DE10141971A1

DE10141971A1 - Adaptive channel estimation system has variable pilot symbol. count

Info

Publication number: DE10141971A1
Application number: DE2001141971
Authority: DE
Inventors: Siegfried Baer; Hyung-Nam Choi; Frank Kowalewski; Holger Schmidt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2003-03-27
Also published as: WO2003028323A1

Abstract

An adaptive channel estimation system inserts a variable number of pilot symbols depending on the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) channel properties and provides independent sub channel estimation for the signal to noise ratio.

Description

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

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

In general, a mobile radio channel is a time-variant and frequency-selective channel. In the case of a fixed transmitter, the time variance is caused by the movement of the mobile receiver. The frequency selectivity is caused by the multipath propagation. The mobile radio channel can be described by the following parameters:

- The delay spread τ _D describes the mean time spread of a signal when it is transmitted over the radio channel. The reciprocal is called the coherence bandwidth K _B.
- The Doppler spread B _D describes the average frequency broadening that the bandwidth of a transmission signal experiences during transmission over the radio channel. The reciprocal is called the coherence time T _C.

Abhängig von den Signal- und Kanaleigenschaften, bezeichnet man den Mobilfunkkanal als freguenzselektiv, d. h. der Mobilfunkkanal 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. Depending on the signal and channel properties, the mobile radio channel is called frequency-selective, ie the mobile radio channel can be described as a multi-way channel if the signal bandwidth B is very much larger than the coherence bandwidth K _B , ie B >> K _B. Otherwise, the mobile radio channel is not frequency-selective and can then be described as a one-way channel. Furthermore, the mobile radio channel is said to be time-variant if the symbol duration T of the signal is much longer than the coherence time T _C , ie T >> T _C. Otherwise you can consider the channel as time invariant.

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 Wegen 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 Empfangssignal 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 Fig. 1 ist als Beispiel eine in Symboltakt 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. The properties of the mobile radio channel generally lead to the signal from the transmitter reaching the mobile receiver not only directly, but also in different ways with different transit times and damping influences. The received signal is composed of a large number of components, the amplitudes, transit times and phases of which behave randomly. The received signal therefore represents a distorted and disturbed version of the transmitted signal. It is the task of the receiver to carry out an equalization in order to be able to detect the transmitted signal again from the received signal. However, a receiver that works according to the MLSE principle requires knowledge of the so-called channel impulse response, represented here by the function f (τ; t. The function f (τ; t) describes the response of the channel to a pulse at time t , of the channel at time t-τ stimulated the delayed τ portions are referred to as echoes in Figure 1 as an example of a sensed in symbol clock T channel impulse response f... (τ, t), the different a mobile radio channel with L = 6 Each individual path influences the transmission signal with different delays and attenuations.

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 Trainingssequenz bezeichnet, über den Mobilfunkkanal entsteht. Mathematisch bedeutet das Übertragen des Testsignals über den Kanal dessen "Faltung" mit der Kanalimpulsantwort. Die Kanalschätzung im Empfänger erreicht man durch die entsprechende "Entfaltung" bzw. "Korrelation" dieses Empfangssignals mit dem ursprünglich gesendeten Testsignal. Determining an estimate of the channel impulse response is called Called channel estimation. There are a variety of Channel estimation method. This is a common procedure Evaluate the received signal, which is transmitted by a known test signal, also as a pilot signal or Training sequence called, is created via the mobile radio channel. Mathematically, the test signal is transmitted over the channel its "convolution" with the channel impulse response. The Channel estimation in the receiver can be achieved by the corresponding one "Unfolding" or "correlation" of this received signal with the test signal originally sent.

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 Fig. 2 ist als Beispiel eine solche Burststruktur dargestellt. Der Burst besteht aus zwei Datenblöcken D1 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 D1 und D2 detektiert. Die Länge des Pilotsignals bzw. des Datenblocks M hängt dabei im wesentlichen von der maximalen Kanalimpulsantwortlänge ab. Die Länge der Datenblöcke D1 und D2 hängt im wesentlichen von der Kanal-Kohärenzzeit ab. Dabei sollten die Längen von D1 und D2 deutlich kleiner als die Kanal-Kohärenzzeit sein, um während der Datendetektion von zeitvarianten Kanaleigenschaften unabhängig zu sein. In mobile radio systems of the 2nd or 3rd generation, such as the GSM or UMTS TDD mode, data transmission takes place in time slots in a predefined structure, the so-called bursts. Such a burst structure is shown as an example in FIG. 2. The burst consists of two data blocks D1 and D2, separated by a data block M for channel estimation, in which the pilot signal is transmitted. So far, the channel estimation in the above-mentioned mobile radio systems has only been made from the pilot signal. The information data in the data blocks D1 and D2 are then detected with the estimated channel impulse response. The length of the pilot signal or data block M essentially depends on the maximum channel impulse response length. The length of the data blocks D1 and D2 essentially depends on the channel coherence time. The lengths of D1 and D2 should be significantly smaller than the channel coherence time in order to be independent of time-variant channel properties during data detection.

