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Die
vorliegende Erfindung betrifft OFDM (orthogonal frequency division
multiplex, orthogonales Frequenzteilungsmultiplex) Telekommunikationssysteme
und Verfahren zum Betreiben solcher Systeme, insbesondere die Benutzung
von variablen Schutzabständen
in solchen Systemen.
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In
einem OFDM-System werden Daten auf ein Breitbandsignal moduliert,
das eine große
Anzahl von individuellen Frequenzträgern hat, die ein Frequenzteilungsmultiplex
bilden. Die Bandbreiten der einzelnen Frequenzkanäle sind
klein und so angeordnet, dass das Maximum des sinc(x), (sinc(x)
= sin(x)/x) Leistungsspektrums eines Kanals dem ersten Minimum des
sinc(x) Leistungsspektrums der benachbarten Kanäle entspricht. Anders gesagt
ist die Kanaltrennung gleich 1/(Zeichenlänge) für rechteckige Zeichen. Aus
diesem Grunde werden benachbarte Kanäle als „orthogonal" bezeichnet. OFDM-Systeme
verwenden normalerweise ein FFT-Verfahren (fast
Fourier transform, schnelle Fouriertransformation), um das Datensignal
vom gesendeten Signal zu demodulieren. Faltungsfehlerkodierung und
FFT können
an der Modulator-(Sender-)Stufe verwendet werden. Im Empfänger wird
komplementäre
FFT-Verarbeitung zusammen mit Viterbidekodierung bei der Demodulatorstufe
kombiniert. Dies stellt sicher, dass die gesamte Bitfehlerrate sehr
niedrig ist. Diese besondere Variante von OFDM ist als COFDM (coded orthogonal
frequency division multiplex, kodiertes orthogonales Frequenzteilungsmultiplex)
bekannt. In den letzten Jahren sind COFDM-Systeme für eine Vielfalt
von Rundsendungs anwendungen entwickelt worden, z. B. für digitalen
Audio-Rundfunk und
Fernsehen hoher Definition. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird in diesen Unterlagen
der Ausdruck OFDM verwendet, um sowohl auf OFDM als auch auf COFDM
Bezug zu nehmen.
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Die
nächste
Generation mobiler Kommunikationssysteme kann mit Vorteilen OFDM
verwenden. In mobilen Kommunikationssystemen ist jedoch die Entfernung
zwischen einem Empfänger
und einem Sender nicht konstant, und zusätzlich kann sich das Terrain
zwischen dem Empfänger
und dem Sender ändern.
Dies führt
zu Signaldispersion in der Frequenzdomäne oder einer Verzögerungsspreizung
in dem Zeitbereich in einem Kommunikationskanal, der OFDM verwendet.
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Um
sicherzustellen, dass das Verhalten eines OFDM-Systems angemessen ist, ist es notwendig,
einen Schutzabstand zwischen Zeichen vorzusehen, so dass die Wirkungen
gegenseitiger Störung zwischen
benachbarten Zeichen vermieden wird. In einem konventionellen OFDM-System
muss die Länge
dieses Schutzabstandes gleich sein wie oder größer als die maximale Verzögerungsspreizung
im System. Wenn man berücksichtigt,
dass unter gewissen Bedingungen die Verzögerungsspreizung in einem Mobilsystem
groß sein
kann, während
bei anderen Bedingungen die Verzögerungsspreizung
niedrig sein kann, bringt die Verwendung eines festen Schutzabstandes,
der der längsten
Verzögerungsspreizung
entspricht, einen Overhead der Übertragungskapazität eines
Kommunikationskanals mit sich. Irgendwelche Kompromisse bei der
Auswahl der Länge
des Schutzabstandes werden bei gewissen Umständen einen Verlust gesendeter
Daten bewirken.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, den Overhead zu minimalisieren,
dem die Kanalverkehrskapazität
in einem OFDM-System auferlegt ist, unter Verwendung eines Schutzabstandes
zwischen Zeichen, ohne das Betriebsverhalten des Systems zu verringern.
