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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der OFDM-Mobilkommunikation und konkret
ein Rückkopplungsverfahren
und eine Vorrichtung zur Kanalschätzung auf der Basis einer PN-Sequenz
und einer Pilotfrequenz in einem OFDM-System wie beispielsweise
dem Super-3G-System.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
OFDM-Modulationstechnik mit Merkmalen einer hochfrequenten Spektrum-Auslastungsrate
und Anti-Mehrpfad wird als eine kritische Technologie für zukünftige Mobilkommunikationssysteme
betrachtet. Das mehrstufige Modulationsschema mit Verwendung nicht-kontinuierlicher
Amplituden verleiht dem OFDM-System eine hohe Geschwindigkeit und
eine hohe Auslastung des Frequenzspektrums und es bewirkt gleichzeitig, dass
das OFDM-System
eine Schätzung
und Protokollierung der Parameter zur Kanaldämpfung zur Durchführung der
entsprechenden Demodulation erfordert.
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Die
Kanalschätzung
wird zur Durchführung
einer Interpolierungsfunktion verwendet. Derzeit gibt es zahlreiche
Interpolierungsverfahren zur Kanalumwandlung wie beispielsweise
die lineare Interpolierung, die Interpolierung zweiter Ordnung,
die Umwandlungs-Domain-Interpolierung, die Zeit-Domain-Interpolierung
und ähnliche;
Details hierzu finden Sie in „Channel
Estimation of OFDM System Based an Comb-like Pilot Frequency Arrangement
in Frequency Selective Attenuating Channel" (Kanalschätzung von OFDM-Systemen auf
der Basis kammähnlicher
Pilotfrequenzanordnungen in Frequenzauswahl-Dämpfungskanälen) [2] von M. Hsieh und C.
Wei in User Electronics, Electric and Electronic Engineer Association
Conference, Vol. 44, 1. Februar 1998, und in „Channel Estimation Technology
Based an Pilot Frequency Arrangement in OFDM System" (Kanalschätzungs-Technologie
auf der Basis der Pilotfrequenzanordnung in OFDM-Systemen) von Sinem
Coleri und Mustafa Ergen in Broadcast, S. 223–229, Vol. 48, 3. September
2002. Das Verfahren zur Umwandlungs-Domain-Interpolierung und die
Technologie der Time-Domain-Interpolierung
werden nachfolgend kurz erläutert.
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Das
Umwandlungs-Domain-Interpolierungsverfahren umfasst die folgenden
Schritte: (1) Umwandlung einer Kanalschätzung in eine Umwandlungs-Domain;
Berechnung einer Pilotfrequenz-Kanalschätzung auf
der Basis von Pilotfrequenzsymbolen mithilfe eines Verfahrens wie
beispielsweise des LS-Verfahrens („Least Square") oder des LMMSE-Verfahrens
(„Linear
Minimum Mean Square Error"),
und anschließend
Umwandlung einer digitalen Fourier-Transformation (DFT); anschließend Durchführung der
umgewandelten Datensequenz in Frequenz-Domains durch Einfügen von
Nullen und anschließende
Durchführung
von IDFT („Invertierte
Digitale Fourier-Transformation")
zum gleichzeitigen Abschließen
der Interpolierungsoperation.
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Das
Kanalschätzungsverfahren
[2] [3] unter Verwendung der Zeit-Domain-Interpolierungstechnologie ist
ein traditionelles Kanalschätzungsverfahren
auf der Basis der DFT-Interpolierung: Nachdem eine Kanalschätzung eines
Pilotfrequenz-Teilträgers über das
LS-Verfahren oder das LMMSE-Verfahren erhalten wurde, Umwandlung
der Kanalschätzung
in eine Zeit-Domain zum Erhalten einer Kanalimpulsantwort („Channel
Impulse Response",
CIR) durch die IDFT-Operation, Einfügen von Nullen im abschließenden Teil
der CIR, und anschließend
Rückumwandeln
in eine Frequenz-Domain durch die DFT-Operation.
