DE3713367A1

DE3713367A1 - Kanalabschaetzung und -detektion in digitalen kommunikationssystemen

Info

Publication number: DE3713367A1
Application number: DE19873713367
Authority: DE
Inventors: Adrian Percy Clark
Original assignee: National Research Development Corp UK; National Research Development Corp of India
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1986-04-21
Filing date: 1987-04-21
Publication date: 1987-10-22
Also published as: GB8708877D0; US4862483A; GB2189669A; GB8609711D0; US5005188A; GB2189669B

Description

Die Erfindung betrifft die Abschätzung der Dämpfung und der Phasenänderung eines Kommunikationskanals, in dem schnelles Fading auftritt, sowie eine auf einer solchen Kanalabschätzung basierende Detektion, die mit annähernd maximaler Wahrscheinlichkeit arbeitet (near-maximum-likelihood detektion).

In zellularen Mobilfunksysystemen ergeben sich aus der Tatsache, daß die in einer Zelle operierenden Fahrzeuge nicht direkt sondern über die Basisstation miteinander verkehren, schwierige Probleme bei der Entwicklung des Modems der Basisstation. Das Empfänger-Modem in der Basisstation muß jedes einzelne Empfangssignal einem Schätz- und Detektionsprozeß unterwerfen. Diese Empfangssignale stammen von verschiedenen Fahrzeugen und treten als Bursts auf. Es handelt sich also um einen kontinuierlichen Prozeß, in dem ständig neue Signale auftreten und vorhandene Signale verschwinden. Außerdem ist das Fading der verschiedenen Signale voneinander unabhängig, so daß die Signale gegebenenfalls mit sehr unterschiedlichen Pegeln eintreffen. Ferner können beträchtliche Dopplerverschiebungen auftreten.

Es wurde ein Frequenzmultiplex-System mit Trägerfrequenzen im Bereich von 900 MHz vorgeschlagen, bei dem der Abstand benachbarter Trägerfrequenzen 25 KHz beträgt. In jedem Kanal findet eine derartige Umformung des demodulierten Basisbandsignals statt, daß eine cosinusförmige Spektralverteilung im Empfänger gegeben ist. Über jeden Kanal wird ein mit vier Pegelstufen (quaternär) quadratur-amplitudenmoduliertes (QAM)-Signal mit 12. 000 Bauds gesendet, so daß die Übertragungsrate 24. 000 Bit/s pro Kanal und die Nennbandbreite 24 KHz betragen. Die Bandbreitenausnutzung des Systems kann nun für von den Fahrzeugen zu der Basisstation gesendete Signale verdoppelt werden, indem man zuläßt, daß jeder Kanal von zwei verschiedenen Fahrzeugen benutzt wird. Das unabhängige Zufalls-Fading der beiden Signale, die ein und denselben Kanal besetzen, ermöglicht nahezu während der ganzen Zeit eine korrekte Detektion der Signale im Empfänger (s. Clark, A. P.: "Digital modems for land mobile radio", IEE Colloqium on Digital Mobile Radio, London, S. 8/1-6, Oktober 1985). Wenn ein solches System als zellulares Systems verwirklicht wird und die Zellgröße genügend klein ist, ist sowohl eine Zeichenelement- als auch eine Rahmensynchronisation der von allen Fahrzeugen in einer Zelle gesendenten Signale möglich. Dadurch können die Phasen der Abtastzeitpunkte in dem Empfänger- Modem der Basisstation gleichzeitig für alle Empfangssignale optimiert werden, so daß Nachbarzeichenstörungen in den einzelnen Basisband-Abtastproben vermieden werden.

Genügend genaue Abschätzungen bezüglich der betreffenden Fahrzeuge, die ein und denselben Kanal benutzen, sind schwierig. Es werden z. B. bei einer Übertragungsrate von 12. 000 Bauds (Zeichenelemente/s) und einer Fadingrate von 100 Fadings/s typisch 60 Abtastproben zwischen zwei benachbarten Fadingspitzen eines der beiden Empfangssignale empfangen. Somit können über eine Folge von nicht mehr als etwa zehn Empfangssignalen beträchtliche Änderungen in den Kanaleigenschaften bezüglich jedes Fahrzeugs auftreten. Außerdem sind diese Änderungen zu sehr zufallsbedingt, als daß eine zuverlässige oder genaue Vorhersage über mehr als etwa den vierten Teil eines Fadingzyklus möglich wäre. Bei derart schnellen und so sehr zufallsbedingten Änderungen ist der Prädiktor unvermeidlicherweise sehr viel empfindlicher gegenüber zusätzlichem Geräusch als ein entsprechender Prädiktor für ein über eine Richtfunkverbindung empfangenes Signal, bei dem die typische maximale Fadingrate nicht mehr als 1 Fading/s beträgt.

In Richtfunkverbindungen findet die Ausbreitung über verschiedene parallele alternative Pfade statt, die unabhängiges Fading haben und Zeitverzögerungen verursachen, die bis zum Mehrfachen der Dauer eines Signalelements differieren können. Die Folge sind zeitveränderliche Nachbarzeichenstörungen.

Die eingangs erwähnte Detektion mit annähernd maximaler Wahrscheinlichkeit ist ein bekanntes Verfahren und wurde z. B. in folgender Literaturstelle eingehend beschrieben: Clark, A. P., Harvey, J. D. and Driscoll, J. P.: "Near-maximum-likelihood detection processes for distorted digital signals", Radio and Electronic Engineer, Vol. 48, S. 301-309, Juni 1978. Dieses Detektionsverfahren erfordert eine Kanalabschätzung, die in bekannter Weise durchgeführt werden kann. Wenn beispielsweise Fadings auftreten, läßt die Abschätzung sich in der in der Literaturstelle Clark A. P. and McVerry, F.: "Channel estimation for HF radio link", IEE Proc., Vol. 128, Pt. F, No. 1, S. 33-42, Februar 1981 beschriebenen Weise durchführen.

