УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ВЫБРАННОГО СОБСТВЕННОГО ВЕКТОРА В MIMO-СИСТЕМЕ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА Российский патент 2008 года по МПК H04B7/04 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение имеет отношение к системе мобильной связи, более конкретно к устройству и способу выбора и передачи собственного вектора передачи в системе мобильной связи замкнутого контура с множеством входов и множеством выходов (MIMO).

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

В принципе, в системе связи 4-го поколения (4G), которая является системой связи следующего поколения, ведутся исследования, чтобы предоставить пользователям услуги, имеющие различное качество обслуживания (QoS) и поддерживающие скорость передачи данных приблизительно 100 Мбит/с. В настоящее время, система связи 3-го поколения (3G) поддерживает скорость передачи данных около 384 кбит/с в среде внешних каналов связи, имеющей относительно неблагоприятную среду каналов связи, и поддерживает максимальную скорость передачи данных 2 Мбит/с в среде внутренних каналов связи, имеющей относительно благоприятную среду каналов связи.

Система беспроводной локальной вычислительной сети (ЛВС) и система беспроводной городской вычислительной сети (ГВС) обычно поддерживают скорости передачи данных от 20 до 50 Мбит/с. Дополнительно, 4G-система связи была разработана для обеспечения мобильности мобильных станций и качества обслуживания в системе беспроводной ЛВС и системе беспроводной ГВС, поддерживающих относительно высокие скорости передачи данных. Соответственно, ведутся исследования, чтобы разработать новую систему связи, обеспечивающую высокоскоростное обслуживание, которое будет предоставляться 4G-системой связи.

Для предоставления высокоскоростного обслуживания (т.е. для беспроводных мультимедийных услуг), используется широкополосный спектр. В результате многолучевого распространения сигнала может происходить межсимвольная интерференция. Межсимвольная интерференция может ухудшать эффективность передачи системы в целом. Чтобы компенсировать межсимвольную интерференцию, обусловленную многолучевым распространением, как описано выше, предложена схема мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM). В схеме OFDM весь диапазон частот разделен на множество поднесущих, и поднесущие используются для передачи. При использовании схемы OFDM длина одного символа может увеличиваться. Соответственно, межсимвольная интерференция может быть минимизирована.

Дополнительно, схема OFDM является схемой для передачи данных с использованием множества несущих и является частным случаем схемы модуляции с множеством несущих (MCM), в которой последовательность символов преобразуется в параллельные последовательности символов, и параллельные последовательности символов модулируют множество взаимно ортогональных поднесущих прежде, чем быть переданными.

Что касается схемы OFDM, в 1971 году в работе Weinstein et al. было предположено выполнение модуляции/демодуляции OFDM эффективным образом с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ), явившегося основой разработки схемы OFDM. Также, введение защитного интервала и циклического префикса в качестве защитного интервала дополнительно ослабляет неблагоприятное воздействие на системы многолучевого распространения и расширения запаздывания. Хотя сложность аппаратных средств препятствовала широкому распространению реализации схемы OFDM, последние достижения в технологии обработки цифровых сигналов, включающие в себя быстрое преобразование Фурье (БПФ) и обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ), позволили реализовать схему OFDM менее сложным способом.

Схема OFDM, подобно существующей схеме мультиплексирования с разделением по частотам (FDM), обладает оптимальной эффективностью передачи при высокоскоростной передаче данных, потому что OFDM передает данные на поднесущих, сохраняя ортогональность между ними. Оптимальная эффективность передачи дополнительно связана с высокой эффективностью использования частот и надежностью в условиях многолучевого замирания в схеме OFDM. Более конкретно, перекрытие частотных спектров приводит к эффективному использованию частот и устойчивости по отношению к избирательному частотному замиранию и многолучевому замиранию. Схема OFDM снижает влияние межсимвольной интерференции с помощью защитных интервалов и позволяет реализовать простую структуру аппаратных средств выравнивателя. Более того, поскольку схема OFDM устойчива по отношению к импульсным помехам, она становится все более популярной в системах связи.

Схема множественного доступа, основанная на схеме OFDM, является схемой множественного доступа с ортогональным частотным разделением (OFDMA). В схеме OFDMA некоторые из поднесущих реорганизованы в группу поднесущих, и группа поднесущих выделена конкретному мобильному абонентскому терминалу (МАТ). В схеме OFDMA существует возможность выполнить динамическое распределение ресурсов, позволяющее динамически распределять группы поднесущих, выделенных конкретному мобильному абонентскому терминалу в соответствии с замиранием беспроводного тракта передачи.

Дополнительно, для высокоскоростной передачи данных были разработаны способы, использующие многоэлементную антенну и в передатчике и в приемнике. Исходя из способа пространственно-временного кодирования (ПВК), предложенного Tarokh в 1997 году, был предложен способ BLAST (многоуровневый пространственно-временной способ), разработанный Bell Laboratories). В частности, в силу того, что в способе BLAST скорость передачи данных линейно возрастает пропорционально числу передающих/приемных антенн, этот способ был использован в системе, предназначенной для высокоскоростной передачи данных.

Существующие BLAST-алгоритмы использованы в способе незамкнутого контура. При этом в связи с тем, что вышеупомянутое динамическое распределение ресурсов невозможно, недавно был разработан способ замкнутого контура. Среди BLAST-алгоритмов, показательным алгоритмом является алгоритм для системы со множеством входов и множеством выходов с разложением по сингулярным значениям (SVD-MIMO), в которой канал связи матричного типа преобразуется в каналы, соответственно числу виртуальных передающих/приемных антенн, с использованием технологии разложения по сингулярным значениям, используемой в линейной алгебре.

