DE19928667A1 - Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal - Google Patents
Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem EmpfangssignalInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal, das eine Vielzahl von Bursts aufweist. Jeder Burst weist dabei M Test- und K Datenbits auf, wobei die M Testbits einem Empfänger bekannt sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: DOLLAR A a) Korrelieren eines ersten Empfangssignalabschnittes, der M Test und Q-M Datenbits aufweist, wobei Q kleiner K ist, mit allen möglichen Sendesignalen, die mit Q Bits erzeugbar sind, DOLLAR A b) Korrelieren eines zweiten Empfangssignalabschnittes, der das Q + 1-te Datenbit aufweist, mit allen möglichen Sendesignalen, die mit dem Q + 1-ten Bit erzeugbar sind, DOLLAR A c) Berechnen der Korrelationen für den aus dem ersten und zweiten Empfangssignalabschnitt zusammengesetzten Empfangssignalabschnitt durch Addition der in a) und b) berechneten Korrelationen, DOLLAR A d) Berechnen aller 2·Q+1-M· quadratischen Formen mit den in c) berechneten Korrelationen, DOLLAR A e) Suchen der größten quadratischen Formen und der dazugehörigen Datensequenzen aus den 2·Q+1-M· quadratischen Formen, DOLLAR A f) Wiederholen der Schritte b) bis e) mit den in Schritt e) gefundenen Datensequenzen und für die das Q+2-, Q+3- bis M+K-1-te Bit aufweisende Empfangssignalabschnitte.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Daten
sequenzen aus einem Empfangssignal nach dem Oberbegriff von Pa
tentanspruch 1 sowie ein, ein derartiges Verfahren verwendendes
Mobilfunksystem.
Funkkanäle, insbesondere terrestrische, verhalten sich sy
stemtheoretisch wie zeitvariante lineare Filter. Ein zeitab
hängiges Sendesignal s(t, a) mit einer digitalen Datensequenz a
erzeugt bei der Übertragung über einen Funkkanal, der eine
zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) aufweist, ein Empfangs
signal
Die Funktion w(t) steht dabei für ein gaußverteiltes Störsignal
der Leistungsdichte NO.
In digitalen Mobilfunksystemen wird das Sendesignal in kurze
Abschnitte, den sogenannten Bursts, unterteilt. Die Kanalim
pulsantwort kann dabei während der Dauer eines Bursts als na
hezu konstant angesehen werden, so daß näherungsweise für das
Empfangssignal
gilt.
Nach einer Abtastung des Empfangssignals unter Beachtung des
Shannon'schen Abtasttheorems ergibt sich eine begrenzte Folge
von Abtastwerten:
mit l ∈ {0, . . ., L - 1} und k ∈ {0, . . ., N - 1}
Die Abtastwerte der Kanalimpulsantwort h(l) sind innerhalb ei
nes Bursts gemäß dem Kanalmodell von Rayleigh miteinander kor
reliert. Dies wird durch die folgende Autokorrelationsmatrix
beschrieben:
Φhh = E[h(1).h*(l')]
E[x] ist dabei der Erwartungswert einer Zufallsvariablen x. h*
das konjugiert komplexe von h.
Die Autokorrelation der Abtastwerte des Störsignals w(t) wird
durch die folgende Formel beschrieben:
E[w(k).w*(k')] = σ2.δkk'
Die Abtastwerte des Störsignals sind unkorreliert und haben
eine Varianz von σ2.
In dem Empfangssignal, das durch den Übertragungskanal verzerrt
ist, muß ein Empfänger die Datensequenz a, die die zu übertra
gende Information bildet, erkennen. Dazu werden in die Datense
quenz in die zu übertragenden Datensymbolen Testsymbole einge
fügt, die dem Empfänger bekannt sind. Ein Teil des Sendesignals
wird dadurch zu einem Testsignal. Mit dem Testsignal kann der
Empfänger die Eigenschaften des Übertragungskanals, insbeson
dere die Kanalimpulsantwort, schätzen. Der Empfang erfolgt dann
in zwei aufeinanderfolgenden Schritten:
- 1. Schätzen der Kanalimpulsantwort aus dem Testsignal.
- 2. Erkennung der im Sendesignal enthaltenen Datensequenz mit der geschätzten Kanalimpulsantwort.
Dieses Verfahren wird bereits bei Mobilfunksystemen nach dem
GSM-Standard (Global System for Mobile Communications) benutzt
und soll auch bei Empfängern des Mobilfunksystems der dritten
Generation UMTS (Universal Mobile Telephone System) eingesetzt
werden.
