WO2000072044A1 - Verfahren und vorrichtung zur schätzung der relativen geschwindigkeit eines senders gegenüber einem empfänger - Google Patents

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WO2000072044A1
WO2000072044A1 PCT/DE2000/001470 DE0001470W WO0072044A1 WO 2000072044 A1 WO2000072044 A1 WO 2000072044A1 DE 0001470 W DE0001470 W DE 0001470W WO 0072044 A1 WO0072044 A1 WO 0072044A1
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receiver
radio channel
radio
transmitter
transmission behavior
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PCT/DE2000/001470
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Frank Kowalewski
Gunnar Schmidt
Siegfried Baer
Josef Laumen
Martin Hans
Mark Beckmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03—Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03006—Arrangements for removing intersymbol interference
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
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    • H04L25/0202—Channel estimation
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    • H04W52/28—TPC being performed according to specific parameters using user profile, e.g. mobile speed, priority or network state, e.g. standby, idle or non transmission
    • H04W52/282—TPC being performed according to specific parameters using user profile, e.g. mobile speed, priority or network state, e.g. standby, idle or non transmission taking into account the speed of the mobile

Definitions

  • the invention is based on a method for estimating the relative speed of a transmitter relative to a receiver or on a receiving device for radio signals according to the type of the independent claims.
  • the method according to the invention and the receiving device according to the invention with the features of the independent claims has the advantage over the prior art that an accurate speed estimation is made possible.
  • a further advantage is that the method according to the invention and the receiving device according to the invention can be used for a large speed range up to five hundred kilometers per hour. This results in a large area of application.
  • the measures listed in the dependent claims enable advantageous improvements to the method or the receiving device specified in the independent claims.
  • a measure of the temporal change in the transmission properties is obtained in the receiver from the estimation of the impulse response of the radio channel and the relative speed of the transmitter relative to the receiver is deduced therefrom.
  • a simple formula is used to calculate the dimension. If a radio channel estimate has already been implemented in the receiver, adding the calculation for the measure of the change over time in the transmission properties of the radio channel is a measure which involves little effort.
  • a further advantageous development of the method according to the invention and the receiving device according to the invention is given in that in the receiver a measure of the temporal change in the transmission properties of the radio channel is obtained from a plurality of reception signals of identical signals transmitted successively and from this on the relative speed of the transmitter is closed to the receiver, "without the exact form of the transmission signals in the receiver being known.
  • a simple formula is used to calculate the measure. The addition of this calculation is for the measure of the time change of the transmission properties of the radio channel into the receiver with very little effort.
  • the receiver is aware of the function with which the measure of the temporal change in the transmission properties of the radio channel with the relative speed of the transmitter linked to the recipient. This translates the value for the measure into a value for the speed in a simple manner.
  • the receiver comprises a first display device on which the estimated speed is displayed.
  • the receiver can be used as a speed measurement and display instrument without the need for additional sensors. This applies in particular when the receiver is designed as a mobile telephone, which is already provided with devices for estimating the impulse response of the radio channel in order to equalize received signals, which devices can then be used for speed estimation.
  • the receiver comprises a second display device, on which a time average of the estimated speed is reproduced. In this way the functionality of the
  • FIG. 1 shows the general structure of a radio transmission system
  • FIG. 2 shows a block diagram of a receiver
  • FIG. 3 shows a further block diagram of a receiver
  • FIG. 4a a receiver designed as a clock
  • Figure 4c a receiver designed as a mobile phone.
  • FIG. 1 The general structure of a radio transmission system is shown in FIG.
  • a receiver 2, a base station receives the radio signal by means of an antenna 10.
  • the radio signals received by the receiver 2 do not correspond to the radio signals transmitted by the transmitter 1. This is due to the transmission properties of the radio channel 4, by means of which the transmitted radio signals are changed. A variety of factors are responsible for the transmission properties: the distance between transmitter and receiver, multiple reflections of radio signals on buildings, the landscape, vehicles, etc. and the
  • Frequency shift when the relative speed between transmitter and receiver does not disappear due to the Doppler effect Means are present in the receiver 2 or also in the transmitter 1, which, knowing the transmission properties of the radio channel 4, reconstruct the original signals from the received radio signals so modified.
  • Knowing the relative speed between transmitter 1 and receiver 2 is used to determine the number of Adapt estimates of the transmission properties of the radio channel per unit of time to the relative speed. If the speed is high, they will
  • Radio channel transmission properties change rapidly and therefore the radio channel transmission properties have to be estimated more frequently in order to ensure optimal signal reconstruction in the receiver.
  • the estimated speed values are used in a mobile radio system at lower
  • the transmission properties of the radio channel 4 are described by its impulse response.
  • the impulse response mathematically links the transmitted radio signal with the received one.
  • the link is given by the folding operation, that is, the radio signal sent folded with the impulse response of radio channel 4 results in the received one
  • Radio signal The impulse response is completely described by its magnitude components and its phase components. These components come from the different paths over which the radio signal passes from the transmitter 1 to the receiver 2. These different paths are caused by the multipath propagation described above.
  • the impulse response changes when the transmitter 1 moves relative to the receiver 2. Because a change in the distance and the geometric conditions between transmitter 1 and
  • Receiver 2 changes the impulse response.
  • the temporal change in the impulse response therefore contains information about the speed of the transmitter 1 in relation to the receiver 2.
  • the magnitude components of the impulse response of the radio channel 4 change due to the different attenuation that a changing distance transmitter / receiver and due to changed phases of equally long propagation paths.
