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Dokumentenidentifikation DE602004006187T2 27.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001469648
Titel Selectives Mapping in einem Mehrträgersystem
Anmelder Nokia Corporation, Espoo, FI
Erfinder Kybett, Richard, Camberley, Surrey GU16 6LZ, GB
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Aktenzeichen 602004006187
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.03.2004
EP-Aktenzeichen 042517037
EP-Offenlegungsdatum 20.10.2004
EP date of grant 02.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H04L 27/26(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Bildung von Mehrträgersignalen und vornehmlich auf Methoden zur Reduzierung des Spitze-Mittel-Leistungsverhältnisses von derartigen Signalen. Die Erfindung ist besonders auf das EDGE-("enhanced data for GSM evolution")System anwendbar.

Sender zum Übertragen von Signalen umfassen üblicherweise einen Signalerzeugungsabschnitt, der das Signal erzeugt, das zu übertragen ist, und einen Verstärkungsabschnitt, der das Signal zur Übertragung verstärkt, indem ein Leistungsverstärker (PA) verwendet wird. Wird eine linearisierter Sender betrieben, ist es nur möglich, bis zu der gesättigten Ausgangsleistung des verwendeten PA zu linearisieren; darüber hinaus ist keine Leistung mehr verfügbar und wird sich das linearisierte System wie ein hart bzw. fest begrenztes System verhalten. Ein Abschneiden der Spitzen bzw. Scheitel eines veränderlichen Hüllkurven- bzw. Einhüllendensignals (wie etwa jedes Mehrträgersignals) wird eine Verzerrung und eine Spektralspreizung verursachen, wobei die Möglichkeit besteht, einen erheblichen Fehlervektorbetrag (EVM) zu verursachen. In dem Fall eines modulierten EDGE-Systems wird dies zu einer Intermodulationsverzerrung (IMD) führen, wobei allerdings ein sehr strenger Grenzwert bezüglich einer Intermodulationsverzerrung von ~70 dBc besteht, wie in GSM 0505 spezifiziert. Als Folge hiervon ist ein Abschneiden von begrenztem Nutzen.

Um ein Abschneiden und ein Fehlschlagen bei Erfüllung der vorstehenden IMD-Anforderung zu vermeiden, ist es im Allgemeinen notwendig, dass jeder verwendete Verstärker eine Spitzenleistungsfähigkeit aufweist, die gleich dem Pegel der erwarteten Signalspitzen ist. Dies hat zwei hauptsächliche Auswirkungen:

  • i) Die Größe des Verstärkers (und somit die Kosten des Siliziums, auf dem er typischerweise ausgebildet wird) wird durch die Spitzenleistungsanforderung festgelegt, nicht durch das Mittel. Demnach verlangt eine Auswahl eines Verstärkers, der die Spitzenleistungsanforderung erfüllt, einen größeren Verstärker als andernfalls gefordert wäre.
  • ii) Die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad des Verstärkers wird auf einer durchschnittlichen Leistung beruhen, die um einen Betrag, der mindestens gleich dem PAR ("peak-to-average ratio": Spitze-Mittel-Verhältnis) ist, von der Sättigung zurückgesetzt ist, und wird daher nicht optimal sein.

Aus diesen beiden Punkten ist ersichtlich, dass ein großes PAR zu einem großen teueren Verstärker führen wird, der ineffizient arbeitet, und aus diesem Grund ist es so, dass PAR-Reduktionsmethoden verwendet werden, wenn möglich.

1 zeigt das PAR eines LDMOS-Verstärkers einer hohen Leistungsklasse AB (Psat > 400 W) in Bereichen einer Zurücksetzung von einer Sättigungsleistung (Psat). Die Figur zeigt, dass der Verstärker einen Leistungswirkungsgrad bzw. "power added efficiency" von über 40% aufweist, wenn er bei einer voll gesättigten Leistung betrieben wird, wohingegen der Wirkungsgrade bei einer Zurücksetzung von 9 dB auf ungefähr 17% abgefallen ist. Obwohl die Steigung der Wirkungsgradkurve für unterschiedliche Verstärkerausführungen etwas angepasst werden kann, wird sich die Steigung mit ansteigender Zurücksetzung von Psat reduzieren, solange ein (linearer) Verstärker der Klasse AB verwendet wird. Im Vergleich zu der vorstehenden Kurve würde zum Beispiel eine 1 dB-Verbesserung des PAR von 9 dB auf 8 dB zu einer Wirkungsgradverbesserung von 17% auf 19% und einer Spitzenleistungsanforderung, für einen Sender mit 32 W (45 dBm) Durchschnittsleistung, von 252 W auf 200 W führen. Dies könnte unter der Annahme von Kosten in Höhe von 1,4$ pro Watt 72$ pro Verstärker einsparen.

Das Spitze-Mittel-Verhältnis ist in allen Modulationssystemen mit veränderlicher Hüllkurve bzw. Einhüllenden ein Problem. Lange Zeit wurde ein Basisband-Abschneiden verwendet, um die Maximalspitzen von Signalen in solchen Systemen zu begrenzen.

Der Ausgleich zwischen PAR-Reduktion und Spitzen-Codebereichsfehler ist der begrenzende Faktor darin, wie weit die Spitzen reduziert werden können. Dieses Thema wurde gründlich dokumentiert und ist hier nicht zu erörtern.