Um eine genaue Schätzung der Kanalimpulsantwort zu erhalten,
müssen möglichst viele Symbole der Datensequenz a als Testsym
bole verwendet werden. Dies führt allerdings zu einer niedrigen
Datenübertragungsrate, da weniger Symbole einer Datensequenz
pro Burst für die eigentliche zu übertragende Information zur
Verfügung stehen. Beim GSM-Mobilfunksystem wird beispielsweise
20% der Signalleistung pro Burst für die Ausmessung des Kanals
benötigt. Für den W-CDMA-Vorschlag (Wide Band Code Division
Multiple Access) für UMTS werden pro Burst 15 Bits, d. h. Sym
bole, übertragen, wovon nicht mehr als 5 Bits entsprechend un
gefähr 33% der Signalleistung für Testzwecke eingesetzt werden
sollen.
Die eingangs beschriebene zweischrittige Vorgehensweise zur Ka
nalimpulsantwort-Abschätzung ist somit nur ein Kompromiß, da
bei kurzen Testsignalen die Schätzung der Kanalimpulsantwort
ungenau ist und bei langen Testsignalen die Datenübertragungs
rate niedrig ist.
Aus DE 43 10 852 C1 ist ein Verfahren zum Empfang von Funksi
gnalen, die nach dem Direct-Sequence-Spreizspektrum-Verfahren
(DS-SS-Verfahren) kodiert sind, bekannt. Bei diesem Verfahren
wird auf die zweistufige Vorgehensweise zur Kanalimpulsant
wort-Abschätzung verzichtet und stattdessen das folgende opti
mierte Verfahren angewendet:
- 1. Für jede mögliche Datensequenz a wird das zugehörige Sende signal s(k, a) berechnet.
- 2. In einem zweiten Schritt werden die Korrelationen
berechnet. - 3. Aus den im zweiten Schritt berechneten Korrelationen werden
die Vektoren
gebildet. - 4. Weiterhin wird die Matrix
Σ = [Φhh + σ2.1/N.E]-1
berechnet, wobei E die Einheitsmatrix ist. - 5. Aus dem Vektor u(a) und der Matrix Σ wird daraufhin die fol
gende quadratische Form aufgestellt:
U(a) = u* (a).Σ.u(a) - 6. Die Datensequenz, die mit der größten Wahrscheinlichkeit ge
sendet wurde, ergibt sich dann als Maximum der in Schritt 5
aufgestellten Form:
a = arg (maxaU(a))
Im Gegensatz zu dem eingangs geschilderten zweistufigen Verfah
ren ist bei diesem Verfahren nur ein Testsymbol zur Unterschei
dung von Fällen, in denen zwei unterschiedliche Datensequenzen
zum gleichen Empfangssignal führen, erforderlich. Bei der An
wendung spezieller Modulationsverfahren für das Sendesignal,
wie beispielsweise orthogonale Modulationsverfahren, ist über
haupt kein Testsymbol notwendig.
Nachteilig ist bei diesem Verfahren allerdings der mit der
Länge der Datensequenz exponentiell ansteigende Berechnungsauf
wand bei der Berechnung des Sendesignals für jede mögliche Da
tensequenz. Für K Bits der Datensequenz a müssen 2k verschie
dene Datensequenzen und die dazugehörigen Sendesignale s(k, a)
berechnet werden. Dabei sind für jede Datensequenz a noch die
Korrelationen u(l, a) durchzuführen und der. Vektor u(a) und die
quadratische Form U(a) zu berechnen. Je mehr Bits eine Datense
quenz aufweist, desto mehr Berechnungen sind somit zur Durch
führung des Verfahrens nötig.
Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem liegt da
her darin, ein Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus
einem Empfangssignal anzugeben, wobei der Aufwand zur Berech
nung der Datensequenzen lediglich linear mit der Länge der Da
tensequenzen steigt.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von
Patentanspruch 1 gelöst. Besondere Ausführungsformen des Ver
fahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Daten
sequenzen aus einem Empfangssignal, das eine Vielzahl von
Bursts aufweist. Jeder Burst weist dabei M Test- und K Daten
bits auf, wobei die M Testbits einem Empfänger bekannt sind.
