DE69934872T2

DE69934872T2 - Reduktion des crest-faktors in einem ofdm-signal

Info

Publication number: DE69934872T2
Application number: DE69934872T
Authority: DE
Inventors: Robert Fifield
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Pendragon Wireless LLC
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: GB9823145D0; AU756066B2; BR9907048A; CA2316186A1; JP2002529020A; EP1044544A1; KR100742105B1; WO2000025491A1; AU6334799A; JP4405680B2; CN1291397A; CN1154317C; DE69934872D1; EP1044544B1; US6781951B1; KR20010033461A; CA2316186C; ES2278459T3

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Funkkommunikationssystem, das orthogonale Signalübertragungstechniken anwendet zur Übertragung von Datenpaketen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Sender zur Verwendung in einem derartigen System, auf ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Systems und auf ein in einem derartigen System übertragenes Signal. Während die vorliegende Patentanmeldung ein System beschreibt, das OFDM ("Orthogonal Frequency Domain Multiplexing") anwendet, dürfte es einleuchten, dass derartige Techniken auch auf andere Systeme anwendbar sind, die orthogonale Signal übertragen, beispielsweise CDMA ("Code Division Multiple Access").
Stand der Technik
OFDM, auch als MCM ("MultiCarrier Modulation") oder als DTM ("Discrete MultiTone modulation") bekannt, ist eine Technik, durch die Daten mit einer hohen Rate durch Modulation verschiedener Träger mit niedriger Bitrate parallel übertragen werden, stattdessen, dass ein einziger Träger mit einer hohen Bitrate verwendet wird. OFDM ist spektral effizient und hat sich als effektiv gezeigt für digitale Funkverbindungen mit einer hohen Leistung. Anwendungsbereiche umfassen: WATM ("Wireless Asynchonous Transfer Mode") für Funkverbindungen zwischen Computersystemen mit hoher Geschwindigkeit und über geringe Abstände; DAB ("Digital Audio Broadcasting"), für Audiosignale hoher Qualität; MVDS ("Microwave Video Distribution System"); und künftige Mobilfunksysteme, wie UMTS ("Universal Mobile Telecommunication System").
Eine wichtige Charakteristik einer HF-Signals zur Übertragung ist der "Crest-Faktor", definiert als das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert einer AC-Wellenform und dem RMS-Wert ("Root Mean Square"). In einem OFDM-System kann der Crest-Faktor hoch sein, da es möglich ist, dass die Signale auf jedem der Träger phasengleich sind (was zu einem Spitzenwert führen kann, der das Produkt aus der Anzahl Träger und der Amplitude des Signals auf jeden Träger ist), aber im Schnitt werden die Phasen beliebig verteilt sein (was zu einem viel niedrigeren mittleren Wert führt). So kann bei spielsweise in einem 16 Träger OFDM System die Spitzenleistung die 16fache mittlere Übertragungsleistung sein.
Wenn derartige Signale ohne Verzerrung übertragen werden sollen, ist ein Sender mit einer hohen Spezifikation und mit einer guten Linearität erforderlich. Im Allgemeinen hat ein derartiger Sender eine geringe DC-HF-Leistungsumwandlungseffizienz, was zu der Erzeugung außergewöhnlicher Beträge an Wärme führt, was auch einen schädlichen Effekt auf die Lebensdauer der Batterie, wenn der Sender in tragbare Geräte eingebaut ist. Es wurden bereits mehrere Annäherungen durchgeführt um den Crest-Faktor zu reduzieren.
Eine Technik ist, zu vermeiden, dass die Kombination bestimmter Phasenmodulationszustände den Trägern zugeführt wird. Dies hat nämlich den Nachteil, dass mehr Symbole für einen bestimmten Betrag an Daten übertragen werden müssen, da jedes Symbol weniger verfügbare Zustände hat. Derartige Techniken sind durchaus bekannt, wobei ein Beispiel ein Schema mit einer ¾ Rate für ein Vier-Träger-OFDM-System ist, was den Crest-Faktor von 4 auf 1,9 reduziert. US-A-5.636.247 beschreibt eine elegantere Technik dieses Typs. Wenn auf ein 16 Trägersystem angewandt, kann unter Anwendung eines 13/16 Ratenschemas eine Crest-Faktor-Reduktion von 3 dB erreicht werden.
