ОДНОПОТОКОВОЕ ОТСЛЕЖИВАНИЕ ФАЗЫ В ХОДЕ ОЦЕНИВАНИЯ КАНАЛА В СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ MIMO С ОЧЕНЬ ВЫСОКОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ Российский патент 2015 года по МПК H04B7/02 

Область техники

[1] Это изобретение, в целом, относится к системам связи. В частности, оно позволяет усовершенствовать передачу информации в системах беспроводной связи за счет отслеживания фазы с использованием пилот-сигналов, внедренных в преамбулу передаваемых кадров.

Уровень техники

[2] Рост использования интернета ведет к все более высоким требованиям к ширине полосы во всех подразделениях сети. Рост также имеется в области беспроводных локальных сетей (LAN). Потребности в беспроводных LAN демонстрируют феноменальный рост. Эти потребности диктуются пользователями, подключающими компьютеры-ноутбуки к сетям, в том числе на работе или в местах сбора мобильных устройств. Рост также выходит за пределы ПК. Потребительские приложения, например, потоковая передача музыки, интернет-телефония, игры и передача домашнего видео также требуют наращивания ширины полосы.

[3] Эти растущие требования к беспроводной LAN стали причиной обширной работы по разработке стандартов в данной области техники. Было разработано несколько стандартов беспроводной связи, например стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 802.11. IEEE 802.11 обозначает набор стандартов радиоинтерфейса беспроводной локальной сети (WLAN) для ближней связи в пределах от десятков метров до нескольких сотен метров. Одним таким стандартом WLAN является 802.11b. Этот стандарт указывает исходные скорости передачи данных до 11 Мбит/с с использованием таких методов модуляции, как манипуляция дополнительным кодом (CCK) и/или расширения по спектру прямой последовательностью (DSSS). Стандарт 802.11a, установленный одновременно с 802.11b, использует более эффективный способ передачи, именуемый мультиплексированием с ортогональным частотным разделением (OFDM). Стандарт 802.11a поддерживает скорости передачи данных до 54 Мбит/с, но вследствие несовместимой полосы радиочастот 5 ГГц, по сравнению с 2,4 ГГц для 802.11b, этот стандарт не получил широкого распространения. В середине 2003 г., IEEE утвердил 802.11g, где модуляция OFDM применяется к полосе 2,4 ГГц. Клиентское оборудование WLAN, в большинстве своем, поддерживает как 802.11a, так и 802.11g.

[4] Следующим шагом в разработке стандартов стал 802.11n. Стандарт 802.11n обеспечивает различные необязательные режимы, предписывающие разные максимальные скорости. Стандарт позволяет производителям подстраивать возможности оборудования к различным ценовым категориям и различным рабочим характеристикам. Стандарт 802.11n предусматривает исходные скорости передачи данных до 600 Мбит/с, тогда как устройство, работающее на скорости 300 Мбит/с также может соответствовать техническим требованиям 802.11n.

[5] Стандарт 802.11n улучшает реализацию OFDM за счет использования более высокой максимальной скорости кодирования и увеличенной ширины полосы частот. Это повышает исходную скорость с 54 Мбит/с до 65 Мбит/с. Кроме того, одним из широко известных компонентов стандарта является «много входов/много выходов» или MIMO. MIMO основан на явлении радиосвязи, называемом многолучевым распространением. Многолучевое распространение включает в себя отражение передаваемой информации от дверей, стен и других объектов. Эта информация достигает приемной антенны много раз по разным траекториям и в немного разные моменты времени.

[6] Многолучевое распространение ухудшает рабочие характеристики беспроводной связи, если оно не управляется. Технология MIMO, принятая в стандарте 802.11n, позволяет с пользой применять многолучевое распространение посредством мультиплексирования с пространственным разделением (SDMA). Передающее устройство WLAN разбивает поток данных на множественные части, называемые пространственными потоками. Каждый пространственный поток передается через отдельные антенны на соответствующие антенны на приемнике. 802.11n поддерживает до 4 пространственных потоков. В то время как удвоение и учетверение пространственного потока приводит к увеличению исходных скоростей передачи данных, стоимость и мощность также имеют тенденцию к возрастанию вследствие того, что для каждой пары антенн требуется увеличенная обработка. Система MIMO характеризуется количеством передающих антенн на количество приемных антенн. Система MIMO 4x4, например, имеет четыре антенны в передатчике и 4 антенны в приемнике.

[7] Рабочие характеристики MIMO можно улучшить за счет формирования диаграммы направленности и разнесения. Формирование диаграммы направленности направляет радиосигнал на целевую антенну. Это увеличивает дальность и рабочие характеристики за счет ограничения помехи. Разнесение использует множественные антенны путем объединения выходов набора антенн или выбора наилучшего поднабора более обширного набора антенн, которые необходимы для приема определенного количества пространственных потоков. Избыточные антенны можно использовать для упомянутого объединения множественных принятых потоков в один поток, при работе на большей дальности. К аналогичным компромиссам можно приходить для увеличения исходных скоростей передачи данных, при фиксированной дальности.

[8] Стандарт 802.11n, в итоге, позволяет усовершенствовать беспроводную LAN (WLAN) за счет более высоких характеристик OFDM, мультиплексирования с пространственным разделением посредством MIMO, разнесения, способов энергосбережения, удвоения канала с 20 МГц до 40 МГц, агрегации служебных сигналов на уровне MAC и уменьшенного межкадрового промежутка.

