DE Anmelder: Siemens AG, Munchen, Anrneldetag: Offenlegungstag: DEUTSCHES PATENT- UND MARKENAMT

® ^B UNDESREPUBLIK ® Offenlegungsschrift

® DE 10122 698 A

1

DEUTSCHLAND

®

^Int.CI.7:

H 04 L 27/34

H 04 H

3/00

DEUTSCHES PATENT- UND MARKENAMT

®

Aktenzeichen:

@

Anrneldetag:

®

Offenlegungstag:

101 22 698.5 10. 5.2001 28.

11.2002

00 CD

<o CM CM

UJ Q

@ ^Anmelder:

Siemens AG, 80333 Munchen, DE

®

^Erfinder:

Aretz, Kurt,Dr.,

46419

Isselburg,DE;Lombardi, Giancarlo,Dr.,

Den

Haag,

NL

00 0>

Dief

olgenden Angaben

sind

den vom Anmelder

eingereichten Unterlagen

entnommen

Prufungsantrag

gem.

§

44 PatG

istgestellt

(§) Verfahrenzur

Bestimmung von

ModulationsverfahrenfurUnter-Trager eines

OFDM-Symbols

@

^Verfahrenzur

^Bestimmung

^vonModulationsverfahren furUnter-Trager einesOFDM-Symbols, wobeidie Unter- TragerinGruppen zusammengefasstsindunddasModu- lationsverfahren fur Unter-TragereinerGruppeidentisch

ist,wobei zunachst der Signal-Rauschabstand (SNR)ei-

nes jeden Kanalsbestimmtwirdund aus

dem

mittleren Signal-Rauschabstand(Av_SNR)derGruppe dasModula- tionsverfahren fur die Gruppe bestimmtwird, dadurch gekennzeichnet, dass aus

dem

Signal-Rauschabstand (SNR) jedes KanalseinGutewert(T2)furjedeneinzelnen Unter-Trager bestimmtwirdund entwederbei einerZu- weisung vonModulationsverfahren,beidereine groftere ZahlanBitsubertragenwerdenkannalsdurch einenZiel- wertvorgegeben, solange der Unter-Tragermit

dem

nied- rigstenGutewertermitteltwirdund dasModulationsver-

. fahrenfurdiesen Unter-Tragerurn einBiterniedrigtwird,

t bisderZielwert erreichtistoderbeieinerZuweisung von

» Modulationsverfahren,beidereine kleinere ZahlanBits ubertragenwerden kannalsdurch einenZielwertvorge- geben,solange der Unter-Tragermit

dem

hochsten Gute- wertermitteltwird

und

dasModulationsverfahrenfur

A

Beschreibung

[0001] DievorlicgendcErfindungbetriffteinVerfahren zurBeslimmungvon ModulalionsverfahrenfurUnter-Trager einesOFDM-Symbols,wobeidieUnter-TYager zunachstinGruppenzusammengefasstsindunddasModulauonsverfah-

5 renfurUnter-TYager einerGruppeidentischist,wobeizunachstder Signal-Rauschabstand einesjedenKanals bestimmt wirdundaus

dem

mittlerenSignal-RauschabstandderGruppedas ModulationsverfahrenfurdieGruppebestimmtwird.

[0002] Ausder Literatur sindverschiedene Algoriihmenbekannt,

um

Modulationsverfahren furUnter-Tragereines

OFDM-Symbols

zubestimmenundzuoptimieren. InderRegel werdendabei unterschiedlicheModulationsverfahrenfur jeden Unter- Tragerabhangig

vom

SignalrauschenundweiterenBedingungengewahlt. Beispielsweise erlaubteinbe-

ll) kannterAlgorithmus, dervonChow, ChofAsowieBinghamvorgeschlagenwurdedieBerechnungderoptimalenModu- lationsverfahrenproeinzelnem SubtragerinAbhangigkeit

vom

^aktuellen Signalrauschenoder

vom

Energie-per-Bit- Rauschenund von der gewunschten Kapazitat und/oderFehlerrate.EinNachteildes Algorithmusist,dasser rekursi vist,