Für zukünftige Mobilfunksysteme der 4. Generation werden Übertragungsraten 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 Multiplexing) 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. For future 4th generation mobile radio systems Transfer rates over 100 Mbps required. This will also appropriately large bandwidths are required. With increasing However, bandwidth decreases the frequency selectivity of the Cellular channel too, the strong distortion of the received signal cause. This then makes the use of expensive receivers required. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) represents a suitable method for realizing 4th generation mobile radio systems with which the negative channel influences due to frequency selectivity be minimized, so that the recipient effort significantly can be reduced.

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 übertragene Datenstrom auf eine Vielzahl von Subträgern aufgeteilt und mit einer entsprechend reduzierten Datenrate parallel übertragen. Der einzelne Trägerfrequenzabstand Δf ist dabei so festgelegt, so dass der Einfluss der Frequenzselektivität klein gehalten wird. Das bedeutet, dass man dann für jeden Subträger einen nichtfrequenzselektiven Kanal erhält, d. h. der Kanal besteht aus dem direkten Pfad. Andererseits nehmen die Auswirkungen der Zeitvarianz mit geringer werdender Bandbreite zu, so dass nach wie vor eine Kanalschätzung durchgeführt werden muss. OFDM is a multi-carrier process in which the Signal bandwidth B is divided into M subbands. In this way you don't have a wide bandwidth frequency carrier, but M frequency carriers with the bandwidth Δf = B / M. At the OFDM is the data stream to be transmitted to a Large number of sub-carriers divided and with a corresponding reduced data rate transmitted in parallel. The only one Carrier frequency spacing Δf is set so that the Influence of frequency selectivity is kept small. The means that you then have one for each subcarrier receives non-frequency selective channel, d. H. the channel consists of the direct path. On the other hand, the effects of Time variance with decreasing bandwidth, so that after as before a channel estimate has to be performed.

In einem OFDM-basierten Mobilfunksystem können die gängigen Kanalschätzverfahren auf Basis von bekannten Pilotsymbolen angewendet werden. Hierzu werden auf jedem Subträger im Datenburst Pilotsymbole übertragen. Die Detektion der unbekannten Informationssymbole erfolgt auf Basis der geschätzten Kanalimpulsantwort. In Fig. 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 Pilotsymbol benötigt, da der Mobilfunkkanal auf jedem Subträger nur aus einem Pfad besteht. The common channel estimation methods based on known pilot symbols can be used in an OFDM-based mobile radio system. For this purpose, pilot symbols are transmitted in the data burst on each subcarrier. The unknown information symbols are detected on the basis of the estimated channel impulse response. In Fig. 3, an OFDM system is shown as an example, which consists of 8 sub-carriers (in the frequency axis F) and distributed in the on each subcarrier pilot symbols PS in a 1/3 ratio are (on the time axis t), ie after each 3 Information symbols IS of symbol length T are followed by a pilot symbol. Only one pilot symbol is required for channel estimation because the mobile radio channel consists of only one path on each subcarrier.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Optimierung der Kanalschätzung zur Erhöhung der Datenrate in einem OFDM-basierten Mobilfunksystem. The object of the invention is the optimization of Channel estimation to increase the data rate in an OFDM-based Mobile radio system.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 9 und ein Funkübertragungssystem nach Anspruch 14. Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1, an apparatus according to claim 9 and a Radio transmission system according to claim 14 present invention result from the subclaims.

Der Kern der Erfindung betrifft ein Verfahren, das eine adaptive Kanalschätzung ermöglicht. The essence of the invention relates to a method that a enables adaptive channel estimation.