Технология SVD кратко описана ниже для пояснения SVD-MIMO-системы.

Прежде чем будет приведено описание технологии SVD, ниже описано разложение по собственным значениям (EVD). Если произведение квадратной матрицы A размерности m×m на заданный вектор , имеющий размерность m×1, равно произведению комплексного числа на вектор , то может быть получено Уравнение (1):

(1)

В Уравнении (1) обозначает собственное значение матрицы A, а обозначает собственный вектор. Чтобы получить вектор , определяется уравнение (2), удовлетворяющее :

(2)

В Уравнении (2) det обозначает определитель матрицы. Вектор , удовлетворяющий Уравнению (1), определяется из , полученного из Уравнения (2). Например, Уравнение (3) используется для вычисления собственных значений и собственных векторов для матрицы .

(3)

В Уравнении (3) собственные векторы для и могут быть вычислены с помощью Уравнений (4) и (5).

(4)(5)

Метод вычисления собственных векторов, как описано выше, может быть сведен к следующим этапам:

1) вычислить определитель ;

2) вычислить корень этапа (1) и вычислить собственные значения и

3) вычислить собственные векторы, удовлетворяющие условию для собственных значений, вычисленных на этапе (2).

Если вычисленные собственные векторы линейно независимы друг от друга, матрица A может быть преобразована посредством вычисленных собственных значений и собственных векторов. Матрица D может определяться Уравнением (6), в котором собственные значения используются в качестве диагональных элементов, а остальные элементы, исключая диагональные элементы, равны 0.

(6)

Дополнительно, матрица S, столбцы которой составлены из вышеупомянутых собственных векторов, может быть определена Уравнением (7).

(7)

Если матрица A определена исходя из матрицы D, определенной Уравнением (6), и матрица S определена Уравнением (7), то матрица A может быть выражена Уравнением (8):

(8)

Если вышеупомянутый пример применить к Уравнению (8), то может быть выражено Уравнением (9):

(9)

В дальнейшем SVD будет описано на основе вышеупомянутого EVD.

Прежде всего, EVD может быть получено только для квадратной матрицы. Соответственно, метод, подобный EVD, может быть использован для матрицы размерности m×n, которая не является квадратной матрицей. То есть, если матрица B, которая не является квадратной матрицей, определена, то матрица B может быть разложена на множители, как выражено Уравнением (10):

(10)

В Уравнении (10) U является вышеупомянутой унитарной матрицей размерности m×m, а собственные векторы BB^H составляют столбцы U. Собственные векторы B^HB составляют столбцы матрицы V, которая является матрицей размерности n×n. Дополнительно, сингулярные значения (диагональные элементы матрицы D) являются квадратными корнями из значений (за исключением 0) среди собственных значений BB^H или B^HB.

Вышеупомянутое SVD может быть применено к MIMO-системе следующим способом.

Полагая, что в MIMO-системе число передающих антенн равно N_T, а число приемных антенн равно N_R, канал H, передающий данные, передаваемые от передатчика, пока данные не будут приняты приемником, может быть представлен как случайная матрица размерности N_R×N_T. При этом, если канальная матрица H разделена при помощи SVD-схемы, матрица H может быть выражена Уравнением (11).

(11)

В Уравнении (11) U является унитарной матрицей размерности N_R×N_R, и собственные векторы HH^H составляют столбцы U. U будем называть матрицей собственных векторов приема. Дополнительно, собственные векторы H^HH составляют столбцы матрицы V, которая является матрицей размерности N_T×N_T, и матрицу V будем называть матрицей собственных векторов передачи. Дополнительно, сингулярные значения (диагональные элементы матрицы D) являются квадратными корнями из значений (за исключением 0) среди собственных значений HH^H или H^HH. D будем называть матрицей сингулярных значений. Дополнительно, оператор H, используемый в качестве верхнего индекса, обозначает операцию (эрмитову) комплексно сопряженного транспонирования.

Система связи, использующая многоэлементную антенну, может быть в целом выражена Уравнением (12).

(12)

В Уравнении (12) Y обозначает символьную матрицу приема размерности N_R×1, а X обозначает символьную матрицу передачи размерности N_T×1. Дополнительно, H обозначает канальную матрицу размерности N_R×N_T, а N обозначает матрицу аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) размерности N_R×1. Символьная матрица X, с учетом передачи, должна учитывать канал матрицы H. Символьная матрица X передается в приемник и включает в себя матрицу N, которая является шумовой составляющей.

SVD-MIMO-система будет описана с использованием вышеупомянутой SVD-схемы.

Если передатчик использует фильтр предварительной обработки, такой как матрица V, то символьная матрица X передачи может быть выражена Уравнением (13):

(13)

Дополнительно, если приемник использует фильтр пост-обработки, такой как матрица U^H, то символьная матрица Y приема может быть выражена Уравнением (14):

(14)

Соответственно, SVD-MIMO-система, в которой передатчик использует матрицу V в качестве фильтра предварительной обработки, а приемник использует матрицу U^H в качестве фильтра пост-обработки, может быть выражена Уравнением (15):

(15)

Если Уравнение (15) разлагается в соответствии с каждым элементом каждой матрицы, то Уравнение (15) может быть выражено как Уравнение (16). Для удобства описания, допустим, что .