Die Schwäche solcher Abschätzverfahren und der daraus resultierenden Detektion besteht darin, daß sich mit ihrem Schwergewicht in jedem Abtastzeitpunkt auf die korrekte Detektion der Datensymbole abstützen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion mit annähernd maximaler Wahrscheinlichkeit vorgesehen, bei dem in jedem Abtastzeitpunkt mehrere laufende Kanal- Schätzwerte gebildet werden, wobei jeder laufende Schätzwert aus dem in diesem Zeitpunkt empfangenen Signal abgeleitet wird.

Wenn zwei Empfangssignale detektiert werden sollen, wird zur Bildung der einzelnen Kanal-Schätzwerte vorzugsweise für diesen Zeitpunkt ein Kanal-Prädiktionswert verwendet, der aus einem früheren Abtastzeitpunkt abgeleitet wurde.

Wenn nur ein Empfangssignal aufgenommen wird und keine Nachbarzeichenstörung vorliegt, wird jeder laufende Schätzwert vorzugsweise aus dem Empfangssignal abgeleitet, ohne daß der Kanal-Prädiktionswert für diesen Zeitpunkt verwendet wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Kanalabschätzung und Detektion in einem Empfänger mit folgenden Verfahrensschritten vorgesehen, die in jedem Abtastzeitpunkt durchgeführt werden:
über einen Kommunikationskanal wird eine digitale Abtastprobe empfangen, die von einem oder mehreren der zeitlich am wenigstens weit zurückliegenden gesendeten Datensymbole abhängt,
jeder von k gespeicherten ersten Vektoren, die jeweils mit Hilfe von n Komponenten eine mögliche Empfangssequenz mit n Datensymbolen repräsentieren, wird in weitere Vektoren entwickelt, indem für jeden möglichen zweiten Vektor eine weitere Komponente hinzuaddiert wird, die jeweils eine Kombination von Datensymbolen repräsentiert, deren Empfang in dem genannten Abtastzeitpunkt möglich ist,
eine besondere Kombination von Datensymbolen, die von einer Komponenten eines weiteren Vektors repräsentiert werden, wird als detektiertes Datensymbol ausgewählt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen,
daß aus den genannten weiteren Vektoren m zweite Vektoren ausgewählt werden, indem diejenigen weiteren Vektoren selektiert werden, die die Sequenzen von Datensymbolen repräsentieren, deren Empfang am wahrscheinlichsten ist und die aus der empfangenen Abtastprobe und einem von j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerten für den laufenden Abtastzeitpunkt abgeleitet sind,
daß Bewertungsfaktoren bestimmt werden, die jedem der betreffenden zweiten Vektoren zugeordnet sind,
daß als die genannte besondere Kombination eine Kombination mit einem relativ niedrigen Bewertungsfaktor ausgewählt wird,
daß k zweite Vektoren mit relativ niedrigem Bewertungsfaktor ausgewählt und diese ausgewählten Vektoren und die ihnen zugeordneten Bewertungsfaktoren gespeichert werden,
und daß j Kanal-Prädiktionswerte für den nächsten Abtastzeitpunkt gebildet und gespeichert werden, die die Dämpfungs- und Phasenänderung repräsentieren, die das Signal durch den Kanal erfährt, wobei jeder dieser Prädiktionswerte aus einem Kanal-Schätzwert für die laufende Abtastprobe und einem entsprechenden Exemplar der j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerte für die laufende Abtastprobe gebildet wird.

Da verschiedene mögliche Sequenzen von Empfangssignalen gespeichert sind, verläßt man sich bei der Bildung der Kanal- Schätzwert nicht so sehr auf die korrekte Detektion der einzelnen Zeichen. Somit lassen sich sowohl die Kanal-Prädiktionswerte als auch die Detektion der Datensymbole verbessern und zwar sowohl in zellularen Mobilfunksystemen (mit einem oder mehreren Empfangssignalen) als auch in Richtfunksystemen.

Die ausgewählten m zweiten Vektoren sind vorzugsweise diejenigen mit den kleinsten Abstandswerten. Die den einzelnen zweiten Vektoren zugeordneten Bewertungsfaktoren können bestimmt werden aus der empfangenen Abtastprobe, einem gespeicherten Bewertungsfaktor, der demjenigen ersten Vektor zugeordnet ist, aus dem der betreffende zweite Vektor abgeleitet ist, und einem der gespeicherten Kanal-Prädiktionswerte für den laufenden Abtastzeitpunkt.

Wenn k zweite Vektoren ausgewählt werden, wird vorzugsweise die früheste Komponente jedes dieser zweiten Vektoren vor der Speicherung ausgeschieden.

Jede empfangene Abtastprobe kann ein oder mehrere Datensymbole repräsentieren. Wenn jede Abtastprobe zwei oder mehr Zeichen darstellt, repräsentieren die ersten Vektoren jeweils die gleiche Anzahl von Datensymbol-Sequenzen. Dies gilt auch für die zweiten Vektoren. Die Zahl der ersten und zweiten Vektoren ist vorzugsweise gleich groß. Es wird vorteilhafterweise eine der Zahl der Sequenzen gleiche Zahl von Datensymbolen als detektierte Zeichen ausgewählt.

