DE602004012381T2

DE602004012381T2 - Verfahren zur zeit- und frequenzbereichssynchronisation mehrerer einrichtungen in einem übertragungssystem mit ofdm-modulation

Info

Publication number: DE602004012381T2
Application number: DE602004012381T
Authority: DE
Inventors: Jorge Vicente Blasco Claret; Juan Carlos Riveiro Insua; Salvador Iranzo Molinero
Original assignee: Diseno De Sistemas En Silicio Sa Paterna; Diseno de Sistemas en Silicio SA
Current assignee: MaxLinear Hispania SL
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: WO2004064278A1; TWI256790B; DE602004012381D1; ES2303627T3; EP1583267B1; CN1723648A; US20060140292A1; EP1583267A1; PT1583267E; AU2004204595A1; EA200501060A1; ES2212744A1; KR20050100609A; BRPI0406716A; EA007858B1; ATE389267T1; MXPA05006896A; JP2006515735A; ES2212744B2; US8837617B2

Description

ZIEL DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, bezieht sich auf ein Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation (OFDM – Orthogonales Frequenzteilmultiplexen). Das Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole und die Schätzung des Frequenzfehlers in den Oszillatoren in unterschiedlichen Situationen, wie etwa in Kanälen mit einem schmalen Bandrauschen, frequenzselektiven Kanälen oder Kanälen zu verbessern, in denen die Rauschleistung mit der Frequenz schwankt. Die Anwendung dieses Verfahrens auf die Synchronisation wie auch die Ermöglichung einer gleichzeitigen Schätzung des Frequenzfehlers in der anlogen Translation und eines Frequenzfehlers in der Systemabtastung, gestattet es, dass diese Schätzungen in Situationen ausgeführt werden, in denen die klassischen Synchronisationsvorgänge keine Ergebnisse liefern.
Weiterhin können in Fällen, in denen es möglich ist, unterschiedliche Schätzungen dieser Faktoren auszuführen, die Ergebnisse in Gestalt eines Durchschnitts oder eines gewichteten Durchschnitts kombiniert werden, um präzisere Schätzungen mit einer geringeren Abweichung vom reellen Wert zu erreichen, den man schätzen möchte.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist erforderlich, ein Verfahren zur Synchronisation in der Mehrzahl von Telekommunikationssystemen auszuführen, um so in geeigneter Weise die Informationen zu erhalten, die von den empfangenen Signalen zum Kanal übertragen werden. Ein oder mehrere Typen der Synchronisation sind erforderlich, abhängig davon, wie die Übertragung ausgeführt wird, und von der verwendeten Modulation. Im allgemeinen ist es beim Übertragen mit Hilfe der OFDM-Modulation notwendig, eine Synchronisation der Zeit, die aus der Bestimmung des Beginns der OFDM-Signale beim Empfang besteht, und eine Synchronisation der Frequenz auszuführen, so dass die Frequenz der Oszillatoren, die für die Abtastung oder für die analoge Translation des übertragenen und empfangenen Signals verwendet werden, ausreichend eng ist.
Zahlreiche Verfahren zur Synchronisation von OFDM-Signalen sind nach dem Stand der Technik bekannt, wobei keine von diesen ausreichend sicher sind, um falsche Kennzeichnungen der Synchronisation in Punkt-zu-Mehrpunktsystemen zu vermeiden, in denen das Stromnetz die benutzte Übertragungseinrichtung ist.
Es ist hinreichend bekannt, dass die Verwendung des Stromnetzes als Übertragungseinrichtung problematisch für die Synchronisation ist, da die Verbindung-Trennung unterschiedlicher Geräte im Netzwerk Spannungsspitzen und Impedanzschwankungen in der Leitung verursachen, die bewirken, dass das Kanalansprechverhalten über die Zeit schwankt. Stoßartiges Rauschen, das im Stromnetz sehr geläufig ist, beeinträchtigt die Synchronisation zum großen Teil, da per Definition dieses ein zufälliges Rauschen ist, das eine geringe Zahl von Abtastungen beeinflusst und somit eine geeignete Erfassung der Synchronisationssequenzen behindert, wenn sie in der Zeit mit diesen Sequenzen übereinstimmen. Die Bandtrennung, wie sie in diesem Patent vorgeschlagen ist, verringert die Folgen dieses Rauschens, so dass die Möglichkeit besteht, bekannte Synchronisationsverfahren anzuwenden, die infolge der vorgeschlagenen Verbesserung optimale Verbesserungen in verrauschten Umgebungen, wie etwa dem Stromnetz bieten.
Unter den Synchronisationsverfahren des Standes der Technik sind jene, die im speziellen herausragen, im US-Patent No. 5732113 erläutert, das ein Verfahren der Zeitsynchronisation beschreibt, das ein einziges Synchronisationssymbol mit zwei gleichen Halbsymbolen verwendet, und in der spanischen Patenteinreichung 200.101.121 , das sich auf ein ”Verfahren für die Synchronisation im Down-Stream unterschiedlicher Verwendungen in einem Punkt-zu-Mehrpunkt-Übertragungssystem mit OFDM-Modulation” bezieht und das die Übertragung von zwei identischen Synchronisationssymbolen beschreibt. Die vorliegende Erfindung verbessert die Synchronisation in der Zeit- und in der Frequenzdomäne infolge der Synchronisation in unterschiedlichen Bändern und erzielt Ergebnisse mit einer geringeren Schwankung und einer besseren Anpassung auf den reellen Wert, als das, was durch Anwenden eines der zuvor erwähnten Verfahren erreicht werden kann. Weiterhin gestattet die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens die Ausführung der Synchronisation in vielen Fällen, in denen ein Rauschen in der Leitung und die Kanaleigenschaften das Erreichen eines beliebigen Ergebnisses verhindern würden, wenn ein bekanntes Synchronisationsverfahren verwendet wird.
