Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzkorrektur (Syntonisation) der lokalen Referenzoszillatoren von Sensorknoten eines Sensorknotennetzwerks.

Drahtlose Sensornetzwerke gewinnen im alltäglichen Leben stetig an Bedeutung. Zählerstände von Gas- und Wasserzählern werden heutzutage oft drahtlos vom Netzbetreiber abgerufen. Ebenso sind häufig Anlagen in der Produktion oder der Logistik mit drahtlosen Sensoren ausgestattet. Ein Sensor mit einer Kommunikationseinheit zur Übermittelung der Sensordaten und gegebenenfalls weiterer Daten wird hier als Sensorknoten bezeichnet. Eine Vielzahl von Sensorknoten innerhalb eines bestimmten Bereiches kann ein Sensornetzwerk bilden.

Für viele Anwendungen ist die Kenntnis der genauen Position der Sensorknoten von besonderer Bedeutung. Oft werden die Positionen der Sensorknoten mit Hilfe eines Netzwerks aus stationären Empfängern bestimmt, wobei ein solcher Empfänger auch Bestandteil eines Sensorknotens eines Sensornetzwerkes sein kann. Mit verschiedenen Ortungsverfahren wie einer direkten Laufzeitmessung von Signalen zwischen mehreren Empfängern oder einer differentiellen Laufzeitmessung von Signalen zwischen mehreren Empfängern lässt sich die exakte Position des zu lokalisierenden Sensorknotens bestimmen.

Bei solchen Verfahren ist die Bereitstellung von hochgenauen Zeitinformatio- nen in jedem Sensorknoten des Sensornetzwerkes von besonderer Bedeutung. Üblicherweise enthält jeder Sensorknoten einen lokalen Referenzoszillator als Taktgenerator, von dessen Frequenz die für den Betrieb des Sensorknotens benötigten Zeitinformationen abgeleitet werden. Ein Aspekt der Bereitstellung von hochgenauen Zeitinformationen in jedem

Sensorknoten des Sensornetzwerkes ist die Syntonisation der lokalen Taktgeneratoren der Sensorknoten. Die Syntonisation stellt sicher, dass die lokalen Taktgeneratoren in jedem Sensorknoten mit der gleichen Taktrate laufen. Die Syntonisation wird auch als Frequenzsynchronisation bezeichnet.

Für viele der beispielhaft aufgeführten Ortungsverfahren ist bereits eine phasenstarre Beziehung der Referenzoszillatoren der Sensorknoten ausreichend.

Ein weiterer Aspekt der Bereitstellung von hochgenauen Zeitinformationen in jedem Sensorknoten des Sensornetzwerkes ist die Zeitsynchronisation der lokalen Taktgeneratoren der Sensorknoten. Die Zeitsynchronisation stellt sicher, dass die lokalen Taktgeneratoren in jedem Sensorknoten zu einem gegebenen Zeitpunkt den gleichen Zeitwert ausgeben. Bekannt ist die Bereitstellung von hochgenauen Zeitinformation mittels des

GPS-Systems. Jedoch ist oft die erreichbare Genauigkeit nicht ausreichend, und die Anwendung ist im I ndoor Bereich nicht möglich. Für den Indoor Bereich gibt es aktuell nur die Möglichkeit auf kabelgebundene Taktverteilungen zurückzugreifen, was jedoch viele Anwendungen, insbesondere drahtlose Sensorknoten, ausschließt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Frequenzkorrektur des lokalen Referenzoszillators eines Sensorknotens anzugeben.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Patentansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Verwendung von sogenannten„Signals of Opportunity" als Frequenzreferenz. Als Signal of Opportunity werden Funksignale bezeichnet, die ursprünglich für eine andere Zweckbestimmung abgestrahlt werden und für eine Frequenzsynchronisation eines lokalen Referenzoszillators mit ihrer Sendefrequenz geeignet sind.

Als Signal of Opportunity sind beispielsweise Fernseh- oder Rundfunksignale (DVB-T, DAB) oder auch Signale von Kommunikationsnetzen (GSM, UMTS, LTE) geeignet. Diese Signale werden üblicherweise innerhalb eines geographischen Gebietes von mehreren unterschiedlichen Standorten mit hoher Sendeleistung und Bandbreite abgestrahlt und können auch in Gebäuden ohne Sichtverbindung zum Sender mit einem guten Signal-zu-Rauschverhältnis empfangen werden. Außerdem weisen diese Signale vorteilhafte Merkmale auf, wie die Koppelung an eine hochgenaue Referenzfrequenz, eine hohe Frequenzstabilität und charakteristische Signalsequenzen, aus denen Informationen für den Abgleich von Frequenz und Phase der lokalen Referenzoszillatoren der Sensorknoten gewonnen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Frequenzkorrektur eines Oszillators eines Sensorknotens eines Sensornetzwerkes umfasst die Verfahrensschritte:

- Empfangen eines Sendesignals eines Senders mit einer Modulation nach dem Orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM);

- Bestimmen der Frequenzabweichung des Oszillators anhand des empfangenen Sendesignals;

- Bestimmen eines Korrektursignals zur Korrektur der Frequenzabweichung des Oszillators;

- Korrektur der Frequenz des Oszillators mit dem Korrektursignal.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zur Bestimmung der Frequenzab- weichung des Oszillators eine Trägerfrequenzabweichung des empfangenen Sendesignals bestimmt.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird zur Bestimmung der Frequenzabweichung des Oszillators ein Abtastratenfehler des empfangenen Sendesignals bestimmt.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird der Abtastratenfehler unabhängig von der Korrektur der Frequenzabweichung des Oszillators korrigiert.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Frequenzabweichung anhand der Phasenbeziehungen empfangener Einzelträger des Sendesignals.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Abtastratenfehlers anhand der Phasenbeziehungen empfangener Einzelträger des Sendesignals.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird die Bestimmung der

Frequenzabweichung für den Zeitraum der Übertragung eines Sendesymbols vorgenommen.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird die Bestimmung der Frequenzabweichung für den Zeitraum der Übertragung zweier aufeinander folgender Sendesymbole vorgenommen.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden

