СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ С МНОЖЕСТВОМ ВХОДОВ И МНОЖЕСТВОМ ВЫХОДОВ (MIMO) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ КАНАЛА Российский патент 2007 года по МПК H04B7/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к передаче данных, более конкретно к новому и улучшенному способу и устройству для обработки данных в системе связи с множеством входов и множеством выходов с использованием информации о состоянии каналов для обеспечения улучшенных рабочих характеристик системы.

Предшествующий уровень техники

Беспроводные системы связи широко используются для обеспечения различных типов связи, таких как речевая связь, передача данных и т.п. Такие системы могут быть основаны на множественном доступе с кодовым разделением (CDMA), множественном доступе с временным разделением (TDMA), ортогональном мультиплексировании с частотным разделением (OFDM) или на других способах мультиплексирования. Системы OFDM могут обеспечить высокие рабочие характеристики для некоторых условий каналов связи.

В наземной системе связи (например, сотовой системе, широковещательной системе, многоканальной многоточечной распределенной системе (MMDS) и др.) радиочастотный (РЧ) модулированный сигнал от передающего устройства может приходить в приемное устройство через ряд маршрутов передачи. Характеристики маршрутов передачи обычно меняются со временем ввиду ряда факторов, таких как замирание и многолучевое распространение.

Для того чтобы обеспечить разнесение по отношению к вредным эффектам распределения сигнала и улучшить рабочие характеристики, для передачи данных могут быть использованы множество передающих и приемных антенн. Если маршруты передачи между передающими и приемными антеннами являются линейно независимыми (т.е. передача по одному маршруту не формируется как линейная комбинация передач по другим маршрутам), что является верным, по меньшей мере, в некотором приближении, то вероятность правильного приема переданных данных возрастает с увеличением числа антенн. Обычно разнесение увеличивается и рабочие характеристики улучшаются при увеличении количества передающих и приемных антенн.

Системы связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) для передачи данных используют множество (N_T) передающих антенн и множество (N_R) приемных антенн. Канал MIMO, образованный N_T передающими антеннами и N_R приемными антеннами, может быть разложен на N_C независимых каналов, причем . Каждый из N_C независимых каналов также называется пространственным подканалом канала MIMO и соответствует размерности. Система MIMO может обеспечить улучшенные рабочие характеристики (например, увеличенную информационную емкость передачи), если используются дополнительные размерности (сочетания), образованные множеством передающих и принимающих антенн.

Следовательно, в данной области техники существует потребность в способах обработки передач данных как в передающих, так и в приемных устройствах для получения преимуществ, благодаря дополнительным размерностям, создаваемым системой MIMO для обеспечения улучшенных рабочих характеристик системы.

Сущность изобретения

Аспекты настоящего изобретения предоставляют способы обработки принимаемых сигналов в приемном устройстве в системе с множеством входов и множеством выходов (MIMO) для восстановления передаваемых данных и настройки обработки данных в передающем устройстве на основе оцениваемых характеристик канала MIMO, используемого для передачи данных. В одном из аспектов при обработке принятых сигналов используется способ обработки в приемнике "с последовательным удалением" (описанный ниже). В другом аспекте характеристики канала оцениваются и сообщаются передающему устройству для использования при настройке (т.е. адаптации) обработки (например, кодирования, модуляции и т.п.) данных перед передачей. При применении сочетания способа обработки в приемнике с последовательным удалением и способа адаптивной обработки в передатчике, для системы MIMO могут быть достигнуты высокие рабочие характеристики.

Отдельный вариант осуществления изобретения предоставляет способ передачи данных от передающего устройства к приемному устройству в системе связи MIMO. В соответствии с этим способом в приемном устройстве определенное количество сигналов изначально принимаются посредством определенного количества приемных антенн, причем каждый принимаемый сигнал содержит комбинацию одного или более сигналов, передаваемых передающим устройством. Принятые сигналы обрабатываются в соответствии со способом обработки в приемнике с последовательным удалением, обеспечивая определенное количество потоков декодированных данных, которые представляют собой оценки потоков данных, передаваемых передающим устройством. Информация о состоянии канала (CSI), отражающая характеристики канала MIMO, используемого при передаче потоков данных, также определяется и передается обратно в передающее устройство. В передающем устройстве каждый поток данных подвергается адаптивной обработке перед передачей по каналу MIMO согласно принятой информации CSI.

Схема обработки в приемнике с последовательным удалением обычно выполняет определенное количество итераций для получения потока декодированных данных, по одной итерации для каждого потока декодированных данных. Для каждой итерации обрабатывается определенное количество входных сигналов за итерацию в соответствии с конкретной схемой линейной или нелинейной обработки для получения одного или более потоков символов. Затем выбираются и обрабатываются один из потоков символов для образования потока декодированных данных. Также формируется определенное количество модифицированных сигналов на основе входных сигналов, причем модифицированные сигналы имеют практически устраненные (т.е. удаленные) компоненты, связанные с декодированным потоком данных. Входные сигналы для первой итерации являются принятыми сигналами, а входные сигналы для каждой последующей итерации являются модифицированными сигналами от предыдущей итерации.

Для обработки входных сигналов могут быть использованы различные схемы линейной и нелинейной обработки. Для каналов без дисперсии (т.е. с плоской характеристикой замирания) может быть использован способ инверсии матрицы корреляции каналов (CCMI), способ минимальной среднеквадратичной ошибки (MMSE) или другие способы. И для каналов с временной дисперсией (т.е. с замиранием, зависящим от частоты) может быть использован линейный корректор MMSE (MMSE-LE), корректор с решающей обратной связью (DFE), устройство оценки последовательности максимального правдоподобия (MLSE) или другие способы.

Доступная информация CSI может включать в себя, например, отношение сигнал/шум-плюс-помеха для каждого канала передачи, используемого в передаче данных. В передающем устройстве данные для каждого канала передачи могут кодироваться на основе информации CSI, ассоциированной с данным каналом CSI, и далее кодированные данные для каждого канала передачи могут модулироваться согласно схеме модуляции, выбранной на основе CSI.

Изобретение дополнительно предоставляет способы, системы и устройство, реализующие различные аспекты, варианты осуществления и признаки настоящего изобретения, как это изложено более детально ниже.

Краткое описание чертежей

Признаки, сущность и преимущества данного изобретения будут более очевидны из детального изложения, представленного ниже вместе с чертежами, на которых одинаковые ссылочные позиции соответствуют одинаковым объектам на всех чертежах, где:

Фиг.1 - схема системы связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO), обеспечивающей реализацию различных аспектов и вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 - блок-схема передающей системы MIMO, обеспечивающей обработку данных для передачи на основе доступной CSI;

Фиг.3 - блок-схема передающей системы MIMO, использующей модуляцию с ортогональным частотным разделением (OFDM);

Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая способ обработки в приемнике с последовательным удалением для обработки N_R принятых сигналов для восстановления N_T переданных сигналов.

Фиг.5 - блок-схема приемной системы, обеспечивающей реализацию различных аспектов и вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6А, 6В и 6С - блок-схемы трех канальных процессоров MIMO/данных, которые обеспечивают реализацию способа CCMI, способа MMSE и способа DFE соответственно;

Фиг.7 - блок-схема варианта осуществления процессора принятых данных (RX процессора);

Фиг.8 - блок-схема компенсатора помех; и

Фиг.9А, 9В и 9С - диаграммы, иллюстрирующие рабочие характеристики для различных схем обработки приемника и передатчика.

Детальное описание изобретения

НА Фиг.1 приведена схема системы 100 связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO), обеспечивающая реализацию различных аспектов и вариантов осуществления настоящего изобретения. Система 100 включает в себя первую систему 110, связанную со второй системой 150. Система 100 может функционировать, используя комбинацию антенн, частот и временного разнесения (описанного ниже) для увеличения спектральной эффективности, улучшения рабочих характеристик и гибкости. В одном из аспектов, система 150 может функционировать, определяя характеристики канала MIMO и сообщая информацию о состоянии канала (CSI), отражающую характеристики канала, определенные при приеме, обратно системе 110, и система 110 может функционировать, настраивая обработку (например, кодирование и модуляцию) данных перед передачей на основе доступной CSI. В другом аспекте система 150 может функционировать, обрабатывая передаваемые данные от системы 110 так, чтобы обеспечивать высокие рабочие характеристики, как это описано более детально ниже.

В системе 110 источник 112 данных предоставляет данные (т.е. биты информации) процессору 114 передаваемых данных (TX), который кодирует данные в соответствии с конкретной схемой кодирования, перемежает (т.е. меняет порядок следования) кодированные данные на основе конкретной схемы перемежения и отображает подвергнутые перемежению биты на символы модуляции для одного или более каналов передачи, используемых для передачи данных. Кодирование повышает надежность передачи данных. Перемежение обеспечивает временное разнесение для кодированных битов, позволяет передавать данные на основе усредненного отношения сигнал/шум-плюс-помеха (SNR) для каналов передачи, используемых для передачи данных, противодействуя замиранию и дополнительно устраняя корреляцию между кодированными битами, используемыми для формирования каждого символа модуляции. Перемежение может дополнительно обеспечить частотное разнесение, если кодированные биты передаются через множество частотных подканалов. В одном из аспектов кодирование, перемежение и отображение на символы (или их комбинация) выполняются на основе информации CSI, доступной для системы 110, как показано на Фиг.1.

Кодирование, перемежение и отображение на символы в передающей системе 110 может быть выполнено на основе различных схем. Одна конкретная схема описана в патентной заявке США № 09/776,075 на "Схему кодирования для беспроводной системы связи", поданной 1 февраля 2001 г., права на которую принадлежат правообладателю настоящей заявки и которая включена в данное описание посредством ссылки. Другая схема более детально описана ниже.

Система 100 MIMO использует множество антенн как на стороне передачи, так и на стороне приема линии связи. Эти передающие и приемные антенны могут использоваться для обеспечения различных форм пространственного разнесения (т.е. антенного разнесения), включая разнесение на стороне передачи и на стороне приема. Пространственное разнесение характеризуется применением множества передающих антенн и одной или более приемных антенн. Разнесение на стороне передачи характеризуется передачей данных через множество передающих антенн. Обычно для достижения желаемого разнесения выполняется дополнительная обработка данных, передаваемых через передающие антенны. Например, данные, передаваемые через различные передающие антенны, могут задерживаться или может меняться их порядок следования по времени, кодироваться и перемежаться между различными передающими антеннами и т.п. Разнесение на стороне приема характеризуется приемом передаваемых сигналов посредством множества приемных антенн, и разнесение достигается просто путем приема сигналов по разным сигнальным маршрутам.

Система 100 может функционировать в различных режимах связи, причем каждый режим использует антенное, частотное или временное разнесение или их комбинацию. Режимы связи могут включать в себя, например, режим связи с "разнесением" и режим связи "MIMO". Режим связи с разнесением использует разнесение для улучшения надежности линии связи. В обычных применениях режима связи с разнесением, который также называется режимом связи с "чистым" разнесением, данные передаются на осуществляющее прием приемное устройство через все доступные передающие антенны. Режим связи с "чистым" разнесением может быть использован в ситуациях, когда требования на скорость передачи данных являются низкими, или когда SNR является низким, или когда оба этих случая имеют место. Режим связи MIMO использует антенное разнесение на каждом конце линии связи (т.е. множество передающих антенн и множество приемных антенн) и обычно используется как для улучшения надежности, так и для увеличения емкости линии связи. Режим связи MIMO может дополнительно использовать частотное и/или временное разнесение в сочетании с антенным разнесением.

Система 100 может использовать модуляцию с ортогональным частотным разделением (OFDM), которая эффективно разделяет рабочую полосу частот на определенное количество (N_L) частотных подканалов (т.е. частотных элементов). В каждом временном слоте (т.е. конкретном временном интервале, который может зависеть от полосы пропускания частотного подканала) символ модуляции может передаваться по каждому из N_L частотных подканалов.

Система 100 может функционировать, передавая данные через некоторое количество каналов передачи. Как указывалось выше, канал MIMO может быть разделен на N_C независимых подканалов, . Каждый из N_C независимых каналов также называется пространственным подканалом канала MIMO. Для системы MIMO, не использующей OFDM, обычно существует только один частотный подканал и каждый пространственный подканал можно называть "каналом передачи". Для системы MIMO, использующей OFDM, каналом передачи можно называть каждый пространственный подканал каждого частотного подканала.

Система MIMO может обеспечить лучшие рабочие характеристики при использовании дополнительных размерностей, создаваемых множеством передающих и приемных антенн. Хотя требование знания CSI в передатчике не является необходимым, возможно увеличение эффективности системы и улучшение рабочих характеристик, если передатчик имеет информацию CSI, которая отражает характеристики передачи от передающих антенн к приемным антеннам. Обработка данных в передатчике перед передачей зависит от наличия или отсутствия информации CSI.

Доступная CSI может содержать, например, отношение сигнал/шум-плюс-помеха (SNR) каждого канала передачи (т.е. SNR для каждого пространственного подканала для системы MIMO без OFDM или SNR для каждого пространственного подканала каждого частотного подканала для системы MIMO с OFDM). В этом случае данные могут адаптивно обрабатываться в передатчике (например, путем выбора подходящих схем кодирования и модуляции) для каждого канала передачи, основываясь на SNR канала.

Для системы MIMO, не применяющей OFDM, TX MIMO процессор 120 принимает и демультиплексирует символы модуляции от ТХ процессора 114 данных и обеспечивает поток символов модуляции для каждой передающей антенны, один символ модуляции для одного временного интервала (слота). А для системы MIMO, не применяющей OFDM, TX MIMO процессор 120 обеспечивает вектор потоков символов модуляции для каждой передающей антенны, причем каждый вектор включает в себя N_L символов модуляции для N_L частотных подканалов, для данного временного слота. Каждый поток символов модуляции или векторов символов модуляции принимается и модулируется соответствующим модулятором (MOD) 122 и передается через передающую антенну 124.

В приемной системе 150 определенное число приемных антенн 152 принимает переданные сигналы и подает принятые сигналы на соответствующие демодуляторы (DEMOD) 154. Каждый демодулятор 154 выполняет обработку, являющуюся дополняющей (взаимно обратной) для обработки, выполненной в модуляторе 122. Символы модуляции от всех демодуляторов 154 подаются в приемный (RX) процессор 156 MIMO/данных и обрабатываются для восстановления переданных потоков данных. RX процессор 156 MIMO/данных выполняет обработку, являющуюся дополняющей для обработки, выполняемой ТХ процессором 114 данных и ТХ MIMO процессором 120, и подает декодированные данные в коллектор 160 данных. Обработка в приемной системе 150 описана более детально ниже.

