DE602005002703T2 - Impulsradiosysteme mit mehreren Impulstypen - Google Patents

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Funkverkehrssysteme und spezieller extrem breitbandige Systeme (UWB).
• 2. Beschreibung des Standes der Technik
• Mit der Veröffentlichung von „First Report and Order" durch die Bundeskommission für das Nachrichtenwesen (FCC) am 14. Februar 2002 hat das Interesse an extrem breitbandigen Systemen (UWB) erheblich zugenommen. UWB Systeme verbreiten Informationen über eine breite Bandbreite von mindestens 500 MHz. Aufgrund dieser Verbreitungswirkung ist die spektrale Leistungsdichte klein. Daher ist die Interferenz zu Empfängern mit schmaler Bandbreite ebenfalls klein.
• Transmitter für extrem breitbandige Transmitted-Reference Systeme (TR-UWB) mit geringen Datenübertragungsraten sind beschrieben von R. Hoctor und H. Tomlinson, „Delay-hopped transmitted-reference RF communications" („Transmitted-Reference Hochfrequenz-Telekommunikation mit Delay Hopping"), Proceedings of the IEEE Conference of Ultra Wideband Systems and Technologies 2002 (Sitzungsberichte der IEEE Konferenz zu extrem breitbandigen Systemen und Technologien 2002 (UWBST '02), S. 265-269, Mai 2002); N. v. Stralen, A. Dentinger, K. Welles II, R. Gaus, R. Hoctor und H. Tomlinson, „Delay hopped transmitted reference experimental results" („Versuchsergebnisse von Transmitted-Reference mit Delay Hopping"), Proceedings of the IEEE Conference of Ultra Wideband Systems and Technologies 2002 (Sitzungsberichte der IEEE Konferenz zu extrem breitbandigen Systemen und Technologien 2002 (UWBST '02), S. 93-98, Mai 2002; F. Tufvesson und A.F. Molisch, „Ultra-wideband communication using hybrid matched filter correlation receivers" („Extrem breitbandige Kommunikation unter Anwendung von Hybridempfängern mit Kammfilter-Korrelation"), Proc. IEEE Vehicular Technology Conference VTC 2004 Spring (Sitzungsberichte der IEEE Konferenz zur Fahrzeugtechnologie (VTC, Frühling 2004), Mailand, Italien, 17.-19. Mai 2004, sowie J.D. Choi und W.E. Stark, „Performance of ultra-wideband communications with suboptimal receivers in multipath channels" („Leistungsverhalten extrem breitbandiger Kommunikation mit suboptimalen Receivern in Mehrwegkanälen", IEEE Journal an Selected Areas in Communications (IEEE Journal für ausgewählte Bereiche der Telekommunikation), Bd. 20, Ausgabe 9, S. 1754-1766, Dezember 2002.
• Diese Systeme mit geringen Datenübertragungsraten lockern die strengen zeitlichen Anforderungen der Impulsfunksysteme (IR), M.Z. Win, R.A. Scholtz, „Impulsfunk: Wie er funktioniert", IEEE Communications Letters (IEEE Kommunikationsschriften), 2(2): S. 36-38, Feb. 1998, und benötigen keine Kanalbewertung. Kanalbewertung ist eine herausfordernde Aufgabe für kohärente UWB Empfänger; Lottici, A. D'Andrea und U. Mengali, „Channel estimation for ultra-wideband communications" („Kanalbewertung für extrem breitbandige Kommunikation"), IEEE Journal an Selected Areas in Communications (IEEE Journal für ausgewählte Bereiche der Telekommunikation), Bd. 20, Ausgabe 9, S. 1638-1645, Dezember 2002.
• Im Stand der Technik sind zwei grundlegende Empfängerschemen bekannt, nämlich Rake-Receiver mit signalangepassten Filtern, siehe Choi et al.; und ein Transmitted-Reference-Schema, das einen Impulskorrelator verwendet, siehe Hoctor et al., „Delayhopped transmitted reference RF communications" („Transmitted- Reference Hochfrequenz-Telekommunikation mit Delay Hopping"), IEEE Conf. an Ultra Wideband Systems and Technologies (IEEE Konferenz zu extrem breitbandigen Systemen und Technologien), S. 265-270, 2002.
• Die Rake-Lösung macht eine Kanalbewertung für das Kombinieren einer ausgewählten Anzahl von Mehrwegkomponenten erforderlich. Weil die Empfängerstruktur ziemlich komplex ist, werden nur die stärksten oder einige der stärksten Mehrwegkomponenten genutzt, um die Entscheidungsvariable zu bilden. Das bedeutet, dass der Empfänger nicht alle Mehrwegkomponenten vollständig analysiert und die Leistungsfähigkeit aufgrund der anhaftenden Kanalbewertung und des Kombinationsproblems geringer als ideal ist. Eine Erhöhung der Anzahl von Rake-Fingern erhöht die Komplexität und Kosten des Systems.