Zeitverzogerungeinruhrt.und hohen Fxhtzeitrechenaufwandbenotigt

[0003] EineinfacherundeffizienterAlgorithmuswurdeineinemAufsatzvon R, Grunheid,

R

Bolinth,H. Rohlingso- 15 wie ICAretzmit

dem

Titel"Adaptive Modulationfor die

HIPERLAN/2

AirInterface"aufden Proceedings of5*

OFDM

Workshop,Hamburg-Haburg, Deutschland

vom

12.-13.September2000vorgestellLWahrendandereAlgorithmen^ei- nennichiunerbeblichenBerechnungsaurwanderfordem,

um

dieAnzahl anBits furjeden Unter-Trager(imenglischen meistalsSub-Carrier bezeichnet)zubestimmenunddabeiimPrinzip dieBestimmung vonso vielenModulationsverfah- renwieUnter-Tragernerfordem,erfordertderdortvorgestelltesogenannte Simple Bit-Loading-Algorithm

(SBLA)

ei- 20 nen geringerenBerechnungsaufwand, dahierModulationsverfahrenblockweise, das heiBt jeweilsbezogenauf einen

Blockvon Unter-Tragem, bestimmt werden.

[0004] Nachteilan

dem

dort vorgestelltenAlgorithmusist,dass dieser keine konstanteAnzahl anubertragbaren Bits furein

OFDM-Symbol

bereitstellenkann.

[0005] DervorliegendenErfindungliegtdasProblemzugrunde,einVerfahrenanzugeben, mit

dem

eine konstanteAn-

25 zahlvonBitsiiberdieUnter-Tragereines

OFDM-Symbols

ubertragenwerden konnen.

[0006] DiesesProblemwird durcheinVerfahrennach Palentanspruch1gelost.ErfindungsgemaBistvorgesehen, dass aus

dem

Signal-Rauschabstand(SNR)jedesKanalseinGiitewert (T2) furjedencinzclncnUntcr-Tragcrbestimmt wird undentwederbeieinerZuweisung vonModulationsverfahren, bei der eine groBereZahl anBitsubertragenwerdenkann alsdurcheinen Zielwertvorgegeben, solange der Unter-Trager mit

dem

niedrigsten Giitewertermitteltwirdunddas

Mo-

30 duiationsverfahrenfurdiesenUnter-Trager

um

einBitemiedrigtwird, bisderZielwert erreichtistoderbeieinerZuwei- sungvon Modulationsverfahren,beider eine kleinereZahl anBitsubertragenwerdenkannalsdurch einenZielwert vor- gegebensolange der Unter-Tragermit

dem

hochstenGiitewertermitteltwirdunddasModulauonsverfahrenfur diesen Unter-Trager

um

einBiterhdht wird,bisderZielwerterreicht isLMitdiesemVerfahrenistesmoglich,bei vergleichs- weise geringem

Aufwand

einekonstanteBitubertragungzuerzielen.

35 [0007] In einerFortbildung deserfindungsgemafienVerfahrensistvorgesehen,dassderGiitewertalsDifferenz desSi- gnal-Rauschabstandeseinesjeden Kanalsund

dem

MittelwertiiberalleUnter-Trager zuzuglich eineskonstantenWertes abztiglicheinesWertes

T

int,dersichaus

dem

Modulationsverfahrenergibt,bestimmtwird.DersodefinierteGiitewert istbesondersleichtzubestimmen.SowohlderkonstanteWertalsauchderWert

T

int alsobererbzw.untererSNR-Inter- vall-Grenzwertergebensichaus

dem

bekannten Simple-Bit-Loading-Algorithm

(SBLA)

40 [0008] In einerWeiterbildungdesVerfahrensistes vorgesehen,dass zurBestimmungdes Modulationsverfahrensfur eineGruppevon Unter-TragerndieDifferenzaus

dem

mittlerenSignal-Rauschabstandund

dem

uberalleUnter-Trager gemitteltenSignal-Rauschabstand zuzuglicheinemkonstantenWertermitteltwirdunddieserWertnuteinemIntervall

TM

verglichen wird,

dem

dieModulationsverfahren zugeordnetsind.DieBestimmungdesModulationsverfahrensfilr

jede KanalgruppeliefertbeidieserVorgehensweiseein optimalaneine fur eine sichereUbertragung akzeptableBitfeh- 45 lerrateangepasstes Modulationsverfahren.