Falls jede Abtastprobe nur ein einziges Datensymbol darstellt, enthält jede der genannten Kombinationen von Datensymbolen nur ein einziges Zeichen. Falls keine Nachbarzeichenstörung erwartet wird, ist die Anzahl j der Prädiktionswerte vorzugsweise gleich der Anzahl k der gespeicherten Vektoren, und jeder Prädiktionswert ist jeweils einem gespeicherten Vektor und seinem Bewertungsfaktor zugeordnet. Jeder neue Prädiktionswert, der einem neuen gespeicherten Vektor zugeordnet werden soll, wird aus dem für die laufende Abtastprobe bestimmten Kanal-Schätzwert und dem für diese Abtastprobe gespeicherten Kanal-Prädiktionswert abgeleitet, der demjenigen gespeicherten Vektor zugeordnet ist, aus dem der neue Vektor abgeleitet wird.

Die Anzahl m der zweiten Vektoren, die aus jedem ersten Vektor entwickelt werden, ändert sich vorteilhafterweise mit jedem ersten Vektor, wobei die Anzahl der aus einem ersten Vektor entwickelten zweiten Vektoren umso größer ist, je niedriger der diesem ersten Vektor zugeordnete Bewertungsfaktor ist.

Vorteilhafterweise wird bei der Erweiterung jedes ersten Vektors jedes der möglichen Datensymbole verwendet, um Vektoren zur Verfügung zu haben, aus aus denen die m zweiten Vektoren ausgewählt werden.

Es ist ferner vorteilhaft, die früheste Komponente desjenigen zweiten Vektors, die den niedrigsten Bewertungsfaktor hat, als detektiertes Zeichen auszuwählen.

Die Auswahl der k neuen ersten Vektoren aus den zweiten Vektoren kann darin bestehen, daß zunächst alle diejenigen zweiten Vektoren selektiert werden, die die detektierten Datensymbole enthalten, und zweitens aus den so selektierten Vektoren diejenigen mit den niedrigsten Bewertungsfaktoren ausgewählt werden.

Jeder Kanal-Prädiktionswert für den nächsten Abtastzeitpunkt kann aus der laufenden Abtastprobe und einem entsprechenden Exemplar der j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerte für die laufende Abtastprobe gebildet werden.

Die Erfindung beinhaltet ferner die äquivalenten Geräte zur Durchführung der Verfahren gemäß dem oben erwähnten ersten und Aspekt der Erfindung.

Im folgenden seien Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm der Kommunikationsverbindungswege zwischen zwei Fahrzeugen in einem zellularen Mobilfunksystem und des Empfängers einer Basisstation, in der die Erfindung Anwendung findet,

Fig. 2 zeigt einen von dem Detektor von Fig. 1 verwendeten Algorithmus,

Fig. 3 zeigt einen Algorithmus, der von dem Schätzwertrechner und Prädiktor von Fig. 1 verwendet wird, wenn zwei Empfangssignale vorhanden sind.

Das in Fig. 1 dargestellte Modell bezieht sich auf zwei Fahrzeuge, die in einem Frequenzmultiplex-QAM-Mobilfunksystem der oben beschriebenen Art auf derselben Trägerfrequenz arbeiten. Die beiden Übertragungswege sind im Basisband dargestellt. Die folgende Beschreibung von Fig. 1 geht zunächt vom Empfang zweier Signale aus. Die Anordnung ist jedoch so getroffen, daß der Empfang nur eines Signals detektiert wird und die Operation sodann in der weiter unten beschriebenen Weise modifiziert wird.

Die beiden mobilen Teilnehmerstationen besitzen jeweils ein Tiefpaßfilter 10 bzw. 11, die die in den Endstufen dieser Stationen erfolgende Bandbegrenzung repräsentieren. Die Eingangssignale der Tiefpaßfilter sind mit s _0,i δ(t-iT) bzw. s _1,i δ(t-iT) bezeichnet, wobei s _0,i und s _1,i die Datensymbole in den betreffenden Fahrzeugsendern in dem Zeitpunkt iT und δ(t-iT) ein Einheitsimpuls im Zeitpunkt t = iT darstellen (T = Abtastintervall). Die Datensymbole s _0,i und s _1,i mögen statistisch unabhängig voneinander sein und im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit gleicher Wahrscheinlichkeit einen der vier Werte ±1 und ±j haben (j = √-1). In anderen Beispielen der Erfindung können die Datensymbole andere mögliche Werte haben.

Die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 10 und 11 verlaufen über Übertragungswege 12 und 13, die das Basisband-Äquivalent des Rayleigh-Fadings einführen, das mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeit in einem 900 MHz-Träger in städtischer Umgebung auftritt. Die Fadings der beiden Kanäle sind voneinander unabhängig und die Fadingrate liegt typisch bei etwa 100 Fadings/s. In jedem Übertragungsweg kann außerdem eine Dopplerverschiebung auftreten. Die beiden Übertragungswege werden, wie gezeigt, bei 14 kombiniert. Dies entspricht dem Äquivalent für die in einem Basisstations-Empfänger stattfindende Kombination. In 15 wird weißes Gauß'sches Geräusch hinzuaddiert, das in der Praxis sowohl in jedem der Übertragungswege 12 und 13 als auch in den Eingangskreisen des Basisstations-Empfängers eingebracht wird. Die wichtigsten Arten des additiven Geräuschs sind Gleichkanal- und Nachbarkanalinterferenzen von anderen Fahrzeugen und nicht so sehr weißes Gauß'sches Geräusch, wie es in dem idealisierten Systemmodell von Fig. 1 dargestellt ist.