  • the phase components change due to the Doppler effect and the changed path lengths due to changed multiple reflections.
  • the data is saved according to the FIFO (first-in, first-out) principle.
  • the following formula is the measure of the temporal Change in the transmission properties of the radio channel
  • the receiver 2 assigns the determined value a to a speed value. Experience has shown that the assignment is linear. The receiver 2 optimizes the radio connection with the speed value.
  • Receiver 2 different multiple reflections and a different Doppler effect are taken into account.
  • the receiver 2 does not have to know the transmitted radio signal. It only has to be transmitted in the same form by transmitter 1 at fixed time intervals.
  • the transmitter 1 has a relative speed of zero in relation to the receiver 2
  • the difference between the radio signal received at time t n and at time t n + 1 is also zero. If there is a relative speed of greater than zero, the radio signals received will differ at times t 1 and t -..-. This changes the received radio signal various times information about the change in time of the radio channel 4 and thus about the relative speed between transmitter 1 and receiver 2.
  • the receiver 2 receives the repeatedly transmitted radio signals r ⁇ n ', the index n being an integer and the
  • the receiver 2 uses the following formula to calculate the measure a ', which is the change over time
  • radio signals which have the function of a test signal
  • other radio signals which contain useful data, such as digitally coded voice signals in the mobile radio system, are transmitted from the transmitter 1 to the receiver 2 via the radio channel 4.
  • this speed estimate is ultimately carried out.
  • the 26-bit training sequence of the GSM Global System for Mobile
  • the training sequence for example, has a duration of 95.94 ⁇ s, as in GSM.
  • the period of one millisecond as the distance between two estimates of the impulse response and also as the time between two received radio signals can be changed depending on the accuracy of the speed estimate, the transmission rate and the hardware used. More or less than a hundred memory entries can be used for the calculation depending on the accuracy and the storage capacity.
  • the training sequence can also be transmitted as part of a radio signal in which the user data are transmitted. For example, this is the usual form in the GSM standard.
  • the memory can be managed dynamically, so that the existing memory entries are included in the speed estimate until one hundred is reached and then the process is continued according to the FIFO principle. This means that one hundred memory entries are expected every millisecond.
  • transmitters and receivers in a mobile radio system for the invention are that the transmitter 1 and receiver 2 can each be bound to missiles, spacecraft, land vehicles or water vehicles. This demonstrates the full applicability of the invention.
  • FIG 2 the internal structure of the receiver 2 is shown schematically.
  • the antenna 10 is connected via a line to a high-frequency input of a high-frequency receiving part 5.
  • the high-frequency receiving part 5 is connected via its output to the input of an analog / digital converter 6.
  • the digital output of the analog / digital converter 6 is connected to a data input of a processor 7 via a data line.
  • Data inputs and outputs of the processor 7 and a memory 8 are linked to one another via data lines.
  • Data outputs of the processor 7 lead via data lines to an equalizer filter 9.
  • the data line between the processor 7 on the one hand and the analog / digital converter 6, the memory 8 and the equalizer filter 9, on the other hand, are shown as one in the drawing for simplification
  • the received radio signals are received by the antenna 10 and reach the via a line
  • Radio frequency receiving section 5 The received radio signals are filtered, amplified and converted into an intermediate frequency.
  • the amplified and converted signals come via a line into the analog via the output of the radio-frequency receiving part 5.
  • the processor 7 here is a digital signal processor. He appreciates that
  • the equalizer filter 9 is here a digital signal processor which is independent of the processor and through which the signals coming from the processor 7 are filtered.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a receiver 2, a channel estimator 11, a buffer 12 and a speed estimator 13 appearing here instead of the processor 6 and the memory 8 from FIG. 2.
  • An antenna 10 is connected to a radio frequency receiving part 5.
  • the high-frequency receiving part 5 is connected to an analog / digital converter 6.
  • the analog / digital converter 6 is connected via its digital output to a first data input of an equalizer filter 9 and to the channel estimator 11.
  • a data output goes from the channel estimator 11 to the second data input of the equalizer filter 9 and a second data output goes to the buffer 12.
  • the buffer 12 is connected to the speed estimator 13.
  • the speed estimator 13 has an open exit.
  • the radio signals are received by the antenna 10 and then reach the high-frequency receiving part 5. There, the received signals are filtered in order to eliminate unwanted signals received on unwanted frequencies, amplified and converted into an intermediate frequency.
  • the signals come from the high-frequency receiving part 5 into the analog / digital converter 6, where they are digitized. This
  • the data stream then goes from the digital output of the analog / digital converter 6 to the first data input of the equalizer filter 9 and to the channel estimator 11.
  • the data stream is temporarily stored in the equalizer filter 9 until the estimate of the transmission properties of the radio channel is transmitted from the channel estimator 11 to the second data input of the equalizer filter 9 becomes.
  • the equalizer filter 9 equalizes the useful data signals in the data stream in the manner described above.
  • the channel estimator 11 estimates the transmission properties of the radio channel by means of the training sequences described above. There are then impulse responses from the radio channel. These impulse responses are buffered in buffer 12. The speed estimator 13 takes the stored impulse responses from the buffer 12 and estimates the speed of the receiver 2 relative to the transmitter 1 using the methods described above. This estimated speed value is then available
  • the speed estimation can also be used to adapt the step size of the transmission power control to the speed and thus to the change in the
  • Transmission properties of the radio channel 4 are used. A high speed requires a quick change in the damping and therefore a quick adjustment of the transmission power is required.
  • the speed value estimated by the speed estimator 13 as described can then be at a first Display device 100 of the receiver 2 are reproduced.