[0009] Derzuvor genanntekonstanteWertbetragtvorzugsweise_4,5dB. DieserWertwurdeempirischermittelt,

um

mit moglichst wenigenIterationenaufdie Zielbitratezu

kommen.

[0010]

Im

folgenden wirdeiriAusfuhrungsbeispielder Erfindung.naherbeschrieben.

[0011] ^FiirdasAusfuhrungsbeispiel wirdangenommen,dass eine begrenzteAuswahlanUnter-Tragem auseinemgro- 50 BerenFrequenzbandzur Verfiigungsteht.Mit denUnter-Tragernlasstsich einOrthogonal FrequencyDivisionMultiplex

(OFDM)

Ubertragungsverfahrendurchfiihren.DieeinzelnenUnter-TragersindinGruppenzusammengefasst, wobeidie Gruppenaus beziiglichderFrequenz benachbarten oder zumindestrelativnahebeieinanderliegendenUnter-Tragembe- stehen.Durchdiese

MaBnahme

sind dieUbertragungsparameter,insbesonderederSignal-Rauschabstand(SNR),der Unter-TragereinerGruppeahnlich.

55 [0012]

Im Rahmen

des hier erlautertenAusfuhrungsbeispiels wirdimfolgendenangenommen,dassinsgesamt 9Un- ter-TragerzurVerrugungstehen,diein3Gruppen(SUB-Carriergroups) zujeweils3Unter- Tragernzusammengefasst sind.FUr jedeneinzelnen Unter-Tragerwurdeder Signal-Rauschabstand(SNR)gemessen.DiebeidenlinkenSpaltenin Tabelle1fuhren dieangenommenen Messwertefurjedeneinzelnen Unter-Tragerauf.DieMesswertesind hier willkur- lichgewahltunddienenreinderVeranschaulichung desVerfahrens. IndenZeilenderTabelle2sind diezueinerGruppe

fio (Sub-CarrierGroup) gehorenden Unter-Trager aufgefuhrL

65

BNSDOCID: <DE 1012269aA1_L>

DE 101 22 698 A ¹

TabeUe1

Sub- Carrier

Group

SNR (dB) Av SNR fHBl

l

—

_{t\v Oivrs}

\

ud

/

Tot Av SNRfdB)+

4,5 dB

1

10,5 13 15,2 13, 3 4,0

2

11, 6 10,

4

9,3 10,5 1,3

3

12,5 15,

5

18 15,9

6, 6

Tot Av SNR (dB) 13,8

10

15

[0013] DieeinzelnenMesswertefinden sichinden mit derOberschrift

SNR

(dB) versehenen_Spalten.Die Messwerte sindinDezibel(dB) angegeben.Inderdanebenliegenden SpalteistfurjedeKanaigruppeder Mittelwert des Signal- Rauschabstandes(Av_SNR(dB))angegeben.AusdenMittelwerten derSignal-Rauschabstandeder 3Gruppenistwie- 20 deruraeinGesamtmittelwert uberalleUnter-Trager(Tot_Av_SNR)errechnet.InderauBerst rechten SpaltederTabelle1 isteinweitererWertals erstesGutekriterium

T

angegeben.DasersteGutekriterium

T

wird berechnetalsDifferenzaus

dem

MittelwertderSignal-Rauschabstande ubereineKanaigruppe(Av_SNR) und

dem

niittleremSignal-Rauschabstand uberalleUnter-Trager(Tot_Av_SNR)zuzuglich eineskonstantenWertes von

T

const

=

_4,5DezibeL EinkonstanterWert von

T

const=4,5Dezibelwurde empirischals giinstig ermittelt, hierkonnenaberauch andereWferte

angenommen

werden.