Andererseits ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Filterbänke, wie etwa jene, die im Buch ”Multirate Systems and Filters Banks” von P. P Vaidyanathan, veröffentlicht von Prentice Hall 1993, bekannt sind, aber dass diese Filter nicht für die Unterteilung von Synchronisationssequenzen verwendet wurden, die für die unabhängige Erfassung in Frequenzbändern empfangen wurden, wie sie etwa in dieser Erfindung beschrieben werden, und die die beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik erzielt, wie er oben beschrieben ist.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die Ziele zu erreichen und die Unzulänglichkeiten zu vermeiden, die in den vorherigen Absätzen beschrieben sind, besteht diese Erfindung aus einem Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und in der Frequenzdomäne für mehrere Geräte in einem Übertragungssystem, das die OFDM-Modulation verwendet.
Dieses Verfahren ist auf die Zweiwegekommunikation anwendbar, die auf die Zweiwegekommunikation über das Stromnetz zwischen unterschiedlichen Geräten anwendbar ist, die mit demselben Stromnetz verbunden sind, um so eine Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole beim Empfang und des Frequenzfehlers der lokalen Oszillatoren in den Geräten zu ermöglichen, und umfasst die Erzeugung von Synchronisationssequenzen, die über das Stromnetz übertragen werden. Diese Synchronisationssequenzen werden über den denselben Kanal gesendet, der für das Senden der Daten verwendet wird, wobei der Kanal durch eine Verbindung zwischen einem Gerät und sämtlichen weiteren Geräten gekennzeichnet ist. Das Verfahren ist charakteristisch, da es die Zerlegung des empfangenen Signals umfasst, das aus den Synchronisationssequenzen und den Daten in unterschiedlichen Frequenzbändern- oder bereichen besteht. Anschließend werden die Synchronisationssequenzen jedes der Frequenzbänder durch Anwenden eines Synchronisationsalgorithmus in der Zeit erfasst, der eine Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole und des Frequenzfehlers in den lokalen Oszillatoren in jedem Frequenzband anstelle des vollständig empfangenen Signals gestattet, worin das herkömmliche Verfahren besteht.
Es ist diesen Eigenschaften zu verdanken, dass das Verfahren eine Verbesserung der Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole und der Schätzung des Frequenzfehlers in den Oszillatoren in den Geräten in Fällen gestattet, in denen ein Schmalbandrauschen, d. h. ein Eintrittsrauschen, vorhanden ist. Im Falle einer Übertragung über einen frequenzselektiven Kanal verbessert es die Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole und verbessert es den Frequenzfehler für den Fall, dass die Rauschleistung, die dem Kanal durch das Signal hinzugefügt wird, mit der Frequenz schwankt, d. h. für den Fall, dass der Kanal farbiges Rauschen enthält. Ein weiterer der Vorteile dieses Verfahrens besteht darin, dass es die Schätzung eines Abtastfrequenzfehlers zulässt, der linear mit der Frequenz zunimmt und der nicht herkömmlich mit dem kompletten Signal geschätzt werden kann, und es die Schätzung eines Frequenzfehlers bei der analogen Translation im Bezug auf die Verwendung des vollständig empfangenen Signals für die Schätzung desselben verbessert. Es gestattet darüber hinaus die gleichzeitige Schätzung des Frequenzfehlers bei der analogen Translation und führt die Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole wie auch die Berechnung des Frequenzfehlers in der Abtastung aus, wenn er in zwei oder mehr Frequenzbändern oder -bereichen erfasst wird, einschließlich in Fällen, bei denen die Verwendung eines vollständigen Signals kein Ergebnis liefert. Schließlich vereinfacht das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Verbesserung der Ergebnisse der Schätzung des Beginns des OFDM-Signals und des Frequenzfehlers für den Fall, dass die Erfassung der Synchronisationssequenz in mehr als einem Frequenzband erreicht wird, mit Hilfe des Kombinierens der Schätzung, die man in jeder Frequenz erhält und mit Hilfe eines Durchschnitts oder einer gewichteten durchschnittlichen linearen Regression.
Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung erfolgt die Aufschlüsselung des empfangenen Signals in Frequenzbänder oder -bereiche durch Anwenden eines Bandpassfilters, das in jedem der Frequenzbänder zentriert ist, einer Frequenztranslation der gefilterten Signale, um in jedem Band im Basisband zu arbeiten, und wahlweise eines Dezimators, um die Komplexität der Elektronik zu vereinfachen, die erforderlich ist, um die Synchronisationssequenz zu erfassen.