In einem Mehrträger-EDGE-System werden die Träger nicht in dem Basisband, sondern in dem HF-Bereich zusammengebracht (wobei zumindest eine gewisse Frequenzverschiebung angewandt werden muss, um eine Trägertrennung zu erreichen, selbst in dem digitalen Bereich), womit das Mehrträgersignal mit hohem PAR nicht vor den Basisband-Impulsformungsfiltern existiert. Dieser Unterschied bedeutet, dass jede Spektralspreizung oder Verzerrung, die durch ein Abschneiden des Signals verursacht wird, nicht durch die Impulsformungsfilter wiederhergestellt werden kann.

Die US 6,125,103 offenbart ein Verfahren zum Reduzieren von Signalspitzen in einem übertragenen Signal durch Erzeugung von mehreren alternativen informationsäquivalenten Sequenzen und Auswahl der günstigsten Sequenz zur Übertragung. Die informationsäquivalenten Sequenzen werden durch Multiplikation mit einem komplexen Wert erzeugt, um zu einer Phasendrehung zu führen.

"A comparison of peak power reduction shemes for OFDM" von S. H. Muller et al. offenbart ein ähnliches Verfahren zu demjenigen, das in der US 6,125,103 offenbart ist. Komplexwertige Drehungsfaktoren werden verwendet, um eine Auswahl von phasengedrehten Trägern zu erzeugen. Es wird eine Spitzenwertoptimierung durchgeführt, um die Träger auszusuchen, für die das PAR minimiert ist.

Es besteht daher ein Erfordernis für eine verbesserte Art und Weise, um Signale zu bilden, um so vorzugsweise das typische PAR zu reduzieren und somit die Anforderungen an den Leistungsverstärker des Senders herab zu setzen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden eines Mehrträgerausgangssignals zur Übertragung in einem Kommunikationssystem bereitgestellt, wobei das Mehrträgerausgangssignal aus einer Vielzahl von Datensignalen gebildet wird, die jeweils mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Trägersignalen moduliert werden, wobei das Verfahren aufweist: Einrichten von zwei oder mehr Sätzen von Trägersignalen, wobei jeder Satz jedes der Vielzahl von Trägersignalen aufweist und sich von dem/den anderen Satz/Sätzen in der Phase von zumindest einem der Trägersignale unterscheidet; Bestimmen der maximalen Amplitude des Mehrträgerausgangssignals, das sich aus der Verwendung von einem ersten Satz von Trägersignalen zum Bilden des Mehrträgersignals ergeben würde, und, wenn diese maximale Amplitude oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt, Durchführen der Schritte: (a) Auswählen desjenigen der Sätze von Trägersignalen, der, wenn er zum Bilden des Mehrträgersignals verwendet wird, das Mehrträgerausgangssignal ergeben würde, das die niedrigste maximale Amplitude aufweist; und (b) Bilden des Mehrträgerausgangssignals aus der Vielzahl von Datensignalen, die jeweils mit dem jeweiligen der Vielzahl von Trägersignalen von diesem ausgewählten Satz moduliert werden; und anderenfalls: Bilden des Mehrträgerausgangssignals aus der Vielzahl von Datensignalen, die mit dem jeweiligen der Vielzahl von Trägersignalen des ersten Satzes moduliert werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Sender zum Bilden eines Mehrträgerausgangssignals zur Übertragung in einem Kommunikationssystem bereitgestellt, wobei das Mehrträgerausgangssignal aus einer Vielzahl von Datensignalen gebildet wird, die jeweils mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Trägersignalen moduliert werden, wobei der Sender konfiguriert ist zum: Einrichten von zwei oder mehr Sätzen von Trägersignalen, wobei jeder Satz jedes der Vielzahl von Trägersignalen aufweist und sich von dem/den anderen Satz/Sätzen in der Phase von zumindest einem der Trägersignale unterscheidet; Bestimmen der maximalen Amplitude des Mehrträgerausgangssignals, das sich aus der Verwendung von einem ersten Satz von Trägersignalen zum Bilden des Mehrträgersignals ergeben würde; Bestimmen der maximalen Amplitude des Mehrträgerausgangssignals, das sich aus der Verwendung von einem ersten Satze von Trägersignalen zum Bilden des Mehrträgersignals ergeben würde, und, wenn diese maximale Amplitude oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegt: (a) Auswählen desjenigen der Sätze von Trägersignalen, der, wenn er zum Bilden des Mehrträgersignals verwendet wird, das Mehrträgerausgangssignal ergeben würde, das die niedrigste maximale Amplitude aufweist; und (b) Bilden des Mehrträgerausgangssignals aus der Vielzahl von Datensignalen, die jeweils mit dem jeweiligen der Vielzahl von Trägersignalen von diesem ausgewählten Satz moduliert werden; und anderenfalls: Bilden des Mehrträgerausgangssignals aus der Vielzahl von Datensignalen, die mit dem jeweiligen des ersten Satzes moduliert werden.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden eines Mehrträgerausgangssignals zur Übertragung in einem Kommunikationssystem bereitgestellt, wobei das Mehrträgerausgangssignal zur Übertragung in einem Kommunikationssystem dient, wobei das Mehrträgerausgangssignal aus einer Vielzahl von Datensignalen gebildet wird, die jeweils mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Trägersignalen moduliert werden, wobei das Verfahren aufweist: Einrichten eines Satzes von Trägersignalen; Bestimmen der maximalen Amplitude des Mehrträgersignals, das sich aus einer Modulation von jedem der Vielzahl von Datensignalen mit dem jeweiligen der Vielzahl von Trägersignalen von diesem Satz ergeben würde; und Bilden des Mehrträgersignals durch Modulation von jedem der Vielzahl von Datensignalen mit dem jeweiligen der Vielzahl von Trägersignalen von diesem Satz, falls die bestimmte maximale Amplitude unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegt; und anderenfalls Ändern der Phase von zumindest einem der Trägersignale des Satzes und Bilden des Mehrträgersignals durch Modulation von jedem der Vielzahl von Datensignalen mit dem jeweiligen der Vielzahl von Trägersignalen von dem Satz, einschließlich des zumindest einen Trägersignals mit einer geänderten Phase.