(16)

Как выражено Уравнением (16), в SVD-MIMO, система, передающая данные от множества передающих антенн к множеству приемных антенн, может рассматриваться как система с одним входом и одним выходом (SISO). То есть, канальная матрица H может быть упрощена до канала D, включающего в себя диагональные элементы, которые являются собственными значениями, содержащие меньшие или равные min(N_T,N_R), путем обработки матрицы V в передатчике и обработки матрицы U^H в приемнике. Как описано выше, в состоянии, когда канал H преобразуется при помощи SVD-схемы, передатчик использует процессор предварительной обработки, а приемник использует процессор последующей обработки, если передатчик только определяет значение собственного вектора V, то MIMO-канал может быть упрощен до множества SISO-каналов для простоты анализа. Дополнительно, как описано выше, SVD-MIMO-система заменяется на множество SISO-систем, использующих в качестве канальных значений. Передатчик может выполнять оптимальное динамическое распределение на основе заранее заданных V и . При этом приемник должен передать в передатчик информацию, относящуюся к V, и информацию, относящуюся к .

OFDM-система, использующая вышеупомянутую SVD-схему, будет описана со ссылкой на Фиг.1.

Фиг.1 является структурной схемой MIMO-системы, использующей SVD-MIMO-схему в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Фиг.1 демонстрирует пример, в котором SVD-MIMO-схема применена к OFDM-системе. Заметим, что SVD-MIMO-схема может быть также применена к другим системам связи, которые используют множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA) или множественный доступ с разделением частот (FDMA) и т.д., в дополнение к OFDM-системе, использующей MIMO.

Данные, которые должны передаваться передатчиком, перед передачей кодируются заданным канальным кодером и т.п. Для удобства описания, процесс, следующий за кодированием, описан со ссылкой на Фиг.1.

Согласно Фиг.1, если кодированные данные преобразуются в параллельные посредством последовательно-параллельного (S/P) преобразователя 101, то канальная матрица H, как описано выше, умножается на матрицу V Уравнения (1), для которой было выполнено SVD, в операторе 103 предварительной обработки. Каждый результат вычисления, полученный перемножением на матрицу V, подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье (ОБПФ) с помощью множества блоков 105a - 105n ОБПФ, отображенных на множество передающих антенн, и затем передается в приемник посредством множества параллельно-последовательных преобразователей 107a - 107n и множества передающих антенн 109a - 109n.

Сигналы, переданные посредством множества (например, N_T) передающих антенн 109a - 109n в передатчике, могут приниматься множеством (например, N_R) приемных антенн 111a - 111n в приемнике. Таким образом, сигналы, переданные от первой передающей антенны 109a, могут приниматься каждой из N_R приемных антенн. При этом сигналы, принятые каждой принимающей антенной, принимаются по различным каналам. Точно так же сигналы, переданные от второй передающей антенны или N_T передающей антенны, могут приниматься N_R приемными антеннами. Соответственно, канал H передачи может быть выражен Уравнением (17) согласно каналам между передающими антеннами и приемными антеннами.

(17)

Сигналы, переданные через канал H передачи, принимаются каждой из N_R приемных антенн. Сигналы, принятые каждой из приемных антенн, преобразуются в параллельные посредством последовательно-параллельных преобразователей 113a - 113m и затем подвергаются БПФ с помощью блоков 115a - 115m БПФ. Далее принятые сигналы, для которых было выполнено БПФ, перемножаются с матрицей U^H в соответствии с вышеупомянутой SVD-схемой в операторе 117 последующей обработки и затем преобразуются в последовательные посредством параллельно-последовательного (P/S) преобразователя 119.

Приемник SVD-MIMO-системы оценивает канальные значения, переданные от многоэлементной передающей антенны на многоэлементную приемную антенну, получает матрицы V, D и U матрицы H, используя SVD-схему, и передает полученную информацию передатчику по каналу обратной связи. При передаче матриц V и D от приемника к передатчику, передатчик может применить оптимальный алгоритм распределения ресурсов в соответствии с параметрами канала на основе значений , которые являются диагональными элементами матрицы D и сингулярным значением канала H.

Однако при этом, поскольку приемник должен передать передатчику по каналу обратной связи и матрицу V и матрицу D, требуется большой объем информации обратной связи. Дополнительно, SVD-система может передавать данные через канал, имеющий малое значение среди собственных значений, которые являются элементами матрицы D. При этом возрастает вероятность ошибки, тем самым быстро ухудшая эффективность передачи данных. Соответственно, необходимо создать способ, обеспечивающий более эффективное выполнение передачи данных в SVD-MIMO-системе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, настоящее изобретение направлено на решение, по меньшей мере, вышеупомянутых проблем, возникающих на предшествующем уровне техники, и задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа, обеспечивающих выполнение высоконадежной передачи данных в SVD-MIMO-системе замкнутого контура.

Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа, обеспечивающих выполнение высоконадежной передачи данных за счет выбора и передачи собственного вектора, соответствующего высокому сингулярному значению в SVD-MIMO-системе.

Для решения вышеупомянутых задач, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, предложен способ передачи/приема данных для использования в качестве информации обратной связи в системе мобильной связи замкнутого контура с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Способ содержит этапы, на которых передают по каналу обратной связи информацию выбора собственных векторов передачи, определенную с помощью разложения по сингулярным значениям (SVD) канальной матрицы, передают информацию выбора собственных векторов передачи передатчику и принимают переданную по каналу обратной связи информацию выбора собственных векторов передачи, выбирают данные передачи согласно принятой информации выбора собственных векторов передачи, отображают выбранные данные передачи, по меньшей мере, на одну передающую антенну и передают данные передачи в приемник.

Для решения вышеупомянутых задач, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ передачи данных через множество передающих антенн, определенных на основе информации, переданной по каналу обратной связи от приемника в системе мобильной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO). Способ содержит этапы, на которых принимают информацию выбора собственных векторов передачи, выбранную и переданную по каналу обратной связи согласно заранее заданному способу выбора собственных векторов передачи в приемнике, и выбирают данные передачи согласно принятой информации выбора собственных векторов передачи, отображают выбранные данные передачи на передающие антенны и передают данные передачи.