  • Such a speed measurement can be integrated in any mobile device, for example in a clock 110 as shown in FIG. 4a), in a bicycle computer 120 in accordance with FIG. 4b) or in a mobile phone 130 in accordance with FIG. 4c).
  • the estimated speed values and the calculation of the average speed value can also be stored in the speed estimator 13.
  • the display on the first display device 100 and possibly on the second display device 140 can take place numerically or alphanumerically, for example with additional specification of the physical speed unit “km / h” or “m / s”.
  • the speed when running, cycling, skiing, swimming, etc. can be determined.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Schätzung der relativen Geschwindigkeit eines Senders (1) gegenüber einem Empfänger (2) bzw. eine Empfangsvorrichtung für Funksignale vorgeschlagen, das bzw. die die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals der relativen Geschwindigkeit eines Senders (1) gegenüber einem Empfänger (2) zuordnet. Diese Zuordnung geschieht nach einer dem Empfänger (2) bekannten Funktion zwischen zeitlicher Änderung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals (4) und der relativen Geschwindigkeit zwischen Sender (1) und Empfänger (2). Mit der geschätzten Geschwindigkeit optimiert der Empfänger (2) das Funkübertragungssystem.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR SCHÄTZUNG DER RELATIVEN GESCHWINDIGKEIT EI¬ NES SENDERS GEGENÜBER EINEM EMPFÄNGER
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Schätzung der relativen Geschwindigkeit eines Senders gegenüber einem Empfänger bzw. von einer EmpfangsVorrichtung für Funksignale nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche aus .
Es ist bereits aus der Patentschrift von Hughes Aircraft Company "Doppier bandwidth dependent estimation of communcations Channel" US-Patent-Nr . 5,513,221, erteilt am 30.4.1996, bekannt, daß die Schätzung der relativen
Geschwindigkeit eines Senders gegenüber einem Empfänger unter Ausnutzung des Doppler-Effekts vorgenommen wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Empfangs orrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß eine genaue Geschwindigkeitsschätzung ermöglicht wird. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Empfangsvorrichtung für einen großen Geschwindigkeitsbereich bis fünfhundert Stundenkilometer einsetzbar ist. Dadurch ergibt sich ein großes Anwendungsgebiet. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahrens bzw. der Empfangsvorrichtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, daß im Empfänger bereits aus der Schätzung der Impulsantwort des Funkkanals ein Maß für die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaften gewonnen und daraus auf die relative Geschwindigkeit des Senders gegenüber dem Empfänger geschlossen wird. Hierzu wird eine einfache Formel zur Berechnung des Maßes verwendet. Ist im Empfänger eine FunkkanalSchätzung schon implementiert, ist das Hinzufügen der Berechnung für das Maß für die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals eine mit geringem Aufwand verbundene Maßnahme.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichung ist dadurch gegeben, daß im Empfänger schon aus einer Mehrzahl von Empfangssignalen identischer, nacheinander gesendeter Signale, ein Maß für die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals gewonnen und daraus auf die relative Geschwindigkeit des Senders gegenüber dem Empfänger geschlossen wird, "ohne daß die genaue Form der Sendesignale im Empfänger bekannt ist. Hierzu wird eine einfache Formel zur Berechnung des Maßes verwendet. Die Hinzunahme dieser Berechnung für das Maß für die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaf en des Funkkanals in den Empfänger ist mit einem sehr geringen Aufwand verbunden.
Darüber hinaus ist es eine Eigenschaft der Erfindung, daß dem Empfänger die Funktion bekannt ist, mit der das Maß für die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaf en des Funkkanals mit der relativen Geschwindigkeit des Senders gegenüber dem Empfänger verknüpft ist. Dadurch wird in einfacher Weise der Wert für das Maß in einen Wert für die Geschwindigkeit übersetzt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Empfänger eine erste Anzeigevorrichtung umfaßt, an der eine Wiedergabe der geschätzten Geschwindigkeit erfolgt. Auf diese Weise kann der Empfänger als Geschwindigkeitsmeß- und anzeigeinstrument verwendet werden, ohne daß eine zusätzliche Sensorik erforderlich wäre. Dies gilt insbesondere bei Ausbildung des Empfängers als Mobiltelefon, das zur Entzerrung von Empfangssignalen sowieso schon mit Einrichtungen zur Schätzung der Impulsantwort des Funkkanals versehen ist, die dann zur Geschwindigkeitsschätzung mitverwendet werden können.
Vorteilhaft ist auch, daß der Empfänger eine zweite Anzeigevorrichtung umfaßt, an der eine Wiedergabe eines zeitlichen Mittelwerts der geschätzten Geschwindigkeit erfolgt. Auf diese Weise wird die Funktionalität des
Empfängers und das Informationsangebot für den Benutzer weiter erhöht .
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den allgemeinen Aufbau eines Funkübertragungssystems ,
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Empfängers,
Figur 3 ein weiteres Blockschaltbild eines Empfängers, Figur 4a) einen als Uhr ausgebildeten Empfänger,
Figur 4b) einen als Fahrradcomputer ausgebildeten Empfänger und
Figur 4c) einen als Mobiltelefon ausgebildeten Empfänger.
Beschreibung
In Figur 1 ist der allgemeine Aufbau eines FunkübertragungsSystems dargestellt. Ein Sender 1, eine Mobilstation, strahlt über eine Antenne 3 ein Funksignal über einen Funkkanal 4 ab . Über diesen Funkkanal 4 empfängt ein Empfänger 2, eine Basisstation, mittels einer Antenne 10 das Funksignal.