Ein weiterer Weg, diese Aufschlüsselung auszuführen, besteht darin, die Synchronisationssequenzen gleichzeitig mit Hilfe einheitlicher und dezimierter DFT-Filter (DFT – Diskrete Fourier-Transformation) mit der Komplexität eines Prototyp-Bandpassfilters und einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) zu filtern.
Beim Verfahren, das in dieser Erfindung beschrieben ist, erfolgt die Erfassung der Synchronisationssequenz in jedem der Frequenzbänder- oder bereiche mit Hilfe der Maximierung der Maximalwahrscheinlichkeit, die herkömmlich bekannt ist, so dass die Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole von der Berechnung der maximalen Zeitkorrelation der Abtastungen in jedem Band ausgeführt wird, wobei dieses Maximum der Mittelpunkt im flachen Bereich für die Korrelationsspitze wird, deren Größe in der Zahl der Abtastungen gleich der Zahl der Abtastungen des zyklischen Präfix' ohne Zwischensymbol-Interferenz (ISI) ist, worauf der Winkel dieser Korrelation in dem Moment, der als maximale Korrelation bestimmt wird, in jedem der Frequenzbänder berechnet wird, um so eine Schätzung des Frequenzfehlers zu erreichen und die Oszillatoren auf einen gemeinsamen Bezugspunkt einzustellen.
Das Korrelationsmaximum wird berechnet, indem die Korrelationsspitzen erfasst werden, die einen Leistungsschwellenwert in jedem der Frequenzbänder- oder Bereiche im empfangenen Signal überschreiten, und indem der Wert dieses Schwellenwertes fixiert wird, um die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Falschwarnmeldungen zu minimieren, wobei die Korrelation mit Hilfe des folgenden Algorithmus berechnet wird:
und die Leistung mit Hilfe des folgenden Algorithmus berechnet wird:
wobei r_i,d das Signal entsprechend der Frequenz ist, die dem Index i im Moment d entspricht, L die Zahl der Abtastungen im Halbsymbol ist, Pi(d) die Korrelation im i-ten Band im Moment d ist und Ri(d) die Leistung im i-ten Band im Moment d ist.
Die Berechnung der Korrelation und der Leistung erfolgt iterativ, wobei die Abtastungen und vorzugsweise die Teilprodukte gespeichert werden, um die Korrelation und die Leistung durch folgende Formel zu berechnen: Pi(d) = Pi(d – 1) + ri,dr*i,d-L – ri,d-Lr*i,d-2L Ri(d) = Ri(d – 1) + 12 |ri,d|2 – 12 |ri,d-2L|2 wobei P_i(d) die Korrelation im i-ten Frequenzband im Moment d ist, R_i(d) die Leistung im i-ten Band und im Moment d ist und r_i,x das Signal entsprechend dem i-ten Band im Moment x ist.
Der Moment der Erfassung der Synchronisationssequenz wird als Mittelpunkt des Bereiches genommen, der 90% der maximalem Korrelation überschreitet, während eine adäquate Zahl von Abtastungen verzögert wird, um die Interferenz zwischen Symbolen auf ein Minimum zu reduzieren, und die Anzahl der Abtastungen einstellbar ist.
Da andererseits der reelle Teil der Korrelation den imaginären Teil beherrscht, besteht die Möglichkeit, lediglich den reellen Teil der Korrelation zu verwenden, um die Berechnung der Korrelation in jedem Frequenzband oder -bereich zu vereinfachen, wenn der Frequenzfehler geringer ist als ein bestimmter Schwellenwert.
Um die Ergebnisse der Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole in jedem Frequenzband zu verbessern, kann man diese Ergebnisse als Durchschnitte oder gewichtete Durchschnitte kombinieren, so dass die finale Schätzung zuverlässiger sein wird und eine geringere Schwankung aufweist, als das, was mit Hilfe des vollständig empfangenen Signals ohne Trennung in den Bereichen erzielt wird.
Das Trennen der Frequenzbänder verbessert die Berechung des Frequenzfehlers bei der analogen Translation durch Verringern der Schwankung, wenn die Durchschnitte oder die gewichteten Durchschnitte der Fehlerwerte verwendet werden, die in jedem der Frequenzbänder berechnet werden.
Weiterhin gestattet die Trennung der Frequenzbänder die Schätzung eines Fehlers in der Abtastfrequenz mit Hilfe einer linearen Regression der Werte der Fehler, die man in jedem Band erhält, wobei dieser Fehlerwert nicht herkömmlich mit Hilfe des vollen empfangenen Signals geschätzt werden kann, da der Fehler in der Abtastfrequenz mit der Frequenz zunimmt.
Schließlich, und Dank der Trennung in Bänder, können der Fehler bei der analogen Frequenztranslation und der Fehler in der Abtastfrequenz gleichzeitig geschätzt werden.
Andererseits kann das Verfahren in dieser Erfindung ebenfalls verwendet werden, wenn Koexistenzsymbole übertragen werden, wobei diese beim Empfang mit Hilfe der Bandtrennung erfasst und in jedem dieser Bänder mit dem Ziel erfasst werden, es dem System zu gestatten zu erkennen, ob ein weiteres eine bestimmte Sequenz im Kanal übertragen hat, oder nicht.
