DE69836099T2

DE69836099T2 - Bitzuweisung in einem übertragungssystem

Info

Publication number: DE69836099T2
Application number: DE69836099T
Authority: DE
Inventors: Andre Tore
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: WO1999030465A1; EP1040628B1; DE69836099D1; SE9704551L; AU1355299A; US6690736B1; SE9704551D0; SE511248C2; EP1040628A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrträger- oder diskretes mehrtonmoduliertes (DMT) Übertragungssystem, in dem die Modulation unter Einsatz einer schnellen umgekehrten Fourier-Transformierten (IFFT) durchgeführt werden kann. Genauer genommen betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Bitzuweisung in einem solchen Übertragungssystem und das Übertragungssystem selbst.
BESCHREIBUNG DES ALLGEMEINEN STANDS DER TECHNIK
Die Mehrträgermodulation ist eine Technik, bei der ein Datenstrom in mehrere verschachtelte Bitströme unterteilt wird. Die Bitströme werden verwendet, um mehrere Träger zu modulieren, wonach die modulierten Träger zur Übertragung summiert werden.
Detaillierte Beschreibungen des Konzepts der Mehrträgermodulation findet man in J.A.C. Bingham, Multicarrier Modulation for Data Transmission: An Idea Whose Time Has Come, IEEE Communications Magazine, Mai 1990, Seiten 5-14, und in den unten stehenden Referenzen.
Die Träger, die innerhalb eines nutzbaren Frequenzbands beabstandet sind, und von welchen jeder einen Unterkanal bildet, werden mit einer Block- oder Symbolübertragungsrate moduliert. Die Anzahl der pro Block oder Symbol n_j Bits von Eingabedaten und das Verhältnis γ_j der gesamten übertragenen Leistung P, die jedem Träger oder Unterkanal j zugewiesen werden, werden vorzugsweise bestimmt, um das Rauschverhältnis (SNR) bei einer gegebenen Bitrate zu maximieren oder die Bitrate bei einem gegebenen maximal zulässigen Gesamtrauschverhältnis (SNR) zu maximieren.
Das wird in etwa verwirklicht, indem man die Variablen n_j und γ_j so auswählt, dass die Bitfehlerraten in allen Unterkanälen im Wesentlichen gleich sind. Daher können die verschiedenen Unterkanäle verschiedene Bitanzahlen pro Symbol übertragen und/oder verschiedene Übertragungsleistungen verwenden. Unterschiedliche Techniken wurden vorgeschlagen, um die Bitzuweisungsfaktoren n_j und Leistungsanteile γ_j bei verschiedenen Bedingungen zu bestimmen.
Durch das US Patent 4 438 511 (1984) ausgestellt auf Baran, ist eine relativ einfache Bitratenverringerungstechnik bekannt, bei der jeder Unterkanal eine vorausbestimmte Anzahl von Bits mit einem spezifizierten Leistungsniveau trägt. Das Rauschen bei jeder Frequenz wird gemessen, und es wird entschieden, ob bei jeder Trägerfrequenz übertragen wird oder nicht. Diese Technik gleicht daher für die tatsächliche Verteilung des Rauschens über den verfügbaren Frequenzbereich aus, jedoch auf Kosten einer reduzierten Bitrate.
Der gut bekannte Water-Filling-Algorithmus, der zum Beispiel beschrieben ist in J.G. Proakis, Digital Communication, 3. Ausgabe, McGraw-Hill, New York, 1995, ist das theoretische Informationsverfahren zum Optimieren der Leistungsverteilung auf Unterkanäle. Ein Rauschspektrum wird gemessen, das heißt das Rauschen als eine Funktion der Frequenz, wonach die verfügbare Leistung den Unterkanälen derart zugewiesen wird, dass die Summe des Rauschens und der Leistung für alle Unterkanäle gleich ist. Die maximale Anzahl von Bits, die jedem Unterkanal zuzuweisen sind, wird dann aus der erzielten Leistungsverteilung berechnet, und aus der gewünschten Bitfehlerrate jedes Unterkanals. Der Water-Filling-Algorithmus ist jedoch aufgrund von Rechenschwierigkeiten schwer umzusetzen, und weil er in Konstellationsgrößen, die keine Ganzzahlen sind, resultieren kann.
Eine Umsetzung für Konstellationen mit Ganzzahlen zugewiesener Bits ist beschrieben in den US Patenten 4 679 227, 4 731 816 und 4 833 706 (1987-1989) ausgestellt auf Hughes-Hartogs. Das Grundkonzept besteht darin, bitweise inkremental die Menge von Daten hinzuzufügen, die in jedem Symbol zu übertragen sind, bis eine vorausbestimmte Datenrate oder Leistungsauflage erzielt ist. Der Unterkanal, welchem ein Bit zugewiesen wird, wird als der ausgewählt, der die geringste Menge inkrementaler Leistung bei einer gegebenen Bitfehlerrate erfordert. Diese Technik ist jedoch in der Konvergenz langsam und setzt ein Rauschverhältnis der Unterkanäle ohne Variation über die Zeit voraus.
