УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СХЕМОЙ ПЕРЕДАЧИ СОГЛАСНО СОСТОЯНИЮ КАНАЛА В СИСТЕМЕ СВЯЗИ Российский патент 2008 года по МПК H04B7/155 

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к системе связи и, в частности, к устройству и способу управления схемой передачи передатчика согласно состоянию канала в системе связи, имеющей передатчик с множеством передающих (Tx) антенн и приемник со множеством приемных (Rx) антенн.

Описание предшествующего уровня техники

Современное общество засвидетельствовало бурное развитие мобильных систем беспроводной связи для удовлетворения различных потребностей потребителей. Было проведено множество исследований для предоставления наилучшей услуги на полной скорости с наименьшей частотой ошибок по битам (BER) с использованием ограниченных радиоресурсов в мобильных системах беспроводной связи. Одной из схем для достижения этих результатов является схема пространственно-временной обработки.

Схема пространственно-временной обработки была направлена на решение проблем, встречающихся в среде радиосвязи, например, таких как потеря сигнала и непредсказуемое состояние канала. В 1960-е годы был предложен алгоритм формирования диаграммы направленности. Он все еще активно используется для увеличения эффективных коэффициентов усиления антенны в каналах нисходящей и восходящей линий связи и для увеличения емкости сотовой ячейки. Схема пространственно-временного кодирования (STC), представленная Тарок (Tarokh) и др. в 1997, также является схемой разнесения передатчика, активно используемой в настоящее время. Схема STC в научно-исследовательских работах разделяется на STBC (пространственно-временной блочный код) и STTC (пространственно-временной матричный код). Код Аламути (Alamouti) был предложен в качестве STBC, который поддерживает ортогональность и обеспечивает полную скорость. Многие исследования также были проведены на комбинациях схемы разнесения передачи и схемы кодирования канала для увеличения эффективности приема.

Все эти усилия нацелены на эффективность приема. Разработки направляются на увеличение скорости передачи данных вместо повышения эффективности приема. Основной схемой увеличения скорости передачи данных является схема пространственного мультиплексирования. Схема пространственного мультиплексирования является схемой передачи различных данных через множество передающих антенн. При этом данные каждой передающей антенны отличаются друг от друга. Согласно теории Телта (Telta) и др., схема с множеством входов и множеством выходов (MIMO), представляющая собой вариант схемы пространственного мультиплексирования, увеличивает пропускную способность соответственно количеству передающих антенн по сравнению со схемой с одним входом и одним выходом (SISO). Увеличение пропускной способности весьма существенно для систем высокоскоростной передачи данных.

Используя схему пространственного мультиплексирования и схему MIMO совместно, приемник декодирует множество принятых символов посредством схемы определения максимального правдоподобия. Для обеспечения производительности на высокой частоте сложность чрезмерно возрастает. Соответственно, метод BLAST (многоуровневая пространственно-временная обработка Belllab) был предложен для уменьшения сложности, хотя он не обеспечивал наилучшую эффективность декодирования при определении максимального правдоподобия. В методе BLAST символы раздельно принимаются один за другим, и разделенные символы исключаются из неразделенных символов, то есть группы символов, тем самым уменьшая объем вычисления.

Из заданного количества передающих антенн и количества приемных антенн могут создаваться комбинации антенн, которые соответствуют количеству передающих и приемных антенн. Комбинации антенн применяются в различных целях. Например, для двух передающих антенн и двух приемных антенн создается комбинация антенн для 2×2 STBC и 2-уровневого пространственного мультиплексирования (SM). STBC является схемой, использующей код STBC. 2×2 STBC задает объем данных, который передатчик может передать, и улучшает характеристику приема приемника. С другой стороны, 2-уровневое SM увеличивает объем передаваемых данных в два раза по сравнению с 2×2 STBC.

Как описано выше, возможны различные комбинации антенн на основе количества передающих антенн и количества приемных антенн. Следовательно, выбор комбинации антенн из различных комбинаций антенн для передачи/приема данных в системе связи является существенным фактором, который определяет пропускную способность системы.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, в существенной степени решить вышеупомянутые проблемы и/или устранить отмеченные недостатки и, по меньшей мере, обеспечить преимущества, указанные ниже. Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа управления передатчиком в соответствии с состоянием канала в системе связи MIMO.