Die vom Empfänger 2 empfangenen Funksignale entsprechen nicht den vom Sender 1 ausgesandten Funksignalen. Dies liegt in den Übertragungseigenschaf en des Funkkanals 4 begründet, durch den die ausgesandten Funksignale verändert werden. Für die Übertragungseigenschaften sind eine Vielzahl von Gegebenheiten verantwortlich: Die Entfernung zwischen Sender und Empfänger, Mehrfachreflexionen von Funksignalen an Gebäuden, der Landschaft, Fahrzeugen usw. und die
Frequenzverschiebung bei nicht verschwindender relativer Geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger aufgrund des Dopplereffekts. Im Empfänger 2 oder auch im Sender 1 sind Mittel vorhanden, die in Kenntnis der Übertragungseigenschaften des Funkkanals 4 aus den so veränderten, empfangenen Funksignalen die ursprünglichen Signale wieder rekonstruieren.
Die Kenntnis der relativen Geschwindigkeit zwischen Sender 1 und Empfänger 2 wird dazu verwendet, die Zahl der Schätzungen der Übertragungseigenschaften des Funkkanals pro Zeiteinheit an die relative Geschwindigkeit anzupassen. Ist die Geschwindigkeit hoch, werden sich die
Ubertragungseigenschaften rasch ändern und daher müssen die Funkkanalübertragungseigenschaften häufiger geschätzt werden, um eine optimale Signalrekonstruktion im Empfänger zu gewährleisten.
Darüber hinaus werden die geschätzten Geschwindigkeitswerte dazu verwendet, in einem Mobilfunksystem bei niedriger
Geschwindigkeit eine Vorentzerrung der Sendesignale in der Basisstation vorzunehmen, bei hohen Geschwindigkeiten dagegen in den Mobilstationen. Eine Vorentzerrung in der Basisstation verringert den Rechenaufwand der Mobilstationen, da dann keine Nachentzerrung in den
Mobilstationen mehr nötig ist. Andererseits arbeitet eine Vorentzerrung nur bei niedrigen Geschwindigkeiten ausreichend gut, da die zur Vorentzerrung nötigen KanalSchätzungen der Rückwärtsstrecke (Mobilstation- Basisstation) bei hohen Geschwindigkeiten die
Vorwärtsstrecke (Basisstation-Mobilstation) inkorrekt beschreiben. Die Bestimmung der Geschwindigkeit erlaubt es, zwischen diesen beiden Betriebsarten, Entzerrung nur in der Basisstation und Nachentzerrung in den Mobilstationen, optimal umzuschalten.
Weiterhin ist es in bestehenden Mobilfunksystemen von Interesse, die Funksignalleistung jeder Sendestation individuell zu regeln. Hierbei ist es vorteilhaft, die relative Geschwindigkeit zwischen Sender 1 und Empfänger 2 zu kennen, um beispielsweise die notwendige Schrittweite der Funksignalleistungsregelung zu bestimmen oder die Funksignalleistungsregelung bei hohen Geschwindigkeiten ganz auszuschalten . Additive Störungen wie zum Beispiel durch benachbarte Funksysteme stören die Bestimmung der
Kanalübertragungseigenschaften. Es hat sich herausgestellt, daß die dadurch entstehenden Fluktuationen der Geschwindigkeitsschätzung durch mehrfache
Geschwindigkeitsschätzungen herausgemittelt werden.
Zur Bestimmung der Änderung der Übertragungseigenschaf en des Funkkanals 4 gibt es zwei Methoden: 1. Wiederholte Kanalschätzung
2. Direkte Auswertung wiederholt gesendeter Signalfolgen
Wiederholte KanalSchätzung
Die Übertragungseigenschaften des Funkkanals 4 werden durch seine Impulsantwort beschrieben. Die Impulsantwort verknüpft rechnerisch das gesendete Funksignal mit dem empfangenen. Die Verknüpfung ist durch die Faltungsoperation gegeben, das heißt, das gesendete Funksignal gefaltet mit der Impulsantwort des Funkkanals 4 ergibt das empfangene
Funksignal. Die Impulsantwort wird vollständig durch ihre Betragskomponenten und ihre Phasenkomponenten beschrieben. Diese Komponenten stammen von den unterschiedlichen Pfaden, über -die das Funksignal vom Sender 1 zum Empfänger 2 gelangt. Diese unterschiedlichen Pfade werden durch die oben beschriebene Mehrwegeausbreitung verursacht.
Die Impulsantwort ändert sich bei Bewegung des Senders 1 gegenüber dem Empfänger 2. Denn eine Änderung der Entfernung und der geometrischen Gegebenheiten zwischen Sender 1 und
Empfänger 2 ändert die Impulsantwort . Die zeitliche Änderung der Impulsantwort enthält daher Informationen über die Geschwindigkeit des Senders 1 gegenüber dem Empfänger 2. Die Betragskomponenten der Impulsantwort des Funkkanals 4 ändern sich aufgrund der unterschiedlichen Dämpfung, die von einer sich ändernden Entfernung Sender/Empfänger und aufgrund veränderter Phasen gleich langer Ausbreitungspfade stammt . Die Phasenkomponenten ändern sich aufgrund des Dopplereffekts und der veränderten Pfadlängen aufgrund veränderter Mehrfachreflexionen.
