DE69929871T2

DE69929871T2 - Verfahren und Vorrichtung für Mehrfachzugriff in einem Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE69929871T2
Application number: DE69929871T
Authority: DE
Inventors: Patrick Duvaut; Thierry Jesupret; Marc Marie Ghislain Durvaux
Original assignee: Alcatel SA; Nokia Inc
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: EP1098468A1; JP2001177506A; ES2255237T3; US6744824B1; ATE318031T1; DE69929871D1; EP1098468B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mehrfachzugriffsverfahren, auf einen Sender und einen Empfänger, die so angepasst sind, ein solches Mehrfachzugriffsverfahren auszuführen, wie in der Präambel der Ansprüche 1, 4 und 6 beschrieben.
Ein solches Mehrfachzugriffsverfahren, sowie ein Sender und ein Empfänger, die so angepasst sind, ein solches Verfahren auszuführen, sind bereits in der Technik bekannt, z.B. aus dem Beitrag "A New Look at Digital Orthogonal Transmultiplexers for CDMA Communications" von A.N. Akansu, M.V. Tazebay und R.A. Haddad, IEEE Trans. on Signal Processing, Band 45, Nr. 1, Jan 1997. Darin werden in 1b Sender und Empfänger für ein Mehrfachzugriffsverfahren mit Code-Multiplex, im Folgenden mit CDMA abgekürzt, gezeigt. In einem CDMA-Kommunikationssystem ist jedem Benutzer-Netzwerk-Endgerät ein eindeutiger Code zugeordnet, um die Zentralstation, die auf eine Punkt-Mehrpunkt-Weise mit ihm gekoppelt ist, in die Lage zu versetzen, auf der Grundlage dieses eindeutigen Codes die Daten von jedem dieser Netzwerk-Endgeräte zu unterscheiden. Bevor die Daten von einem Netzwerk-Endgerät in Aufwärtsrichtung gesendet werden, wird dieser Code mit den überabgetasteten (oversampled) Datensymbolen mittels eines Vorzeichenwechsels multipliziert. Diese Operation kann als gleichwertig zu einer diskreten Zeitfilterung dieses überabgetasteten Symbols mit einem Filter betrachtet werden, das diesen Code als Impulsantwort hat. In dem in 1b des bisherigen Standes der Technik gezeigten Empfänger ist eine Vielzahl von Empfangsfiltern vorhanden, wobei jedes mit einem entsprechenden Benutzer-Endgerät verbunden ist, wonach das Signal wieder unterabgetastet (undersampled) wird.
Man beachte, dass in diesem gesamten Dokument Oversampling (Überabtastung) als eine Operation auf einer diskreten Signalform betrachtet werden muss, womit eine vorher festgelegte Anzahl von Nullen zwischen zwei aufeinander folgende Werte dieser diskreten Signalform eingefügt wird.
Das CDMA-Verfahren hat sich als effizientes Mehrfachzugriffsverfahren mit ebenem Spektrum bewährt. Es verliert jedoch an Effizienz, wenn die Benutzer nicht synchron sind. Darüber hinaus sinkt die Fähigkeit, zwischen mehreren Benutzern zu unterscheiden, wenn in den Kommunikationskanälen Dispersion auftritt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mehrfachzugriffsverfahren, sowie einen Sender und einen Empfänger des oben beschriebenen Typs bereitzustellen, wobei die oben erwähnten Probleme des Verlustes der Orthogonalität bei Vorliegen von dispersiven Kanälen oder nicht synchronen Benutzern gelöst werden, während der Vorteil des ebenen Spektrums erhalten bleibt.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch die Tatsache erreicht, dass das Verfahren die Schritte enthält, wie im charakterisierenden Teil des ersten Anspruchs beschrieben, und dadurch, dass der Sender und der Empfänger weiterhin so angepasst sind, wie in den Ansprüchen 4 und 6 beschrieben.
Auf diese Weise, wie ausführlicher im beschreibenden Teil dieses Dokumentes bewiesen wird, ist es, indem man nun im Z-Bereich unter Verwendung von Allpass-Filtern für die Übertragung arbeitet und im Empfänger direkt eine Z-Transformation durchführt, wobei die Nullstellen dieser Filter den unterscheidenden Variablen der Benutzer-Endgeräte entsprechen, im Empfänger möglich, den ursprünglichen Datenstrom wiederzugewinnen, der von einem bestimmten Benutzer gesendet wurde, während die Beiträge aller anderen auf Null gesetzt werden, auch bei Vorhandensein von nicht synchronen Benutzern und dispersiven Kanälen. Darüber hinaus wird wegen der Allpass-Charakteristik des Senders ein ebenes Spektrum beibehalten.
Eine weitere charakteristische Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wird in den Ansprüchen 2, 5 und 7 beschrieben.
Hierdurch wird die Unempfindlichkeit bezüglich Störungen sogar noch erhöht. In der Tat ist durch die Zuordnung einer Vielzahl von Nullen statt nur einer eine Mittelwertbildung über mehrere empfangene Signale, die vom selben Benutzer gesendet wurden, möglich, wodurch das Signal-Rauschverhältnis erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Netzwerk-Endgerät und eine Zentralstation, die einen Sender, bzw. einen Empfänger enthält, wie bereits beschrieben und wie weiter in Anspruch 8 und 9 angegeben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Kommunikationsnetz, in dem das oben erwähnte Verfahren angewendet wird, wie in den Ansprüchen 10 und 11 beschrieben.