Пространственные подканалы системы MIMO (или, в общем случае, каналы передачи в системе MIMO с OFDM или без нее) обычно находятся в различных условиях соединения (например, испытывая различные виды замирания и эффекты, связанные с многолучевым прохождением) и могут иметь различное отношение SNR. Следовательно, пропускная способность каналов передачи может различаться от канала к каналу. Эта пропускная способность может быть описана количественно при помощи скорости передачи двоичной информации (т.е. числа информационных битов на один символ модуляции), которая может быть передана в каждом канале передачи при конкретном уровне рабочих характеристик (например, конкретный уровень битовых ошибок (BER) или уровень пакетных ошибок (PER)). Более того, условия соединения обычно изменяются со временем. В результате поддерживаемая скорость передачи двоичной информации также меняется со временем. Для более полного использования пропускной способности каналов передачи может быть определена (обычно в приемном устройстве) информация CSI, отражающая условия соединения, и предоставлена передающему устройству для соответствующей настройки (или адаптации) обработки. В состав CSI может входить информация любого типа, которая отражает характеристики линии связи и может быть описана посредством различных механизмов, как описано ниже более детально. Для простоты в различных аспектах и вариантах осуществления настоящего изобретения, изложенных ниже, полагается, что CSI содержит SNR. Способы определения и использования CSI для обеспечения улучшенных рабочих характеристик системы изложены ниже.

Передающая система MIMO с обработкой CSI

На Фиг.2 представлена блок-схема варианта осуществления передающей системы 110а MIMO, которая не использует OFDM, но способна настраивать свою обработку, основываясь на CSI, доступной для передающей системы (например, как сообщение приемной системы 150). Передающая система 110а представляет собой один из вариантов осуществления передающей части системы 110 по Фиг.1. Система 110а включает в себя: (1) ТХ процессор 114а данных, который принимает и обрабатывает биты информации для обеспечения символов модуляции и (2) ТХ MIMO процессор 120а, который демультиплексирует символы модуляции на N_T передающих антенн.

В определенном варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.2, ТХ процессор 114а данных включает в себя демультиплексор 208, связанный с определенным количеством процессоров 210 данных канала, по одному процессору на каждый из N_C каналов передачи. Демультиплексор 208 принимает и демультиплексирует совокупность битов информации в определенное количество (до N_C) потоков данных, по одному потоку данных на каждый из каналов передачи, используемых в передаче данных. Каждый поток данных предоставляется соответствующему процессору 210 данных канала.

В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.2, каждый канальный процессор 210 данных включает кодер 212, устройство 214 перемежения канала и элемент 216 отображения символов. Кодер 212 получает и кодирует биты информации в получаемом потоке данных в соответствии с конкретной схемой кодирования для предоставления кодированных битов. Устройство перемежения 214 канала выполняет перемежение кодированных битов, основываясь на конкретной схеме перемежения для обеспечения разнесения. И элемент 216 отображения символов отображает биты, подвергнутые перемежению, на символы модуляции для канала передачи, используемого при передаче потока данных.

Пилотные данные (например, данные с известной структурой) также могут кодироваться и мультиплексироваться с обработанными битами информации. Обработанные пилотные данные могут передаваться (например, способом мультиплексирования с разделением времени (TDM)) во все или в подмножество каналов передачи, используемых при передаче битов информации. Пилотные данные могут быть использованы в приемнике для выполнения оценки канала, как описано ниже.

Как показано на Фиг.2, кодирование, перемежение и модуляция данных (или их комбинация) могут быть настроены на основе доступной CSI (например, сообщенной приемной системой 150). В одной из схем кодирования и модуляции адаптивное кодирование достигается путем использования постоянного основного кода (турбокода со скоростью 1/3) и настройки "прокалывания" (исключения символов) для достижения желаемой скорости кодирования, поддерживаемой при данном SNR в канале передачи, используемом при передаче данных. Для этой схемы прокалывание может выполняться после перемежения в канале. В другой схеме кодирования и модуляции могут использоваться отличающиеся схемы кодирования, основанные на сообщенной CSI. Например, каждый из потоков данных может кодироваться независимым кодом. При этой схеме для определения и декодирования потоков данных может использоваться схема обработки в приемнике "с последовательным удалением" для получения более надежной оценки передаваемых потоков данных, как более детально описано ниже.

Элемент 216 отображения символов может предназначаться для группировки наборов битов, подвергнутых перемежению, для формирования недвоичных символов и отображения каждого недвоичного символа в некую точку в совокупности сигналов в соответствии с конкретной схемой модуляции (например, QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), M-PSK (М-уровневая фазовая манипуляция), M-QAM (М-уровневая квадратурная амплитудная модуляция) или какая-либо другая схема), выбранной для данного канала передачи. Каждая отображенная сигнальная точка соответствует символу модуляции.

Количество битов информации, которые могут быть переданы с каждым символом модуляции для конкретного уровня рабочих характеристик (например, при одном проценте PER), зависит от SNR канала передачи. Поэтому схема кодирования и модуляции для каждого канала передачи может выбираться, исходя из доступной CSI. Перемежение в канале также может настраиваться исходя из доступной CSI.

В таблице 1 приведен список различных комбинаций скоростей кодирования и схем модуляции, которые могут применяться в указанных пределах SNR. Поддерживаемая скорость передачи двоичной информации для каждого канала передачи может достигаться при применении одной из некоторого числа возможных комбинаций скоростей кодирования и схем модуляции. Например, один бит информации на символ модуляции может быть получен при использовании (1) скорости кодирования 1/2 и модуляции QPSK, (2) скорости кодирования 1/3 и модуляции 8-PSK, (3) скорости кодирования 1/4 и модуляции 16-QAM или какой-либо другой комбинации скорости кодирования и схемы модуляции. В таблице 1 для приведенных пределов SNR применяется QPSK, 16-QAM и 64-QAM. Также могут применяться другие схемы модуляции, такие как 8-PSK, 32-QAM, 128-QAM и т.п. в пределах объема настоящего изобретения.

Таблица 1Пределы SNR# Битов информации/символСимвол модуляции# Кодированных битов/символСкорость кодирования1,5-4,41QPSK21/24,4-6,41,5QPSK23/46,4-8,35216-QAM41/28,35-10,42,516-QAM45/810,4-12,3316-QAM43/412,3-14,153,564-QAM67/1214,15-15,55464-QAM62/315,55-17,354,564-QAM63/4>17,35564-QAM65/6

Символы модуляции от ТХ процессора 114а данных подаются в ТХ MIMO процессор 120а, который является одним из вариантов осуществления ТХ MIMO процессора 120 по Фиг.1. В ТХ MIMO процессоре 120а демультиплексор 222 получает (до) N_C потоков символов модуляции от N_C процессоров 210 данных канала и демультиплексирует полученные символы модуляции в определенное число (N_T) потоков символов модуляции, по одному потоку для каждой антенны, используемой для передачи символов модуляции. Каждый поток символов модуляции подается на соответствующий модулятор 122. Каждый модулятор 122 преобразует символы модуляции в аналоговый сигнал и дополнительно усиливает, фильтрует, осуществляет квадратурную модуляцию и повышает частоту сигнала, образуя модулированный сигнал, подходящий для передачи по беспроводному соединению.

Передающая система MIMO с OFDM

Фиг.3 представляет собой блок-схему варианта осуществления передающей системы MIMO 110с, которая использует OFDM и обеспечивает настройку обработки, основываясь на доступной CSI. В ТХ процессоре 114с данных биты информации, предназначенные для передачи, демультиплексируются в определенное количество (до N_L) потоков данных частотных подканалов, по одному потоку для каждого из частотных подканалов, используемых при передаче данных. Каждый поток данных частотного подканала предоставляется соответствующему процессору 310 данных частотного подканала.

Каждый процессор 310 данных обрабатывает данные для соответствующего частотного подканала системы OFDM. Каждый процессор 310 данных может быть реализован аналогично ТХ процессору 114а данных, показанному на Фиг.2. При такой конструкции, процессор 310 данных включает в себя демультиплексор, который демультиплексирует поток данных частотного подканала в определенное количество подпотоков данных, по одному подпотоку на каждый пространственный подканал, используемый в частотном подканале. Затем каждый подпоток данных кодируется, перемежается и отображается в символы (модуляции) соответствующим процессором данных канала для получения символов модуляции для данного конкретного канала передачи (т.е. пространственного подканала данного частотного подканала). Кодирование и модуляция для каждого канала передачи могут быть настроены, основываясь на доступной CSI (например, сообщенной приемной системой). Каждый процессор 310 данных частотного подканала, таким образом, подает (до) N_C потоков символов модуляции в (до) N_C пространственных подканалов.

Для системы MIMO использующей OFDM, символы модуляции могут передаваться по множеству частотных подканалов и через множество передающих антенн. В процессоре 120с MIMO N_C потоков символов модуляции от каждого процессора 310 данных подаются на соответствующий MIMO процессор 322 канала, который обрабатывает получаемые символы модуляции, основываясь на доступной CSI.

Каждый MIMO процессор 322 канала демультиплексирует N_C символов модуляции для каждого временного слота в N_T символов модуляции для N_T передающих антенн. Каждое устройство 324 комбинирования получает символы модуляции для частотных подканалов количеством до N_L, комбинирует символы для каждого временного слота в вектор символов модуляции V и подает вектор символов модуляции на следующий этап обработки (например, в соответствующий модулятор 122).

Следовательно, MIMO процессор 120с получает и обрабатывает символы модуляции для получения N_T векторов символов модуляции с V₁ по V_Nt, по одному вектору символов модуляции на каждую передающую антенну. Каждый вектор символов модуляции V занимает один временной слот, и каждый элемент вектора символов модуляции V ассоциирован с определенным частотным подканалом, имеющим уникальную поднесущую, переносящую символы модуляции.

На Фиг.3 также показан вариант осуществления модулятора 122 для OFDM. Векторы символов модуляции с V₁ по V_Nt от MIMO процессора 120с подаются на модуляторы с 122а по 122t соответственно. В варианте осуществления, показанном на Фиг.3, каждый модулятор 122 включает в себя инвертирующий быстрый Фурье-преобразователь (IFFT) 320, генератор 322 префикса цикла и преобразователь 324 с повышением частоты.

IFFT 320 преобразует каждый полученный вектор символов модуляции в его временное представление (которое также называется символом OFDM), используя IFFT. IFFT 320 может предназначаться для выполнения IFFT для любого количества частотных подканалов (например, 8, 16, 32, и т.д.). В одном из вариантов осуществления изобретения для каждого вектора символов модуляции, преобразованного в символ OFDM, генератор 322 префикса цикла повторяет часть временного представления символа OFDM для формирования "символа передачи" для конкретной передающей антенны. Префикс цикла гарантирует, что символ передачи сохранит свои свойства ортогональности в условиях расширения за счет задержки многолучевого распространения, таким образом, улучшая рабочие характеристики в присутствии вредных эффектов многолучевого распространения. Способы реализации IFFT 320 и генератора 322 префикса цикла известны в данной области техники и не излагаются детально в настоящем описании.

Временные представления от каждого генератора 322 префикса цикла (т.е. символы передачи для каждой антенны) затем обрабатываются (т.е. преобразуются в аналоговый сигнал, модулируются, усиливаются и фильтруются) преобразователем 324 с повышением частоты для получения модулированного сигнала, который затем передается через соответствующую антенну 124.

Модуляция OFDM более детально описана в работе "Multicarrier Modulation for Data Transmission: An Idea Whose Time Has Come", John A.C. Bingham, IEEE Communications Magazine, май 1990, которая включена в настоящее описание посредством ссылки.

На Фиг.2 и 3 показаны две конструкции передатчика MIMO, обеспечивающие реализацию различных аспектов настоящего изобретения. В рамках объема настоящего изобретения также могут быть реализованы другие конструкции передатчика. Некоторые из таких конструкций передатчика более детально описаны в патентной заявке США № 09/532,492 на "Высокоэффективную систему с высокими рабочими характеристиками, использующую модуляцию с множеством несущих" от 22 марта 2000 г., вышеупомянутой патентной заявке № 09/776,075 и в патентной заявке № 09/826,481 на "Способ и устройство для использования информации о состоянии канала в системе беспроводной связи" от 23 марта 2001 г., права на которые принадлежат правообладателю настоящей заявки и которые включены в данное описание посредством ссылки. Эти патентные заявки более детально описывают обработку MIMO и обработку CSI.

В общем случае передающая система 110 кодирует и модулирует данные для каждого канала передачи, основываясь на информации, отражающей пропускную способность этих каналов. Эта информация обычно представлена в виде CSI. CSI для каналов передачи, используемых для передачи данных, обычно определяется в приемной системе и сообщается передающей системе, которая затем использует данную информацию для соответствующей настройки кодирования и модуляции. Способы, изложенные в настоящем описании, применимы в случае множественных параллельных каналов передачи, поддерживаемых MIMO, OFDM или какой-либо другой схемой связи (например, схемой CDMA), способной поддерживать множество параллельных каналов передачи.

Приемная система MIMO

Аспекты настоящего изобретения обеспечивают способы (1) обработки принятых сигналов в приемной системе MIMO, основанные на схеме обработки в приемнике последовательным удалением для восстановления переданных данных, и (2) настройки обработки данных в передающей системе на основе оцененных характеристик канала MIMO. В одном из аспектов для обработки принятых сигналов используется способ обработки в приемнике с последовательным удалением (описанный ниже). В другом аспекте характеристики канала оцениваются в приемной системе и сообщаются приемной системе, которая использует данную информацию для настройки (т.е. адаптации) обработки данных (например, кодирования, модуляции и т.п.). Применяя комбинацию способа обработки в приемнике с последовательным удалением и способа адаптивной обработки в передатчике, в системе MIMO могут быть реализованы высокие рабочие характеристики.

На Фиг.4 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ обработки в приемнике с последовательным удалением при обработке N_R принятых сигналов для восстановления N_T переданных сигналов. Для простоты в последующем описании по Фиг.4 полагается, что (1) количество каналов передачи (т.е. пространственных подканалов для системы MIMO, не использующей OFDM) равно количеству передающих антенн (т.е. N_C=N_T) и (2) через каждую антенну передается один независимый поток данных.

Сначала на шаге 412 приемная система выполняет линейную или нелинейную пространственную обработку N_R принятых сигналов, пытаясь разделить множество переданных сигналов, входящих в состав принятых сигналов. Линейная пространственная обработка может выполняться над принятыми сигналами, если канал MIMO является каналом "без дисперсии" (т.е. с не зависящим от частоты, или равномерным замиранием). Также может быть необходимым или желательным выполнить дополнительную линейную или нелинейную временную обработку (т.е. уравнивание) принятых сигналов, если канал MIMO является каналом с временной дисперсией (т.е. с замиранием, зависящим от частоты). Пространственная обработка может основываться на способе инверсии матрицы корреляции канала (CCMI), способе минимального среднеквадратичного отклонения (MMSE) или каких-либо других способах. Пространственно-временная обработка может быть основана на линейном корректоре MMSE (MMSE-LE), корректоре с решающей обратной связью (DFE), устройстве оценки последовательности максимального правдоподобия (MLSE) и других способах. Некоторые из этих способов пространственной и пространственно-временной обработки более детально описаны ниже. Величина достижимого разделения сигналов зависит от величины корреляции между переданными сигналами, большее разделение сигналов может быть достигнуто, если корреляция переданных сигналов будет меньше.

