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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Generierung einer Frequency
Hopping Frequenzfolge gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
solches Verfahren wird in der
DE 102 00 006 A1 vorgeschlagen. Das vorgeschlagene
Verfahren zur Zuweisung von Frequenzen in einer Frequenzsprung-Streuspektrum-Kommunikationsverbindung, über die
Daten von einem ersten Sendeempfänger
zu einem zweiten Sendeempfänger übertragen
werden, umfasst die Schritte:
- – Wählen einer
Sprungsequenz, die in jedem des ersten und es zweiten Sendeempfängers gespeichert wird
und aus einer Mehrzahl von Frequenzkanälen besteht, über die
der erste und der zweite Sendeempfänger kommunizieren;
- – Identifizieren
eines Frequenzkanals in der Sprungfrequenz als nicht zufriedenstellend;
- – Durchführen einer
Frequenzkanalsubstitution durch Ersetzen der nicht zufriedenstellenden
Frequenz durch eine alternative Frequenz in der Sprungfrequenz des
zweiten Sendeempfängers;
- – Senden
eines nicht betätigten
Substitutionsbefehls ein erstes Mal durch den zweiten Sendeempfänger, der
anfordert, dass der erste Sendeempfänger die Frequenzkanalsubstitution
in seiner Sprungsequenz durchführt;
- – Senden
des nicht bestätigten
Substitutionsbefehls ein zweites Mal durch den zweiten Sendeempfänger, der
anfordert, dass der erste Sendeempfänger die Frequenzkanalsubstitution
in seiner Sprungsequenz durchführt.
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Dabei
besteht der Schritt des Wählens
einer Sprungsequenz des Weiteren aus den Unterschritten:
- – Teilen
der Mehrzahl von Frequenzkanälen
in wenigstens einen ersten Subsatz von Kanälen und einen zweiten Subsatz
von Kanälen,
wobei jeder der Kanäle
in dem ersten Subsatz eine höhere
Frequenz als jeder der Kanäle
in dem zweiten Subsatz aufweist;
- – Permutieren
der Kanäle
innerhalb des ersten Subsatzes in einer Pseudozufallsweise;
- – Permutieren
der Kanäle
innerhalb des zweiten Subsatzes in einer Pseudozufallsweise;
- – Wählen einer
Sprungsequenz, die aus Kanälen
aus dem ersten Subsatz und dem zweiten Subsatz besteht, dass zwei
Kanäle
aus einem gegebenen Subsatz nicht benachbart zueinander in der Sequenz
liegen.
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Frequency
Hopping FH ist ein bekanntes Verfahren auf dem Gebiet der drahtlosen
Kommunikation, um frequenz-selektivem Fading und Interferenzen entgegenzuwirken.
Die Übertragungsfrequenz
(Trägerfrequenz)
springt dabei über
einem weiten Frequenzband gemäß einer
festgelegten Sprung-Frequenzfolge, welche sowohl dem Sender als
auch dem Empfänger
bekannt ist. Für Übertragungskanäle mit frequenzabhängigen Übertragungsbedingungen
und relativ hohen Fehlerraten kann mittels Frequency Hopping sichergestellt werden,
daß eine Übertragung
mit ausreichender Qualität
und ausreichend niedriger Fehlerrate erfolgt. In Verbindung mit
Fehlerüberwachungsverfahren – wie beispielsweise
FEC (Forward Error Correction) oder ARQ (Automatic Repeat Request) – ist vielfach
mittels eines Frequency Hopping Systems eine zuverlässige Kommunikation
erzielbar.
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Die
Grundlagen des Frequency Hopping sind beispielsweise aus J. G. Proakis,
Digital Communications, McGraw Hill, 1983, Section 8.3, pp. 580–587 bekannt.
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Des
Weiteren wird auf das Fachbuch K. Dostert, Powerline Kommunikation,
Francis Verlag GmbH Poing, 2000, Seiten 116–123 hingewiesen.