Die folgenden Zeichnungen dienen dazu ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und obwohl sie einen integralen Teil der detaillierten Beschreibung und der Ansprüche bilden, stellen sie eine veranschaulichende, jedoch nicht eingeschränkte Darstellung der Prinzipien dieser Erfindung bereit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine beispielhafte Spektraldichte der Signalleistung und des Rauschens beim Empfang in einem speziellen Szenario.
2 zeigt graphisch eine der Einrichtungen zum Ausführen der Unterteilung in Frequenzbänder- oder Bereiche unter Verwendung einheitlicher und dezimierter, diskreter Fourier-Transformations-(DFT-)Filter.
3 zeigt graphisch ein typisches Korrelationsszenario und die Leistung, die mit einem Schwellenwert multipliziert wird, der bei den Abtastungen beginnt, die man beim Empfang erhält.
4 zeigt des Verhalten des Fehlers in der Abtastfrequenz und des Fehlers in der analogen Translationsfrequenz.
BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Dieser Abschnitt gibt eine Beschreibung eines Beispiels einer Ausführungsform der Erfindung an, wobei auf die Numerierung Bezug genommen wird, die in den Zeichnungen verwendet wird. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert.
Sämtliche Kommunikationssysteme oder wenigstens ein Teil des Kommunikationssystems, wie etwa der Synchronisationsblock, erfordern einen minimalen Signalrauschabstand (SNR), um in der Lage zu sein zu funktionieren, d. h. es ist notwendig, dass das empfangene Signal einen bestimmten Wert im Bezug auf den Rauschwert in der Leitung hat, so dass das System die Kommunikation ausführen kann. Ein minimaler SNR kann nicht die gesamte Bandbreite erreichen, die vom System in Kommunikationssystemen mit einem frequenzselektiven Kanal oder in Systemen, in denen das Rauschen von der Frequenz abhängig ist, oder in beiden verwendet wird, da es eine bestehende Kanalabschwächung oder den Rauschpegel gibt, wobei er jedoch einige Frequenzbereiche in der gesamten Bandbreite erreichen kann. Das Verfahren, das in dieser Erfindung beschrieben ist, nutzt diesen Umstand, um Schätzungen und eine Synchronisation in derartigen Szenarios zu berechnen.
1 zeigt die Spektraldichte der Signalleistung und das Rauschen am Rezeptoreintritt in einer bestimmten Situation. In diesem Fall ist ein durchschnittlicher SNR über die gesamte Bandbreite 0 dB, der für die Kommunikation nicht ausreichend ist, aber es ist zu erkennen, dass in speziellen Frequenzbereichen die Leistungsdichte des Signals höher ist als das Rauschen, weshalb in diesen Bereichen eine Kommunikation möglich ist. Infolge des Verhaltens des Kanals in derartigen Situationen können klassische Verfahren entweder die Synchronisation nicht erreichen, oder sie erreichen sie mit sehr geringer Qualität. Dieser Kanaltyp ist bei Systemen sehr gebräuchlich, die das Stromnetz als Übertragungsmedium nutzen. Das Verfahren, das in dieser Erfindung beschrieben ist, nimmt die Unterteilung in unterschiedliche Frequenzbereiche (mit Hilfe der Filterung beim Empfang) vor und arbeitet an jedem dieser Signale separat. Bei der Mehrheit von Situationen ist die Synchronisation notwendig, um ein spezielles Signal in jedem der Frequenzbänder zu senden, wobei die Möglichkeit der Synchronisation in einem beliebigen der Bänder die Ergebnisse verbessert. Es reicht infolge einer speziellen Eigenschaft dieses Modulationstyps nicht aus, ein OFDM-Signal zu senden, wobei sich mehrere Träger, die einmal getrennt wurden, zu Bändern rückgruppieren können. Um das Signal in Bänder zu trennen, kann ein Bandpassfilter, das in jedem der Frequenzbänder zentriert ist, verwendet werden. Weiterhin muss das Signal demoduliert, um es zum Basisband zu nehmen, und dezimiert werden, da, wenn dies nicht geschieht, die Frequenz in jedem Band dieselbe sein wird, wie die im Ursprungssignal und sich die gesamte Komplexität durch die Zahl der Bänder multiplizieren wird. Alle diese Vorgänge können simultan ausgeführt werden und verwenden einheitliche und dezimierte DTF-Filterbänke (DTF – Diskrete Fourier-Transformation), was nach dem Stand der Technik ein hinlänglich bekanntes Verfahren ist. In diesem Fall sind die Filterbänke so komplex wie ein Prototyp-Bandpassfilter (das sich, wie zuvor erwähnt, in jedem Frequenzband befindet), wobei dieses mit einer DFT verwendet wird. Dieser Aufbau ist in 2 zu sehen, bei dem die Filter Ei(z) der Mehrphasen-Zerlegung des Prototypfilters entsprechen, wobei i = 0, 1... M – 1 ist, wobei M die Zahl der Bänder ist, in denen das empfangene Signal x(n) zerlegt wird, 1 eine Abtastverzögerung von (z^–1) und 2 ein Dezimator für M ist. Die Zerlegung des Eintrittssignals in M Frequenzbändern tritt am Ausgang zur inversen Fourier-Transformation (IDFT) 3 auf, wobei jedes der Frequenzbänder eine Abtastfrequenz hat, die M-mal geringer ist als jene des Eintrittssignals. M ist zudem die Zahl von Punkten in der IDFT. Von diesem Punkt des Systems wird jedes der M Signale unabhängig behandelt und werden die Schätzungen für jedes einzelne dieser Bänder separat ausgeführt. Die Komplexität gleicht jener, die oben beim Ausführen der Schätzungen für das Ursprungssignal erzielt werden, da wir M Signale haben, die Master-Frequenz für jedes einzelne jedoch durch M geteilt wurde. Weiterhin können einige der Bänder (Teilbänder) eliminiert werden, wenn sie keine Informationen enthalten, wodurch die Komplexität weiter verringert wird.
