DE602004011936T2

DE602004011936T2 - Verfahren zum Übertragen von Daten mittels wenigstens einer durch ein Funksignal getragenen Pulssequenz

Info

Publication number: DE602004011936T2
Application number: DE602004011936T
Authority: DE
Inventors: Louis-Marie Mitsubishi Electric ITE Aubert; Stephane Mitsubishi Electric ITE Paquelet
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Information Technology Corp; Mitsubishi Electric Information Technology Center Europe BV Nederlands
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Information Technology Corp; Mitsubishi Electric R&D Centre Europe BV Netherlands
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: DE602004011936D1; ATE387037T1; CN1750417B; US7613255B2; EP1635477B1; JP2006087104A; CN1750417A; EP1635477A1; US20060056504A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten mittels wenigstens einer durch ein Funksignal getragenen Pulssequenz, welches Verfahren wenigstens einen am Empfängerende auszuführenden Symboldecodierschritt enthält, in dessen Verlauf ein Leistungswert, der ein Ausmaß an durch die Pulssequenz getragener Leistung darstellt, erzeugt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird.
Solche Telekommunikationssysteme werden gegenwärtig mit dem Ziel studiert, die Relevanz von so genannten Ultrabreitband-Übertragungstechniken (die im Folgenden jeweils UWB-Systeme und -Techniken genannt werden) zu beurteilen. In einem solchen System kann jeder Sender durch eine Signatur identifiziert werden, die durch Chip-Nummern ausgebildet ist, die jeweilige Positionen der Pulse innerhalb zugehöriger Zeitfenster identifizieren, welche Signatur in sich selbst sehr starr ist und somit zuverlässig und genau zu allen potentiellen Empfängern kommuniziert werden kann.
Die in UWB-Systemen verwendeten Pulse sind sehr kurz und haben beispielsweise eine Dauer, die niedriger als 1 Nanosekunde ist, was solchen Systemen Bandbreiten bietet, die wenigstens so groß wie 7,5 Gigahertz sind, was eine hohe Flexibilität und somit zahlreiche mögliche Anwendungen für solche Systeme mit sich bringt.
Eine Pulssequenz, wie sie oben beschrieben ist, kann ein Trägersignal ausbilden, auf welchem Information durch eine Modulation des Trägersignals codiert werden kann. Die Erfinder haben beobachtet, dass es aufgrund der Kürze der beteiligten Pulse schwierig sein kann, eine genaue Synchronisation mit einer gegebenen Pulssequenz am Empfängerende durchzuführen, so dass das ausgewählte Modulationsschema vorzugsweise so wenig zeitbezogene Parameter wie möglich enthalten sollte, um kosteneffizient zu sein. Die Erfinder haben somit ein Modulationsschema ausgewählt, gemäß welchem die durch Pulssequenzen getragene Information am Empfängerende wiedergewonnen werden kann, ohne die empfangenen Pulssequenzen in Bezug auf die Zeit genau abbilden zu müssen, welcher Zweck durch Multiplizieren jeder Pulssequenz mit einem Wert erreicht wird, der ein durch die Pulssequenz zu tragendes Symbol darstellt, so dass die durch gesendete Signale getragene Information demgemäß im Wesentlichen durch die durch diese Signale getragene Leistung dargestellt werden kann, welche Leistung auf die Amplitude der innerhalb eines solchen Signals enthaltenen Pulse bezogen ist.
Dies ist der Grund dafür, warum die Erfinder ausgewählt haben, den Symboldecodierschritt durch Vergleichen eines Leistungswerts, der ein Ausmaß an durch jede Pulssequenz getragener Leistung darstellt, mit wenigstens einem vorbestimmten Schwellenwert zu implementieren, was ermöglicht, eine Demodulation eines modulierten UWB-Symbols auf eine sehr unkomplizierte Weise zu erreichen.
Der Schwellenwert muss jedoch vorzugsweise durch Gleichsetzen einer ersten und einer zweiten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion im Voraus berechnet werden, die jeweils eine Wahrscheinlichkeit für das gesendete Signal, ein erstes Symbol zu tragen, und eine Wahrscheinlichkeit für das gesendete Signal, ein zweites Symbol zu tragen, darstellen. Tatsächlich haben die Erfinder, obwohl ein vorbestimmter Schwellenwert im Voraus definiert sein kann und beispielsweise auf 1/2 oder 3/4 eingestellt werden kann, wenn der Wert, der das durch irgendeine gegebene Pulssequenz zu tragende Symbol darstellt, unter ganz zahligen Werten 0 und 1 auszuwählen ist, beobachtet, dass solche festen Schwellen, die Kommunikationsbedingungen zwischen dem Sender und dem Empfänger nicht berücksichtigen, Decodierfehler erzeugen können. Die Erfinder haben somit ein Schwellenbildungsschema entwickelt, das durch Gleichsetzen von zwei Wahrscheinlichkeitsdichten ausgeführt wird, die jeweils Echtzeit-Kommunikationsbedingungen berücksichtigen, so dass weder eine Grauzone noch eine Überlagerung zwischen zwei interpretierenden Bedingungen existieren wird.
Die Berechnung eines geeigneten Schwellenwerts enthält somit eine Kenntnis der Kommunikationsbedingungen, die die Übertragung der empfangenen Pulssequenz beeinflusst haben, in Bezug darauf, mit welchem Leistungswert der Schwellenwert verglichen werden wird.
Die Erfindung stellt ein Berechnungsschema und eine Berechnungseinrichtung zum Schätzen von Parametern, die solche Echtzeit-Kommunikationsbedingungen darstellen, auf kosteneffektive Weise zur Verfügung.