[9] В будущем, стандарты, именуемые 802.11 для очень высокой пропускной способности (VHT) в полосе 5 ГГц, планируется довести до РЧ-полос 160 МГц и скоростей передачи данных 6,933 Гбит/с. Более эффективные схемы обработки сигнала реализуются для снижения шума и повышения отношения сигнал-шум. Традиционно, пилот-сигналы в символах данных использовались для осуществления отслеживания фазы на протяжении символов данных, но для 802.11n и более поздних версий оно становится вычислительно затратным и трудноосуществимым в ходе оценивания канала MIMO. Пилот-сигналы, заданные в 802.11n для длинных обучающих полей (LTF) изменяются от потока к потоку, что не позволяет использовать их для точного отслеживания фазы.

[10] Для несущей частоты 5 ГГц, 2 миллионные дрейфа дают частотный дрейф 100 кГц. Этот частотный дрейф, в 4 символах, дает изменение фазы 5 градусов. Для восьми символов оно удваивается, достигая 10 градусов. В OFDM, поскольку сигнал переносится в фазе, фазовый дрейф приводит к снижению отношения сигнал-шум. Это явление приводит к ухудшению рабочих характеристик и пропускной способности беспроводной сети.

Сущность изобретения

[11] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к отслеживанию фазы с использованием пилот-сигналов в преамбуле кадра для системы беспроводной связи MIMO.

[12] В одном варианте осуществления, аналогично пилот-сигналам в символах данных, пилот-сигналы в VHT-LTF можно задавать для отслеживания фазы. В отличие от тоновых сигналов данных матрица обучающих отображающих последовательностей охвата MIMO (обычно называемая матрицей P) не применяется к пилот-сигналам в ходе оценивания канала на основе пилот-сигналов. Вместо этого однопотоковые пилот-сигналы отображаются во все пространственно-временные потоки (STS). В этом варианте осуществления пилот-сигналы в первом VHT-LTF используются для первоначального одномерного оценивания канала. Пилот-сигналы в других оставшихся VHT-LTF используются для оценивания вращения фазы на основе пилот-сигналов и первоначального одномерного оценивания канала. Выведенная и объединенная информация используется для оценивания канала MIMO для тоновых сигналов данных.

[13] В одном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыты способ и устройство для использования обучающих полей в заголовке передаваемого кадра для оценивания, после приема, канала и фазовых ошибок. Затем эта информация применяется к тоновым сигналам данных для повышения пропускной способности и рабочих характеристик.

Краткое описание чертежей

[14] Прилагаемые чертежи включены в состав и образуют часть этого описания изобретения. Чертежи иллюстрируют варианты осуществления. Совместно с описанием чертежи служат для пояснения принципов вариантов осуществления.

[15] Фиг. 1 - блок-схема, демонстрирующая типичную беспроводную сеть LAN, применяемую в домах и на малых предприятиях.

[16] Фиг. 2 - блок-схема, иллюстрирующая узел беспроводной передачи и приема и его компоненты, осуществляющие связь через M передающих и N приемных антенн.

[17] Фиг. 3 - примерная структура кадра для кадра протокола конвергенции физического уровня (PLCP), используемого в беспроводной связи.

[18] Фиг. 4 - блок-схема межузловой беспроводной связи более высокого уровня с использованием матрицы оценки канала для характеризации приема на каждом узле на основании передаваемой информации от другого узла.

[19] Фиг. 5 - аппаратная блок-схема блоков отслеживание фазы и коррекции, подключенных к компоненту быстрого преобразования Фурье (FFT) при приеме, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[20] Фиг. 6 - иллюстрация взаимосвязанных пилот-сигналов и тоновых сигналов данных в символах OFDM, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[21] Фиг. 7 - диаграмма временной последовательности обработки сигналов в различных аппаратных блоках, участвующих в выделении информации фазовой ошибки из пилот-сигналов и использующих информацию n для коррекции вращения фазы в тоновых сигналах данных, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[22] Фиг. 8 - блок-схема операций, представляющая отслеживание фазы с использованием пилот-сигналов в VHT-LTF преамбулы, оценивание фазовых ошибок и его использование при коррекции тоновых сигналов данных до оценивания канала, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

[23] Некоторые части нижеследующих подробных описаний представлены в отношении процедур, логических блоков, обработки и других символических представлений операций над битами данных в памяти компьютера. Эти описания и представления являются средствами, используемыми специалистами в области обработки данных для наиболее эффективного сообщения существа своей работы другим специалистам. В настоящей заявке процедура, логический блок, процесс и т.п. рассматривается как самосогласованная последовательность этапов или инструкций, приводящих к желаемому результату. Этапы требуют физических манипуляций с физическими величинами. Обычно, хотя и не обязательно, эти величины принимают форму электрических или магнитных сигналов, которые можно хранить, переносить, комбинировать, сравнивать, и которые допускают иные манипуляции в компьютерной системе.