Шаг начальной пространственной или пространственно-временной обработки предоставляет N_T сигналов "после обработки", которые представляют собой оценки N_T переданных сигналов. Затем на шаге 414 определяется SNR для N_T сигналов после обработки. SNR может оценивается способом, более детально описанным ниже. В одном из вариантов осуществления изобретения на шаге 416 SNR ранжируются в порядке от наибольшего к наименьшему SNR, и сигнал после обработки, имеющий наибольшее SNR, выделяется и дополнительно обрабатывается (т.е. "детектируется") для получения потока декодированных данных. Детектирование обычно включает в себя демодуляцию, обратное перемежение и декодирование выбранного сигнала после обработки. Поток декодированных данных представляет собой оценку потока данных, переданных в переданном сигнале, восстанавливаемом на данной итерации. Конкретный сигнал для детектирования после обработки также может быть выбран исходя из какой-либо другой схемы (например, конкретный сигнал может быть назначен передающей системой).

На шаге 418 происходит определение, все ли переданные сигналы были восстановлены. Если все переданные сигналы были восстановлены, то обработка в приемнике завершается. В противном случае помеха, связанная с потоком декодированных данных, удаляется из принятых сигналов, для получения "модифицированных" сигналов для следующей итерации для восстановления следующего переданного сигнала.

На шаге 420 поток декодированных данных используется для формирования оценки помехи, представляемой переданным сигналом, соответствующим потоку декодированных данных, по каждому из принятых сигналов. Помеха может быть оценена путем повторного кодирования декодированных данных, перемежения повторно кодированных данных и отображения перемеженных данных на символы (модуляции) (используя те же схемы кодирования перемежения и модуляции, которые использовал передатчик для данного потока данных) для получения потока символов "повторной модуляции". Поток символов повторной модуляции представляет собой оценку потока символов модуляции, перед этим переданного через одну из N_T передающих антенн и принятого на N_R приемных антенн. Таким образом, поток символов повторной модуляции подвергается свертке с каждым из N_R элементов в векторе оценки отклика канала для получения N_R сигналов помех, связанных с восстановленным переданным сигналом. Вектор представляет собой определенный столбец матрицы H (N_RxN_T) коэффициентов каналов, которая представляет оценку отклика канала MIMO для N_T передающих антенн и N_R приемных антенн в определенный момент времени, которая может быть получена исходя из пилотных сигналов, передаваемых вместе с данными. Затем на шаге 422 N_R сигналов помехи вычитаются из N_R соответствующих принятых сигналов для получения N_R модифицированных сигналов. Данные модифицированные сигналы представляют сигналы в приемных антеннах при условии, что компоненты, соответствующие потоку декодированных данных, не передавались (т.е. предполагая, что устранение помехи было произведено успешно).

Обработка, выполненная на шагах с 412 по 416, затем повторяется с N_R модифицированными сигналами (вместо N_R принятых сигналов) для восстановления другого принятого сигнала. Таким образом, шаги с 412 по 416 повторяются для каждого переданного сигнала, подлежащего восстановлению, а шаги с 420 по 422 выполняются, если есть другие сигналы, подлежащие восстановлению.

Таким образом, способ обработки в приемнике с последовательным удалением выполняет ряд итераций, по одной итерации на каждый переданный сигнал, подлежащий восстановлению. Каждая итерация (кроме последней) выполняет обработку, состоящую из двух частей, для восстановления одного из переданных сигналов и для генерации модифицированных сигналов для следующей итерации. В первой части выполняется пространственная обработка или пространственно-временная обработка N_R принятых сигналов для образования N_R сигналов после обработки, и один из сигналов после обработки детектируется для восстановления потока данных, соответствующего данному переданному сигналу. Во второй части (выполнение которой не требуется на последней итерации) помеха, связанная с потоком декодированных данных, удаляется из принятых сигналов для получения модифицированных сигналов с удаленным восстановленным компонентом.

Изначально входные сигналы для первой итерации являются принятыми сигналами, которые могут быть выражены как:

где представляет собой вектор N_R принятых сигналов и представляет собой вектор N_R входных сигналов для первой итерации схемы обработки в приемнике с последовательным удалением. Данные входные сигналы подвергаются линейной и нелинейной обработке для получения сигналов после обработки, которые могут быть выражены как:

где представляет собой вектор N_R сигналов после обработки для первой итерации. Можно оценить SNR сигналов после обработки, что может быть выражено как:

Один из сигналов после обработки выбирается для дальнейшей обработки (например, сигналов после обработки с наиболее высоким SNR) для получения потока декодированных данных. Данный поток декодированных данных затем используется для оценки помех , создаваемой принятым сигналом, которая может быть выражена как:

Помеха затем вычитается из вектора входных сигналов для данной итерации для получения модифицированных сигналов, содержащих вектор входных сигналов для следующей итерации. Удаление помех может быть выражено как:

Затем тот же самый процесс повторяется для следующей итерации, причем вектор содержит входные сигналы для данной итерации.

При схеме обработки при приеме с последовательным удалением при каждой итерации восстанавливается один переданный сигнал, и SNR для i-того переданного сигнала, восстановленный на k-й итерации, , может быть предоставлен в качестве CSI для канала передачи, использованного для передачи данного восстановленного сигнала. Например, если первый сигнал после обработки восстановлен на первой итерации, второй сигнал после обработки восстановлен на второй итерации и т.д., и N_T-й сигнал после обработки восстановлен на последней итерации, тогда CSI, который может сообщаться для данных восстановленных сигналов, может быть выражен как .

Используя способ обработки при приеме с последовательным удалением, N_R принятых первичных сигналов, таким образом, последовательно обрабатываются, для получения одного восстановленного сигналя за раз. Более того, каждый восстановленный переданный сигнал удаляется (т.е. аннулируется) из принятых сигналов перед обработкой для восстановления очередного переданного сигнала. Если переданные потоки данных могут быть декодированы без ошибок (или с минимальным уровнем ошибок) и если оценка отклика канала является точной в разумных пределах, тогда удаление помех соответствующих предварительно восстановленным переданным сигналам от принятых сигналов, является эффективным. Удаление помех обычно улучшает SNR каждого переданного сигнала, предназначенного для последующего восстановления. В этом случае более высокие рабочие характеристики могут быть достигнуты для всех переданных сигналов (возможно за исключением первого переданного сигнала, предназначенного для восстановления).

Возможное улучшение SNR для восстановленных переданных сигналов с использованием способа обработки в приемнике с последовательным удалением может быть проиллюстрировано на примере. В этом примере пара кросс-поляризованных антенн используется как в передатчике, так и в приемнике, канал MIMO является каналом прямой видимости, и передаются четыре независимых потока данных посредством вертикальной и горизонтальной компонент пары передающих кросс-поляризованных антенн. Для простоты предполагается, что развязка по кросс-поляризации является идеальной, так что вертикальная и горизонтальная компоненты в приемнике не влияют друг на друга.

Приемник изначально принимает четыре сигнала посредством вертикальной и горизонтальной компонент пары приемных кросс-поляризованных антенн и обрабатывает эти четыре принятых сигнала. Принятые вертикальными элементами кросс-поляризованных антенн сигналы имеют сильную корреляцию, и принятые горизонтальными элементами сигналы также имеют сильную корреляцию.

Поскольку имеется сильная линейная зависимость между двумя или более приемо-передающими парами антенн, составляющих канал MIMO, возможность нулевой помехи отсутствует. В этом случае линейная пространственная обработка будет неэффективной при разделении четырех независимых потоков данных, переданных посредством вертикальной и горизонтальной компонент пары кросс-поляризованных антенн. Более точно, вертикальная компонента каждой передающей кросс-поляризованной антенны создает помеху вертикальной компоненте другой передающей кросс-поляризованной антенны, и аналогичная помеха имеет место для горизонтальных компонент. Таким образом, результирующий SNR для каждого из четырех передаваемых сигналов будет малым вследствие коррелированной помехи от другой антенны с такой же поляризацией. В результате пропускная способность передаваемых сигналов будет сильно ограничена коррелированным помеховым сигналом.

При рассмотрении собственных мод для этого примера канала MIMO можно видеть, что существуют только две собственные моды (т.е. вертикальная и горизонтальная поляризации). При схеме обработки "с полной CSI" передается только два независимых потока данных с использованием этих двух собственных мод. Пропускная способность, достижимая в этом случае, может быть выражена как:

где представляет собой отношение мощности передаваемого сигнала к мощности теплового шума для i-й собственной моды. Таким образом, пропускная способность при схеме обработки с полной CSI для этого примера канала MIMO идентична пропускной способности двух параллельных аддитивных каналов с белым гауссовским шумом (AWGN), причем каждый канал имеет SNR, определяемое .

В способе обработки в приемнике с последовательным удалением линейная пространственная обработка, выполняемая на шаге 412, в начале дает SNR для каждого из четырех передаваемых сигналов 0 dB или менее (вследствие суммы шума и помехи от другого передаваемого сигнала с той же поляризацией). Общая пропускная способность останется низкой, если не будет произведена дополнительная обработка в приемнике.

Однако, применяя последовательную пространственную обработку и удаление помехи, можно улучшить SNR последовательно восстанавливаемых переданных сигналов. Например, первым переданным сигналом, предназначенным для восстановления, может быть вертикальная поляризация от первой передающей кросс-поляризованной антенны. Если принять, что удаление помехи проведено эффективно (т.е. при нулевых или минимальных ошибках принятия решения и при точных оценках канала), тогда этот сигнал не создает помех (или создает минимальные помехи) оставшимся трем (еще не восстановленным) переданным сигналам. Удаление данной помехи вертикальной поляризации улучшает SNR другого, еще не восстановленного, сигнала, переданного с вертикальной поляризацией. Для этого простого примера развязка по кросс-поляризации полагалась идеальной, два сигнала, передаваемых с горизонтальной поляризацией, не создавали помех сигналам, передаваемым с вертикальной поляризацией. Таким образом, при эффективном удалении помехи сигнал, переданный с вертикальной поляризацией второй кросс-поляризованной антенны с поперечной поляризацией, может быть восстановлен с SNR, который ограничен (теоретически) тепловым шумом.

В вышеприведенном примере удаление помехи из сигнала с вертикальной поляризацией не влияет на SNR сигналов, передаваемых с горизонтальной поляризацией. Таким образом, последовательная пространственная обработка и удаление помехи аналогично применимы к двум сигналам, передаваемым с горизонтальной поляризацией. Это дает в результате то, что первый восстановленный сигнал с горизонтальной поляризацией имеет низкий SNR и второй восстановленный сигнал с горизонтальной поляризацией имеет SNR, который также ограничен (теоретически) тепловым шумом.

В результате выполнения последовательной пространственной обработки и удаления помехи два переданных сигнала с низким SNR дают малый вклад в общую пропускную способность, но два переданных сигнала с высоким SNR дают значительный вклад в общую пропускную способность.

Каналы с дисперсией и без дисперсии

Могут использоваться различные схемы обработки при приеме и (возможно) при передаче в зависимости от характеристик канала MIMO, который может характеризоваться либо как канал без дисперсии, либо как канал с дисперсией. Канал MIMO без дисперсии испытывает равномерное замирание (т.е. замирание, не зависящее от частоты), которое более вероятно при узкой полосе пропускания системы. Канал MIMO с дисперсией испытывает замирание, зависящее от частоты (т.е. с различной величиной ослабления по полосе пропускания системы), которое более вероятно при широкой полосе пропускания системы и для определенных условий работы и типов среды. Способ обработки в приемнике с последовательным удалением может успешно использоваться как для каналов MIMO без дисперсии, так и с дисперсией.

Для канала MIMO без дисперсии для обработки принятых сигналов перед демодуляцией и декодированием могут быть использованы способы линейной пространственной обработки, такие как CCMI и MMSE. Способы линейной пространственной обработки могут использоваться в приемнике для обнуления нежелательных сигналов или максимального увеличения при приеме для отношения сигнал/помеха-плюс-шум каждой из составляющих сигналов при наличии шума или взаимных помех с другими сигналами. Возможность эффективного обнуления нежелательных сигналов или оптимизации отношений сигнал/помеха-плюс-шум зависит от корреляции в матрице коэффициентов каналов, которая описывает отклик канала между передающей и приемной антеннами. Способ обработки при приеме с последовательным удалением (т.е. с CCMI или MMSE) может быть успешно применен для канала MIMO без дисперсии.

Для канала MIMO без дисперсии временная дисперсия в канале представлена межсимвольной интерференцией (ISI). Для улучшения рабочих характеристик широкополосный приемник, пытающийся восстановить определенный передаваемый поток данных, должен уменьшить как перекрестные помехи от других передаваемых сигналов, так и межсимвольную интерференцию от всех передаваемых сигналов. Способ обработки в приемнике с последовательным удалением может быть расширен для работы с каналом MIMO с дисперсией. Для решения проблемы перекрестных помех и межсимвольной интерференции пространственная обработка в узкополосном приемнике (который хорошо справляется с перекрестными помехами, но неэффективно справляется с межсимвольной интерференцией) может быть заменена пространственной обработкой в широкополосном приемнике. В широкополосном приемнике способ обработки в приемнике с последовательным удалением может применяться аналогично тому, как описано в связи с Фиг.4. Однако пространственная обработка, выполняемая на шаге 412, заменяется пространственно-временной обработкой.

В одном из вариантов осуществления изобретения в широкополосном приемнике для пространственно-временной обработки может использоваться линейный корректор MMSE (MMSE-LE). С применением способа MMSE-LE пространственно-временная обработка принимает форму, аналогичную пространственной обработке для узкополосного канала. Однако каждая "секция фильтра" в пространственном процессоре включает в себя более чем одну секцию, как это описано более детально ниже. Способ MMSE-LE является наиболее эффективным для применения в пространственно-временной обработке, если оценки каналов (т.е. матрица коэффициентов каналов) являются точными.

В другом варианте осуществления изобретения в широкополосном приемнике для пространственно-временной обработки может использоваться корректор с решающей обратной связью (DFE). DFE представляет собой нелинейный корректор, который эффективен для каналов с сильными амплитудными искажениями и использует решающую обратную связь для удаления помех от символов, которые уже были детектированы. Если поток данных может быть декодирован без ошибок (или с минимальным уровнем ошибок), тогда межсимвольная интерференция, связанная с символами модуляции, соответствующими декодированным битам данных, может быть эффективно удалена.