Vorzugsweise weist der Einrichtungsschritt auf: Bilden eines ersten Satzes der Vielzahl von Trägersignalen; und Bilden des anderen Satzes oder jedes der anderen Sätze der Vielzahl von Trägersignalen durch Duplizieren eines vorhergehend gebildeten Satzes der Trägersignale, wobei aber die Phase von einem oder mehreren Trägersignalen um einen zufälligen Betrag geändert wird. Der zufällige Betrag kann ein pseudozufälliger Betrag sein.

Vorzugsweise weist der Einrichtungsschritt auf: Bilden eines ersten Satzes der Vielzahl von Trägersignalen; und Bilden des anderen Satzes oder jedes der anderen Sätze der Vielzahl von Trägersignalen durch Duplizieren eines vorhergehend gebildeten Satzes der Trägersignale, wobei aber die Phase von einem oder mehreren der Trägersignale um einen vorbestimmten Betrag geändert wird. Der vorbestimmte Betrag kann aus einer Menge von vorbestimmten Beträgen ausgewählt werden. Die Menge von vorbestimmten Beträgen können ganzzahlige Vielfache eines einzelnen Betrags sein. Es ist am meisten bevorzugt, dass die Menge von vorbestimmten Beträgen einen oder mehrere der Werte aufweist: &pgr;/2, &pgr;, 3&pgr;/2. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung, da Multiplikationen nur mit 1 und –1 verwendet werden können, um diese Phasedrehungen durchzuführen.

Vorzugsweise weist der Auswahlschritt auf: Bilden, für jeden der Sätze von Trägersignalen, eines Mehrträgersignals durch Modulation von jedem der Datensignale mit dem jeweiligen Trägersignal von diesem Satz, Kombination der modulierten Signale und Bestimmung der maximalen Amplitude des kombinieren Signals.

Wahlweise kann die maximale Amplitude durch Simulation bestimmt werden.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein wiederholtes Bilden von einem der Sätze von Trägersignalen und Bestimmen der maximalen Amplitude, die das Mehrträgerausgangssignal aufweisen würde, falls dieser Satz von Trägersignalen zum Bilden des Mehrträgersignals verwendet würde, bis die bestimmte maximale Amplitude unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Falls keiner einer vorbestimmten Anzahl von gebildeten Sätzen dazu führen würde, dass die bestimmte maximale Amplitude unterhalb des Schwellenwerts liegt, kann der eine von denjenigen Sätzen ausgewählt werden, die die niedrigste maximale Amplitude ergeben würden.

Das Kommunikationssystem kann ein GSM-, WCDMA- oder EDGE-Kommunikationssystem sein. Wahlweise kann es ein System eines anderen Typs sein.

Das Mehrträgerausgangssignal ist geeigneter Weise ein Burst bzw. Übertragungsblock des Kommunikationssystems. Wahlweise kann es ein längerer oder kürzerer Signalblock sein. Geeigneter Weise werden die Auswahl- und Bildungsschritte für jeden Übertragungsblock oder jeden anderen Block durchgeführt. Der Einrichtungsschritt kann für jeden Übertragungsblock oder jeden anderen Block oder für mehrere Übertragungsblöcke/Blöcke durchgeführt werden.

Jedes der Datensignale kann mehr oder weniger als 100 Symbole aufweisen.

Das Verfahren kann ein Verstärken des Mehrträgerausgangssignals und ein Übertragen des verstärkten Signals über eine Antenne aufweisen. Vorzugsweise wird das Signal mit Hilfe eines linearen Leistungsverstärkers verstärkt.

Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung gilt:

1 zeigt das PAR eines LDMOS-Verstärkers einer hohen Leistungsklasse AB;

2 zeigt das EDGE-Symbolabbildungsschema;

3 veranschaulicht das EDGE-3pi/8-Versatzschema;

4 zeigt das EDGE-Konstellationsdiagramm;

5 zeigt die Ergebnisse einiger Simulationen, wobei das PAR gegen die Zeit aufgetragen ist;

6 zeigt die Ergebnisse eines Modulationsphasenänderungsalgorithmus; und

7 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Phasenänderungsalgorithmus.

Die in dem EDGE-System verwendete Modulation ist in Abschnitt 3 des Standarddokuments GSM 0504 spezifiziert. Sie beinhaltet die folgenden Schritte:

1) Symbolabbildung bzw. -mapping

Es werden drei Datenbits unter Verwendung eines Gray-Codes kombiniert, um ein 8 psk-Symbol zu bilden. Die Umwandlung von Modulationsbits in Symbole wird gemäß der folgenden Tabelle durchgeführt.

Die Symbole werden dann gemäß dem in 2 veranschaulichten Schema abgebildet.

2) Symboldrehung

Die Symbole werden fortgesetzt um einen 3pi/8-Versatz gedreht, was definiert ist durch Ŝi = Si·eji3&pgr;/8

Dies ist gemäß 3 veranschaulicht.

3) Impulsformung

Das Signal wir dann mittels eines Filters impulsgeformt, das die allgemeine Gaußsche Spektralantwort des GSM-Systems annähert. Dies führt zu einem Konstellationsdiagramm wie es gemäß 4 gezeigt ist.

