WO2003028323A1

WO2003028323A1 - Adaptive kanalschätzung in einem ofdm-basierten mobilfunksystem durch variation der anzahl der pilotsymbole

Info

Publication number: WO2003028323A1
Application number: PCT/DE2002/002182
Authority: WO
Inventors: Siegfried Bär; Hyung-Nam Choi; Frank Kowalewski; Holger Schmidt
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2003-04-03
Also published as: DE10141971A1

Abstract

Zur Erhöhung der Datenrate in einem OFDM-basierten Mobilfunksystem soll die Kanalschätzung optimiert werden. Hierzu werden empfangene Datensignale, die Informationssymbole und mindestens ein Pilotsymbol umfassen, über den Funkkanal empfangen und der Funkkanal anhand des mindestens einen Pilotsymbols geschätzt. Ein Empfänger misst eine Zustandsgrösse, insbesondere das Signal-Interferenz-Verhältnis, die Kohärenzzeit und/oder die Kohärenzbandbreite, des Funkkanals und übermittelt einen entsprechenden Zustandswert an den Sender. Dieser variiert die Anzahl der zu übertragenden Pilotsymbole in einem Burst und passt sie an die Änderungsgeschwindigkeit des Funkkanals an.

Description

Beschreibung

Adaptive Kanalschätzung in einem OFDM-basierten Mobilfunksystem durch Variation der Anzahl der Pilotsymbole

Im Allgemeinen handelt es sich bei einem Mobilfunkkanal um einen zeitvarianten und freguenzselektiven Kanal. Im Fall eines ortsfesten Senders wird die Zeitvarianz hervorgerufen durch die Bewegung des mobilen Empfängers. Die Frequenzselek- tivität wird hervorgerufen durch die Mehrwegeausbreitung. Der Mobilfunkkanal lässt sich durch folgende Parameter beschreiben:

• Der Delay spread τ_D beschreibt die mittlere zeitliche Ver- breiterung eines Signals, wenn dieses über den Funkkanal übertragen wird. Den Kehrwert bezeichnet man als Kohärenzbandbreite K_B.

• Der Doppier spread B_D beschreibt die mittlere Frequenzverbreiterung, die die Bandbreite eines Sendesignals bei der Übertragung über den Funkkanal erfährt. Den Kehrwert bezeichnet man als Kohärenzzeit T .

Abhängig von den Signal- und Kanaleigenschaften, bezeichnet man den Mobilfunkkanal als frequenzselektiv, d.h. der Mobil- funkkanal lässt sich dann als ein Mehrwegekanal beschreiben, wenn die Signalbandbreite B sehr viel größer als die Kohärenzbandbreite K_B ist, d.h. B » K_B . Andernfalls ist der Mobilfunkkanal nicht frequenzselektiv und lässt sich dann als ein Einwegekanal beschreiben. Des Weiteren bezeichnet man den Mobilfunkkanal als zeitvariant, wenn die Symboldauer T des Signals sehr viel größer als die Kohärenzzeit T_c ist, d.h. T » T_c . Andernfalls kann man den Kanal als zeitinvariant betrachten.

Die Eigenschaften des Mobilfunkkanals führen im allgemeinen dazu, dass das Signal des Senders den mobilen Empfänger nicht nur auf dem direkten Weg, sondern auch auf verschiedenen We- gen mit unterschiedlichen Laufzeiten und Dämpfungseinflüssen erreicht. Das empfangene Signal setzt sich also aus einer Vielzahl von Komponenten zusammen, wobei sich deren Amplituden, Laufzeiten und Phasen zufällig verhalten. Das E pfangs- signal stellt daher eine verzerrte und gestörte Version des Sendesignals dar. Es ist die Aufgabe des Empfängers, eine Entzerrung durchzuführen, um aus dem Empfangssignal wieder das Sendesignal detektieren zu können. Ein Empfänger, der nach dem MLSE-Prinzip arbeitet, benötigt hierfür jedoch die Kenntnis der sogenannten Kanalimpulsantwort, hier dargestellt durch die Funktion f(τ;t). Die Funktion f(τ;t) beschreibt die Antwort des Kanals auf einen Impuls zur Zeit t, der den Kanal zur Zeit t-τ anregte. Die um τ verzögerten Anteile werden als Echos bezeichnet. In Figur 1 ist als Beispiel eine in Symbol- takt T abgetastete Kanalimpulsantwort f(τ;t) dargestellt, die einen Mobilfunkkanal mit L=6 verschiedenen Ausbreitungswegen beschreibt. Jeder einzelner Pfad beeinflusst das Sendesignal mit unterschiedlichen Verzögerungen und Dämpfungen.