Die Festlegungen für den Prototypfilter hängen von der speziellen Anwendung ab, für die das Verfahren, das in dieser Erfindung beschrieben ist, verwendet wird. Einige Beispiele derartiger Anwendungen beinhalten die Schätzung von Signalparametern, die Erfassung von Koexistenzsignalen oder die Erfassung der Gleichlaufsignale.
Eine weitere dieser Anwendungen ist die Synchronisation in OFDM-Systemen. Die Mehrheit der Synchronisationsverfahren für OFDM-Signale verwendet das Signal in der Zeit, um diese Funktion auszuführen, und schlagen somit in Situationen, wie etwa jenen, die in 1 dargestellt sind, fehl.
Es sind insbesondere diese Fälle, in denen die Verwendung des Aufbaus, der in 2 gezeigt ist, die Synchronisation verbessern kann. Bei jedem der Frequenzbänder, in die das Signal geteilt wird, kann man eines der Verfahren anwenden, das nach dem Stand der Technik beschrieben ist, wobei eine korrekte Synchronisation in einem Band ausreichend ist, um den Demodulationsvorgang beim Empfang zu beginnen, abhängig vom Typ der verwendeten Modulation.
Wenn der SNR ausreichend hoch ist, so dass unterschiedliche Bänder synchronisiert werden, dann haben wir gleichzeitig unterschiedliche Schätzungen des Beginns des Symbols und des Frequenzfehlers, weshalb Techniken, wie etwa das Kombinieren von Ergebnissen zur Verbesserung der abschließenden Schätzung angewendet werden können.
Das Ergebnis ist ein Verfahren zur Synchronisation mit einer Frequenzvielfalt, hoch widerstandsfähig gegen Schmalbandrauschen, einer Kanalselektivität und einem Leistungsrauschen in Abhängigkeit der Frequenz, das in typischen Kanälen verwendet werden kann, einschließlich jenen, in denen der SNR geringer als –10 dB über das gesamte Band ist. Das einzige notwendige Erfordernis besteht darin, dass der SNR in einem der Frequenzbänder oder -bereiche ausreichend ist, um das Synchronisationssignal zu erfassen, das in diesem Band verwendet wird.
Um optimale Ergebnisse zu erzielen, kann dieses Verfahren beispielsweise zusammen mit dem Synchronisationsverfahren angewendet werden, das in der spanischen Patenteinreichung 200.101.121 beschrieben ist, die einen ”Vorgang zur Downstream-Synchronisation von mehreren Benutzern in einem Punkt-zu-Mehrpunkt-Übertragungssystem mit OFDM-Modulation” betrifft.
In diesem Fall ist das zu sendende Signal dasselbe wie beim besagten Patent, d. h. zwei identische Synchronisationssymbole, infolge der Tatsache, dass diese Eigenschaft beibehalten wird, wenn das Signal in den Frequenzbändern zerlegt wird. Ein Aufbau, wie etwa jener, der in 2 gezeigt ist, befindet sich im Rezeptor, und anschließend werden die Leistung und die Korrelationsmetriken wie beim oben er wähnten Patent berechnet, mit der Ausnahme, dass bei diesem vorliegenden Fall die Grenzen sämtlicher Summen durch M geteilt werden, wobei M der dezimierte Wert des Eintrittsignals oder anders gesagt die Zahl der Bänder ist.
Dank der Trennung der Frequenz in Bänder ist es möglich, unterschiedliche Schätzungen mit Hilfe lediglich eines Synchronisationssymbols auszuführen, und es besteht die Möglichkeit, gute Synchronisationsergebnisse selbst dann zu erzielen, wenn lediglich ein Synchronisationssymbol als eine Synchronisationssequenz verwendet wird.
In diesem Fall besteht die Synchronisationssequenz aus lediglich dem Synchronisationssymbol, das in zwei gleiche Hälften geteilt ist. Die Informationen, die in den Trägern übertragen werden, die in den Synchronisationssymbolen verwendet werden, können eine festgelegte oder eine pseudozufällige Sequenz haben. Die ungeradzahligen und geradzahligen Träger in den OFDM-Symbolen werden auf Null eingestellt, um die Symmetrie zu haben, die in den Synchronisationssymbolen erforderlich ist.
Die Eigenschaften des Synchronisationssymbols und insbesondere dessen Symmetrie werden beibehalten, wenn die Bänder beim Empfang getrennt werden, wobei uns dies gestattet, mehrere Synchronisationsergebnisse zu haben, die eine Verbesserung ihrer Präzision gestatten.