- nach dem Empfangen des Sendesignals aus dem empfangenen Sendesignal die Kanalimpulsantwort des Übertragungskanals bestimmt;

- aus der Kanalimpulsantwort die Signale unterschiedlicher Übertra- gungspfade des empfangenen Sendesignals bestimmt; und

- die Frequenzabweichung des Oszillators anhand des Signals eines Übertragungspfades bestimmt.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird die Frequenzabweichung des Oszillators anhand des Signals mehrerer Übertragungspfade bestimmt. In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird ein Signal zur Bestimmung der Frequenzabweichung des Oszillators anhand seiner Signalenergie, seiner Signalqualität oder seiner zeitlichen Beziehung zu anderen Signalen der Kanalimpulsantwort ausgewählt.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden die Sendesignale mehrerer Sender empfangen.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens ist der Sensorknoten mit wei- teren Sensorknoten kommunikativ verbunden und übermittelt Informationen über den empfangenen Sender an weitere Sensorknoten.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird der empfangene Sender anhand der von einem anderen Sensorknoten empfangenen Information ausgewählt.

In einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens enthält das empfangene Sendesignal Zeitinformationen und der Oszillator wird anhand der Zeitinformation zeitsynchronisiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 ein Blockschaltbild des Eingangsblocks eines Empfängers für den Empfang von OFDM modulierten Signalen für einen Sensorknoten;

Figur 2 die aus einer Trägerfrequenzverschiebung resultierende Fehlabtastung der Einzelträger eines OFDM Signals;

Figur 3 die aus einem Abtastratenfehler resultierende Fehlabtastung der Einzelträger eines OFDM Signals;

Figur 4 den Einfluss von Trägerfrequenzverschiebung und Abtastratenfehler auf die Phasen der Einzelträger eines OFDM Signals;

Figur 5 einen OFDM Empfänger;

Figur 6A ein Ausführungsbeispiel eines OFDM Empfängers mit Regelvorrichtung zur Korrektur der Oszillatorfrequenz;

Figur 6B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines OFDM Empfängers mit

Regelvorrichtung zur Korrektur der Oszillatorfrequenz;

Figur 7 den Einfluss der Abweichung des Abtastratenfehlers (SCO) auf die Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung (CFO); Figur 8 die Darstellung einer Kanalimpulsantwort bei Mehrwegempfang;

Figur 9 die zeitliche Abhängigkeit eines Peaks in der Kanalimpulsant- wort in Abhängigkeit vom Abtastratenfehler (SCO);

Figur 10 die Darstellung einer Kanalimpulsantwort bei Mehrwegempfang für zwei Sender in einem Single-Frequency-Network (SFN). Für viele Verfahren der Ortung von Sensorknoten ist eine Synchronisation der lokalen Referenzoszillatoren der einzelnen Sensorknoten erforderlich. Bei der Synchronisation muss zwischen der Frequenzsynchronisation und der Zeitsynchronisation unterschieden werden. Die Frequenzsynchronisation

verfolgt das Ziel, die Frequenz der lokalen Referenzoszillatoren der einzelnen Sensorknoten in Gleichlauf zu bringen oder die Abweichung zu einer externen

Referenzfrequenz festzustellen. Unter Zeitsynchronisation ist der Abgleich der unterschiedlichen lokalen Uhrzeiten der einzelnen Sensorknoten auf eine externe Referenzzeit zu verstehen. Die Frequenzsynchronisation der lokalen Referenzoszillatoren mehrerer Sensorknoten mittels Signals of Opportunity basiert auf der Erkenntnis, dass als Signal of Opportunity genutzte Rundfunksignale und Mobilfunksignale üblicherweise in Bezug auf eine sehr exakte Referenzfrequenz (OCXO, Rubidium - Frequenznormal oder ähnliches) erzeugt werden und damit eine hochgenaue Frequenzreferenz bilden. Ziel der Frequenzsynchronisation ist es nun, die Abweichung zwischen der lokalen unpräzisen Referenzfrequenz der Sensorknoten und der sehr exakten Referenzfrequenz des gewählten SoO zu bestimmen und zu korrigieren, indem aus dem SoO Korrektursignale gewonnen werden, die durch analoge oder digitale Regelung oder auch Mischformen davon die Frequenz des lokalen Referenzoszillators des Sensorknotens korrigieren.

Für die Frequenzsynchronisation ihrer lokalen Referenzoszillatoren verfügen die Sensorknoten über einen Empfangskanal, der das gewählte Signal of Opportunity ganz oder teilweise empfangen kann. Der Oszillator dieses Emp- fangskanals bildet gleichzeitig den lokalen Referenzoszillator des Sensorknotens. Zudem ist eine weitere drahtlose Datenverbindung (z.B. W-LAN) zwi- sehen den einzelnen Sensorknoten vorteilhaft, um Daten zwischen den Sensorknoten austauschen zu können.

Dazu kann der Sensorknoten eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit für die Datenverbindung sowie eine weitere Empfangseinheiten für das zu empfangende Signal of Opportunity aufweisen, die einen gemeinsamen lokalen Referenzoszillator verwenden.

Alternativ kann der Sensorknoten auch nur eine Empfangseinheit aufweisen, die abwechselnd zwischen dem Datenempfang und dem Empfang des Signal of Opportunity umgeschaltet wird.

Alternativ kann der Sensorknoten auch nur eine Empfangseinheit aufweisen, die für den gleichzeitigen Datenempfang und dem Empfang des Signal of Opportunity ausgebildet ist.

Nachfolgend wird die Frequenzsynchronisation mittels Signals of Opportunity, die nach dem Orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) moduliert sind, beschrieben.

Ein OFDM moduliertes Signal besteht aus einer Vielzahl von schmalbandigen Einzelträgern mit konstantem Frequenzabstand. Die zu übertragenden digitalen Daten werden auf die Einzelträger mit einem Modulationsverfahren wie Ouadraturphasenumtastung (QPSK) oder Ouadraturamplitudenmodulation mit 16 oder 64 Symbolen (16-QAM oder 64-QAM) moduliert.