Eine zusätzliche charakteristische Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wird in den Ansprüchen 3 und 12 erwähnt. Diese erlaubt die Kompensation der Frequenz- oder Phasenverschiebungen im Kommunikationskanal, zum Beispiel durch den Doppler-Effekt, da dieser Parameter gemessen werden kann und dazu benutzt wird, die Vielzahl von Nullen zu bestimmen, die mindestens einem Endgerät zugewiesen werden. Durch Mitteilung der so bestimmten Nullen an die Vielzahl der Endgeräte und an den Empfänger, wie in Anspruch 13 angegeben, und indem diese Schritte regelmäßig ausgeführt werden, wie in Anspruch 14 beschrieben, kann sogar eine dynamische Zuordnung von Nullen erzielt werden, was ein dynamisches Mehrfachzugriffsverfahren erlaubt.
Die oben angegebenen und andere Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung werden deutlicher, und die Erfindung selbst wird am besten verstanden, indem man auf die folgende Beschreibung einer Ausführung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug nimmt, in denen:
1 schematisch ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationsnetz zeigt, in dem das vorliegende Verfahren angewendet werden kann,
2 schematisch das Netzwerk-Endgerät Ti aus 1 zeigt, das einen Sender Txi gemäß der Erfindung enthält,
3 schematisch die Zentralstation CS aus 1 zeigt, die einen Empfänger RX gemäß der Erfindung enthält.
Das Kommunikationsnetz aus 1 enthält eine Zentralstation CS und eine erste Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten T1, ..., Ti, ... bis Tn. Die Zentralstation ist mit diesen Netzwerk-Endgeräten über die Reihenschaltung einer gemeinsamen, mit L bezeichneten Übertragungsverbindung, die zum Beispiel aus einer Kupferleitung für die Kommunikation über ein Stromversorgungsleitungs-Netzwerk, abgekürzt mit PLC, besteht, und individuellen Netzwerk-Endgeräte-Verbindungen L1, ..., Li, ..., Ln, die zum Beispiel in dem Fall des oben erwähnten PLC-Netzwerks auch aus Kupferkabeln bestehen, gekoppelt. In anderen Umgebungen, zum Beispiel in UMTS-Netzen, was für Universal Mobile Telephony Services steht, bestehen die gemeinsamen Übertragungs- und die individuellen Kanäle aus Funkverbindungen. Dies gilt auch für Satelliten-Netzwerke. Das Kommunikations-Netzwerk hat somit eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur in Abwärtsrichtung (Downstream), was die Richtung von der Zentralstation CS zu den Netzwerk-Endgeräten T1 bis Tn ist, und eine Mehrpunkt-zu-Punkt-Architektur in Aufwärtsrichtung (Upstream), d.h. die Richtung von den Netzwerk-Endgeräten T1 bis Tn zur Zentralstation CS.
Netzwerke, die eine solche Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur in Abwärtsrichtung haben, sind zum Beispiel die schon erwähnten PLC-, UMTS-Netzwerke und Satelliten-Netzwerke.
In Aufwärtsrichtung nutzen die Netzwerk-Endgeräte T1 bis Tn im Allgemeinen die gemeinsame Übertragungsleitung L im Multiplex-Betrieb. In heutigen Netzen besteht das Multiplex zum Beispiel aus dem Multiplexen im Zeitbereich, TDMA genannt, was für Time Domain Multiple Access steht und bedeutet, dass verschiedene Netzwerk-Endgeräte in verschiedenen Zeitschlitzen Informationen zur Zentralstation CS senden. Dieses Verfahren wird zum Beispiel zurzeit im asynchronen passiven optischen Netzwerk benutzt, das mit APON abgekürzt wird, und in GSM-Netzen. Bei diesem Verfahren werden Zeitschlitze den individuellen Benutzer-Netzwerk-Endgeräten zugeordnet. Ein anderes Mehrfachzugriffsverfahren, orthogonales Frequenzmultiplex genannt, umfasst die Zuordnung von speziellen Frequenzen oder Frequenz-Unter-Bändern des gesamten Frequenzspektrums des gemeinsamen Kanals zu individuellen Netzwerk-Endgeräten. Ein weiteres Mehrfachzugriffsverfahren ist das Mehrfachzugriffsverfahren mit Codemultiplex, im Folgenden mit CDMA abgekürzt, das zurzeit in den oben erwähnten UMTS- und Satelliten-Netzwerken benutzt wird. Wenn dieses Verfahren benutzt wird, wird das gesamte Frequenzband des gemeinsamen Kanals von der Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten gemeinsam genutzt, indem die Information so codiert wird, dass der Sender und der Empfänger die gesendeten und empfangenen Daten nur auf der Grundlage des Codes unterscheiden können. Die Verwendung orthogonaler Codes erlaubt dabei theoretisch eine perfekte Unterscheidung der verschiedenen Benutzer. Wie jedoch in der Technik wohl bekannt ist, garantiert sogar die Benutzung dieser orthogonalen Codes nicht immer eine perfekte Synchronisation, insbesondere bei Vorliegen des Doppler-Effektes, von Endgeräte-Störungen, usw., wo unterschiedlich codierte Daten gestört und als von einem anderen Endgerät kommend fehlinterpretiert werden.
