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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Codierung von Datensymbolen,
die im Rahmen einer OFDM-Funkübertragung über zumindest
zwei Sendeantennen übertragen
werden.
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In
zukünftigen
Breitband-Funkkommunikationssystemen werden Mehrträger-Übertragungsverfahren für Übertragungen
mit hohen Datenraten verwendet.
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Insbesondere
geeignet ist die Verwendung des bekannten "Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM"-Übertragungsverfahren in Kombination
mit Mehrantennensystemen, insbesondere mit MIMO-Antennensystemen.
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Aufgrund
von Funkwellen-Mehrwegeausbreitung und aufgrund von zeitabhängigen Veränderungen der
Mobilfunkkanal-Eigenschaften werden Funksignale während der Übertragung
verzerrt. Um gesendete Daten verzerrungsfrei empfangen zu können, ist
es bekannt, empfängerseitig
eine so genannte kohärente
Detektion zu verwenden. Dazu wird ein verwendeter Funkkanal mit
Hilfe von übertragenen,
empfangsseitig vorbekannten Trainingssequenzen oder Pilotsymbole
in regelmäßigen Abständen vermessen.
Damit kann der Empfänger über eine
Kanalschätzung
aktuelle Verzerrungen des Funkkanals bestimmen und übertragene
Daten wieder entzerren.
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Eine
derartige Kanalschätzung
weist jedoch folgende Nachteile auf:
- – durch
die Übertragung
der Trainingssequenzen bzw. Pilotsymbole wird ein erheblicher Signalisierungs-Overhead
verursacht,
- – während der Übertragung
der Trainingssequenzen bzw. Pilotsymbole können keine (Nutz-)Daten übertragen
werden, und
- – empfangsseitig
muss ein komplexer, zeitaufwendiger Algorithmus zur Kanalschätzung eingesetzt
werden.
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Bei
einem MIMO-Funkübertragungssystem
ist die Funkkanalschätzung
bedingt durch die hohe Anzahl an Antennen nur mit großem Zeitaufwand
durchführbar,
da sich die Anzahl notwendiger Kanalschätzungen aus dem Produkt der
Antennenanzahl auf der Sendeseite und der Antennenanzahl auf der
Empfangsseite ergibt.
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Bei
schnellen Umgebungsveränderungen,
die beispielsweise ein sich schnell bewegendes, mobiles Funkkommunikationsendgerät erfährt, ändern sich
die Kanalverhältnisse
bzw. die Kanaleigenschaften gleichfalls schnell. Dabei wird eine
so genannte "Kohärenzeit", die als Maß für eine Zeitvarianz
der Funkkanaleigenschaften verwendet wird, im wesentlichen durch
die Geschwindigkeit des mobilen Funkkommunikationsendgeräts festgelegt.
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Verwendete
Zeitintervalle zur Funkkanalschätzung
müssen
deutlich unter der Kohärenzzeit
liegen, um eine aktuelle Basis für
nachfolgende Funkkanal-Schätzungen
zu erreichen. Generell gilt, dass bei höheren Geschwindigkeit des Endgeräts entsprechend
häufigere
Funkkanalschätzungen
durchzuführen
sind. Entsprechend häufig
müssen
Trainingssymbole anstatt (Nutz-)Daten gesendet werden, was wiederum
zur Abnahme der Effizienz des Funkübertragungssystems führt.
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Aus
der
WO 2004/073275
A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem Mehrfachträger-Kommunikationssystem
unter Benutzung von mehreren Antennen Übertragungssymbole mittels
einer sog. "Differential Space-Time-Frequency"-Kodierung Daten übertragen
werden.
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Zur
Vermeidung der Funkkanalschätzung
wurde für
MIMO-Funkübertragungssysteme
der so genannte "Differential
Space Time Block Code, DSTBC" definiert,
der beispielsweise in "A
Differential Detection Scheme for Transmit Diversity", Tarokh, Jafarkhani,
IEEE Journal an Selected Areas in Communications, Volume 18, No.
7, July 2000, beschrieben ist.
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Dabei
werden Informationen bzw. Daten über
eine Differenz zwischen einem aktuellen und einem vorherigen Signal
moduliert. Es wird vorausgesetzt, dass sich der Funkkanal im zeitlichen
Abstand zweier aufeinanderfolgender Datensymbole im wesentlichen
nicht ändert,
d.h. die Kohärenzzeit
ist um ein Vielfaches größer als
die Symboldauer. In diesem Fall er fahren die beiden aufeinanderfolgend übertragenen
Datensymbole (von einem beliebigen Zeitpunkt t0 aus betrachtet)
annähernd
die gleiche Verzerrung.