[24] Однако следует иметь в виду, что все эти и аналогичные термины должны быть связаны с соответствующими физическими величинами и являются лишь удобными обозначениями, применяемыми к этим величинам. Если в нижеследующем рассмотрении напрямую не указано обратное, очевидно, что на протяжении настоящей заявки, рассмотрение, где употребляются такие термины, как “обращение”, “прием”, “отправка”, “использование”, “выбор”, “определение”, “нормализация”, “умножение”, “усреднение”, “отслеживание”, “сравнение”, “применение”, “обновление”, “измерение”, “извлечение” и т.п., относится к действиям и процессам компьютерной системы или аналогичного электронного вычислительного устройства, которое обрабатывает и преобразует данные, представленные в виде физических (электронных) величин в регистрах и блоках памяти компьютерной системы, в другие данные, аналогично представленные в виде физических величин в блоках памяти или регистрах компьютерной системы или других подобных устройствах хранения, передачи или отображения информации.

[25] Описанные здесь варианты осуществления можно рассматривать в общем контексте машинно-исполняемых инструкций, хранящихся на том или ином компьютерном носителе, например программных модулей, исполняемых одним или более компьютерами или другими устройствами. В целом, программные модули включают в себя процедуры, программы, объекты, компоненты, структуры данных и т.д., которые осуществляют конкретные задания или реализуют определенные абстрактные типы данных. Функциональные возможности программных модулей могут быть, по желанию, объединены или распределены в различных вариантах осуществления.

[26] В порядке примера, но не ограничения, компьютерные носители могут содержать компьютерные носители данных и среды связи. Компьютерные носители данных включают в себя энергозависимые и энергонезависимые, сменные и стационарные носители, реализованные согласно любому способу или технологии для хранения информации, например машиночитаемых инструкций, структур данных, программных модулей или других данных. Компьютерные носители данных включает в себя, но без ограничения, оперативную память (ОЗУ), постоянную память (ПЗУ), электрически стираемое программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ), флэш-память или другую технологию памяти, компакт-диск с возможностью только чтения (CD-ROM), цифровые универсальные диски (DVD) или другое оптическое запоминающее устройство, магнитные кассеты, магнитную ленту, запоминающее устройство на основе магнитного диска или другие магнитные запоминающие устройства, или любой другой носитель, который можно использовать для хранения необходимой информации.

[27] Среды связи могут реализовать машиночитаемые инструкции, структуры данных, программные модули или другие данные в виде модулированного сигнала данных, например несущей волны или другого транспортного механизма, и включают в себя любые среды доставки информации. Термин “модулированный сигнал данных” означает сигнал, одна или более из характеристик которого установлена или изменена таким образом, чтобы кодировать информацию в сигнале. В порядке примера, но не ограничения, среды связи включают в себя проводные среды передачи данных, например проводную сеть, или прямое проводное соединение, и беспроводные среды передачи данных, например акустические, радиочастотные (РЧ), инфракрасные и другие беспроводные среды передачи данных. Комбинации любых вышеописанных устройств также подлежат включению в объем определения машиночитаемых носителей.

[28] На фиг. 1 позиция 100 обозначает блок-схему типичной беспроводной сети LAN 105, развернутой в доме или на предприятии. Несколько пользователей представлены, в том числе, станциями 130. Станции способны принимать и передавать данные с и на базовую станцию 120. Беспроводная точка доступа (AP) является одним вариантом осуществления базовой станции. Базовая станция 120 осуществляет связь с маршрутизатором 115 по проводам или без проводов. Маршрутизатор 115 располагает информацией сетевых возможностей связи для сети и принимает и ретранслирует пакеты на основании адресов источника и пункта назначения. Маршрутизатор имеет множество портов для соединений и один порт восходящей линии связи для подключения к остальному интернету через кабельный модем 110, в целом, по проводу 160. Кабельный модем подключается к всемирному интернету через терминальную систему для кабельных модемов (CMTS), находящуюся в центральном офисе поставщика услуг. Это изобретение, в основном относится к беспроводной связи 140 между станцией 130 и базовой станцией 120. Новый стандарт 802.11 VHT предусматривает надежную беспроводную передачу данных с исходными скоростями до 6,933 Гбит/с посредством радиосвязи.

[29] На фиг. 2 показана блок-схема комплекса 250 узлов беспроводной передачи и приема. Поток S “подлежащий передаче” подготавливается на основании данных полезной нагрузки и кодируется преамбулой и другой информацией до подачи на блок 205 кодера и модулятора. Комплекс узлов состоит из M антенн 220 в направлении передачи и N антенн 260 на приемнике для формирования системы MIMO M на N. Комплекс узлов, действуя в режиме MIMO, может использовать, в одном варианте осуществления, мультиплексирование с пространственным разделением (SDMA) для осуществления связи с несколькими приемниками. SDMA позволяет одновременно передавать множественные потоки на разные приемники для совместного пользования одним и тем же частотным спектром. В любом потоке существуют пакеты данных, содержащие как данные полезной нагрузки, так и преамбулу.

[30] Одновременная передача множественных потоков приводит к увеличению ширины полосы. Для достижения одновременности, каждый поток данных подвергается пространственному предварительному кодированию и затем передается через разные передающие антенны. Это пространственное предварительное кодирование и обработка производится блоком 210. В результате получается последовательность кодовых символов, которые отображаются в группу сигналов для создания последовательности символов модуляции.

