DE19928667A1

DE19928667A1 - Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal

Info

Publication number: DE19928667A1
Application number: DE1999128667
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Hagmanns
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2000-12-28
Also published as: AU5098100A; WO2001001647A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal, das eine Vielzahl von Bursts aufweist. Jeder Burst weist dabei M Test- und K Datenbits auf, wobei die M Testbits einem Empfänger bekannt sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: DOLLAR A a) Korrelieren eines ersten Empfangssignalabschnittes, der M Test und Q-M Datenbits aufweist, wobei Q kleiner K ist, mit allen möglichen Sendesignalen, die mit Q Bits erzeugbar sind, DOLLAR A b) Korrelieren eines zweiten Empfangssignalabschnittes, der das Q + 1-te Datenbit aufweist, mit allen möglichen Sendesignalen, die mit dem Q + 1-ten Bit erzeugbar sind, DOLLAR A c) Berechnen der Korrelationen für den aus dem ersten und zweiten Empfangssignalabschnitt zusammengesetzten Empfangssignalabschnitt durch Addition der in a) und b) berechneten Korrelationen, DOLLAR A d) Berechnen aller 2·Q+1-M· quadratischen Formen mit den in c) berechneten Korrelationen, DOLLAR A e) Suchen der größten quadratischen Formen und der dazugehörigen Datensequenzen aus den 2·Q+1-M· quadratischen Formen, DOLLAR A f) Wiederholen der Schritte b) bis e) mit den in Schritt e) gefundenen Datensequenzen und für die das Q+2-, Q+3- bis M+K-1-te Bit aufweisende Empfangssignalabschnitte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Daten sequenzen aus einem Empfangssignal nach dem Oberbegriff von Pa tentanspruch 1 sowie ein, ein derartiges Verfahren verwendendes Mobilfunksystem.

Funkkanäle, insbesondere terrestrische, verhalten sich sy stemtheoretisch wie zeitvariante lineare Filter. Ein zeitab hängiges Sendesignal s(t, a) mit einer digitalen Datensequenz a erzeugt bei der Übertragung über einen Funkkanal, der eine zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) aufweist, ein Empfangs signal

Die Funktion w(t) steht dabei für ein gaußverteiltes Störsignal der Leistungsdichte N_O.

In digitalen Mobilfunksystemen wird das Sendesignal in kurze Abschnitte, den sogenannten Bursts, unterteilt. Die Kanalim pulsantwort kann dabei während der Dauer eines Bursts als na hezu konstant angesehen werden, so daß näherungsweise für das Empfangssignal

gilt.

Nach einer Abtastung des Empfangssignals unter Beachtung des Shannon'schen Abtasttheorems ergibt sich eine begrenzte Folge von Abtastwerten:

mit l ∈ {0, . . ., L - 1} und k ∈ {0, . . ., N - 1}

Die Abtastwerte der Kanalimpulsantwort h(l) sind innerhalb ei nes Bursts gemäß dem Kanalmodell von Rayleigh miteinander kor reliert. Dies wird durch die folgende Autokorrelationsmatrix beschrieben:

Φ_hh = E[h(1).h*(l')]

E[x] ist dabei der Erwartungswert einer Zufallsvariablen x. h* das konjugiert komplexe von h.

Die Autokorrelation der Abtastwerte des Störsignals w(t) wird durch die folgende Formel beschrieben:

E[w(k).w*(k')] = σ².δ_kk'

Die Abtastwerte des Störsignals sind unkorreliert und haben eine Varianz von σ².

In dem Empfangssignal, das durch den Übertragungskanal verzerrt ist, muß ein Empfänger die Datensequenz a, die die zu übertra gende Information bildet, erkennen. Dazu werden in die Datense quenz in die zu übertragenden Datensymbolen Testsymbole einge fügt, die dem Empfänger bekannt sind. Ein Teil des Sendesignals wird dadurch zu einem Testsignal. Mit dem Testsignal kann der Empfänger die Eigenschaften des Übertragungskanals, insbeson dere die Kanalimpulsantwort, schätzen. Der Empfang erfolgt dann in zwei aufeinanderfolgenden Schritten:

1. Schätzen der Kanalimpulsantwort aus dem Testsignal.
2. Erkennung der im Sendesignal enthaltenen Datensequenz mit der geschätzten Kanalimpulsantwort.

Dieses Verfahren wird bereits bei Mobilfunksystemen nach dem GSM-Standard (Global System for Mobile Communications) benutzt und soll auch bei Empfängern des Mobilfunksystems der dritten Generation UMTS (Universal Mobile Telephone System) eingesetzt werden.