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Die
Verfahren zum Umwandeln der Domains sind für Mehrpfadkanäle mit langer
Verzögerung
wie beispielsweise UMTS auf Kartentyp B oder COST207-Kanäle, wie
in 1 dargestellt, nicht geeignet.
Da in der Mitte der FDT-umgewandelten Sequenz Nullen eingefügt werden,
ist der nützliche
Abschnitt des DFT in zwei Teile unterteilt, und gleichzeitig wird
die Zuordnung dazwischen unterbrochen, was einen Schätzungsfehler
zur Folge hat. 1 zeigt die Simulation
im Fall von COST207.
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Auch
wenn das Verfahren zur Durchführung
der IDFT und das anschließende
Einfügen
von Nullen durch Verwendung der Zeit-Domain-Interpolierungstechnologie keine
Fehler im vergleichbaren Umwandlungsprozess bewirkt, kann ein solches
Verfahren Rauschen und Interferenzen nicht eliminieren. Wie in 2 gezeigt, wurde die Leistung der Kanalschätzung nicht
verbessert.
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Weitere
Ansätze
gemäß dem Stand
der Technik sind bekannt aus: „OFDM
System Channel Estimation Using Time-Domain Training Sequences for
Mobile Reception of digital Terrestrial Broadcasting" (OFDM-System-Kanalschätzung mithilfe
von Zeit-Domain-Einlernsequenzen
für den
Mobilempfang digitaler Broadcast-Übertragungen)
von Chen-Shen Yeh et al., IEEE Transactions an Broadcasting, Vol.
46, Nr. 3, September 2000, Seite 215–220, XP011006135.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile gemäß dem Stand
der Technik zu überwinden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung
gemäß Anspruch
8.
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Zur Überwindung
der Nachteile gemäß dem Stand
der Technik bietet diese Erfindung ein neues Kanalschätzungsverfahren
zur Durchführung
der Interpolierungsfunktion, die auf der PN-Sequenz und einem Pilotfrequenzsymbol
basiert und eine Rückkopplung
zur Verbesserung der Kanalschätzung
verwendet. Diese Erfindung eignet sich insbesondere für das OFDM-System
bei Mehrpfadumgebungen mit hoher Geschwindigkeit und langer Verzögerung.
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Die
technische Lösung
wird umgesetzt durch Bereitstellung eines Kanalschätzungsverfahrens
mit Verbesserung durch Rückkopplung
auf der Basis einer PN-Sequenz und einer Pilotfrequenz in einem
mobilen OFDM-Kommunikationssystem, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte umfasst:
- a. Erhalten einer Kanalimpulsantwort
einer Pseudo-Zufallssequenz (PN) eines empfangenen Signals;
- b. Erhalten einer Kanalschätzung
des Pilotfrequenz-Symbols; und
- c. Kombinieren der Ergebnisse aus Schritt a und Schritt b mit
einer Kanalschätzung
eines vorherigen OFDM-Symbols zum Erhalten einer Impulskanalschätzung dieses
OFDM-Symbols.
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Hierbei
ist vor Schritt a ein Schritt zum Extrahieren der PN-Sequenz des empfangenen
Signals nach seiner Synchronisation enthalten. Die Kanalimpulsantwort
der PN-Sequenz kann über
folgende Gleichung erhalten werden:
wobei
in Schritt b die Kanalschätzung
für das
Pilotfrequenzsymbol über
ein LS-Verfahren („Least
Square", kleinstes
Quadrat) oder über
ein MMSE-Verfahren („Minimum
Mean Square Error",
kleinster durchschnittlicher quadratischer Fehler) erhalten wird.