Um eine schnellere Konvergenz auf Kosten einer leicht beeinträchtigten Leistung zu erzielen, haben Chow et al. eine andere Technik vorgeschlagen, die zum Beispiel in dem US Patent 5 479 447 (1995) beschrieben ist. Gemäß dieser Technik, die ebenfalls mit der Zeit variierende Merkmale des Übertragungsmediums berücksichtigen und daher eine optimale Bitzuweisung während des Systembetriebs aufrechterhalten kann, wird eine anfängliche optimale Übertragungsrate beruhend auf anfänglichen Rauschverhältnisschätzungen der Unterkanäle bestimmt. Dann wird die Gesamtanzahl von Bits pro Symbol, die in jedem Unterkanal zu übertragen ist, durch ein anfängliches Bitzuweisungsverfahren bestimmt, bei dem die Konvergenz mit einer suboptimalen Schleife garantiert wird. Die Energieverteilung auf die Unterkanäle kann gemäß einer bestimmten Auflage in Zusammenhang mit der Übertragungsleistungsverteilung angepasst werden. Schließlich wird die Systembetriebsanpassungsfähigkeit durch Überwachen des Unterkanalrauschens und Ändern der Übertragungsrate und/oder Bitzuweisung innerhalb des Symbols in Echtzeit verwirklicht.
Die Haupteinschränkungen dieser oben beschriebenen Algorithmen besteht darin, dass sie zu primitiv (Baran) oder zu langsam sind und weite Zahlenberechnungen und Sortieren erfordern (Hughes-Hartogs, Chow et al.).
Der Algorithmus von Baran weist nicht wirklich Bits zu Trägern gemäß einer geänderten SNR-Verteilung unter den Unterkanälen zu, er beendet nur Unterkanäle, die ein niedrigeres SNR haben als ein vorausbestimmter Wert.
Der Algorithmus von Chow et al., der weite Zahlenberechnungen beinhaltet, unter anderem eine Anzahl rechnerisch komplexer Schritte, wird am besten auf einem Mikroprozessor ausgeführt. Daher steigert der Algorithmus die Systemkosten und verlangsamt die Geschwindigkeit.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Zuweisen von Bits zu Trägern in einem Mehrträger- oder diskreten mehrtonmodulierten (DMT) Übertragungssystem bereitzustellen, das weniger Rechenleistung braucht als die Bitzuweisung beim früheren Stand der Technik, und das Übertragungssystem bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Zuweisen von Bits zu Trägern mit einer schnellen Rate bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Zuweisen von Bits zu Trägern in spezifischer Hardware implementiert bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, das Zuweisen von Bits zu Trägern beim Systemstarten und/oder während des Systembetriebs bereitzustellen.
Diese Aufgaben sowie andere werden gemäß einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren und ein System erfüllt, das die folgenden Schritte aufweist. Ein Qualitätsfaktor l_j wird mit jedem Träger j, j = 1, ..., N zugewiesen. Eine Ladekonstante Lc wird als der Quotient eines Unterschieds und der Anzahl der Träger Nr, denen noch Bits zuzuweisen sind, berechnet, wobei der Unterschied der Unterschied der Summe der Qualitätsfaktoren l_k für die Träger k, k = 1, ..., N, denen noch Bits zuzuweisen sind, und der Gesamtanzahl von Datenbits nr ist, die noch zuzuweisen sind. Dann wird einem der Träger, dem noch Bits k zuzuweisen sind, eine Anzahl von Bits n_k zugewiesen, wobei die Anzahl von Bits nk der Unterschied des Qualitätsfaktors l_k und der Ladekonstanten Lc gerundet auf die nächste Ganzzahl ist. Der Schritt des Zuweisens einer Anzahl von Bits zu einem Träger wird für die anderen Träger wiederholt, bis ein vorausbestimmter Bruchteil der Träger Bits zugewiesen haben. Schließlich werden alle Schritte mit Ausnahme des ersten (Verbinden eines Qualitätsfaktors l_j mit jedem Träger j, j = 1, ..., N) wiederholt, bis alle Träger j Bits zugewiesen haben.
In spezifischen Situationen kann jedoch der Unterschied zwischen dem Qualitätsfaktor l_k und der Ladekonstanten Lc, gerundet auf die nächste Ganzzahl, das heißt die Anzahl von Bits n_j, die einem Träger j zuzuweisen ist, kleiner sein als Null oder sehr hoch. Werte kleiner als Null sind natürlich nicht zuweisbar, und Hardwareeinschränkungen spezifizieren oft eine maximale Anzahl von Bits nmax, die einem einzelnen Träger zuzuweisen sind. Es besteht daher ein Bedarf, diese Art von Extremwerten von n_j zu handhaben.
Dieser Bedarf wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren und ein System gedeckt, die zusätzlich zu den oben beschriebenen Schritten die folgenden Schritte aufweisen. Wenn die Anzahl von Bits n_j für einen beliebigen Träger j über nmax zu liegen kommt, wird der Qualitätsfaktor l_k für diesen Träger/diese Träger j auf die Summe der maximalen Anzahl von Bits nmax gesetzt, und die Ladekonstante Lc wird auf die nächste Ganzzahl gerundet. Wenn die Anzahl von Bits n_j für einen beliebigen Träger j unter Null fällt, wird der Qualitätsfaktor l_k für diesen Träger/diese Träger j auf den Wert der Ladekonstanten Lc gerundet auf die nächste Ganzzahl gesetzt. Schließlich, wenn die Anzahl von Bits n_j für einen beliebigen Träger j außerhalb des Bereichs [0, nmax] fällt und daher auf einen neuen Wert gesetzt wurde, werden alle Schritte mit Ausnahme des ersten Schritts (Verbinden eines Qualitätsfaktors l_j mit jedem Träger j, j = 1, ..., N) wiederholt. Diese iterative Vorgehensweise wird fortgesetzt, bis alle Träger j eine Anzahl von Bits zugewiesen haben, die innerhalb des Bereichs [0, nmax] fällt.