• In Transmitted-Reference-Schemen werden für jedes Datensymbol Paare von übertragenen Impulsen verwendet. Der erste Impuls, der Bezugsimpuls genannt wird, wird durch das Datensymbol nicht moduliert. Der zweite Impuls, der Datenimpuls genannt wird, wird durch das Datensymbol moduliert. Die Bezugs- und Datenimpulse werden durch eine Zeitverzögerung getrennt. Der Receiver gewinnt das Datensymbol durch Multiplizieren von zeitlich zugeordneten Impulsen zurück, was zu einem großen Korrelations-Spitzenwert führt. Die unterschiedlichen Spitzenwerte weisen alle die gleiche Phase auf. Die Phase wird durch den Wert des Datensymbols bestimmt, und deshalb ist es ein Vorteil, dass sie durch einen Integrator summiert werden können. Dieses Schema ist weniger komplex und in der Lage, die Energie von unterschiedlichen Mehrwegkomponenten ohne eine Kanalbewertung zu kombinieren. Leider hat das Ausgangssignal des Vervielfachers aufgrund von nicht linearen Operationen hinsichtlich der Rauschterme ein sehr schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), wenn die Entscheidungsvariable gebildet wird und aufgrund des eigenen Energieverlustes, wenn der Bezugsimpuls übertragen wird. Das ergibt große Noise-Times-Noise-Terme, die über die Zeit integriert werden. Das empfangene Signal kann durch ein signalangepasstes Filter hindurchgeleitet werden, um die Wirkungen der Noise-Times-Noise-Terme zu reduzieren, siehe Tufvesson et al., oder es kann eine Mittelwertbildung durchgeführt werden, siehe Choi et al.. Jedoch weist das Transmitted-Reference-Schema im Vergleich zur idealen Rake-Lösung aufgrund der Rauschprodukte ein schlechteres Betriebsverhalten auf.
• Im Stand der Technik wird für alle zwischen einem vorgegebenen Transmitter und Receiver übertragenen Signale ein Einzelimpulstyp verwendet. Das heißt, alle Bezugsimpulse und alle Datenimpulse sind vom gleichen Typ, z.B. sind alle ein Gaußscher oder alternativ dazu ein Gaußscher Monozyklus. Dadurch, dass man für alle Signale den gleichen Impulstyp hat, ist die Wahrscheinlichkeit von Interframe-Interferenz (IFI) und Vielzugriffs-Interferenz (MAI) erhöht. Deshalb besteht Bedarf an einem UWB System, das IFI und MAI verringert.
• ABRISS DER ERFINDUNG
• Die Erfindung stellt ein Verfahren und System zum Übertragen und Empfangen von Funksignalen in einem extrem breitbandigen Mehrfachimpuls-Kommunikationssystem mit Transmitted-Reference-Impuls bereit. Zum Übertragen eines Datensymbols sendet ein Transmitter mehrfache Bezugsimpulse, wobei jeder von unterschiedlichem Typ ist, und mehrstellige Datenimpulse, die hinsichtlich der Anzahl und der Typen der Anzahl und den Typen der Bezugsimpulse entsprechen. Die Impulse werden entsprechend einer vorgegebenen Struktur gesendet, die von der Anzahl und den Typen der Impulse abhängig ist. Durch Verwendung mehrerer unterschiedlicher Typen von Impulsen wird Interferenz reduziert.
• Anstatt wie im Stand der Technik in jedem Datenblock einen Bezugsimpuls und einen Datenimpuls zu senden, überträgt die Erfindung zuerst einen Satz von N_p unterschiedlichen Bezugsimpulsen in den ersten N_p Datenblöcken. Anschließend wird ein Satz von N_p unterschiedlichen Datenimpulsen in den nächsten N_p Datenblöcken gesendet und so weiter, wobei sich die Sätze von Bezugs- und Datenimpulsen abwechseln.
• Der Receiver verarbeitet das empfangene Signal durch N_p Parallelzweige. Jeder Zweig erfasst Informationen aus den Impulsen eines speziellen Typs, indem für jeden Impulstyp spezifische Schablonensignale verwendet werden. Die Entscheidungsvariablen für die N_p Parallelzweige werden kombiniert, um das ausgegebene Datensymbol des Receivers zu bewerten.
• Das erfindungsgemäße System erleichtert die Verwendung von mehrfachen unterschiedlichen Impulsen zur verbesserten Störunterdrückung. Komplexitätsbeschränkungen, Interferenzeffekte und das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems sind die zu berücksichtigenden Hauptfaktoren beim Auswählen der Anzahl von unterschiedlichen Impulstypen N_p.
• Weil für unterschiedliche Impulstypen unterschiedliche Zweige verwendet werden, ist es jetzt möglich, unterschiedliche Kombinationsschemen wie beispielsweise das Kombinieren oder die Wichtung gleicher Übertragungsfaktoren entsprechend den Impulstypen zu nutzen und die schwierigen Entscheidungen und Majoritätsentscheidungen für Beiträge von unterschiedlichen Impulstypen anzupassen.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden auf Basis der folgenden Figuren ausführlich beschrieben, in denen:
• 1 ist das Blockbild eines erfindungsgemäßen Transmitters;
• 2 ist das Blockbild eines erfindungsgemäßen Receivers;
• 3 ist das Blockbild eines anderen erfindungsgemäßen Receivers; und
• 4 ist das Zeitstaffelungsdiagramm eines Funksignals für ein erfindungsgemäßes extrem breitbandiges System.
• BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
• Signalstruktur
• Ein übertragenes Signal s(t) für ein extrem breitbandiges System (UWB) nach der Erfindung wird ausgedrückt als:

  

  wobei N_f die Anzahl von Impulsen je Informationsbit oder Datensymbol, N_p die Anzahl von unterschiedlichen Impulstypen mit n einem Index für den Impulstyp und i einem Index für das Datensymbol ist. Der Einfachheit der Ausdrücke halber wird angenommen, dass die Anzahl N_f von Impulsen ein geradzahliges Mehrfaches der Anzahl von Datensymbolen ist. Dies ist jedoch nicht erforderlich. Die Variable s_n,i(t) wird ausgedrückt als

  
• In Gleichung (2) ist ω_n(t) der UWB Impuls vom Typ n, T_f das Datenblockintervall und T_c das Chipintervall. Ein Time-Hopping- Code (TH) ist durch c_j bezeichnet, der eine ganze Zahl ist, die Werte der Menge {0, 1, ... N_c – 1} annimmt, wobei N_c die Anzahl von Chips pro Datenblock ist. Dies verhindert verheerende Kollisionen zwischen unterschiedlichen Nutzern.
• Die Zufallspolaritäts, oder der Spreizcode d_j ∈ {–1, +1} ändert die Polaritäten der Impulse, was die spektrale Leistungsdichte des übertragenen Signals glättet; Y.-P. Nakache und A.F. Molisch, „Spectral shape of UWB signals influence of modulation format, multiple access scheme and pulse shape" („Einfluss der spektralen Form von UWB Signalen des Modulationsformates, Mehrfachanschlussschema und Impulsform"), Sitzungsberichte der IEEE Fahrzeugtechnologie-Konferenz, (VTC Frühling 2003), Bd. 4, S. 2510-2514, April 2003, und bewirkt Parameterunempfindlichkeit gegenüber Mehrfachanschlussinterferenz (MAI); E. Fishler und H.V. Poor, „On the tradeoff between two types of processing gain" („Zum Austausch zwischen zwei Verarbeitungsgewinntypen"), Sitzungsberichte der 40. Jährlichen Allerton-Konferenz zur Kommunikation, Steuerung und Rechnen, Monticello, Italien, 2. Oktober 2002.
• Das Informationsbit oder Datensymbol wird bezeichnet durch b ⌊2N_pj/N_f⌋ ∈ {–1, +1} und durch die Datenimpulse ausgeführt. Mit anderen Worten, der zweite Impuls in Gleichung (2) stellt den Datenimpuls dar, während der erste Impuls der Bezugsimpuls ist. T_n legt den Abstand zwischen den Bezugs- und Datenimpulsen für den n.ten Impulstyp fest.
• Es ist eine Anzahl von unterschiedlichen Impulstypen bekannt, z.B. Gaußscher, Gaußscher Monozyklus, Gaußscher Dipol, usw., siehe US-Patent 6 614 384 , „System und Verfahren zum Detektieren eines Eindringlings durch Impulsfunk-Technologie, erteilt an Hall et al., 2. September 2003.
• 4 zeigt beispielhafte Signale 400 nach der Erfindung. Es soll angemerkt werden, dass die Impulse in 4 tatsächlich drei unterschiedliche Formen, wie durch ω₀, ω₁, ω₂ angegeben, aufweisen, siehe US-Patent 6 614 384 für beispielhafte Impulstypen. In 4 sind drei unterschiedliche Bezugsimpulse 401 und drei entsprechende Datenimpulse 402 vorhanden, d.h. N_p = 3.