Das Verfahren weist die folgenden Schritten auf:
- a) Korrelieren eines ersten Empfangssignalabschnittes, der M Test- und Q-M Datenbits aufweist, wobei Q kleiner K ist, mit allen möglichen Sendesignalen, die mit Q Bits erzeug bar sind,
- b) Korrelieren eines zweiten Empfangssignalabschnittes, der das Q+1-te Datenbit aufweist, mit allen möglichen Sendesi gnalen, die mit dem Q+1-ten Bit erzeugbar sind,
- c) Berechnen der Korrelationen für den aus den ersten und zweiten Empfangssignalabschnitt zusammengesetzten Emp fangssignalabschnitt durch Addition der in a) und b) be rechneten Korrelationen,
- d) Berechnen aller 2Q+1-M quadratischen Formen mit den in c) berechneten Korrelationen,
- e) Suchen der größten quadratischen Formen und der dazugehö rigen Datensequenzen aus den 2Q+1-M quadratischen Formen,
- f) Wiederholen der Schritte b) bis e) mit den in Schritt e) gefundenen Datensequenzen und für die das Q+2-, Q+3- bis M+K-1-te Bit aufweisende Empfangssignalabschnitte.
Vorteilhafterweise werden in Schritt a) Korrelationen nur mit
Sendesignalen gebildet, die mit Q Bits, d. h. weniger als K Bits
eines Bursts, erzeugbar sind. Dadurch verringert sich der Re
chenaufwand in Schritt a). Ferner werden in Schritt e) nähe
rungsweise die kleinsten quadratischen Formen aussortiert, wo
durch sich der Rechenaufwand für die folgenden Schritte weiter
verringert.
Bevorzugt werden die in Schritt a) und b) durchgeführten Korre
lationen wie folgt berechnet:
wobei r(k+1) der zu korrelierende Empfangssignalabschnitt,
s(k, a) das zu korrelierende Sendesignal, das durch eine Daten
sequenz a erzeugt wird, N = (M+K)B die Anzahl der Abtastwerte ei
nes Burts und k ein Laufparameter über die Abtastwerte des zu
korrelierenden Empfangssignalabschnittes sind.
Ferner werden die quadratischen Formen in Schritt d) wie folgt
bevorzugt berechnet:
U (aQ+1) = u*(aQ+1).Σ.u(aQ+1),
wobei u* und u Vektoren mit den Elementen u*(l,aQ+1) bzw.
u(l,aQ+1) sind und die Matrix Σ = [Φhh+σ2E/N]-1Φhh aus der Ein
heitsmatrix E, der Korrelationsmatrix Φhh der Koeffizienten
der Kanalimpulsantwort eines Übertragungskanals, über den das
Empfangssignal übertragen wurde, und der Varianz des Kanalrau
schens σ2 berechnet wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt
e) nach den 2Q-M größten quadratischen Formen und den dazugehö
rigen Datensequenzen gesucht. Vorteilhafterweise wird dadurch
eine gute Näherung zur Berechnung von Datensequenzen aus einem
Empfangssignal erreicht.
Das Verfahren wird besonders bevorzugt für Empfangssignale, die
mit der Direct-Sequence-Spreizspektrumtechnik kodiert sind, an
gewendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Er
findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels.
In einem Burst eines mit BPSK (Binary Phase Shift Keying) modu
lierten Empfangssignals, der mehrere Abschnitte m = 0, 1, 2, 3, . . .
aufweist, sind Bits so kodiert, daß jedem Abschnitt ein Bit zu
geordnet ist. Ohne Einschränkung sei das Bit des Abschnitts
m = 0 das Testbit M des Bursts. Die Bits der Abschnitte
m = 1, 2, 3, . . . sind demnach die K Datenbits des Burst. Alle Bits
zusammen bilden die mit dem Burst zu übertragende Datensequenz
a. Der Burst wird in einem Empfänger so abgetastet, daß man pro
Abschnitt B Abtastwerte erhält. Das Sendesignal, das den Burst
bildet, kann dann durch
s (k,a) = (2.am-1).pm(k)
dargestellt werden. Die Größe am ∈ {0,1} ist dabei das Bit des
m-ten Abschnitts und pm(k) die zur Erzeugung des Sendesignals
benutzte Spreizsequenz, wenn das Sendesignal mittels Spreiz
spektrumtechnik übertragen wird.
Im folgenden werden nun die einzelnen Schritte des erfindungs
gemäßen Verfahrens ausführlich erläutert.
Im ersten Schritt werden auf Q Bits des Bursts folgende Korre
lationen durchgeführt, mit Q < M+K:
Es gilt dabei: k = 0, 1, . . ., BQ-1. Aus den berechneten Korrela
tionen wird ein Vektor mit L Elementen gebildet:
Die Anzahl der für alle möglichen Sendesignale mit Q Bits zu
berechnenden Vektoren ist 2Q-M. Das Testbit wird bei der Bil
dung aller mit Q Bits erzeugbarer möglicher Sendesignale nicht
berücksichtigt, da es dem Empfänger bereits bekannt ist.