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Schritt
c umfasst die folgenden Schritte:
- c1. Durchführung der
IDFT für
die Kanalschätzung
des Pilotfrequenzsymbols in Schritt b zum Erhalten einer Kanalimpulsantwort
CIRpilot des Pilotfrequenzsymbols in der Zeit-Domgin;
- c2. Gewichtung der Kanalschätzung
eines vorherigen OFDM-Symbols
und anschließende
Durchführung der
IDFT zum Erhalten einer Kanalimpulsantwort CIRprevioussymbol des
vorherigen OFDM-Symbols in der Zeit-Domain; und
- c3. Kombinieren der Kanalimpulsantwort CIRPN der PN-Sequenz,
der Kanalimpulsantwort CIRpilot des Pilotfrequenzsymbols und der
Kanalimpulsantwort CIRpreviousOFDMsymbol des vorherigen OFDM-Symbols
mit einer Kombinationsfunktion zum Erhalten einer Kanalimpulsantwort
dieses OFDM-Symbols: CIRthisOFDMsymbol
= f(CIRPN, CIRPilot, CIRpreviousOFDMsymbol) (2)wobei die
in der obigen Gleichung definierte Funktion eine Kombinationsfunktion
ist zur Durchführung
der Algorithmen zur maximalen Verhältniskombination oder zur gleichen
Verstärkungskombination
für die
MST („Most
Significant Tap",
die am stärksten
signifikante Abzweigung). Es braucht nicht jede Abzweigung der Kanalimpulsantworten
bestimmt zu werden, da die tatsächliche
Leistung von zu vielen Abzweigungen sehr niedrig ist und die meisten
Komponenten Rauschen und Interferenzen darstellen; es genügt, nur
die M am stärksten
signifikanten Abzweigungen („Most
Significant Taps",
MST) zu bestimmen.
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Die
Gewichtung der Kanalschätzung
eines vorherigen OFDM-Symbols
in Schritt c2 wird zur Verzögerung
der Kanalschätzung
des OFDM-Symbols zu einem vorherigen Zeitpunkt um einen OFDM-Symbolzeitraum und
zur Gewichtung der verzögerten
Ergebnisse der Kanalschätzung
verwendet. Wenn der Gewichtungsfaktor zwischen (0, 1) festgelegt
ist, werden die vorherigen nützlichen
CIR-Informationen zurückgekoppelt,
und wenn der Gewichtungsfaktor auf 0 gesetzt wird, werden die gewichteten
Informationen in einem Zeitintervall zurückgesetzt, um das System stabil
zu halten.
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Des
Weiteren ist ein Schritt enthalten zur Durchführung der DFT-Operation für die gesamten
OFDM-Symbole nach dem Einfügen
von Nullen zu dem CIRthisOFDMsymbol, um die Kanalschätzung der
gesamten OFDM-Symbole zu erhalten und sie an einen Entzerrer zu
senden, um ein Benutzersymbol zu erhalten.
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Das
Kanalschätzungsverfahren
mit Rückkopplung
auf der Basis der PN-Sequenz und des Pilotfrequenzsymbols gemäß dieser
Erfindung kann die Interpolierungsfunktion abschließen. Es
hat den Vorteil einer hohen Leistung und einer geringen Komplexität, und es
ist besonders hilfreich für
das OFDM-System bei Mehrpfadumgebungen mit hoher Geschwindigkeit
und langen Verzögerungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die einen Bestandteil der Spezifikation bilden, verdeutlichen
Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung als Erläuterung
der Grundlagen der Erfindung.
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1 ist eine simulierte Darstellung des
Verfahrens zur Umwandlungs-Domain-Interpolierung in der COST207-Umgebung;
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2 ist eine simulierte Darstellung der
bestehenden Technologie der Zeit-Domain-Interpolierung;
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3 ist
eine Rahmenstruktur eines empfangenen Signals; und
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4 ist
ein Ablaufdiagramm zur Kanalschätzung
gemäß dieser
Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend gemäß den beigefügten Zeichnungen
ausführlich
beschrieben.
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Diese
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen
ausführlich beschrieben.
