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Die
Erfindung betrifft eine Übertragungsstruktur
für eine
OFDM-Übertragung,
ferner die Verwendung einer Übertragungsstruktur,
einen OFDM-Sendeempfänger
sowie ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung auf der Basis eines
OFDM-Systems.
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Der
technische Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist das Gebiet
der orthogonalen Frequenzmultiplex-(OFDM)-Kommunikationsverbindungen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines OFDM-Übertragungssystems. Ein mit 1 bezeichnetes
Telefon liefert Sprachdaten an einen Sprachcodec 2. Es
ist zu beachten, daß das
Endgerät
auch irgendein anderes Eingangsteil, wie z.B. eine Videokamera,
ein Personalcomputer usw., sein kann. Die Daten aus dem Sprachcodec 2 werden
einem Kanalcodierer 3, einem Verschachteler 4,
einem Modulator 5 und einem Aufwärtswandler 6 zugeführt und
schließlich
in einem Leistungsverstärker 7 verstärkt. Der
Leistungsverstärker 7 hat
einen steuerbaren Verstärkungsgrad
und empfängt
ein entsprechendes Leistungssteuersignal aus einer Leistungssteuerung 8.
Das von dem Leistungsverstärker 7 mit gesteuertem
Verstärkungsgrad
verstärkte
Signal wird dann über
einen OFDM-Funkkanal 9 drahtlos übertragen.
Auf der Empfangsseite wird das empfangene Signal in einem rauscharmen
Verstärker 10 verstärkt und
dann von einem Abwärtswandler 11,
einem A/D-Wandler 12 und einem Demodulator 13 verarbeitet.
Der Demodulator 13 ist mit einem Kanalschätzer 14 verbunden,
der eine Filtereinrichtung 19 besitzt. Das demodulierte
Ausgangssignal wird in 15 entschachtelt, in 16 kanaldecodiert
und dann einem Sprachcodec 17 zugeführt. Schließlich wird das Signal einem
Frontend-Benutzerendgerät 18,
z.B. einem Telefon, zugeführt.
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Für die Aufwärtsverbindung
verlaufen alle Benutzersignale über
verschiedene Kanäle,
wobei spezielle Probleme bezüglich
der Leistungssteuerung und der Kanalschätzung auftreten, wenn ein OFDM-Übertragungssystem
benutzt wird.
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Aus
US 5,867,478 ist ein drahtloses
OFDM-Kommunikationssystem bekannt, dessen Aufgabe insbesondere darin
besteht, die Auswirkung von Interferenzen in drahtlosen OFDM-Kommunikationssystemen
zu reduzieren. Das genannte OFDM-System, das als synchrones kohärentes OFDM-(SC-OFDM)-System
bezeichnet wird, schlägt
vor, jeden von mehreren SC-OFDM-Sendern auf eine Referenz zu synchronisieren,
um das SC-OFDM-Signal
zu senden, wobei die Referenz aus einer gemeinsamen Quelle abgeleitet
wird. Die einzelnen SC-OFDM-Empfänger
ist so ausgebildet, daß sie
die SC-OFDM-Signale
von wenigstens einem der mehreren SC-OFDM-Sender empfangen. Jedes
der SC-OFDM-Signale hat eine zyklische Erweiterung, und das SC-OFDM-Signal
aus jedem SC-OFDM-Sender enthält
wenigstens einen Pilotcode nach Maßgabe eines vorbestimmten Pilotcodeschemas. Das
genannte System schlägt
außerdem
ein Schema vor, um die Übertragung
der Synchronisiersignale in einem Rahmen durch eine Mehrzahl von
Basiseinheiten zu koordinieren, wobei ein Satz von vier Hilfsträgern für die Übertragung
der Synchronisiersignale durch eine Mehrzahl von Basiseinheiten
dient. Auf diese Weise sendet eine Basiseinheit, die einen Pilotcode
benutzt, in dem ersten Hilfsträger
Synchronisiersymbole und in dem zweiten, dritten und vierten Hilfsträger Null-Symbole.
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Das
Dokument WO 98/34381 beschreibt ein Datenübertragungsverfahren und ein
Funksystem mit wenigstens einer Basisstation und einem Teilnehmerendgerät. Bei diesem
Verfahren plaziert jeder Sender mit Hilfe eines orthogonalen Frequenzmultiplex-Modulators
(OFDMA-Modulator) Referenzträger in
einer im wesentlichen zufälligen
Anordnung in einem benutzten Band, so daß ein Empfänger das Referenzträgersignal
für die
Synchronisierung benutzen kann. Die im wesentlichen zufällige Plazierung
der Referenzträger
in einem benutzten Band erfolgt dadurch, daß Zufallszahlen erzeugt werden,
mittels derer auf eine gewünschte
Menge möglicher
Träger
in dem benutzten Band Bezug genommen wird. Auf die Referenzträger wird
Frequenz-Hopping angewendet, so daß die Frequenzen der Referenzträger z.B.
nach einer linearen Kongruenzformel eingestellt werden.