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Die
Verwendung von Schutzabständen
in mobilen Telekommunikationssystemen ist gut bekannt. Die europäische Patentanmeldung
EP 0 295 227 beschreibt
ein digitales TDMA (time division multiple access, Zeitteilungsvielfachzugang)
Mobiltelefonsystem, in dem Zeitschlitzzuordnung in Abhängigkeit
von der Fortpflanzungszeit zwischen den unterschiedlichen Mobilstationen
und einer Basisstation vorgenommen wird. Jeder Zeitrahmen schließt einen Schutzabstand
ein, der verwendet wird, um Überlappen
zwischen Übertragungen
zu oder von unterschiedlichen Mobilstationen zu vermeiden.
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US-Patent
5 371 548 offenbart die Verwendung von Schutzabständen bei
OFDM-Systemen.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 589 709 A2 offenbart ein OFDM-System, das Quadraturamplitudenmodulation
oder modifizierte Phasenumtastung verwendet, wobei lange Schutzzeiten und/oder
breite Kanalabstände
verwendet werden.
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US-Patent
4 937 819 offenbart ein TDMA-System, in dem Entfernungsmessung in
Bezug auf die Zeit verwendet wird, um Schutzzeiten zwischen aufeinander
folgenden Übertragungen
zu verringern.
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DE-C-44
25 713 offenbart ein Verfahren des Betreibens eines OFDM-Systems,
das einen Empfänger
und einen Sender aufweist, bei dem Daten als eine Reihe von OFDM-Zeichenbursts gesendet
werden, wobei jeder Zeichenburst in dem Zeitbereich einen Teil desselben
aufweist, der darin als ein Schutzabstand wiederholt wird, wobei
der Empfänger ein Zeitfenster
hat, mit dem nach dem Multiplexieren der Signalburst ausgerichtet
werden muss, wobei der wiederholte Teil des Signalbursts eine variable Schutzabstanddauer
hat, und wobei während
des Systemsbetriebs die Dauer des variablen Schutzabstandes eingestellt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung löst
das Problem von Datenverlust, der durch Verzögerungsspreizung bewirkt wird,
wobei die Kanalkapazität
ohne Signalverschlechterung im Empfänger maximalisiert wird.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein OFDM-System
geschaffen, das einen Empfänger
und einen Sender aufweist, wobei der Sender dazu ausgebildet ist,
Daten in OFDM-Symbolbursts zu senden, bei denen in dem Zeitbereich
ein Teil des Zeichenbursts innerhalb des Zeichenbursts als ein Schutzabstand
wiederholt wird, welcher Empfänger
ein Zeitfenster hat, mit dem nach dem Multiplexieren der Zeichenburst
ausgerichtet werden muss, wobei der wiederholte Teil des Zeichenbursts
eine Schutzabstanddauer (Tg) aufweist, die variabel ist und während des
Systembetriebs eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger dazu
ausgebildet ist, dauernd ein Steuersignal, das den Pegel der Verzögerungsspreizung
in einem empfangenen Signal anzeigt, zu dem Sender zu senden, und
dass der Sender dazu ausgebildet ist, die Schutzabstanddauer (Tg)
in Abhängigkeit vom
Steuersignal einzustellen, um Datenverlust zu vermeiden, der durch
Verzögerungsspreizung
bewirkt wird.
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Vorzugsweise
ist der Empfänger
dazu ausgebildet, das Zeitfenster zu verändern, um beim Demultiplexieren
einen Schutzabstand einer minimalen Dauer zu erzeugen, der notwendig
ist, Datenverlust zu vermeiden, der durch Verzögerungsspreizung bewirkt wird.
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Der
Teil des Zeichenbursts, der wiederholt wird, kann von der Vorderflanke
des Zeichenbursts kopiert werden.
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Der
wiederholte Teil des Zeichenbursts kann an der Hinterflanke des
Zeichenbursts wiederholt werden.
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Der
Empfänger
kann dazu ausgebildet sein, ein Signal zum Sender zu senden, das
den Pegel der Verzögerungsspreizung
in einem empfangenen Signal anzeigt, und der Sender ist dazu ausgebildet,
die Schutzabstanddauer auf einen minimalen Wert einzustellen, der
notwendig ist, um Datenverlust zu vermeiden, der durch Verzögerungsspreizung
bewirkt wird.
