PT2461530E

PT2461530E - Estima de canal num sistema de transmissão com multiplexação de divisão de frequência ortogonal

Info

Publication number: PT2461530E
Application number: PT104501861T
Authority: PT
Inventors: Nicolai Czink; Thomas Zemen; Laura Bernado; Andreas Molisch
Original assignee: Kapsch Trafficcom Ag
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-12-26
Also published as: CN102487373A; CA2753721A1; PL2461530T3; EP2461530A1; CA2753721C; EP2461530B1; SI2461530T1; NZ595527A; RU2011149082A; ES2396019T3; EP2461530B9; AU2011226905B2; CL2011003053A1; US20120140835A1; AU2011226905A1; ZA201107775B; DK2461530T3

Description

1

ΕΡ 2 461 530 /PT

DESCRIÇÃO "Estima de canal num sistema de transmissão com multiplexação de divisão de frequência ortogonal" 0 presente invento refere-se a um método de estima de canal num sistema de transmissão com OFDM ("Orthogonal Frequency-Division Multiplexing" - multiplexação de divisão de frequência ortogonal) que tem um transmissor e um receptor de acordo com a norma IEEE 802.llx.

Presentemente estão a ser normalizados os sistemas de carro para carro e de carro para infra-estrutura. Todas as normas sobre a banda base dedicada de 5,9 GHz na IEEE 802.11 e as extensões 802.llp estão previstas, em particular, para utilização em veículos. Estas extensões estão limitadas à redução para metade da largura de banda e por isso têm um prefixo cíclico mais longo. Na presente descrição, o termo "IEEE 802.llx" refere-se a todas as variantes e extensões da norma básica IEEE 802.11.

Um problema significativo no canal rádio móvel é a variação rápida do canal ao longo do tempo. Estas variações necessitam de ser seguidas pelo receptor para conseguir uma estima fiável do canal, a fim de descodificar de modo coerente os símbolos. A presente sequência de formação de canal ("sequência piloto"), que é utilizada na IEEE 802.llx não está bem adequada para este problema. A razão para este inconveniente da norma IEEE 802.llx consiste no facto da mesma ter sido inicialmente projectada para aplicações itinerantes (Wi-Fi em computadores portáteis ou telefones inteligentes), onde a mobilidade é apenas itinerante.

Ainda assim, o padrão piloto IEEE 802.llx foi escolhido para as normas ITS - a razão é simplesmente que os conjuntos de circuitos integrados já estão disponíveis no mercado. Esses conjuntos de circuitos integrados inicialmente conseguiam desempenho reduzido em ambientes fora da linha de visionamento e altamente móveis. Deste modo, uma melhoria das presentes normas é vital para permitir comunicações robustas para comunicações relacionadas com segurança. 2

ΕΡ 2 461 530 /PT Ο principal problema de uma extensão da norma é permanecer compatível com conjuntos de circuitos integrados mais antigos, devido ao tempo de vida longo dos carros. As melhorias da norma devem ser compatíveis para trás no tempo de tal forma que os conjuntos de circuitos integrados já implantados não necessitem de ser alterados. É um objecto do presente invento conceber um método de estima de canal num sistema com OFDM de acordo com a norma IEEE 802 . llx que é compatível para trás no tempo e tem um desempenho de estima melhorado, adequado a canais de variação rápida em ambientes de veículo.

Este objecto é conseguido com um método de estima de canal num sistema de transmissão com OFDM que tem um transmissor e um receptor de acordo com a norma IEEE 802.llx, que compreende: o estabelecimento no transmissor de um identificador numa secção de bits reservados de um cabeçalho que se segue a um preâmbulo num quadro de camada físico, que anexa uma parte terminal no final do referido quadro, sem alteração de uma informação de comprimento no cabeçalho, a qual indica o comprimento do quadro de camada físico antes de anexar a referida parte terminal, e a transmissão do referido quadro, que inclui o preâmbulo e a parte terminal, através do canal, a verificação no receptor da referida secção de bits reservados no cabeçalho de um quadro, recebido através do canal para o referido identificador e, se o referido identificador for detectado, a utilização da parte terminal e do preâmbulo do quadro, que inclui o preâmbulo e a parte terminal, para estimar o canal. O presente invento permite a utilização com benefício das partes terminais dentro da estrutura das normas