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Im
Hinblick auf das beschriebene Problem und den oben zitierten Stand
der Technik ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Technik
zur Verfügung
zu stellen, die eine effiziente Leistungssteuerung und/oder Kanalschätzung, insbesondere in
Aufwärtsverbindungen
von OFDM-Übertragungen ermöglicht.
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Dieses
Ziel wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Die abhängigen
Ansprüche
enthalten Weiterentwicklungen der zentralen Idee der Erfindung.
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Gemäß vorliegender
Erfindung wird eine Übertragungsstruktur
für ein
OFDM-Übertragungssystem
vorgeschlagen, bei der Frequenz-/Zeit-Bandblöcke mit einer festen Größe von N
Trägern
benutzt werden. Einem speziellen Benutzer wird eine Anzahl von M
Bandblöcken
zugeteilt, wobei M ganzzahlig und größer als 1 ist und in Abhängigkeit
von der geforderten Datenrate einer Übertragung ausgewählt wird.
Die einem speziellen Benutzer zugeteilten Frequenzen sind zeitlich
invariant.
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Auf
jeder Seite eines Bandblocks kann wenigstens ein Schutzträger vorgesehen
sein.
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Die
von einem speziellen Benutzer benutzten Frequenz-/Zeit-Bandblöcke können frequenzmäßig voneinander
getrennt sein.
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Die
Abbildung von Datenbits auf die Träger kann für jeden Übertragung-Zeitschlitz geändert werden,
um eine Interblockverschachtelung zu erzielen.
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In
jedem Frequenz-/Zeit-Bandblock können Pilot-Bits
vorgesehen sein, wobei die Position der Pilot-Bits für jeden
Zeitschlitz variiert werden kann.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine solche Übertragungsstruktur
für die
Aufwärtsverbindung
(Up-Link) einer OFDM-Übertragungsstruktur
benutzt.
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Nach
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein OFDM-Sendeempfänger vorgeschlagen,
der für
die oben beschriebene Übertragungsstruktur
ausgelegt ist.
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Der
OFDM-Sendeempfänger
kann einen Demodulator aufweisen, der auf der Basis eines Kanalschätzers eine
kohärente
Demodulation ausführt.
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Der
Kanalschätzer
besitzt eine Zeit-/Frequenz-Filtereinheit zum Filtern von Kanalschätzergebnissen,
die zuvor auf der Basis von Pilot-Bits in jedem Bandblock berechnet
wurden.
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Dadurch
können
die Parameter der Zeit-/Frequenz-Filtereinheit nach Maßgabe der Doppler-
und Kanalstreuung des drahtlosen Übertragungskanals ausgewählt werden.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum drahtlosen Übertragen
von Daten auf der Basis eines OFDM-Systems vorgeschlagen. Dabei
sind Frequenz-/Zeit-Bandblöcke mit einer
festen Größe von N
Trägern
vorgesehen. Einem speziellen Benutzer ist eine Zahl von M Bandblöcken zugeteilt,
wobei M ganzzahlig und größer als 1
ist und in Abhängigkeit
von der geforderten Datenrate einer Übertragung ausgewählt ist.
Die einem speziellen Benutzer zugeteilten Frequenzen sind zeitlich
invariant.
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Die
einem speziellen Benutzer zugeteilten Bandblöcke können in jedem Zeitschlitz gewechselt werden.
Die Abbildung von Datenbits auf die Träger kann für jeden Zeitschlitz der Übertragung
variiert werden, um eine Interblockverschachtelung zu erzielen.
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Die
folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen,
die auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug nimmt, verdeutlicht
dem einschlägigen
Fachmann weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der Erfindung.
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1 zeigt
ein OFDM-Übertragungssystem in
seiner Gesamtheit,
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2 zeigt
ein OFDM-Frequenz-/-Zeitgitter,
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3 zeigt
eine Zuordnung von Hilfsträgern an
einen Benutzer,
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4 zeigt
eine weitere mögliche
Zuordnung von Hilfsträgern
an einen Benutzer,
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5 zeigt
eine weitere mögliche
Trägerzuteilung
für einen
Lösungsweg
mit im Abstand angeordneten Trägern,
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6 zeigt
eine Blockzuteilungsstruktur für einen
Benutzer gemäß vorliegender
Erfindung.