Das resultierende Signal wird über ein Tiefpaßfilter geführt, so daß sich ein bandbegrenztes geräuschbehaftetes Basisbandsignal r(t) ergibt, das durch einen Abtaster 17 in den Zeitpunkten t = iT abgetastet wird. Die sich ergebenden Abstastproben mit mit r _i bezeichnet. Die resultierende Übertragungsfunktion der Sender- und Empfängerfilter 10, 11 und 16 hat flache Cosinusform und ist derart beschaffen, daß mit geeigneter Phasenverschiebung Δ in den Abtastzeitpunkten iT + Δ keine Nachbarzeichenstörung in den Abtastproben r _i auftritt, mit r _i = r(iT + Δ). Somit ist die empfangene Abtastprobe im Zeitpunkt t = iT + Δ

r _i = s _0,i y _0,i + s _1,i y _1,i + w-_i

worin r _i, y _0,i, y _1,i und w _i komplexe Werte sind. Das Tiefpaßfilter 16 ist so ausgebildet, daß die Real- und Imaginärteile der Rauschkomponenten w _i statistisch unabhängige Gauß'sche Zufallsvariable mit dem Mittelwert Null und fester Varianz sind. Die Größen y _0,i können mit i sehr rasch variieren und stellen jeweils die Dämpfung und die Phasenänderung dar, die das entsprechende Signal auf dem Übertragungsweg erfährt.

Der Abtaster 17 ist mit einem Detektor 18 und einem Schätzwertrechner und Prädiktor 19 verbunden, die zusammen als Computer, z. B. als ein oder mehrere Mikroprozessoren oder integrierte Signalprozessorschaltungen, programmierte Festwertspeicher und Arbeitsspeicher (RAM) ausgebildet sind. Das RAM speichert k verschiedene Vektoren Q _i-1 mit jeweils n Komponenten, wobei

Q _i-1 = [q _i-n q _i+1 . . . q _i-1]

und jedes q _i zwei Komponenten [q _0,i q _1,i] hat, die den möglichen Werten von s_0,i und s _1,i entsprechen, so daß 16 verschiedene Kombinationen möglich sind. Typische Werte für k und n sind 4 bzw. 8 bis 32.

Die einzelnen Vektoren Q _i-1 repräsentieren unterschiedliche mögliche Paare der Sequenzen

[s _0,i-n s _{0,i-n + 1} . . . s _0,i-1]

und

[s _1,i-n s _{1,i-n + 1} . . . s _1,i-1]

Zusammen mit jedem Vektor Q _i-1 ist sein Bewertungsfaktor c _i-1 (der in der weiter unten beschriebenen Weise bestimmt wird) abgespeichert. Der Bewertungsfaktor c _i-1 ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, daß der Vektor korrekt ist. Je kleiner der Bewertungsfaktor ist, um so größer ist diese Wahrscheinlichkeit.

Das RAM speichert außerdem k Prädiktionswerte y ₀′,_i,i-1 und y _1,′_i,i-1 von y _0,i und y _1,i, die in dem Zeitpunkt (i-1)T + Δ für die Verwendung im Zeitpunkt iT + Δ gewonnen werden, wobei jeweils ein Prädiktionswert für jeden Vektor Q _i-1 vorgesehen und diesem zugeordnet ist. Diese Prädiktionswerte lassen sich nach bekannten Verfahren gewinnen. Eines dieser Verfahren ist weiter unten in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben.

Beim Empfang des Signals r _i führt der Detektor 18 eine Operation 23 (Fig. 2) aus, bei der jeder Vektor Q _i-1 in m neue Vektoren entwickelt wird, wobei

P_i = [q _i-n q _i-n+1 . . . q _i]

und m für jeden Vektor Q _i-1 entweder den gleichen Wert, z. B. 4, hat oder aber abnimmt, wenn der Bewertungsfaktor von Q _i-1 anwächst. In jeder Gruppe von m Vektoren P_i, die von irgendeinem der Vektoren Q _i-1 abgeleitet sind, sind die ersten n Komponenten dieselben wie in dem originalen Q _i-1, während die letzte Komponente q _i m verschiedene Werte annimmt. Der Detektor leitet den "Abstand" d _i für jede mögliche Wertekombination s _0′,i und s _1′,i der Zeichen s _0,i und s _1,i gemäß

d _i ² = |r _i-s _0,′1 y ₀′,_i,i-1 -s-₁′,_i y ₁′, _i,i-1|²

her, worin |x| der Absolutwert (modulus) von x ist und die verwendeten Werte von y _0,′_i,i-1 und y _1,′_i,i-1 diejenigen sind, die dem zu erweiternden Vektor zugeordnet sind. Die m Vektoren mit den kleinsten Abständen für jeden Vektor Q _i werden dann als die aus diesem Vektor Q _i entwickelten Vektoren P _i ausgewählt.

Der Detektor 18 bestimmt als nächstes in einer Operation 24 (Fig. 2) die den einzelnen Vektoren P _i zugeordneten Bewertungsfaktoren c _i aus der Beziehung

c _i = d c _i-1 + |r _i-q _0,i y _0,-′_i,i-1-q _1,i y ₁′_i.i-1|²

worin ϕ eine reale Konstante im Bereich von 0 bis 1 und die verwendeten Werte von y ₀′,_i,i-1 und y ₁′,_i,i-1 diejenigen sind, die dem Vektor Q _i-1 zugeordnet sind, aus dem der Vektor P _i abgeleitet wurde. Die Größe c _i-1 ist der Bewertungsfaktor dieses Vektors Q _i-1, so daß

Es sei angenommen, daß die Übertragung im Zeitpunkt t = 0 begonnen hat, so daß

q _0,i = q _1,i = s _0,i = s_1,i = 0

für i ≦ωτ 0. Je näher ϕ bei Null liegt, umso kleiner ist die Auswirkung der früheren Bewertungsfaktoren auf c _i, wodurch der effektive Speicherinhalt in c _i verringert wird.