Im betreffenden Mehrfachzugriffsverfahren, das Mehrfachzugriffsverfahren mit Phasenmultiplex genannt und mit φDMA oder PHIDMA abgekürzt wird, wird jedem Netzwerk-Endgerät eine gesonderte und eindeutige Variable zugeordnet, was ähnlich dem CDMA-Verfahren ist. Im Gegensatz zum CDMA-Verfahren, in dem diese Variable aus einem eindeutigen Code zur Codierung der Symbole besteht, besteht diese eindeutige Variable aus einer komplexen Zahl oder einem Vektor in der Z-Ebene für PHIDMA. In CDMA wird der Code dazu benutzt, die zu übertragenden Symbole zu codieren, wobei diese komplette Operation als Oversampling betrachtet werden kann, auf das ein Filter folgt, dessen endliche Impulsantwort gleich dem Code ist. In PHIDMA muss der jedem Endgerät zugeordnete komplexe Vektor als komplexe Nullstelle eines Alpass-Filters verstanden werden, wobei alle aktiven Netzwerk-Endgeräte eine solche Allpass-Filterungs-Operation ausführen, wobei sie alle Nullstellen aller anderen Endgeräte, bis auf ihre eigenen, benutzen. Das bedeutet, dass zum Beispiel in Endgerät Ti, dem die komplexe Variable ρi zugewiesen ist, eine Allpass-Filter-Funktion durchgeführt wird, die folgende Übertragungsfunktion c -_l(z) hat:
Diese kann in abgekürzter Form auch wie folgt geschrieben werden:
jeweils die eindeutigen komplexen Variablen und den konjugiert komplexen Wert ihres inversen Wertes bezeichnen, die den jeweiligen Netzwerk-Endgeräten T1, ..., Ti – 1, Ti, Ti + 1, ..., Tn des Kommunikationssystems zugeordnet sind, und C_i ein Normierungs-Parameter ist.
Wie einem Fachmann wohlbekannt ist, sind gemäß der Definition eines Allpass-Filters die Pole eines Allpass- Filters die konjugiert komplexen Werte der inversen Werte der Nullstellen dieses Allpass-Filters. Kennt man die Nullstellen, kennt man somit implizit die Pole, so dass die komplette Übertragungsfunktion in der Z-Ebene bekannt ist. Die Nullstellen liegen außerhalb des Einheitskreises, der ein Kreis mit dem Radius Eins ist, in der Z-Ebene, um sicherzustellen, dass die konjugiert komplexen Werte ihrer inversen Werte, welches die Pole des Allpass-Filters sind, innerhalb dieses Einheitskreises liegen, was die Stabilität solch einer Filter-Operation garantiert.
Die Zuordnung der jeweiligen eindeutigen Variablen zu den jeweiligen Endgeräten des Kommunikationssystems erfolgt normalerweise durch den Systemverwalter oder Manager, der das komplette Kommunikationsnetz vollständig kennt. Ein mögliches Verfahren kann darin bestehen, die Nullstellen als äquidistante Punkte in der komplexen Z-Ebene auf einem Kreis mit dem Radius 2 zu wählen und somit den Umfang durch n zu teilen und die so erhaltenen Vektoren für die Zuordnung auszuwählen. Diese werden dann sowohl in den Netzwerk-Endgeräten, als auch in der Zentralstation gespeichert. Natürlich gibt es zahlreiche andere Arten zur Auswahl von n komplexen Zahlen innerhalb der Z-Ebene außerhalb des Einheitskreises. Das Modul der gewählten Nullstelle hat jedoch direkten Einfluss auf die Länge der Übertragungsfunktion, das Verhältnis von Spitzenwert zu Mittelwert des Signals und auf das Verhältnis von Signal zu Störungen plus Rauschen nach der Demodulation.
Dieser Allpass-Filter-Schritt wird in einem Sender durchgeführt, der in jedem Netzwerk-Endgerät enthalten ist, zum Beispiel in Netzwerk-Endgerät Ti, das in 2 schematisch dargestellt ist. In dieser Figur sind alle unterschiedlichen Blöcke gezeigt, die für die Übertragung von Nachrichten, die von einem Daten-Generator 11 erzeugt wurden, zur Zentralstation über den Kommunikationskanal erforderlich sind, der aus der Reihenschaltung individueller Verbindungen und der gemeinsamen Verbindung besteht. Abhängig von den speziellen Eigenschaften des Mediums, das diesen Kommunikationskanal bildet, und von speziellen, für die Übertragung über das Medium gewählten Modulationsverfahren, werden in einigen Varianten der Ausführungen dieser Endgeräte einige Module nicht vorhanden sein. Aus Gründen der Vollständigkeit werden sie jedoch mit aufgenommen und beschrieben.
Der Daten-Generator 11 erzeugt im Allgemeinen Nachrichten, von denen jede mehrere Symbole enthält. Diese werden durch den Quellcodierer 12 in einen binären Fluss umgewandelt, der ihn anschließend an den Kanalcodierer 13 liefert. Das letztgenannte Gerät kann zusätzliche Bits pro Nachricht hinzufügen, zum Beispiel für eine Codierung zur Fehlersicherung. Bei Anwendungen, in denen der Daten-Generator 11 direkt einen binären Fluss erzeugt und in denen keine Fehlersicherungs-Codierung durchgeführt wird, sind die beiden Module 12 und 13 in den Netzwerk-Endgeräten nicht vorhanden. Dieser binäre Fluss wird vom Symbol-Modulator oder Mapper 14 in einen neuen Symbol-Fluss umgewandelt, wobei eines aus einem vordefinierten Satz von Symbolen aufeinander folgenden Sätzen von Bits zugeordnet wird. Der Symbol-Fluss wird dann an den Sender TXi angelegt, der so angepasst ist, dass er diesen Symbol-Fluss in ein elektrisches Signal umwandelt, das die zur Übertragung über den Kommunikationskanal geeigneten Eigenschaften aufweist. Zu diesem Zweck wird der Symbol-Fluss zuerst einem Oversampling-Prozess unterzogen, der in diesem Dokument als Prozess der Hinzufügung von Nullen zwischen aufeinander folgenden Werten der Symbole betrachtet wird, wobei die Periodendauer zwischen aufeinander folgenden Nullen dadurch der Oversampling-Periode entspricht, wobei es sich um den Kehrwert der Oversampling-Frequenz handelt. Der resultierende überabgetastete Symbol-Fluss kann dann als Folge einzelner und aufeinander folgender Dirac-Impulsfolgen betrachtet werden, die durch die Symbol-Periode voneinander getrennt und an diesem speziellen Zeitpunkt mit dem Wert des Symbols selbst multipliziert sind. Auf die Oversampling-Operation, die im Oversampler OSi durchgeführt wird, folgt ein Filterungs-Schritt in einem ersten Filter APFi, wobei es sich um das oben erwähnte Allpass-Filter handelt, dessen Z-Transformation durch Formel (2) gegeben ist. Auf diese Operation folgt das Sende- oder Signalformungs-Filter 15, welches den digitalen überabgetasteten Symbolstrom in ein analoges elektrisches Signal im Basisband umformt. Abhängig von den speziellen Eigenschaften des Kommunikationskanals kann dieses analoge elektrische Signal im Basisband weiterhin mit dem Frequenz-Modulator 16 auf höhere Frequenzen moduliert werden. Für einige Übertragungskanäle ist dies jedoch nicht erforderlich.