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Mit
anderen Worten wird die Differenz der beiden aufeinanderfolgend übertragenen
Symbole nur unwesentlich von der Verzerrung des Funkkanals beeinflusst.
Die gesendete Information kann somit ohne zusätzliche Kanalentzerrung zurückgewonnen
werden.
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Die
differentielle Codierung für
ein MIMO-Funkkommunikationssystem mit zwei Sendeantennen lässt sich
beispielsweise durch folgende Matrix-Multiplikation beschreiben:
wobei die Einträge der Matrizen
S
k und S
k-1 Sendesymbole
und die Matrix C
k Informationssymbole zum
einem Zeitpunkt k enthalten.
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In
einer Spalte der Sendematrix stehen jeweils diejenigen Sendesymbole,
die aufeinander folgend über
eine Antenne gesendet bzw. übertragen
werden. Die beiden Zeilenvektoren in der Matrix Sk sind
zueinander orthogonal, wodurch eine inkohärente Detektion im Empfänger ermöglicht wird.
Im Gegensatz zur kohärenten
Detektion ist die inkohärente
Detektion nicht auf eine Funkkanalschätzung angewiesen, somit werden
keine sendeseitigen Trainingssequenzen benötigt.
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Zur
Initialisierung der Funkübertragung
bzw. zur empfangsseitigen Decodierung müssen vor der Datenübertragung
bei Verwendung von zwei sendeseitigen Antennen entsprechend zwei
vorbekannte Symbole übertragen
werden.
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1 zeigt
eine Funkübertragung
mit "Differential
Space Time Block Code, DSTBC" in
einem OFDM-Funkkommunikationssystem mit zwei sendeseitigen Antennen.
Dabei werden Symbole s seriell/parallel gewandelt, DSTBC-codiert,
auf N Subcarrier abgebildet und orthogonal zueinander über zwei
Sendeantennen übertragen.
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2 zeigt
mit Bezug auf 1 den durch die Initialisierung
bedingten Signalisierungs-Overhead sowie die Vorgehensweise bei
der differentiellen Codierung (DSTBC) pro Subträger, aufgetragen über die
Zeit. Zu sehen ist, dass für
jeden Subträger
eine eigene Initialisierung notwendig ist, bedingt durch die Codierung mittels
DSTBC bei der OFDM-Funkübertragung.
Zu sehen ist weiterhin, dass aufgrund der verwendeten zwei Sendeantennen
und aufgrund der DSTBC pro Subträger
jeweils zwei Symbole zur Initialisierung verwendet werden.
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Entsprechend
dem Standard 3GPP TR 25.814, "Physical
Layer Aspects for Evolved UTRA",
Release 7, Page 17, 2005–11,
befinden sich in einem Subframe der Zeitdauer 500μsec maximal
sieben Symbole, bei einem Subträgerabstand
von 15kHz. Dabei ist der Subträgerabstand
in einem OFDM-System umgekehrt proportional zur Dauer eines OFDM-Symbols
und jedes OFDM-Symbol weist ein Schutzintervall auf.
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Aufgrund
der orthogonal erfolgenden Symbolübertragung und der DSTBC-Codierung
bestimmt die Übertragung
eines betrachteten OFDM-Symbols auch die Übertragung des nächstfolgenden
OFDM-Symbols mit,
so dass in einem Subframe letztlich nur sechs von sieben Symbolen übertragen
werden. Dies ist beispielhaft in 3 gezeigt.
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Zusammen
mit der Initialisierung in einem ersten OFDM-Symbol beträgt der Overhead
bei einem 500μsec
Subframe und einem Subträgerabstand
von 15kHz insgesamt 33% – d.h.
es lediglich 66% des Rahmens für
eine (Nutz-)Datenübertragung
verwendet werden.
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Für den Fall
mehrerer Teilnehmer werden in einem Rahmen im Zeitmultiplex (z.B.
bei TDMA) Daten übertragen,
wobei jedem Teilnehmer ein Subframe zugeordnet wird. Dies ist in 4A gezeigt.
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Verwendet
man, wie in 4B gezeigt, im Downlink nur
eine gemeinsame Initialisierung zu Beginn eines Frames, um einen
Gesamtoverhead reduzieren zu können,
so müsste
ein Teilnehmer T2 die Daten eines Teilnehmers T1 zusätzlich detektieren,
um für
ihn bestimmten Daten inkohärent
detektieren zu können.
Bei einer verwendeten Leistungsregelung würde dies gegebenenfalls dazu
führen,
dass der Teilnehmer T2 das für den
Teilnehmer T1 bestimmte Datensignal in nicht ausreichender Stärke empfängt.