In einer Operation 25 bestimmt der Detektor 18 den Vektor P _i, dem der niedrigste Bewertungsfaktor zugeordnet ist, und liefert an seinem Ausgang als detektierte Werte S ₀′,_i-n und S ₁′,_i-n die durch die Komponente q _i-n dieses Vektors gegebenen Werte q _0,i-1 und q _1,i-1.

Jeder Vektor P _i, dessen erste Komponente q _i-n derjenigen der obengenannten Komponenten q _i-n abweicht, wird sodann ausgetragen (Operation 26), und aus den verbleibenden Vektoren P _i (einschließlich demjenigen, aus dem s _0,i-n und s _1,i-n detektiert wurden) werden die k Vektoren mit den kleinsten Bewertungsfaktor c _i ausgewählt. Die erste Komponente q _i-n jedes der k ausgewählten Vektoren P _i wird nun (ohne Änderung des Bewertungsfaktors) weggelassen, um die entsprechenden Vektoren Q _i zu gewinnen, die dann zusammen mit den zugehörigen Bewertungsfaktoren c _i abgespeichert werden und für den nächsten Detektionsvorgang bereitstehen. Das vorangehend erwähnte Austragen der Vektoren P _i ist ein geeignetes Verfahren, um sicherzustellen, daß die k gespeicherten Vektoren Q _i stets unterschiedlich sind. Voraussetzung hierfür ist nur, daß sie bei dem ersten Detektionsvorgang verschieden waren, was sich leicht einrichten läßt. Um nun ein mögliches Überlaufen des Werts von c _i während einer langen Übertragung zu vermeiden, falls ϕ = 1 ist, zieht der Detektor 18 nach der Auswahl der Vektoren Q _i den Wert des kleinsten Bewertungsfaktors c _i von jedem c _i in einer Operation 27 ab, so daß der kleinste Bewertungsfaktor stets gleich Null ist.

Aus den Operationen 23 bis 26 erkennt man, daß der Detektor 18 ein mit annähernd maximaler Wahrscheinlichkeit arbeitender Detektor ist, wie er in der oben erwähnten Literaturstelle von Clark, Harvey und Driscoll beschrieben ist (wenn ϕ = 1), mit der Ausnahme, daß bei der Entwicklung der Vektoren Q _i-1 und bei der Ableitung der Bewertungsfaktoren für die Vektoren P _i für jeden solchen Vektor unterschiedliche Prädiktionswerte y ₀′,_i,i-1 undy ₁′,_i,i-1 verwendet werden.

Für k = 4 kann m beispielsweise die Werte 4, 3, 2 bzw. 1 für die vier Q _i-1 haben, wenn diese in der Reihenfolge wachsender Bewertungsfaktoren und beginnend mit dem Vektor mit niedrigstem Bewertungsfaktor geordnet werden. Somit werden bei dem Empfang von r _i erste, zweite, dritte und vierte Vektoren Q _i-1 in vier, drei, zwei bzw. einen Vektor P _i expandiert. Damit liegen nun zehn Vektoren P _i vor, aus denen in der oben beschriebenen Weise vier Vektoren Q _i ausgewählt werden. Im allgemeinen wird ϕ = 1 gesetzt, da dieser Wert das beste Ergebnis zu liefern scheint.

In einer letzten Operation 28 von Fig. 2 werden von dem Schätzwertrechner und Prädiktor 19 neue Prädiktionswerte y ₀′,_i+1,i und y ₁′,_i+1,i ermittelt und gespeichert. Für jeden gespeicherten Vektor wird ein Paar von Prädiktionswerten ermittelt und diesem Vektor dann zugeordnet. Die Schätzwerte, aus denen diese Prädiktionswerte abgeleitet werden, können nach irgendeinen der bekannten Verfahren bestimmt werden, z. B. mit Hilfe des in der oben erwähnten Literaturstelle von Clark und McVerry beschriebenen Algorithmus für den Gradienten oder den steilsten Abfall. Dieser Algorithmus, der für jeden der gespeicherten Vektoren durchgeführt wird, sei im folgenden anhand von Fig. 3 kurz erläutert:

Zunächst wird eine Operation 30 ausgeführt, um einen Kanal- Schätzwert r _i′ zu gewinnen. Dabei verwendet man die Beziehung

r _i′ = q _0,i y ₀′,_i,i-1 + q _1,i y ₁′,_-i,i-1

für die empfangene Abtastprobe r _i, worin q _0,i und q _1,i durch den partikulären Vektor Q _i gegeben ist. Sodann wird das Fehlersignal in einer Operation 31 ermittelt:

e _i = r _i - r _i′.

Danach leitet der Schätzwertrechner in 19 die aktualisierten Schätzwerte von y _0,i und y _1,i in einer Operation 32 ab, wobei man folgenden Beziehungen verwendet:

y ₀′,_i = y ₀′,_i,i-1 + be _i(q _0,i)*

und

y ₁′,_i = y ₁′,_i,i-1 + be _i(q _1,i)*

worin b eine geeignete kleine positive reelle Konstante und (q _0,i)* und (q _1,i)* die konjugiert Komplexen von q _0,i bzw. q _1,i sind. Fehler in den Prädiktionswerten y ₀′, _i,i-1 und y ₁′,_i,i-1 werden dann in der Operation 33 aus

ε _0,i = y ₀′,_i - y ₀′, _i,i-1 = be _i(q _0,i)*

bzw.

ε _1,i = y ₁′,_i - y ₁′, _i,i-1 = be _i(q _1,i)*

ermittelt.