Als Ergebnis von diesen Schritten weist ein EDGE-moduliertes Einträgersignal ein PAR von ungefähr 3,1 dB auf. Für ein Mehrträger-EGDE-Signal hängt das PAR des ungünstigsten Falls von der Anzahl von Trägern ab. Typischerweise ist das PAR des ungünstigsten Falls von Mehrträgersignalen wie folgt:

2 Träger = 3 dB

4 Träger = 6 dB

8 Träger = 9 dB

Falls jeder der Träger eine EDGE-Modulation mit einem eigenständigen PAR von 3,1 dB auf sich aufweist, werden die PAR-Zahlen des ungünstigsten Falls zu:

2 Träger = 6,1 dB

4 Träger = 9,1 dB

8 Träger = 12,1 dB

Damit in der Praxis in einem Mehrträgersystem eine Spitzenleistung des ungünstigsten Falls auftritt, muss passieren, dass:

  • i) die Modulation der einzelnen Trägersignale muss auf einer Spitzenamplitude liegen muss;

    und gleichzeitig
  • ii) die HF-Träger (oder Trennfrequenz) zeitgleich die gleiche Phase aufweisen müssen.

Ein EDGE-Symbol dauert 3,69 ms, und es können Spitzen über 3 dB beobachtet werden, die ungefähr 4,8 ms dauern (250 Taktzyklen @ 52 MHz-Abtastung). Um dies zu veranschaulichen, zeigt 5 die Ergebnisse einiger Modulationen, wobei das PAR gegen die Zeit aufgetragen ist.

Es wurde die statistische Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von bestimmten Spitzenleistungen bei Mehrträger-EDGE-Signalen analysiert. Basierend auf diesen Ergebnissen sind die PARs, die mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,1% erreicht würden, wie folgt:

2 Träger = 6,3 dB

4 Träger = 8 dB

8 Träger = 8,5 dB

16 Träger = 9 dB

(Im Vergleich war das EDGE-Einträger-PAR für diese Simulation 3,6 dB.) Diese Zahlen sind beträchtlich kleiner als die Zahlen des ungünstigsten Falls, und bei einer ansteigenden Anzahl von Trägern ergibt sich eine weitere statistische Verbesserung.

In der Wirklichkeit werden die unterschiedlichen EDGE-Signale auf einer ZF-Frequenz gefloatet bzw. in Umlauf gebracht, die gleich ihrer Trägertrennung ist. Die Phasen der unterschiedlichen Signale werden daher relativ zueinander nicht konstant sein.

Mit einer ansteigenden Anzahl von Trägern wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass sich die Trennfrequenzträger zur Bildung einer Spitze ausrichten. Simulationen unter Verwendung mehrerer Sinuswellen mit einem Abstand von 600 kHz geben an, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein 4-Träger-Signal seinen ungünstigsten Fall erreicht, ziemlich hoch ist (0,1%). Mit einer steigenden Anzahl von Trägern wird die Wahrscheinlichkeit einer Kombination des ungünstigsten Falls geringer, wobei in diesem Fall mit einem Wert von 500 Datenzeitschlitzen der maximale Wert für 8 Träger ungefähr 8,5 dB ist, und für 16 Träger ungefähr 9,5 dB.

Abschnitt 3.3 von GSM 05.04 besagt:

"Bevor das erste Bit der Übertragungsblöcke wie in GSM 05.02 definiert in den Modulator eintritt, ist der Zustand des Modulators undefiniert. Auch nach dem letzten Bit des Übertragungsblocks ist der Zustand des Modulators undefiniert. Die Tail- bzw. Begrenzungsbits (siehe GSM 05.02) definieren den Beginn und das Ende des aktiven und des nützlichen Teils des Übertragungsblocks wie gemäß 3 veranschaulicht. Über die tatsächliche Phase des Modulatorausgangssignals außerhalb des nützlichen Teils des Übertragungsblocks ist nichts spezifiziert."

Dies ist sinnvoll, da das Mobilgerät seine Phaseninformation relativ zu der Trainingssequenz in der Mitte des Übertragungsblocks wiederherstellt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass es diese Spezifikation einem Entwickler offen lässt, die Phase zu Beginn des Übertragungsblocks auf jeden beliebigen Wert zu ändern, und dass dies auf vorteilhafte Weise ausgenutzt werden kann, um eine Verbesserung der Effizienz bzw. des Wirkungsgrads zu ermöglichen.

Jeder EDGE-Übertragungsblock kann als ein isoliertes Ereignis betrachtet werden. Wie vorstehend skizziert sind die größten Spitze-Mittel-Verhältnisse statistisch selten; und somit ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass aufgrund einer Addition von modulierten Signalen eine Spitze auftritt, so dass sich in einem Mehrträger-Übertragungsblock ein hohes PAR ergibt. Wenn jedoch ein Zusammentreffen von Signalen erfasst würde, das zur Verursachung einer solchen Spitze beitragen könnte, bevor das Signal an den Leistungsverstärker weitergegeben wird, könnte eine solche Addition vermieden werden, indem die Phase von einem oder mehreren der Träger variiert wird, die anderenfalls die Spitze verursachen würden. Diese Methode ist nachstehend ausführlicher beschrieben.

Das Signal unter Beurteilung kann als eine komplexe Hüllkurve bzw. Einhüllende modelliert werden:

wobei A(t, i) der durch eine Modulation definierte Ausdruck ist und e(j&ohgr; i t+&PHgr; i ) die Frequenzstelle eines Einträgersignals innerhalb des Mehrträgerbandes und den Phasenversatz zwischen diesen beschreibt. Das Ziel besteht darin, das Spitze-Mittel-Verhältnis PAR: ("peak-to-mean ratio") des übertragenen Signals zu minimieren.