Bestimmte Einzelträger werden dabei mit einer bekannten, vorgegebenen Symbolsequenz moduliert. Die entsprechende Symbolsequenz wird auch als Pilotsignal bezeichnet. In der zeitlichen Abfolge des Sendesignals wird das Pilotsignal auf einem Teil der Einzelträger kontinuierlich übertragen. Diese Einzelträger werden auch als Pilotträger bezeichnet. Zusätzlich können weitere Einzelträger zu bestimmten Zeiten anstelle der Nutzdaten ebenfalls das Pilotsignal übertragen. Durch eine Korrelation des empfangenen Signals mit bekannten Symbolsequenzen der Pilotsignale kann die Phasen- und Frequenzlage der ein Pilotsignal übertragenden Einzelträger bestimmt werden.

Empfänger für OFDM modulierte Signale bestimmen die Trägerfrequenz des OFDM Signals beziehungsweise die Trägerfrequenzen der Einzelträger sowie die Abtastrate zur Abtastung des Signals mit Bezug auf eine lokale Referenzfrequenz, die von einem Oszillator generiert wird. Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des Eingangsblocks eines Empfängers für den Empfang von OFDM modulierten Signalen für einen Sensorknoten.

Der beispielhaft gezeigte Empfänger ist als Direktmischempfänger ausgeführt. Ein Oszillator 10 erzeugt die lokale Referenzfrequenz f _REF . Die lokale Referenzfrequenz f _REF wird einer Phasenregelschleife (PLL) 20 zugeführt. Die PLL 20 erzeugt, mit der lokalen Referenzfrequenz f _REF als Referenz, eine der Trägerfrequenz des Empfangssignals entsprechende Frequenz, die dem Mischer 30 zugeführt wird. Das von einer Antenne 40 empfangene Eingangssignal wird ebenfalls dem Mischer 30 zugeführt. Das Ausgangssignal des Mischers entspricht dem Sendesignal vor der Umsetzung auf die Trägerfrequenz. Nachfolgend wird das Ausgangssignal des Mischers einem Analog/Digital-Wandler 50 zugeführt. Die Abtastfrequenz des Analog/Digital-Wandlers wird ebenfalls aus der lokalen Referenzfrequenz f _REF gewonnen. Das Ausgangssignal des Ana- log/Digital-Wandlers 50 liegt am Ausgang A an. Über den Eingang B kann dem

Oszillator 10 ein erstes Korrektursignal zur Korrektur der lokalen Referenzfrequenz f _REF zugeführt werden. Über den Eingang C kann der PLL 20 ein zweites Korrektursignal zur Korrektur der von der PLL 20 erzeugten Trägerfrequenz zugeführt werden. Am Ausgang D steht die (gegebenenfalls korrigierte) lokale Referenzfrequenz f _REF für die Verwendung in weiteren Baugruppen des Sensorknotens zur Verfügung.

Frequenzabweichungen der lokalen Referenzfrequenz des Empfängers im Vergleich zur Referenzfrequenz des Senders führen zu einer Trägerfrequenz- abweichung, die nachfolgend als Trägerfrequenzverschiebung (Carrier

Frequency Offset, CFO) bezeichnet wird und/oder zu einem Abtastratenfehler (Sampling Clock Offset, SCO) des empfangenen Signals.

Eine Trägerfrequenzverschiebung äußert sich bereits am Ausgang des Mi- schers im Frequenzbereich in einem konstanten Frequenzversatz aller Einzelträger im Vergleich zu ihrer jeweiligen Nominalfrequenz. Die Trägerfrequenzverschiebung führt dazu, dass bei der nachfolgenden Analog/Digital- Wandlung alle Einzelträger gleichermaßen außerhalb ihres Maximums abgetastet werden und damit die Orthogonalität der Einzelträger verloren geht. Dies ist symbolisch in Figur 2 dargestellt. Figur 2 zeigt beispielhaft fünf Einzelträger eines OFDM Signals. Die x-Achse von Figur 2 zeigt die Frequenz des OFDM Signals normiert auf die Mittenfrequenz des OFDM Signals mit einer Skalierung entsprechend dem nominalen Abstand der Einzelträger. Die y- Achse von Figur 2 stellt eine normierte Amplitude der Einzelträger dar. Die in Figur 2 dargestellten Kurven stellen die Einzelträger des OFDM Signals dar. Die vertikalen gestrichelten Linien in Figur 2 zeigen die aus der Trägerfrequenzverschiebung resultierende Abtastung außerhalb des Maximums der Einzelträger, während die horizontalen Pfeile die Verschiebung der Abtastung symbolisieren. Die Folge ist eine unerwünschte Inter-Symbol Interferenz zwischen den auf verschiedenen Einzelträgern modulierten Symbolen.

Bei zwei zeitlich aufeinander folgenden Symbolen bewirkt eine Trägerfrequenzverschiebung eine konstante Verschiebung der Phase jedes Einzelträgers.

Ein Abtastratenfehler äußert sich im Frequenzbereich einem linear mit der Frequenz steigenden oder fallenden Versatz des Abtastzeitpunktes der Einzel- träger. Dies ist symbolisch in Figur 3 dargestellt. Figur 3 zeigt ebenfalls beispielhaft fünf Einzelträger eines OFDM Signals. Die x-Achse von Figur 3 zeigt die Frequenz des OFDM Signals normiert auf die Mittenfrequenz des OFDM Signals mit einer Skalierung entsprechend dem nominalen Abstand der Einzelträger. Die y-Achse von Figur 3 stellt eine normierte Amplitude der Einzelträ- ger dar. Die in Figur 3 dargestellten Kurven stellen die Einzelträger des OFDM

Signals dar. Die vertikalen gestrichelten Linien in Figur 3 zeigen die aus dem Abtastratenfehler resultierende Abtastung der Einzelträger, während die horizontalen Pfeile die Verschiebung der Abtastung symbolisieren. Daraus folgt, wie in Figur 4 dargestellt, eine linear steigendende oder fallende Phase be- nachbarter Einzelträger. Die x-Achse von Figur 4 zeigt die Frequenz des OFDM

Signals normiert auf die Mittenfrequenz des OFDM Signals, wobei die vertikalen Pfeile die Einzelträger symbolisieren. Die y-Achse von Figur 4 zeigt die Phasenlage der Einzelträger. Ohne Abtastratenverschiebung würden die die Einzelträger die gleiche Phasenlage aufweisen, wie es durch die mit CFO be- zeichnete horizontale Linie dargestellt wird. Die Trägerfrequenzverschiebung bewirkt eine Verschiebung der Phasenlager aller Einzelträger auf der y-Achse.