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Eine
Rahmenstruktur eines empfangenen Signals ist in 3 dargestellt,
wobei ein Rahmen eine PN-Sequenz umfasst, ein Zyklus-Präfix 1, ein
OFDM-Symbol 1, ein Zyklus-Präfix
2, ein OFDM-Symbol..., wobei das OFDM-Symbol ein Benutzerdaten-
und Pilotfrequenzsignal ist.
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Wie
in 4 dargestellt, wird ein empfangener erster Rahmen
als Beispiel dargestellt.
- (1) Die PN-Sequenz
wird nach dem Synchronisieren aus dem empfangenen Signal extrahiert
(Schritt A), und die PN-Sequenz wird wie folgt verarbeitet (Schritt
B):
Als Erstes wird die DFT-Operation für die empfangene PN-Sequenz ausgeführt, um
eine Sequenz DFTPNRece_m zu erhalten, wobei 0 ≤ m ≤ N – 1.
Wenn sich die PN-Sequenz
des empfangenen Signals als [PNRece_0, PNRece_1, PNRece_M-1]
vorstellen lässt,
so lautet das Ergebnis ihrer DFT-Operation wie folgt: Als Nächstes wird die DFT-Operation
für die
PN-Sequenz eines gesendeten Signals ausgeführt, um eine Sequenz DFTPNSend_m
zu erhalten, wobei 0 ≤ m ≤ M – 1.
Wenn
sich die gesendete PN-Sequenz als [PNSend_0,
PNSend_1, ..., PNSend_M-1]
vorstellen lässt,
so lautet das Ergebnis ihrer DFT-Operation wie folgt: Das erste Ergebnis wird
durch das letztere Ergebnis dividiert, und man erhält eine
temporäre
Ergebnissequenz Tempm, wobei 0 ≤ m ≤ M –1; Tempm = DFTPNRece_m/DFTPNSend_m,
0 ≤ m ≤ M - 1
- Die IDFT-Operation wird für
die temporäre
Ergebnissequenz Tempm durchgeführt
zum Erhalten einer Kanalimpulsantwort CIRPN = [CIRPN_0, CIRPN_1,
..., CIRPN_M – 1]
der PN-Sequenz, wobei
- (2) Anschließend
wird eine Verarbeitung der Pilotfrequenz durchgeführt, um
eine Kanalschätzung
eines Pilotfrequenzsignals zu erhalten (Schritt C): die LS- bzw.
LMMSE-Schätzung
für die
Pilotfrequenz, d. h. in 3 im OFDM-Symbol wird durchgeführt, um
eine Pilotfrequenz-Schätzungssequenz
CEp zu erhalten, wobei 0 ≤ p ≤ P – 1 und
wobei P die Anzahl der Pilotfreqquenzen in OFDM-Symbolen darstellt.
- (3) Anschließend
werden die Ergebnisse aus Schritt (1) und Schritt (2) sowie die
Ergebnisse einer Kanalschätzung
eines vorherigen OFDM-Symbols kombiniert, um eine Kanalimpulsschätzung dieses
OFDM-Symbols zu erhalten (Schritt D):
- 3a: Die IDFT-Operation wird für die Pilotfrequenz-Schätzungssequenz
Cep (0 ≤ p ≤ P – 1) durchgeführt, um eine
Kanalimpulsantwort CIRPilots des Pilotfrequenzsignals zu erhalten,
d. h.
- 3b: Nach dem Gewichten des Ergebnisses der Kanalschätzung des
vorherigen OFDM-Symbols wird die IDFT-Operation durchgeführt, um
eine Kanalimpulsantwort CIRPreviousSymbol eines vorherigen OFDM-Symbols
zu erhalten, d. h. wobei
wp ein Gewichtungsfaktor ist.