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Bei
standardisierter drahtloser Kommunikation mit Frequency Hopping
sind die Frequency Hopping Frequenzfolgen vielfach als Pseudo-Zufallsfolgen
festgelegt. Dabei ist es möglich,
periodische Frequency Hopping Sprung-Frequenzfolgen derartig festzulegen,
daß die
Frequenzfolgen nur geringe Korrelation aufweisen, was insbesondere
dann von großer
Wichtigkeit ist, wenn Frequency Hopping für Vielfachzugriff eingesetzt wird.
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Eine
Frequency Hopping Frequenzfolge kann durch eine n-äre ganzzahlige
Folge X(·)
repräsentiert werden.
Eine n-äre
Darstellung ist dabei allgemein eine Darstellung auf der Basis von
1, 2, 3..., n Zeichen bzw. Zahlen. Der Taktimpuls des Frequency
Hopping Taktgebers liest jeweils die ganzzahlige Komponente der
Folge mit Index i X(i) ∊ [0...n – 1]aus,
welche dann bei Bildung der aktuellen Übertragungsfrequenz f(i) =
f0 + X(i)·BH verwendet
wird, wobei f0 die vorgegebene Basisfrequenz
und BH die vorgegebene Frequenzsprung-Bandbreite
darstellen. Mit geeigneter Auswahl der Anzahl an Gliedern überspannt
die Frequency Hopping Frequenzfolge über ihre Periode das gesamte
zugewiesene Frequenzband, d. h. alle Frequenzen dieses Frequenzbandes
werden – stets
unter Beachtung der Frequenzsprung-Bandbreite – verwendet.
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Es
wird hierzu auf A. A. Shaar and P. A. Davies, ”A survey of one-coincidence
sequences for fequency-hopped spread spectrum systems”, IEE Proceedings,
Vol. 131, Pt. F, No. 7, December 1984, pp. 719–724 hingewiesen.
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Die
bekannten periodischen Frequency Hopping Sprung-Frequenzfolgen berücksichtigen
nicht den Frequenzabstand zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden
Frequenzsprüngen.
Infolgedessen haben aufeinanderfolgende Übertragungen oftmals hohe Fehlerraten,
insbesondere wenn unmittelbar aufeinanderfolgende Frequenzsprünge bei ähnlichen
Frequenzen erfolgen, so in denjenigen Fällen, bei denen die Kohärenz- Bandbreite des durch
Fading beeinflußten Übertragungskanals
groß ist
oder bei denen ein Interferenzsignal mit großer Bandbreite – verglichen
mit der Frequenzsprung-Bandbreite
BH des Frequency Hopping Systems – auftritt.
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Ein
solches Auftreten von Fehlern während
der aufeinanderfolgenden Übertragung
kann nicht in zufriedenstellender Art und Weise durch Fehlerüberwachungsverfahren
korrigiert werden, wenn hohe Anforderungen bezüglich der tolerierbaren Gesamtübertragungsverzögerung bestehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Generierung
einer optimierten Frequency Hopping Frequenzfolge in drahtlosen,
bidirektionalen Kommunikationssystemen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß ein
Verfahren zur Erzeugung einer Frequency Hopping Frequenzfolge vorgeschlagen
wird, bei dem unmittelbar aufeinanderfolgende Frequenzsprünge hinsichtlich
ihrer Frequenz vorteilhaft einen weiten Abstand aufweisen, wobei
Uplink und Downlink das gleiche Gesamt-Frequenzband benutzen können.
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Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich. Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand des in der einzigen Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Die
Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind dabei wie folgt:
- 1. Das verfügbare Gesamt-Frequenzband
wird in eine Anzahl nB nicht überlappende
Teil-Frequenzbänder aufgeteilt,
so daß diese
nB Teil-Frequenzbänder zusammen das zur Verfügung stehende
Gesamt-Frequenzband vollständig
abdecken, wobei jedes Teil-Frequenzband eine Anzahl nI unterschiedliche
Sprungfrequenzen enthält.