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Vorzugsweise
ist der Empfänger
dazu ausgebildet, ein gesendetes Signal zu detektieren, wenn das
Zeitfenster falsch eingestellt ist.
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Das
OFDM-System kann dazu ausgebildet sein, als ein mobiles Telekommunikationssystem
zu arbeiten.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Empfänger für Verwendung
mit einem OFDM-System
einschließlich
eines Senders geschaffen, der dazu ausgebildet ist, Daten in OFDM-Zeichenbursts
zu senden, in denen in dem Zeitbereich ein Teil eines Zeichenbursts
innerhalb des Zeichenbursts als ein Schutzabstand wiederholt wird,
welcher Empfänger
ein Zeitfenster hat, mit dem nach dem Multiplexieren der Zeichenburst ausgerichtet
werden muss, wobei der wiederholte Teil eines Zeichenbursts eine
Schutzabstandsdauer (Tg) hat, die variabel ist und die während des
Betriebs eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger dazu
ausgebildet ist, dauernd ein Steuersignal, das den Pegel der Verzögerungsspreizung
im emp fangenen Signal anzeigt, zu dem Sender zu senden und der Sender
dazu ausgebildet ist, die Schutzabstandsdauer (Tg) in Abhängigkeit
von dem Steuersignal einzustellen, um Datenverlust zu vermeiden,
der durch Verzögerungsspreizung
bewirkt wird.
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Vorzugsweise
schließt
der Empfänger
Leistungsmessmittel zum Messen der Qualität des empfangenen Signals und
Einstellmittel für
das Empfangsfenster auf, um die Zeitfensterdauer als Reaktion auf
ein Signal von den Leistungsmessmitteln einzustellen.
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Vorzugsweise
ist der Empfänger
dazu ausgebildet, ein Signal zu dem Sender zu senden, das den Pegel
der Verzögerungsspreizung
in dem empfangenen Signal anzeigt, und der Sender ist dazu ausgebildet,
die Schutzabstandsdauer auf einen minimalen Wert einzustellen, der
notwendig ist, Datenverlust zu vermeiden, der durch Verzögerungsspreizung
bewirkt wird.
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Der
Empfänger
kann dazu ausgebildet sein, ein gesendetes Signal zu detektieren,
wenn das Zeitfenster falsch eingestellt ist.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Betreiben eines OFDM-System
geschaffen, das einen Empfänger
und einen Sender aufweist, bei dem Daten als eine Reihe von OFDM-Zeichenbursts gesendet
werden, wobei jeder Zeichenburst in dem Zeitbereich einen Teil aufweist,
der darin als Schutzabstand wiederholt wird, welcher Empfänger ein
Zeitfenster aufweist, mit dem nach dem Multiplexieren der Zeichenburst
ausgerichtet werden muss, wobei der wiederholte Teil eines Zeichenbursts
eine variable Schutzabstandsdauer (Tg) hat und während des Systemsbetriebs die
variable Schutzab standsdauer (Tg) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass der Empfänger
dauernd ein Steuersignal, das den Pegel der Verzögerungsspreizung in einem empfangenen
Signal anzeigt, zu dem Sender sendet und der Sender die Schutzabstandsdauer
(Tg) in Abhängigkeit
von dem Steuersignal einstellt, um Datenverlust zu vermeiden, der
durch Verzögerungsspreizung
bewirkt wird.
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Vorzugsweise
ist das Empfängerzeitfenster eingestellt,
um beim Demultiplexieren einen Schutzabstand einer minimalen Dauer
zu erzeugen, die notwendig ist, um Datenverlust zu vermeiden, der
durch Verzögerungsspreizung
bewirkt wird.
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Der
wiederholte Teil des Zeichenbursts kann von einer Vorderflanke desselben
kopiert werden.
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Der
wiederholte Teil des Zeichenbursts kann an einer Hinterkante des
Zeichenbursts wiederholt werden.