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 Datenburst reduziert oder erhöht. The channel estimate is preferably based on a variable Transfer of pilot symbols. This procedure enables the transmission of pilot symbols within a data burst depending on the channel properties. The procedure uses channel status information, which via a return channel is transmitted from the receiver to the transmitter. This channel status information is included in the transmitter suitably chosen threshold values compared. Based on the The result of the decision is the number of pilot symbols in the Data burst reduced or increased.

Bisher waren für OFDM-Systeme nur Verfahren zur Kanalschätzung bekannt, die eine Schätzung auf Basis fester Pilotsymbole 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 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 Datenübertragungsrate eines OFDM-Systems ohne Beeinträchtigung seiner Leistungsfähigkeit gesteigert werden. So far, only procedures for Channel estimate known, which is an estimate based on fixed Execute pilot symbols. The transfer of pilot symbols means but a waste of resources since the pilot symbols are not serve the transfer of information. Therefore according to the invention a channel estimation based on variable transmission of Pilot symbols performed, so pilot symbols only at Transferred depending on the needs Channel characteristics. Furthermore, a channel estimate is also based on the transmitted unknown information symbols advantageous, so that overall the number of pilot symbols to be transmitted can be reduced. In this way, the Data transfer rate of an OFDM system without impairing it Performance can be increased.

Mit anderen Worten ist damit zum einen eine zuverlässige Kanalschätzung während der gesamten Datenübertragung möglich. Zum anderen kann die Zahl der zu übertragenen Pilotsymbole zur Kanalschätzung variabel gestaltet werden. Auf diese Weise kann die Datenübertragungsrate eines OFDM-Systems ohne Beeinträchtigung seiner Leistungsfähigkeit gesteigert werden. In other words, it is a reliable one Channel estimation possible during the entire data transmission. Secondly, the number of pilot symbols to be transmitted can be designed variably for channel estimation. In this way can the data transfer rate of an OFDM system without Impairment of its performance can be increased.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen: The present invention will now be described with reference to the accompanying Drawings explained in more detail, in which:

Fig. 1 ein Beispiel einer im Symboltakt T-abgetasteten Kanalimpulsantwort; FIG. 1 shows an example of a symbol clock in T-sampled channel impulse response;

Fig. 2 ein Beispiel einer Burst-Struktur zur Datenübertragung; FIG. 2 shows an example of a burst structure for data transmission;

Fig. 3 ein Beispiel eines OFDM-Systems mit acht Subträgern; Fig. 3 shows an example of an OFDM system with eight subcarriers;

Fig. 4 ein im Symboltakt T-abgetastetes Zustandsraummodell für einen nichtfrequenzselektiven Kanal; und . Figure 4 is a symbol clock in T-sampled state space model for a non-frequency-selective channel; and

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Kanalschätzers. Fig. 5 is a block diagram of a channel estimator.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die erfindungsgemäße Kanalschätzung auf der Basis variabler Übertragungs- und Pilotsignalen kann dabei durch eine Kanalschätzung auf der Basis von sogenannten Kalman-Filtern ergänzt werden. The exemplary embodiments described below represent preferred embodiments of the present invention. The channel estimation according to the invention on the basis of variable Transmission and pilot signals can be through a Channel estimation based on so-called Kalman filters can be added.

Channel estimation based on variable transmission of pilot symbols

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 verwendet. Danach folgt wieder eine neue Kanalschätzung usw. With this method, the channel is estimated in the receiver on each subcarrier depending on the respective Channel characteristics. At the beginning of the data connection, the Transmitter on each subcarrier pilot symbols (PS) after one fixed patterns, for example in the ratio 1/3, d. H. to 3 information symbols (IS) each of the symbol length T follow a pilot symbol. In this case the channel is estimated as usual in the time slot in which the pilot symbol is sent. The estimated channel coefficient is then then for the detection of the following three Information symbols used. This is followed by a new channel estimate etc.

Nach einer bestimmten Zeit kann die Übertragung der Pilotsymbole im Burst adaptiv eingestellt werden, in Abhängigkeit von den jeweiligen Kanaleigenschaften. Im Falle langsam veränderlicher 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 R. 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, beispielsweise im Verhältnis von 1/3 auf S, um weiterhin eine zuverlässige Datendetektion zu gewährleisten. After a certain time, the transfer of the Pilot symbols in the burst can be set adaptively, depending on the respective channel properties. In the case of slow variable channel properties (e.g. in a rural area at a low speed of the mobile receiver) the number of pilot symbols can be successively reduced, for example in a ratio of 1/3 to R. In the case of fast variable channel properties (e.g. in the city with a high speed of the mobile receiver) the number of pilot symbols in the burst is increased, for example in the ratio of 1/3 to S to continue to be one to ensure reliable data detection.

