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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung
von Signalisierungsinformation zwischen einem Zugangspunkt und einem
Endgerät eines
Mehrträger-Funknetzes.
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Übertragungssysteme
der neuen Generationen, wie z. B. 3-G- oder 4-G-Funknachrichtensysteme, müssen eine
Vielzahl von Messungen, Metriken, Befehlen oder Signalisierungsinformationen
zwischen den Zugangspunkten des Funknachrichtensystems und den Mobilfunkgeräten übertragen.
Die Belastung durch diese Signalisierungsinformationen steigt mit
der Kapazität
der Übertragungssysteme (mehr
Benutzer, mehr verfügbare
Bandbreite ...).
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Insbesondere
in Mehrträgersystemen
müssen
viele Informationen (Messwerte, Signalisierung, Befehle, Metriken
...) für
Hilfsträger
zwischen dem Zugangspunkt und dem Mobilfunkgerät ausgetauscht werden. Eine
solche Mehrträgerübertragung ist
in OFDM-2,4-GHz-Systemen, zum Beispiel in Erweiterungen des IEEE
802.11a HiperLAN2-Systems vorgesehen.
In einigen Systemen können
bis zu Tausenden von Hilfsträger
vorhanden sein. Üblicherweise
wird eine bestimmte Anzahl von Hilfsträgern zur Übertragung der die Verkehrs-Hilfsträger betreffenden Signalisierungsinformation
verwendet. Die Signalisierungsinformation wird in Form eines Signalisierungsvektors
dargestellt, dessen Komponenten die Signalisierungsdaten für die verschiedenen
Hilfsträger
angeben.
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Üblicherweise
werden zur Verbesserung von Mehrträgersystemen so genannte Bit-Loading-Verfahren
benutzt. Für
jeden Übertragungszeitabschnitt muss
ein neuer Zustandsvektor, der die Verteilung der Bits auf den Hilfsträgern beschreibt,
zum Empfänger übertragen
werden, so dass dieser das Signal unter Verwendung geeigneter Verfahren
für jeden Hilfsträger demodulieren
kann. Dies hat zur Folge, dass sich die Signalisierungslast stark
erhöht,
da dieser Zustandsvektor große
Datenmengen (für
jeden Hilfsträger
z. B. die Modulationsart, die übertragene Leistung,
die FEC) enthält.
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Zusätzlich zur
Bit-Loading-Signalisierung sind durch Mobilfunkgeräte vorgenommene
und auf der Aufwärtsstrecke
zum Zugangspunkt übertragene Kanalmessungen
oder OFDMA betreffende Signalisierungsinformationen bandbreitenbeanspruchende Signalisierungen,
welche die Nutzdatenmenge begrenzen.
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Aus
der US-Patentanmeldung US2002/0119781 ist die Übertragung von Signalisierungsinformationen
(SINR) in einem Mehrträgernetz bekannt,
bei der die Signalisierungsinformationen zunächst unter Verwendung einer
Differenzcodierung komprimiert werden (siehe Absatz 92).
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Aus
US-Patent 6,301,308 ist es bekannt, Signalisierungsinformationen
vor der Übertragung
zu komprimieren (siehe Spalte 5, Zeilen 24–27).
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Eine
spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mechanismen
zu finden, welche die Signalisierungslast in einem Mehrträger-Funknetz
deutlich reduzieren können.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Endgerät und einen
Zugangspunkt eines Mehrträger-Funknetzes anzugeben,
das bzw. der diese Mechanismen implementiert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
und andere, weiter unten angegebene Aufgaben werden durch ein Verfahren
zur Übertragung
von Signalisierungsinformation zwischen einem Zugangspunkt und einem
Endgerät
eines Mehrträger-Funknetzes
nach Anspruch 1, einen entsprechenden Zugangspunkt nach Anspruch
7 und ein entsprechendes Endgerät
nach Anspruch 8 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Redundanz, die in den Signalisierungsdaten aufgrund
einer Korrelation zwischen benachbarten Hilfsträgern des Mehrträger-Funknetzes vorhanden
ist, zum Komprimieren der Signalisierungsinformation verwendet. Übliche Arten
der Korrelation zwischen unterschiedlichen Hilfsträgern in einem
Mehrträger-Funknetz
sind zum Beispiel Zeitkorrelation aufgrund des Doppler-Effekts oder
Frequenzkorrelation aufgrund von Schwankungen der Mehrwegelaufzeit.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren
auf Bit-Loading-Vektoren angewendet.