Im zweiten Schritt werden nun aus den Vektoren u(aQ) rekursiv
die Vektoren u(aQ+1) für ein Sendesignal mit Q+1 Abschnitten
eines Bursts berechnet.
Die um einen Abschnitt erweiterte Datensequenz ergibt sich aus
der Datensequenz mit Q Bits durch Anhängen eines zusätzlichen
Bits:
aQ+1 = (aQ, 0) oder aQ+1 = (aQ, 1).
Mit den im ersten Schritt berechneten Korrelationen u(l,aQ)
können nun auf einfache Weise rekursiv die Korrelationen für
die erweiterte Datensequenz aQ+2 aufgrund
berechnet werden, wobei gilt k = BQ, . . ., B(Q+1)-1. Diese Korre
lationen ergeben sich zu
u(l,aQ+1) = u(l,(aQ,0)) = u (l,aQ) - uQ+1 (l)
u(l,aQ+1) = u(l,(aQ,1)) = u (l,aQ) - uQ+1 (l)
u(l,aQ+1) = u(l,(aQ,1)) = u (l,aQ) - uQ+1 (l)
Damit lassen sich aus den im ersten Schritt berechneten Korre
lationen rekursiv alle Korrelationen für erweiterte Datense
quenzen berechnen.
Nun werden quadratische Formen aus den Vektoren u(aQ+1), deren
Elemente sich aus den rekursiv berechneten Korrelationen
u(l,aQ+1) ergeben, berechnet:
U(aQ+1) = u* (aQ+1).Σ.u(aQ+1)
Die Anzahl der quadratischen Formen beträgt 2Q+1-M. Für das ab
schließende Erkennen der am wahrscheinlichsten gesendeten Da
tensequenz interessiert jedoch nur die größte der quadratischen
Formen. Näherungsweise kann man deshalb die kleinsten 2Q-M der
insgesamt 2Q+1-M quadratischen Formen unberücksichtigt lassen,
so daß für den nächsten Schritt genau 2Q-M quadratische Formen
weiterverarbeitet werden. Im nächsten Schritt wird bei der Ver
minderung der zu verarbeitenden quadratischen Formen genauso
verfahren. Insgesamt bleibt damit in jedem weiteren Schritt der
Rechenaufwand konstant.
Der zweite Schritt das Verfahrens wird nun für alle weiteren
Abschnitte Q+2, Q+3, . . ., M+K-1 wiederholt. Die Eingangsgrößen
für den n-ten Schritt sind dabei die im vorhergehenden Schritt
berechneten 2Q-M Vektoren u(an-1), die die größte quadratische
Form ergeben haben.
Nach Abarbeitung aller Abschnitte des Bursts sucht man aus den
letzten 2Q-M quadratischen Formen U(aM+K-1) die größte quadra
tische Form heraus, die dann der Datensequenz a, die mit der
größten Wahrscheinlichkeit gesendet wurde, entspricht.
Insgesamt wurde damit ein Verfahren zur Berechnung von Daten
sequenzen aus einem Empfangssignal gefunden, dessen Rechenauf
wand nur linear mit der Anzahl der Bits bzw. Abschnitte der Da
tensequenzen steigt. Dieses Verfahren ist insbesondere bei Si
gnalen, die mit der Direct-Sequence Spreizspektrumtechnik ko
diert wurden und über Funk übertragen werden, vorteilhaft. Es
ist aber ebenso bei allen Sende- und Empfangsverfahren, bei de
nen Datensequenzen übertragen werden und möglichst wenig Si
gnalleistung des Übertragungssignals für Test- und Meßzwecke
aufgewandt werden soll, anwendbar.