Vorzugsweise bezieht sich der Qualitätsfaktor l_j, j = 1, ..., N auf eine Rauschvarianz oder einen Fehler auf dem entsprechenden Träger j. Der Qualitätsfaktor wird vorzugsweise auf den zweiten Logarithmus des Umgekehrten der Rauschvarianz festgelegt, wozu ein Offsetfaktor δ_j hinzugefügt werden kann, jedoch nicht hinzugefügt werden muss.
Die Rauschvarianz kann auf einer Empfängerseite des Übertragungssystems gemessen werden, zum Beispiel als der Absolutwert des Unterschieds des empfangenen Signals und des gesendeten Signals (oder was für das gesendete Signal gehalten wird).
Das Zuweisen von Bits zu Trägern in der erfindungsgemäßen Art kann beim Starten des Übertragungssystems oder während des Betriebs des Übertragungssystems ausgeführt werden. Im letzteren Fall kann das erfindungsgemäße Zuweisen von Bits ausgeführt werden, wenn sich das Rauschen in irgendeiner Art ändert. Um eine Änderung im Rauschen zu entdecken, kann dieses ununterbrochen oder zumindest in regelmäßigen Abständen gemessen werden.
Der vorausbestimmte Bruchteil von Trägern, welchen Bits zugewiesen werden, bevor eine neue Ladekonstante Lc berechnet wird, kann als eine Hälfte der Träger, denen noch Bits zuzuweisen sind, ausgewählt werden. Dieser Wert erleichtert die Hardwareumsetzung der Erfindung, da das Teilen beim Berechnen der Ladekonstanten durch eine Verschiebeoperation ausgeführt werden kann.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Bitberechnung einfach und schnell ist und daher das anpassungsfähige Zuweisen von Bits in Echtzeit erlaubt, um zum Beispiel sich ändernde Trägerbedingungen zu berücksichtigen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die vereinfachten Vorgehensweisen das Implementieren mit dedizierter Hardware verbesserte Geschwindigkeit erlauben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird komplett dank der folgenden Beschreibung und der anliegenden Zeichnungen 1 bis 5 verstanden, die nur beispielhaft gegeben werden und daher die vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
1 zeigt ein Blockdiagramm, das einen Mehrträgersender, eine Übertragungsverbindung und einen Mehrträgerempfänger gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Bitzuweisungsverfahren zeigt.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Verfeinerung des erfindungsgemäßen Bitzuweisungsverfahrens darstellt.
4 veranschaulicht im Frequenzbereich ein Beispiel einer Mehrträgerqualitätsverteilung und die resultierende erfindungsgemäße Mehrträgerbitzuweisung.
5 veranschaulicht im Frequenzbereich ein Beispiel einer Mehrträgerqualitätsverteilung und die resultierende Mehrträgerbitzuweisung gemäß dem in 3 gezeigten verfeinerten Algorithmus.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Beschreibung werden spezifische Details zur Erklärung und nicht zur Einschränkung dargelegt, wie zum Beispiel spezifische Hardware, Anwendungen, Techniken, um ein gründliches Verstehen der vorliegenden Erfindung zu erlauben. Es ist jedoch für den Fachmann klar, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen umgesetzt werden kann, die von diesen spezifischen Details abweichen. In anderen Fällen werden detaillierte Beschreibungen gut bekannter Verfahren, Protokolle, Geräte und Schaltungen weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht mit unnötigen Details zu überladen.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels eines DMT (Discrete Multitone)-Kommunikationssystems, das gemeinsam mit zusätzlicher Hardware und/oder Software ein erfindungsgemäßes Übertragungssystem bilden kann. Ein Sender 11 weist einen Seriell-Parallel-Wandler 13 auf, einen Mehrträgermodulator 15 und eine Vorübertragungseinheit 17. Ein Empfänger 19 weist eine Nachkanaleinheit 21, einen Mehrträgerdemodulator 23 und einen Parallel-Seriell-Wandler 25 auf. Der Sender und der Empfänger sind in diesem Beispiel durch eine digitale Anschlussleitung (DSL) 27 oder eine andere Form von Kommunikationskanal verbunden.
Serielle Eingabedaten 29 mit einer Rate von B/T Bits pro Sekunde werden in eine parallele Form umgewandelt, das heißt von dem Wandler 13 in Blöcke zu B Bits für jedes Mehrträgersymbol gruppiert, mit einer Symbolperiode T. Die B Bits in jedem Mehrträgersymbol werden verwendet, um N getrennte Träger in dem Modulator 15 zu modulieren, wobei nj Bits den j. Träger modulieren.