[0014] In

dem

vorliegendenAusfuhrungsbeispielsoliweiterhinangenoninien werden,dass insgesami 18 Bituberalle Untcr-Tragcr

zusammcngcnommcn

ubcrtragcnwerdensollcn.TabeUe2listctIntcrvallcdesWcrtcs

T

intfurvcrschic- dene Modulationsverfahrenauf, indenendieseModulationsverfahreneineFehlerrateinderGroGenordnungvon ^10"3 liefern.

Tabelle2

TM^Thresholds

(dB)

Tint

BPSK QPSK 8-PSK 16 -QAM

3 2

-QAM

6⁴

-QAM

2

Bit/Sub-Carrier

(9x2=18 Bit/OFDM Symbol

[•5,0-2,0] _{[-2,0;2,0] [2,0;} 5,35] [5,35;7,7] [7,7; 10,7]

>10,7

25

30

35

40

[0015] BeispielsweiseliefertdasbinarePhaseShiftKeyingoderbiniirePhasenmodulation(BPSK)eine Fehlerratein derGrbBenordnungvon^10"3ineinemIntervall von-5,0bis-2,0.Diirch VergleichdesinTabelle1inderletzten Spaltefurjede KanaigruppeerrechnetenWertes

T

raitdeninTabelle2aufgefuhrtenIntervallTint wird nunfurjedeKa- naigruppeeinModulationsverfahren bestimmt.TabeUe3verdeutlichtdieseZuordnungfiirdieeingangsangenommenen Signal-Rauschabstandswerte.

45

Tabelle3

Sub-Carrier Group Bits/Group Modulation

1

9 8-PSK

2 6 QPSK

3 12 16-QAM

Total Bits 27

Bits in excess

50

55

60

DE ^{101 22} 698 A

¹

Kanalgruppe9 Bit ubertragenlassen.Ein entsprechenderVergleichdesWertes

T

von1,3fur dieKanalgruppe2mit

T^p

ergibL dasshierdas Modulaiionsverfahren

QPSK

anzuwendenistMitdiesem Modulationsverfahren lassen sich2Bitje Unter-Tragerubertragen, fur diegesamte Kanalgruppe daher 6Bit.EntsprechendergibtsichfurdieKanalgruppe 3 das Modulaiionsverfahren 16-Quadratur Amplitude Modulation(16-QAM),mit

dem

sichinsgesamt12 BituberdieseKa-

5 nalgruppeubertragenlassen.Insgesamtlassen sichmit derimBeispielgewahlten Kanalzuordnung daher 27Bit ubertra- gen.

[0017]

We

zuvorerwahnt windangenommen,dassuber dasgesamte

OFDM-Symbol

18Bit ubertragenwerdensollen.

Im

vorliegenden Beispiel lassen sich mitder gewahltenKanalzuordnung 27Bit bei einer BitfehlerrateuberalleUnter- TragerinderGroBenordnungvon1(T³ubertragen, alsokonnteauf9Bit verzichtetwerden.Daherwerdenineinemwei- to terenSchritt,derineiner Tabelle4verdeutiicht wird, dieModulationsverfahren sogewahlt, dassgenaudiegeforderte Anzahlan Bits ubertragenwerdenkann. In

dem

vorliegenden BeispielkanngemaGderErstzuordnung der Modulations- verfahren einegroBereAnzahlanBitsubertragenwerdenalsgefordert.IndiesemFall erzielt

man

mit.

dem

nachfolgend dargestelltenVerfahren eineVerbesserung des Signal-Rauschabstandesbei einigen Unter-Tragern, so dass dietJhertra-

gunginsgesamtsicherer wird.Die VorgehensweiseistimPrinzip identischfallsbeiderErstzuordnungeinegeringere 15 Anzahlan Bits ubertragenwerdenkannalsgefordert.IndiesemFallsind einigeUnter-Trager zueinem Modulationsver- fahren zu verschieben, bei

dem

eingeringererSignal-RauschabstandfurdasjeweiligeModulationsverfahrenerforder- lichgegebenistDieBitfehlerraterurdie betroffenen Unter-Tragerkanndaherden Wert1(T³ubersteigen.