Das Verfahren nutzt hierzu Kanalzustandsinformationen aus, welche über einen Rückkanal vom Empfänger zum Sender übertragen 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 Error 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. The method uses channel status information for this, which via a return channel from the receiver to the transmitter be transmitted. Suitable channel status information is e.g. B. the SIR (signal-to-interference ratio), d. H. the Signal-to-interference ratio. This means the ratio of received signal power of the information symbols to the Kanalstörleistung. The SIR influences the quality of a digital one Data transmission, which is determined by the bit error rate BER (bit Error rate) is expressed. The BER gives the ratio of incorrectly received bits to the transmitted bits again. With unfavorable channel conditions, i. H. at rapidly changing channel properties, is the received signal power tiny. In this case, the SIR and the data decrease can then only be detected with errors, with which at the same time the BER rises. Under certain circumstances, the increase in BER be so big that a meaningful information transfer is no longer possible.

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 Spezifikation 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 übertragenen 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 übertragenen Pilotsymbole reduziert werden, was wiederum zu einer Erhöhung der Datenrate des OFDM-Mobilfunksystems zur Folge hat. The receiver now has the task of measuring the SIR, and this information to the sender via the return channel Send. The transmitter responds accordingly by pressing SIR falling below a certain threshold (the Specification of the threshold depends on it. a. from each Quality of Service, QoS, ab) in the following Data transmissions again send more pilot symbols in the burst, so that reliable data detection can be achieved again can. On the other hand, with favorable channel conditions, d. H. with slowly changing channel properties, the number adaptively reduce the pilot symbols to be transmitted in the burst, as long as the SIR remains above the defined threshold. This adaptive method allows a reliable one Channel estimation depending on the respective Channel characteristics. Under favorable circumstances, the total Number of pilot symbols to be transferred, what in turn to an increase in the data rate of the OFDM mobile radio system results.

Channel estimation based on so-called Kalman filters

In einem OFDM-System wird die Signalbandbreite B in M Subbändern so unterteilt, so dass man auf diese Weise für jeden Subträger einen nichtfrequenzselektiven Kanal hat, d. h. der Kanal 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, so dass die Datendetektion unabhängig von zeitvarianten Kanaleigenschaften ist. In an OFDM system, the signal bandwidth B in M Subbands divided so that you can do this for everyone Subcarrier has a non-frequency selective channel, i. H. the Canal consists of only one path of propagation. The Channel estimation on each subcarrier is therefore limited to Estimation of a time variant channel coefficient. This can be like previously done on the basis of known pilot symbols that according to a certain scheme within a data burst be transmitted. The ratio of the number of Pilot symbols to information symbols in the burst selected so that data detection is independent of time variations Is channel properties.

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 übertragenen 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. Kalman-Filtern und führt eine Kanalschätzung durch Prädiktion (Vorhersage) durch. Zur Theorie der Kalman-Filter existieren eine Vielzahl von Veröffentlichungen, die in Sorenson, H. W.: Kalman Filtering: Theory and Application, IEEE Press selected reprint series, New York, 1985 gesammelt sind. Instead of the estimated channel coefficients for Detection of the subsequent information symbols use, the method proposed here enables a adaptive channel estimation to the unknown to be transmitted Information symbols. First, there is a Channel estimation as usual in the time slot in which the pilot symbol is sent. The estimated channel coefficient is then only as a starting value for the subsequent algorithm used a channel estimate on the unknown Information symbols is carried out. Whenever one Time slot is received in which the pilot symbol is transmitted, finds an update of the start value for the adaptive Channel estimation instead. In this way, the reliability of the Procedure guaranteed. The procedure proposed here is based on the so-called Kalman filters and carries one Channel estimation by prediction by. To theory the Kalman filter exist a variety of Publications in Sorenson, H.W .: Kalman Filtering: Theory and Application, IEEE Press selected reprint series, New York, 1985 are collected.