Die Bandbreite eines Teil-Frequenzbandes BS = nI·BH muß größer sein
als die Bandbreite von auftretendem Fading oder von auftretenden
Interferenzen. Eine ganzzahlige Folge W(·) wird benutzt, um ein bestimmtes
Teil-Frequenzband
bei jeder Zeitmarke n des Frequency Hopping Taktgebers auszuwählen, wobei
für die
ganzzahligen Komponenten W(j) der Folge W(·) mit Index j gilt: W(j) ∊ [0...nB – 1].
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Bei
ausgewähltem
Teil-Frequenzband bestimmt eine eigene ganzzahlige Folge X(·) die
Sprungfrequenzen innerhalb dieses Teil-Frequenzbandes, wobei für die ganzzahligen
Komponenten X(i) der Folge X(·) mit
i Gliedern gilt: X(i) ∊ [0...nI – 1].
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Die
aktuelle Übertragungsfrequenz
f beträgt
dann f = f0 + W·BS + X·BH.
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Da
sich W zu jeder Zeitmarke des Frequency Hopping Taktgebers ändert, erzeugt
dieses vorgeschlagene Frequency Hopping Verfahren wie gewünscht Frequenzfolgen
mit aufeinanderfolgenden Frequenzsprüngen, deren Frequenzabstand
zwangsläufig
zumindest der Bandbreite BS eines Teil-Frequenzbandes
entspricht.
- 2. Eine spezielle und bevorzugte
Art der Erzeugung derartiger Frequency Hopping Frequenzfolgen mit
geringer Kreuzkorrelation beginnt mit der Auswahl aus zwei separaten
Gruppen von periodischen Folgen W und X W = {W1(j), ...WK(j)} (erste
Gruppe) und X = {X1(i),
...XI(i)} (zweite Gruppe),wobei geringe
Kreuzkorrelation bei den Folgen innerhalb einer jeden Gruppe auftritt.
K entspricht dabei der Anzahl der nicht überlappenden Teil-Frequenzbänder und
I der Anzahl der Sprungfrequenzen eines Teil-Frequenzbandes, d.
h. es gibt prinzipiell K unterschiedliche Folgen W und I unterschiedliche
Folgen X mit guten Korrelationseigenschaften. Somit sind bei Kombination
beider ausgewählten
Folgen K·I
unterschiedliche Kombinationen und damit Folgen realisierbar. Die
Auswahl einer Folge aus den Gruppen erfolgt durch Vorgabe von co und ci, wobei co eine ausgewählte Zahl zwischen 1 und K
sowie ci eine ausgewählte Zahl zwischen 1 und I
ist. Die ausgewählten
Folgen werden dann entsprechend f = f0 + Wco(j)·BS + Xci(i)·BH,miteinander kombiniert, um Frequenzfolgen
zu erzeugen, welche ebenfalls wie gewünscht niedrige Kreuzkorrelation
haben. Wco(j) und Xci(i)
repräsentieren
somit die ausgewählten,
geeigneten Folgen zur Generierung der Übertragungsfrequenzen.
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Insbesondere
können
die Maßnahmen
gemäß dem Dokument
A. A. Shaar and P. A. Davies, ”A
survey of one-coincidence sequences for frequency-hopped spread
spectrum systems”,
IEE Proceedings, Vol. 131, Pt. F, No. 7, December 1984, pp. 719–726 angewandt
werden, um periodische Folgen W und X mit niedriger Korrelation
zu erhalten. Falls diese Folgen W bzw. X eine Periode pW(≈ nB) bzw. pX(≈ nI) entsprechend diesem Dokument aufweisen,
dann sollten die Zeitmarken n des Taktgebers des Frequency Hopping
Systems entsprechend j = nmodpW und i = nmodpX eingeteilt
werden, um Wco(j) und Xci(i)
auszuwählen.
Die resultierenden Folgen haben eine Periode pW·pX (Anmerkung: Mittels a mod b wird der Divisionsrest
bei ganzzahliger Division ermittelt, beispielsweise 0 mod 4 = 0,
1 mod 4 = 1, 2 mod 4 = 2, 3 mod 4 = 3, 4 mod 4 = 0, 5 mod 4 = 1, 6 mod
4 = 2...)