Im Einklang mit dem Signalmodell, das in dem vorhergehenden Abschnitt definiert ist, gibt es mehrere Optionen zur Reduzierung des PAR des Ausgangssignals. Erstens können die Ausdrücke A(t, i) modifiziert werden, so dass das PAR minimiert wird. In diesem Fall ist der Ausdruck "Abschneiden" angemessen, da die Modifikation einen Fehler (EVM) in dem Ausgangssignal erzeugt. Wahlweise kann man die Ausdrücke der Frequenz &ohgr;i von jedem Träger anpassen, aber dies verursacht einen Frequenzfehler an dem übertragenen Signal, und dies ist durch die Spezifikationen in einer EDGE-Umgebung beschränkt. Eine dritte Option besteht darin, den Phasenversatz &PHgr;i von jedem Träger anzupassen. Falls die Anpassung Übertragungsblock für Übertragungsblock vorgenommen wird, verursacht sie keinerlei Fehler an dem übertragenen Signal, und daher wird dies als eine Alternative oder eine unterstützende Option für Abschneidealgorithmen betrachtet.

Wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Methode verwendet, werden Übertragungsblöcke erkannt, wo große Spitzen auftreten können, und wird die Anfangsphase von einem oder mehreren der Modulatoren manipuliert bzw. beeinflusst, wenn einer oder mehrere der Kanäle moduliert werden, die den Übertragungsblock bilden, um so ein Auftreten der Spitze zu vermeiden. Die Phase(n) der Träger während eines Übertragungsblocks wird (werden) zwischen Übertragungsblöcken geändert und über die Länge des fraglichen Übertragungsblocks hinweg beibehalten. Am Ende des Übertragungsblocks kann (können) die Phase(n) erneut geändert oder gleich gehalten werden.

Es stehen zahlreiche spezielle Ausführungsbeispiele zur Verfügung, um die Spitzenamplitude zu reduzieren. Im Allgemeinen werden zwei oder mehr Sätze der Trägersignale eingerichtet, die (gemäß dem Standard für das fragliche Kommunikationssystem) verwendet werden können, um einen Übertragungsblock zu modulieren, und wird derjenige zur Verwendung ausgewählt, der zu der niedrigsten maximalen Amplitude für das Signal führen würde, die sich ergeben würde, wenn die modulierten Signale kombiniert werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel können alle Sätze eingerichtet werden und wird derjenige ausgewählt, der zu der niedrigsten maximalen Amplitude führen würde. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein vorbestimmter Schwellenwert für eine akzeptable maximale Amplitude für einen Übertragungsblock eingerichtet. Es werden wiederum Sätze eingerichtet, und sobald ein Satz gefunden wird, der zu dem Übertragungsblock mit einer maximalen Amplitude unterhalb dieses Schwellenwerts führen würde, wird dieser Übertragungsblock ausgewählt. Es kann mitunter passieren, dass der erste auszuwählende Satz den Schwellenwert erfüllt, aber bei anderen Iterationen mehrere Sätze möglicherweise ausprobiert werden müssen. Es kann notwendig sein, ein Maximum bezüglich der Anzahl von zu verwendenden Versuchen einzustellen, um so die erforderliche Verarbeitung in verfügbaren Schranken zu halten. Sobald diese Anzahl von Versuchen unternommen wurde, kann der Satz ausgewählt werden, der zu der niedrigsten Spitzenamplitude geführt hätte.

Die Einrichtung der Sätze kann in einer zweckdienlichen bzw. günstigen Weise vorgenommen werden. Sie kann zum Beispiel durch eine zufällige Änderung der Phase von einem oder mehreren der Trägersignale vorgenommen werden. Wahlweise kann sie durch eine deterministische Änderung der Phase von einem oder mehreren der Trägersignale vorgenommen werden. Bei einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel sind die Phasenänderungen, die zur Verfügung stehen, auf eine oder mehrere von &pgr;/2, &pgr; und 3&pgr;/2 beschränkt. Diese Drehungen können durchgeführt werden, indem nur Multiplikationen mit 1 und –1 verwendet werden, was sie besonders zweckdienlich bzw. günstig zur Durchführung macht. Eine Drehung von 0 (keine Änderung) erfüllt ebenfalls diese Bedingung.

Welcher der Sätze zu der niedrigsten maximalen Amplitude führen würde, kann bestimmt werden, indem die Modulation durchgeführt wird, wobei die sich ergebende maximale Amplitude gemessen wird, und die bestimmten Maxima verglichen werden; oder durch Simulation.

Das Maximum kann ein absolutes Maximum sein, oder es kann das Spitze-Mittel-Verhältnis sein.

Ein Beispiel eines Algorithmus zur Implementierung der Methode umfasst ein Messen des PAR für einen Mehrträger-Übertragungsblock und, falls ein bestimmter Pegel von PAR erfasst wird, ein Erteilen einer alternativen zufälligen Anfangsphase an die Modulatoren. Dies ist ein relativ simplistischer Algorithmus zur Beseitigung der Spitzen, und er ist in Bezug auf die Rechenleistung ziemlich intensiv. Ausgeklügeltere Algorithmen können einfach die Anfangsphase eines Untersatzes bzw. Teilsatzes der Kanäle anpassen, und der Versatz kann in einer koordinierten Weise statt zufällig bestimmt werden.