Um die zeitliche Änderung der Impulsantwort zu ermitteln, ist die Bestimmung der Impulsantwort im Empfänger 2 notwendig. Dafür wird einer Schätzung des Funkkanals 4 eingesetzt. Eine Funkkanalschätzung wird so durchgeführt, daß das ursprünglich gesendete Funksignal dem Empfänger 2 bekannt ist, so daß der Empfänger das empfangene Funksignal mit dem ursprünglichen Funksignal entfaltet und auf diese Weise eine Schätzung für die Impulsantwort des Funkkanals 4 erhält. Voraussetzung für diese Methode ist, daß der Sender 1 in einem festen Zeitabstand dieses bekannte Funksignal aussendet. Hier beträgt dieser Zeitabstand eine Millisekunde. Um ein Maß für die zeitliche Veränderung der Impulsantwort zu ermitteln, ist es notwendig, mindestens zwei aufeinanderfolgende geschätzte Impulsantworten zu berücksichtigen. Um zuverlässige Änderungswerte zu erhalten, ist es von Vorteil, kurzzeitige Störungen der Schätzungen der Impulsantwort herauszumitteln. Hier werden einhundert geschätzte Impulsantworten berücksichtigt, das heißt, daß nach einhundert Millisekunden die erste
Geschwindigkeitsschätzung erfolgt und jede weitere nach einer weiteren Millisekunde.
Λ(»>
Der Empfänger 2 nimmt nun eine Schätzung h der Impulsantwort vor, wobei n den Zeitpunkt tn indiziert, zu dem die Impulsantwort geschätzt wurde. Er speichert die letzten N = einhundert Schätzungen der Impulsantwort ab. Gespeichert wird nach dem FIFO- (First-In-First-Out) Prinzip. Durch folgende Formel ist das Maß für die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals
-U) «(i-l) h - h gegeben: a = \ i J eine ganze Zahl ist, die
*(λ) (*-!) wobe k=n-N
die Funktion einer Laufvariablen hat. Im Zähler wird durch die Differenzbildung die zeitliche Änderung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals 4 berücksichtigt, während der Nenner aus Gründen der Normierung eingeführt wurde. Der Empfänger 2 ordnet dem ermittelten Wert a einen Geschwindigkeitswert zu. Die Zuordnung ist erfahrungsgemäß linear. Mit dem Geschwindigkeitswert optimiert der Empfänger 2 die Funkverbindung.
Direkte Auswertung wiederholt gesendeter Signalfolgen
Beobachtet man ein wiederholt ausgesendetes Funksignal im Falle, daß sich der Sender 1 gegenüber dem Empfänger 2 bewegt, so gibt bereits die Änderung dieses wiederholt empfangenen Funksignales Aufschluß über die Änderung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals . Diese Änderung wird wieder in Betrag und Phase berücksichtigt, damit sowohl die unterschiedliche Entfernung zwischen Sender 1 und
Empfänger 2, unterschiedliche Mehrfachreflexionen und ein unterschiedlicher Dopplereffekt berücksichtigt werden. Der Empfänger 2 muß in diesem Fall das ausgesendete Funksignal nicht kennen. Es muß nur vom Sender 1 in festen Zeitabständen in gleicher Form ausgesendet werden.
Hat dann beispielsweise der Sender 1 gegenüber dem Empfänger 2 eine Relativgeschwindigkeit von null, so ist die Differenz zwischen dem empfangenen Funksignal zum Zeitpunkt tn und zum Zeitpunkt tn+1 auch null. Liegt eine Relativgeschwindigkeit von größer null vor, so werden sich die empfangenen Funksignale zu den Zeitpunkten t„ und t-..- unterscheiden. Damit gibt die Änderung des empfangenen Funksignals zu verschiedenen Zeitpunkten Auskunft über die zeitliche Änderung des Funkkanals 4 und damit über die relative Geschwindigkeit zwischen Sender 1 und Empfänger 2. Der Empfänger 2 empfängt die wiederholt gesendeten Funksignale r ^n' , wobei der Index n eine ganze Zahl ist und den
Zeitpunkt tn indiziert, zu dem das Funksignal empfangen wurde. Der Empfänger 2 speichert die letzten N = einhundert Funksignale ab. Abgespeichert wird wieder nach dem FIFO- Prinzip . Der Empfänger 2 berechnet nach der folgenden Formel das Maß a' , das die zeitliche Änderung der
Übertragungseigenschaften des Funkkanals charakterisiert :
«• = wobei k eine ganze Zahl ist, die die
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Funktion einer Laufvariablen hat. Der Zähler berücksichtigt durch Differenzbildung die zeitliche Änderung der Funkkanaleigenschaften, während der Nenner aus Gründen der Normierung eingeführt wurde. Dann folgt die Zuordnung einer Geschwindigkeit zu diesem Wert a' . Mit diesem Geschwindigkeitswert optimiert der Empfänger 2 die Funkverbindung zwischen Sender 1 und Empfänger 2.
Neben dem Funksignal, das die Funktion eines Testsignals inne hat, werden andere Funksignale, die Nutzdaten, wie digital codierte Sprachsignale beim Mobilfunksystem, beinhalten, vom Sender 1 zum Empfänger 2 über den Funkkanal 4 übertragen. Um die optimale Übertragung dieser Nutzdaten zu gewährleisten, wird letztlich diese Geschwindigkeitsschätzung durchgeführt .
Als gesendetes Funk- und Testsignal wird die 26 Bit-lange Trainingssequenz des GSM (Global System for Mobile
Communication Standards) für beide Lösungsstrategien, wiederholte Kanalschätzung und direkte Auswertung wiederholt gesendeter Signalfolgen, verwendet. Diese Trainingssequenz hat die Eigenschaft, daß sie im übrigen Datenstrom praktisch nicht vorkommt. Alternativ kann jedoch auch eine andere geeignete Sequenz, die entweder bekannt ist oder immer gleich wiederholt wird, verwendet werden.