Claims (6)
1. Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Emp
fangssignal, das eine Vielzahl von Bursts aufweist, wobei jeder
Burst M Test- und K Datenbits aufweist und wobei die M Testbits
einem Empfänger bekannt sind, mit den folgenden Schritten:
- a) Korrelieren eines ersten Empfangssignalabschnittes, der M Test- und Q-M Datenbits aufweist, wobei Q kleiner K ist, mit allen möglichen Sendesignalen, die mit Q Bits erzeug bar sind,
- b) Korrelieren eines zweiten Empfangssignalabschnittes, der das Q+1-te Datenbit aufweist, mit allen möglichen Sendesi gnalen, die mit dem Q+1-ten Bit erzeugbar sind,
- c) Berechnen der Korrelationen für den aus den ersten und zweiten Empfangssignalabschnitt zusammengesetzten Emp fangssignalabschnitt durch Addition der in a) und b) be rechneten Korrelationen,
- d) Berechnen aller 2Q+1-M quadratischen Formen mit den in c) berechneten Korrelationen,
- e) Suchen der größten quadratischen Formen und der dazugehö rigen Datensequenzen aus den 2Q+1-M quadratischen Formen,
- f) Wiederholen der Schritte b) bis e) mit den in Schritt e) gefundenen Datensequenzen und für die das Q+2-, Q+3- bis M+K-1-te Bit aufweisende Empfangssignalabschnitte.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die in Schritt a) und b) durchgeführten Korrelationen wie folgt
berechnet werden:
wobei r(k+l) der zu korrelierende Empfangssignalabschnitt, s(k, a) das zu korrelierende Sendesignal, das durch eine Daten sequenz a erzeugt wird, N = (M+K)B die Anzahl der Abtastwerte ei nes Burts und k ein Laufparameter über die Abtastwerte des zu korrelierenden Empfangssignalabschnittes ist.
wobei r(k+l) der zu korrelierende Empfangssignalabschnitt, s(k, a) das zu korrelierende Sendesignal, das durch eine Daten sequenz a erzeugt wird, N = (M+K)B die Anzahl der Abtastwerte ei nes Burts und k ein Laufparameter über die Abtastwerte des zu korrelierenden Empfangssignalabschnittes ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die quadratischen Formen in Schritt d) wie folgt berechnet wer
den:
U (aQ+1) = u*(aQ+1).Σ.u(aQ+1),
wobei u* und u Vektoren mit den Elementen u*(l,aQ+1) bzw. u(l,aQ+1) sind und die Matrix Σ = (Φhh+σ2E/N]-1Φhh aus der Einheitsmatrix E, der Korrelationsmatrix Φhh der Koeffizienten der Kanalimpulsantwort eines Übertragungskanals, über den das Empfangssignal übertragen wurde, und der Varianz des Kanalrau schens σ2 berechnet wird.
U (aQ+1) = u*(aQ+1).Σ.u(aQ+1),
wobei u* und u Vektoren mit den Elementen u*(l,aQ+1) bzw. u(l,aQ+1) sind und die Matrix Σ = (Φhh+σ2E/N]-1Φhh aus der Einheitsmatrix E, der Korrelationsmatrix Φhh der Koeffizienten der Kanalimpulsantwort eines Übertragungskanals, über den das Empfangssignal übertragen wurde, und der Varianz des Kanalrau schens σ2 berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in Schritt e) nach den 2Q-M größten quadra
tischen Formen und den dazugehörigen Datensequenzen gesucht
wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verfahren bevorzugt für Empfangs
signale, die mit der Direct-Sequence-Spreizspektrumtechnik ko
diert sind, angewendet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorangegangenen Ansprüche in einem zellularen Mobilfunknetz mit
mindestens einer Basisstation und mindestens einer Mobilsta
tion.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999128667 DE19928667A1 (de) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal |
AU50981/00A AU5098100A (en) | 1999-06-23 | 2000-06-08 | Method of calculating data sequences from a received signal |
PCT/IB2000/000835 WO2001001647A1 (de) | 1999-06-23 | 2000-06-08 | Verfahren zur berechnung von datensequenzen aus einem empfangssignal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999128667 DE19928667A1 (de) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19928667A1 true DE19928667A1 (de) | 2000-12-28 |
Family
ID=7912204
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999128667 Ceased DE19928667A1 (de) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | Verfahren zur Berechnung von Datensequenzen aus einem Empfangssignal |
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---|---|
AU (1) | AU5098100A (de) |
DE (1) | DE19928667A1 (de) |
WO (1) | WO2001001647A1 (de) |
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FI105514B (fi) * | 1994-09-12 | 2000-08-31 | Nokia Mobile Phones Ltd | Vastaanottomenetelmä ja vastaanotin |
-
1999
- 1999-06-23 DE DE1999128667 patent/DE19928667A1/de not_active Ceased
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2000
- 2000-06-08 WO PCT/IB2000/000835 patent/WO2001001647A1/de active Application Filing
- 2000-06-08 AU AU50981/00A patent/AU5098100A/en not_active Abandoned
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Publication number | Publication date |
---|---|
WO2001001647A1 (de) | 2001-01-04 |
AU5098100A (en) | 2001-01-31 |
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