Zuletzt bildet der Prädiktor in 19 in einer Operation 34 die Prädiktionswerte y ₀′,_i+1,i und y ₁′,_{i+1, i}, die gegeben sind durch die in Tabelle 1 dargestellten und in der Literaturstelle von Clark und McVerry beschriebenen geeigneten Polynomfilter mit Fading-Speicher, die nach der Methode der kleinsten Quadrate arbeiten. Diese Prädiktionswerte werden dem gegebenen Vektor Q _i zugeordnet und unterscheiden sich normalerweise von den einem beliebigen anderen Vektor Q _i zugeordneten Prädiktionswerten. Einstufige Prädiktion im Zeitpunkt t = iT +

0y ₀′_{,i + 1,i} = y ₀′_,1,i-1 + (1-R)ε _-0,i 1y ₀″_{,i + 1,i} = y ₀″_,1,i-1 + (1-R)² ε-_0,i
y ₀′_{,i + 1,i} = y ₀′_,1,i-1 + y ₀″_{,i + -1,i} + (1-R)² ε _0,i 2y ₀′_{,i + 1,i} = y ₀‴_{, 1,i-1} + 0,5(1-R)³-ε _0,i
y ₀″_{,i + 1,i} = y ₀″_,1,i-1 + 2y ₀‴_{,i + 1,i} + 1,5(1-R)²(1-R) ε _0,i
y ₀‴_{,i + 1,i} = y ₀′_,1,i-1 + + y ₀″_{,i + 1,i}- y ₀‴_{,i + 1,i} + (1-R)³ e _0,i

R ist eine empirische Konstante mit dem typischen Wert 0,9.

Das Polynomfilter wird üblicherweise durch Operationen in dem den Prädiktor in 19 bildenden Computer oder durch ein Hardware- Filter auf der Basis von Fig. 5 der Literaturstelle Clark und McVerry realisiert. Die Ausdrücke y ₀″_{,i + 1, i} und y ₀‴_{,i + 1,i} sind Funktionen der ersten und der zweiten Ableitung von y ₀′_{,i + 1,i} nach der Zeit und sind z. B. in Morrison, N.: "Introduction to sequential smoothing an prediction", McGraw Hill, 1969, dargestellt. Sie können zur Verbesserung der Genauigkeit von y ₀′_{,i + 1,i} verwendet werden. Beziehungen, die exakt denjenigen von Tabelle 1 entsprechen, erhält man auch für y ₁′_{,i + 1,i} und die zeitlichen Ableitungen hiervon.

Wie gezeigt wurde, ist die Operation 32 in der Praxis nicht erforderlich, da y _0,i und y _1,i ohne die Verwendung der aktualisierten Schätzwerte gefunden werden. Diese Operation ist jedoch erwähnt, um klarer darzulegen, in welcher Weise die Prädiktion ausgeführt wird, da die in der Literaturstelle Morrison beschriebene Prädiktion auf Messungen und nicht auf Schätzwerten beruht.

Wenn nur ein Signal empfangen wird, das entweder über den Übertragungsweg 12 oder den Übertragungsweg 13 läuft, schaltet der Schätzwertrechner in 19 auf einen anderen Algorithmus um. Die im Zeitpunkt t = iT + Δ empfangene Abtastprobe ist nun

r _i = s _0,i y _0,i + w _i.

Der erforderliche Schätzwert von y _0,i ist

s ₀ ^-1 _,i r _i = y _0,i + s ₀ ^-1 _,i -w _i.

Mit der korrekten Detektion von s _0,i ist s ₀ ^-1 _{, i} r _i der Schätzwert von y ₀′_,i aus r _i mit maximaler Wahrscheinlichkeit und stellt einen Schätzwert ohne "Vorspannung" dar. Der Fehler des "einstufigen" Prädiktionswerts y ₀′_,i,i-1 wird nun als

_0,i = (s ₀′_,i)^-1 r _i- y ₀′_,i,i-1

angenommen und in dem geeigneten Prädiktionsalgorithmus von Tabelle 1 verwendet, aus dem man y ₀′_{,i + 1,i} erhält. Es ist nicht notwendig, den Gradienten-Algorithmus zu verwenden. Der Schätzwert von y _0,i ist somit nicht länger eine Funktion des Prädiktionswerts y ₀′_,i,i-1, was zu einem stabileren System führt.

Es läßt sich hier wiederum mit Vorteil das weiter oben beschriebene Verfahren mit einer Kombination von Schätzung und Detektion anwenden, bei dem verschiedene gespeicherte Vektoren Q _i vorhanden sind, wobei (s ₀′_,i)^-1 in der letzten Gleichung nunmehr durch q ₀ ^-1 _,i ersetzt wird, worin q _0,i durch den entsprechenden Vektor Q _i gegeben ist.

Im folgenden sei nun ein anderes Beispiel für die Anwendung der Erfindung gegeben. Dieses Beispiel bezieht sich auf HF-Richtfunksysteme. Bei dieser Anwendung wird jeweils zu einer Zeit nur ein Zeichen übertragen. Wegen der Nachbarzeichenstörung aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungszeiten über verschiedene parallele Pfade ist das Empfangssignal r _i nun jedoch durch

r _i = s _i y _0,i + s _i-1 y _1,i + . . -. + s _i-g y _g,i + w _i

gegeben, worin y _0,i . . . y _g.i die abgetastete Impulsantwort des HF-Kanals und w _i wiederum eine Abtastprobe von Gauß'schem Geräusch darstellt. Bei dieser Anwendung entfallen das Tiefpaßfilter 11, der Übertragungsweg 13 und der Kombinationsvorgang 14 in Fig. 1.