Es sollte beachtet werden, dass es akzeptabel ist, einfach eine zufällige Anpassung der Phase(n) zu implementieren, da die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines Spitzen-PAR in irgendeinem Übertragungsblock gering ist. Nachdem die Phase der Träger geändert wurde, um eine Spitze zu vermeiden, ist die Wahrscheinlichkeit eines weiteren Auftretens in dem gleichen Übertragungsblock gering.

Die Phase der einzelnen Träger relativ zueinander kann angepasst werden, indem die Phase der 3pi/8-Phasendrehung des EDGE-Modulators variiert wird. In anderen Systemen können andere Mittel zur Anpassung der Phase verwendet werden.

6 veranschaulicht die Ergebnisse einer Simulation unter Verwendung des relativ simplistischen Algorithmus, der vorstehend beschrieben ist. Die Ergebnisse sogar für diesen Algorithmus zeigen, dass sich das Spitze-Mittel-Verhältnis für eine Wahrscheinlichkeit von 0,01% von 8 dB auf ungefähr 7 dB reduziert hat, eine Verbesserung von 1 dB. Unter Verwendung des Beispielverstärkers, der unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, würde dies zu einer Effizienzverbesserung von 18% auf 21,5% führen (Verbesserung von 3,5%), sowie zu einer Kosteneinsparung von 56$ (Spitzenleistung von 200 W auf 160 W für durchschnittlich 32 W und unter der Annahme von 1,4 $/W).

Da die vorliegende Methode im Wesentlichen prädiktiv bzw. voraussagend ist und alle Phasendrehungen auf das Signal zu Beginn des HF-Übertragungsblocks zu implementieren hat, erfordert sie, dass die Identifikation bzw. Ermittlung einer potentielle Spitze zumindest einen Zeitschlitz vor der potentiellen Spitze vorzunehmen ist, so dass rechtzeitig eine korrigierende Maßnahme ergriffen wird. Ist eine solche Verzögerung in dem Modulator einer möglichen Einrichtung bzw. Installation tolerierbar, kann die Methode dort alleine implementiert werden. Anderenfalls ist dem Modulator nachgeordnet eine zusätzliche Verarbeitung erforderlich.

In dem Codierungsprozess wird durch den Verschachtelungsprozess eine erhebliche Verzögerung in die Verbindung eingeführt. Für einen Verkehrskanal wird dies in einem Zyklus von 114·4 = 456 Datenbits durchgeführt, die über 8 Halbzeitschlitze gespreizt und über 8 Rahmen übertragen werden. Die gesamte Übertragungsverzögerung einschließlich eines zusätzlichen SCCH-Kanals von dem ersten Übertragungsblock bis zu dem Letzten in einem Block sei (9·8) – 7 = 65 Übertragungsblockperioden oder 37,5 ms. (Siehe "GSM System for mobile Communications"; M. Mouley, M. Pautet, Abschnitt 4.3.2.)

An dieser Stelle steht die zur Durchführung der Prädiktion bzw. Voraussage erforderliche Information zur Verfügung und kann ohne eine zusätzliche Verzögerung auf das Signal verarbeitet werden. Die Vorverzerrungsalgorithmen können dann eine geeignete Anfangsphase für jeden Übertragungsblock an den Modulator weitergeben. Damit die Prädiktion richtig durchgeführt wird, sollte der Verschachtler von jedem physikalischen Kanal in der Lage sein, Informationen über die unterschiedlichen Kanäle (einschließlich der Kanalnummer bzw. -anzahl) zu (ver-)teilen.

7 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Methode. Die Vorrichtung gemäß 7 dient zur Verarbeitung von Daten von zwei Kanälen, die von der Vorrichtung an 1 und 2 empfangen werden. Die ankommenden Daten werden durch jeweilige Verzögerungseinheiten 3 und 4 verzögert, um Zeit für eine Verarbeitung zu gewähren, die in Block 7 erfolgt, und werden dann an jeweilige Modulatoren 5 und 6 weitergegeben. An den Modulatoren werden die ankommenden Datenströme Übertragungsblock für Übertragungsblock moduliert. Die Phase von jedem Modulator wird durch Verarbeitungsblock 7 eingestellt. Die Ausgaben der Modulatoren werden kombiniert, um ein Mehrträgersignal zu bilden, das von Leistungsverstärker 8 verstärkt und dann über Antenne 9 neu übertragen wird.

Ein Verarbeitungsblock 7 umfasst eine Signalsimulationseinheit 10 und Speicher 11, 12, die die aktuellen Phasen der Modulatoren 5, 6 speichern. Werden die einen Übertragungsblock darstellenden Daten an 1, 2 empfangen, simuliert die Signalsimulationseinheit das Mehrträgersignal, das sich aus der Modulation von diesen Daten unter Verwendung der aktuellen Phasen der Modulatoren ergeben wird. Das simulierte Mehrträgersignal wird an eine Entscheidungseinheit 13 weitergegeben. Geht das PAR des simulierten Mehrträgersignals nicht über einen voreingestellten Schwellenwert hinaus, ergreift die Entscheidungseinheit keine weitere Maßnahme. Überschreitet das PAR den Schwellenwert, ändert die Entscheidungseinheit die in 11 und 12 gespeicherten Phasen auf zufällige Weise und gibt die neuen Phasen an die Modulatoren weiter, damit sie von diesen bei einer Modulation des aktuellen Übertragungsblocks verwendet werden. Die Verzögerungseinheit führt eine derartige Verzögerung ein, dass die Daten für den Übertragungsblock zur Modulation gemäß den eingestellten Phasen an die Modulatoren weitergegeben werden, sobald diese Verarbeitung durchgeführt wurde.