Aus den vorgehend beschriebenen, von der Trägerfrequenzverschiebung und/oder dem Abtastratenfehler verursachten Phasenveränderungen der Einzelträger zueinander oder der Einzelträger zweier aufeinander folgender

Symbole kann ein Korrektursignal abgeleitet werden, um die lokale Referenz- frequenz des Empfängers zu korrigieren.

Dies kann beispielsweise mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Regelvorrichtung geschehen, wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Die in Figur 5 dargestellte Regelvorrichtung 60 für den in Figur 1 dargestellten Eingangsblock eines Empfängers für den Empfang von OFDM modulierten Signalen verwirklicht einen Algorithmus, bei dem der Abtastratenfehler vor der Bestimmung eines Korrektursignals für die Korrektur der Trägerfrequenzverschiebung in der Regelvorrichtung 60 korrigiert wird. Dazu empfängt die Re- gelvorrichtung 60 das Ausgangssignal vom Ausgang A des Analog/Digital-

Wandlers 50 des vorgehend mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Eingangsblocks des Empfängers und führt dieses einem Re-Sampler 61

(Abtastratenkonvertierer) zu, der sehr kleine Abtastratenanpassungen vornehmen kann, um den Abtastratenfehler zu korrigieren. Das Signal des Re- Samplers 61 wird einer FFT 62 zugeführt, deren Ausganssignale einem Schätzer 63 geliefert werden. Der Schätzer 63 schätzt und korrigiert den Abtast ratenfehler, indem über ein Schleifenfilter 64 dem Re-Sampler 61 ein Korrektursignal zur Anpassung der Abtastratenanpassung zugeführt wird. Nach der Korrektur des Abtastratenfehlers bestimmt der Schätzer (63) ein Korrektursignal, welches über den Eingang B dem Oszillator zur Korrektur der Oszillatorfrequenz zugeführt wird.

Nachteilig ist dabei die hohe Komplexität der Regelvorrichtung, insbesondere des Re-Samplers, die einen hohen Schaltungsaufwand und hohe Rechenleis- tung bei der Verarbeitung erfordern und damit für den Einsatz in Sensorknoten mit begrenzter Rechenleistung nicht geeignet sind.

Die Prinzipschaltungen erfindungsgemäßer Regelvorrichtungen sind in Figur 6A und Figur 6B dargestellt.

Die in Figur 6A dargestellte Regelvorrichtung 70 empfängt das Ausgangssignal vom Ausgang A des Analog/Digital-Wandlers 50 des vorgehend beschriebenen Eingangsblocks des Empfängers und ist ausgebildet, ein erstes Korrektursignal an den Eingang B des Eingangsblocks des Empfängers auszugeben. Das erste Korrektursignal beeinflusst die lokale Referenzfrequenz des Oszillators 10 des

Empfängers und damit unmittelbar die Trägerfrequenzverschiebung und den Abtastratenfehler des OFDM Empfängers. Eine Frequenzsynchronisation des Oszillators 10 mit der Frequenz des empfangenen Signal of Opportunity ist dann erreicht, wenn die Trägerfrequenzverschiebung und der Abtastratenfehler durch das erste Korrektursignal kompensiert werden.

Diese Regelvorrichtung kann vorteilhaft verwendet werden, wenn bei der Erzeugung eines OFDM modulierten Signals of Opportunity für die Generierung des Abtasttaktes und die Erzeugung der Trägerfrequenz die gleiche Referenzfrequenz verwendet wurde. Die in Figur 6B dargestellte Regelvorrichtung 70' empfängt das Ausgangssignal vom Ausgang A des Analog/Digital-Wandlers 50 des vorgehend beschriebenen Eingangsblocks des Empfängers und ist ausgebildet, ein erstes Korrektursignal an den Eingang B des Eingangsblocks des Empfängers auszugeben und ein zweites Korrektursignal an den Eingang C des Eingangsblocks des Empfängers auszugeben. Wie bereits beschrieben, beeinflusst das erste Korrektursignal die lokale Referenzfrequenz des Oszillators 10 des Empfängers, während das zweite Korrektursignal die von der PLL 20 erzeugte Trägerfrequenz beeinflusst. Durch eine entsprechende Wahl des ersten und zweiten Korrektursignals wird es ermöglicht, die lokale Referenzfrequenz des Oszillators des Emp- fängers in Gleichlauf mit der Frequenz des Signals of Opportunity zu bringen und gleichzeitig die Trägerfrequenzverschiebung und den Abtastratenfehler des Empfängers getrennt zu beeinflussen.

Eine Frequenzsynchronisation des Oszillators 10 mit der Frequenz des empfangenen Signal of Opportunity ist dann erreicht, wenn die Trägerfrequenz- Verschiebung durch das erste und das zweite Korrektursignal kompensiert wird.

Diese Regelvorrichtung kann vorteilhaft verwendet werden, wenn bei der Erzeugung eines OFDM modulierten Signals of Opportunity für die Generierung des Abtasttaktes und die Erzeugung der Trägerfrequenz unterschiedliche Re- ferenzfrequenzen verwendet wurden.