[0018] InTabelle

4

^istzunachstfilrjedeneinzelnen Unter-Trager einWert Tlangegeben, dersichvergleichbarmit

dem

Wert

T

inTabelle 1aus

dem

Signal-RauschabstandeinesjedenKanalsabzuglichdesmittlerenRauschabstandes 20 uberalleUnter-Tragerzzgl.

T

C01utl

=

4,5dbergibt.

Tabelle4

Sub-Carrier Group T1=SNR (dB) - Tot Av _{SNR (dB)} + 4,5 dB

1

1,2 3,7 5,9

2 2,3 1,1 0,0

3 3,2 6,2 8,7

[0019] In Tabelle5istausdeninTabelle4errechnetenWertenTleinWert

T2

errechnet, dieserergibtsichaus

dem

Wert Tldurch

Abzug

desunterenGrenzwertesftirdasjeweilszugeordneteModulationsverfahren.

35 Tabelle 5

Sub-Carrier Group T2=Tl-Tmod lower

.1

-0,8 1,7 3,9

2 4,3 3,1 2,0

3 -2,15 _{0,85 3,35}

45 [0020] Mit deninTabelle2 angegebenenunterenGrenzwertenfurdasjeweiligeModulationsverfahrenergibtsichz.

B

furdieKanalgruppe1 mit

dem

Modulationsverfahren8-PSKderWert

T2

ausder DifferenzzwischenTl und

dem

Wert

2,0.

Aus

den soermitteltenWerten

T2

furalleUnter-Trager wirdder kleinsteZahlenwertherausgesucht.

Im

vorliegenden FallistdiesderWert

T2

⁼-2,15furdenerstenUnter-Trager derdrittenKanalgruppe. Diesbedeutet,dass diedritteKa- nalgruppeim vorliegendenFalleinenUnter-Tragerbeinhaltet.dereinensehrungunstigen Signal-Rauschabstandhat.

50 DaherwirdfurdiesenUnter-TragerdieserKanalgruppedasModulationsverfahren

um

1Bitverkleinert,imvorliegenden Fall alsostatt

16-QAM

das Modulationsverfahren 8-PSK.DerWertftirdiesenUnter-Trager wird mitdiesem Modulati- onsverfahrenemeutberechnet,imvorliegendenBeispielergibtdiesden Wert

T2 =

1,23.IneinemweiterenSchrittwer- dendie Unter-Trageremeutbetrachtet.

Im

vorliegendenZahlenbeispielistdernachstniedrigeWert derTabelle-0,8und

ist

dem

erstenUnter-Trager dererstenKanalgruppezugeordnet.Wiezuvor wird auchhierdas Modulationsverfahren, das 55 bishergemaBTabelle3

QPSK

ist,

um

1Bit reduziertunddamitauf

BPSK

festgesetztsowieeinneuerWert T2,hier

T2 =

3,2,berechnet.

Nunmehr

lassen sichuber dasgesamte

OFDM-Symbol

25Bit ubertragen.

Da

eineObertragungvon18 Bit erforderlichistsind weiterhin 7 Bitzuviel libertragbar.

[0021] Daszuvorverdeutlichte Verfahrenwirditerativsolangedurchgefuhit,bisdiemit

dem OFDM-Symbol

iiber- tragbaren Bits

dem

gefordertenWertentsprechend.

Im

gewahltenZahlenbeispiel sind 18 Bit gefordertnach9Iterations- 60 schritten gelangt.

man

von 27Bitaufdiegeforderten18Bit.Tabelle6verdeutlichdenIterationsvorgang.