Das Bestimmen einer Schätzung der Kanalimpulsantwort wird als Kanalschätzung bezeichnet. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Kanalschätzung. Ein gängiges Verfahren ist das Auswerten des Empfangssignals, das durch das Übertragen eines bekannten Testsignals, auch als Pilotsignal oder Trainingsse- quenz bezeichnet, über den Mobilfunkkanal entsteht. Mathematisch bedeutet das Übertragen des Testsignals über den Kanal dessen ^λλ Faltung" mit der Kanalimpulsantwort. Die Kanalschätzung im Empfänger erreicht man durch die entsprechende ^λEntfaltung" bzw. ^ΛKorrelation" dieses Empfangssignals mit dem ursprünglich gesendeten Testsignal.

In Mobilfunksystemen der 2. bzw. 3. Generation wie dem GSM bzw. UMTS TDD-Mode erfolgt die Datenübertragung in Zeitschlitzen in einer fest vorgegebenen Struktur, den sog. Bursts. In Figur 2 ist als Beispiel eine solche Burststruktur dargestellt. Der Burst besteht aus zwei Datenblöcken Dl und D2, separiert durch einen Datenblock M zur Kanalschätzung, in dem das Pilotsignal übertragen wird. Die Kanalschätzung in den o.g. Mobilfunksystemen erfolgt bisher nur aus dem Pilotsignal. Mit der geschätzten Kanalimpulsantwort werden dann die Informationsdaten in den Datenblöcken Dl und D2 detek- tiert. Die Länge des Pilotsignals bzw. des Datenblocks M hängt dabei im wesentlichen von der maximalen Kanalimpulsantwortlänge ab. Die Länge der Datenblöcke Dl und D2 hängt im wesentlichen von der Kanal-Kohärenzzeit ab. Dabei sollten die Längen von Dl und D2 deutlich kleiner als die Kanal-Kohärenz- zeit sein, um während der Datendetektion von zeitvarianten Kanaleigenschaften unabhängig zu sein.

Für zukünftige Mobilfunksysteme der 4. Generation werden Ü- bertragungsraten über 100 Mbps gefordert. Hierzu werden auch entsprechend große Bandbreiten benötigt. Mit zunehmender

Bandbreite nimmt jedoch die Frequenzselektivität des Mobilfunkkanals zu, die starke Verzerrungen des Empfangssignals bewirken. Dies macht dann den Einsatz aufwendiger Empfänger erforderlich. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple- xing) stellt ein geeignetes Verfahren zur Realisierung von

Mobilfunksystemen der 4. Generation dar, mit dem auch die negativen Kanaleinflüsse durch die Frequenzselektivität minimiert werden, so dass auch der Empfängeraufwand erheblich reduziert werden kann.

OFDM stellt ein Mehrträgerverfahren dar, in dem die Signalbandbreite B in M Subbändern unterteilt wird. Auf diese Weise hat man nicht einen Frequenzträger mit großer Bandbreite, sondern M Frequenzträger mit der Bandbreite Δf=B/M. Beim OFDM wird also der zu übertragende Datenstrom auf eine Vielzahl von Subträgern aufgeteilt und mit einer entsprechend reduzierten Datenrate parallel übertragen. Der einzelne Trägerfrequenzabstand Δf ist dabei so festgelegt, dass der Ein- fluss der Frequenzselektivität klein gehalten wird. Das be- deutet, dass man im optimalen Fall für jeden Subträger einen nichtfrequenzselektiven Kanal erhält, d.h. der Kanal besteht aus einem direkten Pfad. Andererseits nehmen die Auswirkungen der Zeitvarianz mit geringer werdender Bandbreite zu, so dass nach wie vor eine Kanalschätzung zweckmäßig ist.