Указанная задача решается способом и устройством для управления передатчиком в соответствии с состоянием канала в системе связи.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предложен способ управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи, где передатчик имеет M передающих антенн, и приемник имеет N приемных антенн. Способ содержит этапы обработки данных в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи, и передачи обработанных данных передатчиком приемнику; приема данных от передатчика, оценивания состояния канала, выбора схемы передачи, согласно состоянию канала в соответствии с результатом оценки состояния канала, и подачи по обратной связи передатчику информации о схеме передачи, указывающей выбранную приемником схему передачи; и определения схемы передачи, соответствующей принятой передатчиком информации о схеме передачи.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предложен способ управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи, где передатчик имеет M передающих антенн, и приемник имеет N приемных антенн. Способ содержит этапы обработки данных в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи, и передачи обработанных данных передатчиком приемнику; приема данных от передатчика, оценивания состояния канала и подачи по обратной связи передатчику информации о состоянии канала в соответствии с результатом оценки состояния канала приемником, и выбора одной из множества схем передачи, соответствующей принятой передатчиком информации о состоянии канала.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, предложено устройство управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи, где передатчик имеет M передающих антенн, и приемник имеет N приемных антенн. Устройство содержит передатчик для обработки данных в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи, передачи обработанных данных приемнику, и определения схемы передачи, соответствующей информации о схеме передачи, принятой от приемника; и приемник для приема сигнала от передатчика, оценивания канал сигнала, выбора схемы передачи согласно оцененному состоянию канала в соответствии с результатом оценки состояния канала, и подачи по обратной связи передатчику информации о схеме передачи, указывающей выбранную схему передачи.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предложено устройство управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи, где передатчик имеет M передающих антенн и приемник имеет N приемных антенн. Устройство содержит передатчик для обработки данных схемы передачи, выбранной из множества схем передачи, передачи обработанных данных приемнику, и выбора одной из множества схем передачи, соответствующей информации о состоянии канала, принятой от приемника; и приемник для приема данных от передатчика, оценивания состояния канала и подачи по обратной связи передатчику информации о состоянии канала в соответствии с результатом оценки состояния канала.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предложен способ управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в передатчике в системе связи. Способ содержит этапы обработки данных в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи, и передачи обработанных данных приемнику; приема от приемника информации о схеме передачи, указывающей схему передачи, определенную согласно состоянию канала между передатчиком и приемником; и определения схемы передачи, соответствующей принятой информации о схеме передачи.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предложен способ управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в приемнике в системе связи. Способ содержит этапы: приема сигнала от передатчика и определения состояния канала посредством оценивания состояния канала для сигнала; выбора одной из множества схем передачи, доступных передатчику, согласно состоянию канала; и подачи по обратной связи передатчику информации о схеме передачи, указывающей выбранную схему передачи.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, предложено устройство управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи. Устройство содержит процессор данных для обработки данных в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи; радиочастотный процессор для передачи обработанных данных приемнику; и контроллер для выбора схемы передачи и после приема от приемника информации о схеме передачи, указывающей схему передачи, определенную согласно состоянию канала между передатчиком и приемником, выбора схемы передачи в соответствии с информацией о схеме передачи.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предложено устройство управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи. Устройство содержит процессор данных для обработки данных в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи; радиочастотный процессор для передачи обработанных данных приемнику; и контроллер для выбора схемы передачи и после приема от приемника информации о состоянии канала, указывающей состояние канала между передатчиком и приемником, выбора схемы передачи в соответствии с информацией о состоянии канала.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предложено устройство управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи. Устройство содержит радиочастотный процессор для приема сигнала от передатчика и определения состояния канала посредством оценивания канала сигнала; процессор данных для выбора одной из множества схем передачи, доступных передатчику, согласно состоянию канала; и блок обратной связи для подачи передатчику информации о схеме передачи, указывающей выбранную схему передачи.

Краткое описание чертежей

Вышеприведенные и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем подробном описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - блок-схема, иллюстрирующая структуру передатчика и приемника для реализации настоящего изобретения;

Фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая структуру процессоров данных, показанных на фиг.1;

Фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая поток сигналов для функционирования передатчика и приемника, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 - диаграмма, иллюстрирующая поток сигналов для функционирования передатчика и приемника, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.5 - график, иллюстрирующий рабочие характеристики BER системы связи 4×2; и

Фиг.6 - график, иллюстрирующий рабочие характеристики BER системы связи 4×4.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи. В последующем описании широко известные функции или конструкции не описываются подробно, чтобы не затруднять понимание изобретения ненужными подробностями.

Настоящее изобретение обеспечивает способ управления схемой передачи передатчика в системе связи, где передатчик имеет множество передающих (Tx) антенн, и приемник имеет множество приемных антенн. Схема управления схемой передачи описана в контексте двух систем связи на основе систем связи 4-го поколения (4G). Система связи 4G, используемая для описания настоящего изобретения, содержит передатчик с четырьмя передающими (Тх) антеннами и приемник с двумя приемными (Rx) антеннами, и передатчик с четырьмя передающими антеннами и приемник с четырьмя приемными антеннами. Хотя настоящее изобретение применимо к любой системе связи, использующей схему FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов), схему TDMA (множественный доступ с временным разделением каналов), схему CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов) и схему OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), необходимо принимать во внимание, что последующее описание в качестве примера относится к системе связи, использующей схему OFDM (система связи OFDM).

На фиг.1 показана блок-схема, иллюстрирующая структуру передатчика и приемника для реализации настоящего изобретения.

Согласно фиг.1, передатчик 100 содержит контроллер 111, процессор 113 данных и радиочастотный (РЧ) процессор 115. Приемник 150 содержит РЧ-процессор 151, процессор 153 данных и блок 155 обратной связи. После формирования данных передачи данные подаются в процессор 113 данных. Процессор 113 данных обрабатывает данные в схеме OFDM под управлением контроллера 111. Контроллер 111 определяет схему передачи, которая должна использоваться процессором 113 данных, в соответствии с управляющей информацией о схеме передачи, поданной по обратной связи от приемника 150. РЧ-процессор 115, включающий в себя фильтр и высокочастотный блок, обрабатывает выходной сигнал процессора 113 для формирования радиочастотного сигнала, который может передаваться по воздуху, и передает РЧ-сигнал посредством передающих антенн.

Приемные антенны приемника 150 принимают сигнал от передающих антенн передатчика 100. РЧ-процессор 151 преобразует с понижением частоты принятый сигнал в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Процессор 153 данных обрабатывает ПЧ-сигнал соответственно схеме передачи, использованной передатчиком 100, и выводит обработанный сигнал в качестве окончательных принятых данных. Процессор 153 данных определяет управляющую информацию о схеме передачи, посредством которой передатчик 100 будет определять схему передачи, и передает управляющую информацию о схеме передачи передатчику 100 через блок 155 обратной связи. Хотя приемник 150 снабжен блоком 155 обратной связи для подачи по обратной связи управляющей информации о схеме передачи, очевидно, что управляющая информация о схеме передачи может вместо этого передаваться посредством сообщения сигнализации верхнего уровня.