Для решения вышеупомянутых задач, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложен способ приема данных, переданных через множество передающих антенн в системе мобильной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO). Способ содержит этапы, на которых принимают данные, переданные через передающие антенны, выполняют разложение по сингулярным значениям (SVD) для состояний каналов между передающими антеннами и приемными антеннами, определяют объем данных передачи согласно сингулярному значению, основанному на результате SVD, и передают по каналу обратной связи информацию об определенном объеме данных передачи и передают информацию на передатчик.

Для решения вышеупомянутых задач, в соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предложено устройство для передачи данных через множество передающих антенн в системе мобильной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO). Устройство содержит селектор данных передачи для выполнения разложения по сингулярным значениям (SVD) для канальной матрицы между передающими антеннами и приемными антеннами, приема информации выбора собственных векторов передачи, определенных путем сравнения каждого собственного значения, которое является диагональным компонентом матрицы сингулярных значений согласно результату SVD, с заранее заданной пороговой величиной, и выбора данных передачи согласно принятой информации выбора собственных векторов передачи и процессор предварительной обработки для перемножения данных передачи, выбранных селектором данных передачи, и матрицы, включающей в себя собственные векторы передачи, и отображения данных передачи на передающие антенны.

Для решения вышеупомянутых задач, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложено устройство для приема данных, переданных через множество передающих антенн в системе мобильной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO). Устройство содержит блок разложения по сингулярным значениям для выполнения разложения по сингулярным значениям (SVD) для канальной матрицы между передающими антеннами и принимающими антеннами и блок определения собственных векторов передачи для определения информации выбора собственных векторов передачи путем сравнения каждого собственного значения диагональной матрицы для матрицы сингулярных значений, согласно результату SVD в блоке разложения по сингулярным значениям, с заранее заданной пороговой величиной, и передачи по каналу обратной связи информации выбора собственных векторов передачи на передатчик.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеупомянутые и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем подробном описании, со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - структурная схема MIMO-системы в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.2 - структурная схема MIMO-системы замкнутого контура в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая способ передачи данных в MIMO-системе замкнутого контура в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 блок-схема, иллюстрирующая способ приема данных в MIMO-системе замкнутого контура в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и

Фиг.5 - блок-схема, иллюстрирующая способ выбора собственных векторов передачи в MIMO-системе замкнутого контура в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи. В последующем описании настоящего изобретения, подробное описание известных функций и конфигурации, включенных в настоящий документ, опущено, чтобы не затенять сущность настоящего изобретения несущественными деталями.

Описаны способ и устройство для выбора и передачи собственного вектора передачи для высоконадежной связи в системе связи, использующей MIMO-систему замкнутого контура. В частности настоящее изобретение предлагает способ передачи собственного вектора передачи, выбранного для уменьшения сложности и повышения эффективности MIMO-системы, использующей SVD-схему ("SVD-MIMO-системы").

Селекторная SVD-MIMO-система в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения описана со ссылкой на Фиг.2.

На Фиг.2 показана структурная схема, приемопередатчика SVD-MIMO-системы замкнутого контура в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Для удобства понимания настоящее изобретение описано применительно к OFDM-системе со ссылкой на Фиг.2. Однако, поскольку настоящее изобретение не ограничено OFDM-системой, оно также может быть применено к другой системе связи, использующей CDMA, TDMA или FDMA и т.п.

Дополнительно, для удобства описания, Фиг.2 иллюстрирует обработку после того, как данные, которые должны передаваться передатчиком, подвергнуты кодированию заранее заданным канальным кодером, и т.д. То есть данные передачи после кодирования подвергаются обработке, как описано ниже.

Сначала, селектор 201 данных передачи выбирает данные передачи в соответствии с информацией выбора собственных векторов передачи, переданной по каналу обратной связи от приемника. То есть, селектор 201 данных передачи принимает информацию выбора собственных векторов передачи, переданную по каналу обратной связи от блока 223 определения собственных векторов передачи приемника, выбирает данные передачи, соответствующие числу собственных векторов информации выбора из закодированных и входных данных, и, затем, выводит выбранные данные передачи. Например, когда четыре антенны передают только три набора данных согласно информации обратной связи выбора собственных векторов передачи, селектор 201 данных передачи выбирает только три информационных блока данных. Далее подробно описан принцип действия селектора 201 данных передачи в соответствии с настоящим изобретением.

Выходные данные селектора 201 данных передачи подаются на вход последовательно-параллельного (S/P) преобразователя 203, и последовательно-параллельный преобразователь 203 преобразует последовательные данные в параллельные. Преобразованные в параллельные данные подаются на вход процессора 205 предварительной обработки и вычисляются матрицей V собственных векторов передачи. Например, выходные данные, полученные перемножением матрицы V размерности N_T×N_T и матрицы размерности N_T×1 в процессоре 205 предварительной обработки, выводятся в виде матрицы размерности N_T×1. Выходные данные являются информационными данными, имеющими число, соответствующее числу собственных векторов, выбранных из матрицы входных данных, а остальные данные имеют значение 0.

Выходные данные процессора 205 предварительной обработки передаются в приемник множеством передающих антенн 211a-211c посредством множества блоков 207a-207c ОБПФ и параллельно-последовательных преобразователей 209a-209c с соответствующим отображением на передающие антенны.