Eine alternative Methode ist in US-A-5.610.908 beschrieben worden, wobei eine Anzahl dicht beisammen liegender Träger moduliert werden (in diesem Fall unter Anwendung von QPSK) und danach durch eine IFFT ("Inverse Fast Fourier Transform") in die Zeitdäne transformiert werden, wie dies üblich ist. Die Signale werden danach begrenzt und durch eine FFT in die Frequenzdomäne zurück transformiert, wo Phasen- und Amplitudeneinstellungen für einige der Signal gemacht werden können, und danach werden sie mit einer IFFT in die Zeitdomäne zurück transformiert. Vor hier erfolgt die Übertragung wie normal. Es wird ein Beispiel eines 2048 Träger OFDM Systems gegeben, für das eine Simulation von zwanzig beliebigen Signalen, anfangs mit einem Crest-Faktor von 9,38 dB, zeigte, dass der Crest-Faktor auf 3,4 dB reduziert werden könnte.
Es ist ersichtlich, dass obschon diese oben beschriebenen Techniken den Crest-Faktor reduzieren können, sie diesen nicht auf Eins reduzieren können (entsprechend einer konstanten umhüllenden Modulation). Eine alternative bekannte Technik zum Reduzieren des Crest-Faktors ist Zuschneidung, wobei das Basisbandsignal in der Amplitude auf einen konstanten Pegel zugeschnitten wird, wozu Signalspitzen entfernt und der Crest- Faktor reduziert wird. Zuschneidung ist eine Technik, die sich auf einfache Art und Weise implementieren lässt, obschon, weil es ein nicht linearer Prozess ist, bei der Anwendung gewisse Sorgfalt erforderlich ist.
Der Effekt der Zuschneidung in einem 128 Träger OFDM System ist beschrieben worden in der Veröffentlichung: "Effects of Clipping and Filtering on the Performance of OFDM" von X Li und L.J. Cimini in "Proceedings of the 47th IEEE Vehicular Technology Conference", Mai 1997, Seiten 1634–1638. In dieser Veröffentlichung wird dargelegt, dass Einstellung des Zuschnittpegels bei etwa dem 1,5fachen mittleren Leistungspegel eine wesentliche Reduktion in dem Crest-Faktor schafft, ohne eine wesentliche Zunahme der Bitfehlerrate.
Ein Problem bei der Anwendung von Zuschnitt, was aber nicht in dem Stand der Technik beschrieben wird, ist, dass bestimmte OFDN Symbole dadurch beeinträchtigt werden, während andere nicht beeinflusst werden. Wenn eine Anzahl beeinträchtigter Symbole in einem Paket übertragen werden, wird der Empfänger wahrscheinlich das Paket nicht demodulieren und beantragt die Rückübertragung. Der Absender wird das Paket wiederholen und dasselbe Problem tritt auf. Folglich werden bestimmte Pakete wohl kaum fehlerlos empfangen werden.