На фиг.2 показана блок-схема, иллюстрирующая структуру процессоров 113 и 153 данных. Согласно фиг.2, процессор 113 данных содержит первый, второй и третий блоки 200, 230 и 260 режима передачи. Первый блок 200 режима передачи обрабатывает данные в первом режиме передачи, соответствующем схеме 4×4 STBC, второй блок 230 режима передачи обрабатывает данные во втором режиме передачи, соответствующем схеме 2-уровневого пространственного мультиплексирования (SM), и третий блок 260 режима передачи обрабатывает данные в третьем режиме передачи, соответствующем схеме SM. Три режима имеются в системе связи, в которой передатчик имеет четыре передающие антенны, а приемник имеет четыре приемные антенны (система связи 4×4). Однако третий режим передачи не сможет использоваться в системе связи, в которой передатчик имеет четыре передающие антенны, а приемник имеет две приемные антенны (система связи 4×2), так как приемных антенн применяется меньше, чем передающих антенн.

Первый блок 200 режима передачи имеет модулятор 201, кодер 203 4×4 STBC, четыре блока 207, 211, 215 и 219 обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) и четыре параллельно-последовательных преобразователя (PSC) 209, 213, 217 и 221.

При вводе данных в первый блок 200 режима передачи данные подаются на модулятор 201. Модулятор 201 модулирует данные согласно заранее заданной схеме модуляции. Кодер 203 4×4^{STBC кодирует модулированный сигнал согласно схеме 4×4STBC.}

Блоки 207, 211, 215 и 219 IFFT обрабатывают согласно IFFT 4×4 STBC-кодированные сигналы. Преобразователи PSC 209, 213, 217 и 221 преобразуют параллельные сигналы IFFT, принятые от блоков 207, 211, 215 и 219 IFFT, в последовательные сигналы и выводят последовательные сигналы через соответствующие передающие антенны, соединенные с РЧ-процессором 115. То есть, сигнал от PSC 209 передается через первую передающую антенну, сигнал от PSC 213 - через вторую передающую антенну, сигнал от PSC 217 - через третью передающую антенну и сигнал от PSC 221 - через четвертую передающую антенну.

Второй блок 230 режима передачи имеет модулятор 231, последовательно-параллельный преобразователь (SPC) 233, два кодера 235 и 237 2×2 STBC, четыре блока 239, 243, 247 и 251 IFFT, и PSC 241, 245, 249 и 253.

При вводе данных во второй блок 230 режима передачи данные подаются в модулятор 231. Модулятор 231 модулирует данные согласно заранее заданной схеме модуляции. SPC 233 преобразует последовательный модулированный сигнал, принятый от модулятора 231, в параллельные сигналы. Кодеры 235 и 237 2×2 STBC кодируют параллельные сигналы согласно схеме 2×2 STBC.

Блоки 239, 243, 247 и 251 IFFT обрабатывают согласно IFFT 2×2 STBC-кодированные сигналы. Преобразователи PSC 241, 245, 249 и 253 преобразуют параллельные сигналы IFFT, принятые от блоков 239, 243, 247 и 251 IFFT, в последовательные сигналы и выводят последовательные сигналы через соответствующие передающие антенны, соединенные с РЧ-процессором 115. То есть, сигнал от PSC 241 передается через первую передающую антенну, сигнал от PSC 245 - через вторую передающую антенну, сигнал от PSC 249 - через третью передающую антенну и сигнал от PSC 253 - через четвертую передающую антенну.

Третий блок 260 режима передачи имеет модулятор 261, SPC 263, четыре блока 265, 269, 273 и 277 IFFT и четыре PSC 267, 271, 275 и 279.

При вводе данных в третий блок 260 режима передачи данные подаются в модулятор 261. Модулятор 261 модулирует данные согласно заранее заданной схеме модуляции. SPC 263 преобразует последовательный модулированный сигнал, принятый от модулятора 261, в параллельные сигналы. Блоки 265, 269, 273 и 277 IFFT обрабатывают согласно IFFT параллельные сигналы соответственно. Преобразователи PSC 267, 271, 275 и 279 преобразуют параллельные сигналы IFFT в последовательные сигналы и выводят их через соответствующие передающие антенны, соединенные с РЧ-процессором 115. То есть, сигнал от PSC 267 передается через первую передающую антенну, сигнал от PSC 271 - через вторую передающую антенну, сигнал от PSC 275 - через третью передающую антенну и сигнал от PSC 279 - через четвертую передающую антенну.

В процессоре 113 данных каждый из трех блоков 200, 230, 260 режима передачи имеет четыре передающие антенны, однако видно, что четыре передающие антенны используются обычно каждым из трех блоков 200, 230, 260 режима передачи. При этом в случае, когда четыре передающие антенны используются каждым из трех блоков 200, 230, 260 режима передачи, процессор 113 данных должен иметь селектор (не показан) для выбора одного выходного сигнала из выходных сигналов каждого из трех блоков 200, 230, 260 режима передачи. Таким образом, выбранный выходной сигнал передается через четыре передающие антенны.

Сигналы, переданные через четыре передающие антенны, поступают в процессор 153 данных через РЧ-процессор 151 в приемнике 150.