После этого данные, переданные через канал H передачи, принимаются множеством (например, N_R) приемных антенн 213a-213c. Данные, принятые приемными антеннами 213a-213c, преобразуются в параллельные данные посредством последовательно-параллельных преобразователей 215a-215c. Преобразованные параллельные данные подвергаются БПФ через блоки 217a-217c БПФ. Принятые данные, для которых было выполнено БПФ, умножаются на матрицу U^H в соответствии с вышеупомянутой SVD-схемой в операторе 219 последующей обработки и затем преобразуются в последовательные с помощью параллельно-последовательного (P/S) преобразователя 221.

Приемник SVD-MIMO-системы определяет параметры канала с помощью принятых сигналов, вычисляет матрицу V из матрицы H, рассчитанной из принятых сигналов при помощи SVD-схемы, и передает по каналу обратной связи расчетную информацию передатчику.

Блок 225 оценки канала выполняет оценку канала на основе сигналов, принятых приемными антеннами 213a-213c. Выходные значения блока 225 оценки канала подвергаются SVD с помощью блока 227 SVD и затем выводятся в виде матрицы H размерности N_R×N_T. Сингулярные значения канальной матрицы H, которая является выходным результатом SVD блока 227 SVD, подаются на вход блока 223 определения собственных векторов передачи. Блок 223 определения собственных векторов передачи в соответствии с настоящим изобретением анализирует параметр канала по каждой антенне на основе принятых сигналов и сингулярных значений, полученных в соответствии с SVD-схемой, и выбирает собственные векторы передачи, используя проанализированный параметр канала по каждой антенне.

В вышеупомянутом примере предполагается, что система имеет 2 (N_T=2) передающие антенны и 3 (N_R=3) приемные антенны, канальная матрица H может быть выражена Уравнением (18).

(18)

Как выражено Уравнением (18), сингулярными значениями являются 2 и 3. Если выбрано только сингулярное значение 2, передатчик принимает от приемника собственный вектор 10 передачи, соответствующий сингулярному значению 2 и номеру 1 из выбранных сингулярных значений.

Ниже подробно описан способ выбора собственных векторов передачи в соответствии с настоящим изобретением.

Выходной сигнал, полученный вычислением сигналов, принятых в приемнике, с помощью матрицы U^H в операторе 219 последующей обработки, становится сигналом DX+N, как выражено Уравнением (15). Матрица D представляет собой собственные значения канальной матрицы H, как описано выше, и является упорядоченной согласно последовательности от наибольшего элемента к наименьшему элементу. Величина каждого значения в матрице D соответствует тому, находится ли канал в благоприятном состоянии или в неблагоприятном состоянии. Соответственно, матрица D может быть выражена Уравнением (19).

(19)

В Уравнении (19) r является рангом канальной матрицы H и имеет значение rmin(N_T,N_R). Если ранг канальной матрицы Н меньше, чем число передающих/приемных антенн, для r<i<(N_T или N_R) имеет значение 0 в уравнении (19). Как описано выше, (1ir) является собственным значением канальной матрицы H. Если i>j, то >; где i и j обозначают индекс. То есть, диагональные элементы матрицы D упорядочены согласно последовательности от наибольшего элемента к наименьшему элементу.

Как выражено Уравнением (19), в SVD-MIMO-системе, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, данные, переданные через многоэлементные антенны, не проходят через канал H. Кроме того, канал может быть образован множеством SISO-каналов, и - могут рассматриваться в качестве действующего канала. Значит, как выражено Уравнением (19), система, включающая в себя передатчик, обрабатывающий матрицу V, и приемник, обрабатывающий матрицу U^H, может рассматриваться как система, в которой перекрывающиеся сигналы или параллельные сигналы передаются от многоэлементных передающих антенн на многоэлементные приемные антенны. Соответственно, если ранг является высоким, то пропускная способность канала может возрасти.

Как описано выше, (1ir) упорядочены согласно последовательности от наибольшего элемента к наименьшему элементу. Величина (1ir) указывает высокое или низкое качество состояния канала для каждой передающей антенны. Соответственно, когда состояние канала неблагоприятно для каждой передающей антенны и, таким образом, заранее заданное условие не выполнено, то, согласно настоящему изобретению, данные не передаются посредством соответствующего собственного вектора с использованием (1ir).

Собственный вектор может выбираться для снижения вероятности ошибки для передаваемого сигнала. Ниже описана схема выбора собственных векторов для снижения вероятности ошибки для передаваемого сигнала.

Как описано выше, селекторная SVD-MIMO-система может рассматриваться как параллельная комбинация множественных SISO-систем. Дополнительно, зависимость между данными передачи может быть выражена Уравнением (20):

(20)

В Уравнении (20) обозначает j-й сигнал матрицы размерности N_R×l, полученной умножением принятого сигнала на вычисленное значение (U^H) оператора 219 последующей обработки, обозначает j-й сигнал передачи, и обозначает j-й АБГШ-сигнал (значением дисперсии АБГШ является ). В силу того, что является положительным целым числом, если делится на , значением дисперсии АБГШ является . Соответственно, вероятность ошибки при передаче j-х данных x_j (1jr) может быть выражена Уравнением (21):

(21)

В Уравнении (21) d_min отражает кратчайшее расстояние в пространстве сигналов данных передачи. обозначает значение дисперсии канала, и Q обозначает Q-функцию. Если предполагается, что сигнал М-квадратурной амплитудной модуляции (М-КВАМ) передан и дисперсия сигнала равна , то d_min может быть выражено Уравнением (22), Q-функция может быть выражена Уравнением (23):

(22)

В Уравнении 22 d_min отражает кратчайшее расстояние в пространстве сигналов данных передачи, и обозначает значение дисперсии сигнала передачи, а М обозначает М-КВАМ. Например, M=4 обозначает 4-КВАМ, а M=16 обозначает 16-КВАМ.