Ein Verfahren, wie es im einleitenden Absatz beschrieben ist, enthält weiterhin einen ersten Parameter, der Rauschen darstellt, das die Übertragung des Funksignals beeinflusst, und wenigstens eine Schätzung eines zweiten Parameters, der ein Ausmaß an Leistung darstellt, die durch jede Pulssequenz bei der Abwesenheit von Rauschen getragen werden würde, wird vor einer Bestimmung des vorbestimmten Schwellenwerts durchgeführt.
Wie es hier nachfolgend erklärt werden wird, haben die Erfinder herausgefunden, dass die Kenntnis von geschätzten Werten des ersten und des zweiten Parameters, wie sie oben definiert sind, zum Zulassen einer Berechnung eines Schwellenwerts ausreichend ist, der optimal an die Kommunikationsbedingungen angepasst ist, welchen irgendeine gegebene Pulssequenz ausgesetzt sein wird.
Der erste und der zweite Parameter können als unkorreliert oder, gegensätzlich dazu, als voneinander abhängig angesehen werden. Bei der Erfindung wird ein geschätzter Wert des ersten Parameters zum Durchführen der Schätzung des zweiten Parameters verwendet.
Diese Erfindung wird zulassen, während der Berechnung des zweiten Parameters Ergebnisse von Berechnungen wiederzuverwenden, die bereits zum Erhalten des ersten Parameters ausgeführt sind, was zulässt, Berechnungsbetriebsmittel einzusparen.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren, wie es hierin zuvor beschrieben ist, weiterhin folgendes enthalten:

– einen Referenz-Übertragungsschritt, in dessen Verlauf ein Frame von Referenz-Pulssequenzen mittels des Funksignals übertragen wird,
– eine Vielzahl von Symboldecodierschritten, die jeweils einen Leistungswert erzeugen sollen, der auf eine der Pulssequenzen bezogen ist, die in dem Referenz-Frame enthalten sind, und
– einen Anfangsparameter-Schätzschritt, in dessen Verlauf geschätzte Werte des ersten und des zweiten Parameters auf der Basis von Leistungswerten berechnet werden, die auf Pulssequenzen bezogen sind, die in dem Referenz-Frame enthalten sind, und einer vorherigen Kenntnis der durch die Referenz-Pulssequenzen getragenen Daten, welche vorherige Kenntnis im Voraus beim Empfängerende gemerkt worden ist.

Das vorteilhafte Ausführungsbeispiel der Erfindung erfordert nur eine Übertragung eines Frames von Referenz-Pulssequenzen zum Zulassen einer Decodierung von allen folgenden Datenframes. Ein Referenz-Datenframe, von welchem die darauf folgenden Referenz-Pulssequenzen Repräsentanten sein sollen, wird vorzugsweise durch eine Programmierung eines Nurlesespeichers während der Herstellung des Endgeräts innerhalb jedes Endgeräts gemerkt, das in einem UWB-Telekommunikationssystem gemäß der Erfindung verwendet werden soll.
Die geschätzten Werte des ersten und des zweiten Parameters können einmal und für alle für irgendeine gegebene Kommunikation nach einer Analyse von allen empfangenen Referenz-Pulssequenzen berechnet werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung lässt jedoch eine dynamische Einstellung der geschätzten Werte zu, was ermöglichen wird, Änderungen bezüglich der Kommunikationsbedingungen, die eine Datenübertragung beeinflussen, während einer laufenden Kommunikation zu berücksichtigen. Um eine solche dynamische Einstellung zu erreichen, wird ein Verfahren, wie es hierin zuvor beschrieben ist, weiterhin wenigstens einen Parameter-Abstimmschritt zum Aktualisieren von zuvor berechneten geschätzten Werten des ersten und des zweiten Parameters auf der Basis von wenigstens einem neuen Leistungswert enthalten, der nach einer Berechnung der vorherigen geschätzten Werte erzeugt ist.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel des Symboldecodierschritts kann der Schwellenwert durch ein Polynom einer Variablen M^1/2 definiert werden, wobei M durch M = (2·B·Ns·Ti + 1)/2 definiert ist, wobei Ns die Anzahl von in einer einzelnen Pulssequenz enthaltenen Pulsen ist, wobei B eine Bandbreite der Pulssequenz ist, für welche der Schwellenwert berechnet wird, und wobei Ti eine Zeitdauer ist, über welche eine Integration von jedem Puls, der zu der Pulssequenz gehört, durchgeführt wird, um den Leistungswert in Bezug auf die Pulssequenz zu erzeugen.
Wie es hierin nachfolgend erklärt werden wird, wird das Polynom, das den Schwellenwert definiert, vorzugsweise auf die zweite Ordnung beschränkt sein, um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen einer Berechnungskomplexität und einer Decodiereffizienz zu erreichen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Koeffizient erster Ordnung des Polynoms, das den Schwellenwert definiert, durch eine Ordinate einer Kurve gegeben, deren Abszisse durch ein Verhältnis zwischen dem zweiten und dem ersten geschätzten Wert in Bezug auf die Übertragung der relevanten Pulssequenzen ausgebildet ist.
Die Modulation der durch Ausführen eines solchen Symboldecodierschritts zu demodulierenden UWB-Signale kann aus verschiedenen Modulationsschemen resultieren.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein Verfahren, wie es hierin zuvor beschrieben ist, weiterhin wenigstens einen Symbolcodierschritt, um vor einer Übertragung der Pulssequenz ausgeführt zu werden, in dessen Verlauf jede Pulssequenz mit einem ganzzahligen Wert multipliziert wird, der ein durch die Pulssequenz zu tragendes Symbol darstellt.