Die Trainingssequenz hat zum Beispiel wie im GSM eine Dauer von 95,94 μs . Die Periodendauer von einer Millisekunde als Abstand zwischen zwei Schätzungen der Impulsantwort und auch als Zeit zwischen zwei empfangenen Funksignalen kann in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Geschwindigkeitsschätzung, der Übertragungsrate und der eingesetzten Hardware verändert werden. Es können mehr oder weniger als einhundert Speichereinträge zur Berechnung in Abhängigkeit von der Genauigkeit und der Speicherkapazität verwendet werden. Die Trainingssequenz kann auch als Teil eines Funksignals übertragen werden, in dem die Nutzdaten gesendet werden. Dies ist zum Beispiel die übliche Form bei dem GSM-Standard.
Alternativ dazu, daß gewartet wird, bis einhundert Speichereinträge erreicht sind, um die erste
Geschwindigkeitsschätzung vorzunehmen, kann der Speicher dynamisch verwaltet werden, so daß zunächst die vorhandenen Speichereinträge in die Geschwindigkeitsschätzung eingehen, bis einhundert erreicht sind und dann nach dem FIFO-Prinzip fortgefahren wird. Das heißt, dann wird jede Millisekunde mit einhundert Speichereinträgen gerechnet.
Andere Ausführungsbeispiele als Sender und Empfänger bei einem Mobilfunksystem für die Erfindung sind, daß der Sender 1 und Empfänger 2 jeweils an Flugkörper, Raumflugkörper, Landfahrzeuge oder Wasserfahrzeuge gebunden sein können. Dies demonstriert die uneingeschränkte Verwendbarkeit der Erfindung . In Figur 2 ist schematisch der innere Aufbau des Empfängers 2 dargestellt. Die Antenne 10 ist über eine Leitung mit einem Hochfrequenzeingang eines Hochfrequenzempfangsteils 5 verbunden. Das Hochfrequenzempfangsteil 5 ist über seinen Ausgang mit dem Eingang eines Analog-/Digitalwandlers 6 verbunden. Der Digitalausgang des Analog-/Digitalwandlers 6 ist über eine Datenleitung an einen Dateneingang eines Prozessors 7 angeschlossen. Über Datenleitungen sind Dateneingänge und Ausgänge des Prozessors 7 und eines Speichers 8 miteinander verknüpft . Datenausgänge des Prozessors 7 führen über Datenleitungen zu einem Entzerrerfilter 9. Die Datenleitung zwischen dem Prozessor 7 auf der einen Seite und dem Analog-/Digitalwandler 6, dem Speicher 8 und dem Entzerrerfilter 9, auf der anderen Seite sind in der Zeichnung zur Vereinfachung als eine
Datenleitung dargestellt. In der tatsächlichen Schaltung sind jedoch zum Teil mehr als eine realisiert.
Die empfangenen Funksignale werden von der Antenne 10 empfangen und gelangen über eine Leitung in das
Hochfrequenzempfangsteil 5. Dort werden die empfangenen Funksignale gefiltert, verstärkt und in eine Zwischenfrequenz umgesetzt. Über den Ausgang des Hochfrequenzempfangsteils 5 kommen die verstärkten und umgesetzten Signale über eine Leitung in den Analog-
/Digitalwandler 6, durch den sie digitalisiert werden. Die digitalisierten Signale werden dann über den Digitalausgang des Analog-/Digitalwandlers 6 über eine Datenleitung an einen Dateneingang des Prozessors 7 übergeben. Der Prozessor 7 ist hier ein digitaler Signalprozessor. Er schätzt die
Geschwindigkeit nach einem der oben genannten Verfahren und optimiert dann die Funkverbindung zwischen Sender und Empfänger. In der oben genannten Druckschrift wird ein Anwendungsbeispiel bezüglich eines Entzerrers dargestellt, wobei in die KanalSchätzung eine mit der Geschwindigkeit gewichtete Komponente eingeht. Da die KanalSchätzung die Entzerrerkoeffizienten bestimmt, werden dadurch auch die Entzerrerkoeffizienten angepaßt. Der ermittelte Geschwindigkeitswert wird nämlich von dem Prozessor 7 über einen seiner Datenausgänge über eine Datenleitung an den
Entzerrerfilter 9 übergeben, der damit seine Koeffizienten für die Funksignalfilterung anpaßt. Die Funksignale selbst gelangen über andere Datenausgänge des Prozessors 7 über Datenleitungen an Dateneingänge des Entzerrerfilters 9. Der Entzerrerfilter 9 ist hier ein vom Prozessor eigenständiger digitaler Signalprozessor, durch den die vom Prozessor 7 kommenden Signale gefiltert werden.
In Figur 3 ist ein Blockschaltbild eines Empfängers 2 dargestellt, wobei hier ein Kanalschätzer 11, ein Puffer 12 und ein Geschwindigkeitsschätzer 13 anstatt des Prozessors 6 und des Speichers 8 aus Figur 2 erscheinen. Eine Antenne 10 ist mit einem Hochfrequenzempfangsteil 5 verbunden. Das Hochfrequenzempfangsteil 5 ist an einen Analog- /Digital - wandler 6 angeschlossen. Der Analog- /Digitalwandler 6 ist über seinen Digitalausgang an einen ersten Dateneingang eines Entzerrerfilters 9 und an den Kanalschätzer 11 angeschlossen. Vom Kanalschätzer 11 geht ein Datenausgang an den zweiten Dateneingang des Entzerrerfilters 9 und ein zweiter Datenausgang an den Puffer 12. Der Puffer 12 ist mit dem Geschwindigkeitsschätzer 13 verbunden. Der Geschwindigkeitsschätzer 13 hat einen offenen Ausgang.