Еще в одном варианте осуществления изобретения для пространственно-временной обработки может использоваться устройство оценки последовательности максимального правдоподобия (MLSE).

Способы DFE и MLSE могут уменьшить или, возможно, устранить ухудшение рабочих характеристик при неточной оценке канала. Способы DFE и MLSE изложены более детально в работе S.L. Ariyavistakul и др. "Optimum Space-Time Processors with Dispersive Interference: Unified Analysis and Required Filter Span", IEEE Trans. on Communications, Vol.7, No.7, July 1999, включенной в настоящее описание посредством ссылки.

Адаптивная обработка в передатчике, основанная на доступной CSI, и обработка в приемнике с последовательным удалением могут быть успешно применены для каналов MIMO с дисперсией. SNR для восстановленного переданного сигнала с выходов каждого этапа пространственно-временной обработки могут составлять CSI для данного переданного сигнала. Эта информация может быть направлена в передатчик для помощи при выборе подходящих схем кодирования и модуляции. Для потока данных, ассоциированного с данным переданным сигналом.

Структура приемника

На Фиг.5 представлена блок-схема приемной системы 150а, способной реализовать различные аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения. Приемная система 150а реализует способ обработки в приемнике с последовательным удалением для приема и восстановления переданных сигналов. Переданные сигналы от (до) N_T передающих антенн принимаются каждой из N_R антенн с 152а по 152r и направляются в соответствующий демодулятор (DEMOD) 154 (который также называется процессором предварительной обработки). Например, приемная антенна 152а может принимать определенное количество переданных сигналов от определенного количества передающих антенн, и антенна 152r аналогично может принимать множество переданных сигналов. Каждый демодулятор 154 формирует (т.е. фильтрует и усиливает) соответствующий принятый сигнал, понижает частоту сформированного сигнала до промежуточной частоты или до полосы частот модулирующих сигналов и оцифровывает сигналы с пониженной частотой для получения выборок. Каждый демодулятор 154 может дополнительно демодулировать выборки с принятым пилотным сигналом для получения потока принятых символов модуляции, который направляется в RX процессор 156 MIMO/данных.

Если при передаче данных применяется OFDM, каждый демодулятор 154 дополнительно выполняет обработку, дополняющую обработку, выполняемую модулятором 122, показанным на Фиг.3. В этом случае каждый демодулятор 154 включает в себя FFT процессор (не показан), который генерирует преобразованное представление выборок и обеспечивает поток векторов символов модуляции. Каждый вектор включает в себя N_L символов модуляции для N_L частотных подканалов, и за один временной слот предоставляется один вектор. Потоки векторов символов модуляции от FFT процессоров всех N_R демодуляторов затем направляются в демультиплексор (не показан на Фиг.5), который "канализирует" поток векторов символов модуляции от каждого FFT процессора в определенное количество (до N_L) потоков символов модуляции. Для схемы обработки при передаче, в которой каждый частотный подканал обрабатывается независимо (например, как показано на Фиг.3), демультиплексор дополнительно предоставляет каждый из (вплоть до) N_L потоков символов модуляции в соответствующий RX процессор 156 MIMO/данных.

Для системы MIMO, использующей OFDM, один RX процессор 156 MIMO/данных может использоваться для обработки N_R потоков символов модуляции от N_R приемных антенн для каждого из N_L частотных подканалов, используемых при передаче данных. И для системы MIMO, не использующей OFDM, один RX процессор 156 MIMO/данных может использоваться для обработки N_R потоков символов модуляции от N_R приемных антенн.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5, RX процессор 156 MIMO/данных включает в себя определенное количество последовательных (т.е. каскадных) этапов 510 обработки в приемнике, один этап на каждый из каналов передачи, используемых для передачи данных. В одной из схем обработки при передаче по каждому каналу передается один поток данных, и каждый поток данных обрабатывается независимо (например, с его собственной схемой кодирования и модуляции) и передается через соответствующую передающую антенну. Для этой схемы обработки при передаче количество потоков данных равно количеству каналов передачи, что соответствует количеству передающих антенн, используемых для передачи данных (что может быть подмножеством доступных передающих антенн). Для ясности RX процессор 156 MIMO/данных описан для этой схемы обработки при передаче.

Каждый этап 510 обработки в приемнике (за исключением последнего этапа 510n) включает в себя канальный процессор 520 MIMO/данных, связанный с устройством 530 устранения помех, и последний этап 510n включает в себя только канальный процессор 520n MIMO/данных. Для первого этапа 510а обработки данных при приеме канальный процессор 520а MIMO/данных получает и обрабатывает N_R потоков символов модуляции от демодуляторов с 154а по 154r для предоставления потока декодированных данных для первого канала передачи (или для первого переданного сигнала). А для каждого этапа со второго 510b до последнего 510n канальный процессор 520 MIMO/данных для этого этапа получает и обрабатывает N_R модифицированных потоков символов от устройства устранения помех предыдущего этапа для получения потока декодированных данных для канала передачи, обрабатываемого на данном этапе. Каждый канальный процессор 520 MIMO/данных дополнительно предоставляет CSI (например, SNR) для ассоциированного канала передачи.

Для первого этапа 510а обработки при приеме устройство 530а устранения помех получает N_R потоков символов модуляции от всех N_R демодуляторов 154. И для каждого этапа, с второго до последнего, устройство 530 устранения помех получает N_R модифицированных потоков символов от устройства устранения помех предыдущего этапа. Каждое устройство 530 устранения помех также получает на том же этапе поток декодированных данных от канального процессора 520 MIMO/данных и производит обработку (например, кодирование, перемежение, модуляцию, получение отклика канала и т.д.) для получения N_R потоков символов повторной модуляции, которые представляют собой оценки помеховых компонентов в принятых потоках символов модуляции, связанных с потоком декодированных данных. Потоки символов повторной модуляции затем вычитаются из потоков принятых символов модуляции для получения N_R потоков модифицированных символов, которые включают в себя все помеховые компоненты, за исключением вычтенных (т.е. удаленных). Затем N_R потоков модифицированных символов подаются на следующий этап.

На Фиг.5 контроллер 540 показан связанным с RX процессором 156 MIMO/данных и может быть использован для управления различными этапами при обработке в приемнике с последовательным удалением, выполняемой процессором 156.

На Фиг.5 показана структура приемника, которая непосредственно может использоваться, если каждый поток данных передается через соответствующую передающую антенну (т.е. каждому передаваемому сигналу соответствует один поток данных). В этом случае, каждый этап 510 обработки в приемнике может выполняться для восстановления одного из переданных сигналов и обеспечивать поток декодированных данных, соответствующий восстановленному переданному сигналу.

Для других схем обработки при передаче поток данных может передаваться через множество передающих антенн, частотных подканалов и/или временных интервалов для обеспечения, соответственно, пространственного частотного и временного разнесения. Для этих схем обработка в приемнике сначала выделяет принятый поток символов модуляции каждой передающей антенны для каждого частотного подканала. Символы модуляции для множества передающих антенн, частотных подканалов и/или временных интервалов могут быть скомбинированы дополняющим образом относительно операции демультиплексирования, выполняемой в передающей системе. Затем поток комбинированных символов модуляции обрабатывается для обеспечения ассоциированного потока декодированных данных.

Способы пространственной обработки для каналов без дисперсии

Как указано выше, может быть использован ряд способов линейной пространственной обработки для обработки сигналов, принимаемых через канал без дисперсии для восстановления каждого переданного потока сигналов из помех, обусловленных другими потоками передаваемых сигналов. Эти способы включают в себя CCMI, MMSE и, возможно, другие способы. Линейная пространственная обработка выполняется в каждом канальном процессоре 520 MIMO/данных с N_R входными сигналами. Для первого этапа 510а обработки в приемнике входные сигналы представляют собой N_R принятых сигналов от N_R приемных антенн. А для каждого последующего шага входные сигналы представляют собой N_R модифицированных сигналов от устройства устранения помех предшествующего этапа, как было описано выше. Для ясности способы CCMI и MMSE описаны для первого этапа. Тем не менее выполнение каждого последующего этапа происходит таким же образом с соответствующей заменой входных сигналов. Более точно на каждом последующем этапе сигналы, детектированные на предыдущем этапе, полагаются удаленными, так что размерность матрицы коэффициентов каналов уменьшается на каждом этапе, как описано ниже.

В системе MIMO с N_T передающими антеннами и N_R приемными антеннами принятые сигналы на выходе N_R приемных антенн могут быть представлены как:

где является вектором принятых символов (т.е. N_Rx1 вектор на выходе канала MIMO, образованный приемными антеннами), является матрицей коэффициентов каналов, является вектором переданных символов (т.е. N_Tx1 вектор на входе в канал MIMO), и является N_Tx1 вектором, представляющим шум плюс помеху. Вектор принятых символов включает в себя N_R символов модуляции от NR сигналов, принятых через N_R приемных антенн в определенном временном слоте. Аналогично вектор переданных символов включает в себя N_T символов модуляции N_Т сигналов, переданных через N_Т передающих антенн в определенном временном слоте. Матрица коэффициентов каналов может быть записана как:

где векторы содержат коэффициенты каналов, ассоциированные с i-й передающей антенной. На каждом последующем шаге процесса последовательного удаления столбец векторов в уравнении (6а), ассоциированный с удаленным перед этим сигналом, удаляется. Предположив для простоты, что переданные сигналы удаляются в том же порядке, в каком они записаны в уравнении (6а), получим на этапе k процесса последовательного удаления матрицу коэффициентов каналов в виде:

Способ CCMI

Для способа CCMI пространственной обработки приемная система сначала выполняет над вектором принятых символов операцию согласованной фильтрации. Выходной результат операции согласованной фильтрации может быть выражен как:

где надстрочный символ "H" представляет транспонирование и сопряжение. Квадратная матрица может быть использована для обозначения произведения матрицы коэффициентов каналов и результата ее транспонирования и сопряжения (т.е. ).

Матрица коэффициентов каналов может быть получена, например, из пилотных символов, передаваемых вместе с данными. Для того чтобы выполнить "оптимальный" прием и оценить SNR каналов передачи, часто бывает удобно вставить некие известные символы в поток передаваемых данных и передавать известные символы по одному или более каналам передачи. Такие известные символы часто называются пилотными символами или пилотными сигналами. Способы оценки единичного канала передачи, основанные на пилотном сигнале и/или передаче данных, описаны в ряде работ, известных в данной области техники. Один такой способ оценки канала изложен в работе F.Ling, "Optimal Reception, Performance Bound, and Cutoff-Rate Analysis of References-Assisted Coherent CDMA Communications with Applications", IEEE Transaction On Communication, Oct. 1999. Этот или какой-либо другой способ оценки канала может быть расширен до матричной формы для вывода матрицы коэффициентов каналов способом, известным в данной области техники.

Оценка вектора переданных символов может быть получена умножением вектора согласованной фильтрации на инверсию (или псевдоинверсию) , что может быть выражено как:

Из вышеприведенного уравнения можно видеть, что вектор переданных символов может быть восстановлен при помощи согласованной фильтрации (т.е. умножением на матрицу ) вектора принятых символов и последующего умножения результата фильтрации на инвертированную квадратную матрицу .

Для способа CCMI, SNR вектора принятых символов после обработки (т.е. i-й элемент ) может быть выражен как:

Если дисперсия i-го переданного символа в среднем равна единице, то SNR вектора принятых символов после обработки может быть выражен как:

Дисперсия шума может быть нормализована умножением i-го элемента вектора принятых символов на .

Если поток символов модуляции размножается и передается через множество передающих антенн, тогда эти символы модуляции могут быть просуммированы для формирования комбинированных символов модуляции. Например, если поток данных передается через все антенны, тогда символы модуляции, соответствующие всем N_T передающим антеннам, суммируются и комбинированный символ модуляции может быть выражен как:

В качестве альтернативы передатчик может работать, передавая один или более потоков данных в определенное количество каналов, используя одинаковые схемы кодирования и модуляции для некоторых или для всех передающих антенн. В этом случае может быть необходим только один SNR (например, средний SNR) для каналов передачи, в которых применяются общая схема кодирования и модуляции. Например, если для всех передающих антенн применяется одна и та же схема кодирования и модуляции, то может быть определен SNR комбинированного символа модуляции, SNR_total. Комбинированный SNR может быть выражен как:

На Фиг.6А приведена блок-схема варианта осуществления канального процессора 520х MIMO/данных, который обеспечивает реализацию способа CCMI, описанного выше. Канальный процессор 520х MIMO/данных включает в себя процессор 610х (выполняющий обработку CCMI), связанный с RX процессором 620 данных.

В процессоре 610х векторы принятых символов модуляции фильтруются согласованным фильтром 614, который умножает слева каждый вектор на транспонированную и сопряженную матрицу , как показано выше в уравнении (7). Матрица коэффициентов каналов может быть оценена на основе пилотных сигналов, способом, аналогичным обычным способам для систем с одной и многими несущими, известным в данной области техники. Матрица вычисляется из уравнения , как показано выше. После фильтрации векторы умножаются слева умножителем 616 на инвертированную квадратную матрицу для формирования оценки вектора переданных символов модуляции, как показано выше в уравнении (8).

Для определенных схем обработки при передаче потоки оценок символов модуляции, соответствующие множеству передающих антенн, используемых для передачи потока данных, могут направляться в сумматор 618, который объединяет избыточную информацию по времени, пространству и частоте. Суммированный символ модуляции затем направляется в RX процессор 620 данных. Для некоторых других схем обработки при передаче оценки символов модуляции могут направляться непосредственно (не показано на Фиг.6А) в RX процессор 620 данных.

Таким образом, процессор 610х генерирует определенное количество потоков символов, соответствующих определенному количеству потоков данных, передаваемых передающей системой. Каждый поток символов включает в себя восстановленные символы модуляции, которые соответствуют и являются оценками символов модуляции после операции отображения на символы (модуляции) в передающей системе. Потоки (восстановленных) символов затем направляются в RX процессор 620 данных.

Как указывалось выше, каждый этап 510 в RX процессоре 156 MIMO/данных восстанавливает и декодирует один из переданных сигналов (например, переданный сигнал с наилучшим SNR), которые входят в состав входных сигналов этого этапа. Оценка CSI для переданных сигналов выполняется процессором 626 CSI и может выполняться на основе уравнений (9) и (11), приведенных выше. Затем процессор 626 CSI обеспечивает информацию CSI (например, SNR) для переданных сигналов, из которых затем выбирается (например, "наилучший") для восстановления и декодирования, и дополнительно обеспечивает сигнал управления, идентифицирующий выбранный переданный сигнал.