Mittels dieses Modulationsschemas wird die durch in Ultrabreitband-Telekommunikationssystemen gemäß der Erfindung übertragene Signale getragene Information im Wesentlichen auf die durch diese Signale getragene Leistung bezogen sein, welche Leistung auf die Amplitude der innerhalb eines solchen Signals enthaltenen Pulse bezogen ist. Ein solches Modulationsschema ist einfach zu implementieren, was wiederum ermöglicht, geeignete Sender mit relativ niedrigen Kosten herzustellen.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist jedes zu sendende Signal durch eine Überlagerung einer vorbestimmten Anzahl von Pulssequenzen gebildet, wobei jede Pulssequenz einem Symbolcodierschritt unterzogen worden ist und einem von mehreren Unterbändern entspricht, in welche zuvor eine gesamte für eine Übertragung verfügbare Bandbreite aufgeteilt worden ist.
Diese Variante der Erfindung ermöglicht, gleichzeitig mehrere Symbole durch denselben Kommunikationskanal zu übertragen und somit den Durchsatz eines Telekommunikationssystems, bei welchem eine solche Variante der Erfindung verkörpert ist, signifikant zu erhöhen.
Gemäß einem ihrer hardwareorientierten Aspekte betrifft die Erfindung auch ein Telekommunikationssystem, wie es im Anspruch 9 beschrieben ist, und eine Vorrichtung, wie sie im Anspruch 10 beschrieben ist.
Die oben angegebenen Charakteristiken der oben angegebenen Erfindung, sowie andere, werden bei einem Lesen der folgenden Beschreibung klarer werden, die in Bezug auf die beigefügten Figuren angegeben ist, unter welchen:
1 ein Funktionsdiagramm ist, das ein Telekommunikationssystem zeigt, in welchem die Erfindung verwendet wird;
2 ein Chronogramm ist, das eine Pulssequenz zeigt, die ein in einem solchen Telekommunikationssystem übertragenes Trägersignal bildet;
3 ein Chronogramm ist, das ein Pulsmodell zeigt, das zum Erzeugen einer solchen Sequenz verwendet werden kann;
4 ein Chronogramm ist, das einen Datenframe zeigt, der eine Vielzahl von Pulssequenzen enthält;
5 ein Blockdiagramm ist, das eine Symboldecodiereinrichtung zeigt, die in einem Empfänger enthalten ist, in welchem eine Variante der Erfindung verkörpert ist;
6 ein Diagramm ist, das zeigt, wie ein Schwellenwert gemäß der Erfindung berechnet werden kann;
7 ein Diagramm ist, das eine Funktion in Tabellenform zeigt, die gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Berechnen eines solchen Schwellenwerts verwendet werden kann; und
8 ein Blockdiagramm ist, das eine Parameter-Schätzeinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
1 zeigt ein Telekommunikationssystem SYST, in welchem die vorliegende Erfindung verkörpert ist. Das System SYST enthält wenigstens einen Sender TRD und einen Empfänger RCD, die beispielsweise beide durch Vorrichtungen, wie beispielsweise Mobilfunktelefone, gebildet sein können. Der Sender TRD soll ein Signal Tsg senden, das durch wenigstens eine Sequenz von Ns Pulsen pj (für j = 1 bis Ns) über Ns Zeitfenster ausgebildet ist, wobei jeder Puls innerhalb eines Zeitchips eingeschlossen ist, dessen Position innerhalb seines relevanten Zeitfensters durch eine Chipnummer cf (für j = 1 bis Ns) definiert ist. Die Anzahl Ns von Pulsen, die in dieser Sequenz enthalten sind, kann beispielsweise gleich 128 ausgewählt werden, während die Breite jedes Zeitfensters gleich 100 Nanosekunden mit einer Breite von 1 Nanosekunde für jeden Zeitchip ausgewählt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der Sender TRD eine Symbolcodiereinrichtung ENC, die jede Pulssequenz mit einem ganzzahligen Wert multiplizieren soll, der ein durch die Pulssequenz zu tragendes Symbol darstellt.
Die durch das gesendete Signal Tsg getragene Information wird somit im Wesentlichen auf die durch dieses Signal Tsg getragene Leistung bezogen sein, welche Leistung auf die Amplitude der innerhalb des Signals Tsg enthaltenen Pulse bezogen ist. Diese Information kann dann durch den Empfänger RCD wiedergewonnen werden, ohne dass der Empfänger RCD die empfangenen Pulssequenzen in Bezug auf die Zeit genau abbilden muss.
Dafür enthält der Empfänger RCD eine Symboldecodiereinrichtung DEC, die wenigstens einen Leistungswert berechnen soll, der ein Ausmaß an durch jede Pulssequenz getragener Leistung darstellt, und den Leistungswert mit wenigstens einem vorbestimmten Schwellenwert vergleichen soll. Wie es hierin nachfolgend erklärt werden wird, wird das Ergebnis eines solchen Vergleichs automatisch auf den demodulierten Wert des ursprünglich innerhalb des gesendeten Signals Tsg durch die Symbolcodiereinrichtung ENC codierten Symbols zeigen.
2 zeigt ein solches gesendetes Signal Tsg in Form eines Chronogramms, gemäß welchem jede Pulssequenz eine Gesamtdauer Ts hat, die in Zeitfenstern mit einer jeweiligen Dauer Tf aufgeteilt ist, wobei jedes Zeifenster in Zeitchips Tc unterteilt ist, wobei ein einzelner Zeitchip innerhalb jedes Fensters einen Puls Pj (für j = 1 bis Ns) einschließen soll, welcher einzelne Zeitchip mittels einer Chipnummer cj identifiziert ist. Der Sender dieses gesendeten Signals Tsg wird somit durch eine Signatur Sg = (c1, c2,... cNs) identifiziert werden, die gemeinsam durch alle oben angegebenen Chipnummern cj (für j = 1 bis Ns) ausgebildet ist, welche Signatur Sg in sich selbst sehr starr ist und somit zuverlässig und genau zu allen potentiellen Empfängern kommuniziert werden kann.