Vorzugsweise arbeiten die Regelvorrichtungen 70 und 70' iterativ und verarbeiten zumindest ein oder auch mehrere aufeinanderfolgende OFDM Symbole. Dazu enthalten die Regelvorrichtungen einen entsprechend dimensionier- ten Pufferspeicher 71 zur Zwischenspeicherung des digitalen Datenstroms des

Analog/Digital-Wandlers 50. Die Regelvorrichtungen enthalten weiterhin Vor- richtungen 72 zur Bestimmung der Phasen und/oder der Phasenverhältnisse der Einzelträger eines oder mehrerer aufeinanderfolgender Symbole und Vorrichtungen 73 zur Schätzung der daraus resultierenden Trä ge rf re q u e n z ve r- schiebung und/oder des Abtastratenfehlers. Aus der Trägerfrequenzverschiebung und/oder dem Abtastratenfehler werden das erste und gegebenenfalls das zweite Korrektursignal bestimmt.

Die durch Trägerfrequenzverschiebung und Abtastratenfehler verursachten Phasenverschiebungen können beispielsweise für die kontinuierlich übertragenen Pilotträger durch eine Korrelation des empfangenen Signals mit der bekannten Symbolsequenz der Pilotträger bestimmt werden. Eine weitere Möglichkeit ist eine Korrelation aktuell empfangener OFDM Symbole mit den einem Symbolschritt zuvor empfangenen OFDM Symbolen. Dabei kann eine Phasendifferenz beispielsweise als Differenz der Phasen zweier aufeinanderfolgender Symbole bestimmt werden.

Dieses bietet eine verbesserte Genauigkeit, da hierbei alle Einzelträger mit berücksichtigt werden. Die Bestimmung von Trägerfrequenzverschiebung und Abtastratenfehler kann in beiden Fällen mittels bekannter Schätzverfahren erfolgen.

Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung von Trägerfrequenzverschiebung und Abtastratenfehler kann erreicht werden, indem das empfangene Signal demoduliert und unter N utzung der lokalen Referenzfrequenz nach dem gleichen Verfahren wie das Sendesignal wiederum moduliert wird. Die so gewonnene Kopie des Sendersignals wird mit dem empfangen Signal verglichen, um Abweichungen der Phasenlage der Einzelträger zu bestimmen.

Die Regelvorrichtung nach Figur 6A ist in einer Ausführungsform ausgebildet, das erste Korrektursignal aus der geschätzten Trägerfrequenzverschiebung zu bestimmen. I n einer weiteren Ausführungsform ist die Regelvorrichtung nach

Figur 6A ausgebildet, das erste Korrektursignal aus dem geschätzten Abtastratenfehler zu bestimmen. I n einer weiteren Ausführungsform ist die Regel Vorrichtung nach Figur 6A ausgebildet, das erste Korrektursignal aus der Kombination von geschätzter Trägerfrequenzverschiebung und geschätzten Abtast- ratenfehler zu bestimmen. In analoger Weise ist die Regelvorrichtung nach Figur 6B ausgebildet, Schätzwerte für Trägerfrequenzverschiebung und/oder den Abtastratenfehler des Empfängers zu ermitteln, aus diesen das erste Korrektursignal und das zweite Korrektursignal so zu bestimmen, dass entweder die Trägerfrequenzverschie- bung oder der Abtastratenfehler des Em fängers oder beide beeinflusst werden.

Figur 7 zeigt Simulationsergebnisse für den Einfluss der Abweichung des Abtastratenfehlers auf die Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung. Darge- stellt sind auf der X-Achse das Symbol / Rauschverhältnis E _s /N ₀ in dB und auf der Y-Achse die Standardabweichung der Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung (CFO) in Hz für Abtastratenfehler (SCO) von 0, 1, 10, 20, 50 und 100 ppm. Es ist zu erkennen, dass die Standardabweichung der Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung (CFO) in Hz für die dargestellten Abtastratenfehler (SCO) von 0, 1, 10, 20, 50 und 100 ppm sukzessiv zunimmt.

Für Werte kleiner als 10 dB E _s /N ₀ bewirkt eine Reduzierung des Abtastratenfehlers (SCO) keine signifikante Verbesserung der Ergebnisse der Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung (CFO).

Es ist zu erkennen, dass für ein realistisches Empfangsverhältnis von 20 dB E _s /N ₀ Abtastratenfehler (SCO) von weniger als 50 ppm kaum die Ergebnisse der Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung (CFO) beeinträchtigen.

Die Regelvorrichtung 70' nach Figur 6B kann somit in einer Ausführungsform ausgebildet sein, die Korrektur von Trägerfrequenzverschiebung und der Ab- tastratenfehler in Abhängigkeit des Symbol / Rauschverhältnisses E _s /N ₀ vorzunehmen. Weiterhin kann die Regelvorrichtung 70' ausgebildet sein, für Werte von E _s /N ₀ unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes nur die Trägerfrequenzverschiebung des Empfängers zu korrigieren.

Weiterhin kann die Regelvorrichtung 70' nach Figur 6B ausgebildet sein, itera- tiv zuerst den nur den Abtastratenfehler des Empfängers zu beeinflussen bis der Abtastratenfehler einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet und anschließend die Trägerfrequenzverschiebung zu minimieren.

Beim Empfang des Signal of Opportunity insbesondere im Indoor Bereich ist mit eine starken Ausprägung des ehrwegempfangs zu rechnen. Mehrweg- empfang bedeutet, dass das vom Sender abgestrahlte Signal nicht nur über den direkten Empfangspfad (Line of Sight, LOS) empfangen wird, sondern das zusätzlich zeitlich verzögerte Signale empfangen werden. Ursachen dafür sind zum Beispiel Reflexion, Brechung, Streuung oder Beugung der gesendeten Signale. Auch ein Sender mit der gleichen Sendefrequenz, aber unterschiedli- eher Position (Gleichkanalsender) kann als weitere Signalquelle auftreten.

Der Mehrwegempfang führt dazu, dass der Empfänger über den Übertragungskanal ein Signal empfängt, das aus einer Überlagerung des Signals des direkten Empfangspfades und der Signale zeitlich verzögerter weiter Empfangspfade besteht. Das Verhalten des gesamten Übertragungskanals zwi- sehen Sender und Empfänger wird durch die Kanalübertragungsfunktion beschrieben.