Das erste Filter APFi, das im Sender TXi eines PHIDMA-Kommunikationssystems enthalten ist, besteht somit aus einem Allpass-Filter APFi, das die bereits erwähnte Allpass-Filterung für dieses spezielle Endgerät durchführt und somit die Übertragungsfunktion aus Gleichung (2) hat.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass diese Allpass-Filterung an dem überabgetasteten Symbol-Fluss durchgeführt wird, der somit eine viel höhere Rate als der ursprüngliche Symbolfluss hat. Dieser Filterungs-Schritt wird bei jedem Eintreffen eines neuen überabgetasteten Symbols wiederholt, somit mit der ursprünglichen Symbol-Periode. Das Eingangssignal für jede dieser aufeinander folgenden Filterungs-Operationen besteht aus einer Folge von Dirac-Impulsen mit der Oversampling-Frequenz, multipliziert mit dem jeweiligen Symbol-Wert an diesen speziellen Zeitpunkt.
Die Realisierung eines solchen Allpass-Filters mit einer bekannten Übertragungsfunktion in der Z-Ebene kann zum Beispiel mit einem digitalen Signalprozessor erfolgen, der im Folgenden mit DSP abgekürzt wird, oder durch andere Verfahren, die zum Beispiel in dem Handbuch "Digital Filters and Signal Processing" von L.B. Jackson, Kluwer Academic Publisher, beschrieben werden.
Der so erzeugte Ausgangs-Symbolstrom wird anschließend durch dieses Allpass-Filter an das Signalformungs-Filter 15 gesendet, wonach eventuell eine HF- oder Frequenz-Modulation durch Modul 16 durchgeführt werden kann.
Am Empfänger RX in der Zentralstation CS müssen im Prinzip die umgekehrten Verarbeitungsschritte durchgeführt werden.
Wenn auf der Senderseite eine Frequenz-Modulation durchgeführt wurde, bedeutet das eine Frequenz-Demodulation, die vom Frequenz-Demodulator 26 durchgeführt wird. Das elektrische Basisband-Signal wird dann mit dem signalangepassten Filter 25, das die Symbole an ein zweites Filter Z liefert, wieder in einen Symbolstrom umgewandelt, der noch die Oversampling-Rate hat. Im Fall von CDMA besteht dieses zweite Filter aus einer Filter-Bank mit so vielen einzelnen Filtern, wie Netzwerk-Endgeräte im Kommunikationssystem vorhanden sind, wobei jedes Filter der Filter-Bank die Multiplikation des empfangenen Signals mit dem Code durchführt, der dem speziellen Netzwerk-Endgerät zugeordnet ist. Auf die Operation folgt in CDMA das Undersampling des digitalen Datenstroms, das im Modul US durchgeführt wird. Für den Fall orthogonaler Codes und eines vollständig synchronisierten Kommunikationssystems gewinnt jedes Filter kombiniert mit einer Undersampling-Einheit dadurch die ursprünglichen Daten zurück, die von dem speziellen Netzwerk-Endgerät gesendet wurden, dem es zugeordnet ist. Wenn in den Kanälen jedoch Dispersion auftritt, wodurch diese perfekte Synchronisation nicht erreicht wird, ist die Unterscheidung der Daten der einzelnen Netzwerk-Endgeräte nicht garantiert.
Für das PHIDMA-System ist das zweite Filter des Empfängers in der Zentralstation jedoch so angepasst, die Z-Transformation an diesem empfangenen überabgetasteten Symbolstrom jedes Mal durchzuführen, wenn ein neuer überabgetasteter Symbolstrom am zweiten Filter eintrifft. Es muss weiterhin die Z-Transformation an den speziellen Nullstellen berechnen, die den verschiedenen einzelnen Netzwerk-Endgeräten zugeordnet wurden. In einer Ausführung besteht dieses zweite Filter Z dabei aus n einzelnen Filter-Modulen zur Durchführung der Z-Transformation, wobei n gleich der Anzahl von Netzwerk-Endgeräten ist, die mit der Zentralstation verbunden sind. Jedes dieser Filter Z1 bis Zn führt dabei die Z-Transformation an einer speziellen Nullstelle aus, die dem zugeordneten Netzwerk-Endgerät T1 bis Tn zugewiesen ist. Wie in einem nächsten Abschnitt dieses Dokumentes mathematisch bewiesen wird, erhält dabei jedes Filter, zum Beispiel Filter Zi an seinem Ausgang den ursprünglichen Symbolstrom, der zuvor durch die Symbol-Modulations-Einheit 14 von Endgerät Ti erzeugt wurde, jedoch mit der Oversampling-Rate. Die Rate dieses überabgetasteten Symbolstroms wird mit dem zugeordneten Undersampler USi, der im Oversampler US enthalten ist, zurück auf die ursprüngliche Rate gebracht. Als nächstes werden Demapping oder Symbol-Demodulations-, Kanal- und eventuell Quell-Decodierungs-Operationen durch Symbol-Demodulator 24, Kanal-Decodierer 23 und Quell-Decodierer 22 durchgeführt. In der in 3 gezeigten Ausführung besteht der Demapper 24 aus n einzelnen Demappern 241 bis 24n; der Kanal-Decodierer 23 besteht aus n einzelnen Decodierern, die mit 231, ..., 23i, ..., 23n bezeichnet sind, und der Quell-Decodierer 22 besteht aus n einzelnen Decodierern, die mit 221, ..., 22i, ..., 22n bezeichnet sind.