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Um
die differentielle Codierung für
die Kombination MIMO-Antennensystem
und OFDM-Funkübertragung
effektiver zu gestalten, wurde in „Differential Space-Time-Frequency
Transmit Diversity in OFDM",
von G. Bauch, Proc. of International Symposium an Wireless Personal
Multimedia Communications (WPMC), Yokosuka, Japan, Oct. 2003, ein
so genannter "Differential
Space Time Frequency Block Code, DSTFBC" vorgestellt, der bei der Symbolcodierung
verwendet werden kann.
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Im
Kern handelt es sich dabei um eine Codierung mittels DSTBC, jedoch
werden Sendesymbole nicht ausschließlich über die Zeit sondern auch über die
Frequenz verteilt.
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Die
Einträge
einer Sendematrix Sk werden auf einem Subträger in zwei aufeinanderfolgenden
OFDM-Symbolen gesendet, die Einträge der nächsten Matrix werden in denselben
zwei OFDM-Symbolen
auf dem jeweils nächsten
Subträger
gesendet.
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5 zeigt
das Prinzip der Codierung mittels DSTFBC, während 6 den resultierenden
Overhead für
die Initialisierung sowie die Vorgehensweise bei der differentiellen
Codierung DSTFBC über
Frequenz und Zeit zeigt.
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Die
Codierung mittels DSTFBC benötigt
zur Initialisierung lediglich zwei Datensymbole auf einem Subträger, die
jeweils gemäß 5 über beide
Sendeantennen ausgesendet werden.
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Damit
ist eine deutliche Verringerung des Overhead möglich. Schon ab 256 Subträgern beträgt der gesamte
Overhead nur 0,1% bei einem Subträgerabstand von 15kHz und bei
einer zeitlichen Rahmendauer von 500μsec. Somit sind 99,9% des Rahmens
zur Datenübertragung
verfügbar.
Gegenüber
der eingangs beschriebenen Codierung mittels DSTBC entspricht dies
einer Steigerung um 49,5%.
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Abhängig von
der gewählten
OFDM-Parameterisierung und/oder von den vorherrschenden Fluktuationseigenschaften
des Mobilfunkkanals hat die Codierung mittels DSTFBC jedoch den
entscheidenden Nachteil einer schlechteren Performance. Im Falle
einer starken Frequenzselektivität
bezogen auf den Subträgerabstand
und geringer Zeitvarianz bezogen auf die Symboldauer, ist die Codierung
in Frequenzrichtung schlechter ist als die Codierung über die
Zeitachse. Das liegt daran, dass für eine erfolgversprechende
Codierung mittels DSTFBC ein in gewissen Grenzen konstanter Mobilfunkkanal
vorhanden sein sollte.
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Die
Eigenschaften des Mobilfunkkanals ändern sich zwar zeitlich langsam,
jedoch weist die Übertragungsfunktion
des Mobilfunkkanals im Frequenzbereich eine deutliche Frequenzselektivität, die durch
die Mehrwegeausbreitung bedingt wird. Die Frequenzselektivität äußert sich
in kurzen, jedoch sehr tiefen Einbrüchen bzw. Nullstellen. An diesen
ist die für
die Codierung mittels DSTFBC im Frequenzbereich erforderliche Ähnlichkeit
des Kanals benachbarter Subträger
nur mehr unzureichend gegeben. Daraus resultieren bei Codierung
mittels DSTFBC hohe Bitfehlerraten im Vergleich zur Codierung mittels
DSTBC.
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Unabhängig von
der OFDM-Parameterisierung treten beispielsweise die oben genannten
Kanaleigenschaften typischerweise in so genannten breitbandigen „Fixed
Wireless Access" Systemen auf,
bei denen durch die Breitbandigkeit des Kanals eine entsprechend
hohe Frequenzselektivität
zu erwarten ist und die Sende- und Empfangsstationen sich nicht
oder nur zeitweilig bewegen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Codierung von Symbolen, die über zumindest
zwei Sendeantennen im Rahmen einer OFDM-Funkübertragung gesendet werden,
anzugeben, bei der ein hoher Nutzdatendurchsatz bei gleichzeitig
hoher Störfestigkeit
erreicht wird.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch
die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
der vorliegenden Erfindung werden die Codierung mittels DSTBC und
die Codierung mittels DSTFBC miteinander kombiniert, um eine Art "hybride" Codierkombination
der beiden Verfahren zu erhalten.
