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Dokumentenidentifikation DE102005006442A1 24.08.2006
Titel Vorrichtung und Methode zur Detektion von Präambeln nach dem IEEE 802.11b Wireless LAN Standard
Anmelder NewLogic Technologies AG, Lustenau, AT
Erfinder Chiodini, Alain, Cagnes sur Mer, FR
Vertreter Riebling, P., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 88131 Lindau
DE-Anmeldedatum 12.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005006442
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse H04L 25/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04L 25/40(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H04L 7/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H04L 7/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet drahtloser Kommunikationssysteme und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Kurzpräambel innerhalb des Rahmens des 802.11b-Standards. Die vorliegende Erfindung kann in einfacher Weise sowohl in den Hochfrequenzteil (bevorzugte Ausführungsform) als auch in den Basisteil (allgemeiner Fall) eines WLAN-Empfängers implementiert werden, um eine Kurzpräambeldetektion zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung verwenden ein paar Kreuzkorrelatoren von niedriger Komplexität, welche jeweils durch ein überabgetastetes I- & Q-Signal gespeist werden, um die Anwesenheit einer Kurzpräambel zu detektieren. Eine Entscheidung über die Anwesenheit einer Kurzpräambel wird durch den Vergleich eines Gütefaktors realisiert, welcher durch die Addition der Größenordnungen der Spitzenwerte errechnet wird, welche sich jeweils aus beiden I/Q-Kreuzkorrelatoren ergeben, mit einer vorgegebenen Schwelle. Die vorgeschlagene Entwicklung offenbart einen signifikanten Vorteil gegenüber konventionellen Ansätzen in Bezug auf die benötigte Anzahl von Gattern und die Stromaufnahme.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet drahtloser Kommunikationssysteme und insbesondere auf eine Vorrichtung und eine Methode zur Detektion von Präambeln nach dem IEEE 802.11b Wireless LAN Standard.

Hintergrund der Erfindung

Ein 802.11 Wireless LAN Empfänger muss eingehende Signale detektieren und erkennen, wenn er auf dem Medium empfangsbereit ist. Nachdem die 802.11 Wireless LAN (WLAN) Fähigkeiten eine Grundlagentechnologie in Anwendungen der Unterhaltungselektronikproduktion geworden ist, müssen sich die Entwickler mit unterschiedlichen, sich verändernden Anforderungen an die Stromaufnahme beschäftigen.

Weil WLAN Einrichtungen in der meisten Zeit im „Leerlauf" („idle") Modus betrieben werden, ist die Leistungsaufnahme für eine WLAN Einrichtung im „Horchmodus" („Listening") für den WLAN Empfänger ein kritischer Parameter. Deshalb müssen Entwickler beim Entwurf der Präambeldetektionstechniken zum Bau einer 802.11-fähigen Architektur besondere Sorgfalt walten lassen.

In 802.11b-tauglichen WLAN Vorrichtungen wird ein Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) eingesetzt. Die DSSS Präambel ist eine Folge von Barker 11 Sequenzen, welche mit einer Chip Rate von 11 MHz ausgesendet werden. Jede Folge wird durch die Ausgabe einer Pseudozufallsfolge moduliert (,welche z. B. entsprechend einem vom Ausgangssignal festgelegt Verlauf ausgesendet wird oder einem dazu invertierten Verlauf). Diese Beschreibung bezieht sich auf den Zeitbereich. Die Präambel hat eine Fundamentalperiode von 1 &mgr;s. Die WLAN Vorrichtung sendet die Präambel entsprechend dem Datenmode der darauf folgenden Daten aus. Die herkömmlichen 802.11b Datenmodi (1, 2, 5.5 und 11 Mbit/s) werden alle durch eine DSSS Präambel eingeleitet. In der Absicht den höchstmöglichen Durchsatz zu erreichen, muss die Vorrichtung, welche diese Aussendung empfängt die Präambel innerhalb von 15 &mgr;s nach deren Eintreffzeit erkennen. Die Erkennung der Präambeldetektion muss der Mediumszugriffssteuerung (medium access control) (MAC) mitgeteilt werden, um zu erreichen, dass jede geplante Aussendung solange verzögert wird, bis das Medium frei ist. Der Zustand des Mediums wird durch den clear channel assessment (CCA) Indikator angezeigt. Auf diese Art minimiert das 802.11 Protokoll die Kollisionen auf die Luftschnittstelle.