На Фиг.7 представлена блок-схема варианта осуществления RX процессора 620 данных. В данном варианте осуществления селектор 710 в RX процессоре 620 данных получает определенное количество потоков символов от предшествующего процессора линейной пространственной обработки и выделяет поток символов, соответствующий выбранному переданному сигналу, определяемому сигналом управления от процессора 626 CSI. В альтернативном варианте осуществления RX процессору 620 данных предоставляется поток символов, соответствующий выбранному переданному сигналу и выделение потока может быть выполнено сумматором 618 на основе сигнала управления от процессора 626 CSI. В любом случае выделенный поток символов модуляции направляется в элемент 712 демодуляции.

Для варианта осуществления передатчика, показанного на Фиг.2, в котором поток данных для каждого канала передачи кодируется и модулируется независимо, исходя из SNR канала, восстановленные символы модуляции для выбранного канала передачи демодулируются согласно схеме демодуляции (например, M-PSK, M-QAM), которая является дополняющей (взаимно обратной) для схемы модуляции, используемой для канала передачи. Демодулированные данные из элемента 712 демодуляции затем подвергаются обратному перемежению в устройстве 714 обратного перемежения способом, обратным используемому в устройстве 214 перемежения канала, и затем данные, подвергнутые обратному перемежению, декодируются в декодере 716 способом, обратным используемому в кодере 212. Например, в качестве декодера 716 могут быть использованы турбодекодер или декодер Витерби, если в передатчике выполняется, соответственно, турбокодирование или кодирование сверткой. Поток декодированных данных из декодера 716 представляет оценку восстановленного потока переданных данных.

Согласно Фиг.6А оценка символов модуляции и/или комбинированные символы модуляции также предоставляются процессору 626 CSI, который оценивает SNR для каналов передачи. Например, процессор 626 CSI может оценивать ковариационную матрицу шума, исходя из принимаемых пилотных сигналов, и затем вычислять SNR для i-го канала передачи исходя из уравнения (9) или (11). SNR может быть оценено способом, аналогичным обычным способам для систем с одной и множеством несущих, известным в данной области техники. SNR для всех каналов передачи может образовывать информацию CSI, отправляемую передающей системе для данного канала передачи. Процессор 626 CSI дополнительно предоставляет в RX процессор 620 данных или сумматор 618 сигнал управления, идентифицирующий выбранный канал передачи.

Оценка символов модуляции дополнительно предоставляется в устройство 622 оценки канала и матричный процессор 624, которые соответственно оценивают матрицу коэффициентов каналов, и вычисляет квадратную матрицу . Оценки символов модуляции, соответствующие пилотным данным и/или данным трафика, могут быть использованы для оценки матрицы коэффициентов каналов.

Согласно Фиг.5 входные сигналы для первого этапа 510а включают в себя все переданные сигналы, а входные сигналы для каждого последующего этапа включают в себя один переданный сигнал (т.е. один терм), удаленный на предыдущем этапе. Таким образом, канальный процессор 520а MIMO/данных на первом этапе 510а может проектироваться и использоваться для оценки матрицы коэффициентов каналов и предоставления этой матрицы для всех последующих этапов.

Информация CSI, предназначенная для сообщения передающей системе, может включать в себя SNR каналов передачи, как определено на этапах обработки в процессоре 156 MIMO/данных.

Способ MMSE

Для способа пространственной обработки MMSE приемная система сначала выполняет умножение вектора принятых символов на матрицу весовых коэффициентов для получения начальной оценки MMSE вектора переданных символов , который может быть выражен как:

где

Матрица выбирается таким образом, что среднеквадратичная ошибка вектора ошибок между начальной оценкой MMSE и вектором переданных символов (т.е. ) минимальна.

Для определения SNR каналов передачи для способа MMSE сначала должен быть определен сигнальный компонент на основе среднего для данного , усредненного по аддитивному шуму, что может быть выражено как:

где матрица может быть выражена как:

i-й элемент начальной оценки MMSE может быть выражен как:

Если все элементы не коррелированы и имеют нулевое среднее, математическое ожидание i-го элемента может быть выражено как:

Как видно из уравнения 15, является смещенной оценкой , и это смещение может быть устранено для получения улучшенных рабочих характеристик. Несмещенная оценка может быть получена делением на . Таким образом, несмещенная оценка с минимальной среднеквадратичной ошибкой может быть получена предварительным умножением смещенной оценки на диагональную матрицу , следующим образом:

где

и являются диагональными элементами матрицы .

Для определения шума плюс помехи ошибка между несмещенной оценкой и вектором принятых символов может быть выражена как:

Для способа MMSE, SNR вектора принятых символов после обработки (т.е. i-й элемент ) может быть выражен как:

где является дисперсией i-го элемента вектора ошибок, и матрица может быть выражена как:

Если дисперсия i-го переданного символа равна в среднем единице (1,0), и из уравнения (19) , тогда SNR вектора принятых символов после обработки может быть выражен как:

Оценка символов модуляции может быть скомбинирована аналогичным образом для получения комбинированных символов модуляции, как было описано выше для способа CCMI.

На Фиг.6В представлена блок-схема варианта осуществления канального процессора 520у MIMO/данных, обеспечивающего реализацию способа MMSE, описанного выше. Канальный процессор 520у MIMO/данных включает в себя процессор 610у (который выполняет обработку MMSE), связанный с RX процессором 620 данных.

В процессоре 610у вектор принятых символов модуляции умножается слева на матрицу умножителем 634 для формирования оценки вектора переданных символов, как показано выше в уравнении (8). Аналогично способу CCMI можно оценить матрицы и на основе принятых пилотных сигналов и/или передачи данных. Затем согласно уравнению (9) вычисляется матрица . Оценка далее умножается слева на диагональную матрицу умножителем 636 для получения несмещенной оценки вектора переданных символов, как показано выше в уравнении (12).

Вновь, для определенных схем обработки при передаче, определенное количество потоков оценок символов модуляции , соответствующее определенному количеству передающих антенн, используемых для передачи потока данных, может направляться в сумматор 618, который суммирует избыточную информацию по времени, пространству и частоте. Суммированные символы модуляции затем направляются в RX процессор 620 данных. Для некоторых других схем обработки при передаче оценки символов модуляции могут направляться непосредственно (не показано на Фиг.6А) в RX процессор 620 данных. RX процессор 620 данных демодулирует, осуществляет обратное перемежение и декодирует поток символов модуляции, соответствующий восстановленному потоку данных, как описано выше.

Оценка символов модуляции и/или суммированные символы модуляции также направляются в процессор 626 CSI, который оценивает SNR для каждого из переданных сигналов. Например, процессор 626 CSI может оценивать SNR для i-го переданного сигнала на основе уравнений (18) или (20). SNR для выбранного канала передачи может сообщаться передающей системе. Процессор 626 CSI дополнительно предоставляет RX процессору 620 данных или сумматору 620 сигнал управления, идентифицирующий выбранный переданный сигнал.

Оценка символов модуляции дополнительно предоставляется в адаптивный процессор 642, вычисляющий матрицу и диагональную матрицу на основе уравнений (13) и (17) соответственно.

Способы пространственно-временной обработки для каналов с временной дисперсией

Как указывалось выше, для обработки сигналов, передаваемых по каналам с временной дисперсией, может быть использован ряд способов пространственно-временной обработки. Эти способы включают в себя применение способов временной коррекции канала, таких как MMSE-LE, DFE, MLSE и, возможно, других способов, в сочетании со способами пространственной обработки, описанных выше для каналов без дисперсии. Пространственно-временная обработка выполняется над N_R входными сигналами в каждом канальном процессоре 520 MIMO/данных.

Способ MMSE-LE

В присутствии временной дисперсии матрица коэффициентов каналов дополнительно приобретает размерность задержки, и каждый элемент матрицы ведет себя как линейная передаточная функция, а не как коэффициент. В этом случае матрица коэффициентов каналов может быть записана в форме матрицы передаточных функций каналов, что может быть выражено как:

где является линейной передаточной функцией для j-й передающей антенны и i-й приемной антенны. Результат действия линейных передаточных функций - вектор принятых сигналов представляет собой свертку матрицы передаточных функций каналов с вектором переданных сигналов, что может быть выражено как:

Как часть функции демодуляции (выполняемой демодуляторами 154 по Фиг.5) принятые сигналы дискретизируют для получения принятых выборок. Без утери общности канал с временной дисперсией и принятые сигналы могут быть представлены в пространственно-временном преставлении в следующем виде. Во-первых, вектор передаточных функций каналов , ассоциированный с j-й передающей антенной, при задержке k может быть выражен как:

где является k-м весовым коэффициентом ответвления функции переноса канала, ассоциированной с путем (трассой) между j-й передающей антенной и i-й приемной антенной, а L представляет собой максимальное значение временной дисперсии (в интервалах дискретизации) в канале. Далее, матрица N_RxN_T передаточных функций канала при значении задержки k может быть выражена как:

Вектор принятых сигналов в момент выборки n может быть выражен как:

где является N_Rx(L+1)N_T матрицей с блочной структурой, представляющей дискретизированную матрицу передаточных функций каналов, которую можно выразить как:

и является последовательностью L+1 векторов, принятых выборок, взятых для L+1 интервалов выборок, причем каждый вектор содержит N_R выборок для N_R приемных антенн, и может быть представлен как:

Линейный пространственно-временной процессор MMSE вычисляет оценку вектора переданных символов в момент времени n, выполняя свертку последовательности векторов принятых сигналов с последовательностью 2К+1, N_RxN_T весовых матриц в следующем виде:

где , К является параметром, который определяет диапазон задержки фильтра корректора и

Последовательность весовых матриц выбирается так, чтобы минимизировать среднеквадратичную ошибку, которая может быть записана как:

где ошибка может быть выражена как:

MMSE решение может быть найдено в виде последовательности весовых матриц , которые удовлетворяют линейным ограничениям:

где является последовательностью NRxNR матриц пространственно-временной корреляции, что может быть выражено как

где является автокорреляционной функцией шума, которая может быть выражена как:

для белого (некоррелированного во времени) шума , где в этом случае представляет только матрицу пространственной корреляции. Для шума, некоррелированного по пространству и во времени, .

Уравнение 29 далее может быть представлено как:

где является блочной матрицей Теплица с блоком j,k, определяемым посредством и

где является mxn матрицей нулей.

Как и в случае MMSE пространственной обработки, описанной выше, для определения SNR, ассоциированного с оценками символов, вычисляется несмещенная оценка с минимальной среднеквадратичной ошибкой. Сначала для MMSE-LE оценки, полученной выше,

где математическое ожидание вычисляется по шуму. Если допустить, что в вышеприведенном уравнении символ модуляции некоррелированный во времени и математическое ожидание вычисляется по всей межсимвольной интерференции (все переданные компоненты сигналов не передавались в момент времени n), тогда математическое ожидание может быть выражено как:

где

В результате после усреднения по помехам от других пространственных каналов среднее значение сигнала от i-й передающей антенны в момент времени n может быть выражено как:

где является i-м диагональным элементом ( является скаляром), а является i-м элементом оценки MMSE-LE.

Определив

несмещенная оценка MMSE-LE вектора переданных сигналов в момент времени n может быть выражена как:

Ковариационная матрица ошибок, ассоциированная с несмещенной MMSE-LE, может быть выражена как:

SNR, ассоциированный с оценкой символа, переданного через i-ю передающую антенну, в результате может быть выражен как:

Способ MMSE-LE может быть реализован канальным процессором 520у MIMO/данных по Фиг.6В. В этом случае умножитель 634 может быть спроектирован для выполнения свертки последовательности векторов принятых сигналов с последовательностью весовых матриц как показано в уравнении (26). Умножитель 636 может быть спроектирован для выполнения умножения слева оценки на диагональную матрицу для получения несмещенной оценки MMSE-LE, как показано в уравнении (37). Адаптивный процессор 642 может быть спроектирован для вычисления последовательности весовых матриц , как показано в уравнении (32), и диагональной матрицы , как показано в уравнении (36). Последовательная обработка может выполняться тем же образом, как описано выше, в отношении способа MMSE. SNR потока символов, переданного через j-ю передающую антенну, может быть оценен, исходя из уравнения (39), процессором 626 CSI.

Способ DFE

Фиг.6С представляет собой блок-схему варианта осуществления канального процессора 520z MIMO/данных, предназначенного для реализации способа DFE пространственно-временной коррекции. Канальный процессор 520z MIMO/данных включает в себя пространственно-временной процессор 610z, выполняющий обработку DFE, связанный с RX процессором 620 данных.

Для способа DFE вектора принятых символов модуляции принимаются и обрабатываются входным процессором 654 приема для обеспечения оценок символов модуляции для потока данных, предназначенного для восстановления. Входной процессор 654 приема может реализовывать способы CCMI или MMSE, описанные выше, или какие-либо другие способы линейной пространственной коррекции. Затем сумматор 656 суммирует оценки компонентов искажения, предоставляемые процессором 658 обратной связи с оценками символов модуляции для получения "скорректированных" символов модуляции с удаленным компонентом искажения. Первоначально оценки компонентов искажения являются нулевыми, и скорректированные символы модуляции являются просто оцененными символами модуляции. Скорректированные символы модуляции из сумматора 656 затем демодулируются и декодируются RX процессором 620 данных для получения потока декодированных данных.

Поток декодированных данных затем повторно кодируется и повторно модулируется канальным процессором 210х данных для получения символов повторной модуляции, которые являются оценками символов модуляции в передатчике. Канальный процессор 210х данных выполняет ту же самую обработку (например, кодирование, перемежение и модуляцию), что и выполняемая в передатчике для данного потока данных, например, как показано на Фиг.2. Символы повторной модуляции от канального процессора 210х данных предоставляются процессору 658 обратной связи, который обрабатывает символы для вычисления оценок компонентов искажения. Процессор 658 обратной связи может реализовывать линейный пространственный корректор (например, линейный трансверсальный корректор).