Как описано выше, приемник 150 может снабжаться двумя или четырьмя приемными антеннами. В первом случае, передатчик 100 не может передавать сигналы в третьем режиме передачи. Процессор 153 данных включает в себя множество SPC с 280 по 282, множество блоков быстрого преобразования Фурье (FFT) с 281 по 283, пространственно-временной процессор 284, PSC 285, блок 286 оценки канала, решающий блок 287 первого режима передачи, решающий блок 288 второго режима передачи и селектор 289 режима передачи. Поскольку количество приемных антенн равно 2 или 4, в приемнике 150 число блоков SPC и FFT равно числу приемных антенн.

SPC с 280 по 282 преобразуют последовательные сигналы, принятые от приемных антенн, в параллельные сигналы. Блоки с 281 по 283 FFT преобразуют согласно FFT параллельные сигналы. Пространственно-временной процессор 284 обрабатывает сигналы FFT соответственно режиму передачи, использованному в передатчике 100. PSC 285 преобразует параллельные сигналы, принятые от пространственно-временного процессора 284, в последовательный сигнал и выводит последовательный сигнал в качестве итоговых данных.

В это же время приемник 150 определяет наилучшую для себя схему режима передачи. То есть, блок 286 оценки канала оценивает принятые сигналы канала и выводит результат оценки канала в решающие блоки 287, 288 первого и второго режимов. Решающий блок 287 первого режима передачи определяет режим передачи для передатчика 100 в первой схеме режима передачи, и решающий блок 288 второго режима передачи определяет режим передачи для передатчика 100 во второй схеме режима передачи. Селектор 289 режима передачи переключается на решающие блоки 287 или 288 первого или второго режимов передачи и подает передатчику 100 по обратной связи информацию, относящуюся к режиму передачи, определенному решающими блоками 287 или 288 первого или второго режимов передачи, то есть управляющую информацию режима передачи.

Ниже подробно описаны передача и прием данных в каждом режиме передачи.

Передача/Прием сигнала в первом режиме передачи (схема ^4×4 STBC)

STBC применяется для минимизации эффектов многолучевого замирания при поддержании минимальной сложности декодирования. Для передачи, гарантирующей ортогональность с кодером полной скорости и двумя передающими антеннами, был спроектирован код Аламути. С того времени появились коды для ортогональной передачи на более низких скоростях передачи данных с тремя или более передающими антеннами. Подробная информация о кодах Аламути содержится в работе "A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications", IEEE JSAC, 1998. Подробная информация о кодах для трех или более передающих антенн содержится в работе Tarokh, "Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communications: Performance Criterion and Code Construction", IEEE tp. Information Theory, 1998.

В передатчике STBC обычно задается равенством (1):

где строки представляют символы, переданные во времени, а столбцы представляют символы, переданные в передающих антеннах (то есть первой и второй передающих антеннах). В момент времени t₁ символ x₁ передается через передающую антенну, а символ x₂ - через вторую антенну.

В предположении, что каналы между передающими антеннами испытывают равномерное замирание, приемник 150 принимает сигналы, выраженные равенством (2):

где w_i представляет AWGN (аддитивный белый гауссовский шум) и h_i представляет характеристику i-того канала.

Равенство (2) эквивалентно равенству (3):

Векторы и матрицы в равенстве (3) определяются равенством (4):

Так как в равенстве (4), вектор передачи выводится из принятых сигналов посредством равенства (5):

Если в передатчике не известны характеристики канала, равенство (5) представляет реализацию детектора максимального правдоподобия (ML). Поскольку столбцы в равенстве (4) ортогональны друг другу, порядок разнесения равен 2. Если число приемных антенн увеличивается до R, порядок разнесения равен 2R.

В системе связи T×R^{максимальный порядок разнесения равен TR. Соответственно, схема STBC в первом режиме передачи предлагает максимальный порядок разнесения, если число передающих антенн равно двум. Проведены исследования по достижению максимального порядка разнесения, и было доказано, что не существует ортогональной схемы STBC, обеспечивающей максимальный порядок разнесения для трех или более передающих антенн, если модулированный сигнал является сигналом комплексного числа. В этом контексте для четырех или более передающих антенн был предложен алгоритм формирования квази-ортогонального STBC. Алгоритм формирования квази-ортогонального STBC раскрыт в работе Jafarkhani, "A Quasi orthogonal Space-Time Block Code", IEEE tr. COM. 2001, согласно которому для четырех передающих антенн и R приемных антенн реализуется порядок разнесения 2R и наблюдается улучшение на 3 дБ характеристик по сравнению с ортогональным STBC Аламути.}

В то же время для четырех передающих антенн квази-ортогональный STBC является расширением формулы ортогонального 2×2 STBC до равенства (6):

Пусть векторы-столбцы в матрице A_1-4 будут [v₁ v₂ v₃ v₄]. Тогда векторы-столбцы являются ортогональными, как следует в равенстве (7):

Следовательно, матрица ошибок, сформированная матрицей A_1-4, имеет порядок разнесения 2R для минимального ранга 2 и R приемных антенн. Таким способом для восьми передающих антенн квази-ортогональный STBC формируется равенством (8):

Матрица ошибок, сформированная матрицей A_1-8, также имеет минимальный ранг 2, как в случае четырех передающих антенн. Когда принимается такой квази-ортогональный STBC, как проиллюстрирован в равенстве (8), и данные модулируются в схеме PSK (фазовой манипуляции), принятые сигналы выражаются в виде равенства (9):

которое задается как вектор-матрица равенства (10):