Beschreibung der Erfindung
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Problem, das bestimmte Pakete sich sehr schwer übertragen lassen, zu lindern.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum betreiben eines Funkkommunikationssystems, das Folgendes umfasst: das Modulieren von Daten auf eine Anzahl orthogonaler Träger durch differentielle Phasenmodulation, das Kombinieren der modulierten Signale zu einem seriellen Datenstrom, das Beschneiden des kombinierten Signals zum Begrenzen des Crest-Faktors und das Übertragen des beschnittenen Signals zwischen wenigstens zwei Stationen, und zwar als Datenpaket mit wenigstens einem Symbol, gekennzeichnet durch Randomisierung, vor der Übertragung eines Pakets, in wenigstens einem der Träger, der Anfangsphase beim Start jedes Symbols, was der Phasenbezugswert für die differentielle Phasenmodulation ist.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sender zum Übertragen orthogonaler Signale geschaffen, wobei dieser Sender die nachfolgenden Elemente umfasst: differentielle Phasenmodulationsmittel zum Modulieren von Daten auf eine Anzahl orthogonaler Träger, Mittel zum Kombinieren der modulierten Signale zu einem seriellen Datenstrom, Beschneidmittel zum Begrenzen des Crest-Faktors des kombinierten Signals und Übertragungsmittel zum Übertragen des beschnittenen Signals als Datenpaket mit wenigstens einem Symbol, mit dem Kennzeichen, dass Mittel vorgesehen sind zum Randomisieren, vor der Übertragung eines Pakets, in wenigstens einem der Träger, der Anfangsphase beim Start jedes Symbols, was der Phasenbezugswert für die differentielle Phasenmodulation ist.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Funkkommunikationssystem geschaffen, das eine Anzahl Sender aufweist, hergestellt nach der vorliegenden Erfindung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die in dem Stand der Technik nicht vorhandene Erkenntnis zugrunde, dass durch Variation der Anfangsphasenzustände der Träger mit einem OFDM-Signal, eine Wiederholung eines Symbols zu einem anderen Crest-Faktor führt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Systems nach der vorliegenden Erfindung,
2 ein Blockschaltbild eines Teils einer Ausführungsform eines Senders, hergestellt nach der vorliegenden Erfindung, und
3 eine Darstellung einer Folge von Phasenzuständen zweier Träger in einem OFDM-System nach der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Das in 1 dargestelltes System umfasst zwei Stationen 102, 104, die je einen Transceiver aufweist, wobei sich zwischen denselben eine wechselseitige Funkkommunikationsverbindung befindet. Die Stationen 102, 104 können von vielen verschiedenen Typen sein, und zwar abhängig von dem betreffenden Anwendungsbereich. So könnte beispielsweise in einem WATM-System die erste Station 102 ein PC sein und die zweite Station 104 könnte ein Drucker sein. Auf alternative Weise könnte in einem UMTS-System die erste Station 102 ein zellulares Telefon sein und die zweite Station 104 könnte eine zellulare Basisstation sein.
Der Teil eines Senders, dargestellt in 2, ist derjenige, der sich auf die Codierung eines Eingangsbitstroms 202 und die Modulation desselben zur Übertragung bezieht. Operationsparameter aller dargestellten Blöcke werden von einem (nicht dargestellten) Controller gesteuert. Der Bitstrom 202 umfasst zu übertragende Daten, hergeleitete von einer MAC-Schicht ("Medium Access Control"). Die Daten werden zunächst einem Codierungsblock (ENC) 204 zugeführt, der einen erforderlichen Strom von Symbolen in einer geeigneten Form für das Modulationsschema erzeugt, das zur Übertragung angewandt wird, beispielsweise zwei Bitsymbole, wenn DPQSK ("Differential Quadrature Phase Shift Keying") angewandt werden soll.
Ein Verschachtler (INT) 206 nimmt diesen Strom von Eingangssymbolen und liefert jedes Symbol über eine betreffende Leitung der parallelen Ausgangsleitungen. Jede Ausgangsleitung entspricht einem OFDM-Träger zur Übertragung, so dass es die gleiche Anzahl Ausgangsleitungen von dem Verschachtler 206 gibt, wie die Anzahl Träger, und zwar in der Figur acht Stück.
Die Symbole an jeder der Ausgangsdatenleitungen von dem Verschachtler 206 werden danach von einem Modulator MOD 208 unter Anwendung des erforderlichen Modulationsschemas, beispielsweise DQPSK, moduliert. Die modulierten Daten werden danach durch einen IDFT-Block) einer inversen diskreten Fourier-Transformation (oder auf gleichwertige Art und Weise einer invertierten schnellen Fourier-Transfornation) ausgesetzt, wobei dieser Block auch die Ausgangsdaten zu einem seriellen Strom rekombiniert.