Es wird nun mathematisch bewiesen, dass dieses PHIDMA-Verfahren auf eine sehr einfache Weise den Beitrag anderer Endgeräte im Empfänger beseitigt.
Jedes Mal, wenn ein neues Symbol am Eingang von Sender TXi eintrifft, wird es in OSi überabgetastet, was zu einem Dirac-Impuls führt, der mit dem ursprünglichen Symbolwert a_l[k] an einem bestimmten Zeitpunkt k multipliziert ist. Die Z-Transformierte eines solchen Dirac-Impulses, multipliziert mit einer Konstanten, ist gleich dieser Konstanten a_l[k]. Dies ist die Z-Transformierte des Signals, die in das Allpass-Filter APFi gelangt. Wie bekannt ist, führt eine solche Filter-Operation zu einem Ausgangssignal, dessen Z-Transformierte, die mit x -_l(z) bezeichnet wird, als das Produkt der Filter-Übertragungsfunktion c -_l(z) mit dem Filter-Eingangssignal im Z-Bereich gegeben ist, was zur folgenden Gleichung führt: x -l(z) = c -l(z)al[k] (3).
Dies ist die Z-Transformierte des Signals, das das Allpass-Filter APFi in 2 verlässt, wobei dieses Allpass-Filter die durch Gleichung (2) beschriebene Übertragungsfunktion hat.
Wenn wir die Übertragungsfunktion der Summe aus Signalformungs-Filter, des einzelnen Kommunikationskanals Li, der gemeinsamen Verbindung und des signalangepassten Filters aus 3 mit g -_l(z) bezeichnen, kann man feststellen, dass die Z-Transformierte des Signals, das von Endgerät Ti kommt und am Eingang von Empfänger 24 eintrifft, durch (3) gegeben ist.
Die Z-Transformierte des kompletten Signals, das am Eingang von Empfänger 24 eintrifft, ist die Summe aller Z-Transformierten aller Beiträge aller Endgeräte T1 bis Tn, weil die Z-Transformation die Eigenschaft der Linearität aufweist und wegen der in der Technik allgemein anerkannten Annahme erster Ordnung, dass ein Endgerät keinen Einfluss auf die Übertragung der anderen hat. Die Z-Transformierte des Signals r -(z), das am Eingang von Z in 3 eintrifft, ist somit wie folgt gegeben:
wobei
g -_{l(z)
die Z-Transformierte der Summe aus Signalformungs-} Filter, des einzelnen Kommunikationskanals Li, der gemeinsamen Verbindung und des signalangepassten Filters jedes beliebigen Endgerätes Ti bezeichnet. Diese Funktion kann in dem Kommunikationssystem zum Beispiel in einer Lernphase bestimmt werden.
w -(z) bezeichnet die Z-Transformierte des Rauschens, die eine stochastische Funktion von z ist.
Die Funktion von Z ist es, nur diese Z-Transformation des empfangenen Symbol-Flusses, der an Z eintrifft, durchzuführen und sie an den verschiedenen Nullstellen zu berechnen. Das bedeutet, dass in zum Beispiel Zi, wo (4) in ρ_i berechnet wird, das Ergebnis dieser Berechnung wie folgt gegeben ist: a -l[k]c -l(ρl)g -l(ρl) + w -(ρl) (5)da c -_l(ρ_l) sowie g -_l(ρ_l) bekannt sind, und da in einer ersten Näherung angenommen wird, dass das Rauschen vernachlässigbar ist, kann der ursprüngliche Wert des Symbols a_l[k] innerhalb von Zi wiedergewonnen werden, wie aus (5) offensichtlich ist.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Werten des Symbolflusses jedes Endgerätes im Kommunikationssystem größer sein muss als die maximale Verzögerung der Übertragung zwischen jedem Endgerät und der Zentralstation. Aufeinander folgende Symbole können nicht in das Filter Z gelangen, während es noch damit beschäftigt ist, zwischen den empfangenen Symbolen zu unterscheiden, die während eines vorher festgelegten Zeitintervalls, zum Beispiel zwischen k + 1 und k, übertragen werden.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens besteht die eindeutige Variable, zum Beispiel die Variable ρ1, die einem bestimmten Netzwerk-Endgerät, zum Beispiel T1, zugeordnet ist, aus einer Vielzahl von eindeutigen Variablen, die mit (ρ11, ..., ρ1i, ..., ρ1m) bezeichnet werden. In allen anderen Endgeräten wird die Allpass-Filterung dann durchgeführt, wobei der ursprüngliche Faktor z-ρ1 durch die Vielzahl von Faktoren (z-ρ11) ... (z – ρ1i) ... (z – ρ1m) ersetzt wird. Auf ähnliche Weise besteht der entsprechende Faktor für die Pole in diesem Allpass-Filter (z-ρ₁ ^–1*) ebenfalls aus einer Vielzahl von Faktoren (z – ρ_1l ^–1*) ... (z – ρ_1i ^–1*) ... (z – ρ_1m ^–1*). In dem Empfänger-Filter Z besteht das einzelne Filter Z1, das Endgerät T1 zugeordnet ist, wiederum aus einer Filter-Bank, eine für jede der einzelnen Nullstellen ρ11 bis ρ1m. Diese Technik erhöht natürlich die Komplexität sowohl des Senders als auch des Empfängers, insbesondere wenn alle Benutzer-Netzwerk-Endgeräte einer solchen Vielzahl von Nullstellen zugeordnet sind. Auf der anderen Seite verbessert sie die Genauigkeit, da in dem Empfänger auf jedes der Filter der Filter-Bank, die einem bestimmten Endgerät zugeordnet ist, ein Mittelwertbilder folgt, um den Mittelwert aller Ausgangssignale zu bilden. Das so erhaltene Mittelwert-Signal hat ein höheres Signal-/Rauschverhältnis als in dem Fall, wenn dem betrachteten Endgerät nur eine Nullstelle zugeordnet wird. Aus Realisierungs-Gründen werden typische Werte von m den Wert 5 nicht überschreiten. Hierdurch erhöht sich das Signal-/Rauschverhältnis bereits um einen Faktor von höchstens 10Log(5) dB.