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Anhand
von 1 wurde bereits ein typisches Funkkommunikationssystem
beschrieben, das ein OFDM-System benutzt. Die vorliegende Erfindung
richtet sich speziell auf eine Übertragungsstruktur
für ein
OFDM-System, das für
die Aufwärtsverbindung
(Up-Link) (Verbindung von der Mobilstation zur Basisstation) optimiert
ist. Bei einer solchen Verbindung treten für OFDM-Systeme einige spezielle
Probleme auf, nämlich:
- – alle
(von der Mobilstation zur Basisstation) gesendeten Signale verlaufen über verschiedene Kanäle und
- – alle
in der Basisstation empfangenen Signale haben verschiedene Frequenz-Offsets
und Zeitlagen.
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Wie
aus dem in 2 dargestellten OFDM-Frequenz-/-Zeitgitter
erkennbar ist, besteht ein OFDM-System im wesentlichen aus einer
Anzahl von orthogonalen Trägern,
die zeitlich übertragen
werden. Die Art und Weise, wie diese Träger den Benutzer zugeteilt
wird, hat wichtige Auswirkungen auf die Leistung und die Eigenschaften
eines gegebenen OFDM-Systems.
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Für die Aufwärtsverbindung
können
mehrere verschiedene Lösungswege
benutzt werden. Im folgenden werden diese Lösungswege zusammengefaßt, die
Vorteile und Nachteile dieser Lösungswege hervorgehoben,
und schließlich
anhand von 6 wird die vorliegende Erfindung
erläutert.
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3 zeigt
einen Lösungsweg
für die
Bandzuteilung. Die Hauptmerkmale dieses Lösungswegs sind:
- – Jedem
Benutzer werden "Träger mit
aufeinanderfolgender Frequenz" in
einem Bandschlitz zugeteilt. Die Zahl der aufeinanderfolgenden Träger wird
in Abhängigkeit
von der geforderten Datenrate gewählt.
- – Jeder
Bandschlitz muß von
einem Zeitschlitz zum anderen Frequenz-Hopping ausführen, um Frequenz-
und Interferenz-Diversity zu erreichen.
- – Das
Frequenz-Hopping erschwert die Implementierung kohärenter Modulation,
weshalb häufig
nichtkohärente
Modulation benutzt wird.
- – Leistungssteuerung
kann implementiert werden. Da alle Träger aufeinander folgen, ist
es einfach, die Leistung der Bandschlitze zu steuern, ohne daß zu viele
Intermodulationseffekte erzeugt werden.
- – Auf
jeder Seite des Bands wird ein Schutz- oder "Blind"-Träger
angeordnet, um Nachbarträger-Interferenzen
zu mildern, die durch Frequenz-Offsets (Trägerfrequenz oder Dopplerfrequenz)
oder Leistungsdifferenzen zwischen Benutzern verursacht werden.
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Der
Hauptnachteil dieses Vorschlags besteht in der Schwierigkeit, kohärente Modulation
zu implementieren.
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4 zeigt
eine weitere Blockstruktur, die eine Variation des in 3 dargestellten
Lösungswegs
für die
Bandzuteilung darstellt.
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Die
Hauptmerkmale dieses Lösungswegs sind:
- – Jedem
Benutzer wird eine bestimmte Anzahl von "aufeinanderfolgenden (Frequenz)-Trägern" und aufeinanderfolgenden
Zeitschlitzen in einem Band zugeteilt. Auf diese Weise wird jedem
Benutzer ein zweidimensionaler (Frequenz-/Zeit)-Block zugeteilt,
wie dies in 4 dargestellt ist.
- – Die
Zahl der Blöcke,
die jedem Benutzer zugeteilt werden, wird in Abhängigkeit von der geforderten
Datenrate ausgewählt.
- – Um
Frequenz- und Interferenz-Diversity zu erreichen, wird für die Benutzerblöcke ein "Frequenz-Hopping" durchgeführt.
- – Zusätzlich zu
den in Verbindung mit dem Band-Lösungsweg
erwähnten
Vorteilen besteht ein Vorteil dieses Lösungswegs darin, daß in jeden
Block eine Anzahl von Piloten eingefügt werden kann und eine gute
kohärente
Kanalschätzung
durchgeführt
werden kann, wodurch die Benutzung von kohärenter Modulation ermöglicht wird.
- – Auf
jeder Seite des Bands kann ein Schutz- oder "Blind"-Träger
angeordnet werden, um Nachbarträger-Interferenzen
zu mildern, die auf Differenzen der Leistung, der Trägerfrequenz
und der Dopplerfrequenz zwischen Benutzern zurückzuführen sind.
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Der
Hauptnachteil dieses Lösungswegs
besteht darin, daß die
optimale Größe des Blocks
von der Dopplerfrequenz und den Verzögerungsspreizungen des Kanals
abhängt.
Es ist deshalb schwierig, die Blockgröße für Umgebungen zu optimieren, die
einen großen
Bereich von Dopplerfrequenzen und Kanalverzögerungsspreizungen aufweisen.