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

In the channel estimator based on the Kalman filter, the non-frequency-selective mobile radio channel is simulated by a filter and transformed into a linear state space model. In principle, recursive filters are used as Kalman filters, which have a rational N-order Z transfer function:

Dabei ist das Nennerpolynom mit den Koeffizienten a_i, i = 1. . .N, stets um einen Grad größer als das Zählerpolynom mit den Koeffizienten b_i, i = 1. . .N. Wenn sich der nichtfrequenzselektive 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):

x_k+1 = F_kx_k + G_kw_k

f_k = H^T _kx_k

The denominator polynomial with the coefficients a _i , i = 1.. .N, always one degree larger than the counter polynomial with the coefficients b _i , i = 1.. .N. If the non-frequency selective channel can be modeled by a filter with a rational Z transfer function, then its state space model is (a derivation is in Anderson, BDO, Moore, JB: Optimal Filtering, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1979 ) described below:

x _{k + 1} = F _k x _k + G _k w _k

f _k = H ^T _k x _k

Darin sind f_k der zeitvariante Kanalkoeffizient, x_k der Zustandsvektor, F_k die Systemmatrix, H_k ^T die Transponierte der Ausgangsmatrix H_k und G_k der Eingangsvektor. Das Systemrauschen w_k ist als komplexer, weißer, gaußverteilter Rauschprozess angenommen, mit dem man die zeitvarianten Einflüsse des Kanals modelliert. Fig. 4 zeigt das in Symboltakt T abgetastete Zustandsraummodell für den nichtfreguenzselektiven Kanal, dargestellt durch den Index k, gleichbedeutend mit t = kT. Die Matrizen F_k, H_k ^T und G_k lauten in Regelungsnormalform:

F_k hat die Dimension NxN, die Vektoren x_k, G_k und H_k haben die Dimension Nx1. Die Elemente von x_k sind komplexwertig, während F_k, G_k und H_k reell sind. Therein, f _{k is} the time-variant channel coefficient, x _k the state vector, F _k the system matrix, H _k ^T the transpose of the output matrix H _k and G _k the input vector. The system noise w _k is assumed to be a complex, white, Gaussian-distributed noise process with which the time-variant influences of the channel are modeled. Fig. 4 shows the sampled symbol clock in T state space model for the nichtfreguenzselektiven channel represented by the index k, equivalent to t = kT. The matrices F _k , H _k ^T and G _k are in the standard control form:

F _k has the dimension NxN, the vectors x _k , G _k and H _k have the dimension Nx1. The elements of x _k are complex, while F _k , G _k and H _{k are} real.

Da der Kanal nun durch ein lineares Zustandsraummodell gegeben ist, erfolgt die Schätzung des Kanalkoeffizienten ≙_k durch eine Schätzung des Zustandsvektors ≙_k. Fig. 5 zeigt das entsprechende Blockschaltbild des Kanalschätzers, wobei z_k das Empfangssymbol darstellt. Die Gleichungen für den Kanalschätzer lauten:

Since the channel is now given by a linear state space model, the channel coefficient ≙ _k is estimated by an estimate of the state vector ≙ _k . Fig. 5 shows the corresponding block diagram of the channel estimator, where z _{k represents} the receive symbol. The equations for the channel estimator are:

Man sieht, dass der Kanalschätzer im wesentlichen eine Nachbildung des Kanals darstellt. An die Stelle des Eingangsvektors G_k tritt die Kalman-Verstärkung K_k, der für eine schnelle Konvergenz des Schätzalgorithmus sorgt. Als Startwert ≙₀ wird, wie bereits erwähnt, der geschätzte Kanalkoeffizient verwendet, der auf dem übertragenen Pilotsymbol basiert. Die nächsten Schätzwerte ≙_k ergeben sich jeweils aus dem aktuellen Empfangssymbol z_k, der von den unbekannten Informationssymbolen herrührt, und dem jeweils vorhergehenden Schätzwert. It can be seen that the channel estimator essentially represents a replica of the channel. In place of the input vector G _k the Kalman gain K _k, which ensures rapid convergence of the estimation algorithm occurs. As already mentioned, the estimated channel coefficient based on the transmitted pilot symbol is used as the starting value ≙ ₀ . The next estimated values ≙ _k each result from the current reception symbol z _k , which originates from the unknown information symbols, and the respectively previous estimated value.