convencionais IEEE 802.llx pela extensão do padrão piloto 802.llx. A parte terminal adicionada ao quadro é anunciada num campo de cabeçalho pacote em dia não utilizado. A extensão é feita de uma maneira transparente, de tal modo que os receptores convencionais (sem saberem acerca do novo 3 ΕΡ 2 461 530 /PT padrão piloto) mantêm o seu desempenho. No entanto, os receptores, tendo em consideração o novo padrão, têm duas vantagens principais: (i) o aumento significativo do desempenho do receptor em termos de BER (Bit Error Rate -velocidade de erro de bit), e (ii) significativamente menor complexidade do receptor. O tem como resultado uma redução tremenda da complexidade de implementação para conseguir um bom desempenho do sistema. O estabelecimento de um identificador na área de bits reservados de um cabeçalho de quadro é em si mesmo conhecido na técnica, ver US 2009/0175372 AI. O identificador é utilizado para indicação de uma sequência de controlo dentro de um quadro de acordo com a norma IEEE 802.16, a qual tem um objectivo diferente numa norma de transmissão diferente.

Os benefícios da utilização de uma parte terminal para além de um preâmbulo para fins de estima de canal são em si mesmo conhecidos na técnica, ver, por exemplo, R. Yaniv et. al., "Analysis of end-of-burst degradation in the OFDM UL PHY under mobile conditions", vol. IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group, n.° IEEE C802.16d-4/52 (2004/03/15); "IEEE Standard for Local and Metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Broadband, Wireless Access Systems; IEEE Std 802.16-2009 (Revision of IEEE Std 802.16-2004)" NORMA IEEE, IEEE, Piscataway, NJ, EUA, 29 de Maio de 2009 págs. Cl-2009, ISBN: 978-0-7381-5919-5; US 2009/0209206 Al; S. Plass et al. (Eds.), "Channel estimation by exploiting sublayer Information in OFDM systems", Multi-Carrier Spread Spectrum 2007, págs. 387-396, 2007 Springer; e S. Rossi e RR Muller, "Slepian-based two-dimensional estimation of time-frequency variant MIMO-OFDM channels", IEEE Signal Process. Lett., vol. 15 págs. 21-24, janeiro de 2008. Os preâmbulos e as partes terminais podem, por exemplo, ser utilizados como entrada para um filtro de Wiener bidimensional, que estima os parâmetros do canal através do tempo e da frequência. Por conseguinte, numa concretização do invento, o canal é estimado pela interpolação bidimensional em tempo e frequência entre o preâmbulo e a parte terminal por meio de um filtro de Wiener. 4

ΕΡ 2 461 530 /PT Ο identificador que anuncia a parte terminal para os receptores, capazes de lidar com a parte terminal, pode ser estabelecido em qualquer dos bits reservados do cabeçalho de quadro de camada física IEEE 802.llx. Numa primeira concretização, o identificador é um sinalizador no bit reservado da secção de sinal do cabeçalho. Em alternativa, o identificador é um código, o qual é estabelecido num ou mais dos bits reservados da secção bits de serviço do cabeçalho. A parte terminal pode ser qualquer conjunto dado de dados adequados para fins de estima de canal. De preferência, a parte terminal é um símbolo de OFDM que contém um padrão piloto conhecido, como será prontamente apreendido pelo especialista na técnica.

Enquanto o método do presente invento é basicamente adequado para todas as variantes de IEEE 802.llx, o mesmo é particularmente adequado para aplicação em sistemas de transmissão com OFDM de acordo com a norma IEEE 802 . llp para ambientes altamente móveis. O invento será agora adicionalmente descrito, por meio de concretizações exemplificativas e preferidas do mesmo, com referência aos desenhos anexos, em que: as Figs. 1 e 2 mostram padrões piloto, respectivamente, de acordo com a norma IEEE 802. llx e de acordo com o método do presente invento; a Fig. 3 mostra a incorporação da parte terminal e do seu identificador no quadro de camada físico de um sistema de transmissão com OFDM de acordo com o invento, para utilização no método de estima de canal do invento; e a Fig. 4 mostra o desempenho do método do invento, em comparação com os métodos de estima de canal convencionais. O presente método é baseado na norma IEEE 802.11 e todas as suas variantes, melhorias e extensões, na qual está 5 ΕΡ 2 461 530 /PT compreendido o denominador geral "802.llx", incluindo as normas 802.11a, 802.11b, 802.llg, 802.11η, 802.llp, etc. A estrutura corrente de um quadro de OFDM (dados de pacote), em IEEE 802.llp é mostrada na Fig. 1, que compreende 52 subportadoras na gama de frequências ao longo do tempo de símbolo. Os dois primeiros (presentemente: mais do que dois) símbolos de OFDM são utilizados como símbolos de formação ("preâmbulo") que contêm os pilotos conhecidos. A seguir, através de todo o quadro, são utilizadas apenas 4 subportadoras como pilotos para o seguimento de fase e de relógio.