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Vorzugsweise
wird die Dekorrelation durch Anwendung einer diskreten Kosinustransformation auf
die Signalisierungsinformation erzielt.
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Vorzugsweise
werden die verschiedenen Korrelationsebenen (Zeit und/oder Frequenz und/oder
Raum) berücksichtigt.
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Gemäß weiteren
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird zwischen dem Dekorrelationsschritt
und dem Komprimierungsschritt ein Quantifizierungsschritt eingefügt, um nichtganzzahlige
Signalisierungsdaten verarbeiten zu können.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung bietet den Vorteil, dass es die hohe Signalisierungslast
in Mehrträger-Funknetzen
reduziert und dabei die Signalisierungsqualität nicht beeinträchtigt.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines keine Beschränkung
darstellenden bevorzugten Ausführungsbeispiels
und aus den beigefügten
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
Signalisierungsnachricht im Rahmen eines Mehrträger-Funknachrichtensystems;
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2 die
einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 einen
Sender mit einer erfindungsgemäßen Komprimierungskette;
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4 Simulationsergebnisse,
die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Ein
Beispiel für
Mehrträgersysteme
sind OFDM-2.4GHz-Kommunikationsnetze
(OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplexing) wie z. B. HiperLAN2
oder IEEE 802.11a-Netze.
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N
Hilfsträger
stehen in dem System zur Verfügung
und werden zwischen Endgeräten
und Zugangspunkten des Mehrträger-Funkübertragungssystems
verwendet. Ein oder mehr vorgegebene Hilfsträger werden insbesondere zur Übertragung von
die Verkehrshilfsträger
betreffenden Signalisierungsinformationen benutzt.
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1 veranschaulicht
die Struktur der Signalisierungsinformation im Rahmen eines Mehrträger-Funkübertragungssystems.
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Solche
Signalisierungsinformationen können zum
Beispiel Bit-Loading-Vektoren sein, die bei adaptiven Modulationsverfahren
Angaben über
die auf den verschiedenen Trägern
verwendeten Modulationsarten umfassen, oder Quellenleistungs-Bit-Loading-Vektoren,
die Angaben über
die auf den verschiedenen Hilfsträgern verwendete Quellenleistung umfassen.
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Weiterhin
werden Kanalmessungen, die von den Mobilfunkgeräten an den verschiedenen Hilfsträgern vorgenommen
und auf der Aufwärtsstrecke
zum Zugangspunkt übertragen
werden, oder die übliche OFDM-Signalisierung
auf den ein oder mehr vorgegebenen Signalisierungs-Hilfsträgern übertragen werden.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Hilfsträger N für Signalisierungsinformationen
reserviert. Die Signalisierungsinformationen sind in auf dem Hilfsträger N übertragenen
aufeinanderfolgenden Rahmen i, i + 1 angeordnet. Ein Rahmen i, im Folgenden
auch „Signalisierungsinformationsvektor i" genannt, umfasst
Felder S1,i, ..., SN–1,i,
SN+1,i, ..., SM,i mit
Signalisierungsinformationen, welche die verschiedenen nicht der
Signalisierung dienenden Hilfsträger
C1, ..., CN–1,
CN+1 ... CM betreffen,
wobei M die Gesamtmenge der Hilfsträger ist.