Die nahe liegendste Anwendung der Präambel ist jene, anzuzeigen, dass ein WLAN Paket ausgesendet werden wird. Tatsache ist, dass die Detektion der Präambel eine Voraussetzung zum Empfang des Paketes ist. Wenn ein Paket verpasst wird, wird die Leistungsfähigkeit des Netzwerks darunter leiden. Diese Tatsache soll den Algorithmusentwickler dazu veranlassen, eine Paketdetektion immer dann zu deklarieren, wenn die Möglichkeit dazu besteht, dass eine Präambel vorhanden ist.

Jedoch wird auch die fälschliche Deklaration der Paketdetektion die Netzwerksleistungsfähigkeit negativ beeinflussen, weil dieses jede anstehende Aussendung unnötigerweise verzögert wird. Eine weitere Folge der Fehldeklaration der Paketdetektion ist die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass eine zusätzliche Signalverarbeitung aufgerufen wird, welches wiederum zu einem höheren Stromverbrauch führt. Dieses beinhaltet weiterhin das Risiko, dass ein gültiges Paket während der Verarbeitung verloren geht. Weil die 802.11 WLAN Vorrichtungen in dem gleichen Frequenzbereich arbeiten, wie andere Technologien wie z. B. Mikrowellenherde, Bluetooth, drahtlose Telefone, gibt es eine große Anzahl fremder Signale, welche zu unterdrücken sind. Störende Signale können dazu führen, dass der Detektionsalgorithmus fälschlicherweise die Detektion einer WLAN-Präambel anzeigt.

Das einfachste Vorgehen zur Erkennung irgendeines Signals, bei gleichzeitiger Minimierung des Signalverarbeitungsaufwand besteht darin, den Anstieg der Umgebungsenergie des Umfeldes zu messen. Ein Energiedetektor kann im analogen oder im digitalen Teil implementiert werden. Dabei wird eine Schwelle gesetzt und die digitale Verarbeitung wird dann aktiviert, wenn die Energie oberhalb einer festgelegten Schwelle liegt. Wenn eine Anzahl von anderen Signalen vorliegt oder eine hohe Sensitivität gewünscht wird, wird die stromverbrauchende, digitale Signalverarbeitung zu häufig aktiviert. Um dieses zu vermeiden, werden einige Signaleigenschaften ausgenutzt. Eine DSSS Präambel kann durch eine einfache angepasste Filterarchitektur sicher detektiert werden. Das Problem dieser Architektur ist die niedrige Ansprechgeschwindigkeit. Während dieses das Verfahren der Wahl für das Design einer 802.11 oder 802.11b WLAN-Vorrichtung war, dann muss nach den neuen Anforderungen für das Detektieren, eine Präambel innerhalb von 4 &mgr;s oder lediglich 4 DSSS Präambelperioden erkannt werden, was die Berechtigung der Implementation schwierig gestaltet.

Eine bessere Methode ist es, die Eigenschaft der Periodizität der Präambel auszunutzen. Zur Ausnutzung der Periodizität der Präambeln kann eine Autokorrelationskonstruktion eingesetzt werden. Weil die DSSS Präambel eine wohl definierte Periode hat, ist es möglich eine Konstruktion zu entwerfen, welche nach den beiden Perioden Ausschau hält. Ein Vergleich von empfangenen Abtastwerten in Zeitbereich mit solchen, welche 1 &mgr;s zuvor empfangen worden sind, wird nur beim Empfang einer Präambel zu einer Übereinstimmung führen. Um die Zuverlässigkeit der Detektion zu steigern können mehrere Präambelperioden in Betracht gezogen werden. Die Präambeldetektion wird normalerweise innerhalb des Basisbandteils des WLAN-Empfängers durch Kreuzkorrelation eines hoch auflösenden, quantisierten Signals mit einer vorher gespeicherten, idealen Folge realisiert, wobei eine Entscheidungsvariable mit einer gegebenen Schwelle verglichen wird.