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Aufgrund
der Verwendung einer OFDM-Funkübertragung
sind zwei Ausgestaltungen bzw. Codier-Reihenfolgen realisierbar:
Bei
einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Rahmen
einer OFDM-Funkübertragung,
die über
zwei Sendeantennen erfolgt, zwei benachbarte Symbole eines gewählten ersten
Subträgers
als Initialisierungssymbole für
eine Codierung mittels DSTFBC in Subträgerrichtung verwendet.
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Die
beiden benachbarten Symbole des beliebig zuvor festgelegten ersten
Subträgers
werden zur Codierung von Symbolen weiterer Subträger verwendet, wobei die DSTFBC-Codierung
ausgehend von den Symbolen des ersten Subträgers in Subträger- bzw. Frequenzrichtung
mit den Symbolen der benachbarten Subträgern durchgeführt wird.
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Jeder
einzelne Subträger
weist somit an zwei Symbolpositionen zwei benachbarte Symbole auf,
die mittels DSTFBC-Codierung in Abhängigkeit der beiden Symbole
des ersten Subträgers
gebildet wurden.
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Bei
jedem Subträger
werden die beiden durch DSTFBC-Codierung gebildeten Symbole zur
Initialisierung für
eine in Zeitrichtung bzw. Symbolrichtung erfolgende Codierung mittels
DSTBC, die ab einem dritten Symbol durchgeführt wird, verwendet.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird der Vorteil des hohen Datendurchsatzes,
der aus der Codierung mittels DSTFBC resultiert, und der Vorteil
des verbesserten Bitfehlerverhaltens, der aus der Codierung mittels DSTBC
resultiert, durch "hybride" Kombination der
beiden Codierungen miteinander verknüpft.
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Durch
Verwendung der Codierung mittels DSTFBC wird ein geringer Initialisierungs-Overhead
und damit ein hoher Nutzdatenduchsatz erzielt.
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Durch
die zusätzliche
Verwendung der Codierung mittels DSTBC, die längs der Symbol- bzw. Zeitachse
erfolgt, werden ab einem dritten OFDM-Symbol frequenzselektive Abhängigkeiten
des Funkübertragungskanals
vorteilhaft ausgeblendet bzw. reduziert.
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In
einer vorteilhaften zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird über eine
zuvor definierte Zeitdauer, d.h. über eine vorbestimmte Anzahl
von Symbolen, eine Codierung mittels DSTBC vorgenommen. Diese erfolgt
auf einem beliebig zuvor festgelegten Subträger längs der Symbol- bzw. Zeitachse,
wodurch Abhängigkeiten
zwischen zeitlich benachbarten Symbolen des gewählten Subträgers erzeugt werden.
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Dieser
Codierung folgt eine Codierung mittels DSTFBC, die jeweils über zwei
aufeinanderfolgende OFDM-Symbole hinweg längs der Frequenz- bzw. Subträger-Achse
verläuft.
Zur Initialisierung für
die Codierung mittels DSTFBC werden die jeweils über die Codierung mittels DSTBC
auf dem ersten Subträger
erhaltenen Symbole verwendet.
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Dieser
Ansatz kann vorteilhafterweise bei Kanalzuständen eingesetzt werden, die
typischerweise wenig frequenzselektiv jedoch stark zeitvariant sind.
Kanäle
mit derartigen Eigenschaften treten beispielsweise bei der Funkverbindung
von Hochgeschwindigkeitszügen
auf. Hier besteht im allgemeinen Sichtverbindung zwischen Sender
und Empfänger,
d.h. es besteht im Wesentlichen nur ein Ausbreitungspfad und es
tritt somit keine nennenswerte Frequenzselektivität auf, wobei
der Kanal sehr stark zeitlich veränderlich ist.
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Kenntnisse über die
Kanaleigenschaften, die entweder am Sender oder Empfänger vorhanden
sind bzw. die durch Schätzung
erlangt werden, können
für eine
Entscheidung für
ein Umschalten zwischen den geschilderten beiden Ansätzen verwendet
werden.
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Die
Umschalt-Entscheidung wird zwischen Sender einerseits und Empfänger andererseits
signalisiert.
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Die
Kanaleigenschaften können
beispielsweise mit Kenntnis der Geschwindigkeit eines mobilen Endgeräts durch
Schätzung
erlangt werden.
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Dabei
ist es möglich,
in Abhängigkeit
von den Kanaleigenschaften zwischen den beiden geschilderten Ausgestaltungsformen
der Erfindung umzuschalten.