Умножение обеих сторон равенства (10) на H^H приводит к равенству (11):

которое разделяется на 2 вектора-матрицы в виде равенства (12) и равенства (13):

Для простоты вычисления в предположении, что принятые сигналы восстанавливаются посредством умножения обеих сторон каждого из равенства (12) и равенства (13) на обратную матрицу, линейный детектор реализуется посредством равенства (14) и равенства (15):

Передача/Прием сигнала во втором режиме передачи (2-уровневое SM)

Поскольку каждый подканал испытывает равномерное замирание в системе MIMO-OFDM, сочетание пространственного мультиплексирования и разнесения передачи может применяться для модуляции/демодуляции каждого подканала. Например, в случае четырех передающих антенн и двух или более приемных антенн, как проиллюстрировано на фиг.2, если кодирование STBC выполняется раздельно для двух пар передающих антенн, и различные данные a_n и b_n передаются независимо через две пары передающих антенн, передача данных через передающие антенны выполняется в четные и нечетные промежутки времени после кодирования STBC, как проиллюстрировано в таблице 1.

Таблица 1 Передающая антенна 1Передающая антенна 2Передающая антенна 3Передающая антенна 4t=2na_2na_2n+1b_2nb_2n+1t=2n+1-a^* _2n+1a^* _2n-b^* _2n+1b^* _2n

Для простоты записи матрица STBC применяется для k-того подканала согласно равенству (16):

Пусть сигнал, принятый по k-ому подканалу через i-тую приемную антенну в момент времени n, обозначается y_n(i:k). Тогда сигналы, принятые через две приемные антенны, представляются в виде вектора-матрицы как равенство (17):

где H_i,j(k) есть коэффициент передачи канала k-того подканала между j-той передающей антенной и i-той приемной антенной, и w(k) есть вектор AWGN k-того подканала. Векторы и матрицы равенства (17) упрощаются до равенства (18):

Поскольку две пары a_n и b_n суммируются в элементе y_n(k) равенства (18), целесообразно одновременно обнаруживать два значения с использованием приемника многоуровневого пространственно-временного Vertical - Belllab (V-BLAST)-приемника. Векторы весовых коэффициентов отводов для обнаружения методом V-BLAST вычисляются следующим способом.

(1) Форсирование нуля

В терминах форсирования нуля векторы весовых коэффициентов отводов вычисляются посредством равенства (19):

Первый уровень, который должен декодироваться в равенстве (19), задается равенством (20):

(2) MMSE (минимальная среднеквадратическая ошибка)

В терминах MMSE векторы весовых коэффициентов отводов задаются посредством равенства (21):

где σ² является дисперсией шума. Первый уровень, который должен декодироваться в равенстве (21), вычисляется как равенство (22):

Если a_2n(k) и a_2n+1(k) выбираются в качестве первых элементов, подлежащих декодированию, принимается следующее решение, как выражено в равенстве (23):

Используя полученные в_2n(k) и в_2n+1(k), взаимное влияние компенсируется с использованием равенства (24):

Если в равенстве (24) и a_2n(k)и a_2n+1(k) точно восстановлены, то равенство (14) сводится к равенству (25):

Ввиду характера STBC, H(K) удовлетворяет равенству (26):

Отсюда b_2n(k) и b_2n+1(k) легко восстанавливаются посредством линейного вычисления, как равенство (27):

где

.

Операция восстановления данных с использованием равенств (21)-(27) может быть расширена на случай двух или более приемных антенн, как описано ранее.

Передача/Прием сигнала в третьем режиме передачи (SM)

Чтобы использовать схему SM в типичной системе связи MIMO, как проиллюстрировано на фиг.2, передатчик передает различные потоки данных {x₁(n),...,x_T(n)} через передающие антенны посредством мультиплексирования, и приемник восстанавливает потоки данных, используя принятые приемными антеннами сигналы {y₁(n),...,y_R(n)}. Скорость передачи данных в T раз выше, чем в схеме SISO.

При условии, что все каналы между антеннами испытывают равномерное замирание, канал между i-той передающей антенной и j-той приемной антенной обозначается h_ij. Тогда модель сигнала между переданным сигналом и принятым сигналом выражается как равенство (28):

где

w(n) является вектором ^R×1 шума, и матрица ^R×T

Из формулы пропускной способности канала MIMO пропускная способность канала выводится в виде равенства (29):

где ρ есть SNR (отношение сигнал/шум) каждой приемной антенны в приемнике, и I_R есть единичная матрица ^R×R.

Из равенства (29) следует, что если матрица H имеет полный ранг, ее векторы-столбцы имеют низкую корреляцию, и поэтому собственное значение матрицы HH^H характеризуется невысоким разбросом, и пропускная способность канала MIMO увеличивается. Следовательно, пропускная способность канала для T передающих антенн и одной приемной антенны выражается в виде равенства (30):

Для одной передающей антенны и R приемных антенн пропускная способность канала вычисляется посредством равенства (31):

Сравнение равенств (29)-(31) обнаруживает, что если количество передающих антенн и приемных антенн линейно увеличиваются, то пропускная способность канала также возрастает линейно, а если количество передающих либо приемных антенн увеличивается, это вызывает логарифмически пропорциональное увеличение в пропускной способности канала. В теории одновременное увеличение количества передающих и приемных антенн увеличивает пропускную способность канала наиболее эффективно. В действительной реализации, однако, хотя относительно легко установить множество передающих антенн в базовую станцию, количество приемных антенн, доступное абонентскому терминалу, ограничено вследствие ограничений по размеру терминала, мощности и мобильности. Следовательно, нужно исследовать схему модуляции/демодуляции, которая обеспечивает возможность эффективного использования увеличенной пропускной способности в обоих случаях, когда количество и передающих, и приемных антенн может увеличиваться, и когда количество либо передающих антенн, либо приемных антенн также может увеличиваться.