In einem OFDM-basierten Mobilfunksystem können die gängigen Kanalschätzverfahren auf Basis von bekannten Pilotsymbolen angewendet werden. Hierzu werden auf jedem Subträger im Da- tenburst Pilotsymbole übertragen. Die Detektion der unbekannten Inforinationssymbole erfolgt auf Basis der geschätzten Kanalimpulsantwort. In Figur 3 ist als Beispiel ein OFDM-System dargestellt, das aus 8 Subträgern (auf der Frequenzachse F) besteht und in dem auf jedem Subträger Pilotsymbole PS im Verhältnis 1/3 verteilt sind (auf der Zeitachse t) , d.h. nach jeweils 3 Informationssymbolen IS der Symbollänge T folgt ein Pilotsymbol . Zur Kanalschätzung wird jeweils nur ein Pilot- symbol benötigt, da der Mobilfunkkanal auf jedem Subträger nur aus einem Pfad besteht.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Optimierung der Kanalschätzung zur Erhöhung der Datenrate in einem OFDM-basierten Mo- bilfunksystem.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 11 und ein Funkübertragungssystem nach Anspruch 18.

« Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Kern der Erfindung betrifft ein Verfahren, das eine adap- tive Kanalschätzung ermöglicht.

Die Kanalschätzung erfolgt vorzugsweise auf Basis variabler Übertragung von Pilotsymbolen. Dieses Verfahren ermöglicht die Übertragung von Pilotsymbolen innerhalb eines Datenbursts in Abhängigkeit von den Kanaleigenschaften. Das Verfahren nutzt hierzu Kanalzustandsinformationen aus, welche über einen Rückkanal vom Empfänger zum Sender übertragen werden. Diese Kanalzustandsinformationen werden im Sender mit geeignet gewählten Schwellwerten verglichen . Anhand des Entscheidungsergebnisses wird die Anzahl der Pilotsymbole im Daten- burst reduziert oder erhöht .

Bisher waren für OFDM-Systeme nur Verfahren zur Kanalschätzung bekannt, die eine Schätzung auf Basis fester Pilotsymbole, d . h . einer fest vorgegebenen Anzahl von Pilotsymbolen, durchführen . Die Übertragung von Pilotsymbolen bedeutet aber eine Ressourcen-Verschwendung, da die Pilotsymbole nicht der Informationsübertragung dienen. Daher wird erfindungsgemäß eine Kanalschätzung auf Basis variabler Übertragung von Pilotsymbolen, d. h . einer adaptiven Einstellung der Anzahl der verwendeten Pilotsymbole, durchgeführt, so dass Pilotsymbole nur bei Bedarf übertragen werden, in Abhängigkeit von den Kanaleigenschaften. Des Weiteren ist auch eine Kanalschätzung auf die übertragenen unbekannten Informationssymbole von Vorteil, so dass insgesamt die Zahl der zu übertragenden Pilotsymbole reduziert werden kann . Auf diese Weise kann die Da- tenübertragungsrate eines OFDM-Systems ohne Beeinträchtigung seiner Leistungsfähigkeit gesteigert werden .

Mit anderen Worten ist damit zum einen eine zuverlässige Kanalschätzung während der gesamten Datenübertragung möglich . Zum anderen kann die Zahl der zu übertragenden Pilotsymbole zur Kanalschätzung variabel gestaltet werden . Auf diese Weise kann die Datenübertragungsrate eines OFDM-Systems ohne Beeinträchtigung seiner Leistungsfähigkeit gesteigert werden .

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen :

Fig . 1 ein Beispiel einer im Symboltakt T-abgetasteten Kanalimpulsantwort;

Fig . 2 ein Beispiel einer Burst-Struktur zur Datenübertragung; Fig. 3 ein Beispiel eines OFDM-Systems mit acht Subträgern;

Fig. 4 ein im Sy boltakt T-abgetastetes Zustandsraummodell für einen nichtfrequenzselektiven Kanal; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Kanalschätzers.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die erfindungsgemäße Kanalschätzung auf der Basis variabler Übertragungs- und Pilotsignalen kann dabei- gegebenenfalls durch eine Kanalschätzung auf der Basis von sogenannten Kal- man-Filtern ergänzt werden.