Полученная в результате оценка вектора переданных символов в момент времени n может быть выражена как:

где является вектором принятых символов модуляции, который дается выше в уравнении (25), является вектором решений символов, предоставляемым канальным процессором 210х данных, является последовательностью (К₁+1)-(N_TxN_R) матриц коэффициентов прямой связи, используемой входным процессором 654 приема, и является последовательностью К₂-(N_TxN_R) матриц коэффициентов обратной связи, используемой процессором обратной связи 658. Уравнение (40) может также быть представлено в виде:

где

Если для нахождения матриц коэффициентов используется критерий MMSE, тогда могут быть использованы решения для и , которые минимизируют среднеквадратичную ошибку , где ошибка может быть выражена как:

MMSE решение для фильтра прямой связи может быть выражено как:

где

и является (К₁+1)N_Rx(K₁+1)N_R матрицей, состоящей из N_RxN_R блоков. (i,j)-й блок в определяется как:

Решение MMSE для фильтра обратной связи:

Как и в случае MMSE-LE, описанном выше, несмещенная оценка сначала определяется путем нахождения условного среднего значения вектора переданных символов:

где . Затем среднее значение i-го элемента выражается как:

где является i-м диагональным элементом . Для формирования несмещенной оценки, аналогичной описанной выше, диагональная матрица, элементы которой являются инверсией диагональных элементов , сначала определяются как:

Затем несмещенная оценка выражается как:

В результате ковариационная матрица ошибок имеет вид:

SNR, ассоциированный с оценкой символа, переданного через i-ю передающую антенну, может быть выражен как:

В способе DFE поток декодированных данных используется для вычисления оценки искажения, обусловленного уже декодированными информационными битами. Если поток данных декодирован без ошибок (или с минимальным уровнем ошибок), тогда искажающий компонент может быть точно оценен, и межсимвольная интерференция, связанная с уже декодированными информационными битами, может быть эффективно удалена. Обработка, выполняемая входным процессором 654 приема и процессором 658 обратной связи, обычно настраивается одновременно для минимизации среднеквадратичной ошибки (MSE) межсимвольной интерференции в скорректированных символах модуляции. Обработка DFE более детально описана в упомянутой выше работе Ariyavistakul et al.

Удаление помех

Фиг.8 представляет собой блок-схему устройства 530х удаления помех, которые являются одним из вариантов осуществления устройства 530 удаления помех по Фиг.5. В устройстве 530х удаления помех поток декодированных данных от канального процессора 520 MIMO/данных на том же этапе повторно кодируется, перемежается и повторно модулируется канальным процессором 210у данных для получения символов повторной модуляции, которые являются оценками символов модуляции в передатчике перед обработкой MIMO и искажением в канале. Канальный процессор 210у данных выполняет такую же обработку (например, кодирование, перемежение и модуляцию), как и выполняемую в передатчике для данного потока данных. Символы повторной модуляции затем предоставляются в имитатор 810 канала, который обрабатывает символы с оцененным откликом канала для получения оценок помех, обусловленных данным потоком декодированных данных.

Для канала без дисперсии имитатор 810 канала умножает поток символов повторной модуляции, ассоциированный с i-й передающей антенной, на вектор , который является оценкой ответа канала между i-й передающей антенной, для которой восстанавливается поток данных, и каждой из N_R приемных антенн. Вектор может быть выражен как:

и является одним столбцом матрицы оценок ответов канала, которая может быть выражена как:

Матрица может быть предоставлена процессором 520 MIMO/данных на том же самом этапе.

Если поток символов повторной модуляции, соответствующий i-й передающей антенне, обозначить как , тогда оценка помехового компонента , связанного с переданным сигналом, может быть выражена как:

N_R элементов вектора помех соответствует компоненту принятого сигнала на каждую из N_R приемных антенн, связанную с потоком символов, переданным через i-ю передающую антенну. Каждый элемент вектора представляет оценку компонента, связанного с потоком декодированных данных в соответствующем принятом потоке символов модуляции. Эти компоненты являются помехой для оставшихся (еще недетектированных) переданных сигналов в N_R потоках принятых символов модуляции (т.е. вектор ) и вычитаются (т.е. удаляются) из вектора принятого сигнала сумматором 812 для образования модифицированного вектора , имеющего компоненты с удаленными компонентами из декодированного потока данных. Такое удаление может быть выражено, как это показано выше в уравнении (5). Модифицированный вектор предоставляется как входной вектор для следующего этапа обработки при приеме, как показано на Фиг.5.

Для канала с дисперсией вектор заменяется на вектор передаточной функции канала, определенный в уравнении (23), . Затем вектор оценок помех в момент времени n, может быть выражен как:

где является символом повторной модуляции для момента времени n. Уравнение (54) эффективно сворачивает символы повторной модуляции с оценками ответа канала для каждой пары приемная антенна - передающая антенна.

Для простоты архитектура приемника, показанная на Фиг.5, предоставляет (принятые или модифицированные) потоки символов модуляции для каждого этапа 510 обработки в приемнике, и в этих потоках помеховые компоненты, связанные ранее с декодированными потоками данных, устранены (т.е. удалены). В варианте осуществления, показанном на Фиг.5, каждый этап устраняет помеховые компоненты, связанные с потоком данных, декодированные на этом этапе. В другом проекте потоки принятых символов модуляции могут предоставляться на все этапы, и каждый этап может выполнять удаление помеховых компонентов из всех декодированных перед этим потоков данных (которые могут быть предоставлены от предыдущих этапов). Удаление помех может также быть пропущено на одном или более этапов (например, при высоком SNR для данного потока данных). В рамках объема изобретения могут быть сделаны различные модификации архитектуры приемника, показанной на Фиг.5.

Определение и сообщение CSI

Для простоты в различных аспектах и вариантах осуществления настоящего изобретения, описанных выше, CSI включала в себя SNR. В общем случае CSI может содержать любой тип информации, который отражает характеристики линии связи. В качестве CSI могут предоставляться различные типы информации, некоторые их примеры описаны ниже.

В одном из вариантов осуществления изобретения CSI содержит отношение сигнал/шум-плюс-помеха (SNR), который вычисляется как отношение мощности сигнала к мощности шума плюс помеха. Обычно SNR оценивается и предоставляется для каждого канала передачи, используемого для передачи данных (например, для каждого потока передаваемых данных), хотя также может быть представлен комплексный SNR для определенного количества каналов передачи. Оценка SNR может быть численно выражена как значение определенного количества битов. В одном из вариантов осуществления изобретения оценка SNR отображается на индекс SNR, например, с использованием таблицы перекодировки.

В другом варианте осуществления изобретения CSI содержит мощность сигнала и мощность шума плюс помехи. Эти два компонента могут быть определены отдельно и предоставлены для каждого канала передачи, используемого для передачи данных.

В еще одном варианте осуществления изобретения CSI содержит мощность сигнала, мощность помехи и мощность шума. Эти три компонента могут быть определены и предоставлены для каждого канала передачи, используемого для передачи данных.

В еще одном варианте осуществления изобретения CSI содержит отношение сигнал/шум плюс список мощностей помехи для каждого наблюдаемого помехового терма. Эта информация может быть определена и предоставлена для каждого канала передачи, используемого для передачи данных.

В еще одном варианте осуществления изобретения CSI содержит компоненты сигнала в форме матрицы (например, N_TxN_R комплексных записей для каждой пары передающая антенна - приемная антенна) и компоненты шум плюс помеха в форме матрицы (например, N_TxN_R комплексных записей). Передающее устройство может комбинировать в подходящей форме компоненты сигнала и компоненты шума плюс помеха для соответствующей пары передающая антенна - приемная антенна для определения качества для каждого канала передачи, используемого в передаче данных (например, SNR после обработки для каждого потока переданных данных, принятых в приемном устройстве).

В еще одном варианте осуществления изобретения CSI содержит указатель скорости передачи данных для потока передаваемых данных. Качество канала передачи, предназначенного для передачи данных, может быть определено первоначально (например, основываясь на SNR, оцененном для канала передачи), и затем может быть идентифицирована скорость передачи данных, соответствующая определенному качеству канала (например, на основе таблицы перекодировки). Идентифицированная скорость передачи данных отражает максимальную скорость передачи данных, с которой может вестись передача в канале передачи при требуемом уровне рабочих характеристик. Затем скорость передачи данных отображается на указатель скорости передачи данных (DRI), который может быть эффективно кодирован, и представляется им. Например, если передающим устройством для каждой передающей антенны поддерживается семь (до семи) возможных скоростей передачи данных, тогда для представления DRI может быть использовано трехбитное число, где, например, 0 может обозначать нулевую скорость передачи данных (т.е. не использование передающей антенны), а с 1 по 7 могут быть использованы для обозначения семи различных скоростей передачи данных. При обычной реализации измерение качества (например, оценки SNR) отображается непосредственно на DRI, основывающуюся, например, на таблице перекодировки.

В еще одном варианте осуществления изобретения CSI содержит указатель конкретной схемы обработки, который используется в передающем устройстве для каждого потока передаваемых данных. В таком варианте осуществления изобретения указатель может идентифицировать конкретную схему кодирования, конкретную схему модуляции, которые используются для передачи потока данных, так что при этом достигается желаемый уровень рабочих характеристик.

В еще одном варианте осуществления изобретения CSI содержит различные указатели для конкретного измерения качества канала передачи. В начале SNR, или DRI, или какая-либо другая численная характеристика передающего канала определяется и сообщается в виде опорного значения характеристики. После этого продолжается контроль качества канала передачи и определяется отличие между последней сообщенной характеристикой и текущей характеристикой. Затем различие может быть оцифровано как один или более битов, и оцифрованные различия отображаются на указатель различия и представляется им, и указатель затем сообщается. Указатель различия может быть указателем возрастания или уменьшения последней сообщенной характеристики на конкретную величину шага (либо подтверждать последнюю сообщенную характеристику). Например, указатель различия может индицировать, что (1) наблюдаемый SNR для конкретного канала передачи возрос или уменьшился на конкретную величину шага, или (2) скорость передачи данных должна быть настроена до конкретной величины, или какие-либо другие изменения. Опорные характеристики могут передаваться периодически для того, чтобы гарантировать, что ошибки в указателях различий и/или ошибочные определения этих указателей не накапливаются.

Другие формы CSI также могут быть использованы и находятся в пределах объема настоящего изобретения. В общем случае CSI включает в себя существенную информацию в виде, в котором она может быть использована для настройки, обработки в передатчике, такой, что достигается желаемый уровень рабочих характеристик для потоков передаваемых данных.

CSI может быть определена на основе сигналов, передаваемых передающим устройством и принимаемых приемным устройством. В одном из вариантов осуществления CSI определяется на основе опорных пилотных сигналов, включенных в передаваемые сигналы. В качестве альтернативы или дополнения CSI может определяться на основе данных, включенных в передаваемые сигналы.

В другом варианте осуществления изобретения CSI содержит один или более сигналов, передаваемых по обратной линии связи от приемного устройства к передающему устройству. В некоторых системах может существовать некоторая степень корреляции между прямой и обратной линиями связи (например, в дуплексных системах с временным разделением (TDD), где обратная линия связи и прямая линия связи совместно используют одну и ту же полосу способом временного мультиплексирования). В таких системах качество прямой линии связи может быть оценено (с разумным уровнем точности), основываясь на качестве обратной линии связи, которое может быть оценено на основе сигналов (например, пилотных сигналов), передаваемых от приемного устройства. Пилотные сигналы будут затем использованы в качестве средства, для которого передатчик может оценить CSI, как это наблюдается приемным устройством.

Качество сигналов может быть оценено в приемном устройстве на основе различных способов. Некоторые из этих способов описаны в следующих патентах, права на которые принадлежат правообладателю настоящей заявки и которые включены в данное описание во всей своей полноте в качестве ссылки:

Патент США № 5 799 005 на "Систему и способ для определения принятой мощности пилот-сигнала и потерь в канале в системе связи МДКР" от 25 августа 1998;

Патент США № 5 903 005 на "Способ и устройство для измерения качества канала в системе связи с расширенным спектром" от 11 мая 1999;

Патенты США № 5 056 109 и 5 265 119 на "Способ и устройство для управления мощностью передачи в сотовой системе мобильной связи МДКР" от 8 октября 1991 и 23 ноября 1993; и

Патент США № 6 097 972 на "Способ и устройство для обработки сигналов управления мощностью в мобильной телефонной системе МДКР" от 1 августа 2000.

Различные типы информации для CSI и различные механизмы CSI также описаны в патентной заявке США № 08/963,386 на "Способ и устройство для высокоскоростной передачи пакетов данных", поданной 3 ноября, 1997, права на которую принадлежат правообладателю настоящей заявки, и в спецификации стандарта "TIE/EIA/IS-856 cdma2000 на интерфейсе радиосвязи для высокоскоростной передачи данных", которые включены в данное описание посредством ссылки.

Информация CSI может сообщаться в передатчик с использованием различных схем передачи CSI. Например, информация CSI может быть послана полностью, дифференциально либо как комбинация этих способов. В одном из вариантов осуществления CSI сообщается периодически, а дифференциальные обновления посылаются на основе предыдущей переданной CSI. В другом варианте осуществления изобретения CSI посылается только, если существует изменение (например, если изменение превышает определенный порог), которое может понизить эффективную скорость передачи данных в канале обратной связи. Например, SNR могут быть посланы (например, дифференциально), только когда они изменяются. Для системы OFDM (с или без MIMO) корреляция в частотной области может быть использована для уменьшения объема сообщаемой CSI. Например, для системы ODFM, если SNR, соответствующий конкретному пространственному субканалу для N_M частотных подканалов, является одним и тем же, то могут сообщаться SNR и первый и последний частотные подканалы, для которых это условие верно. Другие способы сжатия и восстановления ошибок в канале обратной связи для уменьшения количества сообщаемых данных CSI также могут использоваться и входить в объем изобретения.

В соответствии с Фиг.1 CSI (например, SNR канала), определенная RX MIMO процессором 156, подается в TX процессор 162 данных, который обрабатывает CSI и предоставляет обработанные данные одному или более модуляторам 154. Модуляторы 154 дополнительно формирируют обработанные данные и передают CSI в передающую систему 110 по обратному каналу.

В системе 110 переданный сигнал обратной связи принимается антеннами 124, демодулируется демодуляторами 122 и подается в RX процессор 132 данных. RX процессор 132 данных выполняет обработку, обратную выполненной TX процессором 162 данных, и восстанавливает сообщенную CSI, которая затем передается в TX процессор 114 данных и TX MIMO процессор 120 и используется ими для настройки обработки.

Передающая система 110 может настраивать (т.е. адаптировать) свою обработку на основе CSI (например, информации о SNR) от приемной системы 150. Например, кодирование для каждого канала передачи может быть настроено таким образом, что скорость передачи двоичной информации соответствует возможностям передачи поддерживаемым SNR канала. Дополнительно схема модуляции для канала передачи может выбираться на основе SNR канала. В объем настоящего изобретения также входит настройка и других процедур обработки (например, перемежения). Настройка обработки для каждого канала передачи, основанная на определенном SNR для данного канала, позволяет системе MIMO достичь высоких рабочих характеристик (т.е. высокой пропускной способности или скорости передачи двоичных данных для конкретного уровня рабочих характеристик). Адаптивная обработка может применяться для системы MIMO с одной несущей или системы MIMO со множеством несущих (например, системы MIMO, использующей OFDM).

Настройка при кодировании и/или при выборе схемы модуляции в передающей системе может быть реализована на основе ряда способов, один из которых описан в вышеупомянутой патентной заявке США № 09/776,975.