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5 zeigt
einen weiteren Lösungsweg,
der als "Up-Link-Lösungsweg
mit im Abstand angeordneten Trägern" bezeichnet werden
könnte.
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Die
Hauptmerkmale dieses "Lösungswegs mit
im Abstand angeordneten Trägern" sind:
- – Jeder
Benutzer benutzt eine Anzahl von Trägern, die Träger haben
jedoch einen Frequenzabstand, um Frequenz-Diversity zu erreichen.
- – Aufgrund
der Tatsache, daß in
jedem Zeitschlitz die gleichen Träger benutzt werden, können vorangehende
Pilottöne
benutzt werden, und es ist eine gute kohärente Kanalschätzung möglich. Deshalb
kann kohärente
Modulation benutzt werden.
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Dieser
Lösungsweg
hat jedoch die folgenden Hauptnachteile:
- – Ohne einen
sehr großen
Overhead an "Blindträgern" ist es schwierig,
Leistungssteuerung zu benutzen. Der Overhead ist hier sehr viel
größer als bei
den anderen Lösungswegen,
da Einzelnträger benutzt
werden.
- – Dieser
Lösungsweg
ist empfindlich gegen Frequenz-Offsets.
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6 zeigt
einen "hybriden
Lösungsweg" gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Hauptmerkmale dieses Lösungswegs gemäß der Erfindung sind:
- – Es
wird eine feste Bandblockgröße benutzt,
die aus N Frequenzträgern
besteht.
- – Auf
jeder Seite des Bandblocks wird wenigstens ein Schutz- oder "Blind"-Träger angeordnet,
um Nachbarträger-Interferenz
aufgrund von Frequenz-Offset oder Leistungsdifferenzen zwischen Benutzern
zu mildern.
- – Jeder
Benutzer benutzt eine Anzahl (M) von Bandblöcken, die von der geforderten
Datenrate abhängt
(in 6 ist M = 3).
- – Die
von jedem Benutzer benutzten M Bandblöcke sind frequenzmäßig getrennt,
um Frequenz-Diversity zu erreichen, wobei die von dem Benutzer benutzten
Bandschlitze immer auf der gleichen Frequenz bleiben. Das Abbilden
von Datenbits auf die Träger
kann für
jeden Teilschlitz der Übertragung
geändert
werden, um eine Interblockverschachtelung zu erreichen. 6 zeigt ein
Beispiel, bei dem einem Benutzer drei Blöcke A, B, C zugeteilt sind.
Die drei Blöcke
A, B, C werden für
jeden Zeitschlitz des OFDM-Frequenz-/-Zeitgitters zyklisch permutiert.
- – Die
Abbildung der Datenbits auf Träger
kann in jedem Zeitschlitz geändert
werden (Interblockverschachtelung), um die Diversity zu vergrößern, die
Position der Pilotbits innerhalb des Blocks kann jedoch an der gleichen
Stelle bleiben.
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Die
Hauptvorteile dieses Lösungswegs
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind:
- – Es ist eine Leistungssteuerung
in der Basisstation möglich,
da Bandschlitze benutzt werden, die "aufeinanderfolgende Träger" enthalten, und nur ein
kleiner Overhead an Blindträgern
benötigt wird.
- – Da
in jedem Bandschlitz Pilotbits vorgesehen sind und die Bandschlitze
immer an der gleichen Stelle liegen, kann eine Zeit-Frequenz-Filterung über die
Pilot-Schätzwerte
durchgeführt
werden, und es läßt sich
eine gute Kanalschätzung
durchführen
(dies geschieht in dem Kanalschätzer 14 mit
der Filtereinrichtung 19). Auf diese Weise kann der Demodulator 13 eine
kohärente
Modulation ausführen.
Es ist zu beachten, daß verschiedene
Pilotmuster benutzt werden können.
- – Die
Größe der Parameter
des Kanalschätzfilters 19 kann
für verschiedene
Doppler- und Kanalverzögerungsstreuungen
geändert
werden, so daß für einen
breiten Bereich von unterschiedlichen Situationen kohärente Modulation
benutzt werden kann. Ein geeignetes Verfahren zur Änderung
der Filtergröße ist beschrieben
in T. Onizawa, et al., "A
simple adaptive channel estimation scheme for OFDM system", IEEE VTC 99, Seiten
279 bis 283.
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Die
Hauptvorteile des Lösungswegs
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind deshalb:
- – Die Möglichkeit, über einen breiten Bereich von Dopplerfrequenzen
und Kanalverzögerungsspreizungen
kohärente
Kanalschätzung
(und kohärente
Demodulation) zu benutzen, und
- – die
Möglichkeit,
Leistungssteuerung zu benutzen.