Dieses Prinzip kann weiterhin dazu verwendet werden, Frequenz- oder Phasenverschiebungen im Kanal in Aufwärtsrichtung zu kompensieren. Diese Frequenzverschiebungen können durch Kanal-Störungen hervorgerufen werden, wie z.B. den Doppler-Effekt, sie können aber auch durch eine nicht perfekte Anpassung der Oszillatoren des Lokaloszillators in den Modulen 16 und 26 im Sender, bzw. Empfänger verursacht werden. In dem Fall, dass die Obergrenze dieser Verschiebung bekannt ist, kann man die Vielzahl der Nullstellen pro Endgerät erhalten, indem man sie gleich auf einem Teil des Umfangs eines Kreises in der Z-Ebene verteilt, zum Beispiel eines Kreises mit einem Radius von 2. Dieser Teil des Umfangs dieses Kreises wird Phasen-Bereich pro Endgerät genannt, und er ist so, dass die Phasenverschiebung zwischen den beiden Endpunkten dieses Teils größer oder gleich der Obergrenze dieser Frequenzverschiebung ist. Für den Fall, dass diese Technik auf alle Endgeräte angewendet wird, müssen zwei Phasen-Bereiche auf diesem Kreis durch mindestens die maximale Frequenzverschiebung, die für alle Endgeräte auftritt, getrennt werden. In dem Fall, dass eine obere Frequenzgrenze im Voraus nicht bekannt ist, wie es zum Beispiel beim Doppler-Effekt der Fall ist, muss sie zunächst gemessen werden.
Zu diesem Zweck muss ein charakteristischer Parameter, zum Beispiel eine maximale Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenem Signal des Kommunikationskanals zwischen zum Beispiel Endgerät T1 und der Zentralstation CS durch ein spezielles Gerät gemessen werden, das dazu geeignet ist. Solche Geräte sind einem Fachmann bekannt und reichen von herkömmlichen Radargeräten bis zu höher entwickelten Geräten, in denen Verfahren der größten Wahrscheinlichkeit auf der Grundlage der Mehrdeutigkeitsfunktion verwendet werden, die mit einem DSP implementiert wird.
Sobald dieser Kanal-Parameter C1, wie die Obergrenze der Doppler-Verschiebung für einen bestimmten Kommunikationskanal zwischen einem bestimmten Netzwerk-Endgerät und der Zentralstation bekannt ist, wird ein Satz oder eine Vielzahl von eindeutigen Variablen, die diesem bestimmten Netzwerk-Endgerät zugeordnet werden, aus diesem Parameter bestimmt. Dieser Satz von Variablen, der Nullstellen für die anderen Allpass-Filter in den anderen Netzwerk-Endgeräten darstellt, wird dann an diese Netzwerk-Endgeräte sowie an den Empfänger der Zentralstation geliefert. Natürlich stehen mehrere Möglichkeiten für die Implementation dieses Gerätes zur Verfügung. Die Messung des Parameters kann in der Zentralstation, in den Endgeräten selbst oder sogar verteilt durchgeführt werden. Die Ableitung der Vielzahl von Variablen daraus kann ebenso innerhalb der Zentralstation oder in den Endgeräten erfolgen. In jedem Fall muss eine Übermittlung dieser Werte zu den betreffenden Geräten, die sie benötigen, vorgesehen werden.
Eine Möglichkeit, die Vielzahl dieser eindeutigen Variablen aus der gemessenen maximalen Doppler-Verschiebung zu bestimmen, besteht darin, sie gleich auf einem Teil des Umfangs eines Kreises in der Z-Ebene zu verteilen, zum Beispiel auf einem Kreis mit einem Radius von 2, so dass die Phasenverschiebung zwischen den beiden Endpunkten dieses Teils größer oder gleich der gemessenen Doppler-Phasenverschiebung ist. Für den Fall, dass diese Technik der Bestimmung der mehreren Variablen aus einer gemessenen Doppler-Verschiebung auf alle Endgeräte angewendet wird, müssen zwei Phasen-Bereiche auf diesem Kreis durch mindestens die maximale Doppler-Grenze, die für alle Endgeräte gemessen wurde, getrennt werden.
In einigen Ausführungen des Gerätes wird diese Doppler-Verschiebung anfangs vor der Aktivierung des Endgerätes gemessen. In einer leistungsfähigeren Variante des Gerätes wird dieser Parameter zu vordefinierten Zeitpunkten gemessen, auf die eine regelmäßige Aktualisierung und Mitteilung der Werte dieser daraus abgeleiteten eindeutigen Variablen an die Netzwerk-Endgeräte und die Zentralstation folgt. Auf diese Weise erhält man ein adaptives Mehrfachzugriffsverfahren, das die Doppler-Verschiebungen nachverfolgt und die Werte der Nullstellen aller Allpass-Filter entsprechend anpasst, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern.