Eine bevorzugte beispielhafte Ausführungsform verwendet eine umgekehrte schnelle Fourier-Transformierte (IFFT) während der Modulation, um N_s Zeitbereichsabtastungen des Übertragungssignals für jeden Block zu B Bits zu erzeugen, wobei N_s vorzugsweise gleich 2N ist. Der entsprechende Mehrträgerdemodulator 23 führt eine schnelle Fourier-Transformierte (FFT) aus, wobei n_j Bits von dem j. Träger zurückgewonnen werden. Die Träger oder Unterkanäle in einem DMT-System sind jeweils um 1/T Hz über die niedrigeren N/T Hz des Frequenzbands beabstandet.
Die seriellen Eingabedaten, die in Blöcke gruppiert werden, werden entsprechend von einem Codierer 29 codiert. Jeder der N aktiven Unterkanäle enthält eine Anzahl von n_j Bits, die diesem Unterkanal zugewiesen sind. Die Gesamtanzahl von Bits in einem DMT-Symbol beträgt daher:
Jede der N Bitgruppen wird in eine zweidimensionale Signalkonstellation mappiert. Die Beziehung zwischen der Anzahl von Bits in jedem Block zu Bits n_j und die erforderliche Anzahl von Signalpunkten M in einer Konstellation wird gegeben durch: M = 2nj'
Vorausgesetzt, dass die gleiche Signalenergie für alle Konstellationen verwendet wird, wird die Entfernung zwischen benachbarten Signalpunkten mit dem Steigen der Konstellationsgrößen verringert, was in einer gesteigerten Bitfehlerrate (BER) mit dem gleichen Rauschverhältnis (SNR) resultiert.
Der Ausgang des Codierers sind N komplexe Zahlen, eine für jede Gruppe von Bits, die dann in ein Gerät 31 gespeist werden, das die IFFT berechnet. Der Ausgang ist eine reale Sequenz, die als Überlagern von N modulierten orthogonalen Trägern beabstandet um Δf betrachtet werden kann.
Die Vorübertragungseinheit weist einen Wandler 33 auf, in dem der parallele IFFT-Ausgang in einen seriellen Datenstrom zurückverwandelt wird. Ferner wird während des Vorübertragungsverarbeitens der digitale modulierte Datenstrom zyklisch mit einem Präfix versehen, in von einem Digital-Analog-Wandler 35 analoge Form umgewandelt, tiefpassgefiltert, und durch einen Gleichstrom-Isoliertransformator (in 1 nicht gezeigt) geführt, um ein analoges Übertragungssignal zu erzeugen, das der Eingang für den Übertragungskanal 27 ist.
Am Empfängerende wird das empfangene analoge Signal während des Nachkanalverarbeitens durch einen Gleichstrom-Isoliertransformator geführt und tiefpassgefiltert (in 1 nicht gezeigt), von einem Analog-Digital-Wandler 37 in die digitale Form umgewandelt, zeitbereich-vorentzerrt von einem Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR) (in 1 nicht gezeigt), um den effektiven Speicher des Kanals einzuschränken, des zyklischen Präfix entledigt und in einem Seriell-Parallel-Wandler 39 in einen parallelen Datenstrom umgewandelt.
Die resultierenden digitalen Signale werden von einer FFT-Operation in einer Vorrichtung demoduliert und in parallele Frequenzbereichsignale umgewandelt. Da die Amplituden zu Frequenzantworten und die Verzögerung zu Frequenzantworten des Kanals nicht unbedingt über das gesamte verwendete Frequenzband konstant sind, unterscheidet sich das empfangene Signal von dem übertragenen Signal, und die parallelen Eingänge zu einem Decoder 43 unterscheiden sich von den parallelen Ausgängen von dem Codierer 29. Eine einfache Form des Entzerrens, die verwendet wird, um diese Unterschiede auszugleichen, ist ein Frequenzbereichentzerrer (FEQ) (in 1 nicht gezeigt), der die Dämpfung und die Verzögerung jedes der Träger unmittelbar vor dem Weitergeben der parallelen Frequenzbereichsignale zu dem Decoder 43 zum Decodieren anpasst. Schließlich werden die Datenströme von dem Parallel-Seriell-Wandler 25 in einen seriellen Ausgangsdatenstrom 45 zurückumgewandelt. Idealerweise sind die erfassten seriellen Ausgangsdaten von dem Decoder 43 identisch mit den eingegebenen seriellen Daten des Codierers 29.
Weitere Details in Zusammenhang mit der Mehrträgermodulation finden sich zum Beispiel in dem Bingham-Artikel in Discrete Multiple Tone Modulation with Coset Coding for the Spectrally Shaped Channel, IEEE Transactions on Communications, Band 40, Nr. 6, Seiten 1012-1029, Juni 1992 von A. Ruiz et al. und in dem Chow-Patent. Diese Dokumente werden hierbei durch Bezugnahme eingegliedert.
Das Bitladeverfahren weist Bits, die zu übertragen sind, derart zu, dass jeder Unterkanal die Erfordernisse hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit eines Symbolfehlers P_M innerhalb einer Systemleistungsmarge erfüllt. Die Bitzuweisung basiert auf einer Rauschvarianz σ² in jedem Unterkanal und der Vorkenntnis der durchschnittlichen Energie in jeder Unterkanalkonstellation, die gemeinsam effektiv das Rauschverhältnis SNR für jeden Unterkanal bereitstellen.