Jeder beliebige andere Typ der Synchronisationssequenz (im Bezug auf die Zahl der gesendeten Symbole) und des Verfahrens der Erfassung kann dasselbe Verfahren, wie es zuvor beschrieben wurde, nur dann verwenden, wenn die Eigenschaften des Synchronisationssymbols beibehalten werden, wenn die Bandtrennung ausgeführt wird.
Somit besteht die Möglichkeit, die folgenden Schätzungen in jedem einzelnen der Intervalle zu verwenden, wie es oben im US-Patent 5732113 ”Timing and frequency synchronisation of OFDM-Signals” erwähnt ist, und diese zu kombinieren, um Schätzungen mit einer verringerten Schwankung mit Hilfe nur eines Symbols als Synchronisationssequenz zu erhalten:
wobei r_i,d der Ausgang in der i-ten Verzweigung des Filterbandes im Moment d, L die Zahl von Abtastungen im Halbsymbol dividiert durch M, M die Zahl der Bänder, in die das Signal unterteilt ist, Pi(d) die Korrelation der i-ten Verzweigung im Moment d und Ri(d) die Leistung in der Verzweigung im Moment d ist. In einer ähnlichen Weise kann man damit fortfahren, die Formeln iterativ anzuwenden. Pi(d) = Pi(d – 1) + ri,dr*i,d-L – ri,d-Lr*i,d-2L Ri(d) = Ri(d – 1) + 12 |ri,d|2 – 12 |ri,d-2L|2
Sobald die Korrelation und die Leistung berechnet sind, wird die Synchronisation erfasst, wie es beim Patent zuvor beschrieben wurde, wobei der Unterschied darin besteht, dass wir nun unterschiedliche Bänder haben, die durch eine Synchronisation beeinflussbar sind. 2 zeigt einen typischen Fall, bei dem die Synchronisation erzeugt wird, wenn die berechnete Leistung den Korrelationsschwellenwert überschreitet. In dem Fall, in dem unterschiedliche Bänder synchronisiert werden, ist die am besten geeignete Schätzfunktion der Durchschnitt der Schätzungen des Beginns des Symbols. Es muss darauf hingewiesen werden, dass jede der Schätzungen separat eine Auflösung hat, die infolge des Dezimators M-mal geringer ist als die globale Schätzung, aber dass die Abweichung bei der finalen Schätzung besser ist als bei den vorherigen Verfahren, wenn der Durchschnitt verwendet wird.
Auf dieselbe Weise kann der Abtastfrequenzfehler aus dem Korrelationswinkel im optimalen Moment im Fenster berechnet werden, wobei f_i für die zentrale Frequenz im Band (Teilband) eingesetzt wird.
Wobei ∠(.) der Winkelparameter, f_i die zentrale Frequenz im i-ten Band, K die Interpolationsgröße oder der Dezimator und N die Zahl der Abtastungen im OFDM-Symbol ist.
In Abhängigkeit des Fehlertyps, der durch das System in dieser Erfindung eingeführt wird, schätzt man entweder den Frequenzfehler bei der Translation zum analogen Band, den Abtastfrequenzfehler oder beide. Die Ergebnisse, die man in jedem Band erhält, werden auf die eine oder die andere Weise in Abhängigkeit des Fehlertyps kombiniert, den wir schätzen müssen.
Für den Fall, dass das System einen Frequenzfehler bei der Translation zum analogen Band hat, kann der Durchschnitt der Schätzungen in den unterschiedlichen Bändern als die Schätzung verwendet werden, wie es in 4 gezeigt ist (Fehlertyp 1), da der Fehler in allen Bändern derselbe ist. Wenn jedoch der Abtastfrequenzfehler berechnet werden soll (Fehlertyp 2), kann dieses Verfahren nicht unverzüglich verwendet werden, da der Wert in sämtlichen Bändern nicht derselbe ist, sondern anstelle dessen vom Ursprung der Koordinaten mit der Frequenz zunimmt, wie es in 4 gezeigt ist. Eine lineare Regression der Korrelationswinkel in jedem der Bänder (mit Hilfe der minimalen quadratischen Abweichung oder anderen bekannten mathematischen Verfahren) wird ausgeführt, um die Steigung dieser geraden Linie zu schätzen und eine bessere Schätzung zu erhalten, wobei dies unabhängig von den Bändern ausgeführt werden kann, die synchronisiert werden. Die Schätzung, die in der zuvor erwähnten spanischen Patenteinreichung dargestellt ist, wurde in den selektiven Frequenzkanälen infolge der Tatsache verringert, dass sie den Frequenzfehler in den Bändern maß, die eine geringere Abschwächung erfuhren. Mit diesem neuen Verfahren, verschwindet diese Reduzierung, da der Fehler in jedem Band unabhängig gemessen wird, wodurch die Schätzung des Fehlers verbessert wird. Die folgenden Formeln können verwendet werden, um diesen Fehler zu schätzen:
Wobei m das Ergebnis der linearen Regression der Schätzungen des unterschiedlichen Bandes und Δf_s/f_s der Abtastfrequenzfehler ist.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens in dieser Erfindung besteht darin, dass es die Möglichkeit der gleichzeitigen Berechnung des Fehlers in der Abtastfrequenz und des Fehlers bei der Translation zum analogen Band (Fehlertyp 3) bietet, indem eine lineare Regression der gemessenen Fehler in jedem Band ausgeführt wird, um die Steigung (den Abtastfrequenzfehler) und den Schnittpunkt mit der vertikalen Achse (analoger Translationsfrequenzfehler) zu berechnen, wie es in 4 zu sehen ist. Mathematisch können diese Fehler berechnet werden durch:
Wobei n die Zahl der Schätzfunktionen, die die lineare Regression verwenden, T_s die Zeit des Symbols mit einem zyklischen Präfix und Δf_IQ der Fehler bei der Frequenztranslation im analogen Band ist. Den Abtastfrequenzfehler erhält man aus m, wie für den Fall, bei dem lediglich der Abtastfrequenzfehler auftritt.