[31] Система MIMO может поддерживать несколько схем модуляции, в том числе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением. OFDM является методом расширения спектра. Она распределяет данные по нескольким поднесущим, разнесенным по определенным частотам. Разнесение является ортогональным и позволяет приемнику восстанавливать данные. Этот метод модуляции может применяться с использованием любого стандарта беспроводной связи, включая 802.11ac VHT. Модулятор 205 OFDM разделяет символы модуляции на несколько параллельных потоков. Обратное FFT осуществляется на каждом наборе поднесущих для создания символов OFDM во временной области. Символы OFDM распределяются по участкам полезной нагрузки множественных пакетов данных. Преамбула переносится совместно с полезной нагрузкой в каждом пакете данных. Преамбула содержит несколько символов, которые разделяются на параллельные потоки аналогично данным. Преамбула присоединяется к данным полезной нагрузки до пространственной обработки. Разные пространственные потоки передаются через множество антенн с использованием РЧ приемопередатчиков 225.

[32] Передаваемая информация принимается на множестве антенн 260. Она поступает на приемопередатчики 206 для восстановления информации, модулированной на РЧ несущих. Восстановленная информация поступает на пространственный процессор 270 приема. Данные, переносимые в любых пространственных потоках, восстанавливаются. Процессор преамбул использует преамбулу для предоставления информации синхронизации на демодулятор OFDM и другой последующей обработки. Демодулятор 275 OFDM преобразует поток из временной области в частотную область с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT). Частотная область включает в себя поток для каждой поднесущей. Блок 285 оценивания канала принимает поток и оценивает канальный отклик. В составе преамбулы присутствуют пилот-сигналы, сдвинутые по фазе вследствие передачи по беспроводному каналу. Это происходит вследствие относительных остаточных смещений частоты между блоками ФАПЧ при приеме и передаче. Сдвиг, в целом, является линейным сдвигом. Другой сдвиг фазы происходит вследствие фазового шума.

[33] Фиг. 3 представляет двустороннюю межузловую связь между станцией A 300 и станцией B 350. Беспроводной канал между A и B математически моделируется матрицей H_AB канального отклика, тогда как канал в другом направлении моделируется матрицей H_BA. Посредством надлежащего квитирования установления связи и, возможно, калибровки, обе станции вычисляют матрицы K_A и K_B коррекции для обеспечения надежной беспроводной передачи с высокой пропускной способностью.

[34] Как часть демодуляции пилот-сигналы в преамбуле подвергают специальной обработке. На Фиг. 4 показано примерное представление возможного кадра 400 протокола конвергенции физического уровня (PLCP). Кадр состоит из данных полезной нагрузки, упакованных как символы OFDM, а также информации преамбулы. В состав информации преамбулы входят обучающие последовательности, подразделяемые на тип “L” для традиционных систем и тип “VHT” для вновь заданных обучающих последовательностей, специфичных для разрабатываемых в настоящее время стандартов. Одно такое обучающее поле называется VHT-LTF (длинное обучающее поле для очень высокой пропускной способности) 410. В системе MIMO M на N преамбула будет иметь N VHT-LTF. Эти символы, наподобие символов данных, включают в себя смесь известных обучающих последовательностей в позиции пилот-сигналов (заранее заданных данных) и тоновых сигналов данных. Как описано выше, процессор передачи OFDM предварительно исследует преамбулу перед данными пакета как часть формирования символов, “подлежащих модуляции”.

[35] В стандартах беспроводной связи до 802.11n пилот-сигналы в LTF заранее задаются для множественных пространственно-временных потоков, но изменяются между потоками LTF (STS), которые изменяются между LTF для 1, 2 и т.д. до L, где L - количество STS. Такое изменение во временной и пространственной области исключает возможность использования пилот-сигналов в LTF для оценивания фазы и коррекции. Согласно одному варианту осуществления изобретения предполагается, что пилот-сигналы, внедренные в VHT-LTF, одинаковы для пространственно-временных потоков. Согласно примерному варианту осуществления матрица P (матрица обучающих последовательностей охвата MIMO) заменяется матрицей R (матрицей принятого сигнала), причем все строки матрицы R идентичны 1-й строке матрицы P. Во избежание непреднамеренного формирования диаграммы направленности передачи задержка циклического сдвига (CSD) для каждого потока все же применяется ко всем потокам после отображения R пилот-сигналов VHT-LTF до применения задержки циклического сдвига для каждого потока. Изобретение использует это постоянство для прогнозирования одномерного оценивания канала из первого VHT-LTF. Другие VHT-LTF используются для осуществления оценивания фаз, и выведенная информация сразу же применяется для коррекции фазы принятого LTF на тоновых сигналах данных. В итоге все VHT-LTF оказываются скорректированными по фазе. Информация фазовой ошибки полностью объединяется для получения и применяется к тоновым сигналам данных в символах данных для коррекции. Эта информация также используется в качестве одного набора информации для оценивания канала и определения матрицы H_AB/H_BA на тоновых сигналах данных.

[36] На фиг. 2, на принимающей стороне, это представлено в виде добавленного блока между демодулятором 275 OFDM и пространственным процессором 270 приема, называемым здесь блоком 280 отслеживания фазы. После приема информации от приемопередатчиков 265 принимающей стороны, через пространственный процессор 270 приема, блок 280 отслеживания фазы совместно с демодулятором 275 осуществляют оценивание 285 канала, результат которого подается на блок 295 последующей обработки приема.