Es muss weiterhin darauf hingewiesen werden, dass die Messung, die Bestimmung der zugeordneten Vielzahl von Variablen, die Mitteilung an die anderen Endgeräte und die Zentralstation synchronisiert werden müssen, damit das System richtig funktioniert, insbesondere in dem Fall, wenn Aktualisierungen der Variablen bestimmt und bereitgestellt werden müssen. Ein Fachmann ist jedoch in der Lage, eine solche Synchronisation zu realisieren, die daher nicht weiter beschrieben wird, da sie für die Erfindung selbst nicht relevant ist.
Obwohl die Prinzipien der Erfindung oben in Verbindung mit einer speziellen Vorrichtung beschrieben wurden, muss deutlich verstanden werden, dass diese Beschreibung nur als Beispiel erfolgt und nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Fig. 1 Fig. 2
Fig. 3

Claims

Mehrfachzugriffsverfahren zum Einsatz in einem Kommunikations-Netzwerk, in dem eine Zentralstation (CS) mit einer Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten (T1, ..., Ti, ..., Tn) auf eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Weise über die Reihenschaltung einer gemeinsamen Verbindung (L) und jeweiliger individueller Netzwerk-Endgeräte-Verbindungen (L1, ..., Li, ..., Ln) gekoppelt ist, wobei das Verfahren einen Schritt enthält, eine entsprechende eindeutige Variable (ρ1, ..., ρi, ..., ρn) jedem entsprechenden Netzwerk-Endgerät der Vielzahl (T1, ..., Ti, ..., Tn) zuzuordnen, wobei das Verfahren eine erste Filterungs-Operation mindestens eines überabgetasteten (oversampled) Symbols umfasst, das aus Information in Aufwärtsrichtung abgeleitet wird, die von einem Endgerät (Ti) der Vielzahl zur Zentralstation (CS) zu übertragen ist, wobei das Verfahren einen nächsten Schritt der Filterung eines empfangenen überabgetasteten Symbolstroms an der Zentralstation (CS) umfasst, um die Zentralstation in die Lage zu versetzen, daraus das mindestens eine überabgetastete Symbol abzutrennen, das zuvor von dem Netzwerk-Endgerät (Ti) zur Zentralstation (CS) gesendet wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filterungs-Operation eine Allpass-Filterungs-Operation des mindestens einen überabgetasteten Symbols umfasst, wobei die Allpass-Filterungs-Operation eine solche Z-Transformations-Übertragungsfunktion (c -_l(z)) hat, dass deren Nullstellen den entsprechenden eindeutigen Variablen entsprechen, die allen anderen Netzwerk-Endgeräten zugeordnet wurden, mit Ausnahme der eindeutigen Variable (ρ1; ρi), die dem Netzwerk-Endgerät (Ti) zugeordnet ist, der nächste Schritt der Filterung darin besteht, die Z-Transformation des empfangenen überabgetasteten Symbolstroms durchzuführen und die Z-Transformierte an der eindeutigen Variable (ρi) zu berechnen, die dem Netzwerk-Endgerät (Ti) zugeordnet ist.
Mehrfachzugriffsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine entsprechende eindeutige Variable (ρ1), die mindestens einem Netzwerk-Endgerät (T1) der Vielzahl zugeordnet ist, aus einer Vielzahl von eindeutigen Variablen besteht, die dem mindestens einen Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet sind, der Nullstellen-Faktor der Z-Transformation der ersten Filterungs-Operation, die in allen anderen Netzwerk-Endgeräten (T2, ..., Tn) durchgeführt wird und die als Nullstelle die mindestens eine entsprechende eindeutige Variable des mindestens einen Netzwerk-Endgerätes (T1) hat, dabei aus einer Vielzahl von Nullstellen-Faktoren mit der Vielzahl eindeutiger Variablen als Nullstellen besteht, wobei an der Zentralstation die Z-Transformierte bei jeder eindeutigen Variable der Vielzahl, die mindestens einem Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet ist, berechnet wird.
Mehrfachzugriffsverfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen zusätzlichen Schritt der Messung eines Kanal-Parameters des Kommunikationskanals zwischen dem mindestens einen Netzwerk-Endgerät (T1) und der Zentralstation (CS) umfasst, die Vielzahl eindeutiger Variablen, die dem mindestens einen Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet sind, dabei aus dem Kanal-Parameter abgeleitet wird.
Sender (TXi) zur Verwendung in einem Netzwerk-Endgerät (Ti) einer Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten (T1, ..., Ti, ..., Tn), die auf eine Mehrpunkt-zu-Punkt-Weise über die Reihenschaltung jeweiliger individueller Netzwerk-Endgeräte-Verbindungen (L1, ..., Li, ..., Ln) und einer gemeinsamen Verbindung (L) mit einer Zentralstation (CS) eines Kommunikations-Netzwerks gekoppelt sind, wobei jedem entsprechenden Netzwerk-Endgerät der Vielzahl (T1, ..., Ti, ..., Tn) eine entsprechende eindeutige Variable (ρ1, ..., ρi, ..., ρn) zugeordnet wird, wobei der Sender (TXi) ein erstes Filter (APFi) enthält, dass so angepasst ist, eine erste Filterungs-Operation mindestens eines überabgetasteten Symbols durchzuführen, das aus Information in Aufwärtsrichtung abgeleitet wird, die von dem Netzwerk-Endgerät (Ti) zu senden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filter (APFi) aus einem Allpass-Filter besteht, dessen Nullstellen der Übertragungsfunktion der Z-Transformation aus allen entsprechenden eindeutigen Variablen bestehen, mit Ausnahme der eindeutigen Variable (ρi), die dem Netzwerk-Endgerät (Ti) zugeordnet ist.