Jede Komponente q _1-h der n-Komponenten-Vektoren Q _i-1 besitzt jeweils nur eine Komponente q _0,i, so daß jedes Q _i-1 nur eine Sequenz von möglichen Datensymbol-Werten repräsentiert. Während ferner dort zwei Schätzwerte y ₀′_,i und y ₁′_,i und zwei Prädiktionswerte y ₀′_,i,i-1 und y ₁′_,i,i-1 vorhanden sind, liegen nun g+1 Schätzwerte y ₀′_,i, y ₁′,_i. . . y _g′_,i und g+1 Prädiktionswerte y ₀′_,i,i-1, y ₁′_,i,i-1, . . ., y _g,i,i-1 vor.

Jeder dieser Prädiktionswerte kann in der oben anhand von Fig. 3 beschriebenen Weise gebildet werden. Detektion mit annähernd maximaler Wahrscheinlichkeit in HF-Richtfunksystemen ist in der Literaturstelle Clark A. P., Asghar, S. M.: "Detection of digital signals transmitted over a time-varying channel", IEE Proc., Pt. F, Vol. 128, No. 3; S. 147-174 Juni 1981, beschrieben.

In HF-Richtfunksystemen ist der Kanal-Schätzwert nicht nur einem einzigen gespeicherten Vektor zugeordnet; es können beispielsweise j Schätzwerte verwendet werden, wobei k (die Anzahl der gespeicherten Vektoren) ≦λτj ist. Die j Schätzwerte werden jeweils den j gespeicherten Vektoren mit dem niedrigsten Bewertungsfaktor zugeordnet. Dies macht es erforderlich, daß nach dem Prädiktionswert y ₀′_{,i + 1,i} (das ist der Prädiktionswert, der im Zeitpunkt iT + für die Verwendung im Zeitpunkt (i + 1)T + Δ aus dem Empfangssignal und einem früheren Prädiktionswert y ₀′_,i,i-1, der den betreffenden gespeicherten Vektoren zugeordnet ist) die neuen Prädiktionswerte auf der Basis der jeweils niedrigsten Bewertungsfaktoren neu angeordnet werden. Der Schätzwert des Vektors mit dem niedrigsten Bewertungsfaktor wird allen verbleibenden gespeicherten Vektoren (k-j) zugeordnet.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sondern läßt sich auch auf zahlreiche andere Arten in die Praxis umsetzen. So können z. B. andere Algorithmen für die Detektion mit annähernd maximaler Wahrscheinlichkeit (einschließlich solcher für Detektion mit maximaler Wahrscheinlichkeit) und die Abschätzung verwendet werden, vorausgesetzt, daß in jedem Abtastintervall eine Mehrzahl von Schätzwerten bestimmt und bei dem Detektionsprozeß verwendet werden. Die Erfindung ist auch nicht auf die beispielhaft beschriebenen zellularen Mobilfunk- und Richtfunksysteme beschränkt sondern läßt sich in zahlreichen anderen Arten von Kommunikationskanälen anwenden.

Claims

1. Verfahren zur Kanalabschätzung und Detektion in einem Empfänger mit folgenden in jedem Abtastzeitpunkt durchgeführten Verfahrensschritten:
über einen Kommunikationskanal wird eine digitale Abtastprobe empfangen, die von einem oder mehreren der zeitlich am wenigstens weit zurückliegenden gesendeten Datensymbole abhängt,
jeder von k gespeicherten ersten Vektoren, die jeweils mit Hilfe von n Komponenten eine mögliche Empfangssequenz mit n Datensymbolen repräsentieren, wird in weitere Vektoren entwickelt, indem für jeden möglichen zweiten Vektor eine weitere Komponente hinzuaddiert wird, die jeweils eine Kombination von Datensymbolen repräsentiert, deren Empfang in dem genannten Abtastzeitpunkt möglich ist,
eine besondere Kombination von Datensymbolen, die von einer Komponenten eines weiteren Vektors repräsentiert werden, wird als detektiertes Datensymbol ausgewählt,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus den genannten weiteren Vektoren m zweite Vektoren ausgewählt werden, indem diejenigen weiteren Vektoren selektiert werden, die die Sequenzen von Datensymbolen repräsentieren, deren Empfang am wahrscheinlichsten ist und die aus der empfangenen Abtastprobe und einem von j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerten für den laufenden Abtastzeitpunkt abgeleitet sind,
daß Bewertungsfaktoren bestimmt werden, die jedem der betreffenden zweiten Vektoren zugeordnet sind,
daß als die genannte besondere Kombination eine Kombination mit einem relativ niedrigen Bewertungsfaktor ausgewählt wird,
daß k zweite Vektoren mit relativ niedrigem Bewertungsfaktor ausgewählt und diese ausgewählten Vektoren und die ihnen zugeordneten Bewertungsfaktoren gespeichert werden,
und daß j Kanal-Prädiktionswerte für den nächsten Abtastzeitpunkt gebildet und gespeichert werden, die die Dämpfungs- und Phasenänderung repräsentieren, die das Signal durch den Kanal erfährt, wobei jeder dieser Prädiktionswerte aus einem Kanal-Schätzwert für die laufende Abtastprobe und einem entsprechenden Exemplar der j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerte für die laufende Abtastprobe gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die m ausgewählten zweiten Vektoren diejenigen sind, bei denen die aus der empfangenen Abtastprobe und einem von j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerten für den laufenden Abtastzeitpunkt abgeleiteten Abstandswerte am kleinsten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen zweiten Vektoren zugeordneten Bewertungsfaktoren bestimmt werden aus der empfangenen Abtastprobe, einem gespeicherten Bewertungsfaktor, der demjenigen ersten Vektor zugeordnet ist, aus dem der betreffende zweite Vektor abgeleitet ist, und einem der gespeicherten Kanal- Prädiktionswerte für den laufenden Abtastzeitpunkt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die früheste Komponente jedes der k zweiten Vektoren vor der Speicherung ausgeschieden wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede empfangene Abtastprobe mehr als ein Datensymbol repräsentiert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abtastprobe nur ein einziges Datensymbol repräsentiert und daß zu jedem Vektor bei der Entwicklung der ersten Vektoren in zweite Vektoren nur ein einziges Datensymbol hinzuaddiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Anwendung in den Fällen, in denen keine Nachbarzeichenstörung erwartet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl j der Prädiktionswerte gleich der Anzahl k der gespeicherten Vektoren ist und daß jeder Prädiktionswert jeweils einem gespeicherten Vektor und seinem Bewertungsfaktor zugeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder neue Prädiktionswert, der einem neuen gespeicherten Vektor zugeordnet werden soll, aus dem für die laufende Abtastprobe bestimmten Kanal-Schätzwert und dem für diese Abtastprobe gespeicherten Kanal-Prädiktionswert abgeleitet wird, der demjenigen gespeicherten Vektor zugeordnet ist, aus dem der neue Vektor abgeleitet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anzahl m der zweiten Vektoren, die aus jedem ersten Vektor entwickelt werden, mit jedem ersten Vektor ändert, wobei die Anzahl der aus einem ersten Vektor entwickelten zweiten Vektoren umso größer ist, je niedriger der diesem ersten Vektor zugeordnete Bewertungsfaktor ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erweiterung jedes ersten Vektors zur Gewinnung von Vektoren, aus denen die m zweiten Vektoren ausgewählt werden, jedes der möglichen Datensymbol verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das detektierte Datensymbol die früheste Komponente desjenigen zweiten Vektors ist, die den niedrigsten Bewertungsfaktor hat.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die k zweiten Vektoren ausgewählt werden, indem zunächst alle diejenigen zweiten Vektoren selektiert werden, die die detektierten Datensymbole enthalten, und zweitens aus den so selektierten Vektoren diejenigen mit den niedrigsten Bewertungsfaktoren ausgewählt werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal-Prädiktionswert für den nächsten Abtastzeitpunkt sowohl aus der laufenden Abtastprobe als auch aus dem entsprechenden Exemplar der j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerte für die laufende Abtastprobe gebildet wird.