Änderungen der Kanalübertragungsfunktion führen zu einem Phasensprung im empfangenen Signal und beeinflussen damit die Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung. Ist die Kanalübertragungsfunktion für verschiedene Sen- sorknoten unterschiedlich, führt dies zu unterschiedlichen Schätzergebnissen der einzelnen Sensorknoten. Bei OFDM Empfängern für Kommunikationsanwendungen wird deshalb oft nur eine diffe renzielle Änderung der Phase betrachtet, um die Trägerfrequenzverschiebung zu bestimmen, was jedoch zu einer verminderten Genauigkeit der Schätzung der Trägerfrequenzverschie- bung führt.

Eine Lösung für dieses Problem ist, sich Kenntnis über den Kanal zu verschaffen und dann nur bestimmte Ausbreitungspfade daraus für die Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung zu verwenden.

In OFDM Signale sind oft Mechanismen integriert, um die Kanaleigenschaften zu bestimmten. So gibt es in DVB-T und LTE Signalen die sogenannten verstreuten Pilotsignale und in DAB ein komplett bekanntes Referenzsymbol. Wird im Empfänger das bekannte Sendesignal dieser Pilotsignale mit den tat- sächlich empfangenen Werten verglichen, so kann die Kanalübertragungsfunktion bestimmt werden. Wird diese mit Hilfe einer Inversen Fourier Transformation in den Zeitbereich überführt, so wird die Kanalimpulsantwort (channel impulse response, CIR) erhalten. Figur 8 zeigt eine Kanalimpulsantwort bei Mehrwegempfang. Dargestellt sind die Energie der über verschiede- ne Empfangspfade empfangenen Signalimpulse und deren zeitliche Verzögerung mit Bezug auf den Zeitpunkt der Aussendung. Der Empfangspfad mit der kürzesten zeitlichen Verzögerung entspricht dem direkten Empfangspfad (Line of Sight, LOS). Die weiteren Empfangspfade werden auch als Echos bezeichnet. Die Kanalimpulsantwort gibt Aufschluss über die zeitliche Aufspreizung der empfangenen Signale am Empfänger.

Bei einer direkten und ungestörten Sichtverbindung zwischen dem OFDM Sender und dem Empfänger des Sensorknotens enthält die Kanalimpulsantwort einen dominanten Impuls, der die Energie des über den direkten Empfangspfad empfangenen Signals repräsentiert. Die Kanalimpulsantwort enthält weiterhin mehrere kleine Impulse, die die Energie von z.B. von Häusern oder

Bergen reflektierten Signale repräsentieren. Die Phasenlage eines Impulses in der Kanalimpulsantwort entspricht der mittleren Phasenlage der Pilottöne des empfangenen Signals. Durch Beobachtung der Phasenlage von jedem Impuls in der Kanalimpulsantwort über die Zeit, lässt sich aus jedem Impuls der Ka- nalimpulsantwort die entsprechende Trägerfrequenzverschiebung bestimmen. Jedoch existiert eine konstante Phasendrehung zwischen den Impulsen der einzelnen Echos und dem Impuls des direkten Empfangspfades der Kanalimpulsantwort. Diese Phasendrehung ist proportional zur Länge des Übertragungspfades der Echos.

Um die Genauigkeit der Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung zu verbessern, erfolgt die vorgehend bereits beschriebene Bestimmung der Phasenveränderungen der Einzelträger des vom Empfänger empfangenen Signals in einer Ausführungsform ausschließlich für das über den direkten Empfangspfad empfangene Signal. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Bestimmung der Phasenveränderungen der Einzelträger des vom Empfänger empfangenen Signals separat für jeden Empfangspfad. Dazu sind die Vorrichtungen 72 zur Bestimmung der Phasen und/oder der Phasenverhältnisse der Einzelträger eines oder mehrerer aufeinanderfolgender Symbole der Regelvor- richtungen 70 und 70' ausgebildet, die Kanalimpulsantwort des empfangenen

Signals zu bilden und die Phasen der Impulse der Kanalimpulsantwort zu bestimmen.

Die Verwendung des über den direkten Empfangspfad empfangenen Signals ist dann vorteilhaft, wenn die Echos wesentlich kleiner sind als der dominante Impuls des direkten Empfangspfades. Der Energieverlust durch die Verwer- fung der Information der Echos führt nur zu einer geringen Verschlechterung der der Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung und führt zu einer Vereinfachung des Algorithmus.

Wenn der direkte Empfangspfad abgeschattet ist, das heißt, wenn der Pegel des direkten Empfangspfades nicht mehr dominant ist, z. B. wenn die empfangenen Echos ähnliche Pegelwerte wie der direkte Empfangspfad aufweisen, dann ist es vorteilhaft, die empfangenen Signale der leistungsstärksten Pfade zu verwenden. Nach einer anfänglichen Beobachtung der Phasen der einzelnen Impulse der Kanalimpulsantwort lässt sich der konstante Phasenversatz zwischen dem direkten Empfangspfad und den Echos bestimmen. Danach kann die Energie der einzelnen Pfade phasenkohärent kombiniert werden, um präzisere Ergebnisse für die Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung zu erhalten. Wenn sich die Kanalübertragungsfunktion ändert, kommt es zu Änderungen der Anzahl der Impulse und deren zeitlicher Position in der Kanalimpulsantwort. In diesem Fall ist es vorteilhaft, neu hinzugekommene Impulse oder Impulse mit veränderter Position erst in die Schätzung der Trägerfrequenzverschiebung einzubeziehen, wenn diese für eine vorbestimmte Zeit stabil an einer Position in der Kanalimpulsantwort beobachtet werden. Die Genauigkeit der Phasenschätzung hängt von der Anzahl der für die Berechnung der Kanalimpulsantwort verwendeten Pilotträger oder Pilotsignale ab. Auch hier ist es vorteilhaft, eine Signalentscheidung der Datenträger bezüglich vorhandener Pilotsignale zu treffen und das bereits vorgehend beschriebene Verfahren der Re-Modulation des empfangen Signals anzuwenden, um die Energie für die Berechnung der Kanalimpulsantwort zu erhöhen.