- 3. Bei bidirektionalen Übertragungen – beispielsweise
für Uplink
UL und Downlink DL eines zellulären
drahtlosen Frequency Hopping Kommunikations Systems – kann das
erfindungsgemäße Verfahren
auf ein Frequency Division Duplex (FDD) System mit Frequency Hopping
ausgedehnt werden, wobei Uplink UL und Downlink DL vorteilhaft das
gleiche Gesamt-Frequenzband benutzen können und dennoch in jedem Augenblick
ein großer
Frequenzabstand zwischen einer Uplink-Übertragung und einer Downlink-Übertragung sichergestellt
ist. Ein derart großer
Duplex-Abstand ist bei Funkübertragungen
wünschenswert.
Mit anderen Worten: Es ist zur Implementierung eines Duplex Frequency
Hopping Systems vorteilhaft nicht erforderlich, unterschiedliche,
nichtüberlappende
Frequenzbänder
vorzugeben. Dies wird erreicht, indem folgende Zuteilungen erfolgen: Übertragungsfrequenz
bei Downlink: fDL = f0 +
Wco(j)·BS + Xci(i)·BH Übertragungsfrequenz bei Uplink:
fUL = f0 + ((Wco(j) + nI/2)modnB)·BS + Xci(i)·BH.
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Diese
Modifikation nutzt die gleichen Frequenzen und stellt sicher, daß zwischen
den in der Downlink-Richtung und den in der Uplink-Richtung benutzten
Frequenzen fDL, fUL in
jedem Augenblick ein zumindest durch ein Teil-Frequenzband repräsentierter
Frequenzabstand besteht.
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Insgesamt
stellt das vorgeschlagene Verfahren sicher, daß zwischen aufeinanderfolgenden
Frequenzsprüngen
einer Gruppe einer Frequency Hopping Frequenzfolge ein großer Frequenzabstand
und niedrige Korrelation besteht. Bei zusätzlicher Kombination mit Fehlerüberwachungsverfahren,
wie FEC (Forward Error Correation) und/oder ARQ (Automatic Repeat
Request) gewährleistet
das vorgeschlagene Verfahren eine zuverlässige, verzögerungsarme Datenübertragung
(mit geringer Gesamtübertragungsverzögerung).
Darüber hinaus
kann das vorgeschlagene Verfahren in einfacher Art und Weise herangezogen
werden, um ein Schema für
ein Frequency Division Duplex (FDD) System mit Frequency Hopping
in einem gemeinsamen Frequenzband zu realisieren.
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Das
vorgeschlagene Verfahren ist sowohl beim „Langsamen (Slow) Frequency
Hopping” als
auch beim „Schnellen
(Fast) Frequency Hopping” anwendbar,
bei dem ein Wechsel der Zeitmarken bei jedem TDMA-Datenübertragungsblock
bei einem TDMA System (Time Division Multiple Access), bei jedem
Symbol bzw. bei jedem Chip auftritt.
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In
der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel
für ein
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
betriebenes bidirektionales Frequency Hopping System im 2,4 GHz
Frequenzband dargestellt. Es sind Zeitmarken n des Taktgebers im
Bereich 0...67 sowie die zugeordneten Übertragungsfrequenzen f(n)
im Bereich 2400...2480 MHz gezeigt. Für das Ausführungsbeispiel gilt:
- – nB = 4, d. h. vier Teil-Frequenzbänder, Periode
pW = 4,
- – nI = 17, d. h. 17 Übertragungsfrequenzen pro Teil-Frequenzband,
Periode pX = 17,
- – f0 = 2404 MHz,
- – Frequenzsprung-Bandbreite
BH = 1 MHz,
- – Bandbreite
eines Teil-Frequenzbandes BS = 20 MHz,
- – Die
Folge Wco ist willkürlich (als eine von vier Möglichkeiten)
gewählt
zu:
3 2 1 0
- – Die
Folge Xci ist willkürlich (als eine von 17 Möglichkeiten)
gewählt
zu:
0 12 7 2 14 9 4 16 11 6 1 13 8 3 15 10 5
- – Die
kombinierten Folgen für
fDL(Downlink) und fUL(Uplink)
haben jeweils eine Periode pW·pX = 68
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Wie
in der Figur zu erkennen ist, decken die vier Teil-Frequenzbänder folgende
Frequenzbereiche ab:
- • das erste Teil-Frequenzband
den Bereich von 2404 MHz bis 2420 MHz,
- • das
zweite Teil-Frequenzband den Bereich von 2424 MHz bis 2440 MHz,
- • das
dritte Teil-Frequenzband den Bereich von 2444 MHz bis 2460 MHz,
- • das
vierte Teil-Frequenzband den Bereich von 2464 MHz bis 2480 MHz.