Um eine genaue Schätzung der Kanalimpulsantwort zu erhalten, müssen möglichst viele Symbole der Datensequenz a als Testsym bole verwendet werden. Dies führt allerdings zu einer niedrigen Datenübertragungsrate, da weniger Symbole einer Datensequenz pro Burst für die eigentliche zu übertragende Information zur Verfügung stehen. Beim GSM-Mobilfunksystem wird beispielsweise 20% der Signalleistung pro Burst für die Ausmessung des Kanals benötigt. Für den W-CDMA-Vorschlag (Wide Band Code Division Multiple Access) für UMTS werden pro Burst 15 Bits, d. h. Sym bole, übertragen, wovon nicht mehr als 5 Bits entsprechend un gefähr 33% der Signalleistung für Testzwecke eingesetzt werden sollen.

Die eingangs beschriebene zweischrittige Vorgehensweise zur Ka nalimpulsantwort-Abschätzung ist somit nur ein Kompromiß, da bei kurzen Testsignalen die Schätzung der Kanalimpulsantwort ungenau ist und bei langen Testsignalen die Datenübertragungs rate niedrig ist.

Aus DE 43 10 852 C1 ist ein Verfahren zum Empfang von Funksi gnalen, die nach dem Direct-Sequence-Spreizspektrum-Verfahren (DS-SS-Verfahren) kodiert sind, bekannt. Bei diesem Verfahren wird auf die zweistufige Vorgehensweise zur Kanalimpulsant wort-Abschätzung verzichtet und stattdessen das folgende opti mierte Verfahren angewendet:

1. Für jede mögliche Datensequenz a wird das zugehörige Sende signal s(k, a) berechnet.
2. In einem zweiten Schritt werden die Korrelationen
berechnet.
3. Aus den im zweiten Schritt berechneten Korrelationen werden die Vektoren
gebildet.
4. Weiterhin wird die Matrix
Σ = [Φ_hh + σ².1/N.E]^-1
berechnet, wobei E die Einheitsmatrix ist.
5. Aus dem Vektor u(a) und der Matrix Σ wird daraufhin die fol gende quadratische Form aufgestellt:
U(a) = u* (a).Σ.u(a)
6. Die Datensequenz, die mit der größten Wahrscheinlichkeit ge sendet wurde, ergibt sich dann als Maximum der in Schritt 5 aufgestellten Form:
a = arg (max_aU(a))

Im Gegensatz zu dem eingangs geschilderten zweistufigen Verfah ren ist bei diesem Verfahren nur ein Testsymbol zur Unterschei dung von Fällen, in denen zwei unterschiedliche Datensequenzen zum gleichen Empfangssignal führen, erforderlich. Bei der An wendung spezieller Modulationsverfahren für das Sendesignal, wie beispielsweise orthogonale Modulationsverfahren, ist über haupt kein Testsymbol notwendig.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren allerdings der mit der Länge der Datensequenz exponentiell ansteigende Berechnungsauf wand bei der Berechnung des Sendesignals für jede mögliche Da tensequenz. Für K Bits der Datensequenz a müssen 2^k verschie dene Datensequenzen und die dazugehörigen Sendesignale s(k, a) berechnet werden. Dabei sind für jede Datensequenz a noch die Korrelationen u(l, a) durchzuführen und der. Vektor u(a) und die quadratische Form U(a) zu berechnen. Je mehr Bits eine Datense quenz aufweist, desto mehr Berechnungen sind somit zur Durch führung des Verfahrens nötig.

Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem liegt da her darin, ein Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal anzugeben, wobei der Aufwand zur Berech nung der Datensequenzen lediglich linear mit der Länge der Da tensequenzen steigt.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Besondere Ausführungsformen des Ver fahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Daten sequenzen aus einem Empfangssignal, das eine Vielzahl von Bursts aufweist. Jeder Burst weist dabei M Test- und K Daten bits auf, wobei die M Testbits einem Empfänger bekannt sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritten auf:

a) Korrelieren eines ersten Empfangssignalabschnittes, der M Test- und Q-M Datenbits aufweist, wobei Q kleiner K ist, mit allen möglichen Sendesignalen, die mit Q Bits erzeug bar sind,
b) Korrelieren eines zweiten Empfangssignalabschnittes, der das Q+1-te Datenbit aufweist, mit allen möglichen Sendesi gnalen, die mit dem Q+1-ten Bit erzeugbar sind,
c) Berechnen der Korrelationen für den aus den ersten und zweiten Empfangssignalabschnitt zusammengesetzten Emp fangssignalabschnitt durch Addition der in a) und b) be rechneten Korrelationen,
d) Berechnen aller 2^Q+1-M quadratischen Formen mit den in c) berechneten Korrelationen,
e) Suchen der größten quadratischen Formen und der dazugehö rigen Datensequenzen aus den 2^Q+1-M quadratischen Formen,
f) Wiederholen der Schritte b) bis e) mit den in Schritt e) gefundenen Datensequenzen und für die das Q+2-, Q+3- bis M+K-1-te Bit aufweisende Empfangssignalabschnitte.