[37] Аппаратные компоненты блока 500 отслеживания фазы показаны на фиг. 5. Принятый поток 550 временной области преобразуется в частотную область процессором 502 быстрого преобразования Фурье. Информация пилот-сигналов, подвергнутая последующей обработке, поступает на блок 501 отслеживания фазы. Блок отслеживания фазы отключается в течение первого VHT-LTF и включается пока не принят последний VHT-LTF. При осуществлении оценивания канала без использования матрицы P (матрицы покрывающих последовательностей обучения), информация фазовой коррекции генерируется и объединяется с использованием пилот-сигналов в VHT-LTF.

[38] Оцененные фазы, переносимые на 552, умножаются 505 на поток 552 тоновых сигналов данных для подачи на блок 504 оценивания канала. Информация о данных оценивания канала генерируется на 555 для переноса для последующей обработки приема. Вследствие добавленной фазовой коррекции на символах данных оценивание канала является более точным и менее подверженным ошибке. Такая информация оценивания, при использовании на этом узле и множестве других узлов посредством квитирования установления связи и калибровки, улучшает рабочие характеристики беспроводной сети в целом.

[39] Фиг. 6 иллюстрирует смешивание пилот-сигналов 601 и тоновых сигналов 602 данных в символах OFDM. Информация оценивания фазы применяется сразу ко всем тоновым сигналам данных для коррекции.

[40] Предполагается, что система OFDM является L-мерной и предусматривает длинные обучающие поля с 1 по L. На протяжении первого VHT-LTF, внедренные пилот-сигналы используются для оценивания пилот-канала в одномерном (однопотоковом) режиме.

Математически, после быстрого преобразования Фурье, принятый сигнал в частотной области моделируется в виде:

$$$$ (уравнение 1)

В уравнении 1, k - индекс тона в конкретном символе OFDM, l - индекс символа OFDM. Система MIMO имеет размерность M на N в том смысле, что передатчик имеет M антенн, и приемник имеет N антенн, где соответствующие индексы обозначаются как m и n соответственно. Индекс m принимает значения от 1 до M, и индекс n принимает значения от 1 до N.

Для m-го передатчика и n-го приемника канальный отклик математически представляется как h_n,m(k) для тона k. s(k) - это обучающая последовательность канала на k-ом тоновом сигнале данных, где θ_l - вращение фазы для l-го символа. p_m,l - это обучающая последовательностей охвата MIMO на m-ой передающей антенне и l-ом символе OFDM. P, заданная как P=[p_m,l], представляет собой всю обучающую последовательностей охвата MIMO.

[41] В итоге, r_n,l(k) представляет принятые выборки n-ой приемной антенне на k-ом тоне l-го символа OFDM. Соответственно, R_l(k)=[r_1,l(k) r_2,l(k) Δ r_N,l(k)] представляет собой весь вектор принятого сигнала.

[42] В одном варианте осуществления настоящего изобретения для отслеживания фазы на протяжении VHT-LTF обучающая последовательностей охвата MIMO P_m,l не используется на пилот-сигналах. Соответственно, на основании уравнения 1, принятые пилот-сигналы после FFT можно моделировать в виде:

(уравнение 2)

где индекс k обозначает индекс пилот-сигналов. Вследствие отсутствия P только одномерный канал оценивается на пилот-сигналах.

$$h_n(k)={\displaystyle \sum _{m=1}^M{h}_{n.m}}(k)$$ $$$$ (уравнение 3)

Этап 1: на первом VHT-LTF, для каждого пилот-сигнала k, одномерный канал H(k) оценивается как:

$$$$ (уравнение 4)

Этап 2: для VHT-LTF 1 в 1, вращение фазы оценивается на основании каждого из пилот-сигналов как:

$$$$ (уравнение 5)

Этап 3: для тоновых сигналов данных для VHT-LTF 1 в 1, уравнение 5 используется для коррекции фазы принятых (RX) тоновых сигналов данных как:

$$$$ (уравнение 6)

[43] По существу, k-й вектор тонового сигнала данных корректируется с использованием оценки фазы из пилот-сигналов. Эти этапы заканчиваются с 1-ым VHT-LTF.

[44] В одном варианте осуществления настоящего изобретения для баланса тоновых сигналов данных оценка канала MIMO вычисляется с использованием матрицы P и матрицы фазовой коррекции для каждой антенны от 1 до M в каждую антенну от 1 до N согласно уравнению:

$$\stackrel{⌢}{H}-\stackrel{⌣}{R}\cdot P^T{(P\cdot P^T)}^{-1}$$ $$$$ (уравнение 7)

где

оценка канала MIMO на k-ом тоновом сигнале данных;

матрица принятого сигнала с фазовой коррекцией на k-ом тоновом сигнале данных.

[45] В одном варианте осуществления настоящего изобретения матрица оценки канала является функцией вектора приема для k-го тона и соответствующей фазовой коррекции, применяемой с информацией, выведенной из пилот-сигналов в VHT-LTF. Благодаря этой коррекции и использованию выведенной таким образом оценки канала отношение сигнал-шум приема демонстрирует тенденцию к повышению вследствие ликвидации линейных и нелинейных фазовых ошибок.