• Für das Signal, wie es gezeigt ist, beträgt die Anzahl von Datenblöcken 403 (N_f) zwölf, d.h. die Folge von sechs Impulsen 401-402 wird zweimal wiederholt. 4 zeigt nur die ersten acht von zwölf Datenblöcken. Die Anzahl von Chips (N_c) 404 in jedem Datenblock beträgt acht, und T_n = ΔT_c für n = 1, 2, 3 mit Δ = 12. Die Time-Hopping-Folge ist {5, 4, 2, 1, 2, 0}. Der Einfachheit halber sind keine Polaritätscodes dargestellt, d.h. d_j = 1 ∀j. In dem Beispiel ist das Datensymbol ,–1', und der erste, zweite, dritte, siebente, achte und neunte Impuls sind die Bezugsimpulse, während die übrig bleibenden Impulse die Datenimpulse sind.
• Die Signale 411-413 sind Schablonenimpulse, die in einem erfindungsgemäßen Receiver verwendet werden, siehe 2 und 3 unten.
• Transmitterstruktur
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Transmitter 100. Eine Datenquelle 101 erzeugt Datensymbole. Mehrfachkopien 102-109 der Datensymbole sind von der Steuerungslogik 110 und dem Impulsgenerator 120 abhängig. Es gibt eine Kopie für jeden Impulstyp

  

  Vor der Verstärkung 140, 150 und einer Übertragung über die Antenne 160 wird ein Polaritätscode 130 auf die Impulsfolgen angewandt.
• Receiverstruktur
• In einem Receiver 200 gemäß 2 ist ein dem oben erwähnten, übertragenen Signal entsprechendes empfangenes Signal 201 in einer Einzelbenutzer-Mehrwegumgebung:

  

  wobei α_l und τ_l jeweils ein Schwundkoeffizient und ein Delay des l.ten Pfades und n(t) ein weißer Gaußscher Prozess mit Null-Mittel und Einheitsspektraldichte ist.
• Der Receiver 200 umfasst eine Gruppe von signalangepassten Filtern 210, eines für jeden Zweig. Die Anzahl der Zweige entspricht der Anzahl von Impulstypen. Jedes Filter nutzt eines der entsprechenden Schablonensignale s_temp(–t) 411-413. Jedes Filter ist mit einem entsprechenden Delay 220 und Vervielfacher 230 verbunden. Ein Integrator 250 wird genutzt, um einen vorzeichenbehafteten 260 Schätzwert 209 des ausgegebenen Symbols zu bestimmen.
• Weil verschiedene Zweige für unterschiedliche Impulstypen verwendet werden, ist es jetzt möglich, unterschiedliche Kombinationsschemen zu nutzen, wie beispielsweise das Kombinieren oder die Wichtung gleicher Übertragungsfaktoren entsprechend den Impulstypen, und die schwierigen Entscheidungen und Majoritätsentscheidungen für Beiträge von unterschiedlichen Impulstypen anzupassen.
• Das empfangene Signal 201 wird zuerst durch die signalangepassten abgestimmten Filter 210 geführt. Jedes Filter wird auf eine unterschiedliche Impulsform abgestimmt, wie es durch das entsprechende Schablonensignal festgelegt ist. Das Schablonensignal für das n^te Filter ist:

  

  wobei das O. Bit ohne Verlust der Allgemeingültigkeit betrachtet wird.
• Der Ausgang 211 des Filters am n.ten Zweig ist yn(t) = ∫ r(τ)stemp, n (τ – t)dτ (5)
• Anschließend wird der Ausgang des n.ten Filters mit einer verzögerten Version 212 multipliziert 230, und alle der Entscheidungsvariablen

  

  werden kombiniert 240. Wenn für alle n T_n = N_pT_f ist, können wir die Summe der Entscheidungsvariablen ausdrücken als:

  
• Hieraus können wir nur eine einzelne integrale Operation 250 nutzen. In Gleichung (6) ist Q eine ganze Zahl, die das Integrationsintervall festlegt. Schließlich bewerten 250 wir das vorzeichenbehaftete 260 Informationsbit oder übertragene Datensymbol 209 als

  

  wobei die Beiträge von unterschiedlichen Zweigen genauso gut in Abhängigkeit von einigen Faktoren, wie beispielsweise der Impulsform, gewichtet werden können.
• Alternativ dazu kann, wie in 3 gezeigt ist, in jedem Zweig eine Entscheidungsvariable bestimmt 310 werden, indem

  

  verwendet wird; und eine Majoritätsregel, Mittelwertbildung oder irgendein anderer Entscheidungsprozess 320 können genutzt werden, um das Datensymbol 209 zu bewerten.
• Als Vorteil bewirkt das erfindungsgemäße System Beständigkeit gegenüber Vielzugriffs-Interferenz und Interframe-Interferenz, weil unterschiedliche Impulsformen mit guten Kreuzkorrelationseigenschaften genutzt werden können.
• In Abhängigkeit von der Wirksamkeit der Rauschkomponenten und der Komplexitätsbegrenzungen kann ein optimales N_p für das System ausgewählt werden.
• Obwohl die Erfindung durch Beispiele bevorzugter Ausführungen beschrieben worden ist, soll verständlich werden, dass verschiedene andere Anpassungen und Modifizierungen innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, vorgenommen werden können.

Claims (5)

1. Verfahren zum Signalisieren in einem Kommunikationssystem mit ultrabreiter Bandbreite, welches aufweist: Erzeugen eines Datensymbols; Übertragen eines Satzes von Bezugsimpulsen für das Datensymbol, wobei jeder Bezugsimpuls von einem verschiedenen Typ ist; und Übertragen eines Datenimpulses für jeden Bezugsimpuls, wobei ein Typ jedes Datenimpulses identisch mit dem Typ des entsprechenden Bezugsimpulses ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jeder Satz von Bezugsimpulsen und entsprechenden Datenimpulsen mehrere Male übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Impulstypen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Gaußschem, Gaußschem Monozyklus, einer ersten Ableitung des Gaußschen Monozyklus, einer zweiten Ableitung des Gaußschen Monozyklus, einer dritten Ableitung des Gaußschen Monozyklus, und einem Gaußschen Dublet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Empfangen des Satzes von Bezugsimpulsen und des Satzes von Datenimpulsen; Filtern jedes Bezugsimpulses gemäß der Anpassung an einen Schablonenimpuls; Multiplizieren jedes empfangenen Datenimpulses mit einer verzögerten Version des empfangenen Datenimpulses, um das Datensymbol wieder herzustellen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein empfangener Datenimpuls gemäß dem Impulstyp gewichtet wird.