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzustellen, welches die schnelle und zuverlässige Detektion von Präambeln nach dem 802.11b Standard ermöglicht, bei gleichzeitiger Reduktion der Stromaufnahme eines zugehörigen WLAN Empfängers.

Dieses Merkmal wird durch die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Detektion von Präambeln nach dem 802.11b Standard erreicht, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben sind.

Andere Eigenschaften, welche diese Erfindung weiterhin charakterisieren, sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine neuartige Vorrichtung und Verfahren zur Kurzpräambeldetektion innerhalb des Rahmens des IEEE 802.11b Standards. Die vorliegende Erfindung kann sowohl im Hochfrequenzteil (bevorzugte Ausführungsform) als auch im Basisbandteil (genereller Fall) eines Wireless LAN Empfängers einfach implementiert werden, um eine Kurzpräambeldetektion vorzusehen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt einen Kreuzkorrelator geringer Komplexität ein, welcher mit einem überabgetasteten Signal gespeist wird, um die Präsenz von Kurzpräambel zu detektieren. Eine Entscheidung über das Vorhandensein einer Kurzpräambel wird durch den Vergleich der Stärke der Ausgangssequenz des Kreuzkorrelator mit einer voreingestellten Schwelle erzielt. Die vorgeschlagene Erfindung bietet einen signifikanten Vorteil gegenüber den bisherigen Ansätzen in Bezug auf die Gatteranzahl und die Stromaufnahme. Weil die Vorrichtung vorzugsweise im Hochfrequenzteil des Empfängers stromaufwärts des Basisbandteils untergebracht ist, entlastet dieses die Basisbandfunktion durch die Bereitstellung einer Signalerkennung und ein Aktivieren der Basisbandfunktion nur dann, wenn ein Signal mit einer 802.11b-konformen Präambel empfangen wird. Infolgedessen muss die Basisbandschaltung nicht jedes mal aktiviert werden, wenn ein „falsches"-Signal empfangen wird.

Aufgrund der Komplexität der Anordnung ist es ratsam, den gesamten Detektionsprozess stromaufwärts des Basisbandteils in den Hochfrequenzteil des 802.11b Empfängers zu verschieben. Infolgedessen soll die Präambeldetektion innerhalb des Hochfrequenzblocks ausgeführt werden, durch eine Kreuzkorrelation eines mit niedriger Auflösung quantisierten, überabgetasteten Signals mit einer vorabgespeicherten idealen Folge. Die Grundidee ist es, zwei vorhandene 1-Bit A/D-Wandler (getaktet mit 40 MHz) vorteilhafterweise einzusetzen, um ein grobaufgelöstes, quantisiertes Signal zu erhalten, welches wiederum den Kreuzkorrelator speist. Danach wird Entscheidungsvariable ausgegeben und mit einer voreingestellten Schwelle verglichen, um eine Entscheidung zu treffen.

Die erfindungsgemäße Lösung weist damit hauptsächlich drei Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik auf:

  • – in Bezug auf die Komplexität wird die Konstruktion des Korrelators auf ein Mindestmaß an Einfachheit zurückgeführt, weil das empfangene Signal in nichts weiteres als eine Sequenz von 0 und 1 übersetzt wird, welches direkt zu einer Einsparung von Bauteilen führt.
  • – solange keine Präambel nach dem 802.11b Standard erkannt wird, kann das Basisbandteil (einschließlich des Haupt-A/D-Wandlers) des Empfängers in einem "Bereitschaftsmodus" betrieben werden, weil dieses nicht länger dazu eingesetzt werden muss, um kontinuierlich das Medium zu überprüfen, was direkt zu einer Einsparung von Energie führt.
  • – die Gesamtlatenz der Präambeldetektion wird durch das Verschieben des Detektors in den Hochfrequenzteil des Empfängers verbessert, weil sich dieser dann um einen Schritt näher an der Antenne befindet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 stellt ein Blockdiagramm der vorgeschlagenen Präambeldetektionsvorrichtung dar.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

1 ist ein Blockschaltbild der vorgeschlagenen Präambeldetektionsvorrichtung. Um komplexe I & Q-Signale zu verarbeiten, weist der Präambeldetektor einen 1-Zweig und einen Q-Zweig auf, welche jeweils aus einer phasengleichen Komponente und einer Quadraturkomponente des empfangen Signals bestehen. Zur Vereinfachung ist nur der I-Zweig in der Zeichnung dargestellt. Alle im Folgenden beschriebenen Komponenten sind in identischer Form im Q-Zweig enthalten.