Der Kanalschätzer auf Basis der Kalman-Filter ist für ein gegebenes 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 adaptiven 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 Kanaleigenschaften (z. B. in einem ländlichen Gebiet mit einer niedrigen Geschwindigkeit des mobilen Empfängers) kann ein Filter niedriger Ordnung (z. B. N = 1,2) verwendet werden, so dass eine zuverlässige Kanalschätzung bei relativ niedriger Komplexität möglich ist. Im Falle schnell veränderlicher Kanaleigenschaften (z. B. in der Stadt mit einer hohen Geschwindigkeit des mobilen Empfängers) hingegen muss ein Filter hoher Ordnung (z. B. N > 7) verwendet werden, so dass eine zuverlässige Kanalschätzung bei hoher Komplexität möglich ist. Andererseits ermöglicht die Kanalschätzung mit Kalman-Filtern eine zuverlässige Kanalschätzung auf die zu übertragenen unbekannten Informationssymbole, so dass insgesamt die Anzahl der zu übertragenen Pilotsymbole in einem Datenburst reduziert werden kann, was wiederum die Datenrate des OFDM-Mobilfunksystems vergrößert. The channel estimator based on the Kalman filter is the optimal linear estimator for a given state space model. According to the MSE criterion, ie the criterion for minimizing the mean power of the error e _k , it delivers a linear, expectant estimate for the channel coefficient with minimal variance compared to all other linear estimation methods. The quality and complexity of this adaptive channel estimator essentially depend on the filters used and on the filter order N, with which the time-variant non-frequency-selective mobile radio channel is simulated. In the case of slowly changing channel characteristics (e.g. in a rural area with a low speed of the mobile receiver) a low order filter (e.g. N = 1.2) can be used, so that a reliable channel estimation with relatively low complexity is possible. In the case of rapidly changing channel properties (e.g. in the city with a high speed of the mobile receiver), however, a filter of high order (e.g. N> 7) must be used so that a reliable channel estimation with high complexity is possible. On the other hand, the channel estimation with Kalman filters enables a reliable channel estimation of the unknown information symbols to be transmitted, so that the total number of pilot symbols to be transmitted in a data burst can be reduced, which in turn increases the data rate of the OFDM mobile radio system.

Im folgenden werden explizit zwei Ausführungsbeispiele vorgestellt. 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. The following are two exemplary embodiments presented. In all exemplary embodiments, an OFDM based mobile radio system. Furthermore, without Limitation of generality one at a time downlink transmission accepted, d. H. the data transfer takes place from a base station towards a mobile station.

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. The one available in the OFDM system Signal bandwidth B divided into M subbands, so that the influence of Frequency selectivity on each subcarrier is kept small.

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 übertragen, wie beispielsweise nach Fig. 3, d. h. nach jeweils 3 Informationssymbolen (IS) der Symbollänge T folgt ein Pilotsymbol (PS). A non-frequency-selective channel is obtained on each subcarrier, ie the channel consists of the direct path. On the other hand, the effects of the time variance increase with decreasing bandwidth, so that a channel estimate is carried out on each subcarrier. For channel estimation, pilot symbols are transmitted in the data burst according to an initially fixed pattern, for example according to FIG. 3, ie a pilot symbol (PS) follows every three information symbols (IS) of symbol length T.

Embodiment 1 Channel estimation based on variable Transfer of pilot symbols

Zu Beginn der Datenverbindung wird die Kanalimpulsantwort jeweils in dem Zeitschlitz geschätzt, in dem das Pilotsymbol gesendet wird. Der geschätzte Kanalkoeffizient wird dann anschliessend zur Detektion der darauffolgenden drei Informationssymbole verwendet. Danach folgt wieder eine neue Kanalschätzung usw. At the start of the data connection, the channel impulse response each estimated in the time slot in which the pilot symbol is sent. The estimated channel coefficient is then then for the detection of the following three Information symbols used. Then a new one follows Channel estimation etc.

Nach einer bestimmten Zeit wird dann die Übertragung der Pilotsymbole adaptiv eingestellt, in Abhängigkeit von den jeweiligen Kanaleigenschaften. Hierzu misst die Mobilstation bei sich 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 1/3 auf S, um wieder eine zuverlässige Datendetektion zu gewährleisten. Andererseits reduziert die Basisstation die Zahl der zu übertragenen Pilotsymbole im Burst, solange die SIR oberhalb der definierten Schwelle bleibt, beispielsweise im Verhältnis von 1/3 auf R. After a certain time the transmission of the Pilot symbols set adaptively, depending on the respective channel properties. To do this, the mobile station measures with the SIR and sends this value as Channel status information via a return channel to the base station. This responds accordingly by reducing the SIR below a certain threshold in the subsequent ones Data transfers in burst sends more pilot symbols again, for example, in a ratio of 1/3 to S to get another to ensure reliable data detection. on the other hand the base station reduces the number of transmissions Pilot symbols in the burst as long as the SIR is above the defined one The threshold remains, for example in a ratio of 1/3 to R.