Ниже описано обнаружение сигнала в режиме SM.

После приема вектора y(n) сигнала, согласно равенству (28), параллельно передаваемые данные x(n) должны быть восстановлены из y(n). Даже если характеристика каждого канала h_ij независима, принятый сигнал испытывает ISI (межсимвольную интерференцию) вследствие одновременной передачи данных от передатчика, и добавляется шум AWGN, w(n). Восстановление x(n) из y(n) может рассматриваться тремя способами.

(1) Обнаружение ML

Если задано x(n), то PDF (функция распределения вероятности) y(n), выражается как равенство (32):

Для упрощения вычисления берется логарифмическая функция правдоподобия и постоянными пренебрегают. Затем функция обнаружения переданного сигнала, которая имеет наибольшую вероятность в PDF, выражается как равенство (33):

В случае основанного на ML обнаружения x(n), как, например, в равенстве (33), при условии, что схема модуляции, использующая L комбинаций, переданный сигнал, приводящий к минимальному искомому значению, обнаруживается посредством вычисления равенства (33) всего L^T раз.

В теории схема обнаружения ML обеспечивает наилучшую эффективность, когда в передатчике не известен канал, и вероятность передачи {x_i(n)} равна по каждому i. Однако, поскольку реальная реализация схемы обнаружения ML требует L^T вычислений равенства (33), применяется схема модуляции с большим числом (L) комбинаций для увеличения скорости передачи данных. Если количество (T) передающих антенн велико, на практике невозможно выполнить обнаружение ML. Например, для схемы 16QAM (квадратурная амплитудная модуляция) и четырех передающих антенн требуется 65536 вычислений искомого значения, что вызывает чрезвычайно высокую нагрузку.

Следовательно, обнаружение ML применяется для указания наименьшего предела эффективности, который может быть достигнут в среде MIMO. В действительной реализации применение структуры приемника, которая облегчает вычисления, принимается во внимание ценой некоторого снижения эффективности обнаружения ML.

(2) Линейное обнаружение (R≥Т)

Для линейного обнаружения x(n), проиллюстрированного в равенстве (28), целевое равенство задается как равенство (34):

где - минимизирующее целевое равенство, определяется согласно равенству (35):

Так как x(n) должно включаться в набор комбинаций используемой схемы модуляции, окончательное решение принимается для , с учетом схемы модуляции. При этом x(n) выражается как равенство (36):

Детектор, который реализует равенства (36), обнаруживает переданный сигнал, принимая во внимание только канал H MIMO без учета дисперсии шума. Этот тип детектора называется форсирующим нуль линейным детектором. Форсирующий нуль линейный детектор является несмещенным и вычисляет MSE (среднеквадратическую ошибку) согласно равенству (37):

где tr[] представляет операцию вычисления следа матрицы. Можно предположить другой тип линейного детектора, который реализует равенство (38):

W_f, минимизирующее вышеупомянутое целевое равенство, выражается как равенство (39):

Детектор, который реализует равенство (39), является линейным детектором MMSE. Линейный детектор MMSE требует знания мощности шума, либо оценки мощности шума из принятого сигнала. При точном знании мощности шума детектор MMSE может работать лучше, чем форсирующий нуль детектор. Однако, если разброс собственного значения матрицы H^HH является значительным, усиление шума существенно снизит эффективность обнаружения, потому что линейный детектор MMSE инверсно фильтрует канал.

(3) Обнаружение методом V-BLAST (R≥Т)

Для повышения эффективности линейного детектора подавление помех включается в обнаружение сигнала посредством последовательного восстановления сигналов, принятых от множества передающих антенн, согласно их интенсивностям, удаления восстановленного сигнала из принятых сигналов и затем восстановления следующего сигнала. Этот тип обнаружения использует D-BLAST (диагональный BLAST) или V-BLAST в зависимости от типа переданного сигнала. V-BLAST, который относительно легко реализовать, описан ниже.

Обнаружение методом V-BLAST выполняется в следующей процедуре:

Этап 1: Вычислить матрицу Wвесовых коэффициентов отводов,

где W = [w₁...w_T]

Этап 2: Найти уровень с наибольшим SNR

Пусть выбран k-тый уровень

Этап 3: Обнаружение

Этап 4: Подавление помех

Этап 5: Повторять Этап 1 до тех пор, пока не обнаружатся все x_i(n).

В терминах форсирования нуля матрица W весовых коэффициентов ответвления выражается как равенство (40):

и в терминах MMSE (только если мощность шума известна) она выражается как равенство (41):

Если каждое обнаружение является точным, детектор V-BLAST увеличивает скорость передачи данных в Т раз и реализует разнесение ^T·R/2 в среднем. Однако для обнаружения V-BLAST обратные матрицы матрицы ^T×T, матрицы ^(T-1)×(T-1) и матрицы 1×1 вычисляются последовательно, будучи упорядоченными по размеру. Чтобы упростить вычисление, был предложен способ, сочетающий декомпозицию QP (QuickProp) и последовательное упорядочивание. Если T=R, требуется примерно

умножений комплексных чисел, что означает, что детектор V-BLAST проще, чем детектор ML, но намного сложнее, чем линейный детектор.

Выше описаны передача/прием в режимах с первого по третий. Ниже описана операция в приемнике для выбора режима передачи для передатчика.