Der statistische Ausgleich zwischen einem geringen Grad eines Abschneidens und dem durchschnittlichen Leistungspegel der Verzerrungsprodukte, die dadurch verursacht werden, wurde untersucht. Ein weiches bzw. nachgiebiges Abschneiden zur Reduzierung einer Spektralverzerrung ist ebenso eine Möglichkeit.

Wie vorstehend angegeben ist es bekannt, dass ein Signal mit einem hohen PAR hohe Anforderungen an Leistungsverstärker-Linearität stellt und daher eine erreichbare Leistungseffizienz herabsetzt und dadurch den Leistungsverbrauch des Leistungsverstärkers erhöht. Um die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad zu verbessern, wird nach Algorithmen gesucht, um das Spitze-Mittel-Verhältnis des übertragenen Signals zu reduzieren. Abschneidealgorithmen stellen ein Verfahren zur Reduzierung des PAR auf Kosten einer Erhöhung des Fehlervektorbetrags (EVM) des übertragenen Signals bereit. Es wurden bereits unterschiedliche Abschneidealgorithmen im Fall eines WCDMA-Signals studiert, und im Einklang mit den Ergebnissen wurden einige Algorithmen zur Implementierung vorgeschlagen.

Es werden nun einige Algorithmen zur Reduzierung des PAR dargestellt.

Die Eigenschaften eines Mehrträger-EDGE-(8 PSK)Signals werden als nächstes studiert, und einige Beschränkungen für das Abschneider- bzw. Begrenzerverhalten werden betrachtet.

Das PAR von einem EDGE-modulierten Signal beträgt ungefähr 3,2 dB. Theoretisch wird das PAR im Fall eines Mehrträgersignals jedes Mal, wenn sich die Anzahl von Trägern verdoppelt, um 3 dB erhöht. Gemäß dem zentralen Grenzwertsatz nähert sich andererseits die Summe eines großen Betrags von Zufallssignalen einem Signal gemäß einer Gauß-Funktion an und nähert sich daher die Amplitudenverteilung eines Mehrträgersignals der Rayleigh-Verteilung an, wenn die Trägermenge ansteigt. Dies ist bereits mit, angenommen, 8 Trägern eine akzeptable Annäherung des übertragenen Signals und wird hier aufgrund seiner Einfachheit verwendet.

In diesem Abschnitt werden einige Algorithmen zur Anpassung der Anfangsphase eines Übertragungsblocks betrachtet. Wie vorstehend angegeben muss die Anfangsphasenanpassung durchgeführt werden, bevor die eigentliche Modulation des Übertragungsblocks beginnt.

Zum Vergleich wurden zwei Phaseneinstellalgorithmen für den Fall von 8 Trägern ausgewertet. Der Erste beinhaltet ein Begrenzen der Phasenauflösung auf 90 Grad und ein Betrachteten der optimalen Phasenkombination von vier Eingangssignalen. Im Fall von 8 Eingangssignalen werden Signalpaare in zufälliger Phase summiert, um vier Signale zu bilden. Für die resultierenden vier Signale werden alle Kombinationen erzeugt und die Beste ausgewählt.

Der zweite Algorithmus, der studiert wurde, summiert ein zweites bzw. zwei Zweitsignale zu dem Ersten mit der besten Phase (unter Verwendung einer ausgewählten Auflösung, hier 45 Grad). Danach wird ein Drittes zu der Kombination der vorangehenden zwei Signale addiert, und so weiter für die weiteren Träger.

In der Praxis können die geforderten Frequenzeigenschaften durch Filterung eines Impulses mit einer Filterbank erzeugt werden, wobei jedes Filter das Ansprechverhalten von jedem Unter- bzw. Teilträger aufweist.

Die Erfindung ist nicht zur Verwendung in einem GSM/EDGE-System beschränkt.

Der Anmelder offenbart hiermit getrennt jedes einzelne Merkmal, das hierin beschrieben ist, sowie jede Kombination von zwei oder mehr solchen Merkmalen in dem Umfang, dass solche Merkmale oder Kombinationen geeignet sind, basierend auf der vorliegenden Spezifikation als Ganzes angesichts des allgemeinen Fachwissens eines Fachmanns ungeachtet dessen durchgeführt zu werden, ob solche Merkmale oder Kombinationen von Merkmalen irgendwelche hierin offenbarten Probleme lösen, und ohne Beschränkung auf den Umfang der Ansprüche. Der Anmelder weist darauf hin, dass Aspekte der Erfindung aus jedem solchen einzelnen Merkmal oder jeder solchen Kombination von Merkmalen bestehen können. In Anbetracht der vorangehenden Beschreibung wird es für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung vorgenommen werden können.


Anspruch[de]
Verfahren zum Bilden eines Mehrträgerausgangssignals zur Übertragung in einem Kommunikationssystem, wobei das Mehrträgerausgangssignal durch Modulation von jedem einer Vielzahl von Trägersignalen mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Datensignalen gebildet wird, mit den Schritten:

Einrichten von zwei oder mehr Sätzen von Trägersignalen, wobei jeder Satz jedes der Vielzahl von Trägersignalen aufweist und sich von dem/den anderen Satz/Sätzen darin unterscheidet, dass die Phase von zumindest einem der Trägersignale unterschiedlich ist;

gekennzeichnet durch:

Bestimmen der maximalen Amplitude des Mehrträgerausgangssignals, das sich aus der Verwendung von einem ersten Satz der Sätze von Trägersignalen zum Bilden des Mehrträgersignals ergeben würde, und, wenn die maximale Amplitude oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt, Durchführen der Schritte:

(a) Auswählen von einem der Sätze von Trägersignalen, der, wenn er zum Bilden des Mehrträgersignals verwendet wird, das Mehrträgerausgangssignal ergeben würde, das die niedrigste maximale Amplitude aufweist; und

(b) Bilden des Mehrträgerausgangssignals durch Modulation von jedem einer Vielzahl von Trägersignalen von diesem ausgewählten Satz von Trägersignalen mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Datensignalen; anderenfalls:

Bilden des Mehrträgerausgangssignals durch Modulation von jedem einer Vielzahl von Trägersignalen von dem ersten Satz von Trägersignalen mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Datensignalen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Einrichtungsschritt aufweist:

Bilden eines ersten Satzes der Vielzahl von Trägersignalen; und

Bilden des anderen Satzes oder jedes der anderen Sätze der Vielzahl von Trägersignalen durch Duplizieren eines vorhergehend gebildeten Satzes der Trägersignale, wobei aber die Phase von einem oder mehreren der Trägersignale um einen zufälligen Betrag geändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Einrichtungsschritt aufweist:

Bilden eines ersten Satzes der Vielzahl von Trägersignalen; und

Bilden des anderen Satzes oder jedes der anderen Sätze der Vielzahl von Trägersignalen durch Duplizieren eines vorhergehend gebildeten Satzes der Trägersignale, wobei aber die Phase von einem oder mehreren der Trägersignale um einen vorbestimmten Betrag geändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der vorbestimmte Betrag aus einer Menge von vorbestimmten Beträgen ausgewählt wird. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Menge von vorbestimmten Beträgen einen oder mehrere der Werte &pgr;/2, &pgr;, 3&pgr;/2 aufweist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auswahlschritt aufweist:

Bilden, für jeden der Sätze von Trägersignalen, eines Mehrträgersignals durch Modulation von jedem der Datensignale mit dem jeweiligen Trägersignal von diesem Satz, Kombination der modulierten Signale und Bestimmung der maximalen Amplitude des kombinierten Signals.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem wiederholten Bilden von einem der Sätze von Trägersignalen und Bestimmen der maximalen Amplitude, die das Mehrträgerausgangssignal aufweisen würde, falls dieser Satz von Trägersignalen zum Bilden des Mehrträgersignals verwendet wird, bis die bestimmte maximale Amplitude unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kommunikationssystem ein GSM-, ein WCDMA- oder ein EDGE-Kommunikationssystem ist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mehrträgerausgangssignal ein Übertragungsblock des Kommunikationssystems ist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Datensignale mehr als 100 Symbole aufweist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Verstärken des Mehrträgerausgangssignals und einem Übertragen des verstärkten Signals über eine Antenne. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Signal mit Hilfe eines linearen Leistungsverstärkers verstärkt wird. Sender zum Bilden eines Mehrträgerausgangssignals zur Übertragung in einem Kommunikationssystem, wobei das Mehrträgerausgangssignal durch Modulation von jedem einer Vielzahl von Trägersignalen mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Datensignalen gebildet wird, wobei der Sender konfiguriert ist zum:

Einrichten von zwei oder mehr Sätzen von Trägersignalen, wobei jeder Satz jedes der Vielzahl von Trägersignalen aufweist und sich von dem/den anderen Satz/Sätzen darin unterscheidet, dass die Phase von zumindest einem der Trägersignale unterschiedlich ist;

dadurch gekennzeichnet, dass der Sender konfiguriert ist zum:

Bestimmen der maximalen Amplitude des Mehrträgerausgangssignals, das sich aus der Verwendung von einem ersten Satz der Sätze von Trägersignalen zum Bilden des Mehrträgersignals ergeben würde, und, wenn die maximale Amplitude oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt:

(a) Auswählen von einem der Sätze von Trägersignalen, der, wenn er zum Bilden des Mehrträgersignals verwendet wird, das Mehrträgerausgangssignal ergeben würde, das die niedrigste maximale Amplitude aufweist; und

(b) Bilden des Mehrträgerausgangssignals durch Modulation von jedem einer Vielzahl von Trägersignalen von diesem ausgewählten Satz von Trägersignalen mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Datensignalen;

anderenfalls:

Bilden des Mehrträgerausgangssignals durch Modulation von jedem einer Vielzahl von Trägersignalen von dem ersten Satz von Trägersignalen mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Datensignalen.
Verfahren zum Bilden eines Mehrträgerausgangssignal zur Übertragung in einem Kommunikationssystem, wobei das Mehrträgerausgangssignal durch Modulation von jedem einer Vielzahl von Trägersignalen mit einem jeweiligen einer Vielzahl von Datensignalen gebildet wird, mit den Schritten:

Einrichten eines Satzes von Trägersignalen;

Bestimmen der maximalen Amplitude des Mehrträgersignals, das sich aus einer Modulation von jedem der Vielzahl von Trägersignalen von diesem Satz mit einem jeweiligen der Vielzahl von Datensignalen ergeben würde; und

Bilden des Mehrträgersignals durch Modulation von jedem der Vielzahl von Trägersignalen von diesem Satz mit einem jeweiligen der Vielzahl von Datensignalen, falls die bestimmte maximale Amplitude unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt; anderenfalls:

Ändern der Phase von zumindest einem der Trägersignale des Satzes und Bilden des Mehrträgersignals durch Modulation von jedem der Vielzahl von Trägersignalen von diesem Satz, einschließlich des zumindest einen Trägersignals, das eine geänderte Phase aufweist, mit einem jeweiligen der Vielzahl von Datensignalen.






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