As Figs. 2 e 3 mostram um padrão piloto melhorado e um quadro (pacote de dados) de camada física melhorada (PHY) para um método de estima de canal melhorado num sistema de transmissão com OFDM de extensão da norma IEEE 802.llx, em particular, 802.llp. No final de um quadro de camada físico convencional 2 precedido de um preâmbulo 1, de acordo com IEEE 802.llx, é anexada uma parte terminal 3, a qual consiste num ou mais símbolos de OFDM, que contêm um padrão piloto conhecido. Enquanto a parte terminal 3 faz alterar o comprimento físico do quadro 2, a informação de COMPRIMENTO no cabeçalho "PLCP" ("Physical Layer Convergence Procedure-header") 5 do quadro 2 não é alterada em relação à sua utilização (Fig. 1) e valor convencionais. Por conseguinte, os receptores convencionais irão ignorar a parte terminal 3.

Um ou mais dos bits reservados na secção de bits reservados do cabeçalho PLCP 5 é/são utilizado(s) para estabelecerem um identificador 4, o qual indica a existência da parte terminal 3. O identificador 4 pode ser um sinalizador situado num único bit de "Bits de SERVIÇO reservados" do cabeçalho PLCP 5, como mostrado na Fig. 3 para o bit 15, ou um sinalizador estabelecido no único "1 bit reservado", a seguir aos 4 bits de VELOCIDADE no cabeçalho PLCP 5. Em alternativa, podem ser utilizados mais do que 1 bit dos bits reservados disponíveis (no total: 1 + 9) do cabeçalho PLCP 5 para estabelecer um código no mesmo (comprimento máximo de código: 1 + 9 = 10 bits), que indica a presença de e, de preferência, também a codificação de um tipo da parte terminal 3 utilizada. 6

ΕΡ 2 461 530 /PT A extensão do padrão piloto desta maneira tem duas vantagens: (i) o canal pode ser seguido com precisão; (ii) a parte terminal 3 é transparente para os receptores mais antigos uma vez que este último pára a recepção, depois do número de símbolos de OFDM indicado no campo COMPRIMENTO ter sido descodificado; tais receptores mais antigos simplesmente observarão um canal que está ocupado por um ou mais tempo (s) de símbolo adicional(is).

Num receptor melhorado capaz de utilizar a parte terminal 3, para além do preâmbulo 1, o(s) bit(s) reservado(s) no cabeçalho 5 é/são verificado(s) quanto à presença do identificador 4 e, se um tal identificador 4 for detectado, a parte terminal 3 é utilizada em combinação com o preâmbulo 1 para estimar o canal. A estima do canal de transmissão com OFDM, por meio dos preâmbulos e das partes terminais 1, 3 é em si mesmo conhecida na técnica e descrita, por exemplo, em S. Rossi e RR Muller, loc. cit. . Em particular, a técnica de estima de canal envolve a utilização de uma interpolação bidimensional - em tempo e frequência - entre o preâmbulo e uma parte terminal 3 por meio de um filtro de Wiener. A Fig. 4 mostra os resultados de um teste de comparação do novo método da Fig. 3 e do novo padrão piloto da Fig. 2, em comparação com uma técnica de estima de canal convencional, que envolve apenas um preâmbulo. A Fig. 4 mostra a velocidade de erro de bit (BER) através da relação entre o sinal e o ruído (SNR) Eb/N0 por cinco métodos de estima de canal diferentes, todos os quais utilizam sequências esferoidais alongadas para os pólos e discretas (DPS) para modelar e estimar o canal. As primeiras três curvas marcadas por "llp DPS" referem-se a técnicas de estima de canal convencionais com, respectivamente, 1, 2, e 12 iterações do filtro de Wiener. As duas últimas curvas marcadas por "llpPost DPS" referem-se a duas concretizações do método melhorado, incluindo preâmbulos e partes terminais 1, 3 com uma e duas iterações, respectivamente.