Die Funksignale werden mit der Antenne 10 empfangen und gelangen dann in das Hochfrequenzempfangsteil 5. Dort werden die empfangenen Signale gefiltert, um unerwünscht empfangene Signale auf ungewollten Frequenzen zu eliminieren, verstärkt und in eine Zwischenfrequenz umgesetzt. Von dem Hochfrequenzempfangsteil 5 kommen die Signale in den Analog- /Digitalwandler 6, wo sie digitalisiert werden. Dieser Datenstrom geht dann von dem Digitalausgang des Analog- /Digitalwandlers 6 zum ersten Dateneingang des Entzerrerfilters 9 und zum Kanalschätzer 11. Im Entzerrerfilter 9 wird der Datenstrom zwischengespeichert, bis die Schätzung der Übertragungseigenschaften des Funkkanals von dem Kanalschätzer 11 an den zweiten Dateneingang des Entzerrerfilters 9 übermittelt wird. Mittels der KanalSchätzung entzerrt der Entzerrerfilter 9 die Nutzdatensignale im Datenstrom in der oben beschriebenen Weise.
Der Kanalschätzer 11 schätzt die Übertragungseigenschaften des Funkkanals mittels der oben beschriebenen Trainingssequenzen. Es liegen dann also Impulsantworten des Funkkanals vor. Diese Impulsantworten werden im Puffer 12 zwischengespeichert. Der Geschwindigkeitsschätzer 13 entnimmt die gespeicherten Impulsantworten dem Puffer 12 und schätzt die Geschwindigkeit des Empfängers 2 gegenüber dem Sender 1 mit den oben beschriebenen Methoden. Dieser geschätzte Geschwindigkeitswert liegt dann zur
Weiterverarbeitung vor.
Weiterhin kann die Geschwindigkeitsschätzung auch zur Anpassung der Schrittweite der Sendeleistungsregelung an die Geschwindigkeit und damit an die Veränderung der
Übertragungseigenschaften des Funkkanals 4 verwendet werden. Eine hohe Geschwindigkeit erfordert eine schnelle Veränderung der Dämpfung und daher ist eine rasche Anpassung der Sendeleistung erforderlich.
Es kann auch vorgesehen sein, den Empfänger 2 als Mobilstation oder als mobiles Gerät und den Sender 1 als Feststation, beispielsweise als Basisstation, auszubilden. Der wie beschrieben vom Geschwindigkeitsschätzer 13 geschätzte Geschwindigkeitswert kann dann an einer ersten Anzeigevorrichtung 100 des Empfängers 2 wiedergegeben werden .
Eine solche Geschwindigkeitsmessung kann in jedes beliebige mobile Gerät integriert werden, beispielsweise in eine Uhr 110, wie in Figur 4a) dargestellt, in einen Fahrradcomputer 120 gemäß Figur 4b) oder in ein Mobiltelefon 130 nach Figur 4c) .
Werden mehrere in der beschriebenen Weise geschätzte Geschwindigkeitswerte gespeichert und über einen vorgegebenen Zeitraum gemittelt, so kann ein
Geschwindigkeitsmittelwert berechnet und wie am Beispiel des Fahrradcomputers nach Figur 4b) gezeigt, an einer zweiten Anzeigevorrichtung 140 wiedergegeben werden. Die Speicherung der geschätzten Geschwindigkeitswerte und die Berechnung des Geschwindigkeitsmittelwerts kann dabei ebenfalls im Geschwindigkeitsschätzer 13 erfolgen.
Die Anzeige an der ersten Anzeigevorrichtung 100 und gegebenenfalls an der zweiten Anzeigevorrichtung 140 kann numerisch oder alphanumerisch beispielsweise unter zusätzlicher Angabe der physikalischen Geschwindigkeitseinheit „km/h" oder „m/s" erfolgen.