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Der
Empfänger
kann die Qualität
des empfangenen Signals messen und die Zeitfensterdauer einstellen,
so dass die empfangene Signalqualität einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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Ausführungsformen
der Erfindung sollen nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
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1 ein
typisches Impulsansprechverhalten für hügeliges ländliches Terrain;
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2 ein
typisches Impulsansprechverhalten für städtisches Terrain;
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3 ein
typisches Impulsansprechverhalten für das Innere eines Gebäudes;
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4 ein
typisches Impulsansprechverhalten für eine Mikrozelle in einem
zellularen digitalen Mobiltelefonsystem;
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5 eine
schematische Darstellung eines OFDM-Sendebursts.
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Bezugnehmend
auf die 1 bis 4 ist dort
die Wirkung von Terrain auf Verzögerungsspreizung
in einem OFDM-System
gezeigt. Wie man dies aus den Zeichnungen erkennen kann, kann die
Verzögerungsspreizung
von 0,2 μs
bis 50 μs
variieren. Wenn ein Schutzabstand benutzt werden soll, der Störungen zwischen
Zeichen, die durch Verzögerungsspreizung
bewirkt sind, in all den unterschiedlichen Umgebungen vermeiden
soll, für
die die Impulsansprechverhalten in den 1 bis 4 dargestellt
sind, muss er gleich oder größer sein
als 50 μs. Im
Falle, wo die Verzögerungsspreizung
gleich 0,2 μs bringt
dies einen unnötigen
Verlust von Kanalkapazität
mit sich. Es sollte bemerkt werden, dass die Verzögerungsspreizung
in dem Zeitbereich in Frequenzdispersion in der Frequenzdomäne umgewandelt wird.
Ob der Effekt als Frequenzdispersion oder als Zeitdispersion angesehen
wird, so ist die Wirkung doch dieselbe, das heißt Verlust von Kanalkapazität.
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Die
Verwendung eines Schutzabstandes in einem OFDM-System, um die Wirkung von Verzögerungsspreizung
zu überwinden,
ist in 5 dargestellt. Der Schutzabstand nimmt die Form
einer zyklischen Wiederholung des ersten Teiles eines OFDM-Bursts
an, das heißt
der Anfang des OFDM-Bursts wird kopiert und am Ende des Bursts wiederholt.
Die OFDM- Zeichendauer
ist durch Ts bezeichnet, und die Dauer des
Schutzabstandes ist durch Tg bezeichnet.
Ein OFDM-Empfänger
hat ein Zeitfenster, in dem er OFDM-Zeichen empfangen kann. Die
minimale Dauer dieses Zeitfensters ist gleich Ts.
Der Empfänger
kann daher nur den Teil des Signal sehen, der nicht durch Verzögerungsspreizung
im Kommunikationssignal zerstört
ist. Ein Empfänger
muss daher ein Zeitfenster haben, das Ts +
Tg entspricht. Der Verlust der Leistung,
der durch die Verwendung eines Schutzabstandes Tg verursacht wird,
ist Δ, wobei Δ = 10log(Tg/Ts) dB ist. Durch
Verwendung eines variablen Schutzabstandes im Gegensatz zum festen
Schutzabstand, der eine Dauer hat, die dem Maximum entspricht, das
benötigt
wird, um die Wirkungen von Verzögerungsspreizung
zu vermeiden, wird der Verlust von Systemleistung auf das minimale
Ausmaß verringert,
das notwendig ist, um Verlust von Daten zu vermeiden. Um bekannte Verzögerungsspreizung
in unterschiedlichen Umgebungen zu berücksichtigen, muss Tg von 0,2 μs
bis 50 μs
verändert
werden können.
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Das
Konzept der vorliegenden Erfindung, nämlich die Verwendung von variablem
Schutzabstand, kann in einem OFDM-System implementiert werden, wie dies
unten erläutert
wird. Der Schutzabstand wird in den gesendeten Datenstrom nach Modulation
und vor Multiplexen durch den Sender eingeführt. Im multiplexierten OFDM-Signal
wird der Schutzabstand in ein Anwachsen des Trägerabstands umgewandelt, der
in einem OFDM-Burst in der Frequenzdomäne enthalten ist. Beim Empfänger wird
der Schutzabstand regeneriert, wenn der OFDM-Burst durch FFT (schnelle Fouriertransformation) Verarbeitung
demultiplexiert wird. Der Empfänger kann
den OFDM-Burst sogar
dann detektieren, wenn sein Zeitfenster falsch eingestellt ist,
und kann das Fenster auf den richtigen Wert für richtigen Empfang nachfolgender
OFDM-Bursts einstellen.