- 3c: Die drei erhaltenen und oben beschriebenen Sequenzen, d.
h. die Kanalimpulsantwort CIRPN der PN-Sequenz, die Kanalimpulsantwort
CIRPilots des Pilotsymbols und die Kanalimpulsantwort CIRPreviousSymbol
des vorherigen OFDM-Symbols werden kombiniert und verarbeitet, um
eine Sequenz CIRThisOFDMSymbol zu erhalten. Durch die Kombinationsoperation
werden zwei Parameter bestimmt: eine CIR-Position (n) und eine Größe (d. h.
CIRThisOFDMSymbol_n) von CIR.
Gleichzeitig braucht nicht jede
Abzweigung der Kanalimpulsantworten bestimmt zu werden, da die tatsächliche
Leistung von zu vielen Abzweigungen sehr niedrig ist und die meisten
Komponenten Rauschen und Interferenzen darstellen; es genügt, nur
die M am stärksten
signifikanten Abzweigungen („Most
Significant Taps",
MST) zu bestimmen. Wenn der Kanal ein schnell dämpfender Kanal ist und die
CIR-Änderungen schnell
erfolgen, können
nur die Positionen von drei CIR (d. h. n) kombiniert und verarbeitet
werden, und eine Kombination mit gleichmäßiger Verstärkung oder eine Kombination
mit maximalem Verhältnis
kann gemäß den drei
Parametern durchgeführt
werden, um zu ermitteln, welche ns bewahrt und welche ns zurückgesetzt
werden soll. Die Größen der
CIRs der bewahrten ns sind gleich der Größe der CIRPilots an den entsprechenden
ns, d. h. wenn bei n = 0 bestimmt wird, dass die ns bewahrt werden
sollen, dann gilt: CIRThisOFDMSymbol_0 = CIRPilots_0. Wenn
der Kanal ein langsam dämpfender
Kanal ist und die CIR-Änderungen
langsam erfolgen, werden die Positionen der CIRs und die Größen der
CIRs gleichzeitig kombiniert, und das Kombinationsverfahren kann eine
gleiche Kombination oder eine maximale Verhältniskombination sein.
- 3d: CIRThisOFDMSymbol wird in eine N-Punkt-Sequenz erweitert
(N ist die Länge
des OFDM-Symbols), wobei die in Schritt 3c bewahrten ns unverändert bleiben
und alle anderen ns zurückgesetzt
werden.
- 3e: Es wird eine N-Punkt-DFT durchgeführt für das erweiterte N-Punkt-Sequenz-CIRThisOFDMSymbol zum
Erhalten eines Kanalschätzungsergebnisses,
das diesem OFDM-Symbol entspricht, d. h.
- (4) CEThisOFDMSymbol wird in zwei Signale geteilt, von denen
eines an einen Entzerrer gesendet wird, der dieses OFDM-Symbol ausgleicht,
um ein Benutzersymbol zu erhalten.
- (5) Das andere CEThisOFDMSymbol-Signal wird um ein OFDM-Symbol
(Schritt E) verzögert
und anschließend
an eine Gewichtungseinheit gesendet; die Gewichtungseinheit gewichtet
und verarbeitet das Signal (Schritt F). Zum Vermeiden einer fehlerhaften
Sperre und eines Blockierens („Dead-Lock") werden vor dem Beginn
jedes einzelnen Rahmens alle Ergebnisse zurückgesetzt, d. h. es wird der
Gewichtungswert wp = 0 gesetzt. In anderen Fällen wird der Gewichtungswert
auf 1 gesetzt.
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Das
zweite OFDM-Symbol wird verarbeitet, und die Verarbeitung wird mit
Schritt (2) fortgesetzt.
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Durch
den Vergleich der technischen Lösung
dieser Erfindung mit dem bestehenden Kanalschätzungsverfahren werden folgende
Ergebnisse erzielt:
Bei sich schnell bewegenden Umgebungen
wird die durch das Kanalschätzungsverfahren
gemäß der Erfindung
erzielte Qualität
der Kanalschätzung
deutlich verbessert und kann auf Umgebungen mit niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis angewendet
werden. Darüber
hinaus weist die Erfindung außer
der Anforderung, dass die CP-Länge
größer als
die maximale Verzögerung
des Mehrpfadkanals sein muss, keine weiteren Einschränkungen
hinsichtlich der Rahmenstruktur auf. Darüber hinaus erweitert diese
Erfindung die Komplexität des
Systems nicht, da jeder Rahmen nur eine PN-Sequenz hat.
| Fig.