In der Kanalimpulsantwort äußert sich eine Trägerfrequenzverschiebung in einer Phasenänderung der einzelnen Impulse. Ein Abtastratenfehler (SCO) äußert sich in einem "Wandern" der Impulse über die Zeit. Die Ursache hierfür ist, dass der Abtastratenfehler in Bezug zur nominalen Signaldauer zu einer zeitlichen Dehnung oder Stauchung des Signals führt. Wird nun für jedes Symbol die Kanalimpulsantwort berechnet, so ergibt sich eine Veränderung der Peak Position proportional zum Abtastratenfehler, wie in Figur 9 gezeigt, die die Abhängigkeit eines Peaks in der Kanalimpulsantwort vom Abtastratenfeh- ler darstellt. Die x-Achse von Figur 9 stellt den Zeitpunkt der Kanalimpulsantwort dar, während die y-Achse von Figur 9 die Amplitude der Kanalimpuls- antwort darstellt. Die in Figur 9 dargestellten Kurven zeigen die Kanalimpulsantworten des gleichen Symbols für verschiedene Abtastratenfehler.

Wie bereits vorgehend beschrieben, ist es für die Bestimmung der Träge rfre- quenzverschiebung nicht zwingend notwendig, den Abtastratenfehler vollständig zu korrigieren. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass es nicht zu Inter-Symbol-Interferenzen kommt, da in diesem Fall die Kanalimpulsantwort nicht mehr bestimmbar ist. Dies passiert, wenn für die Demodulation des OFDM Signals mit Hilfe der FFT Informationen aus unterschiedlichen OFDM- Symbolen verwendet werden. Auf einem Einzelträger werden die OFDM-

Symbole zeitlich nacheinander übertragen, wobei die OFDM-Symbole durch Schutzintervalle (Guard-Interval) voneinander getrennt sind. Deshalb ist es vorteilhaft, den zeitlichen Beginn des Beobachtungsbereichs für die FFT in die Mitte des Schutzintervalls (Guard-Interval) zu legen. Dies ist möglich, wenn bis dahin alle Störungen durch Mehrwegempfang abgeklungen sind. Wird nun der Peak des direkten Empfangspfade über die Zeit beobachtet, wechselt dieser kontinuierlich die Position in eine Richtung auf der Zeitachse in Abhängigkeit vom Abtastratenfehler. Dieser Wechsel kann dadurch korrigiert werden, dass nach jedem Positionswechsel oder nach dem Überschreiten einer Beo- bachtungsschwelle ein oder mehrere zusätzliche Abtastwerte in den vom Ana- log/Digital-Wandler empfangen Datenstrom eingefügt werden oder der erste oder mehrere Abtastwerte des neuen Symbols verworfen werden. Dadurch wird die Position des Impulses des direkten Empfangspfades in der Kanalimpulsantwort des nächsten Symbols wieder auf den ursprünglichen Wert ver- schoben und das Beobachtungsintervall wird an einer konstanten Position gehalten. Inter-Symbol-Interferenzen werden dadurch vermieden und die Signalverfolgung bleibt stabil.

Beim Empfang des Signal of Opportunity kann es vorkommen, dass es kurzzei- tig zu starken Änderungen der Kanaleigenschaften kommt. So kann ein bewegliches Hindernis, z.B. ein Passant, zu einer starken Dämpfung des direkten Empfangspfades führen, wenn das Hindernis durch Abschattung eine direkte Sichtverbindung zum Sender unterbricht. Deshalb ist es vorteilhaft, bei der Bestimmung der Phasenveränderungen der Einzelträger des vom Empfänger empfangenen Signals auch die Signalenergie oder die Signalqualität, wie beispielsweise den Signal-Störabstand (SIR) oder das Symbol / Rauschverhältnis der Impulse des Signals in der Kanalimpulsantwort zu beobachten. Wie aus Figur 7 ersichtlich, führt ein schlechteres Symbol / Rauschverhältnis zu schlechteren Schätzergebnissen der Trägerfrequenzverschiebung. Unterschreiten der Signal-Störabstand (SIR) oder das Symbol / Rauschverhältnis eines Impulses in der Kanalimpulsantwort einen vordefinierten Wert oder findet eine plötzliche Änderung statt, ist es vorteilhaft den darauf basierenden Schätzwert der Trägerfrequenzverschiebung in der iterativen Regelung zu verwerfen und statt dessen den zuvor ermittelten Schätzwert weiter zu verwenden, bis der Signal-Störabstand (SIR) oder das Symbol / Rauschverhältnis den vordefinierten Wert wieder überschreiten. Damit wird die Schätzung der

Trägerfrequenzverschiebung robuster gegen durch beispielsweise durch Abschattungen verursachte kurzzeitige Veränderungen des Übertragungskanals.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Auswahl der zur Bestimmung der Phasenveränderungen der Einzelträger verwendeten Signale auf Basis des

Signal-Störabstand (SIR) oder des Symbol / Rauschverhältnisses der Impulse des Signals in der Kanalimpulsantwort. Unterschreitet der Signal-Störabstand (SIR) oder das Symbol / Rauschverhältnis eines Impulses in der Kanalimpulsantwort einen vordefinierten Wert oder findet eine plötzliche Änderung statt, wird stattdessen ein anderer Impuls in der Kanalimpulsantwort verwendet.

Dabei ist darauf zu achten, dass dessen Phase im Bezug zu den vorangegangenen Symbolen kontinuierlich ist bzw. keine stärkeren Sprünge aufweist. Dies würde auf eine Veränderung des Echopfades aufgrund des Abschattungsob- jekts schließen.

Das Signal of Opportunity kann auch in einem so genannten Single-Frequency- Networks (SFN) ausgesendet werden. Das bedeutet, dass mehrere verteilte Senderstandorte das gleiche Signal zeitlich synchronisiert auf der gleichen Frequenz aussenden.