Bezug nehmend auf die vorliegende Erfindung ist in jedem der Zweige (I oder Q) ein Analog/Digital-Wandler 1 mit grober Auflösung enthalten. Der grobauflösende A/D-Wandler 1 besteht vorzugsweise aus einem 1-Bit A/D-Wandler, welcher ein einfacher Komparator sein kann. Der A/D-Wandler 1 ist auf die besondere Präambelstruktur nach 802.11b ausgelegt (Phasenmodulation) und wandelt das analoge Eingangssignal in einen digitalen 1-Bit Signalstrom um, welcher dem Präambeldetektor zugeführt wird.

Der 802.11b Präambeldetektor umfasst einen Kreuzkorrelator 2 von geringer Komplexität und einen Ringpuffer 3. Das im Präambeldetektor zu verarbeitende Signal ist eine Sequenz von 1-Bit Abtastwerten, wie diese durch den 1-Bit-wertigen A/D-Wandler 1 geliefert wird.

Der Kreuzkorrelator 2 weist ein Schieberegister 4 mit 40-bit Samples auf, in welches das Eingangssignal permanent eingetaktet wird. Der Inhalt des Schieberegisters 4 wird kontinuierlich mit einem 40 Elemente umfassenden Referenzwert 5 verglichen, welcher seinerseits eine ideale lokale Replik des Basismusters einer 802.11b Startpräambel (eine 1-Bit quantisierte überabgetastete Barkerfolge) ist.

Die vom Kreuzkorrelator ausgegebenen 40-bit Samples werden in absolute Werte (Größenordnungswerte), welche 8-Bit Worte umfassen, umgewandelt. Die 8-Bit Worte werden in den 40 Element umfassenden 8-Bit Ringspuffer 3 eingespeist. Der 8-Bit Ringspuffer wird zyklisch mit den 8-Bit Eingangssignalen aufgefüllt. Die Anzahl der Speicherelemente des Puffers 3 erlaubt es, eine Mikrosekunde des Signals zu speichern. Deshalb ist eine Mikrosekunde zum Erneuern des gesamten Inhalts des Puffers 3 notwendig, welches der Dauer der Barker Folge entspricht. Der Zweck des Puffers ist es, eine ökonomische Addition von Korrelationsspitzen durch die Ausnutzung der periodischen Natur der Kurzpräambel zu erreichen. Ein Normierungsblock 6 ist zur Vermeidung des Überlaufs des Puffers 3 vorhanden, aufgrund von kontinuierlicher Datenansammlung und/oder durch eine übermäßige Anzahl von Kreuzkorrelationsspitzen. Ein Bewertungsblock 7 ist vorhanden, um den höchsten Spitzenwert, welcher in Puffer 3 gespeichert ist, zu bewerten, und dessen Größenordnung mI zu bestimmen.

Die gleiche, hier beschriebene Prozedur wird für den Q-Zweig des Präambeldetektors ausgeführt. In dem Fall wird der Wert des höchsten, ermittelten Spitzenwertes mit mQ bezeichnet.

In dem Entscheidungsblock 8 wird die Entscheidung über das Vorhandensein einer Kurzpräambel gefällt, indem der Gütefaktor m, welcher durch die Addition von mI und mQ gebildet wird, mit einer voreingestellten Schwelle M, welche im Wertvorbestimmungsregister gespeichert ist, verglichen wird.

Wenn der Wert m die vorgegebene Schwelle M übersteigt, ist eine 802.11b Präambel detektiert worden, und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches dann dazu benutzt wird, um die Basisbandschaltung des Empfängers zu aktivieren, um die ursprünglich ausgesendeten Informationen des 802.11b Signal zu gewinnen. Wenn die der Wert m kleiner ist als der Schwellenwert M wird der Detektionsprozess fortgeführt.

