestfaktors C
und wiederholen der Schritte (b) bis (g), falls C einen vorbestimmten Wert unterschreitet mit r=r+1.

6. Multiträgerübertragungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) x₀(k) aus dem zu übertragenden Datenstrom gemäß Anspruch 3 gebildet wird.

7. Multiträgerübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Schritt (b) die Schwelle S_x neu gesetzt bzw. vorbestimmt wird.

8. Multiträgerübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbestimmte Wert in Schritt (b) null ist.

9. Multiträgerübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite vorbestimmte Wert in Schritt (b)
(S_x-|x_r-1(k)|).e^{jarg(x_r-1(k))}
ist, wobei arg (x) einen Phasenwinkel von x bezeichnet.

10. Multiträgerübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsstrecke eine Funkstrecke oder ein Kabel, wie beispielsweise ein Breitbandkabel, ist.

11. Multiträgerübertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Übertragungsfunktion ein resultierender Amplitudenwert bestimmt wird.

12. Multiträgerübertragungssender und/oder -empfänger, insbesondere zum Ausfüh ren eines Multiträgerübertragungsverfahrens gemäß wenigstens einem der vor hergehenden Ansprüche, zum parallelen Übertragen eines Datenstromes in Form eines Signals x(k) auf N Subkanälen mit einem Sender (10) und einem Empfän ger (12), wobei in dem Empfänger (12) für jeden Subkanal eine Übertragungs funktion bestimmt ist, wobei ferner die N Subkanäle gemäß der jeweiligen Über tragungsfunktion in ihrer Eignung zur Informationsübertragung bewertet und die N_u besten Subkanäle für eine Informationsübertragung freigegeben und die übri gen N_I=N-N_u Subkanäle für eine Informationsübertragung gesperrt sind, wobei ferner der Sender (10) in Datenstromrichtung folgendes aufweist, einen Seriell- Parallel-Wandler (18), welcher einen eingehenden seriellen Datenstrom paralleli siert, eine Signalraumzuordnungsvorrichtung (20), welche mit einer Stufigkeit M eine Anzahl von jeweils log₂(M) Dateneinheiten einem Subkanal in Form eines je weiligen komplexen Symbols s(i) des i-ten Subkanals zuordnet, und eine erste Transformationsvorrichtung (24), welche die s(i) aller Subkanäle in eine jeweilige Subkanallage verschiebt und zu einer Funktion im Zeitbereich x(k) aufsummiert, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich folgendes nach der ersten Transformationsvorrichtung (24) im Daten stromweg in Form einer Rückkoppelschleife angeordnet ist, ein Schwellwertent scheider (26), welcher in Abhängigkeit von |x(k)| und einem Schwellwert S_x eine Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) bestimmt, eine zweite Transformationsvorrichtung (28), welche in umgekehrter Weise bezüglich der ersten Transformationsvorrichtung (24) die Korrekturfunktion Δx_r,soll(k) in eine Trägerbelegung Δs_r,soll(i) transformiert, eine Ausblendvorrichtung (30), welche die N_u mit Informationen belegten Kanäle ausblendet und so Funktionen Δs_r,ist(i) für jeden i-ten Subkanal erzeugen, Rück koppelleitungen (32) für jeden Subkanal, welche in jeweilige Akkumulatoren (34) der N Subkanäle vor der ersten Transformationsvorrichtung (24) münden und s_r-1(i) mit Δs_r,ist(i) aufsummieren.

13. Multiträgerübertragungssender und/oder -empfänger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Berechnen eines Crestfaktors C vorgesehen ist, welche nach jedem Durchlauf der Rückkoppelschleife den Crestfaktor C einer resultie renden Funktion x_r(k)=x_r-1(k)+Δx_r,ist(k) berechnet und über einen nochmali gen Durchlauf der Rückkoppelschleife oder ein Aussenden von x_r(k) entscheidet.

14. Multiträgerübertragungssender und/oder -empfänger nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenstrom ein Bitstrom digitaler Daten und die Dateneinheit ein Bit ist.