Kanalschätzung auf Basis variabler Übertragung von Pilotsymbolen Bei diesem Verfahren erfolgt im Empfänger die Kanalschätzung auf jedem Subträger in Abhängigkeit von den jeweiligen Kanaleigenschaften. Am Anfang der Datenverbindung überträgt der Sender auf jedem Subträger Pilotsymbole (PS) noch nach einem festen Muster, beispielsweise im Verhältnis 1/3, d.h. nach jeweils 3 Informationssymbolen (IS) der Symbollänge T folgt ein Pilotsymbol. In diesem Fall erfolgt die Kanalschätzung wie gehabt in dem Zeitschlitz, in der das Pilotsymbol gesendet wird. Der geschätzte Kanalkoeffizient wird dann anschließend zur Detektion der darauffolgenden drei Informationssymbole verwen'det. Danach folgt wieder eine neue Kanalschätzung usw.

Nach einer bestimmten Zeit kann die Übertragung der Pilotsymbole im Burst adaptiv eingestellt werden, in Abhängigkeit von den jeweiligen Kanaleigenschaften. Im Falle langsam veränder- licher Kanaleigenschaften (z.B. in einem ländlichen Gebiet mit einer niedrigen Geschwindigkeit des mobilen Empfängers) kann die Anzahl der Pilotsymbole sukzessiv verringert werden, beispielsweise im Verhältnis von 1/3 auf H. Im Falle schnell veränderlicher Kanaleigenschaften (z.B. in der Stadt mit einer hohen Geschwindigkeit des mobilen Empfängers) hingegen wird die Anzahl der Pilotsymbole im Burst erhöht, beispiels- weise im Verhältnis von 1/3 auf , um weiterhin eine zuverlässige Datendetektion zu gewährleisten.

Das Verfahren nutzt hierzu Kanalzustandsinformationen aus, welche über einen Rückkanal vom Empfänger zum Sender übertra- gen werden. Eine geeignete Kanalzustandsinformation ist z.B. das SIR (Signal-to-Interference-Ratio) , d.h. das Signal-Interferenz-Verhältnis. Gemeint ist damit das Verhältnis der empfangenen Signalleistung der Informationssymbole zu der Kanalstörleistung. Das SIR beeinflusst die Güte einer digitalen Datenübertragung, welche durch die Bitfehlerrate BER (Bit Er- ror Rate) ausgedrückt wird. Das BER gibt das Verhältnis der fehlerhaft empfangenen Bits zu den gesendeten Bits wieder. Bei ungünstigen Kanalbedingungen, d.h. bei schnellveränderlichen Kanaleigenschaften, ist die empfangene Signalleistung sehr klein. In diesem Fall sinkt die SIR, und die Daten können dann nur fehlerbehaftet detektiert werden, womit gleichzeitig die BER steigt. Unter Umständen kann der Anstieg der BER so groß sein, dass eine sinnvolle Informationsübertragung nicht mehr möglich ist.

Der Empfänger hat nun die Aufgabe, das SIR zu messen, und diese Information über den Rückkanal an den Sender zu schicken. Der Sender reagiert dementsprechend, indem er bei Absinken der SIR unterhalb einer bestimmten Schwelle (die Spe- zifikation der Schwelle hängt dabei u.a. von der jeweiligen Quality of Service, QoS, ab) in den darauffolgenden Datenübertragungen wieder mehr Pilotsymbole im Burst sendet, so dass wieder eine zuverlässige Datendetektion erreicht werden kann. Andererseits kann es bei günstigen Kanalbedingungen, d.h. bei langsamveränderlichen Kanaleigenschaften, die Zahl der zu übertragenden Pilotsymbole im Burst adaptiv reduzieren, solange die SIR oberhalb der definierten Schwelle bleibt. Dieses adaptive Verfahren erlaubt eine zuverlässige Kanalschätzung in Abhängigkeit von den jeweiligen Kanaleigenschaften. Unter günstigen Umständen kann damit insgesamt die Anzahl der zu übertragenden Pilotsymbole reduziert werden, was wiederum zu einer Erhöhung der Datenrate des OFDM- Mobilfunksystems zur Folge hat.