Gemäß der Erfindung ist jeder Puls pj (für j = 1 bis Ns), der zu der in diesem Bild gezeigten Pulssequenz gehört, mit demselben ganzzahligen Wert Vi mul tipliziert worden, der ein durch die Pulssequenz zu tragendes Symbol darstellt, und zwar in der Form der durch diese Sequenz getragenen Leistung, wobei das Zeichen "i" ein Bezugszeichen anzeigt, das der betrachteten Pulssequenz zugeteilt ist.
Weiterhin werden die Pulse pj (für j = 1 bis Ns) mit Werten αj multipliziert, die auf zufällige Weise gleich +1 oder –1 im Verlauf des Symbolcodierschritts ausgewählt werden, so dass der zweite Puls p2 bei dem hier gezeigten Beispiel negativ ist.
Eine solche zufällige Verteilung von positiven und negativen Pulsen, welche die durch die Pulse getragene Information nicht beeinflusst, weil die Information auf eine Quadratform der Pulse bezogen ist, lässt zu, ein Erscheinen von Spitzen hoher Amplitude im Spektralbereich zu verhindern, welche Spitzen mit einem Gerät interferieren könnten, das nicht im Telekommunikationssystem enthalten ist. Eine solche Frequenzinterferenz sollte als Regel beschränkt werden, und sie ist durch eine Vorschrift der Europäischen Kommission 83/336 CEE sowie durch eine Regelung der Bundeskommunikationskommission der USA als Ziel angegeben.
Alle Pulse pj (für j = 1 bis Ns) der hier gezeigten Pulssequenz können zusätzlich im Verlauf des Symbolcodierschritts einer zeitlichen Schwankung bzw. einem Zeit-Jitter dti unterzogen werden.
Dieser Zeit-Jitter, der durch eine Zeitverzögerungseinrichtung eingeführt wird, wird in Bezug auf eine durch einen Kommunikationskanal, durch welchen das modulierte Signal gesendet werden wird, induzierte Verzögerungsspreizung klein gehalten werden. Die Verzögerungsspreizung kann beispielsweise einen Wert von 100 Nanosekunden haben. Ein solcher Zeit-Jitter wird die durch eine jeweilige Pulssequenz getragene Information nicht beeinflussen und fügt hauptsächlich dem Modulationsschema gemäß der Erfindung ein optionales Maß an Flexibilität hinzu.
Das gesendete Signal Tsg kann somit in der folgenden Form ausgedrückt werden:
Bei der vorliegenden Anmeldung wird die durch das gesendete Signal Tsg zu tragende Information von einer binären Art sein, so dass der ganzzahlige Wert Vi, der ein durch die Pulssequenz zu tragendes Bit darstellt, entweder gleich 1 oder gleich 0 sein wird.
3 ist ein weiteres Chronogramm, das eine mögliche Form p(t) zeigt, die zum Bilden der oben angegebenen Pulse ausgewählt werden kann. Pulse pj(t) (für j = 1 bis Ns) derselben Sequenz können unterschiedliche Formen haben, vorausgesetzt, dass sie alle eine im Wesentlichen selbe Breite haben und eine selbe Menge an Energie tragen. Alle Pulse pj(t) (für j = 1 bis Ns), die zu derselben Sequenz gehören, können jedoch eine selbe Form haben, wie beispielsweise die hier gezeigte Form p(t), die als Ableitung der zweiten Ordnung einer Gaußfunktion definiert ist, welche mathematisch ausgedrückt werden kann als: p(t) = A·[1 – 4π(t/Tw)2]·exp(–2π(t/Tw)2).
Andere Pulsformen, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, können natürlich für denselben Zweck verwendet werden.
4 ist noch ein weiteres Chronogramm, das einen Datenframe DF zeigt, der durch aufeinander folgende Pulssequenzen, wie beispielsweise diejenige, die oben beschrieben ist, ausgebildet ist, wobei jeder eine Gesamtdauer Ts hat, wobei ein Schutzintervall Gl periodisch zwischen zwei solchen Sequenzen eingefügt ist, um eine Abänderung einer gegebenen Sequenz durch eine folgende zu verhindern, welche Abänderungen beispielsweise durch Intermodulationsprodukte zwischen den Pulssequenzen verursacht werden könnten. Dieser Datenframe DF ist somit durch aufeinander folgende Frames mit jeweils einer Dauer Tr gebildet, wobei Tr = Ts + Gl gilt, und mit jeweils einer Pulssequenz, wie sie oben beschrieben ist.
Eine Vorrichtung, die einen solchen Datenframe DF empfangen soll, muss somit nur dazu fähig sein, Größen zu messen, die die aufeinander folgenden Ausmaße an durch die aufeinander folgenden Pulssequenzen getragener Leistung zu messen, um den Informationsgehalt des Datenframes DF zu identifizieren, ohne die empfangenen Impulssequenzen in Bezug auf die Zeit genau abzubilden.
5 zeigt eine Symboldecodiereinrichtung DEC, die in einem Empfänger gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten ist, bei welchem Ausführungsbeispiel das gesendete Signal Tsg ein zusammengesetztes Signal ist, das eine Kombination aus K Pulssequenzen, wie sie hierin zuvor beschrieben sind, enthält, wobei jede Pulssequenz somit am Sendeende einem Symbolcodierschritt unterzogen worden ist. Dieser Empfänger enthält eine Antennenvorrichtung ANT, die ein solches zusammengesetztes Signal Tsg empfangen soll. Die Decodiereinrichtung DEC enthält eine Anordnung von K Bandpassfiltern PBFk (für k = 1 bis K), die K Unterbänder voneinander trennen sollen, in welche eine gesamte Bandbreite, die zum Senden des zusammengesetzten Signals Tsg verwendet wird, aufgeteilt worden ist, um K unterschiedliche Pulssequenzen zu definieren, die jeweils ein spezifisches Symbol tragen sollen.