Dieser serielle Datenstrom ist eine digitale Darstellung der zu übertragenden Wellenform, mit vielen Amplitudenspitzen, und wird danach einem Beschneidungsblock (CLP) 212 zugeführt, der die Signalamplitude auf den erforderlichen maximalen Pegel begrenzt. Ein Überwachungsband zwischen OFDM-Symbolen wird durch einen Dateikennungsblock (EXT) 214 hinzugefügt um Probleme der Intersymbolinterferenz zu reduzieren, bevor die Daten einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 216 zugeführt werden. Das Ausgangssignal wird danach Funkübertragungsmitteln 218 zugeführt, die dieses Signal in die erforderliche Frequenz übersetzen und es zur Übertragung verstärken.
3 zeigt eine Folge der Phasenzustände von zwei Leitungen der Ausgangsdatenleitungen von dem Modulator 208, wobei dieser Modulator DQPSK anwendet, differentiell codiert mit Zeit. Es gibt vier mögliche Werte für jeden Phasenzustand, wodurch Zwei-Bit-Symbole codiert werden. Der erste Phasenzustand 302, 312 in jedem Träger in jedem Ausgang OFDM Symbol definiert den Anfangsphasenbezugswert für diesen Träger und dieses Symbol.
Folglich codiert unter Betrachtung des ersten Trägers, die Phase des zweiten Zustandes 304 gegenüber dem ersten Zustand 302 den Wert des ersten Zwei-Bit-Symbols, auf die gleiche Weise schafft die Phase des dritten Zustandes 306 gegenüber dem zweiten Zustand 304 den Wert des zweiten Symbols, und codiert die Phase des vierten Zustandes 308 gegenüber dem dritten Zustand 306 das dritte Symbol. Symbole auf dem zweiten träger werden auf dieselbe Art und Weise codiert, und zwar unter Anwendung von Phasendifferenzen zwischen den jeweiligen Zuständen 312, 314, 316, 318.
Bei bekannten Modulatoren wird der Anfangsphasenzustand jedes Trägers 302, 312 auf einen vorbestimmten Wert beim Start jedes OFDM-Symbols gesetzt. Dies hat den Effekt, dass ein bestimmtes OFDM-Symbol immer mit derselben Kombination von Phasenzuständen übertragen wird. Aber ein derartiges Schema hat einen riesigen Nachteil. Wenn ein Symbol durch Beschneidung beeinträchtigt ist, was bedeutet, dass die Beschneidung den Rauschabstand wesentlich reduziert hat, wird es wahrscheinlich nicht einwandfrei empfangen. Wenn ein oder mehrere beeinträchtigte Symbole in einem Paket zu einem Empfänger übertragen werden, wird der Empfänger wahrscheinlich das Paket nicht einwandfrei demodulieren. Durch diesen Fehler wird der Empfänger eine ARQ-Nachricht ("Automatic Repeat reQuest") erzeugen und das Paket wird wiederholt. Aber es werden dieselben OFDM-Symbole erzeugt, mit demselben reduzierten Störabstand durch Beschneidung. Folglich wird das Paket wahrscheinlich wieder fehlerhaft empfangen werden.
Ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung umgeht dieses Problem durch Randomisierung der Anfangsphasen der Träger beim Start jedes OFDM-Symbols. Dies könnte verschiedenartig erfolgen, wie dies dem Fachmann bekannt sein dürfte. Ein Beispiel wäre, den Zustand des jüngsten übertragenen Symbols auf dem Träger in einem Paket als Bezugsphase für das erste Symbol auf dem betreffenden Träger in dem nachfolgenden Paket zu verwenden.
Der Effekt der Randomisierung von Anfangsphasen ist, dass wenn ein Paket abermals übertragen wird eine andere Kombination von Phasenzuständen verwendet wird. Jedes problematisches OFDM-Symbol wird dadurch wahrscheinlich einen anderen Crest- Faktor und einen besseren Störabstand haben (da der Beschneidpegel derart gewählt wird, dass nur wenige Kombinationen von Phasenzuständen einen ausrechend geringen Rauschabstand haben werden um Empfangsschwierigkeiten zu verursachen). Folglich wird das abermals übertragene Paket wahrscheinlich einwandfrei empfangen. Es ist nicht notwendig, alle Anfangsträger zu randomisieren, aber je mehr randomisiert werden, umso größer wird die Wahrscheinlichkeit sein, dass eine Neuübertragung erfolgreich sein wird.