Eine weitere geeignete Kanalzustandsinformation zusätzlich oder unabhängig hiervon ist die Kohärenzzeit T_c, die ein Maß für die Zeitvarianz des Kanals darstellt. Die adaptive Einstellung der Zahl der zu übertragenen Pilotsymbole im Sende- burst auf Basis der Kohärenzzeit T_c kann insbesondere wie folgt aussehen. Der Empfänger misst die Kohärenzzeit aus dem Empfangssignal, und schickt diese Information über den Rück- kanal an den Sender. Der Sender prüft das Verhältnis von Symboldauer T des Signals und dem gemessenen T_c. Wenn anhand einer definierten Schwelle die Bedingung T » T_c erfüllt ist, dann überträgt der Sender in den darauffolgenden Datenübertragungen mehr Pilotsymbole im Burst, da der Kanal zeitvari- ant ist. Im anderen Fall ist der Kanal zeitinvariant, und der Sender kann in den darauffolgenden Datenübertragungen die Anzahl der Pilotsymbole im Sendeburst konstant halten oder gegebenenfalls sogar reduzieren.

Mit den Kanalzustandsinformationen SIR bzw. Kohärenzzeit kann man die Zahl der Pilotsymbole pro Subträger auf der Zeit- Achse variieren. Zur _.Variation der Pilotsymbole pro Subträger auch auf der Frequenz-Achse eignet sich als Kanalzustandsinformation zusätzlich oder unabhängig davon die Kohärenzband- breite K_B, die ein Maß für die Frequenzselektivität des Kanals auf jedem Subträger darstellt. Der Empfänger misst die Kohärenzbandbreite aus dem Empfangssignal für jeden Subträger, und schickt diese Information über den Rückkanal an den Sender. Der Sender prüft das Verhältnis von der Bandbreite B des Signals und den gemessenen K_B. Wenn anhand einer definierten Schwelle die Bedingung B » K_B erfüllt ist, dann erhöht der Sender die Zahl der Pilotsymbole auf den betreffen- den Subträgern in den darauffolgenden Datenübertragungen, da der Kanal frequenzselektiv ist. Im anderen Fall ist der Kanal nicht frequenzselektiv, und der Sender kann in den darauffolgenden Datenübertragungen die Zahl der Pilotsymbole auf den betreffenden Subträgern konstant halten bzw. reduzieren.

In der praktischen Realisierung kann es sinnvoll sein, die obigen Kanalzustandsinformationen einzeln oder kombiniert zur Variation der Zahl der Pilotsymbole anzuwenden.

Kanalschätzung auf Basis von sog. Kaiman-Filtern In einem OFDM-System wird die Signalbandbreite B in M Subbän- dern so unterteilt, dass man auf diese Weise für jeden Subträger einen nichtfrequenzselektiven Kanal hat, d.h. der Ka- nal besteht aus nur einem Ausbreitungsweg. Die Kanalschätzung auf jedem Subträger beschränkt sich damit auf die Schätzung eines zeitvarianten Kanalkoeffizienten. Dies kann wie bisher auf Basis von bekannten Pilotsymbolen erfolgen, die nach einem bestimmten Schema innerhalb eines Datenbursts übertragen werden. Dabei ist das Verhältnis der Anzahl der Pilotsymbole zu Informationssymbole im Burst so gewählt, dass die Datendetektion unabhängig von zeitvarianten Kanaleigenschaften ist.

Statt nun wie bisher den geschätzten Kanalkoeffizienten zur Detektion der darauffolgenden Informationssymbole zu verwenden, ermöglicht das hier vorgeschlagene Verfahren eine adaptive Kanalschätzung auf die zu übertragenden unbekannten Informationssymbole. Hierzu erfolgt zunächst eine Kanalschätzung wie gehabt in dem Zeitschlitz, in dem das Pilotsymbol gesendet wird. Der geschätzte Kanalkoeffizient wird dann lediglich als Startwert für den anschließenden Algorithmus verwendet, mit dem eine Kanalschätzung auf die unbekannten Informationssymbole durchgeführt wird. Immer wenn ein Zeitschlitz empfangen wird, in dem das Pilotsymbol gesendet wird, findet ein Update des Startwertes für die adaptive Kanalschätzung statt. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens gewährleistet. Das hier vorgeschlagene Verfahren basiert auf den sog. Kaiman-Filtern und führt eine Kanalschätzung durch Prädiktion (Vorhersage) durch. Zur Theorie der Kaiman-Filter existieren eine Vielzahl von Veröffentlichungen, die in Sorenson, H.W. : Kaiman Filtering: Theory and Application, IEEE Press selected reprint series, New York, 1985 gesammelt sind.