Sender (TXi) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine entsprechende eindeutige Variable (ρ1), die mindestens einem anderen Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet ist, aus einer Vielzahl eindeutiger Variablen besteht, die mindestens einem anderen Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet sind, der Nullstellen-Faktor der Z-Transformation des Allpass-Filters des Senders, der in Zusammenhang mit der mindestens einen entsprechenden eindeutigen Variable steht, dabei aus einer Vielzahl von Nullstellen-Faktoren mit der Vielzahl eindeutiger Variablen als Nullstellen besteht.
Empfänger (RX) zur Verwendung in einer Zentralstation (CS), die auf eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Weise über die Reihenschaltung einer gemeinsamen Verbindung (L) und jeweiliger individueller Netzwerk-Endgeräte-Verbindungen (L1, ..., Li, ..., Ln) mit einer Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten (T1, ..., Ti, ..., Tn) eines Kommunikations-Netzwerks gekoppelt ist, wobei jedem Netzwerk-Endgerät der Vielzahl (T1, ..., Ti, ..., Tn) eine entsprechende eindeutige Variable (ρ1, ..., ρi, ..., ρn) zugeordnet ist, wobei der Empfänger (RX) zweite Filter-Mittel (Z) enthält, die so angepasst sind, eine Filterungs-Operation eines empfangenen überabgetasteten Symbolstroms in der Zentralstation (CS) durchzuführen, um die Zentralstation in die Lage zu versetzen, zu unterscheiden, welcher Teil des empfangenen überabgetasteten Symbolstroms zuvor von einem Netzwerk-Endgerät (T1) der Vielzahl (T1, ..., Ti, ..., Tn) gesendet wurde, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Filter-Mittel (Z) aus einem Z-Transformations-Mittel besteht, das so angepasst ist, die Z-Transformation des empfangenen überabgetasteten Symbolstroms durchzuführen und die Z-Transformierte der entsprechenden eindeutigen Variablen (ρ1), die dem Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet ist, zu berechnen.
Empfänger (RX) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechende eindeutige Variable (ρ1), die dem Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet ist, aus einer Vielzahl eindeutiger Variablen besteht, die dem Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet sind, wobei das Z-Transformations-Mittel (Z) weiterhin so angepasst ist, die Z-Transformation an jeder eindeutigen Variablen der Vielzahl, die dem Netzwerk-Endgerät (T1) zugeordnet ist, zu berechnen.
Netzwerk-Endgerät (Ti) eines Kommunikations-Netzwerks, in dem eine Zentralstation (CS) mit einer Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten (T1, ..., Ti, ..., Tn), die das Netzwerk-Endgerät enthält, auf eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Weise über die Reihenschaltung einer gemeinsamen Verbindung (L) und jeweiliger individueller Netzwerk-Endgeräte-Verbindungen (L1, ..., Li, ..., Ln) von der Zentralstation zu der Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk-Endgerät (Ti) einen Sender (TXi) gemäß Anspruch 4 oder 5 enthält.
Zentralstation (CS) eines Kommunikations-Netzwerks, in dem die Zentralstation (CS) mit einer Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten (T1, ..., Ti, ..., Tn) auf eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Weise über die Reihenschaltung einer gemeinsamen Verbindung (L) und jeweiliger individueller Netzwerk-Endgeräte-Verbindungen (L1, ..., Li, ..., Ln) von der Zentralstation zu den Netzwerk-Endgeräten gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralstation (CS) einen Empfänger (RX) gemäß Anspruch 6 oder 7 enthält.
Kommunikations-Netzwerk, das eine Zentralstation (CS) enthält, die mit einer Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten (T1, ..., Ti, ..., Tn), die in dem Kommunikations-Netzwerk enthalten sind, auf eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Weise über die Reihenschaltung einer gemeinsamen Verbindung (L) und jeweiliger individueller Netzwerk-Endgeräte-Verbindungen (L1, ..., Li, ..., Ln) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralstation (CS) einen Empfänger gemäß Anspruch 6 enthält, und mindestens ein Netzwerk-Endgerät (Ti) einen Sender (Txi) gemäß Anspruch 4 enthält.
Kommunikations-Netzwerk gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (RX) weitere Funktionen aufweist, wie in Anspruch 7 beschrieben, und der Sender (TXi) weitere Funktionen aufweist, wie in Anspruch 5 beschrieben.
Kommunikations-Netzwerk gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikations-Netzwerk ein Gerät enthält, das so angepasst ist, einen Kanal-Parameter des Kommunikationskanals zwischen mindestens einem Netzwerk-Endgerät und der Zentralstation (CS) zu messen und daraus die Vielzahl eindeutiger Variablen abzuleiten, die dem mindestens einen Netzwerk-Endgerät zugeordnet sind.
Kommunikations-Netzwerk gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät weiterhin so angepasst ist, dass es die Vielzahl eindeutiger Variablen, die dem mindestens einen Netzwerk-Endgerät zugeordnet sind, an den Empfänger in der Zentralstation und an die Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten liefert.
Kommunikations-Netzwerk gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät weiterhin so angepasst ist, dass es den mindestens einen Kanal-Parameter an vorher festgelegten Zeitpunkten misst, um daraus aktualisierte Werte der eindeutigen Variablen der Vielzahl zu berechnen und die aktualisierten Werte an den Empfänger und an die Vielzahl von Netzwerk-Endgeräten zu liefern.