Как описано выше со ссылкой на фиг.2, передатчик выбирает режим передачи на основе управляющей информации режима передачи, принятой от приемника. Следовательно, приемник должен передавать по обратной связи управляющую информацию режима передачи. Режим передачи может определяться первым или вторым способом принятия решения о режиме передачи.

Первый способ принятия решения о режиме передачи основан на Евклидовом кодовом расстоянии. Евклидово кодовое расстояние измеряется для каждого режима передачи, и определяется режим передачи, имеющий наибольшее Евклидово кодовое расстояние.

Евклидово кодовое расстояние в каждом режиме передачи задается как

для схемы 2^R-QAM. Оно нормализуется на единицу энергии. Нормализация на единицу энергии означает, что энергия передачи не меняется, даже если схема 4QAM повышается до схемы 16QAM. Чтобы использовать одну и ту же энергию независимо от схемы 4QAM либо схемы 16QAM, каждая 1/4 общей энергии назначается схеме 4QAM, тогда как каждая 1/16 общей энергии назначается схеме 16QAM.

Ниже описан случай, когда первый способ принятия решения о режиме передачи применяется к первому режиму передачи.

Для частотной характеристики в 4 бит в секунду/Гц в системе связи ^4×2 доступны режим 1 (схема 16QAM) и режим 2 (схема 4QAM, то есть схема QPSK). При той же частотной характеристике два режима имеют одинаковую скорость передачи данных. При заданной одинаковой скорости передачи данных предпочтительно использовать режим, который обеспечивает лучший показатель BER. Приемник вычисляет Евклидово кодовое расстояние согласно равенству (42):

где есть фробениусова норма матрицы канала Н, то есть сумма квадратов сингулярных значений каналов. Операция выведения равенства (42) подробно не описывается.

Ниже описан случай, когда первый способ принятия решения о режиме передачи применяется ко второму режиму передачи.

Во втором режиме передачи Евклидовы кодовые расстояния различны для системы связи ^4×2 и для системы связи ^4×4. Евклидово кодовое расстояние в системе связи ^4×4 вычисляется согласно равенству (43):

и в системе связи ^4×2 оно выражается как равенство (44):

Ниже описан случай, когда первый способ принятия решения о режиме передачи применяется к третьему режиму передачи.

Евклидово кодовое расстояние точно вычисляется согласно равенству (45):

и для уменьшения сложности оно может выражаться в форме интервала, представленного в равенстве (46):

где λ_min есть наименьшее сингулярное значение, и λ_max есть наибольшее сингулярное значение. Собственное значение канала указывает состояние канала. Если собственное значение велико, то состояние канала хорошее. Если собственное значение мало, то состояние канала плохое.

Следовательно, приемник выбирает режим передачи, имеющий наибольшие Евклидовы кодовые расстояния, измеренные для режимов передачи, и подает по обратной связи в передатчик управляющую информацию о режиме передачи, относящуюся к выбранному режиму передачи.

Второй способ принятия решения о режиме передачи основывается на статистических показателях. Если режим передачи определен с использованием Евклидова кодового расстояния в первом способе принятия решения о режиме передачи, комбинация антенн может изменяться для каждого кадра. С другой стороны, во втором способе принятия решения о режиме передачи переключение режима выполняется либо один раз, либо дважды на основе существующего значения эффективности. То есть, первый режим используется ниже порогового значения, и второй режим используется при или выше порогового значения. Пороговое значение выводится из рабочей характеристики BER-SNR (частота ошибок в битах - отношение сигнал/шум) в системе канального кодирования, тогда как она выводится из рабочей характеристики FER (частота ошибок в кадрах) - SNR в системе неканального кодирования. Пороговое значение может определяться различными способами. Оно может определяться посредством анализа рабочей характеристики на основе накопленного результата измерений в конкретной среде или посредством моделирования. Отличающаяся рабочая характеристика выводится в каждом режиме, главным образом, ввиду того, что разная схема модуляции используется для одинаковой эффективности по частоте. Например, режим 1 применяет схему 256QAM, режим 2 применяет схему 16QAM и режим 3 применяет схему 4QAM в системе связи ^4×4. Таким образом, система хранит предварительно вычисленное пороговое значение, измеряет SNR и сравнивает их. Пороговое значение устанавливается с использованием предыдущих статистических показателей. То есть, после отдельных операций режима точка пересечения между рабочими характеристиками режимов принимается в качестве порогового значения. То есть,

если SNR<Th0,

задействовать Режим Х

иначе

задействовать Режим Y

На фиг.3 показана диаграмма потока сигналов для операций передатчика и приемника согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Согласно фиг.3, передатчик передает сигнал в начальном установленном режиме, например первом режиме передачи, приемнику на этапе 311. Приемник затем оценивает по каналу принятый сигнал на этапе 313, выбирает на этапе 315 предназначенный режим передачи, например второй режим передачи в первом или втором способе принятия решения о режиме передачи, согласно результату оценки канала, и передает по обратной связи управляющую информацию режима передачи, указывающую выбранный режим передачи, передатчику на этапе 317.

Передатчик переходит из первого режима передачи ко второму режиму передачи, соответствующему управляющей информации режима передачи на этапе 319, и передает сигнал во втором режиме передачи приемнику на этапе 321.

На фиг.4 представлена диаграмма потока сигналов для операций передатчика и приемника согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Согласно фиг.4, передатчик передает сигнал в начальном установленном режиме, например первом режиме передачи, приемнику на этапе 411. Приемник затем оценивает по каналу принятый сигнал на этапе 413 и подает по обратной связи передатчику информацию канала на основе результата оценки канала на этапе 415.