Gemäß J.G. Proakis, Digital Communications, 3. Ausgabe, McGraw-Hill, New York (1995), ist die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit P_M für eine Rechteckkonstellation in additivem Gauß'schem Rauschen (AWGN) eng oberhalb begrenzt durch:
wobei eine Anzahl von Konstellationspunkten M pro Unterkanal definiert wird als M = 2ⁿ; n = 1, 2, ... die Anzahl von Bits ist, die pro Signalpunkt in der Konstellation geleitet wird, ε_av die durchschnittliche Energie der Unterkanalkonstellation und ein bekannter Konzeptionsparameter ist, der für jede Unterkanalkonstellation eingestellt wird, und N₀ die Einzelseiten-Leistungsspektraldichte des Rauschens für einen empfangenen Signalkonstellationspunkt (am Empfänger) ist und als N₀ = 2σ² definiert wird, wobei σ² die empfangene Rauschvarianz pro realer/imaginärer Dimension ist. Die Rauschvarianz kann (in einfacher Art) als die Varianz des Symbolfehlers verbildlicht werden, das heißt zwischen dem empfangenen Signalpunkt und dem nächst liegenden Konstellationssignalpunkt in der komplexen Ebene. Die Funktion Q bringt das Rauschverhältnis in Beziehung mit dem Symbolfehler P_M für eine bestimmte Konstellationsgröße.
Auch wenn die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit P_M und die Bitfehlerrate (BER) nicht identisch sind, geht diese Analyse davon aus, dass P_M und BER in etwa gleich sind, weil ein Symbol gewöhnlich einem oder mehreren Bits entspricht. Bestimmte Symbolcodierungstechniken, zum Beispiel Gray-Codieren, bei welchem benachbarte Symbole, die die wahrscheinlichsten Fehler enthalten, sich nur durch ein Bit unterscheiden, können verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Bitfehlerwahrscheinlichkeit und die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit sehr ähnlich sind.
Bei den meisten praktischen Anwendungen ist die Bitfehlerrate (und bei dieser Anwendung die Symbolfehlerrate P_M) eine bekannte Systemkonzeptionsauflage. Um die gleiche BER (oder P_M) für alle Unterkanalsignalkonstellationen zu erzielen und daher Bits optimal jedem Unterkanal unter einer Auflage, dass die durchschnittliche Energie aller Unterkanalkonstellationen die gleiche ist, zuzuweisen, muss der Nenner (M – 1)N₀ der oben stehenden Gleichung konstant gehalten werden, das heißt (M – 1)N0 = 2σ2(2n – 1) = C
Die Konstante C hängt von der spezifischen BER, die zu verwirklichen ist, ab. Das Lösen der Gleichung für die Anzahl zuzuweisender Bits n stellt die Anzahl von Bits bereit, die einem Unterkanal bei einer gegebenen BER und der Rauschvarianz σ 2 / j auf diesem bestimmten Unterkanal zugewiesen werden können, das heißt die Bitzuweisung für jeden Unterkanal j, der n_j entspricht:
wobei σ 2 / j die Rauschvarianz auf dem Unterkanal j ist und C:
Bei einer besonderen Umsetzung sind die Bitladewerte anteilsmäßig zum Umgekehrten von log₂ der Rauschvarianz σ 2 / j auf dem entsprechenden Kanal oder Träger j verteilt. Die Werte sind auf Ganzzahlkonstellationen beschränkt, zum Beispiel durch Runden auf Ganzzahlkonstellationsgrößen, was die Gesamtanzahl der zugewiesenen Bits beeinflusst.
Unten und unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird eine detaillierte Darstellung des erfindungsgemäßen Bitzuweisungsverfahrens veranschaulicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann initiiert werden 101, indem die Werte der Gesamtanzahl von Trägern N und die Gesamtanzahl der Bits B, die zuzuweisen sind, und vorzugsweise auch die Gesamtanzahl der Bits nmax, die zum Zuweisen zu einem einzelnen Träger zulässig ist, definiert werden 103.
Ein Anzahl von Variablen wird eingeführt und erhält anfänglich einen Wert 105. Eine Variable, die die Anzahl von Trägern Nr spezifiziert, welchen noch Bits zuzuweisen ist, wird auf N gesetzt. Eine weitere Variable nr, die die Anzahl von Datenbits spezifiziert, die noch zu Trägern zuzuweisen sind, wird anfänglich auf B gesetzt. Ferner werden zwei Variablen m und k auf Null gesetzt.
Ein Qualitätsfaktor l_j wird dann für jeden Träger j, j = 1, ..., N festgelegt 107, wobei N die Gesamtanzahl der Träger ist. Der Qualitätsfaktor l_j wird mit dem Rauschen oder Fehler auf dem entsprechenden Träger j, j = 1, ..., N in Beziehung gebracht.