Операционные схемы системы MIMO

Для системы MIMO могут быть реализованы различные операционные схемы, которые используют адаптивную обработку в передатчике (что зависит от доступной CSI) и способы обработки в приемнике с последовательным удалением, изложенные в настоящем описании. Некоторые из этих операционных схем более детально описаны ниже.

В одной из операционных схем схема кодирования и модуляции для каждого канала передачи выбирается на основе передающей способности канала, определяемой SNR канала. Эта схема может обеспечить улучшенные рабочие характеристики при использовании в комбинации со способом обработки в приемнике с последовательным удалением, как описано более детально ниже. Если существует большое расхождение между наихудшим и наилучшим каналом передачи (т.е. пары передающей и приемной антенн), кодирование может быть выбрано так, чтобы внести существенную избыточность для обеспечения возможности приемной системе восстанавливать исходный поток данных. Например, наихудшая передающая антенна может быть ассоциирована с плохим SNR на выходе приемника. Затем код прямого исправления ошибок (FEC) выбирается таким образом, чтобы он был достаточно эффективным для обеспечения возможности корректного приема приемной системой символов, переданных через наихудшую передающую антенну. На практике улучшенная способность исправления ошибок достигается ценой повышенной избыточности, что влечет за собой ухудшение общей пропускной способности. Таким образом, существует компромисс между уменьшением пропускной способности и увеличением избыточности путем использования кодирования FEC.

Если передатчику предоставляется SNR для каждого восстановленного переданного сигнала, то для каждого передаваемого сигнала могут использоваться различные схемы кодирования и/или модуляции. Например, определенные схемы кодирования и модуляции могут выбираться для каждого передаваемого сигнала на основе его SNR таким образом, что уровни ошибок, ассоциированные с передаваемыми сигналами, являются примерно одинаковыми. В этом случае пропускная способность не определяется посредством SNR наихудшего переданного сигнала.

Например, в качестве примера рассмотрим 4х4 MIMO систему с 4 передающими и 4 приемными антеннами, использующую способ обработки в приемнике с последовательным удалением, изложенный в данном описании. В этом примере SNR для четырех передаваемых сигналов равно 5 dB, 8,5 dB, 13 dB и 17,5 dB. Если для всех четырех передаваемых сигналов используются одинаковые схемы кодирования и модуляции, выбор схемы будет определяться передаваемым сигналом, имеющим 5dB SNR. Используя информацию, приведенную в Таблице 1, каждая передающая антенна должна использовать скорость кодирования 3/4 и модуляцию QPSK, что дает общую эффективность модуляции 6 информационных битов/символ или 1,5 информационных битов/символ/переданный сигнал.

С использованием доступной информации CSI передатчик может выбирать следующие схемы кодирования и модуляции для четырех передаваемых сигналов, показанные в Таблице 2.

Таблица 2SNR
(dB)Скорость кодированияСимвол модуляции# информационные биты/символ5¾QPSK1,58,55/816-QAM2,5137/1264-QAM3,517,55/664-QAM5

При настройке схем кодирования модуляции в передатчике на основе доступной CSI достижимая эффективность модуляции увеличивается более чем вдвое, составляя 12,5 битов/символ по сравнению с 6 битов/символ без CSI. Уровень ошибок при декодировании для каждого переданного сигнала будет примерно одинаковым, т.к. схема кодирования и модуляции были выбраны для достижения данного уровня рабочих характеристик.

С использованием адаптивной обработки в передающей системе на основе доступной информации CSI способ обработки в приемнике с последовательным удалением может быть видоизменен для использования преимущества того, что уровень битовых ошибок для передаваемых сигналов является примерно одинаковым. Если схемы кодирования и модуляции, используемые для каждого переданного сигнала, обеспечивают одинаковый уровень ошибок при декодировании, то процедура ранжирования (т.е. от наивысшего к наинизшему SNR) может быть исключена из обработки при приеме, что может упростить обработку. При практическом осуществлении могут иметься небольшие отличия в уровнях ошибок при декодировании для переданных сигналов. В этом случае SNR для переданных сигналов (после линейной или нелинейной обработки) может быть ранжирован, и наилучший SNR после обработки выбирается для детектирования (т.е. демодуляция и декодирование) первым, как описано выше.

С использованием доступной CSI в передатчике пропускная способность более не определяется наихудшим переданным сигналом, поскольку схема кодирования и модуляции выбираются таким образом, чтобы обеспечить конкретный уровень рабочих характеристик (например, конкретный BER) для каждого канала передачи на основе SNR канала. Поскольку кодирование FEC применяется к каждому каналу независимо, используется минимальный уровень избыточности, требуемый для достижения заданного уровня рабочих характеристик, и пропускная способность поддерживается максимальной. Рабочие характеристики, достижимые при адаптивной обработке в передатчике, основанной на CSI (например, SNR), и обработке в приемнике с последовательным удалением, конкурируют со схемой обработки с полной CSI (при которой для каждой пары приемная антенна - передающая антенна доступны все характеристики) при определенных условиях функционирования, как описано более детально ниже.

В другой операционной схеме передатчик не обеспечивается SNR, определенным для каждого канала передачи, но может быть обеспечен одним значением, отражающим средний SNR для всех каналов передачи или, возможно, некоторой информацией, указывающей, какие передающие антенны должны быть использованы для передачи данных. В такой схеме передатчик может использовать одинаковые схемы кодирования и модуляции для всех передающих антенн, используемых для передачи данных, которые могут быть подмножеством N_T доступных передающих антенн. Если для всех передающих антенн используются одинаковые схемы кодирования и модуляции, рабочие характеристики могут быть компромиссными. Это обусловлено тем, что общие рабочие характеристики способа обработки в приемнике с последовательным удалением зависят от возможности декодирования каждого переданного сигнала без ошибок. Такое корректное детектирование является важным для эффективного устранения помех, связанных с восстановленным переданным сигналом.

При использовании одинаковых схем кодирования и модуляции для всех передаваемых сигналов восстановленный переданный сигнал с наихудшим SNR будет иметь наивысший уровень ошибок при декодировании. Это чрезвычайно ограничивает рабочие характеристики системы MIMO, поскольку схема кодирования и модуляции выбирается таким образом, чтобы уровень ошибок, ассоциированный с наихудшим переданным сигналом, удовлетворял требованиям для общего уровня ошибок. Для улучшения эффективности могут быть использованы дополнительные приемные антенны для обеспечения качества уровня ошибок для первого восстановленного переданного сигнала. При использовании большего количества приемных антенн, чем передающих антенн, характеристика частоты ошибок первого восстановленного переданного сигнала соответствует разнесению порядка (N_R-N_T+1) и надежность увеличивается.

В еще одной операционной системе передаваемые данные "циклируются" по всем доступным передающим антеннам. Такая схема улучшает статистику SNR для каждого из восстановленных переданных сигналов, т.к. передаваемые данные не подвержены влиянию наихудшего канала передачи, но вместо этого подвергаются влиянию всех каналов передачи. Декодер, ассоциированный с определенным потоком данных, эффективно представлен "мягкими решениями", которые представляют усреднение по всем возможным парам передающих и приемных антенн. Эта операционная схема более детально изложена в европейской заявке на патент №999302692.1 на "Беспроводную систему связи с пространственно-временной архитектурой, использующей многоэлементные антенны в передатчике и приемнике", включенной в настоящее описание посредством ссылки.

Способ обработки в приемнике с последовательным удалением позволяет системе MIMO использовать дополнительные размерности, создаваемые при использовании множества передающих и приемных антенн, что является главным преимуществом для применения MIMO. В зависимости от характеристик канала MIMO для обработки принятых сигналов могут быть использованы способ линейной пространственной коррекции (например, CCMI или MMSE) или способ пространственно-временной коррекции (например, MMSE-LE, DFE, или MLSE). Способ обработки в приемнике с последовательным удалением при использовании в комбинации с адаптивной обработкой в передатчике, основанной на доступной CSI, может обеспечить возможность передачи того же количества символов модуляции в каждом временном слоте, что и в MIMO системе, использующей полную информацию CSI.

Также могут применяться другие способы линейной и нелинейной обработки в сочетании со способом обработки в приемнике с последовательным удалением и способом адаптивной обработки в передатчике, и это находится в пределах объема настоящего изобретения. Аналогично Фиг. с 6А по 6С представляют вариант осуществления трех способов обработки в приемнике, имеющих возможность обработки передачи MIMO и определения характеристик каналов передачи (т.е. SNR). В рамках объема настоящего изобретения могут быть рассмотрены другие структуры приемника, основанные на способах, представленных в данном описании и другие способы обработки в приемнике.

Способы линейной и нелинейной обработки в приемнике (например, CCMI, MMSE, MMSE-LE, DFE, MLSE и другие способы) могут использоваться непосредственно без адаптивной обработки в передатчике, если только общий SNR принятого сигнала или оценка достижимой общей пропускной способности, основанная на таком SNR, сообщается передатчику. В одной из реализаций формат модуляции определяется на основе принятой оценки SNR или оценки пропускной способности, и для всех каналов передачи используется такой же формат модуляции. Такой способ может уменьшить общую пропускную способность системы, но также может существенно уменьшить количество информации, посылаемой назад по обратной линии связи.

Рабочие характеристики системы

Улучшение рабочих характеристик системы может быть реализовано с применением способа обработки в приемнике с последовательным удалением и способа адаптивной обработки в передатчике на основе доступной CSI. Пропускная способность системы с обратной связью по CSI может быть вычислена и сравнена с пропускной способностью при обратной связи по полной CSI. Пропускная способность системы может быть определена как:

где является SNR для каждого принятого символа модуляции. SNR для некоторых способов обработки в приемнике рассмотрены выше.

Фиг.9А иллюстрирует улучшение SNR для конфигурации с 4x4 MIMO каналами, использующей способ обработки в приемнике с последующим удалением. Результаты получены при компьютерном моделировании. В данном моделировании сделаны следующие допущения: (1) независимое релеевское замирание в каналах между парами приемных и передающих антенн (т.е. отсутствует корреляция по массиву), (2) полное удаление помех (т.е. отсутствуют ошибки решения в процессе декодирования, и в приемнике имеются точные оценки каналов). При конкретной реализации оценки каналов не являются абсолютно точными, и может быть использован фактор возврата при выборе схемы модуляции для каждого потока передаваемых данных. Дополнительно некоторые ошибки принятия решения могут также возникать при детектировании каждого потока переданных данных. Такая возможность может быть уменьшена, если независимо передаваемые потоки данных кодируются индивидуально, что позволяет затем приемнику декодировать потоки данных независимо, что может уменьшить вероятность ошибок принятия решения. В этом случае декодированные данные повторно кодируются для получения оценки помех, используемой в последовательном устранении помех.

Как показано на Фиг.9А, первый восстановленный переданный сигнал имеет наихудшее распределение SNR. Каждый последующий восстановленный переданный сигнал имеет улучшенное распределение SNR, причем последний восстановленный переданный сигнал (т.е. четвертый в этой схеме) имеет наилучшее общее распределение SNR. Распределение среднего SNR формируется путем суммирования SNR отдельных переданных сигналов и деления на четыре, что также показано. Распределение SNR, достигаемое без последовательной пространственной коррекции и удаления помех, дается распределением SNR для первого восстановленного переданного сигнала. При сравнении распределения SNR для первого восстановленного переданного сигнала с распределением усредненного SNR можно видеть, что способы пространственной коррекции и удаления помех улучшают эффективный SNR в приемнике.

Фиг.9В иллюстрирует среднюю пропускную способность для ряда способов обработки в приемнике, включая (1) способ линейной пространственной коррекции (без удаления помех), (2) способ пространственной коррекции и удаления помех и (3) способ с полной CSI. Для каждой из этих схем передатчику предоставляется либо полная, либо частичная CSI для всех передаваемых сигналов, и данные для каждого предаваемого сигнала кодируются и модулируются на основе SNR. Для диаграмм, приведенных на Фиг.9В, для способа линейной пространственной коррекции используются способы CCMI и MMSE.

Фиг.9В иллюстрирует теоретические рабочие характеристики (диаграмма 920), достижимые при использовании обработки с полной CSI на основе декомпозиции канала MIMO на собственные моды. На Фиг.9В дополнительно показаны пропускные способности как для способа CCMI (диаграмма 924), так и способа MMSE (диаграмма 922) с частичной CSI, но без удаления помех, имеющие более низкую пропускную способность, чем в случае предельных рабочих характеристик (диаграмма 920).

Поскольку рабочие характеристики пропорциональны SNR, как показано в уравнении (20), и SNR улучшается при использовании последовательного удаления помех, рабочие характеристики в среднем улучшаются с использованием способов пространственной коррекции и удаления помех. Используя способы пространственной коррекции (с CCMI) и удаления помех и частичной CSI пропускная способность (диаграмма 926) улучшается только в случае схем с пространственной коррекцией. При использовании способа пространственной коррекции (с MMSE) и удаления помех и частичной CSI пропускная способность (диаграмма 928) идентична предельным рабочим характеристикам (диаграмма 920), что демонстрирует очень хорошие рабочие характеристики системы. Диаграмма 920 исходит из идеальных оценок каналов и отсутствия ошибок принятия решения. Оценки пропускной способности, показанной на Фиг.9В, для способа последовательной пространственной коррекции и удаления помех с обработкой с использованием частичной CSI могут ухудшаться при конкретных вариантах реализации вследствие неидеального удаления помех и ошибок детектирования.

Фиг.9С иллюстрирует среднюю пропускную способность для способа последовательной пространственно-временной коррекции (с MMSE-LE) и удаления помех с адаптивной обработкой в передатчике на основе CSI для 4х4 MIMO системы. Диаграммы получены путем усреднения большого количества статических реализаций моделей каналов с дисперсией (т.е. VehA). На Фиг.9C показаны предельные рабочие характеристики (диаграмма 930) и рабочие характеристики для способа MMSE-LE с удалением помех (диаграмма 934) и без последовательного удаления помех (диаграмма 932). Пропускная способность для способа MMSE-LE с последовательным удалением помех (диаграмма 934) ближе к предельным рабочим характеристикам канала, что демонстрирует высокий уровень рабочих характеристик.

Элементы передающей и приемной систем могут быть реализованы при помощи одного или более цифровых процессоров сигналов (DSP) заказных интегральных схем (ASIC), микропроцессоров, контроллеров, микроконтроллеров, программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA), программируемых логических устройств, других электронных элементов или любой их комбинации. Некоторые из функций и видов обработки, изложенные в данном описании, могут быть также реализованы при помощи программного обеспечения, выполняемого процессором.