(23)

Соответственно, в Уравнении (21), если j последовательно возрастает с наименьшего и поэтому средняя вероятность ошибки (результат Уравнения (23)) больше, чем заранее заданная пороговая величина, данные не передаются. Например, если средняя вероятность ошибки (результат Уравнения (21)) больше чем 0,5, собственный вектор не выбирается. В силу того, что способ определения заранее заданной пороговой величины не относится к сущности настоящего изобретения, подробное описание опущено. Если Уравнение (24) выполняется, то передача j-го собственного вектора передачи определяется, основываясь на j-м сингулярном значении.

(24)

В частности, следующий способ выбора собственных векторов может быть рассмотрен в CDMA-системе. Так как значения обозначают состояние канала согласно каждой передающей антенне в каждой SVD-MIMO-системе, как описано выше, то , имеющее наименьшее значение среди всех значений , обозначает передающую антенну, имеющую наихудшее состояние канала в SVD-MIMO-системе. , имеющее наименьшее значение, обозначается как . Соответственно, следует передавать данные или нет, определяется сначала для передающей антенны, соответствующей . Поскольку является канальной информацией, имеющей отношение к передающей антенне, имеющей наихудшее состояние канала среди каналов H, переданной посредством всей передающей антенной, удовлетворяет Уравнению (25):

(25)

Согласно Уравнению (25), если шум не принимается во внимание, то значение , которое является нормальным значением сигнала после того, как сигнал x передачи испытал влияние канала H, должно быть всегда большим или равным , являющимся произведением минимального собственного значения и нормального значения сигнала x передачи.

Дополнительно, если нормальное значение шумового сигнала больше, чем половина минимального расстояния, то имеет место ошибка. Это может быть выражено Уравнением (26):

(26)

В Уравнении (26) d_min является минимальным расстоянием на модуляционной совокупности в передатчике. Соответственно, если предполагается, что S является множеством всех векторов с возможностью передачи, S включает в себя (-1,-1), (-1,+1), (+1,-1) и (+1,+1) в случае двоичной фазовой манипуляции (ДФМ). В системе связи, использующей многоэлементную антенну, минимальное расстояние d_min может быть выражено Уравнением (27):

(27)

Как выражено Уравнением (27), минимальное расстояние d_min для сигнала приема является минимальным значением расстояния между символами, принятыми посредством канальной матрицы H для каждого символа (S_i,S_j) передачи.

Если H(S_i-S_j) из Уравнения (27) применяется к Уравнению (25), то может быть получено Уравнение (28):

(28)

Если Уравнение (28) подставить в Уравнение (27), то может быть получено Уравнение (29):

(29)

В Уравнении (29), если минимальным расстоянием (т.е. ) в передатчике является d₀, то Уравнение (29) может быть представлено как Уравнение (30):

(30)

В Уравнении (30) минимальным расстоянием d₀ в передатчике является постоянное значение, определенное согласно схеме модуляции. Соответственно, если минимальное собственное значение канала H велико, то значение d_min возрастает. Поэтому вероятность ошибки уменьшается. Однако значение d_min является фиксированным значением, которое не регулируется. Если предоставлена заранее заданная канальная матрица, то множество антенн выбирается и используется в соответствии с настоящим изобретением. Поэтому, вероятность ошибки может быть уменьшена.

Значит, если Уравнение (30) подставить в Уравнение (26), то может быть получено Уравнение (31):

(31)

Критерий выбора передающей антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения обеспечивается Уравнением (31). В Уравнении (31) d₀ является постоянным значением, как описано выше, и нормальное значение шумового сигнала является значением, измеренным с помощью сигнала приема. В обычной CDMA-системе, в силу того, что сигнал передачи умножается на последовательность расширения спектра передачей, то мощность передачи и мощность любого шума являются очень малы для каждого кодового элемента. Получается средняя мощность сигнала приема, так что может быть получена мощность шума.

Как описано выше, в матрице D, как выражено Уравнением (19), полученной из сигнала приема в соответствии с SVD-схемой, определяется, выбирать передающую антенну или нет, согласно сингулярному значению (т.е. значению ) каждой передающей антенны, которая представлена элементами, составляющими матрицу. Другими словами, если значение в правой части уравнения является меньшим, чем нормальное значение шумового сигнала в Уравнении (31), то велика вероятность того, что в сигнале, переданном через соответствующий канал, имеет место ошибка. Соответственно, передача данных через соответствующий канал является неэффективной.

В отличие от этого, если наименьшее значение среди всех значений превышает заранее заданное значение (т.е. состояние соответствующего канала становится благоприятным), и таким образом значение является большим, чем нормальное значение шумового сигнала, то предпочтительно передавать данные, используя соответствующую передающую антенну. В силу того, что собственные значения для остальной части каналов больше, чем значение , собственные значения удовлетворяют вышеупомянутому условию без определения посредством Уравнения (31).

Пока условие Уравнения (31) не выполнено (т.е. значение больше, чем нормальное значение шумового сигнала), желательно выполнить определение значения , начиная со значения . Дополнительно, желательно не передавать данные через передающую антенну, соответствующую каналам, удовлетворяющим условию Уравнения (31).

Информация выбора собственных векторов передачи, определенная вышеописанным способом, передается по каналу обратной связи к передатчику от приемника. Затем селектор 201 данных передачи выбирает передающую антенну согласно полученной информации выбора собственных векторов передачи и передает данные через выбранную передающую антенну. В настоящем изобретении, представленном как описано выше, данные не передаются через передающую антенну, которой соответствует плохая канальная среда, таким образом, уменьшая вероятность ошибки.