Vorzugsweise wird der Qualitätsfaktor l_j, 1 = 1, ..., N auf den zweiten Logarithmus des Umgekehrten der empfangenen Rauschvarianz σ² gesetzt. Zu diesem Wert kann ein Offsetfaktor δj eventuell hinzugefügt werden. Die Rauschvarianz σ² kann an einer Empfängerseite des Übertragungssystems gemessen werden, zum Beispiel als der Absolutwert des Unterschieds des empfangenen und des gesendeten Signals (oder was als das gesendete Signal angenommen wird).
Die Variable m wird inkrementiert 109 um eins: m = m + 1wonach eine Ladekonstante Lc als der Quotient eines Unterschieds und der Anzahl von Trägern Nr, welchen noch Bits zuzuweisen sind, berechnet wird 111, wobei der Unterschied der Unterschied der Summe der Qualitätsfaktoren l_k für die Träger k, k = 1, ..., Nr, denen noch Bits zuzuweisen sind, und der Gesamtanzahl der Datenbits Nr ist, die noch zuzuweisen sind, das heißt:
Dann wird k inkrementiert 113 um eins: k = k + 1
Die Anzahl Bits n_k, die dem Träger k zuzuweisen ist, wird nun berechnet 115 als: nk = INT (lk – LC)
Der Wert von n_k muss auf die nächste Ganzzahl gerundet werden, da einem Träger nur eine Ganzzahl von Bits zugewiesen werden darf. Dann wird die Anzahl von Träger Nr, denen noch Bits zuzuweisen sind, verringert 117 um eins: Nr = Nr – 1und die Anzahl der restlichen Datenbits nr, die zuzuweisen ist, wird verringert 118 gemäß: Nr = Nr – nk
Es wird geprüft 119, ob Nr > N/2m und, wenn das der Fall ist, werden die Schritte 113 bis 118 wiederholt, bis Nr gleich N/2^m ist. Der vorbestimmte Bruchteil N/2^m von Trägern, welchen Bits zugewiesen werden, bevor eine neue Ladekonstante Lc berechnet wird 111, wird als eine Hälfte der Träger ausgewählt, welchen noch Bits zuzuweisen sind. Dieser Wert erleichtert die Hardwareumsetzung der Erfindung, weil die Teilung beim Berechnen der Ladekonstanten durch eine Verschiebeoperation beeinflusst werden kann. Theoretisch kann der Bruchteil auf andere Werte gesetzt werden, zum Beispiel ein Viertel der Träger, welchen noch Bits zuzuweisen sind.
Der Grund des Neuberechnens eines Werts von Lc, wenn die Hälfte der restlichen Träger zugewiesen wurde, ist das Vermeiden einer Fehleransammlung. Das bedeutet, dass der neue Wert von Lc berechnet wird, wenn die restlichen Träger, die noch Bits zu erhalten haben, N, N/2, N/4, ..., 4, 2, 1 betragen. Das garantiert, dass alle Bits zugewiesen werden.
Schließlich wird geprüft 121, ob Nr größer ist als 1, das heißt, ob: Nr > 1.
Ist Nr größer als 1, werden die Schritte 109 bis 119 wiederholt, bis die Bedingung nicht mehr erfüllt ist. In diesem Zeitpunkt verbleibt nur ein Träger, dem Bits zuzuweisen sind. Das wird verwirklicht, indem k um eins inkrementiert wird 123, und durch Berechnen 125 von n_k als: nk = B – nr,wonach das erfindungsgemäße Verfahren endet 127. Die Schritte 109 bis 125 werden in der folgenden Beschreibung Vorgehensweise 129 genannt. Bei dieser Beschreibung wird angenommen, dass die Gesamtanzahl von Trägern N in der Form 2^x geschrieben werden kann, wobei x eine Ganzzahl ist. Sollen andere Anzahlen von Trägern verwendet werden, muss das Verfahren hinsichtlich zum Beispiel des vorbestimmten Bruchteils N/2^m geändert werden.
In spezifischen Situationen kann der Unterschied des Qualitätsfaktors l_jund der Ladekonstanten Lc gerundet auf die nächste Ganzzahl, das heißt die Anzahl von Bits nj, die einem Träger j zuzuweisen ist, als niedriger als Null oder sehr hoch berechnet werden. Werte unter Null sind natürlich nicht zuweisbar, und Hardwareeinschränkungen geben oft eine maximale Anzahl von Bits nmax vor, die einem einzelnen Träger zuzuweisen ist. Es ist daher erforderlich, diese Art von Extremwerten von nj zu handhaben.
Dieses Erfordernis wird durch eine andere Version der vorliegenden Erfindung, die eine Verfeinerung enthält, verwirklicht. Diese Version wird unten detailliert in Zusammenhang mit 3 beschrieben, die ein Flussdiagramm zeigt, das das verfeinerte Verfahren darstellt.
Das Verfahren wird initiiert 131. Es folgt dann die oben beschriebenen Vorgehensweise 129 (Schritte 109 bis 125), wonach eine Variable x auf „WAHR" gesetzt wird 133, und eine Variable y auf Null gesetzt wird 135, und dann um eins inkrementiert wird 137, das heißt: x = „WAHR" (Schritt 133) y = 0 (Schritt 135) y = y + 1 (Schritt 137).
Dann wird geprüft 139, ob: ny > nmaxund wenn ja, muss der Qualitätsfaktor l_y für diesen Träger neu berechnet werden 141 als ly = Lc + nmax.