Diese Variante der Erfindung ermöglicht, gleichzeitig mehrere Symbole durch denselben Kommunikationskanal zu senden und somit den Durchsatz eines Telekommunikationssystems, in welchem eine solche Variante der Erfindung verkörpert ist, signifikant zu erhöhen.
Bei einem solchen Ausführungsbeispiel wird jede Pulssequenz entsprechend einem gegebenen Unterband eines Rangs k (mit k = 1 bis K) ausgedrückt werden als:
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Symboldecodiereinrichtung DEC eine Anordnung von K Quadratbildungsmodulen SQMK (mit k = 1 bis K), von welchen jedes mit einem der Bandpassfilter BPFk verbunden ist und eine Pulssequenz Tsgk (mit k = 1 bis K) empfangen und ein durch ein Quadrat des Signals Tsgk gebildetes Signal Sqsk liefern soll.
Die Symboldecodiereinrichtung DEC enthält weiterhin eine Anordnung von K Integrationsmodulen INTk (mit k = 1 bis K), von welchen jedes mit einem der Quadratbildungsmodule SQMk verbunden ist und einen Leistungswert Pwk, der ein Ausmaß an durch die entsprechende Pulssequenz Tsgk getragener Leistung darstellt, liefern soll. Ein solcher Leistungswert Pwk kann beispielsweise als das Integral über die Dauer der Kanalverzögerung des durch das zugehörige Quadratbildungsmodul SQMk gelieferten Quadratsignals Sqsk berechnet werden.
Die Symboldecodiereinrichtung DEC enthält auch eine Anordnung von K Vergleichsmodulen CMPMk (mit k = 1 bis K), von welchen jedes mit einem der Integrationsmodule INTk verbunden ist und den durch das Integrationsmodul INTk zu liefernden Leistungswert Pwk mit einem vorbestimmten Schwellenwert Thvk vergleichen soll, der unterschiedlich von einem Vergleichsmodul zu einem anderen sein kann.
Das durch eine gegebene Pulssequenz Tsgk getragene Symbol wird somit auf eine sehr unkomplizierte Weise gemäß einem einfachen Decodiergitter identifiziert werden, das wie folgt ausgedrückt werden kann:

– Wenn Pwk < Thvk, dann ist das durch die Pulssequenz Tsgk getragene Symbol S0; und
– Wenn Thvk < Pwk, dann ist das durch die Pulssequenz Tsgk getragene Symbol S1.

Jedes Quadratbildungsmodul SQMk kann durch eine Gilbertzelle ausgebildet sein, der identische Eingangssignale zugeführt werden. Jedes Integrationsmodul INTk kann durch einen Operationsverstärker ausgebildet sein, der mit einer RC-Rückkopplung versehen ist. Jedes Vergleichsmodul CMPMk kann durch einen Operationsverstärker ausgebildet sein, der einen gegebenen Leistungswert Pwk und den diesem Vergleichsmodul CMPMk zugeordneten vorbestimmten Schwellenwert Thvk empfangen soll. Die Symboldecodiereinrichtung DEC kann somit durch durch standardmäßige Analogschaltungen ausgebildet sein, welche Analogschaltungen für ihre Ruheverarbeitungsgeschwindigkeit bekannt sind und keinerlei Abtastung erfordern, was entgegengesetzt zu digitalen Lösungen ist, was ermöglichen wird, die Verarbeitungsleistung und die zum Durchführen eines Signal-Decodierschritts gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erforderliche Zeit weiter zu reduzieren.
Jeder vorbestimmte Schwellenwert könnte im Voraus definiert und beispielsweise auf 1/2 oder 3/4 eingestellt werden, wenn Vki unter ganzzahligen Werten 0 und 1 auszuwählen ist. Die Erfinder haben jedoch beobachtet, dass solche festen Schwellen, die Kommunikationsbedingungen zwischen dem Sender und dem Empfänger nicht berücksichtigen, Decodierfehler erzeugen können. Die Erfinder haben somit ein Schwellenbildungsschema basierend auf einem Gleichsetzen von zwei Wahrscheinlichkeitsdichten entwickelt, die jeweils Echtzeit-Kommunikationsbedingungen berücksichtigen, so dass weder eine Grauzone noch eine Überlagerung zwischen zwei interpretierenden Bedingungen existieren wird.
Einige Ausdrücke von ersten und zweiten Wahrscheinlichkeitsdichten können aus existierendem Stand der Technik auf dem Gebiet der Mathematik, die auf Optik angewendet wird, abgeleitet werden. Die Erfinder haben spezifischer Wahrscheinlichkeitsdichten vereinzelt, die sich durch eine so genannte "Chi-Quadrat"-Theorie ergaben, was dann, wenn es durch die Erfinder auf das Gebiet einer UWB-Übertragung angewendet wird, die folgenden Ausdrücke für eine erste Wahrscheinlichkeitsdichte p0, die eine Wahrscheinlichkeit für das gesendete Signal, einen Wert Vki gleich 0 zu tragen, und eine zweite Wahrscheinlichkeitsdichte p1, die eine Wahrscheinlichkeit für das gesendete Signal darstellt, einen Wert Vki gleich 1 zu tragen, ergibt:
wobei Γ die Eulerfunktion bezeichnet und Ij die j-te Besselfunktion der ersten Art, wobei N ein erster Parameter ist, der eine Rauschintensität darstellt, die die Übertragung des Signals nachteilig beeinflusst, wobei E ein zweiter Parameter ist, der ein Ausmaß an Leistung darstellt, die durch eine Pulssequenz frei von allem Rauschen getragen werden würde, und wobei M durch M = (2·B·Ns·Ti + 1)/2 definiert ist, wobei G eine Bandbreite der Pulssequenz ist, für welche der Schwellenwert berechnet wird.