Vorteilhafterweise werden in Schritt a) Korrelationen nur mit Sendesignalen gebildet, die mit Q Bits, d. h. weniger als K Bits eines Bursts, erzeugbar sind. Dadurch verringert sich der Re chenaufwand in Schritt a). Ferner werden in Schritt e) nähe rungsweise die kleinsten quadratischen Formen aussortiert, wo durch sich der Rechenaufwand für die folgenden Schritte weiter verringert.

Bevorzugt werden die in Schritt a) und b) durchgeführten Korre lationen wie folgt berechnet:

wobei r(k+1) der zu korrelierende Empfangssignalabschnitt, s(k, a) das zu korrelierende Sendesignal, das durch eine Daten sequenz a erzeugt wird, N = (M+K)B die Anzahl der Abtastwerte ei nes Burts und k ein Laufparameter über die Abtastwerte des zu korrelierenden Empfangssignalabschnittes sind.

Ferner werden die quadratischen Formen in Schritt d) wie folgt bevorzugt berechnet:

U (a_Q+1) = u*(a_Q+1).Σ.u(a_Q+1),

wobei u* und u Vektoren mit den Elementen u*(l,a_Q+1) bzw. u(l,a_Q+1) sind und die Matrix Σ = [Φ_hh+σ²E/N]^-1Φ_hh aus der Ein heitsmatrix E, der Korrelationsmatrix Φ_hh der Koeffizienten der Kanalimpulsantwort eines Übertragungskanals, über den das Empfangssignal übertragen wurde, und der Varianz des Kanalrau schens σ² berechnet wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt e) nach den 2^Q-M größten quadratischen Formen und den dazugehö rigen Datensequenzen gesucht. Vorteilhafterweise wird dadurch eine gute Näherung zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal erreicht.

Das Verfahren wird besonders bevorzugt für Empfangssignale, die mit der Direct-Sequence-Spreizspektrumtechnik kodiert sind, an gewendet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Er findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

In einem Burst eines mit BPSK (Binary Phase Shift Keying) modu lierten Empfangssignals, der mehrere Abschnitte m = 0, 1, 2, 3, . . . aufweist, sind Bits so kodiert, daß jedem Abschnitt ein Bit zu geordnet ist. Ohne Einschränkung sei das Bit des Abschnitts m = 0 das Testbit M des Bursts. Die Bits der Abschnitte m = 1, 2, 3, . . . sind demnach die K Datenbits des Burst. Alle Bits zusammen bilden die mit dem Burst zu übertragende Datensequenz a. Der Burst wird in einem Empfänger so abgetastet, daß man pro Abschnitt B Abtastwerte erhält. Das Sendesignal, das den Burst bildet, kann dann durch

s (k,a) = (2.a_m-1).p_m(k)

dargestellt werden. Die Größe a_m ∈ {0,1} ist dabei das Bit des m-ten Abschnitts und p_m(k) die zur Erzeugung des Sendesignals benutzte Spreizsequenz, wenn das Sendesignal mittels Spreiz spektrumtechnik übertragen wird.

Im folgenden werden nun die einzelnen Schritte des erfindungs gemäßen Verfahrens ausführlich erläutert.

Im ersten Schritt werden auf Q Bits des Bursts folgende Korre lationen durchgeführt, mit Q < M+K:

Es gilt dabei: k = 0, 1, . . ., BQ-1. Aus den berechneten Korrela tionen wird ein Vektor mit L Elementen gebildet:

Die Anzahl der für alle möglichen Sendesignale mit Q Bits zu berechnenden Vektoren ist 2^Q-M. Das Testbit wird bei der Bil dung aller mit Q Bits erzeugbarer möglicher Sendesignale nicht berücksichtigt, da es dem Empfänger bereits bekannt ist.

Im zweiten Schritt werden nun aus den Vektoren u(a_Q) rekursiv die Vektoren u(a_Q+1) für ein Sendesignal mit Q+1 Abschnitten eines Bursts berechnet.

Die um einen Abschnitt erweiterte Datensequenz ergibt sich aus der Datensequenz mit Q Bits durch Anhängen eines zusätzlichen Bits:

a_Q+1 = (a_Q, 0) oder aQ+1 = (a_Q, 1).