1(a) | Figur
1(a) |
| Result
after | DFT
Ergebnis nach DFT |
| Amplitude | Amplitude |
| Sampling | Sampling |
| | |
| Fig.
1(b) | Figur
1(b) |
| Result
after inserting zero in middle | Ergebnis
nach Einfügen
von Nullen in der Mitte |
| Amplitude | Amplitude |
| | |
| Non-continuous
value under | Nicht-kontinuierlicher
Wert unter |
| long
delay multi-path | Mehrpfad
mit langer Verzögerung |
| | |
| Fig.
1(c) | Figur
1(c) |
| DFT
resultof ideal channel estimation | DFT-Ergebnis
der idealen Kanalschätzung |
| Amplitude | Amplitude |
| Continuous
Value under | Kontinuierlicher
Wert unter |
| long
delay multi-path | Mehrpfad
mit langer Verzögerung |
| Sampling | Sampling |
| | |
| Fig.
2(a) | Figur
2(a) |
| After
IDFT | Nach
IDFT |
| Amplitude | Amplitude |
| Noise
and Interference | Rauschen
und Interferenz |
| Sampling | Sampling |
| | |
| Fig.
2(b) | Figur
2(b) |
| Result
after adding zero | Ergebnis
nach dem Einfügen
von Nullen |
| Amplitude | Amplitude |
| Noise
and Interference | Rauschen
und Interferenz |
| Sampling | Sampling |
| | |
| Fig.
2(c) | Figur
2(c) |
| IDFT
resultof ideal channel estimation | IDFT-Ergebnis
der idealen Kanalschätzung |
| Amplitude | Amplitude |
| Sampling | Sampling |
| | |
| Fig.3 | Figur
3 |
| | |
| One
frame containing M OFDM symbols and M cycling prefix Next frame | Ein
Rahmen mit M OFDM-Symbolen und M Zyklus-Präfix Nächster Rahmen |
| | |
| Next
frame | Nächster Rahmen |
| PN | PN |
| CP1 | CP1 |
| OFDM
symbol 1 | OFDM-Symbol
1 |
| Data | Daten |
| Data | Daten |
| Data | Daten |
| CP2 | CP2 |
| OFDM
symbol 2 | OFDM-Symbol
2 |
| CPM | CPM |
| OFDM
symbol 3 | OFDM-Symbol
3 |
| PN | PN |
| CP1 | CP1 |
| OFDM
symbol 1 | OFDM-Symbol
1 |
| | |
| PN
Pseudo-random sequence | PN
Pseudo-Zufallssequenz |
| Data
User data | Daten
Benutzerdaten |
| Pilot
frequency symbol | Pilotfrequenzsymbol |
| | |
| Fig.
4 | Figur
4 |
| | |
| Received
signal | Empfangenes
Signal |
| Synchronizing | Synchronisieren |
| Receive
CP | CP
empfangen |
| OFDM
demodulation | OFDM-Demodulation |
| Equalizing | Entzerren |
| User
symbol | Benutzersymbol |
| | |
| PN
sequence extracting | A
PN-Sequenzextraktion A |
| PN
sequence processing | B
PN-Sequenzverarbeitung B |
| Pilot
frequency processing | C
Pilotfrequenzverarbeitung C |
| Channel
estimation D | Kanalschätzung D |
| Weighting
F | Gewichtung
F |
| Delaying
E | Verzögern E |
Das erste Ergebnis wird durch das letztere Ergebnis dividiert, und man erhält eine temporäre Ergebnissequenz Tempm, wobei 0 ≤ m ≤ M –1;