Wenn n_y nicht höher ist als nmax, wird geprüft 143, ob: ny < 0und wenn n_y kleiner ist als Null, wird der Qualitätsfaktor l_y neu berechnet 145 als ly = Lc.
Wenn n_y gemäß Schritt 141 oder 145 neu berechnet wird, wird die Variable x auf „FALSCH" gesetzt 146. Nach diesem Schritt 146 oder wenn 0 ≤ ny ≤ nmax, wird geprüft 147, ob y gleich der Gesamtanzahl von Trägern ist. y = N?
Ist das nicht wahr, werden die Schritte 137 bis 146 wiederholt, das heißt, es wird für jeden Träger y, y = 1, ..., N geprüft, ob die Anzahl der ihm zugewiesenen Bits über nmax oder unter Null liegt. Der Qualitätsfaktor l_y für diesen/diese Träger wird neu berechnet.
Dann wird geprüft 149, ob x = „WAHR",das heißt, ob kein Qualitätsfaktor neu berechnet wurde. Ist das der Fall, endet das erfindungsgemäße Verfahren 151. Anderenfalls wird die ganze Einheit von Vorgehensweisen wiederholt, das heißt die Vorgehensweise 129 und die Schritte 133 bis 147, bis die Variable x während einer ganzen Iteration als „WAHR" behalten wird.
Alternativ werden die Vorgehensweise 129 und die Schritte 133 bis 147 eine vorbestimmte Anzahl von Malen (3 bis 30) wiederholt, um eine einfachere Implementierung zu verwirklichen. Die Anzahl von Iterationen muss daher so festgelegt werden, dass Extremwerte von n_y, y = 1, ..., N eliminiert werden.
4 und 5 veranschaulichen im Frequenzbereich Beispiele einer Mehrträger-Qualitätsverteilung und die erfindungsgemäße resultierende Mehrträger-Bitzuweisung. Die Qualitätsverteilung l (in willkürlichen Einheiten) gegen Trägerzahl j wird als glatte Kurve angenommen, und die Bitzuweisung n (in Anzahl Bits) gegen Trägerzahl ist eine schrittweise Funktion. Die Gesamtanzahl der Träger N beträgt 1024, und die Gesamtanzahl der Bits B in einem Symbol beträgt 6000.
4 zeigt ein Bitzuweisungsergebnis ohne irgendwelche Einschränkungen einer maximalen Anzahl von Bits, die einem einzelnen Träger zugewiesen werden können. 5 zeigt das Ergebnis, wenn das verfeinerte Verfahren verwendet wurde (nmax = 12).
Das Zuweisen von Bits zu Trägern in erfindungsgemäßer Art kann beim Starten des Übertragungssystems oder während des Betriebs des Übertragungssystems ausgeführt werden. Im letzten Fall, kann die erfindungsgemäße Bitzuweisung durchgeführt werden, wenn sich das Rauschen irgendwie ändert. Um eine Änderung des Rauschens zu entdecken, kann dieses laufend oder zumindest in regelmäßigen Abständen gemessen werden.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die derartige Bitberechnung eine anpassungsfähige Zuweisung von Bits in Echtzeit erlaubt, um zum Beispiel sich ändernde Trägerbedingungen zu berücksichtigen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die vereinfachten Verfahren das Implementieren und Verwenden dedizierter Hardware (an Stelle von Software) für verbesserte Geschwindigkeit erlauben.
Die vorliegende Erfindung kann natürlich an jede beliebige Kommunikationsanwendung angewandt werden, die Mehrträgermodulation verwendet. Eine beispielhafte Anwendung zusätzlich zu verdrahteten DSL-Anwendungen ist die Übertragung in Funkfrequenzbändern.