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Entsprechend
ist es möglich,
in Abhängigkeit
von den Kanaleigenschaften zwischen dem hybriden Codierverfahren
der ersten oder zweiten Ausgestaltungsform und einem weiteren Codierverfahren
umzuschalten.
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Als
weiteres Codierverfahren kann beispielsweise die bekannte DSTBC-Codierung
oder DSTFBC-Codierung jeweils allein verwendet werden, es erfolgt
also ein Umschalten zwischen der hyb riden Kombination der Codierverfahren
auf ein einzelnes Codierverfahren. Entsprechend sind bekannte Codierverfahren
als "weitere" Codierverfahren
einsetzbar.
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Vorteilhafterweise
kann bei beiden Varianten bzw. Ausgestaltungsformen der Erfindung
für die Übertragung
der zur Initialisierung erforderlichen Datensymbole sowie für die Übertragung
der Datensymbole,
- – die in der ersten Variante
durch DSTFBC codiert und zur Initialisierung für die DSTBC-Codierung auf den einzelnen
Subträgern
verwendet werden, bzw.
- – die
in der zweiten Variante durch DSTBC codiert und zur Initialisierung
der DSTFBC-Codierung in Subträgerrichtung
verwendet werden,
ein möglichst robustes Modulationsverfahren
verwendet werden.
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Insbesondere
geeignet ist hierfür
die BPSK-Modulation, um für
die zur Initialisierung erforderlichen Daten eine robuste Übertragung
zu gewährleisten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine "Differential Space
Time Block Code, DSTBC" für eine OFDM-Funkübertragung
gemäß dem Stand
der Technik,
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2 mit
Bezug auf 1 einen Signalisierungs-Overhead
bei einer Codierung mit DSTBC,
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3 einen
OFDM-Subframe gemäß dem Stand
der Technik,
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4A einen
drei Subframes aufweisenden Rahmen im Zeitmultiplex gemäß dem Stand
der Technik,
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4B einen
Rahmen mit Daten dreier Teilnehmer und einer gemeinsamen Initialisierung
zu Beginn gemäß dem Stand
der Technik,
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5 in
einer prinzipiellen Darstellung eine Codierung mittels DSTFBC,
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6 bezogen
auf 5 für
DSTFBC einen resultierenden Initialisierungs-Overhead sowie das
Vorgehen bei DSTFBC-Codierung,
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7 eine
prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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8 bezogen
auf 7 Initialisierung und Richtung der erfindungsgemäßen hybriden
Codierung.
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Die 1 bis 6 wurden
als Stand der Technik in der Beschreibungseinleitung bereits näher erläutert.
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7 zeigt
in einem Blockschaltbild eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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8 zeigt,
bezogen auf 7, Initialisierung und Richtung
der erfindungsgemäßen hybriden
Codierung, dargestellt über
Frequenz und Zeit.
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Zwei
benachbarte Symbole SYM1 und SYM2 eines ersten Subträgers ST1
werden zur Initialisierung für
eine DSTFBC-Codierung,
die in Subträgerrichtung
erfolgt, vorgesehen. Die zwei benachbarten Symbole SYM1 und SYM2
des ersten Subträgers
ST1 werden zur DSTFBC-Codierung von positionsgleichen Symbolen SYM1
und SYM2 weiterer Subträger
ST2, ST3, ..., verwendet, wobei die DSTFBC-Codierung ausgehend von den
Symbolen SYM1, SYM2 des ersten Subträgers ST1 über die benachbarten Subträger ST2,
ST3, ..., in Subträgerichtung
erfolgt.
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Letztlich
weist jeder Subträger
ST1, ST2, ST3, ..., an zwei Symbolpositionen t1 und t2 zwei benachbarte
Symbole SYM1 und SYM2 auf, die mittels DSTFBC-Codierung in Abhängigkeit
der zwei benachbarten Symbole SYM1 und SYM2 des ersten Subträgers ST1
gebildet wurden.
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Bei
jedem Subträger
werden die zwei durch DSTFBC-Codierung gebildeten Symbole SYM1,
SYM2 zur Initialisierung für
eine in Symbolrichtung bzw. Zeitrichtung erfolgende DSTBC-Codierung,
die ab einem dritten Symbol SYM3 durchgeführt wird, verwendet.
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Die
Initialisierung wird beliebig über
die Frequenz- und/oder über
die Zeitachse durchgeführt.
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Während der
Initialisierungsphase der DSTBC-Codierung können vorteilhaft bereits Daten
gesendet werden.
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Aufgrund
der orthogonalen Struktur der beiden Codes kann die DSTBC-Codierung
die ersten beiden OFDM-Symbole der DSTFBC-Codierung als Referenz verwenden.