Das Verfahren dieser Erfindung kann zudem für die Koexistenz-Signalgebung, d. h. für die Erfassung von Signalen angewendet werden, die verwendet werden, um ein Protokoll für die Koexistenz unterschiedlicher Technologien über das Übertragungsmedium zu implementieren. In diesen Protokollen werden spezielle Signale, die alle Systeme notwendigerweise senden und empfangen können müssen, verwendet, um eine angemessene Medienzugriffssteuerung zu implementieren, und müssen selbst in Zuständen eines sehr niedrigen SNR erfasst werden. Bei Übertragungsmedien, wie etwa dem Stromnetz oder Funk, besteht das zusätzliche Problem, dass diese Systeme gleichzeitig senden können, wenn die Abschwächung zwischen diesen ausreichend ist, damit die Signale des einen am anderen unter dem Rauschpegel eintreffen, wodurch sie füreinander unerfassbar gemacht werden. Koexistenzsignale dienen dazu zu bestimmen, ob zwei oder mehr Knoten (Geräte, die zu einem oder mehreren unterschiedlichen Kommunikationssystemen gehören können) gleichzeitig senden können, abhängig davon, ob das Signal eines Knotens durch den anderen mit mehr oder weniger Leistung als dem Rauschen für jede der Frequenzen empfangen wird, die bei der Kommunikation verwendet werden.
Mit Hilfe der bekannten Verfahren, ist es sehr schwierig, diese Erfassung in Szenarios, wie etwa jenem auszuführen, das in 1 gezeigt ist, weshalb es angebracht ist, das Verfahren anzuwenden, das in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist. In diesem Fall besteht die beste Option darin, unterschiedliche Signale auf unterschiedlichen Frequenzen zu senden (wobei die Zahl der Frequenzen von der Frequenzselektivität im Kanal abhängt), die beim Empfang unabhängig erfasst werden. Die Erfassung einer dieser Frequenzen ist ausreichend, um zu bestimmen, dass ein Knoten das Koexistenzsignal sendet. Um die unterschiedlichen Signale zu trennen, wird der Aufbau verwendet, der in 2 gezeigt ist.
Wenn die Modulation, die in einem der Systeme verwendet wird, das koexistieren muss, OFDM ist, ist es ausreichend, dass einige der Träger einen ausreichenden SNR haben, damit die Demodulation dieser Träger korrekt ist, Dank des guten Verhaltens dieses Typs der Modulation in diesem Typ frequenzselektiver Kanäle. Es besteht zudem die Möglichkeit, die Erfassung selbst dann auszuführen, wenn der SNR durchschnittlich oder negativ ist, sofern der korrekte Wert in einem der Bereiche bezogen werden kann, in dem das empfangene Signal unterteilt wurde. Wenn ein Koexistenzsignal, das die volle Bandbreite belegt, verwendet wird, um die Koexistenz zu implementieren, kann dies zum Umstand führen, dass dieses Signal nicht von einem Knoten erfasst wird, der die OFDM-Modulation verwendet, und zwei Knoten gleichzeitig den Kanal belegen, was zu einer Interferenz führt, da das Signal des einen nicht niedriger sein wird als der Rauschpegel, der beim Empfang auf allen Frequenzen im zweiten Knoten erfasst wird. Gemäß dem, was hier beschrieben ist, löst das Verfahren dieser Erfindung dieses Problem.