6 stellt das Gleichsetzen von p0 = p1 der in dem obigen Gleichungssystem definierten Wahrscheinlichkeitsdichten dar, wofür ein Schwellenwert Thvk eine optimale Lösung liefern wird, oder, in Abhängigkeit von dem zum Implementieren der Erfindung ausgewählten Ausführungsbeispiel, eine Näherungslösung.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Schwellenwert durch ein Polynom einer Variablen M^1/2 definiert, welches eine Näherung der Lösung des obigen Gleichungssystems ist und ermöglicht, die Berechnung einer optimalen Lösung für das System zu vermeiden. Dieses Polynom wird vorzugsweise auf die zweite Ordnung beschränkt sein, um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen einer Berechnungskomplexität und einer Decodiereffizienz zu erreichen und kann ausgedrückt werden als:
Diese Formel ist durch die Erfinder derart vereinzelt worden, dass sie die besten Ergebnisse in Bezug auf Berechnungskosten in Bezug auf eine Decodiergenauigkeit liefert.
Dieser Ausdruck ist durch die Erfinder aus dem oben angegebenen Gleichungssystem durch Verwenden von K·x^–1/2·exp(x) als asymptotisches Äquivalent von I_M-1(x) für einen festen positiven Wert von K und einen großen Wert von x abgeleitet worden. Der in der Variablen erster Ordnung des Polynoms von M^1/2 enthaltene Ausdruck –1 stammt von den mathematischen Manipulationen des oben beschriebenen Gleichungssystems und kann bei anderen suboptimalen Ausführungsbeispielen der Erfindung entbehrt werden. Dieser Ausdruck ermöglicht eine relativ einfache dynamische Aktualisierung des vorbestimmten Schwellenwerts, was zulassen wird, mögliche Variationen von Kommunikationsbedingungen zu berücksichtigen, die durch Variationen der Werte von M und L ausgedrückt sind.
Gemäß dem oben beschriebenen Beispiel ist der Wert erster Ordnung des Polynoms, das den Schwellenwert Thvk definiert, d. h. der Koeffizient vor dem Ausdruck (M – 1)^1/2, durch eine Ordinate einer Tabellenformkurve gegeben, deren Abszisse durch ein Energieverhältnis zwischen dem zweiten und dem ersten Parameter L = E/N in Bezug auf die Übertragung der relevanten Pulssequenz ausgebildet ist, welche Kurve in 7 gezeigt ist.
Die Berechnung des optimalen Schwellenwerts, die durch das oben beschriebene Schema definiert ist, enthält somit eine frühere Kenntnis des ersten und des zweiten Parameters N und E, welche die Kommunikationsbedingungen darstellen, die die Übertragung der empfangenen Pulssequenz beeinflusst haben, und zwar in Bezug darauf, welcher Leistungswert mit dem Schwellenwert verglichen werden wird.
Das bislang beschriebene System ist in Pagvelet, et al. "An Impulse Radio Asynchronous Transceiver for High Data Rates", Joint UWBST & IWUWBS, May 18–21, 2004, IEEE offenbart.
8 zeigt, wie geschätzte Werte Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters N und E berechnet werden können, um eine Bestimmung eines optimalen Schwellenwerts Thvk zuzulassen, mit welchem ein durch ein Integrationsmodul INKk (mit k = 1 bis K), wie es oben beschrieben ist, gelieferter Leistungswert PWk durch ein Vergleichsmodul CMPMk zu vergleichen ist.
Während einer ersten Stufe werden aufeinander folgende Leistungswerte PWk Daten darstellen, die aufeinander folgend in einem Frame von Referenz-Pulssequenzen codiert sind, die Referenz-Daten RD darstellen, die zu einem zuvor innerhalb der Empfangsvorrichtung, bei diesem Beispiel innerhalb eines Nurlesespeichers ROM, gespeicherten Referenz-Frame gehören. Eine Vielzahl von Symboldecodierschritten wird somit aufeinander folgende Leistungswerte PWk erzeugen, die jeweils zu einer der in dem Referenz-Frame enthaltenen Pulssequenzen bezogen sind.
Ein Anfangsparameterschätzschritt wird dann geschätzte Werte Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters auf der Basis der aufeinander folgenden Leistungswerte Pwk und der früheren Kenntnis der Struktur des Referenz-Frames erzeugen.
Wenn beispielsweise der Referenz-Datenframe eine ganze Zahl L0 von Bits mit einem Wert "S0" enthält, der gemäß einem Ein/Aus-Tastungsschema durch eine Abwesenheit von Pulsen codiert ist, und eine Zahl L1 von Bits mit einem Wert "S1", der gemäß dem Ein/Aus-Tastenschema durch ein Vorhandensein von Pulsen codiert ist, können geschätzte Werte Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters N und E ausgedrückt werden als:
wobei jedes DPkl (für l = 1 bis L0 + L1) einer von aufeinander folgenden Leistungswerten ist, die durch das Integrationsmodul INTMk über einen Analog/Digital-Wandler ADC geliefert sind, in Bezug zu einer der durch die Vorrichtung, in welcher die Erfindung verkörpert ist, empfangenen Referenz-Pulssequenzen.