Beim Kanalschätzer auf Basis der Kaiman-Filter wird der nichtfrequenzselektive Mobilfunkkanal durch ein Filter nach- gebildet und in ein lineares Zustandsraummodell transformiert. Prinzipiell verwendet man als Kaiman-Filter rekursive Filter, die eine rationale Z-Übertragungsfunktion N-ter Ordnung haben:

_H(_Z -____X__X_A_X___ ^H(z)~~xx^xx^r

Dabei ist das Nennerpolynom mit den Koeffizienten ai, i=l...N, stets um einen Grad größer als das Zählerpolynom mit den Koeffizienten bi, i=l...N. Wenn sich der nichtfrequenzse- lektive Kanal durch einen Filter mit einer rationalen Z-Übertragungsfunktion nachbilden lässt, dann lautet sein Zustandsraummodell (eine Herleitung ist in Anderson, B.D.O., Moore, J.B.: Optimal Filtering, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1979 beschrieben) :

k+\ = ^F _k ^χ _k + G_kw_k

Hl * k

Darin sind f_k der Zeitvariante Kanalkoeffizient, x_k der Zu- standsvektor, F_k die Systemmatrix, H_k ^τ die Transponierte der Ausgangsmatrix H_k und G_k der Eingangsvektor. Das Systemrauschen w_k ist als komplexer, weißer, gaußverteilter Rauschpro- zess angenommen, mit dem man die zeitvarianten Einflüsse des Kanals modelliert. Figur 4 zeigt das in Symboltakt T abgetastete Zustandsraummodell für den nichtfrequenzselektiven Kanal, dargestellt durch den Index k, gleichbedeutend mit t=kT. Die Matrizen F_k, H^τ und G_k lauten in Regelungsnormalform:

F hat die Dimension NxN, die Vektoren x_k, G_k und H_k haben die Dimension Nxl. Die Elemente von x_k sind komplexwertig, während F_k, G_k und H reell sind.

Da der Kanal nun durch ein lineares Zustandsraummodell gegeben ist, erfolgt die Schätzung des Kanalkoeffizientenj^durch eine Schätzung des Zustandsvektorsic^.. Figur 5 zeigt das entsprechende Blockschaltbild des Kanalschätzers, wobei z_k das Empfangssymbol darstellt. Die Gleichungen für den Kanalschät- zer lauten: x_k+ι = F_kx_k +K_k (z_k ~ H_k ^τx_k) τ._

X_Q = £_ X_Q j

Man sieht, dass der Kanalschätzer im wesentlichen eine Nachbildung des Kanals darstellt. An die Stelle des Eingangsvek- tors G_k tritt die Kaiman-Verstärkung K_k, der für eine schnelle Konvergenz des Schätzalgorithmus sorgt. Als Startwertx₀ wird, wie bereits erwähnt, der geschätzte Kanalkoeffizient verwendet, der auf dem übertragenen Pilotsymbol basiert. Die nächsten Schätzwerte^ ergeben sich jeweils aus dem aktuellen Empfangssymbol z , der von den unbekannten Informa- tionssymbolen herrührt, und dem jeweils vorhergehenden Schätzwert.

Der Kanalschätzer auf Basis der Kaiman-Filter ist für ein ge- gebenes Zustandsraummodell der optimale lineare Schätzer. Nach dem MSE-Kriterium, d.h. dem Kriterium zur Minimierung der mittleren Leistung des Fehlers e_k , liefert er einen linearen, erwartungstreuen Schätzwert für den Kanalkoeffizienten mit minimaler Varianz gegenüber allen anderen linearen Schätzverfahren. Die Qualität sowie Komplexität dieses adap- tiven Kanalschätzers hängen im wesentlichen von den verwendeten Filtern und von der Filterordnung N ab, mit der man den zeitvarianten nichtfrequenzselektiven Mobilfunkkanal nachbildet. Im Falle langsam veränderlicher Kanaleigenschaf- ten (z.B. in einem ländlichen Gebiet mit einer niedrigen Geschwindigkeit des mobilen Empfängers) kann ein Filter niedriger Ordnung (z.B. N=l,2) verwendet werden, so dass eine zuverlässige Kanalschätzung bei relativ niedriger Komplexität möglich ist. Im Falle schnell veränderlicher Kanaleigenschaf- ten (z.B. in der Stadt mit einer hohen Geschwindigkeit des mobilen Empfängers) hingegen wird zweckmäßigerweise ein Filter hoher Ordnung (z.B. N>7) verwendet, so dass eine zuverlässige Kanalschätzung bei hoher Komplexität möglich ist. Andererseits ermöglicht die Kanalschätzung mit Kaiman-Filtern eine zuverlässige Kanalschätzung auf die zu übertragenden unbekannten Informationssymbole, so dass insgesamt die Anzahl der zu übertragenden Pilotsymbole in einem Datenburst reduziert werden kann, was wiederum die Datenrate des OFDM- Mobilfunksystems vergrößert.