Claims

Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation, das auf eine Zweiwege-Kommunikation über das Stromnetz zwischen unterschiedlichen Geräten anwendbar ist, die mit demselben Stromnetz verbunden sind, um so eine Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole beim Empfang und des Frequenzfehlers der lokalen Oszillatoren in den Geräten bereitzustellen, umfassend die Erzeugung von Synchronisationssequenzen, die über das Stromnetz übertragen werden, und das Senden dieser Synchronisationssequenzen über denselben Kanal, der für die Sendung der Daten verwendet wird, wobei der Kanal durch eine Verbindung zwischen einem Gerät und allen anderen Geräten bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: – Aufschlüsseln der empfangenen Signale, die die Daten und die Synchronisationssequenzen enthalten, in unterschiedliche Frequenzbänder oder -bereiche; – Erfassen der Synchronisationssequenzen in jedem Frequenzbereich oder -band beim Empfang durch Anwenden eines zeitlichen Synchronisationsalgorithmus', um in jedem Frequenzband den Beginn der OFDM-Symbole und den Frequenzfehler der lokalen Oszillatoren auf der Basis dieses Algorithmus' zu schätzen; – Kombinieren der Schätzungen, die man in jedem Frequenzband erhält.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschlüsseln des empfangenen Signals in Frequenzbänder oder -bereiche ausgeführt wird mit: einem Bandpassfilters, das in jedem der Frequenzbänder zentriert ist, einer Frequenztranslation jedes der gefilterten Signale, um im Basisband mit jedem Band zu arbeiten, und wahlweise einem Dezimator, um die Komplexität der Elektronik zu vereinfachen, die erforderlich ist, um die Synchronisationssequenz zu erfassen.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschlüsselung des empfangenen Signals gleichzeitig mit Hilfe einer dezimierten einheitlichen DFT-Filterbank, mit der Komplexität eines Prototyp-Bandpassfilters und einer Schaltung zur diskreten Fourier-Transformation (DFT) ausgeführt wird.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschlüsselung des empfangenen Signals mit Hilfe einer Schaltung zur diskreten Fourier-Transformation (DFT) ausgeführt wird.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Synchronisationssequenzen in jedem der Frequenzbänder oder -bereiche mit Hilfe der Maximierung der Maximalwahrscheinlichkeitskriterien ausgeführt wird, um den Beginn der OFDM-Symbole zu schätzen, wobei mit der Berechnung der maximalen Zeitkorrelation der Abtastungen in jedem Band begonnen wird und dieses Maximum zum Mittelpunkt im flachen Bereich für die Korrelationsspitze wird, deren Größe der Anzahl der Abtastungen gleich der Zahl von Abtastungen des zyklischen Präfix' ohne Zwischensymbol-Interferenz, ISI, ist, worauf der Winkel dieser Korrelation in dem Moment berechnet wird, der als maximale Korrelation in jedem der Frequenzbänder bestimmt wird, um den Frequenzfehler zu schätzen und die Oszillatoren auf einen gemeinsamen Bezugspunkt zu justieren.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrelationsmaximum berechnet wird, indem die Korrelationsspitzen erfasst werden, die einen Leistungsschwellenwert in jedem der Frequenzbänder oder -bereiche im empfangenen Signal überschreiten, und dadurch, dass der Wert dieses Schwellenwertes fixiert wird, um die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Falschwarnmeldungen zu minimieren, und die Korrelation mit Hilfe des folgenden Algorithmus berechnet wird:
und die Leistung berechnet wird durch:
wobei r_i,d das Signal entsprechend der Frequenz ist, die dem Index i im Moment d entspricht, L die Zahl der Abtastungen im Halbsymbol ist, Pi(d) die Korrelation im i-ten Band im Moment d ist und Ri(d) die Leistung im i-ten Band im Moment d ist.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Korrelation und der Leistung iterativ erfolgt, wobei die Abtastungen und vorzugsweise die Teilprodukte gespeichert werden, um die Korrelation sowie die Leistung durch die folgende Formel zu berechnen: Pi(d) = Pi(d – 1) + ri,dr*i,d-L – ri,d-Lr*i,d-2L Ri(d) = Ri(d – 1) + 12 |ri,d|2 – 12 |ri,d-2L|2 wobei P_i(d) die Korrelation im i-ten Frequenzband im Moment d ist, R_i(d) die Leistung im i-ten Band und im Moment d ist und r_i,x das Signal entsprechend dem i-ten Band im Moment x ist.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Moment der Erfassung der Synchronisationssequenzen als Mittelpunkt des Bereiches verwendet wird, der 90% der maximalen Korrelation überschreitet, während eine adäquate Anzahl von Abtastungen verzögert wird, um die Interferenz zwischen Symbolen auf ein Minimum zu reduzieren, und die Anzahl von Abtastungen einstellbar ist.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Frequenzfehler kleiner als der Schwellenwert ist, der zuvor fixiert wurde, lediglich der echte Teil der Korrelation in jedem Band verwendet wird.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Schätzung des Beginns der OFDM-Symbole in jedem Frequenzband mit Hilfe von Durchschnitten oder gewichteten Durchschnitten kombiniert werden, um eine Schätzung mit geringerer Abweichung zu erhalten.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchschnittsbildung der Fehler bei analoger Frequenztranslation ausgeführt wird, um die Abweichung der Fehlerwerte zu verringern, die in jedem der Frequenzbänder berechnet werden.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastfrequenzfehler mit Hilfe einer linearen Regression der Werte der Fehler geschätzt wird, die man in jedem Band erhält, worauf die Anwendung der Trennung der Frequenzbänder hinsichtlich der Frequenz erfolgt.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder hinsichtlich der Frequenz getrennt werden und der Fehler bei der analogen Frequenztranslation und der Fehler bei der Abtastfrequenz gleichzeitig geschätzt werden.
Verfahren zur Synchronisation in der Zeit- und Frequenzdomäne mehrerer Geräte in einem Übertragungssystem mit OFDM-Modulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Koexistenzsymbole, die beim Empfang mit Hilfe der Bandtrennung erfasst werden, in jedem einzelnen dieser Bänder übertragen und erfasst werden, wodurch es dem System gestattet ist zu erkennen, ob ein Weiterer eine bestimmte Sequenz im Kanal gesendet hat, oder nicht.