Figur 10 verdeutlicht die Auswirkung der Aussendungen zweier Sender in einem Single-Frequency-Network (SFN) in der Kanalimpulsantwort des Empfängers eines Sensorknotens. Das Signal des geographisch näher am Sensornetzwerk liegende Senders 1 hat einen kürzeren direkten Empfangspfad und wird daher zeitlich früher vom Empfänger empfangen. Das Signal des geographisch weiter vom Sensornetzwerk entfernten Senders 2 hat einen längeren direkten Empfangspfad und wirkt wie ein energiereicher M e h rwege m pf a ngs pf a d des Senders 1 mit langem Ausbreitungspfad. Aufgrund der geographisch unterschiedlichen Positionen des Senders 1 und des Senders 2 werden die Signale der Sender von den Empfängern im Sensornetzwerk aus verschiedenen Ein- fallsrichtungen empfangen. Ein bewegliches Hindernis würde dann nur einen der beiden energiereichen Pfade abschatten. Somit kann die vorgehend beschriebene Auswahl der zur Bestimmung der Phasenveränderungen der Einzelträger verwendeten Signale auf Basis des Signal-Störabstand (SIR) oder des Symbol / Rauschverhältnis der I mpulse des Signals in der Kanalimpulsantwort auch beim Empfang von mehreren Sendern eines Single-Frequency-Network

(SFN) erfolgen. I n einer Weiterbildung werden getrennte Oszillatoren mit unabhängigen Regelschleifen für jeden Sender verwendet.

Für viele Sensornetzwerke ist keine absolute Syntonisation der lokalen Refe- renzoszillatoren der einzelnen Sensorknoten bezogen auf eine hochgenaue

Referenzfrequenz notwendig, sondern nur eine möglichst gute Syntonisation zwischen den lokalen Referenzoszillatoren der einzelnen Sensorknoten. In einem geographisch begrenzten Sensornetzwerk mit mehreren Sensorknoten wirkt die Abschattung des direkten Empfangspfades eines Senders auf alle Sensorknoten des Sensornetzwerkes gleichermaßen. I n einer Ausführungsform ist ein Sensorknoten ausgebildet, anhand einer Unterschreitung von Signal-Störabstand (SIR) oder Symbol / Rauschverhältnis eine Abschattung eines ersten Referenzsenders zu erkennen und nachfolgend die Frequenzsynchronisation des lokalen Referenzoszillators mit einem zweiten Referenzsender fort- zuführen. Dabei kann der zweite Referenzsender auch ein Sender einer anderen Frequenz oder eines anderen Übertragungsstandards sein. Der Sensorknoten kann weiterhin ausgebildet sein, die I nformation über den aktuell verwendeten Referenzsender an mit ihm kommunikativ verbundene weitere Sensorknoten zu übertragen oder diese I nformation von einem anderen Sen- sorknoten zu empfangen und daraufhin die Frequenzsynchronisation des lokalen Referenzoszillators mit dem Referenzsender des anderen Sensorknotens fortzuführen. Wie bereits beschrieben, kann in diesem Fall bis zum Bestimmung von neuen Schätzwerten der Trägerfrequenzverschiebung in der iterativen Regelung der zuletzt ermittelte Schätzwert der Trägerfrequenzverschie- bung weiter verwendet werden. Neben der Frequenzsynchronisation der Sensorknoten ist auch eine Zeitsynchronisation, also der Abgleich der unterschiedlichen lokalen Uhrzeiten der einzelnen Sensorknoten auf eine externe Referenzzeit wie zum Beispiel die koordinierten Weltzeit (Coordinated Universal Time, UTC) wünschenswert, um zum Beispiel bei Laufzeitmessungen eine Laufzeitdifferenz zwischen den einzelnen Sensorknoten bestimmen zu können. Viele der vorgehend benannten, als Signal of Opportunity geeigneten Funksignale beinhalten Zeitstempel mit unterschiedlicher Genauigkeit, mit denen die Empfänger zeitlich synchronisiert werden oder die Uhrzeit bereitgestellt wird. Mit diesen Zeitstempeln kann eine Zeitsynchronisation der Sensorknoten erreicht werden.

Die vorgehend beschriebenen Verfahren sind ebenfalls für WLAN-Signale (IEEE-802.11) als Signal of Opportunity anwendbar. WLAN-Sender sind kostengünstig, kompakt und flexibel einsetzbar. Da WLAN-Signale im Gegensatz zu den Aussendungen von DVB-T, DAB oder LTE nicht kontinuierlich abgestrahlt werden, sind die vorgehend beschriebenen Verfahren dahingehend anzupassen, dass fehlende Schätzwerte der Trägerfrequenzverschiebung die Frequenzsynchronisation nicht negativ beeinflussen. Wie bereits beschrieben, kann dazu in vorteilhafter Weise in der iterativen Regelung der zuletzt ermit- telte Schätzwert der Trägerfrequenzverschiebung so lange weiter verwendet werden, bis ein neuer Schätzwert der Trägerfrequenzverschiebung bestimmt wurde.

Eine weitere Verbesserung kann durch eine Anpassung der Router Hardware erreicht werden. Vorteilhaft ist ein durchgehend aktiver, möglichst stabiler Oszillator als Referenzfrequenz für den ausgewählten WLAN-Sender, um Frequenzabweichungen zu minimieren, die beispielsweise dem Einschalten des Oszillators für einen bestimmten Zeitraum auftreten. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Referenzfrequenz bei der Erzeugung der OFDM modulierten Signale sowohl für die Generierung des Abtasttaktes und als auch für die Erzeugung der Trägerfrequenz zu verwenden. Der Vorteil ist eine starre Kopplung Trägerfrequenzverschiebung und Abtastratenfehler.

Sollte, wie beispielsweise im Indoor-Bereich, der Empfang des gewählten Signal of Opportunity nicht möglich oder eingeschränkt sein können entspre- chende Sender kleiner Leistung installiert werden. Alternativ können passive oder aktive Repeater verwendet werden.