Im folgenden werden explizit zwei Ausführungsbeispiele vorgestellt, in der als Kanalzustandsinformation nur das SIR angewendet wird. In allen Ausführungsbeispielen wird von einem OFDM-basierten Mobilfunksystem ausgegangen. Des Weiteren wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit jeweils eine downlink-

Übertragung angenommen, d.h. die Datenübertragung erfolgt von einer Basisstation in Richtung einer Mobilstation. In dem OFDM-System ist die zur Verfügung stehende Signalbandbreite B in M Subbändern unterteilt, so dass der Einfluss der Frequenzselektivität auf jedem Subträger klein gehalten wird. Auf jedem Subträger erhält man einen nichtfrequenzselektiven Kanal, d.h. der Kanal besteht aus dem direkten Pfad. Andererseits nehmen die Auswirkungen der Zeitvarianz mit geringer werdender Bandbreite zu, so dass auf jedem Subträger eine Kanalschätzung durchgeführt wird. Zur Kanalschätzung werden im Datenburst Pilotsymbole nach einem zunächst festen Muster ü- bertragen, wie beispielsweise nach Figur 3, d.h. nach jeweils 3 Informationssymbolen (IS) der Symbollänge T folgt ein Pilotsymbol (PS) .

Ausführungsbeispiel 1: Kanalschätzung auf Basis variabler Ü- bertragung von Pilotsymbolen

Zu Beginn der Datenverbindung wird die Kanalimpulsantwort jeweils in dem Zeitschlitz geschätzt, in dem das Pilotsymbol gesendet wird. Der geschätzte Kanalkoeffizient wird dann an- schliessend zur Detektion der darauffolgenden drei Informationssymbole verwendet. Danach folgt wieder eine neue Kanalschätzung usw.

Nach einer bestimmten Zeit wird dann die Übertragung der Pi- lotsymbole adaptiv eingestellt, in Abhängigkeit von den jeweiligen Kanaleigenschaften. Hierzu misst die Mobilstation bei sich das SIR und schickt diesen Wert als Kanalzustandsin- formation über einen Rückkanal zur Basisstation. Diese reagiert dementsprechend, indem sie bei Absinken der SIR unter- halb einer bestimmten Schwelle in den darauffolgenden Datenübertragungen im Burst wieder mehr Pilotsymbole sendet, beispielsweise im Verhältnis von 1/3 auf , um wieder eine zuverlässige Datendetektion zu gewährleisten. Andererseits reduziert die Basisstation die Zahl der zu übertragenden Pilot- symbole im Burst, solange die SIR oberhalb der definierten Schwelle bleibt, beispielsweise im Verhältnis von 1/3 auf H . Ausführungsbeispiel 2: Zusätzliche Kanalschätzung auf Basis von Kaiman-Filtern

Die Mobilstation verfügt über einen Kanalschätzer auf Basis der Kaiman-Filter, d.h. es wird ein Filter bestimmter Ordnung verwendet, das eine gute Nachbildung des nichtfrequenzselek- tiven Kanals darstellt. Auf diese Weise kann die Basisstation einen Burst verwenden, in dem mehr Ressourcen zur Übertragung der Informationssymbole bereit gestellt werden. Die Übertragung der Pilotsymbole in diesem optimierten Burst erfolgt beispielsweise im Verhältnis von 1/10.