Передатчик выбирает режим передачи, например второй режим передачи, в соответствии с информацией канала в первом или втором способе принятия решения о режиме передачи на этапе 419. Передатчик переходит из первого режима во второй режим и передает сигнал приемнику во втором режиме передачи на этапе 421. По сравнению с функционированием передатчика, иллюстрируемым на фиг.3, передатчик сам определяет режим передачи на основе информации обратной связи канала вместо определения режима передачи приемником.

Показатель BER настоящего изобретения описан со ссылкой на фиг.5 и 6.

Для моделирования системы связи OFDM предполагаются рэлеевское равномерное замирание и следующие параметры, изложенные в таблице 2.

Таблица 2ПараметрЗначениеЧисло поднесущих64Количество циклических префиксов16Количество используемых поднесущих48Частота опроса20МбодМодуляцияQPSK, 16QAM, 256QAMДлина кадра24 символаКоличество передающих антенн1, 2, 4Количество приемных антенн1, 2, 4Кодирование каналаНет

На фиг.5 показан график, иллюстрирующий рабочие характеристики BER системы связи ^4×2.

Согласно фиг.5, устанавливается частотная характеристика 4 бита в секунду/Гц, и четыре кривые являются независимыми кривыми Режима 1 и Режима 2. Частотная характеристика основана на Евклидовом кодовом расстоянии кривой переключения и на статистическом показателе кривой переключения. Результат моделирования показывает, что основанное на Евклидовом кодовом расстоянии переключение обеспечивает наилучшую характеристику. Основанное на статистическом показателе переключение поддерживает наилучшую характеристику независимого режима функционирования в Режиме 1 и Режиме 2 и приводит к уменьшенному количеству случаев переключения.

На фиг.6 показан график, иллюстрирующий рабочие характеристики BER системы связи ^4×4.

Согласно фиг.6, хотя доступны три режима, Режим 3 (ML) не доступен в переключении на основе Евклидова кодового расстояния, так как Режим 3 (ML) всегда имеет большое значение. Среди всех режимов Режим 3 (ML) имеет наилучшую характеристику. В особенности, переключение на основе Евклидова кодового расстояния выводится из равенства ML, и соответственно не доступно в системе 4×4. В реальной системе 4×4 применяются субоптимальные алгоритмы MMSE и ZF (форсирование нуля) вместо ML, который имеет высокую сложность. Поэтому переключение на основе статистического показателя основывается на Режиме 3, использующем MMSE. В частности, в Режиме 1 256QAM имеет самую низкую эффективность, что означает, что порядок модуляции значительно влияет на структуру антенны.

В соответствии с настоящим изобретением, как описано выше, схема передачи управляется согласно состоянию канала в системе связи, тем самым максимизируя эффективность использования системы. Также сводится к минимуму сложность системы вместе с адаптивным управлением схемой передачи. Следовательно, минимизируется системная нагрузка, обусловленная вычислительной нагрузкой.

Хотя изобретение показано и описано со ссылкой на его определенные предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут делаться различные изменения по форме и в деталях без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к системе связи и может использоваться для управления передатчиком и приемником с множеством передающих и приемных антенн. Технический результат состоит в управлении передатчиком и приемником в соответствии с состоянием канала в системе MIMO. Для этого в системе после ввода данных передатчик обрабатывает данные в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи, и передает обработанные данные приемнику. Приемник оценивает состояние канала принятого сигнала, выбирает схему передачи согласно состоянию канала в соответствии с результатом оценки состояния канала и подает по обратной связи передатчику информацию о схеме передачи, указывающую выбранную схему передачи. Передатчик определяет схему передачи, соответствующую принятой информации о схеме передачи. 10 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Способ управления схемой передачи передатчика в соответствии с состоянием канала в системе связи, в которой передатчик имеет М передающих антенн, и приемник имеет N приемных антенн, содержащий этапы, на которых обрабатывают данные в схеме передачи, выбранной из множества схем передачи, и передают обработанные данные передатчиком приемнику;

принимают данные от передатчика, оценивают состояние канала, выбирают схему передачи согласно состоянию канала в соответствии с результатом оценки состояния канала и подают по обратной связи передатчику информацию о схеме передачи, указывающую выбранную приемником схему передачи; и

определяют схему передачи, соответствующую принятой передатчиком информации о схеме передачи.

принимают данные от передатчика, оценивают состояние канала и подают по обратной связи передатчику информацию о состоянии канала в соответствии с результатом оценки приемником состояния канала, и выбирают одну из множества схем передачи, соответствующую принятой передатчиком информации о состоянии канала.

приемник для приема сигнала от передатчика, оценивания канал сигнала, выбора схемы передачи, согласно оцененному состоянию канала в соответствии с результатом оценки состояния канала, и подачи по обратной связи передатчику информации о схеме передачи, указывающей выбранную схему передачи.

приемник для приема данных от передатчика, оценивания состояния канала и подачи по обратной связи передатчику информации о состоянии канала, соответствующей результату оценки состояния канала.

определяют схему передачи, соответствующую принятой информации о схеме передачи.

передают по обратной связи передатчику информацию о схеме передачи, указывающую выбранную схему передачи.

контроллер для выбора схемы передачи и после приема от приемника информации о схеме передачи, указывающей схему передачи, определенную согласно состоянию канала между передатчиком и приемником, выбора схемы передачи в соответствии с информацией о схеме передачи.