14. Verfahren zur Detektion mit annähernd maximaler Wahrscheinlichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Abtastzeitpunkt mehrere laufende Kanal-Schätzwerte gebildet werden, wobei jeder laufende Schätzwert aus dem in diesem Zeitpunkt empfangenen Signal abgeleitet wird.

15. Gerät zur Kanalabschätzung und Detektion in einem Empfänger mit Mitteln zur Ausführung folgender Verfahrensschritte in jedem Abtastzeitpunkt:
über einen Kommunikationskanal wird eine digitale Abtastprobe empfangen, die von einem oder mehreren der zeitlich am wenigstens weit zurückliegenden gesendeten Datensymbole abhängt,
jeder von k gespeicherten ersten Vektoren, die jeweils mit Hilfe von n Komponenten eine mögliche Empfangssequenz mit n Datensymbolen repräsentieren, wird in weitere Vektoren entwickelt, indem für jeden möglichen zweiten Vektor eine weitere Komponente hinzuaddiert wird, die jeweils eine Kombination von Datensymbolen repräsentiert, deren Empfang in dem genannten Abtastzeitpunkt möglich ist,
eine besondere Kombination von Datensymbolen, die von einer Komponenten eines weiteren Vektors repräsentiert werden, wird als detektiertes Datensymbol ausgewählt,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus den genannten weiteren Vektoren m zweite Vektoren ausgewählt werden, indem diejenigen weiteren Vektoren selektiert werden, die die Sequenzen von Datensymbolen repräsentieren, deren Empfang am wahrscheinlichsten ist und die aus der empfangenen Abtastprobe und einem von j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerten für den laufenden Abtastzeitpunkt abgeleitet sind,
daß Bewertungsfaktoren bestimmt werden, die jedem der betreffenden zweiten Vektoren zugeordnet sind,
daß als die genannte besondere Kombination eine Kombination mit einem relativ niedrigen Bewertungsfaktor ausgewählt wird,
daß k zweite Vektoren mit relativ niedrigem Bewertungsfaktor ausgewählt und diese ausgewählten Vektoren und die ihnen zugeordneten Bewertungsfaktoren gespeichert werden,
und daß j Kanal-Prädiktionswerte für den nächsten Abtastzeitpunkt gebildet und gespeichert werden, die die Dämpfungs- und Phasenänderung repräsentieren, die das Signal durch den Kanal erfährt, wobei jeder dieser Prädiktionswerte aus einem Kanal-Schätzwert für die laufende Abtastprobe und einem entsprechenden Exemplar der j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerte für die laufende Abtastprobe gebildet wird.

16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die m ausgewählten zweiten Vektoren diejenigen sind, die die kleinsten Abstandswerte aufweisen, die aus der empfangenen Abtastprobe und einem von j gespeicherten Kanal-Prädiktionswerten für den laufenden Abtastzeitpunkt abgeleitet sind.

17. Gerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen zweiten Vektoren zugeordneten Bewertungsfaktoren bestimmt werden aus der empfangenen Abtastprobe, einem gespeicherten Bewertungsfaktor, der demjenigen ersten Vektor zugeordnet ist, aus dem der betreffende zweite Vektor abgeleitet ist, und einem der gespeicherten Kanal- Prädiktionswerte für den laufenden Abtastzeitpunkt.

18. Gerät nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die früheste Komponente jedes der k zweiten Vektoren vor der Speicherung ausgeschieden wird.