4

BNSDOCID:<DE 10122698A1_L>

DE 101 22 698 A 1

TM>elle6

Erster Iterationsschritt Sub-Carrier Group Bits eliminated

1

0 0 0

2 0 0 0

3

1

0 0

Zweiter Iterationsschritt Sub-Carrier Group Bits eliminated

1 1

0 0

2 0 0 0

3

1

0 0

Neunter Iterationsschritt Sub-Carrier Group Bits eliminated

1 1 1 1

2

1 1 1

3 1 1 ^•1

[0022] DasIterationsverfahren verlauftsinngemaBidentisch,fallsdieAnzahlderubertragbaren Bits geringeristalsdie 30 geforderteZahlderzuiibertragendenBitStartdenniedrigstenWertinder Tabellezusuchen wird nunderhochste Wert ermitteltunddasModulationsverfahren furdenUnter-Tragermit

dem

hochstenerrechnetenWert

T2 um

1Biterhoht

Am

Beispielder Tabelle 5waredaher das ModulationsverfahrenfurdenerstenUnter-Trager derKanalgruppe2zuerho^

hen,dadiesermit

dem

Wert4,3dengiinstigstenVergleichswert

T2

furden Signal-Rauschabstandbesitzt.

Auch

hierwird dasVerfahreniterativsolangfortgesetzt, bisdieAnzahlder ubertragbaren BitmitderAnzahlder gefordertenzuuber- 35 tragenden Bit ubereinstimmt. Zusatzlichkonntehier einSNR-Schwellwertdefiniertwerden

um

zuentscheiden,obdie ModulationsarttatsachlicheineStufehohergesetztwerdensoli,

um

nichteinezu hoheBitfehlerrate(BER)zuerhalten.

Patentanspriiche

40

1. Verfahren zurBestimmung vonModulationsverfahrenfurUnter-Trager eines

OFDM-Symbols,

wobeidie Unter- TragerinGruppcnzusammeDgefasstsindunddasModulationsverfahrenfurUnter-TragereinerGruppeidentisch

ist,wobei zunachstderSignal-Rauschabstand(SNR)einesjedenKanalsbestimmt wirdundaus

dem

mittlerenSi- gnal-Rauschabstand (Avi_SNR) derGruppedas ModulationsverfahrenfurdieGruppebestimmtwird,dadurchge-

kennzeichnet,dass 45

aus

dem

Signal-Rauschabstand(SNR)jedesKanalseinGutewert(T2) furjedeneinzelnenUnter-Tragerbestimmt wirdund

entwederbeieinerZuweisung vonModulationsverfahren,beidereinegroBereZahl anBitsubertragenwerdenkann alsdurcheinen Zielwertvorgegeben,solangederUnter-Trager mit

dem

niedrigstenGUtewertermitteltwird unddas ModulationsverfahrenfurdiesenUnter-Trager

um

einBit emiedrigt wird, bis der Zielwerterreichtist 50 oder bei einerZuweisung vonModulationsverfahren,beider eine kleinereZahl anBitsubertragenwerdenkannals durcheinenZielwertvorgegeben solangederUnter-Tragermit

dem

hochsten Gutewertermitteltwirdunddas

Mo-

dulationsverfahrenfurdiesenUnter-Trager

um

einBiterhoht wird,bisderZielwert erreichtist.

2. Verfahrennach Patentanspruch 1,dadurchgekennzeichnet, dass derGutewert (T2) alsDifferenzdesSignal- Rauschabstandes(SNR)einesjedenKanalsund

dem

Mittelwert(Tot_Av_SNR)iiber alleUnter-Tragerzuziiglich 55 eineskonstantenWertes

T

conslabzuglich einesWertesTint, dersichaus

dem

Modulationsverfahrenergibt,bestimmt wird.

3. VerfahrennacheinemderPatentanspriiche1oder2,dadurchgekennzeichnet,dasszurBestimmungdesModu- lationsverfahrens fureineGruppe vonUnter-Tragemdie Differenz (T) aus

dem

mittlerenSignal-Rauschabstand (Av_SNR)und

dem

uberalleUnter-TragergemitteltenSignal-Rauschabstand(Tot._Av_SNR)zuziiglicheinemkon- 60 stantenWertermitteltwirdunddieserWert mit einemIntervall

TM

verglichen wird,

dem

dieModulationsverfahren zugeordnetsind.

BNSDOC1D:<DE 10122698A1_L>