Die Beschreibung der Erfindung macht klar, dass sie in einer Vielzahl von Arten variiert werden kann. Solche Variationen dürfen nicht als Abweichung vom Geltungsbereich der Erfindung betrachtet werden. Alle solchen Änderungen, die für den Fachmann offensichtlich sind, fallen in den Geltungsbereich der anliegenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Zuweisen von Bits zu Trägern in einem Mehrträger- oder diskreten mehrtonmodulierten Übertragungssystem, wobei eine Anzahl von Trägern N und eine Anzahl von Bits B eingeschränkt sind, erstere aufgrund des verwendbaren Frequenzbands und der Trägerbeabstandung, letztere aufgrund der Bitrate und der Blockgröße, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: i) Verbinden eines Qualitätsfaktors l_j (107) mit jedem Träger j, j = 1, ..., N, ii) Berechnen einer Ladekonstanten Lc (111) als ein Quotient, der als Zähler einen Unterschied und als Nenner eine Anzahl von Trägern Nr hat, welchen noch Bits zuzuweisen sind, wobei der Unterschied gleich der Summe der Qualitätsfaktoren l_k für die Träger k, k = 1, ..., N ist, welchen noch Bits zuzuweisen sind, abzüglich der Gesamtanzahl von Datenbits nr, die noch zuzuweisen sind, iii) Zuweisen einer Anzahl von Bits n_k (115) zu einem der Träger k, dem noch Bits zuzuweisen sind, wobei die Anzahl von Bits n_k der Unterschied ihres Qualitätsfaktors l_k abzüglich der Ladekonstanten Lc ist, wobei der Unterschied dann auf die nächste Ganzzahl gerundet wird, iv) Wiederholen des Zuweisungsschritts (119), bis ein vorbestimmter Bruchteil von Trägern Bits zugewiesen bekommen hat, und v) Wiederholen der Schritte ii)-iv) (121), bis alle Träger j Bits zugewiesen haben.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: vi) wenn die Anzahl der Bits n_j für jeden beliebigen Träger j über den Bereich [0, nmax] fällt, wobei nmax eine vorbestimmte maximale Anzahl von Bits ist, die einem einzelnen Träger zuzuweisen sind (139), Setzen (141) des Qualitätsfaktors l_j für diesen/diese Träger j auf die Summe der maximalen Anzahl von Bits nmax und der Ladekonstanten Lc, vii) wenn die Anzahl von Bits n_j für jeden beliebigen Träger j unter den Bereich [0, nmax] fällt (143), Setzen (145) des Qualitätsfaktors l_j für diesen/diese Träger j gleich der Ladekonstanten Lc, und viii) wenn die Anzahl von Bits nj für jeden beliebigen Träger j außerhalb des Bereichs [0, nmax] fällt (149), Wiederholen der Schritte ii) bis vii).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Setzen des Qualitätsfaktors l_j, j = 1, ..., N auf den zweiten Logarithmus des Umgekehrten der Rauschvarianz auf dem entsprechenden Träger j, j = 1, ..., N, vor dem Durchführen des Schritts ii).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Setzen des Qualitätsfaktors l_j, j = 1, ..., N auf die Summe des zweiten Logarithmus des Umgekehrten der Rauschvarianz auf dem entsprechenden Träger j, j = 1, ..., N, und eines Offsetfaktors δ_j, j = 1, ..., N, vor dem Durchführen des Schritts ii).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch das Messen des Rauschens n_j, j = 1, ..., N auf einer Empfängerseite des Übertragungssystems.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Messen des Rauschens n_j, j = 1, ..., N als der Absolutwert des Unterschieds zwischen dem empfangenen Signals und gesendeten Signal oder dem, was als das gesendete Signal angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch das Ausführen während des Betriebs des Übertragungssystems.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch das Ausführen in dem Fall, in dem sich das Rauschen n_j, j = 1, ..., N irgendwie ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Ausführen beim Starten des Übertragungssystems.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Auswählen von einer Hälfte, ½ als vorbestimmter Bruchteil der Träger k.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Auswählen eines Viertels, ¼ als vorbestimmter Bruchteil des Trägers k.
Mehrträger- oder diskretes mehrtonmoduliertes Übertragungssystem, bei dem eine Anzahl von Trägern N und eine Anzahl von Bits B eingeschränkt ist, erstere aufgrund des verwendbaren Frequenzbands und der Trägerbeabstandung, letztere aufgrund der Bitrate und der Blockgröße, wobei das Verfahren folgendes aufweist: i) Mittel zum Verbinden eines Qualitätsfaktors l_j mit jedem Träger j, j = 1, ..., N, ii) Mittel zum Berechnen einer Ladekonstanten Lc als ein Quotient, der als Zähler einen Unterschied und als Nenner eine Anzahl von Trägern Nr hat, welchen noch Bits zuzuweisen sind, wobei der Unterschied gleich der Summe der Qualitätsfaktoren l_k für die Träger k, k = 1, ..., N ist, welchen noch Bits zuzuweisen sind, abzüglich der Gesamtanzahl von Datenbits nr, die noch zuzuweisen sind, iii) Mittel zum Zuweisen einer Anzahl von Bits n_k zu einem der Träger k, dem noch Bits zuzuweisen sind, wobei die Anzahl von Bits n_k der Unterschied ihres Qualitätsfaktors l_k abzüglich der Ladekonstanten Lc ist, wobei der Unterschied dann auf die nächste Ganzzahl gerundet wird, iv) Mittel zum Wiederholen des Zuweisungsschritts, bis ein vorbestimmter Bruchteil von Trägern Bits zugewiesen bekommen hat, und v) Mittel zum Wiederholen der Schritte ii)-iv), bis alle Träger j Bits zugewiesen haben.
Mehrträgerübertragungssystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch: vi) Mittel für den Fall, dass die Anzahl der Bits nj für jeden beliebigen Träger j über den Bereich [0, nmax] fällt, wobei nmax eine vorbestimmte maximale Anzahl von Bits ist, die einem einzelnen Träger zuzuweisen sind, zum Setzen des Qualitätsfaktors l_j für diesen/diese Träger j auf die Summe der maximalen Anzahl von Bits nmax und der Ladekonstanten Lc, vii) Mittel, für den Fall, dass die Anzahl von Bits n_j für jeden beliebigen Träger j unter den Bereich [0, nmax] fällt, zum Setzen des Qualitätsfaktors l_j für diesen/diese Träger j gleich der Ladekonstanten Lc, und viii) Mittel, für den Fall dass die Anzahl von Bits nj für jeden beliebigen Träger j außerhalb des Bereichs [0, nmax] fällt, zum Wiederholen der Schritte ii) bis vii).