Zunächst erfolgt eine Kanalschätzung in dem Zeitschlitz, in dem das Pilotsymbol gesendet wird. Der geschätzte Kanalkoeffizient wird als Startwert für das anschließende Kalman-Fil- ter verwendet, bei ^'dem eine Kanalschätzung auf die unbekannten Informationssymbole durchgeführt wird. Der jeweils aktuelle Schätzwert ergibt sich aus dem aktuellen Empfangssymbol und dem vorhergehenden Schätzwert. Immer wenn ein Zeitschlitz empfangen wird, in dem das Pilotsymbol gesendet wird, findet ein Update des Startwertes für die adaptive Kanalschätzung statt.

Parallel hierzu misst die Mobilstation bei sich jeweils das SIR und schickt diesen Wert als Kanalzustandsinformation über einen Rückkanal zur Basisstation. Diese reagiert dementsprechend, indem sie bei Absinken der SIR unterhalb einer bestimmten Schwelle in den darauffolgenden Datenübertragungen im Burst wieder mehr Pilotsymbole sendet, beispielsweise im Verhältnis von 1/10 auf 1/9 usw., um wieder eine zuverlässige Datendetektion zu gewährleisten. Andererseits reduziert die Basisstation die Zahl der zu übertragenden Pilotsymbole im Burst, solange die SIR oberhalb der definierten Schwelle bleibt, beispielsweise im Verhältnis von 1/10 auf 1/11 usw.

Wie bereits angedeutet wurde, kann das oben genannte Verfahren entsprechend auch in uplink-Richtung durchgeführt werden. Im Rahmen der Erfindung wurden insbesondere folgende Abkürzungen und Definitionen verwendet:

BER Bit Error Rate

GSM Global System for Mobile Communications

Mbps Mega bits per second

MLSE Maximum Likelihood Sequence Estimation

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

QoS Quality of Service

SIR Signal to Interference Ratio

TDD Time Division Duplex

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Schätzen eines Funkkanals

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h

Messen mindestens einer Zustandsgröße des Funkkanals zum Gewinnen mindestens eines Zustandswerts, und

Anpassen einer Anzahl und/oder Zeitfolge von Pilotsymbolen, die zum Schätzen des Funkkanals gesendet werden, an den Zustandswert .

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zustandsgröße das Signal-Interferenz-Verhältnis ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Zustandsgröße die Kohärenzzeit ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zustandsgröße die Kohärenzbandbreite ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anzahl der Pilotsymbole in einem Burst variiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zustandsgröße in einem Empfänger gemessen und einem Sender zum Schätzen übermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der

Funkkanal in einem OFDM-Datenübertragungssystem geschätzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Funkkanal ein Mobilfunkkanal, insbesondere ein frequenzselektiver Mobilfunkkanal, ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schätzen für jeden Subträger unabhängig erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schätzen durch ein Schätzen mittels rekursiver Filterung, insbesondere Kaiman-Filterung, ergänzt wird.

11. Vorrichtung zum Schätzen eines Funkkanals mit

einer Sendeeinrichtung zum Senden von Pilotsymbolen in einem Datensignal, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h

eine Mess- und/oder Empfangseinrichtung zum Messen oder Empfangen eines Zustandswerts einer Zustandsgröße des Funkkanals, wobei die Anzahl und/oder Zeitfolge der Pilotsymbole durch die Sendeeinrichtung an den Zustandswert anpassbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zustandsgröße ein Signal-Interferenz-Verhältnis ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Zustandsgröße eine Kohärenzzeit ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Zustandsgröße eine Kohärenzbandbreite ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei eine Anzahl von Pilotsymbolen in einem Burst variierbar ist .

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Schätzen für jeden von mehreren Subträgern unabhängig durchführbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16 mit weiterhin einer Filtereinrichtung zum rekursiven Filtern als ergänzendes Schätzen insbesondere durch ein Kaiman- Filter.

18. Funkübertragungssystem mit einer Vorrichtung zum Schätzen eines Funkkanals nach einem der Ansprüche 11 bis 17, das insbesondere als OFDM-System ausgelegt ist.

19. Funkübertragungssystem nach Anspruch 18, wobei der Funkkanal ein Mobilfunkkanal, insbesondere ein frequenzselektiver Mobilfunkkanal, ist.

20. Funkübertragungssystem nach Anspruch 18 oder 19 mit

einem Empfänger, in dem der Zustandswert messbar ist, und

einem Sender, an den der Zustandswert zum Schätzen des Funkkanals übertragbar ist.