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2 zeigt
die einzelnen Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst folgende Schritte:
- – Im Schritt 21 wird
durch Ausnutzung der Korrelation zwischen mindestens zwei Hilfsträgern eine Dekorrelationstransformation
für die
Signalisierungsinformationen durchgeführt.
- – Im
Schritt 22 werden die dekorrelierten Signalisierungsinformationen
einer Entropie-Komprimierung
unterzogen.
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Wahlweise
kann ein Quantifizierungsschritt 23 durchgeführt werden,
wenn die Signalisierungsinformationen keine ganzzahligen Daten sind
(z. B., wenn die Signalisierungsdaten Quellenleistungs-Bit-Loading-Vektoren
sind, die eine Angabe über
die auf den verschiedenen Hilfsträgern verwendete Quellenleistung
umfassen. Die Quellenleistungswerte sind reale Zahlen.) Der Quantifizierungsschritt
wird zwischen Schritt 21 und Schritt 22 durchgeführt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird im Schritt 21 eine diskrete
Kosinustransformation auf die Signalisierungsinformationen angewendet,
um die aufgrund der Korrelation zwischen benachbarten Hilfsträgern vorhandene
Redundanz zu eliminieren. Algorithmen, die eine diskrete Kosinustransformation
ausführlich darstellen,
finden sich zum Beispiel in folgenden Dokumenten: „ITU-T
Recommendation H.263",
03-96, oder „Digital
Video Processing",
Murat Tekalp, Prentice Hall PTR, 1995.
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Alternativ
kann der Schritt 21 darin bestehen, dass eine Zeitdekorrelation
erfolgt, indem Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden, denselben Hilfsträger betreffenden
Signalisierungsinformationen berechnet werden. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
werden die Differenzen (S1,i+1 – S1,i), ..., (SN–1,i+1 – SN–1,i),
(SN+1,i+1 – SN+1,i),
..., (SM,i+1 – SM,i)
für zwei
aufeinanderfolgende Signalisierungsinformationsvektoren berechnet.
Statt der Signalisierungsinformationen selbst wird die Differenz
zur vorhergehenden Signalisierungsinformation für jeden Hilfsträger übertragen.
Zusätzlich
zur Zeitdekorrelation kann eine Frequenzdekorrelation dadurch erfolgen,
dass die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden, benachbarte Hilfsträger betreffenden
Komponenten berechnet wird. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel werden
(S2,i – S1,i), ..., (SN–1,i – SN–2,i),
(SN+2,i – SN+1,i),
..., (SM,i – SM–1,i)
berechnet und anstelle der Signalisierungsinformationen selbst übertragen.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Schritt 21 einen Schritt zur Wahl der Dimension
der Korrelation zwischen den Signalisierungsinformationen. Die Korrelationsdimension
ist definiert durch die Anzahl der Größen, welche die Korrelation
der Signalisierungsinformationen aufgrund der Korrelation zwischen
den Hilfsträgern
in dem Mehrträger-Funknachrichtensystem
beeinflussen. Die Korrelationen sind üblicherweise Zeitkorrelation,
Frequenzkorrelation, Raumkorrelation.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Dimension der Korrelation vorteilhafterweise abhängig von
der Kohärenzbandbreite
und von der Geschwindigkeit des Mobilfunkgeräts. Ist die Kohärenzbandbreite
gemäß der Definition
in G. Proakis, „Digital Communications", 3. Ausgabe, McGraw-Hill
Int. Ed., Gleichung 14-1-16, Seite 764, größer als eine vorgegebene Anzahl
von Hilfsträgern
(z. B. 8 oder 16) und die Geschwindigkeit des Mobilfunkgeräts größer als ein
vorgegebener Geschwindigkeitsschwellwert (z. B. 1 bis 2,5 m/s),
dann ist die Korrelationsdimension gleich 2 zu wählen. In diesem Fall ist es
vorteilhaft, eine Zeit- und Frequenzdekorrelation durchzuführen.