Mit den im ersten Schritt berechneten Korrelationen u(l,a_Q) können nun auf einfache Weise rekursiv die Korrelationen für die erweiterte Datensequenz a_Q+2 aufgrund

berechnet werden, wobei gilt k = BQ, . . ., B(Q+1)-1. Diese Korre lationen ergeben sich zu

u(l,a_Q+1) = u(l,(a_Q,0)) = u (l,a_Q) - u_Q+1 (l)
u(l,a_Q+1) = u(l,(a_Q,1)) = u (l,a_Q) - u_Q+1 (l)

Damit lassen sich aus den im ersten Schritt berechneten Korre lationen rekursiv alle Korrelationen für erweiterte Datense quenzen berechnen.

Nun werden quadratische Formen aus den Vektoren u(a_Q+1), deren Elemente sich aus den rekursiv berechneten Korrelationen u(l,a_Q+1) ergeben, berechnet:

U(aQ+1) = u* (a_Q+1).Σ.u(a_Q+1)

Die Anzahl der quadratischen Formen beträgt 2^Q+1-M. Für das ab schließende Erkennen der am wahrscheinlichsten gesendeten Da tensequenz interessiert jedoch nur die größte der quadratischen Formen. Näherungsweise kann man deshalb die kleinsten 2^Q-M der insgesamt 2^Q+1-M quadratischen Formen unberücksichtigt lassen, so daß für den nächsten Schritt genau 2^Q-M quadratische Formen weiterverarbeitet werden. Im nächsten Schritt wird bei der Ver minderung der zu verarbeitenden quadratischen Formen genauso verfahren. Insgesamt bleibt damit in jedem weiteren Schritt der Rechenaufwand konstant.

Der zweite Schritt das Verfahrens wird nun für alle weiteren Abschnitte Q+2, Q+3, . . ., M+K-1 wiederholt. Die Eingangsgrößen für den n-ten Schritt sind dabei die im vorhergehenden Schritt berechneten 2^Q-M Vektoren u(a_n-1), die die größte quadratische Form ergeben haben.

Nach Abarbeitung aller Abschnitte des Bursts sucht man aus den letzten 2^Q-M quadratischen Formen U(a_M+K-1) die größte quadra tische Form heraus, die dann der Datensequenz a, die mit der größten Wahrscheinlichkeit gesendet wurde, entspricht.

Insgesamt wurde damit ein Verfahren zur Berechnung von Daten sequenzen aus einem Empfangssignal gefunden, dessen Rechenauf wand nur linear mit der Anzahl der Bits bzw. Abschnitte der Da tensequenzen steigt. Dieses Verfahren ist insbesondere bei Si gnalen, die mit der Direct-Sequence Spreizspektrumtechnik ko diert wurden und über Funk übertragen werden, vorteilhaft. Es ist aber ebenso bei allen Sende- und Empfangsverfahren, bei de nen Datensequenzen übertragen werden und möglichst wenig Si gnalleistung des Übertragungssignals für Test- und Meßzwecke aufgewandt werden soll, anwendbar.

Claims

1. Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Emp fangssignal, das eine Vielzahl von Bursts aufweist, wobei jeder Burst M Test- und K Datenbits aufweist und wobei die M Testbits einem Empfänger bekannt sind, mit den folgenden Schritten:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schritt a) und b) durchgeführten Korrelationen wie folgt berechnet werden:
wobei r(k+l) der zu korrelierende Empfangssignalabschnitt, s(k, a) das zu korrelierende Sendesignal, das durch eine Daten sequenz a erzeugt wird, N = (M+K)B die Anzahl der Abtastwerte ei nes Burts und k ein Laufparameter über die Abtastwerte des zu korrelierenden Empfangssignalabschnittes ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die quadratischen Formen in Schritt d) wie folgt berechnet wer den:
U (a_Q+1) = u*(a_Q+1).Σ.u(a_Q+1),
wobei u* und u Vektoren mit den Elementen u*(l,a_Q+1) bzw. u(l,a_Q+1) sind und die Matrix Σ = (Φ_hh+σ²E/N]^-1Φ_hh aus der Einheitsmatrix E, der Korrelationsmatrix Φ_hh der Koeffizienten der Kanalimpulsantwort eines Übertragungskanals, über den das Empfangssignal übertragen wurde, und der Varianz des Kanalrau schens σ² berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt e) nach den 2^Q-M größten quadra tischen Formen und den dazugehörigen Datensequenzen gesucht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bevorzugt für Empfangs signale, die mit der Direct-Sequence-Spreizspektrumtechnik ko diert sind, angewendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einem zellularen Mobilfunknetz mit mindestens einer Basisstation und mindestens einer Mobilsta tion.