So kann beispielsweise bei Verwendung der beschriebenen erfindungsgemäßen Uhr 110 die Geschwindigkeit beim Laufen, beim Fahrradfahren, beim Skifahren, beim Schwimmen usw. festgestellt werden. Entsprechendes gilt bei der Verwendung des beschriebenen Fahrradcomputers 120, des beschriebenen Mobiltelefons 130 und jedes beliebigen weiteren nach der Erfindung realisierten mobilen Geräts.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Schätzung der relativen Geschwindigkeit eines Senders (1) gegenüber einem Empfänger (2), wobei der Sender (1) dem Empfänger (2) Funksignale über einen Funkkanal (4) sendet, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger (2) aus einer Mehrzahl von empfangenen Funksignalen die zeitliche Änderung des
Übertragungsverhaltens des Funkkanals (4) in Betrag und Phase ermittelt und daraus eine Schätzung der relativen Geschwindigkeit zwischen Sender (1) und Empfänger (2) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (1) dem Empfänger (2) ein bekanntes Funksignal über den Funkkanal (4) sendet, daß das Übertragungsverhalten des Funkkanals (4) durch eine Schätzung h der
Impulsantwort des Funkkanals (4) gewonnen wird, wobei n eine ganze Zahl ist und den Zeitpunkt tn indiziert, zu dem der Empfänger (2) aus dem Vergleich des empfangenen Funksignals mit dem bekannten Funksignal die Impulsantwort des
Funkkanals schätzt und daß das Maß a für die zeitliche
Änderung des Über ragungsVerhaltens des Funkkanals (4) zum π h
Zeitpunkt tn gegeben ist durch a — y t -(*) wobei k k=n-N + h eine ganze Zahl ist und die Funktion einer Laufvariablen hat und N bestimmt, wieviele Impulsantworten des Funkkanals (4) in die Berechnung des Maßes für die zeitliche Änderung des Übertragungsverhaltens des Funkkanals (4) eingehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (1) dem Empfänger (2) ein wiederholtes Funksignal sendet, daß das Übertragungsverhalten des Funkkanals (4) durch die empfangenen Funksignale r 'n' charakterisiert wird, wobei n eine ganze Zahl ist und den Zeitpunkt tn indiziert, zu dem das Funksignal empfangen wurde, und daß das Maß a' für die zeitliche Änderung des Ubertragungsverhaltens des Funkkanals (4) zum Zeitpunkt tn gegeben ist durch
« wobei k eine ganze Zahl ist und die
Figure imgf000018_0001
Funktion einer Laufvariablen hat und N bestimmt, wieviele empfangene Funksignale r'21/ _n ^ie Berechnung des Maßes für die zeitliche Änderung des Übertragungsverhaltens des Funkkanals (4) eingehen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung des Maßes für die zeitliche Änderung des Ubertragungsverhaltens des Funkkanals (4) auf die relative Geschwindigkeit zwischen Sender (1) und Empfänger (2) durch eine dem Empfänger (2) bekannte Funktion vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Impulsantwort des Funkkanals durch die Geschwindigkeitsschätzung verbessert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Impulsantwort des Funkkanals durch Mittelung von mehreren Schätzungen der Impulsantwort vorgenommen wird und daß die letzten Schätzungen der Impulsantwort in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsschätzung bei der Mittelung gewichtet werden.
7. Empfangsvorrichtung für Funksignale, wobei Sender (1) und Empfänger (2) über mindestens einen Funkkanal (4) verbunden sind, wobei der Sender (1) dem Empfänger (2) ein Funksignal sendet, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) aus einer Mehrzahl empfangener Funksignale die zeitliche Änderung des Übertragungsverhaltens des Funkkanals (4) in Betrag und Phase ermittelt, und damit eine Schätzung der relativen Geschwindigkeit zwischen Sender (1) und dem Empfänger (2) vornimmt.
8. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) von dem Sender (1) ein bekanntes Funksignal empfängt, daß der Empfänger (2) das
Übertragungsverhalten des Funkkanals (4) durch eine
Λ (») Schätzung h der Impulsantwort des Funkkanals (4) bestimmt, wobei n eine ganze Zahl ist und den Zeitpunkt tn indiziert, zu dem der Empfänger die Impulsantwort schätzt, daß der Empfänger (2) die zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten geschätzten Impulsantworten
Λ(») h in einem Speicher (8) ablegt und daß der Empfänger (2) das Maß a für die zeitliche Änderung des Übertragungsverhaltens des Funkkanals (4) zum Zeitpunkt tn
mit berechnet, wobei k eine ganze Zahl ist
Figure imgf000019_0001
und die Funktion einer Laufvariablen hat und N bestimmt, wieviele abgespeicherte Impulsantworten des Funkkanals (4) in die Berechnung des Maßes für die zeitliche Änderung des Ubertragungsverhaltens des Funkkanals (4) eingehen.
9. Empfangsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) von dem Sender (1) wiederholt das gleiche Funksignal erhält, und daß der Empfänger (2) das Übertragungsverhalten des Funkkanals (4) durch die empfangenen Funksignale r'π^ bestimmt, wobei n eine ganze Zahl ist und den Zeitpunkt tn indiziert, zu dem der Empfänger (2) die Funksignale empfängt, daß der
Empfänger (2) die zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten empfangenen Funksignale r'π^ in einen Speicher (8) ablegt und daß der Empfänger (2) das Maß a' für die zeitliche Änderung des Übertragungsverhaltens des Funkkanals (4) zum
A) M-\) Zeitpunkt tn mit -7' = t berechnet, wobei k eine
=n-N \\l + } ganze Zahl ist und die Funkton einer Laufvariablen hat und JV bestimmt, wieviele abgespeicherte Funksignale r 'n' in die Berechnung des Maßes für die zeitliche Änderung des Ubertragungsverhaltens des Funkkanals (4) eingehen.
10. Empfangsvorrichtung nach Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) die Abbildung des Maßes für die zeitliche Änderung des Ubertragungsverhaltens des Funkkanals (4) auf die relative Geschwindigkeit zwischen Sender (1) und Empfänger (2) mit einer dem Empfänger (2) bekannten Funktion vornimmt.
11. Empfangsvorrichtung nach Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) die Schrittweite der Funksignalleistungsregelung in Abhängigkeit von der geschätzten Geschwindigkeit einstellt.
12. Empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) eine erste Anzeigevorrichtung (100) umfaßt, an der eine Wiedergabe der geschätzten Geschwindigkeit erfolgt.
13. Empf ngsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) eine zweite Anzeigevorrichtung (140) umfaßt, an .der eine Wiedergabe eines zeitlichen Mittelwerts der geschätzten Geschwindigkeit erfolgt.
14. EmpfangsVorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabe numerisch oder alphanumerisch erfolgt.
15. Empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14 , dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) als mobiles Gerät, insbesondere als Uhr (110), als Fahrradcomputer
(120) , als Mobiltelefon (130) oder dergleichen ausgebildet ist.
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