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Vorzugsweise
prüft ein
adaptives System zunächst,
ob eine Änderung
des neuen Bit-Loading-Vektors vorliegt:
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Liegt
keine Änderung
vor, wird nur ein Bit in der Signalisierungsnachricht gesetzt, um
dies anzuzeigen, und zum Empfänger übertragen.
Statt den gesamten Signalisierungsinformationsvektor zu senden,
wird nur ein Bit benötigt.
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Sind
in der neuen Signalisierungsinformation Änderungen gegenüber der
vorhergehenden vorhanden, dann wird
- – für große Kohärenzbandbreiten
(also 8 und 16 Hilfsträger
breit im Fall 802.11a)
- – für Geschwindigkeiten
des Mobilfunkgeräts
kleiner als ein Geschwindigkeitswert „V" (V = 1 m/s für den Fall 802.11a) nur die
Zeit-Dekorrelationstransformation verwendet, und
- – für Geschwindigkeiten
des Mobilfunkgeräts
größer als
der Geschwindigkeitswert „V" (V = 1 m/s für den Fall 802.11a)
die Zeit-Frequenz-Dekorrelationstransformation
verwendet,
- – für die anderen
Kohärenzbandbreiten
(kleiner als 8 Hilfsträger
breit) nur die Zeit-Korrelationstransformation
verwendet.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand des Bit-Loading-Vektors
erläutert.
Für den Fachmann
versteht es sich jedoch von selbst, dass das erfindungsgemäße Verfahren
für jede
Signalisierungsinformation im Rahmen eines Mehrträger-Funknachrichtensystems
und insbesondere für die
oben angegebene Art der Signalisierungsinformation angewendet werden
kann.
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Vorzugsweise
wird, wenn im übertragenen komprimierten
Bit-Loading-Vektor ein Fehler erkannt wird, eine Nachricht vom Empfänger an
den Sender übermittelt.
Dann sendet der Sender bei der nächsten Übertragung
eines Bit-Loading-Vektors
einen nichtkomprimierten Bit-Loading-Vektor.
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Der
Eintritt dieses Falls ist unwahrscheinlich, da zur Übertragung
der komprimierten Signalisierungsinformation weniger Bandbreite
benötigt
wird. Infolgedessen kann eine bessere Kanalcodierung verwendet werden,
die einen höheren
Fehlerschutz bietet.
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Vorzugsweise
kann der Komprimierungsfaktor auch in Abhängigkeit vom Kanalzustand angepasst
werden. Ist der Kanalzustand zum Beispiel sehr schlecht, wird keine
Komprimierung oder nur Frequenzkomprimierung angewendet.
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So
ist jeder übertragene
Bit-Loading-Vektor unabhängig.
Tritt ein Fehler auf, wird diese fehlerhafte Signalisierungsinformation
ohne Folgen für
die nächste
Signalisierungsinformation einfach entfernt.
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Gemäß Schritt 22 wird
die dekorrelierte Signalisierungsinformation einer Entropiekomprimierung
unterzogen. Vorzugsweise kann die Entropiekomprimierung in einer
Huffman-Codierung oder einer arithmetischen Codierung RVLC oder
UVLC bestehen, die alle zur Familie der Entropiecodierungen (variable
length codes) gehören.
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Vorzugsweise
ist ein Lauflängenkomprimierungsalgorithmus
mit dem Universal Variable Length Code (UVLC) das optimale Modell,
um robuste komprimierte Daten bei einem gegebenen Komprimierungsfaktor
zu erhalten.
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Vorzugsweise
wird der Algorithmus wie folgt angepasst:
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Es
werden nur die Koeffizienten ungleich Null codiert. Der Bitstrom
der dekorrelierten Signalisierungsinformation wird mit einem Parameterpaar (RUN,
LEVEL) und einem Codewort „Blockende" (end of block – EOB) codiert,
wenn das Ende der Signalisierungsnachricht erreicht ist. Der RUN-Parameter
gibt die Anzahl der aufeinanderfolgenden, dem codierten Koeffizienten
vorausgehenden Null-Koeffizienten an. Der LEVEL-Parameter ist der
codierte Koeffizient selbst.