Obschon die vorliegende Erfindung in Bezug auf DQPSK-Modulation beschrieben worden ist, dürfte es einleuchten, dass sie auf einen großen Bereich anderer Modulationsschemen angewandt werden kann. Alles was notwenig ist, ist dass das selektierte Modulationsschema die Eigenschaft aufweist, dass ein Phasenbezugswert für jeden Träger der Zustand eines Trägers am Start jedes OFDM-Symbols ist.
Es dürfte ebenfalls einleuchten, dass die vorliegende Erfindung auf orthogonale Modulationstechniken anders als OFDM, beispielsweise CDMA, angewandt werden kann.
Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung dürften dem Fachmann andere Abwandlungen einfallen. Solche Abwandlungen können andere Merkmale betreffen, die im Bereich von Funkkommunikationssystemen und Bestandteilen davon bereits bekannt und statt der oder zusätzlich zu den hier bereits beschriebenen Merkmalen verwendbar sind.
In der vorliegenden Patentanmeldung und in den beiliegenden Patentansprüchen schließt das Wort "ein" vor einem Element das Vorhandensein einer Anzahl derartiger Elemente nicht aus. Weiterhin schließt das Wort "enthalten" das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte als diejenigen, die genannt wurden, nicht aus.
Industrielle Anwendbarkeit Die vorliegende Erfindung ist einem großen Bereich von Systemen anwendbar, welche die Übertragung orthogonaler Signale, einschließlich WATM, DAB, MVDS und UMTS erfordern.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Funkkommunikationssystems, das Folgendes umfasst: das Modulieren von Daten auf eine Anzahl orthogonaler Träger durch differentielle Phasenmodulation, das Kombinieren der modulierten Signale zu einem seriellen Datenstrom, das Beschneiden des kombinierten Signals zum Begrenzen des Crest-Faktors und das Übertragen des beschnittenen Signals zwischen wenigstens zwei Stationen, und zwar als Datenpaket mit wenigstens einem Symbol, gekennzeichnet durch Randomisierung, vor der Übertragung eines Pakets, in wenigstens einem der Träger, der Anfangsphase (302, 312) beim Start jedes Symbols, was der Phasenbezugswert für die differentielle Phasenmodulation ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verwendung des Phasenzustandes des jüngsten übertragenen Symbols auf dem wenigstens einen Träger in einem Datenpaket als Bezugsphase für das erste Symbol auf dem betreffenden Träger in dem nachfolgenden Paket.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Durchführung der Randomisierung vor der Neuübertragung desselben Datenpakets.
Sender zum Übertragen orthogonaler Signale, wobei dieser Sender die nachfolgenden Elemente umfasst: differentielle Phasenmodulationsmittel (208) zum Modulieren von Daten auf einer Anzahl orthogonaler Träger, Mittel (210) zum Kombinieren der modulierten Signale zu einem seriellen Datenstrom, Beschneidmittel (212) zum Begrenzen des Crest-Faktors des kombinierten Signals und Übertragungsmittel (218) zum Übertragen des beschnittenen Signals als Datenpaket mit wenigstens einem Symbol, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (208) vorgesehen sind zum Randomisieren, vor der Übertragung eines Pakets, in wenigstens einem der Träger, der Anfangsphase beim Start jedes Symbols, was der Phasenbezugswert für die differentielle Phasenmodulation ist.
Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (208) vorgesehen sind zur Verwendung des Phasenzustandes wenigstens des jüngsten übertragenen Symbols auf wenigsten einem Träger in einem Datenpaket als die Bezugsphase für das erste Symbol des betreffenden Trägers in dem nachfolgenden Paket.
Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (208) vorgesehen sind zum Randomisieren vor der Neuübertragung desselben Datenpakets.
Funkkommunikationssystem mit einer Anzahl Sender nach Anspruch 4, 5 oder 6.