Embodiment 2 Additional channel estimation based of Kalman filters

Die Mobilstation verfügt über einen Kanalschätzer auf Basis der Kalman-Filter, d. h. es wird ein Filter bestimmter Ordnung verwendet, der eine gute Nachbildung des nichtfrequenzselektiven 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. The mobile station has a channel estimator based the Kalman filter, d. H. it becomes a filter of a certain order used a good replica of the represents non-frequency selective channel. In this way, the base station use a burst in which more resources to transfer of the information symbols are provided. The The pilot symbols are transmitted in this optimized burst for example in a ratio of 1/10.

Zunächst erfolgt eine Kanalschätzung in dem Zeitschlitz, in dem das Pilotsymbol gesendet wird. Der geschätzte Kanalkoeffizient wird als Startwert für den anschließenden Kalman-Filter 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. First, a channel estimation takes place in the time slot, in to which the pilot symbol is sent. The valued Channel coefficient is used as the starting value for the subsequent one Kalman filter uses a channel estimate based on the unknown information symbols is performed. The each current estimate results from the current reception symbol and the previous estimate. Whenever a time slot is received in which the pilot symbol is sent an update of the start value for the adaptive channel estimation instead of.

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 übertragenen Pilotsymbole im Burst, solange die SIR oberhalb der definierten Schwelle bleibt, beispielsweise im Verhältnis von 1/10 auf 1/11 usw. At the same time, the mobile station measures that in itself SIR and sends this value as channel status information a return channel to the base station. This reacts accordingly, by lowering the SIR below a certain threshold in the subsequent data transfers sends more pilot symbols in the burst, for example in Ratio from 1/10 to 1/9 etc. to get a reliable again To ensure data detection. On the other hand, the Base station the number of pilot symbols to be transmitted in the Burst as long as the SIR is above the defined threshold remains, for example in a ratio of 1/10 to 1/11 etc.

Wie bereits angedeutet wurde, kann das oben genannte Verfahren auch im uplink-Richtung durchgeführt werden. Abkürzungen 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 As already indicated, the above-mentioned method can also be carried out in the uplink direction. Abbreviations 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

1. Method for estimating a radio channel characterized by
Measuring a state variable of the radio channel to obtain a state value and
Adapting a number and / or time sequence of pilot symbols that are sent to estimate the radio channel to the state value.

2. The method of claim 1, wherein the state variable Signal-to-interference ratio is.

3. The method according to claim 1 or 2, wherein the number of Pilot symbols in a burst is varied.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the State variable measured in a receiver and one Transmitter for estimation is transmitted.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the Data transmission system is an OFDM system.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the Radio channel is a mobile radio channel and in particular a frequency-selective mobile radio channel.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the Estimates for each subcarrier are made independently.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the Estimate by estimating using recursive Filtering, especially Kalman filtering, is added.

9. Device for estimating a radio channel with
a transmitting device for transmitting pilot symbols in a data signal
marked by
a measuring and / or receiving device for measuring or receiving a state value of a state variable of the radio channel, the number and / or time sequence of the pilot symbols being adaptable to the state value by the transmitting device.

10. The apparatus of claim 9, wherein the state variable is a signal-to-interference ratio.

11. The apparatus of claim 9 or 10, wherein a number of pilot symbols can be varied in one burst.

12. The device according to one of claims 9 to 11, wherein estimating for each of several subcarriers can be carried out independently.

13. Device according to one of claims 9 to 12 furthermore a filter device for recursive Filter as a supplementary estimate, in particular by Kalman filter.

14. Radio transmission system with a device for Estimating a radio channel according to any one of claims 9 to 13, which is especially designed as an OFDM system.

15. A radio transmission system according to claim 14, wherein the Radio channel is a mobile radio channel and in particular a frequency-selective mobile radio channel.

16. Radio transmission system according to claim 14 or 15 with
a receiver in which the state value can be measured, and
a transmitter to which the status value for estimating the radio channel can be transmitted.