[46] Фиг. 7 иллюстрирует временную последовательность обработки сигнала, предусмотренную при отслеживании фазы и коррекции на основании VHT-LTF. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, на протяжении первого VHT-LTF 701, блок 704 отслеживания фазы участвует в одномерном оценивании канала, фазовая коррекция отключена, и блок 706 оценивания канала MIMO находится в фазе 707 буферизации. На протяжении VHT-LTF 708 со второго 702 по L-1 блок отслеживания фазы оценивает фазу, и фазовая коррекция для тоновых сигналов данных включена. Блок 706 оценивания канала остается в режиме буферизации. На протяжении L-го VHT-LTF 703 оценивание фазы заканчивается, фазовая коррекция 705 для тоновых сигналов данных продолжается, и оценивание канала MIMO включается в конце 709.

[47] Фиг. 8 охватывает вышеописанные этапы в отношении блок-схемы 800 операций. В одном варианте осуществления настоящего изобретения принятый поток, выводимый из радиочастотных приемопередатчиков после приема от антенны, поступает на пространственные процессоры приема. После обработки на пространственных процессорах поток поступает на блок отслеживания фазы и блок демодулятора OFDM, где осуществляется обработка 801 преамбулы. Если блок 802 принятия решения определяет первое VHT-LTF, для каждого из своих пилот-сигналов, одномерный канал приема оценивается без использования матрицы P, поскольку матрица покрывающих последовательностей для пилот-сигналов имеет идентичные значения 804. Если блок 802 принятия решения определяет не первое VHT-LTF, блоки 803 и 805 осуществляют оценивание для пилот-сигналов и фазовую коррекцию для тоновых сигналов данных, что продолжается через блок 808 принятия решения до последнего VHT-LTF.

[48] Для символов данных оценивание канала осуществляется 809 до последнего символа данных в кадре через блок 807 принятия решения, после чего оценивание канала отключается 806, и обработка преамбулы начинается для следующего кадра путем возврата к 801. Конечным результатом этапов является более точная матрица оценки канала для размерности m на n, которая используется блоком последующей обработки приема и для квитирования установления связи с другими узлами.

[0049] В вышеприведенном описании изобретения варианты осуществления были описаны со ссылкой на многочисленные конкретные детали, которые могут варьироваться от реализации к реализации. Таким образом, единственным и исключительным указанием объема изобретения и намерений заявителя в отношении изобретения является формула изобретения, которая вытекает из этой заявки, в конкретной форме, в которой оформлена формула изобретения, включая любые последующие редакции. Следовательно, никакие ограничения, элементы, свойства, признаки, преимущества или атрибуты, явно не указанные в формуле изобретения, никоим образом не должны ограничивать объем формулы изобретения. Соответственно, описание изобретения и чертежи следует рассматривать в иллюстративном, а не в ограничительном смысле.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в беспроводных системах связи для отслеживания фазы с использованием пилот-сигналов. В системе с множественными входами и множественными выходами (MIMO) демодуляция приемной цепи беспроводного узла улучшена так, чтобы включать в себя отслеживание фазы. Вместо осуществления отслеживания фазы на протяжении символов данных для отслеживания фазы используются длинные обучающие поля (LTF) VHT, внедренные в преамбулу кадра. Однопотоковые пилот-сигналы суммируются в ходе передачи VHT-LTF. Это позволяет принимающей стороне оценивать канал с использованием пилот-сигналов в первом наборе длинных обучающих полей. Затем второй набор длинных обучающих полей используется для оценивания фазы пилот-сигналов с использованием оцененного канала. Полученная таким образом оценка фазы непрерывно применяется к другим принятым тоновым сигналам данных на протяжении VHT-LTF символов данных. Фазовые ошибки вследствие рассогласования ФАПЧ и фазового шума уменьшаются при приеме, что приводит к повышению отношения сигнал-шум для разных уровней миллионных частей дрейфа и смещения частоты и к более точному оцениванию канала MIMO, улучшая беспроводную сеть в целом, при использовании точных данных оценки канала MIMO при калибровке и квитировании установления связи между беспроводными узлами. 6 н. и 25 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ приема с отслеживанием фазы для системы беспроводной связи, причем способ содержит этапы, на которых:
инициируют обработку преамбулы беспроводного кадра, принимаемого посредством множественных пространственно-временных потоков, причем преамбула включает в себя множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), каждое из упомянутого множества VHT-LTF включает в себя пилотные тональные сигналы и тональные сигналы данных, при этом пилотные тональные сигналы являются идентичными для упомянутых множественных пространственно-временных потоков;
для первого VHT-LTF из упомянутого множества VHT-LTF оценивают первый отклик одномерного канала для каждого из пилотных тональных сигналов первого VHT-LTF,
для второго VHT-LTF из упомянутого множества VHT-LTF оценивают второй отклик одномерного канала для каждого из пилотных тональных сигналов второго VHT-LTF;
оценивают первое вращение фазы в ответ на первый и второй отклики одномерного канала; и
применяют фазовую коррекцию к тональным сигналам данных второго VHT-LTF в ответ на первое вращение фазы, тем самым генерируя множество скорректированных тональных сигналов данных для последующей обработки.

2. Способ по п.1, в котором последующая обработка содержит вычисление оценки канала для множества приемных и передающих антенн с использованием множества скорректированных тональных сигналов данных.

3. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя моделирование пилотных тональных сигналов путем вычисления:
,
при этом θ₁ - вращение фазы длинного обучающего символа OFDM, k - индекс тонального сигнала, s (k) - обучающая последовательность канала, М - количество передатчиков в системе беспроводной связи, m - индекс передатчика в системе беспроводной связи, n - индекс приемника в системе беспроводной связи, и h - отклик канала.

4. Способ по п.3, в котором оценивание первого и второго откликов одномерного канала для каждого пилотного тонального сигнала включает в себя вычисление:
,
оценивание первого вращения фазы в ответ на первый и второй отклики одномерного канала включает в себя вычисление:

при этом n - индекс приемника в системе беспроводной связи, а N - количество приемников в системе беспроводной связи.

5. Способ по п.4, в котором применение фазовой коррекции включает в себя вычисление:
.

6. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых:
для третьего VHT-LTF упомянутого множества VHT-LTF оценивают третий отклик одномерного канала для каждого из пилотных тональных сигналов третьего VHT-LTF;
оценивают второе вращение фазы в ответ на оцененные первый, второй и третий отклики одномерного канала и
применяют вторую фазовую коррекцию к тональным сигналам данных третьего VHT-LTF в ответ на второе вращение фазы, тем самым генерируя второе множество скорректированных тональных сигналов данных для последующей обработки.

7. Способ по п.1, в котором способ включает в себя по меньшей мере один из этапов, на которых:
не применяют обучающую последовательность охвата системы со многими входами-выходами (MIMO) к пилотным тональным сигналам и
применяют матрицу сигнала приема (R матрицу) к пилотным тональным сигналам, при этом все строки R матрицы являются идентичными.

8. Способ по п.5, в котором последующая обработка включает в себя вычисление:
,
при этом $$\tilde{R}$$ - матрица принятого сигнала с фазовой коррекцией, Р - обучающая последовательность охвата MIMO, a P^T - транспонирование матрицы для Р.

9. Устройство беспроводной связи, содержащее:
множество антенн, функционирующих с возможностью приема и передачи сигналов, при этом сигналы делятся на элементы разрешения по частоте,
передающую цепь, подключенную к упомянутому множеству антенн,
приемную цепь, подключенную к упомянутому множеству антенн, при этом приемная цепь выполнена с возможностью обработки преамбул беспроводного кадра, принимаемого посредством множественных пространственно-временных потоков, причем каждая преамбула включает в себя множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), каждое из VHT-LTF включает в себя пилотные тональные сигналы и тональные сигналы данных, при этом пилотные тональные сигналы являются идентичными для упомянутых множественных пространственно-временных потоков, при этом приемная цепь содержит:
первую схему для оценивания первого отклика одномерного канала для каждого из пилотных тональных сигналов первого VHT-LTF упомянутого множества VHT-LTF, и оценивания второго отклика одномерного канала для каждого из пилотных тональных сигналов второго VHT-LTF упомянутого множества VHT-LTF;
вторую схему для оценивания первого вращения фазы в ответ на первый и второй отклики одномерного канала; и
третью схему для применения фазовой коррекции к тональным сигналам данных второго VHT-LTF в ответ на первое вращение фазы, тем самым генерируя множество скорректированных тональных сигналов данных для схемы последующей обработки.

10. Устройство по п.9, в котором схема последующей обработки выполнена с возможностью вычисления оценки канала для множества приемных и передающих антенн с использованием множества скорректированных тональных сигналов данных.

11. Устройство по п.9, в котором первая схема выполнена с возможностью моделирования пилотных тональных сигналов путем вычисления:
,
при этом θ₁ - вращение фазы длинного обучающего символа OFDM, k - индекс тона, s(k) - обучающая последовательность канала, М - количество передатчиков в устройстве беспроводной связи, m - индекс передатчика в устройстве беспроводной связи, n - индекс приемника в устройстве беспроводной связи и h - отклик канала.

12. Устройство по п.11, в котором первая схема дополнительно выполнена с возможностью оценивания первого и второго откликов одномерного канала для каждого пилотного тонального сигнала путем вычисления:

и вторая схема выполнена с возможностью оценивания вращения фазы в ответ на первый и второй отклики одномерного канала путем вычисления:

при этом n - индекс приемника в устройстве беспроводной связи, а N - количество приемников в устройстве беспроводной связи.

13. Устройство по п.12, в котором третья схема дополнительно выполнена с возможностью применения фазовой коррекции путем вычисления:
,
при этом схема последующей обработки выполнена с возможностью вычисления:
,
при этом $$\tilde{R}$$ - матрица принятого сигнала с фазовой коррекцией, Р - обучающая последовательность охвата системы со многими входами-выходами (MIMO), а Р^T - транспонирование матрицы для Р.

14. Устройство по п.9, в котором передающая цепь содержит:
схему, выполненную с возможностью компиляции потока данных передачи,
схему, выполненную с возможностью распределения преамбулы и полезной нагрузки из скомпилированного потока данных передачи во множество параллельных пространственных потоков, при этом набор идентичной информации отображается в преамбулу в упомянутом множестве параллельных пространственных потоков для оценивания набора канальных характеристик и фазовой ошибки после приема, и
схему, выполненную с возможностью передачи упомянутого множества параллельных пространственных потоков с использованием множества радиочастотных приемопередатчиков.