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Das
Koeffizientenpaar kann getrennt oder gemeinsam mit jedem Entropiecode
codiert werden.
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Besteht
die Signalisierungsinformation in dem Bit-Loading-Vektor, der sich aus üblichen Bit-Loading-Algorithmen (z. B.
Hughes-Hartogs, Chow-Cioffi, Fisher, etc.) ergibt, dann liefert
die Komprimierungskette (Schritte 21 bis 22) eine
codierte Version des Bit-Loading-Vektors,
deren Länge
kleiner als die der nichtcodierten Version ist. Der codierte Bit-Loading-Vektor wird über den
Funkkanal zu jedem Mobilfunkgerät
des Mehrträger-Funknetzes übertragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, die hohe Signalisierungslast in Mehrträgernetzen zu reduzieren und
dabei eine niedrige Bitfehlerrate zu gewährleisten.
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3 zeigt
einen Sender gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Sender kann in einem Zugangspunkt des Mehrträger-Funknetzes
oder in einem Endgerät
(d. h., auf beiden Seiten der Luftschnittstelle) realisiert werden.
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Ein
Sender 30 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst Mittel 31 zur Durchführung einer Dekorrelationstransformation
für Signalisierungsinformationen
und Mittel 32, um die Signalisierungsinformationen einer
Entropiekomprimierung zu unterziehen. Die Mittel 31 zur
Durchführung
einer Dekorrelationstransformation sind mit den Entropiekomprimierungsmitteln 32 verbunden,
die an den Luftschnittstellen-Ausgang des Senders 30 angeschlossen sind.
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Vorzugsweise
enthält
der Sender 30 zusätzlich
Mittel 33 zum Quantifizieren der dekorrelierten Signalisierungsinformationen.
Mittel zum Quantifizieren der dekorrelierten Signalisierungsinformationen werden
vorzugsweise eingesetzt, wenn die zu übertragenden Signalisierungsinformationen
nichtganzzahlige Werte sind. Eine Quantifizierung ist vor der Entropiekomprimierung
erforderlich. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Mittel 31 zum Dekorrelieren an die Quantifizierungsmittel 33 angeschlossen,
die mit den Entropiekomprimierungsmitteln 32 verbunden
sind.
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4 zeigt
unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhaltene Simulationsergebnisse.
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Der
Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurde für
den Fall von Bit-Loading-Leistungsvektoren mit HiperLAN2- und IEEE
802.11a-Kanaleigenschaften getestet. Ergebnisse für eine nomadische
Endgerätegeschwindigkeit
(1 m/s) und einen Funkkanal mit einer Kohärenzbandbreite von 2 bis 16
Hilfsträgern
(Gesamtbandbreite = 64 Hilfsträger)
zeigen, dass ein mittlerer Komprimierungsfaktor von 22% bis 45%
erreicht wird. 4 zeigt, dass die Leistungsvektoren
umso mehr komprimiert werden, je größer die Kohärenzbandbreite und je mehr
die Leistungsvektoren-Koeffizienten korreliert sind.
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Die
Simulationen zeigen, dass der Unterschied zwischen dem Bit-Loading-Leistungsvektor und
dem rekonstruierten Leistungsvektor recht klein ist. Die DCT-Transformation
ist mit einer Projektion auf der Basis einer Kosinusfunktion verknüpft. Aus diesem
Grund weist der rekonstruierte Leistungsvektor mehr „Schwingungen" als der ursprüngliche
auf. Diese Eigenschaft ist allen rekonstruierten Vektoren gemeinsam.
Somit ist es vorteilhaft, die rekonstruierten Vektoren zu „glätten" (d. h., die Schwingungen
zu unterdrücken),
um weniger Abweichungen zwischen den rekonstruierten und den ursprünglichen
Vektoren zu erhalten.