Die Berechnung der geschätzten Werte Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters N und E gemäß den obigen Ausdrücken wird durch eine Parameterschätzeinrichtung PEMk durchgeführt, wobei die geschätzten Werte Nek und Eek dann zu einer Schwellenberechnungseinrichtung TCMk geliefert werden, die den Schwellenwert Thvk durch Anwenden der oben beschriebenen Formel erzeugen soll:
Dieses vorteilhafte Ausführungsbeispiel der Erfindung erfordert somit nur eine Übertragung eines einzigen Frames von Referenz-Pulssequenzen zum Zulassen eines Decodierens aller folgenden Datenframes.
Die geschätzten Werte Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters N und E können einmal und für alle für die gesamte Dauer einer Kommunikation nach der Analyse der empfangenen Referenz-Pulssequenzen in Fällen berechnet werden, in welchen der Rauschpegel während derselben Kommunikation als konstant angesehen werden kann, da er im Wesentlichen von der Temperatur abhängt. Das hier gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung lässt jedoch eine dynamische Einstellung der geschätzten Werte Nek und Eek zu, was ermöglichen wird, Änderungen bezüglich der Kommunikationsbedingungen zu berücksichtigen, die eine Datenübertragung während einer andauernden Kommunikation beeinflussen. Um eine solche dynamische Einstellung zu erreichen, wird die Parameterschätzeinrichtung dazu fähig sein, wenigstens einen Parameterabstimmschritt zum Aktualisieren von zuvor berechneten geschätzten Werten Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters E und N auf der Basis von wenigstens einem neuen Leistungswert DPk durchzuführen, der nach einer Berechnung der vorherigen geschätzten Werte erzeugt ist.
Die Operation eines solchen Parameterabstimmschritts kann wie folgt beschrieben werden:
Wenn ein neuer Leistungswert DPk_l+1, der eine (l + 1)-te Abtastung bildet, einem Fall entspricht, in welchem ein zugehöriger Leistungswert PWK_l+1 gefunden worden ist, der niedriger als ein aktueller Schwellenwert Thvk_l+1 ist, was beispielsweise durch die Erzeugung eines Werts "0" für S1 und eines Werts "1" für SO durch das Vergleichsmodul CMPMk ausgedrückt werden kann, kann ein neuer geschätzter Wert Nek_l+1 aus dem vorherigen Wert Nek, mittels der folgenden Rekursivformel abgeleitet werden:
Da der Rauschpegel während derselben Kommunikation nahezu konstant bleibt, lässt die oben gegebene Rekursivformel zu, einen geschätzten Wert Nek des ersten Parameters N mit einem Fehler zu berechnen, der in Richtung zu Null tendiert, wenn die Anzahl I von Abtastungen sehr groß wird.
Wenn ein neuer Leistungswert DPk_l+1 einem Fall entspricht, in welchem ein zugehöriger Leistungswert PWk_l+1 gefunden worden ist, der höher als ein aktueller Schwellenwert Thvk_l+1 ist, was beispielsweise durch die Erzeugung eines Werts "1" für S1 und eines Werts "0" für SO durch das Vergleichsmodul CMPMk ausgedrückt werden kann, kann ein neuer geschätzter Wert Eek_l+1 aus einem vorherigen Wert Eek_l mittels der folgenden Rekursionsformel abgeleitet werden:
wobei N entweder durch einen konstanten geschätzten Wert gebildet sein wird, der während des anfänglichen Schätzschritts erzeugt ist, oder durch den aktuellen geschätzten Wert Nek_l.
Gemäß der oben angegebenen Rekursionsformel werden durch eine Abstimmung induzierte Änderungen, die dann durchgeführt wird, wenn I einen hohen Wert hat, d. h. nach zahlreichen Abtastungen, vernachlässigbar sein.
Die Erfinder schlagen somit eine weitere Rekursionsformel vor, in welcher die rekursive Verstärkung konstant ist, so dass jede neue Abtastung einen selben Abstimmeinfluss wie die vorherige haben wird:
wobei A ein vorbestimmter reeller Wert ist.
Diese Rekursionsformel ermöglicht, Variationen des Realwerts des zweiten Parameters E zu verfolgen, welche dann auftreten, wenn sich Ausbreitungsbedingungen als eine Folge einer Mobilität des Senders in Bezug auf den Empfänger, oder umgekehrt, ändern.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das oben beschriebene Abstimmen geschätzter Wert Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters N und E mittels eines Steuerschalters SWk selektiv verhindert werden, der die Zufuhr von irgendeinem neuen analogen Leistungswert PWk zu dem Analog/Digital-Wandler ADC verhindert und somit verhindert, dass die Parameterschätzeinrichtung PEMk neue Eingangswerte DPk empfängt.
Ein solcher Steuerschalter SWk wird durch ein durch ein Logiksteuermodul LCMk zugeführtes Steuersignal Cntk gesteuert werden. Der Schalter SWk kann beispielsweise geöffnet werden, nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer entsprechend einer vorbestimmten Anzahl von Pulsen eines Taktsignals Cks seit der Ausführung des Anfangsparameterschätzschritts verstrichen sein wird. Der Schalter SWk kann gemäß einer alternativen oder kumulativen Variante des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels auch geöffnet werden, wenn es scheint, dass die geschätzten Werte Nek und Eek des ersten und des zweiten Parameters N und E nahezu konstant bleiben, was eingerichtet werden kann, wenn aufeinander folgende Differenzen zwischen aufeinander folgenden geschätzten Werten niedriger als eine vorbestimmte Differenzschwelle bleiben.