Желательно, чтобы приемник передавал по каналу обратной связи не только информацию выбора собственных векторов передачи, но также и информацию относительно вектора V, чтобы использовать SVD-схему, как описано выше. Вектор V имеет размер (N_T×N_R) каждой поднесущей.

Если система представляет собой систему дуплексной связи с частотным разделением (ДСЧР), используется информация, переданная по каналу обратной связи от приемника. Однако, если система является системой дуплексной связи с временным разделением (ДСВР), существует возможность выполнить отслеживание, используя переданные/полученные данные и пилот-сигналы без обратной связи от приемника. В ДСВР-системе, в силу того, что данные передачи и данные приема разделяются во времени по одним и тем же канальным средам перед передачей, можно определить каналы для передачи данных с использованием каналов, оцененных посредством сигналов, полученных от приемника.

Процесс передачи/приема данных в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения описан со ссылкой на Фиг.3 и 4.

На Фиг.3 показана блок-схема способа передачи данных в селекторной SVD-MIMO-системе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Согласно Фиг.3 передатчик принимает информацию выбора собственных векторов передачи от приемника в соответствии с настоящим изобретением (этап 301). Информация выбора собственных векторов передачи определяется путем оценки состояния канала по каждой передающей антенне посредством собственных значений матрицы D, полученной в соответствии с SVD-схемой, и определения собственных значений (т.е. значений ) согласно каждому канальному состоянию, исходя из того, превышает ли вероятность ошибки сигнала передачи исходное значение, как описано выше.

Затем передатчик выбирает данные, которые будут передаваться, согласно полученной информации выбора собственных векторов передачи (этап 303). Передатчик отображает данные таким образом, что данные не передаются посредством собственного вектора, для которого определено не передавать данные из-за плохого состояния канала согласно полученной информации выбора собственных векторов передачи.

Процесс отображения данных и данных передачи, выполняемый селектором 201 данных передачи, подробно описан ниже со ссылкой на Фиг.2.

Предполагается, что количество передающих антенн 4 и количество приемных антенн 4 (т.е. N_T=4, N_R=4), и символы s1, s2, s3 и s4 передаются на начальной стадии. Передающая антенна, которая используется для передачи данных, определяется путем применения нормального значения шумового сигнала и собственных значений матрицы D к условиям Уравнений (24) - (31).

Если предполагается, что только четвертая антенна указывает на плохое состояние канала в процессе определения передающих антенн, следующие символы передаются только через установленные собственные векторы передачи, пока приемник не определит следующие состояния канала (т.е. определяются следующие собственные векторы передачи). Так как состояние канала не является статическим условием, то желательно проверять состояние канала постоянно и периодически.

В передатчике векторные символы в состоянии готовности вместе с символами s5, s6, s7 и s8 подаются на вход селектора 201 данных передачи. Селектор 201 данных передачи выбирает входные символы так, чтобы входные символы передавались только через передающие антенны с первой по третью согласно информации выбора собственных векторов передачи, переданной по каналу обратной связи от приемника. Значит, так как передающие антенны с первой по третью определяются для использования исходя из информации выбора собственных векторов передачи, селектор 201 данных передачи вычисляет входные символы с помощью матрицы, которая выражена Уравнением (32), чтобы входные символы отображались на антенны.

(32)

Соответственно, когда символы s5, s6, s7 и s8 подаются на вход, входные символы умножаются на матрицу, которая выражена Уравнением (32). Затем, в результате перемножения, только символы s5, s6 и s7 подаются на вход последовательно-параллельного преобразователя 203. 0 отображается как последнее значение данных, то есть, значение данных, вычисленное с последним собственным вектором, есть 0.

Так как следующий символьный вектор должен передаваться снова от символа s8, чтобы сохранить непрерывность передачи данных, селектор 201 данных передачи должен помнить символ, который не был передан.

После отображения символьных данных, которые должны передаваться, на каждую антенну селектором 201 данных передачи, символьные данные вычисляются с помощью матрицы V собственных векторов передачи в соответствии с приложением SVD-схемы (этап 305). Символьные данные, вычисленные с помощью матрицы V собственных векторов передачи, передаются каждой передающей антенной (этап 307).

Процесс приема данных в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на Фиг.4.

На Фиг.4 показана блок-схема способа приема данных в селекторной SVD-MIMO-системе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Согласно Фиг.4 приемник принимает данные, переданные от передатчика (этап 401). Принятые данные вычисляются с помощью матрицы U^H посредством процессора последующей обработки для применения SVD-схемы (этап 403). Далее приемник выполняет оценку канала с помощью принятых данных (этап 405). Затем приемник выполняет SVD для канальной матрицы H, полученной посредством оценки канала (этап 407). Как описано выше, канал, оцененный исходя из выходного значения, полученного в результате действий над матрицей U^H, имеет форму, подобную матрице D в соответствии с SVD-схемой.

Дополнительно, собственный вектор передачи выбирается согласно условиям Уравнений (24) - (31), как изображено на Фиг.2 (этап 409). Затем вычисленная информация матрицы V собственных векторов передачи и информация выбора собственных векторов передачи передается по каналу обратной связи на передатчик (этап 411). Как описано выше, если система является ДСВР-системой, матрица V собственных векторов передачи может быть вычислена в передатчике. Соответственно, может оказаться невозможным передать по каналу обратной связи матрицу V собственных векторов передачи.

Как описано выше, способ передачи/приема данных в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения охарактеризован со ссылкой на Фиг.3 и 4. Способ для определения передающей антенны, исходя из значений канальной оценки для каждой передающей антенны, описан ниже со ссылкой на Фиг.5.