1grobauflösender A/D-Wandler 2Kreuzkorrelator 3Puffer 4Schieberegister 5Referenzen 6Normalisierungsblock 7Evaluierungsblock 8Entscheidungsblock

Anspruch[de]
  1. Präambeldetektor zur Detektion einer 802.11b Präambel aus empfangenen analogen I/Q Signalen, bestehend aus:

    Einem grobauflösenden Analog/Digital-Wandler (1) zur Wandlung der analogen I/Q Signale in Sequenzen digitaler n-Bit I/Q Abtastwerte,

    Einem Kreuzkorrelator (2) von niedriger Komplexität zur Korrelation der Folge von n-Bit I/Q Abtastwerten mit vorgegebenen Referenzsignalen und zur Generierung eines Ausgangssignals, wenn die Anwesenheit einer 802.11b Präambel innerhalb der Folge von n-Bit I/Q Abtastwerten detektiert wird.
  2. Präambeldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grobauflösenden Analog/Digital-Wandler (1) 1-Bit-A/D-Wandler sind.
  3. Präambeldetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge von n-Bit oder 1-Bit I/Q Abtastwerten überabgetastete Signale sind.
  4. Präambeldetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringspuffer (3) vorgesehen ist, in welchem die Abtastwerte, welche durch den Kreuzkorrelator (2) ausgegeben werden, gespeichert und zyklisch überschrieben werden.
  5. Präambeldetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Normierungsblock vorgesehen ist, welcher den Puffer vor dem Überlaufen schützt, welches aufgrund einer Ansammlung des kontinuierlichen Datenstroms und/oder außerordentlicher Kreuzkorrelationsspitzen vorkommen kann.
  6. Präambeldetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Evaluationsblock (6) vorgesehen ist, um den größten Spitzenwert, welche in dem Puffer (3) gespeichert ist, zu evaluieren und dessen Größenordnung mI/Q zu bestimmen.
  7. Präambeldetektor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entscheidungsblock (8) vorgesehen ist, um eine Entscheidung über die Anwesenheit einer Kurzpräambel zu treffen, durch Vergleichen eines Gütefaktors m, welcher durch die Addition von mI und mQ gebildet wurde, bei mit einem vorgegebenen Schwellwerten M, der in einem vorbestimmten Werteregister gespeichert ist.
  8. Präambeldetektor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Hochfrequenzteil eines drahtlosen Hochfrequenzempfängers eingebetteten ist.
  9. Präambeldetektor nach jedem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Basisbandteil eines drahtlosen Hochfrequenzempfängers eingebetteten ist.
  10. Verfahren zur Detektion von Präambeln nach dem 802.11b Wireless Standard, ausgehend von empfangenen, analog I/Q Signalen, umfassend die Schritte:

    Anwendung einer grobauflösenden Analog/Digital-Wandlung auf analoge I/Q Signale zur Erzeugung einer Folge von digitalen n-Bit I/Q Abtastwerten,

    Detektion von 802.11b Präambeln innerhalb der digitalen n-Bit I/Q Abtastwerte, unter Einsatz eines Kreuzkorrelators von niedriger Komplexität, welcher die Sequenzen von n-Bit I/Q Abtastwerten mit vorbestimmten Referenzsignalen korreliert, und Generieren eines Ausgangssignal, wenn das Vorhandensein einer 802.11b Präambel innerhalb der Folge von n-Bit I/Q Abtastwerten erkannt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen I/Q Signale in eine Folge von digitalen 1-Bit I/Q Abtastwerten konvertiert werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreuzkorrelator das eingehende Signal mit einer 1-Bit quantisierten, überabgetasteten Barkerfolge korreliert, welche eine ideale, lokale Replik des Grundmusters einer 802.11b Präambel darstellt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung über das Vorhandensein einer Kurzpräambel durch den Vergleich eines Gütefaktors entschieden wird, welcher durch die Addition der Größe der zwei größten, detektierten Spitzenwerte gewonnen wird, und welche von den beiden I/Q-Kreuzkorrelatoren erhalten werden, mit einer vorgegebene Schwelle.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastwerte, welche vom Kreuzkorrelator ausgegeben werden, in einen Ringspuffer füllen und zyklisch überschreiben.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verarbeitende Signal eine Sequenz von n-Bit komplexen I/Q Abtastwerten ist, die von einem Paar von n-Bit A/D-Wandlern geliefert werden.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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