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Wenn
das System für Übertragung
von Daten in beiden Richtungen ausgebildet ist, das heißt, wenn
der Empfänger
eine Sendefähigkeit
hat, kann der Empfänger
die Verzögerungsspreizung,
die im empfangenen Signal vorhanden ist, messen und ein Steuersignal
zum Sender senden, was bewirkt, dass der Sender die Dauer von Tg auf den minimalen Wert einstellt, der notwendig
ist, um Datenverlust durch Verzögerungsspreizung
zu vermeiden. Auf diese Weise verwendet das System den minimalen
Schutzabstand, der notwendig ist, die Wirkungen von Verzögerungsspreizung
zu überwinden,
wodurch die Kanalverkehrkapazität
ohne Signalverschlechterung im Empfänger maximalisiert wird.
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Ein
Empfänger
zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung muss imstande sein,
einen Schutzabstand in die gesendeten Datenbursts einzusetzen und
muss imstande sein, die Dauer des Schutzabstands einzustellen, dass
dieser gerade ausreichend ist, um Signalverschlechterung durch Signalspreizung
zu beseitigen. Zusätzlich
kann der Sender dazu ausgebildet sein, ein Steuersignal von einem
Empfänger
zu empfangen, das die Menge von Verzögerungsspreizung anzeigt, die
in einem empfangenen Signal enthalten ist, und um dieses Signal zu
verwenden, die Dauer des Schutzabstandes kontinuierlich einzustellen.
Diese Fähigkeit,
ununterbrochen die Dauer des Schutzabstandes während des Betriebs des Systems
zu verändern,
ist besonders wertvoll, wenn das System bei Mobiltelefonie verwendet
wird.
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Ein
Empfänger
bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung muss imstande sein,
das Empfangsfenster für
OFDM-Bursts einzustellen,
dass es mit der Größe der gesendeten
Bursts, wie sie empfangen werden, übereinstimmt. Insbesondere
muss der FFT-Rahmen mit dem empfangenen OFDM-Burst synchronisiert
werden, wenn das empfangene Signal richtig demultiplexiert werden
soll. Ein Empfänger
kann immer noch einen empfangenen Burst detektieren, sogar wenn
sein Empfangsfenster falsch eingestellt ist, und kann das Empfangsfenster einstellen,
dass es mit dem richtigen Wert für
das empfangene Signal zusammenpasst. Zusätzlich kann der Empfänger die
Menge von Verzögerungsspreizung
messen, die im empfangenen Signal vorhanden ist, um ein Steuersignal
zum Sender zu senden, was bewirkt, dass der Sender die Dauer des
verwendeten Schutzabstandes einstellt.
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Die
vorliegende Erfindung hat besondere Anwendungen bei der Mobiltelefonie,
bei der eine Mehrzahl von Basisstationen Daten zu einer Mehrzahl
von Mobilstationen sendet. Bei solchen Systemen kann die Verzögerungsspreizung
sich während des Übertragungsbetriebs
zwischen einer vorgegebenen Basisstation und einer vorgegebenen
Mobilstation ändern,
während
sich die Position der Mobilstation dauernd ändert. Außerdem ist in solchen Systemen
die Verkehrskapazität
am besten. Die Fähigkeit,
dauernd die Verzögerungsspreizung
zu messen, die vorhanden ist, und Schutzabstände in OFDM-Bursts einzustellen
oder zu justieren, um nicht verschlechterte Übertragung mit einer minimalen Schutzabstandsdauer
sicher zu stellen, spart Verkehrskapazität in einem Übertragungskanal.
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Die
Konstruktion und die Implementation von OFDM-System sind dem Fachmann auf dem Gebiet der
Telekommunika tion gut bekannt, und die Weise, in der ein OFDM-System,
das die vorliegende Erfindung implementiert, realisiert werden kann,
wird dem Fachmann aufgrund der vorstehenden Beschreibung ohne Weiteres
verständlich
sein.