Foi feita a comparação por meio de um simulador de nível de ligação 802.llp. Como o ambiente simulado foi utilizado um 7

ΕΡ 2 461 530 /PT canal NLOS com 400 ns de atraso em excesso máximo e um perfil de Doppler que corresponde a uma velocidade relativa de 150 km/h. Para o padrão piloto convencional da Fig. 1, o comprimento do bloco foi de 34 símbolos de OFDM que

correspondem a 200 bytes de dados modulados QPSK com uma velocidade de código de V2. Para o padrão piloto melhorado da Fig. 2, o comprimento do bloco foi de 35 símbolos de OFDM (por causa da parte terminal adicional 3). O receptor implementado utilizou os teoremas de "Iterative soft channel estimation and detection" descritos entre outros em T. Zemen, C. F. Mecklenbráuker, J. Wehinger e RR Miiller, "Iterative joint time-variant channel estimation and multi-user detection for MC-CDMA", IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 5, n.° 6 págs. 1469-1478, Junho de 2006; T. Zemen, H.

Hofstetter, e G. Steinbock, "Successive Slepian subspace projection in time and frequency for time-varaint channel estimation", na 14th IST Mobile and Wireless Communication Summit (SUMMIT IST), Dresden, Alemanha, 19 a 22 de Junho 2005; E S. Rossi e RR Miiller, Loc. cit. .

As simulações foram executadas através de 100 quadros. O padrão piloto convencional apresentou um patamar de erro (error floor) em BER para poucas iterações (1 ou 2) . Apenas quando se aumentou o número de iterações para um número elevado podia ser alcançado um desempenho aceitável do receptor. Pelo contrário, para o método de estima de canal aperfeiçoado, já a primeira iteração conduziu ao desempenho do receptor aceitável, e duas iterações correspondia a um desempenho óptimo do receptor. O invento não está limitado às concretizações específicas aqui indicadas, mas abrange todas as variantes e modificações do mesmo, que estão compreendidas nas reivindicações anexas.

Lisboa, 2012-12-18

Claims

ΕΡ 2 461 530/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Método de estima de canal num sistema de transmissão com OFDM ("Orthogonal Frequency-Division Multiplexing" - multiplexação de divisão de frequência ortogonal) tendo um transmissor e um receptor de acordo com a norma IEEE 802.llx, que compreende: o estabelecimento no transmissor de um identificador numa secção de bits reservados de um cabeçalho (5), que se segue a um preâmbulo (1) num quadro de camada fisico, que anexa uma parte terminal (3) no final do referido quadro (2), sem alterar uma informação de comprimento no cabeçalho (5), a qual indica o comprimento do quadro de camada fisico antes de anexar a referida parte terminal, e a transmissão do referido quadro, que inclui o preâmbulo e a parte terminal (1 -3) através do canal, a verificação no receptor da referida secção de bits reservados no cabeçalho (5) de um quadro, recebido através do canal para o referido identificador e, se o referido identificador for detectado, a utilização da parte terminal (3) e do preâmbulo (1) do quadro, que inclui o preâmbulo e a parte terminal (1 - 3), para estimar o canal.
2 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que o canal é estimado por interpolação bidimensional no tempo e na frequência entre o preâmbulo (1) e a parte terminal (3) por meio de um filtro de Wiener.
3 - Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o dito identificador é um sinalizador num bit reservado de uma secção de sinal do cabeçalho (5).
4 - Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o dito identificador é um código estabelecido num ou mais dos bits reservados de uma secção de bits de serviço do cabeçalho (5) .
5 - Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que a referida parte terminal (3) ΕΡ 2 461 530/ΡΤ 2/2 é um símbolo de OFDM, que contém um padrao piloto conhecido. Lisboa, 2012-12-18