15. Устройство по п.14, в котором набор идентичной информации, отображаемый в преамбулу, содержит единый поток пилотных тональных сигналов, отображаемых для упомянутого множества параллельных пространственных потоков.

16. Передающая цепь устройства беспроводной связи, содержащая:
схему, выполненную с возможностью распределения преамбулы и полезной нагрузки из скомпилированного потока данных передачи во множество параллельных пространственных потоков, при этом набор идентичной информации отображается из преамбулы в каждый из упомянутого множества параллельных пространственных потоков для оценивания набора канальных характеристик и фазовой ошибки после приема, при этом преамбула включает в себя пилотные тональные сигналы, внедренные во множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), при этом пилотные тональные сигналы, внедренные в упомянутое множество VHT-LTF, отображаются в упомянутое множество параллельных пространственных потоков как набор идентичной информации; и
схему, выполненную с возможностью передачи упомянутого множества параллельных пространственных потоков с использованием множества радиочастотных приемопередатчиков.

17. Передающая цепь по п.16, в которой набор идентичной информации содержит единый поток пилотных тональных сигналов, отображаемых на каждый из упомянутого множества параллельных пространственных потоков.

18. Передающая цепь по п.16, в которой преамбула включает в себя множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), при этом набор идентичной информации отображается на упомянутые VHT-LTF.

19. Передающая цепь по п.18, в которой набор идентичной информации содержит пилотные тональные сигналы упомянутых VHT-LTF.

20. Передающая цепь по п.18, в которой преамбула включает в себя N VHT-LTF, при этом N количество радиочастотных приемников, выполненных с возможностью приема упомянутого множества параллельных пространственных потоков.

21. Передающая цепь по п.16, дополнительно содержащая схему, выполненную с возможностью применения задержки циклического сдвига для каждого потока к параллельным пространственным потокам.

22. Передающая цепь для устройства беспроводной связи, содержащая:
схему, выполненную с возможностью приема кадра включающего в себя преамбулу, имеющую множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), каждое из которых включает в себя пилотные тональные сигналы и тональные сигналы данных;
схему, выполненную с возможностью обеспечения множества параллельных пространственных потоков в ответ на принятый кадр, при этом пилотные тональные сигналы отображаются из преамбулы в каждый из упомянутого множества параллельных пространственных потоков для оценивания набора канальных характеристик и фазовой ошибки после приема, при этом каждый из параллельных пространственных потоков включает в себя VHT-LTF с идентичными пилотными тональными сигналами; и
схему, выполненную с возможностью применения задержки циклического сдвига для каждого потока к параллельным пространственным потокам.

23. Передающая цепь по п.22, дополнительно содержащая схему, выполненную с возможностью передачи множества параллельных пространственных потоков с использованием множества радиочастотных приемопередатчиков.

24. Способ передачи с отслеживанием фазы для беспроводной системы связи, причем способ содержит этапы, на которых:
компилируют поток данных передачи;
распределяют преамбулу и полезную нагрузку из скомпилированного потока данных передачи во множество параллельных пространственных потоков, при этом набор идентичной информации отображается из преамбулы в каждый из упомянутого множества параллельных пространственных потоков для оценивания набора канальных характеристик и фазовой ошибки после приема, при этом преамбула включает в себя пилотные тональные сигналы, внедренные во множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), при этом пилотные тональные сигналы, внедренные в упомянутое множество VHT-LTF, отображаются в упомянутое множество параллельных пространственных потоков как набор идентичной информации; и
передают упомянутое множество пространственных потоков с использованием множества радиочастотных приемопередатчиков.

25. Способ по п.24, в котором набор идентичной информации содержит единый поток пилотных тональных сигналов, отображаемых на каждый из упомянутого множества параллельных пространственных потоков.

26. Способ по п.24, в котором преамбула включает в себя множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), при этом набор идентичной информации отображается на упомянутые VHT-LTF.

27. Способ по п.26, в котором набор идентичной информации содержит пилотные тональные сигналы упомянутых VHT-LTF.

28. Способ по п.26, в котором преамбула включает в себя N VHT-LTF, при этом N - количество радиочастотных приемников, выполненных с возможностью приема упомянутого множества параллельных пространственных потоков.

29. Способ по п.24, дополнительно содержащий этап, на котором применяют задержку циклического сдвига для каждого потока к параллельным пространственным потокам.

30. Способ передачи с отслеживанием фазы для беспроводной системы связи, причем способ содержит этапы, на которых:
принимают кадр, включающий в себя преамбулу, имеющую множество длинных обучающих полей для очень высокой пропускной способности (VHT-LTF), каждое из которых включает в себя пилотные тональные сигналы и тональные сигналы данных; и
обеспечивают множество параллельных пространственно-временных потоков в ответ на принятый кадр, при этом пилотные тональные сигналы отображаются из преамбулы в каждый из упомянутого множества параллельных пространственных потоков для оценивания набора канальных характеристик и фазовой ошибки после приема, при этом каждый из параллельных пространственных потоков включает в себя VHT-LTF с идентичными пилотными тональными сигналами; и
применяют задержку циклического сдвига для каждого потока к параллельным пространственным потокам.

31. Способ по п.30, дополнительно содержащий этап, на котором передают упомянутое множество параллельных пространственных потоков с использованием множества радиочастотных приемопередатчиков.