Определенные аспекты данного изобретения могут быть реализованы в виде комбинации программного обеспечения и аппаратного обеспечения. Например, вычисление оценок символов для линейной пространственной коррекции, пространственно-временной коррекции и вычисление SNR канала может выполняться при помощи программных кодов, выполняемых процессором (контроллеры 540 на Фиг.5).

Для простоты архитектура приемника, показанная на Фиг.5, включает в себя определенное количество этапов обработки в приемнике, один этап для каждого потока данных, предназначенного для декодирования. В некоторых вариантах реализации множество таких этапов может быть реализовано в виде одного аппаратного блока или одного программного модуля, который повторно выполняется для каждого этапа. При этом программное обеспечение и аппаратное обеспечение может работать в режиме разделения времени для упрощения структуры приемника.

Заголовки включены в настоящее описание для ссылок и для помощи нахождения нужного раздела. Данные заголовки не предназначены для ограничения объема концепций, изложенных под этими заголовками, и данные концепции могут применяться в других разделах всего описания.

Предыдущее описание раскрытых вариантов осуществления предназначено для предоставления возможности любому специалисту в данной области техники создать или использовать настоящее изобретение. Различные модификации данных вариантов осуществления будут очевидны для специалистов данной области техники, и общие принципы, определенные в настоящем описании, могут быть применены в других вариантах осуществления изобретения без изменения сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, приведенными в настоящем описании, но должно рассматриваться согласно самому широкому объему, совместимому с принципами и новыми признаками, изложенными в настоящем описании.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системе связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Способ обработки в приемнике с последовательным удалением используется при обработке принятых сигналов и включает определенное количество итераций для получения потоков декодированных данных. Для каждой итерации входные (например, принятые) сигналы для итерации обрабатываются для получения одного или более потоков символов. Один из потоков символов выбирается и обрабатывается для получения потока декодированных данных. Помеха, связанная с потоком декодированных данных, практически устраняется (т.е. удаляется) из входных сигналов, предоставляемых для следующей итерации. Характеристики канала оцениваются и сообщаются передающему устройству и используются для настройки (т.е. адаптации) обработки (например, кодирования, модулирования и т.п.) данных перед передачей. Технический результат - улучшение рабочих характеристик, в частности увеличение пропускной способности. 5 н. и 52 з.п. ф-лы, 13 ил., 2 табл.

1. Способ обработки данных в приемном устройстве в системе связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащий обработку множества входных сигналов, включающих в себя один или более потоков символов, соответствующих одному или более потоков данных, принятых по каналу MIMO, для получения потока декодированных данных для одного или более потоков символов, получение на основе входных сигналов множества модифицированных сигналов, имеющих, по существу, удаленные компоненты, вследствие потока декодированных данных, выполнение обработки и селективное выполнение получения для каждой из одной или более итераций, по одной итерации для каждого потока данных, предназначенного для декодирования, при этом входные сигналы для каждой итерации, следующей за первой итерацией, являются модифицированными сигналами от предыдущей итерации и определение информации о состоянии канала (CSI), отражающей характеристики канала MIMO, используемого для передачи потока данных, причем потоки данных адаптивно обрабатываются в передающем устройстве частично на основе CSI.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое получение исключено для последней итерации.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработка включает в себя обработку входных сигналов в соответствии с конкретной методикой обработки при приеме для получения одного или более потоков символов и обработку выбранных одного или более потоков символов для получения потока декодированных данных.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя для каждой итерации оценку качества каждого из одного или более потоков необработанных символов, содержащихся во входных сигналах и выбор одного необработанного потока символов для обработки, основанной на оценке качества одного или более необработанных потоков символов.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что качество каждого потока необработанных символов оценивают на основе отношения сигнал/шум-плюс-помеха (SNR).6. Способ по п.4, отличающийся тем, что поток необработанных символов, имеющий наилучшую оценку качества, выбирают для обработки.7. Способ по п.3, отличающийся тем, что методика обработки при приеме выполняет линейную пространственную обработку входных сигналов.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что методика обработки при приеме реализует способ инверсии корреляционной матрицы канала (CCMI).9. Способ по п.7, отличающийся тем, что методика обработки при приеме реализует способ минимальной среднеквадратичной ошибки (MMSE).10. Способ по п.7, отличающийся тем, что методика обработки при приеме реализует способ обработки с полной CSI.11. Способ по п.3, отличающийся тем, что методика обработки при приеме выполняет пространственно-временную обработку входных сигналов.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что методика обработки при приеме реализует линейный пространственно-временной корректор с минимальной среднеквадратичной ошибкой (MMSE-LE).13. Способ по п.11, отличающийся тем, что методика обработки при приеме реализует пространственно-временной корректор с решающей обратной связью (DFE).14. Способ по п.11, отличающийся тем, что методика обработки при приеме реализует устройство оценки последовательности максимального правдоподобия (MLSE).15. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение включает в себя генерацию потока символов повторной модуляции на основе потока декодированных данных, формирование множества сигналов помех на основе потока символов повторной модуляции и удаление сигналов помех из входных сигналов для получения модифицированных сигналов, которые служат в качестве входных сигналов для последующей итерации.16. Способ по п.15, отличающийся тем, что сигналы помех формируют на основе матрицы H коэффициентов канала, отражающей характеристики канала MIMO.17. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя передачу CSI от приемного устройства к передающему устройству.18. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит оценки отношения сигнал/шум-плюс-помеха для каждого из одного или более каналов передачи, которые составляют канал MIMO.19. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит характеристики одного или более каналов передачи, которые составляют канал MIMO.20. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит указание конкретной скорости передачи данных, поддерживаемой одним или более каналами передачи, используемыми для передачи данных.21. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит указание конкретной методики обработки, которая должна быть использована для каждого из одного или более каналов передачи.22. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит результат измерения сигнала и результат измерения шума плюс помехи для одного или более каналов передач.23. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит результат измерения сигнала, шума и помехи для одного или более каналов передачи.24. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит отношение сигнала к шуму и результат измерения помехи для одного или более каналов передачи.25. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит компоненты сигнала и компоненты шума плюс помехи для одного или более каналов передачи.26. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI содержит указания изменений в характеристиках одного или более каналов передачи.27. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI определяют в приемном устройстве и сообщают передающему устройству.28. Способ по п.1, отличающийся тем, что CSI определяют в передающем устройстве на основе одного или более сигналов, переданных приемным устройством.29. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый поток данных кодируют в передающем устройстве в соответствии со схемой кодирования, выбранной на основе CSI для канала передачи, используемого для передачи потока данных.30. Способ по п.29, отличающийся тем, что каждый поток данных независимо кодируют в соответствии со схемой кодирования, выбранной на основе CSI для канала передачи, используемого для передачи потока данных.31. Способ по п.29, отличающийся тем, что каждый поток данных дополнительно модулируют в соответствии со схемой модуляции, выбранной на основе CSI для канала передачи, используемого для передачи потока данных.32. Способ по п.31, отличающийся тем, что схемы кодирования и модуляции выбирают в передающем устройстве на основе CSI.33. Способ по п.32, отличающийся тем, что схемы кодирования и модуляции указывают при помощи CSI.34. Способ по п.3, отличающийся тем, что обработка выбранного потока символов включает в себя демодуляцию потока символов для получения демодулированных символов и декодирование демодулированных символов для получения потока декодированных данных.35. Способ по п.34, отличающийся тем, что обработка выбранного потока символов дополнительно включает в себя обратное перемежение демодулированных символов, причем выполняют декодирование символов после обратного перемежения для получения потока декодированных данных.36. Способ по п.1, отличающийся тем, что система MIMO реализует модуляцию с ортогональным частотным разделением (OFDM).37. Способ по п.36, отличающийся тем, что обработку в приемном устройстве выполняют независимо для каждого из частотных подканалов.38. Способ обработки данных в приемном устройстве в системе связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащий прием множества сигналов через множество приемных антенн, обработку принятых сигналов в соответствии с конкретной методикой обработки при приеме для получения множества потоков символов, соответствующих множеству потоков переданных данных, обработку выбранного одного из потоков символов для получения потока декодированных данных, формирование множества сигналов помех, исходя из потока декодированных данных, получение множества модифицированных сигналов, исходя из принятых сигналов помех, выполнение обработки выбранных сигналов и выбранного потока символов и селективное выполнение формирования и получения для одной или более итераций, по одной итерации для каждого потока переданных данных, предназначенного для декодирования, причем первую итерацию выполняют над принятыми сигналами, и каждую последующую итерацию выполняют над модифицированными сигналами из предыдущей итерации и определение информации о состоянии канала (CSI), отражающей характеристики канала MIMO, используемого для передачи потоков данных, причем потоки данных адаптивно обрабатывают в передающем устройстве, частично на основе CSI.39. Способ передачи данных от передающего устройства к приемному устройству в системе связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащий в приемном устройстве прием множества сигналов через множество приемных антенн, причем каждый принятый сигнал содержит комбинацию одного или более сигналов, переданных передающим устройством, обработку принятых сигналов в соответствии со способом обработки в приемнике с последовательным удалением для получения множества потоков декодированных данных, переданных передающим устройством, определение информации о состоянии канала (CSI), отражающей характеристики канала MIMO, используемого для передачи потоков данных, и передачу CSI в передающее устройство и в передающем устройстве адаптивную обработку каждого потока данных перед передачей по каналу MIMO в соответствии с принятой CSI.40. Способ по п.39, отличающийся тем, что методика обработки в приемнике с последовательным удалением выполняет множество итераций для получения потоков декодированных данных, по одной итерации для каждого потока декодированных данных.41. Способ по п.40, отличающийся тем, что каждая итерация включает в себя обработку множества входных сигналов в соответствии с конкретной методикой линейной или нелинейной обработки для получения одного или более потоков символов, обработку выбранных одного или более потоков символов для получения потока декодированных данных, и получение на основе входных сигналов множества модифицированных сигналов, имеющих, по существу удаленные компоненты, вследствие потока декодированных данных, причем входные сигналы для первой итерации являются принятыми сигналами, и входные сигналы для каждой последующей итерации являются модифицированными сигналами от предыдущей итерации.42. Способ по п.39, отличающийся тем, что CSI содержит отношение сигнал/шум-плюс-помеха для каждого одного или более каналов передачи, составляющих канал MIMO.43. Способ по п.39, отличающийся тем, что CSI содержит указание конкретной скорости передачи данных, поддерживаемой каждым из одного или более каналов передачи, составляющих канал MIMO.44. Способ по п.39, отличающийся тем, что CSI содержит указание конкретной методики обработки, которая должна быть использована для каждого одного или более каналов передачи, составляющих канал MIMO.45. Способ по п.39, отличающийся тем, что адаптивная обработка в передающем устройстве включает в себя кодирование потока данных в соответствии с конкретной схемой кодирования, выбранной исходя из CSI, ассоциированной с потоком данных.46. Способ по п.45, отличающийся тем, что адаптивная обработка в передающем устройстве дополнительно включает в себя модуляцию потока кодированных данных в соответствии с конкретной схемой модуляции, выбранной исходя из CSI, ассоциированной с потоком данных.47. Система связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащая приемное устройство, содержащее множество входных процессоров, выполненных с возможностью обработки множества принятых сигналов для получения множества потоков символов, по меньшей мере, один процессор приема, связанный с входными процессорами и выполненный с возможностью обработки потоков символов в соответствии с методикой обработки в приемнике с последовательным удалением для получения множества декодированных данных, и для дальнейшего получения информации о состоянии канала CSI, отражающей характеристики канала MIMO, используемого для передачи потоков данных, и процессор передачи данных, оперативно связанный с процессором приема и выполненный с возможностью обработки CSI для передачи назад к передающему устройству и передающее устройство, содержащее, по меньшей мере, один демодулятор, выполненный с возможностью приема и обработки одного или более сигналов от приемного устройства для восстановления переданной CSI, и процессор передачи данных, выполненный с возможностью адаптивной обработки данных для передачи приемному устройству, исходя из восстановленной CSI.48. Приемное устройство системы с множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащее множество входных процессоров, выполненных с возможностью обработки множества принятых по каналу MIMO сигналов для получения множества потоков принятых символов, по меньшей мере, один процессор приема, связанный со входными процессорами и выполненный с возможностью обработки потоков принятых символов для получения множества потоков декодированных данных, каждый процессор приема включает в себя множество каскадов обработки, причем каждый каскад выполнен с возможностью обработки потоков входных символов для получения соответствующего потока декодированных данных и информации о состоянии канала (CSI), ассоциированной с потоком декодированных данных, и для выборочного получения потоков модифицированных символов для последующего каскада, причем входные потоки символов для каждого каскада представляют собой либо потоки принятых символов, либо потоки модифицированных символов от предшествующего каскада, процессор передачи, выполненный с возможностью приема и обработки CSI, ассоциированной с потоками декодированных данных для передачи из приемного устройства, причем потоки данных адаптивно обрабатываются перед передачей, частично на основе CSI.49. Приемное устройство по п.48, отличающееся тем, что каждый каскад обработки, кроме последнего каскада, включает в себя использование канального процессора, выполненного с возможностью обработки входных потоков символов для получения потока декодированных данных, и устройства удаления помехи, выполненного с возможностью получения потоков модифицированных символов, основанных на потоке декодированных данных и входных потоках символов.50. Приемное устройство по п.49, отличающееся тем, что каждый канальный процессор включает в себя входной процессор, выполненный с возможностью обработки входных потоков символов для получения потока восстановленных символов, и процессор данных, выполненный с возможностью обработки потока восстановленных символов для получения потока декодированных данных.51. Приемное устройство по п.50, отличающееся тем, что каждый входной процессор включает в себя первый процессор, выполненный с возможностью обработки входных потоков символов в соответствии с линейной или нелинейной методиками обработки при приеме для получения потока восстановленных символов, и устройство оценки качества каналов, выполненное с возможностью оценки качества потока восстановленных символов.52. Приемное устройство по п.51, отличающееся тем, что оценка качества содержит отношение сигнал/шум-плюс-помеха.53. Приемное устройство по п.51, отличающееся тем, что устройство оценки качества канала дополнительно обеспечивает получение указания скорости передачи данных, поддерживаемой для потока восстановленных символов, исходя из оценки качества.54. Приемное устройство по п.51, отличающееся тем, что устройство оценки качества канала дополнительно обеспечивает получение указания конкретной методики обработки, которая должна использоваться в передающем устройстве для потока восстановленных символов, исходя из оценки качества.55. Приемное устройство по п.51, отличающееся тем, что оценка качества содержит сигнал ошибки, указывающий зарегистрированный уровень шума плюс помехи на выходе приемного устройства.56. Приемное устройство по п.51, отличающееся тем, что первый процессор выполняет линейную пространственную обработку входных потоков символов.57. Приемное устройство по п.51, отличающееся тем, что первый процессор выполняет линейную пространственно-временную обработку входных потоков символов.