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In
der Figur sind die bei Downlink DL stattfindenden Frequenzsprünge mit
Vollkreis und durchgezogenem Linienzug dargestellt, während die
bei Uplink stattfindenden Frequenzsprünge mittels Kreisring und gestricheltem
Linienzug gezeigt sind. Für
die bei Downlink stattfindenden Frequenzsprünge gelten die Zusammenhänge gemäß der nachfolgenden
Tabelle (der Beginn einer Periode der Folgen W
co und
X
ci ist jeweils gekennzeichnet):
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Beispiel:
Für die
Zeitmarke n = 41 ergibt sich gemäß der vorstehend
angegebenen Beziehung fDL =
f0 + Wco(j)·BS + Xci(i)·BH → fDL = 2404 + 3·20 + 4·1 = 2468 MHz.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann vorteilhaft in Kombination mit einem Fehlerüberwachungsverfahren – wie FEC
(Forward Error Correction) und/oder ARQ (Automatic Repeat Request) – verwendet
werden, wobei die in diesen Fehlerüberwachungsverfahren verwendeten
Signalwiederholungen bzw. Redundanzen in aufeinanderfolgenden Sprungfrequenzen
und somit (durch das erfindungsgemäße Verfahren bedingt) in verschiedenen
der nicht überlappenden
Teil-Frequenzbänder
erfolgen, so daß innerhalb
aufeinanderfolgender Übertragungen
mit großer
Wahrscheinlichkeit einzelne Übertragungen
ungestört
erfolgen. In Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den bekannten
Verfahren FEC oder ARQ resultiert somit eine sichere Übertragung
von Daten mit gewünscht
kleiner Verzögerung.
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Bezugszeichenliste:
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- BH
- Frequenzsprung-Bandbreite
- BS
- Bandbreite eines Teil-Frequenzbandes
- c0
- ausgewählte Zahl
zwischen 1 und K
- ci
- ausgewählte Zahl
zwischen 1 und I
- DL
- Downlink
- f0
- Basisfrequenz
- f, f(i)
- aktuelle Übertragungsfrequenz
- fDL
- Übertragungsfrequenz bei Downlink
- fUL
- Übertragungsfrequenz bei Uplink
- FH
- Frequency Hopping
- i
- Index in der Folge
X
- I
- Anzahl der Sprungfrequenzen
eines Teil-Frequenzbandes
- j
- Index in der Folge
W
- K
- Anzahl der voneinander
getrennten Teil-Frequenzbänder
- n
- Zeitmarke des Taktgebers
- nB
- Anzahl der voneinander
getrennten Teil-Frequenzbänder
- nI
- Anzahl der Sprungfrequenzen
eines Teil-Frequenzbandes
- pW
- Periode der Folge
W
- pX
- Periode der Folge
X
- UL
- Uplink
- W(·)
- ganzzahlige Folge
- W(j) ∊ [0...nB – 1]
- ganzzahlige Komponenten
der Folge
- W = {W1(j),
...WK(j)}
- Gruppe von periodischen
Folgen
- Wco(j)
- Folge
- Xci(i)
- Folge
- X(i) ∊ [0...n1 – 1]
- ganzzahlige Komponenten
der Folge
- X(·)
- n-äre ganzzahlige Folge
- X = {X1(i),
...XI(i)}
- Gruppe von periodischen
Folgen