Claims

Verfahren zum Empfangen von Daten, die mittels wenigstens einer durch ein Funksignal getragenen Pussequenz übertragen worden sind, welches Verfahren wenigstens einen auszuführenden Symboldecodierschritt enthält, wobei im Verlauf des Symboldecodierschritts ein Leistungswert (Pwk), der ein durch die Pulssequenz getragenes Ausmaß an Leistung darstellt, erzeugt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert (Thvk) verglichen wird, wobei das Verfahren einen Parameterschätzschritt enthält, in dessen Verlauf wenigstens eine Schätzung eines ersten Parameters (Nek), der Rauschen darstellt, das die Übertragung des Funksignals beeinflusst bzw. beeinträchtigt, und wenigstens eine Schätzung eines zweiten Paramters (Eek), der ein Ausmaß an Leistung darstellt, das beim Nichtvorhandensein von Rauschen durch jede Pulssequenz getragen werden würde, vor einer Bestimmung des vorbestimmten Schwellenwerts durchgeführt werden, und einen Schwellenbestimmungsschritt, in dessen Verlauf der an die Kommunikationsbedingungen optimal angepasste vorbestimmte Schwellenwert (Thvk) unter Verwendung des ersten (Nek) und des zweiten (Eek) Parameters berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schätzung des zweiten Paramters (Eek) unter Verwendung der wenigstens einen Schätzung des ersten Parrameters (Nek) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes enthält: – einen Referenz-Übertragungsschritt, in dessen Verlauf ein Frame von Referenz-Pussequenzen mittels des Funksignals übertragen wird, – eine Vielzahl von Symboldecodierschritten, die jeweils einen Leistungswert erzeugen sollen, der auf eine der Pulssequenzen bezogen ist, die in dem Referenz-Frame enthalten sind, und – einen Anfangsparamter-Schätzschritt, in dessen Verlauf geschätzte Werte des ersten (Nek) und des zweiten (Eek) Parameters auf der Basis von Leistungswerten, die auf Pussequenzen bezogen sind, die in dem Referenz-Frame enthalten sind, und von einem früheren Wissen über die durch die Referrenz-Pulssequenzen getragenen Daten, welches frühere Wissen im Voraus beim Empfänger gemerkt worden ist, berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin wenigstens einen Parameterabstimmschritt zum Aktualisieren zuvor berechneter geschätzter Werte des ersten und des zweiten Parameters auf der Basis von wenigstens einem nach einer Berechnung der zuvor geschätzten Werte erzeugten neuen Lesitungswert enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gemäß welchem der Schwellenert (Thvk) durch ein Polynom einer Variablen M^1/2definiert wird, wobei M durch M = (2·B·Ns·Ti + 1)/2 definiert ist, wobei B eine Bandbreite der Pulssequenz ist, für welche der Schwellenwert berechnet wird, und Ti eine Zeitdauer ist, über welche eine Integration jedes Pulses, der zu der Pulssequenz gehört, durchgeführt wird, um den auf die Pulssequenz bezogenen Leistungswert zu erzeugen
Verfahren nach Anspruch 4, gemäß welchem das Polynom, das den Schwellenwert definiert, auf die zweite Ordnung beschränkt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, gemäß welchem ein Koeffizient erster Ordnung des Polynoms, das den Schwellenwert (Thvk) definiert, durch eine Ordinate einer Kurve gegeben ist, deren Abszisse durch ein Verhältnis zwischen dem zweiten (Eek) und dem ersten (Nek) geschätzten Wert ausgebildet ist, die auf die Übertragung der relevanten Pulssequenz bezogen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das weiterhin wenigstens einen vor einer Übertragung der Pulssequenez auszuführenden Symbolcodierschritt enthält, wobei im Verlauf des Symbolcodierschritts jede Pulssequenz mit einem von zwei ganzzahligen Werten multipliziert wird, die ein durch die Pulssequenz zu tragendes Symbol darstellen.
Verfahren nach Anspruch 7, gemäß welchem jedes zu übertragende Signal durch eine Überlagerung einer vorbestimmten Anzahl von Pulssequenzen gebildet wird, wobei jede Pulssequenz einem Symbolcodierschritt unterzogen worden ist und einem von mehreren Unterbändern entspricht, in welche eine zur Übertragung verfügbare Bandbreite zuvor aufgeteilt worden ist.
Vorrichtung, die ein durch wenigstens eine Sequenz von Pulsen ausgebildetes Signal empfangen soll, wobei die Vorrichtung eine Symboldecodeiereinrichtung (DEC) zum Erzeugen eines Leistungswerts (Pwk), der einen durch die Pulssequenz getragenes Ausmaß an Leistung darstellt, und zum Vergleichen des Leistungswerts mit einem vorbestimmten Schwellenwert (Thvk) enthält, welche Vorrichtung weiterhin eine Parameterschätzeinrichtung (PEMk) zum Durchführen wenigstens einer Schätzung eines ersten Parameters (Nek), der Rauschen darstellt, das die Übertragung des Funksignals beeinflusst bzw. beeinträchtigt, und wenigstens einer Schätzung eines zweiten Parameters (Eek), der ein Ausmaß an Leistung darstellt, das beim Nichtvorhandensein von Rauschen durch jede Pulssequenz getragen werden würde, vor einer Bestimmug des vorbestimmten Schwellenwerts (Thvk) enthält, wobei der erste (Nek) und der zweite (Eek) Parameter zum Berechnen des an die Kommunikationsbedingungen optimal angepassten vorbestimmten Schwellenwerts (Thvk) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schätzung des zweiten Parameters (Eek) unter Verwendung der wenigstens einen Schätzung des ersten Paramters (Nek) durchgeführt wird.
Ultrabreitband-Telekommunikationssystem, das wenigstens einen Sender (TRD) und einen Empfänger (RCD) enthält, wobei der Sender (TRD) betreibbar ist, um ein durch wenigstens eine Pulssequenz ausgebildetes Signal zu senden, wobei der Empfänger (RCD) die Vorrichtung nach Anspruch 9 enthält.