Фиг.5 является блок-схемой, иллюстрирующей способ выбора собственных векторов передачи в MIMO-системе замкнутого контура в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Согласно Фиг.5 вектор D сначала оценивается для принятых данных посредством SVD (этап 501). Предполагается, что значением K является N_T (этап 503). Затем, выбранный собственный вектор передачи из определенных каждый раз после 1, вычитается из значения N_T. Дополнительно, собственные векторы, которые будут выбраны, определяются на основании вышеупомянутых Уравнений (24) - (31) (этап 505). Значение K, удовлетворяющее условиям Уравнений (24) - (31), сохраняется (этап 507), и 1 вычитается из значения K для проверки следующего (этап 509). Передающая антенна, соответствующая сохраненному значению K, не используется для передачи данных.

Если состояние канала благоприятно для заранее заданного значения и таким образом условия не выполняются (этап 505), то условия равно не выполняются для следующего значения . Соответственно, пока условия не будут выполнены, собственный вектор передачи, не использованный для передачи данных, в результате определяется как собственный вектор передачи для сохраненного значения K (этап 511).

Дополнительно, определенная информация о передающих антеннах передается передатчику, и передатчик не использует соответствующую передающую антенну в следующей передаче. Если соответствующее условие не возникает при первом сопоставлении в процедуре, все антенны равно используются в следующей передаче.

В настоящем изобретении, как описано выше, передающая антенна определена согласно состояниям канала, чтобы улучшить надежность передачи в MIMO-системе замкнутого контура. Этот способ позволяет разрешить проблему ухудшения надежности связи в тех случаях, когда канал не имеет полного ранга, что является преимуществом традиционной MIMO-системы. Дополнительно, когда способ применяется к системе следующего поколения, может быть получено много преимуществ. Более того, в соответствии с настоящим изобретением собственный вектор, соответствующий наибольшему сингулярному значению, выбирается и передается в MIMO-системе замкнутого контура, тем самым повышая надежность в передаче данных.

Хотя предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения описан для иллюстративных целей, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны различные изменения, добавления и замены без отступления от объема и сущности настоящего изобретения, которые раскрыты в прилагаемой формуле изобретения, в полном объеме включающей в себя его эквиваленты.

Изобретение относится к мобильной связи и может быть использовано в системе мобильной связи замкнутого контура с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Способ передачи/приема данных включает в себя этапы передачи по каналу обратной связи информации выбора собственных векторов передачи, определенной с помощью разложения по сингулярным значениям (SVD) канальной матрицы и передачи информации выбора собственных векторов передачи на передатчик и приема информации обратной связи выбора собственных векторов передачи, выбора данных передачи согласно принятой информации выбора собственных векторов передачи, отображения выбранных данных передачи, по меньшей мере, на одну передающую антенну и передачи данных передачи на приемник. Технический результат - повышение эффективности передачи данных. 5 н. и 42 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ передачи/приема данных для использования в качестве информации обратной связи в системе мобильной связи замкнутого контура со многими входами и многими выходами (MIMO), причем способ содержит этапы, на которых передают по каналу обратной связи информацию выбора собственных векторов передачи, определенную с помощью разложения по сингулярным значениям (SVD) канальной матрицы, и передают информацию выбора собственных векторов передачи передатчику и принимают переданную по каналу обратной связи информацию выбора собственных векторов передачи, выбирают данные передачи согласно принятой информации выбора собственных векторов передачи, отображают выбранные данные передачи, по меньшей мере, на одну передающую антенну, и передают данные передачи в приемник.2. Способ по п.1, в котором информация выбора собственных векторов передачи определяется согласно выражению

где n обозначает шумовой сигнал, d₀ обозначает минимальное расстояние в передатчике, и λ_k обозначает собственное значение канала для k-й передающей антенны.

где P_e,j обозначает вероятность ошибки, d_min отражает кратчайшее расстояние в пространстве сигналов данных передачи, σ_n обозначает значение дисперсии канала, Q обозначает Q-функцию, и th обозначает заранее заданную пороговую величину.

где n обозначает шумовой сигнал, d₀ обозначает минимальное расстояние в передатчике, и λ_k обозначает собственное значение канала для k-й передающей антенны.

где P_e,j обозначает вероятность ошибки, d_min отражает кратчайшее расстояние в пространстве сигналов данных передачи, σ_n обозначает значение дисперсии канала, Q обозначает Q-функцию, и th обозначает заранее заданную пороговую величину.

где n обозначает шумовой сигнал, d₀ обозначает минимальное расстояние в передатчике, и λ_k обозначает собственное значение канала для k-й передающей антенны.

где P_e,j обозначает вероятность ошибки, d_min отражает кратчайшее расстояние в пространстве сигналов данных передачи, σ_n обозначает значение дисперсии канала, Q обозначает Q-функцию, и th обозначает заранее заданную пороговую величину.

где n обозначает шумовой сигнал, d₀ обозначает минимальное расстояние в передатчике, и λ_k обозначает собственное значение канала для k-й передающей антенны.

где P_e,j обозначает вероятность ошибки, d_min отражает кратчайшее расстояние в пространстве сигналов данных передачи, σ_n обозначает значение дисперсии канала, Q обозначает Q-функцию, и th обозначает заранее заданную пороговую величину.

где n обозначает шумовой сигнал, d₀ обозначает минимальное расстояние в передатчике, и λ_k обозначает собственное значение канала для k-й передающей антенны.

где P_e,j обозначает вероятность ошибки, d_min отражает кратчайшее расстояние в пространстве сигналов данных передачи, σ_n обозначает значение дисперсии канала, Q обозначает Q-функцию, и th обозначает заранее заданную пороговую величину.