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Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur semiblinden Trennung und Detektion von digitalen Gleichkanal-Signalen. Zellulare Mobilfunknetze sind im allgemeinen interferenzbegrenzt, d. h., dass die räumliche Wiederverwendung ein und desselben Funkkanals durch Gleichkanalstörer limitiert wird. Ein Funkkanal ist durch seine Frequenz und/oder seinen Zeitschlitz (im Zeitmultiple er- fahren) bzw. seinen Code (im Codemultiplexverfahren) festgelegt. Zur Versorgung mehr als eines Teilnehmers auf ein und demselben Funkverkehrskanal wurden Verfahren vorgeschlagen, die auf der räumlichen Trennbarkeit und Trennung der Teilnehmersignale beruhen, sogenannter Raumvielfachzugriff (SDMA, Space Division Multiple Access).
Es werden also absichtlich Gleichk nal- Signale erzeugt, die von der Basisstation getrennt und detektiert werden müssen.
Stand der Technik
Diese Verfahren verwenden Gruppenantennen mit angeschlossener Signalverarbeitung, die durch Formung des Antennenrichtdiagramms die Gleichkanalstörung für die einzelnen Teil ehmern reduzieren. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der US-Patentschrift 5,515,378 Roy und Ottersten) beschrieben. Es sind drei grundsätzlich unterschiedliche Methoden zu unters heiden. Solche, die auf einer Kenntnis der räumlichen Struktur der Antennengruppe beruhen (sogenannte spatial-Referenz-Verfahren), die in R. Roy and R. Kailath, "ESPRIT'-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques", IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Pr essing, Bd. 37, July 1989, S. 984-995 erläutert sind ; Verfahren, die auf der Kenntnis einer bekannten
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raj and A.G.
Constantinides "MMSE Space-Time Equalization for GSM Cellular Systems", F'roc.
Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE, Vehicular Technology Conference 1 96, VTC'96, Atlanta, Georgia, S 331-335 ; sogenannte "blinde" Verfahren, die bekannte s ruk- turelle Eigenschaften der Signale zu deren Trennung und Detektion verwenden.
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nen Teilnehmer mit aufwendigen Verfahren geschätzt und diese Information zum optimalen Konbinieren der Antennensignale verwendet. Anschliessend werden in einem getrennten Empfänger
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der winkelmässigen Trennung, ab der das Verfahren versagt, ein schwieriges Problem dar. Im Idealfall sollte diese Untergrenze 0 betragen.
Ein schwerwiegendes Problem bei den temporal-Referenz-Verfahren ist das Erfordernis der exakten Synchronisation der - im Voraus bekannten - Trainingsfolge im Empfänger mit den ei fal- lenden Teilsignalen eines Teilnehmers. Aufgrund der Mehrwegeausbreitung und der unbekannten Entfernung zwischen Sender und Empfänger ist dieser Synchronisationszeitpunkt a priori icht bekannt und für die einzelnen Teilsignale auch unterschiedlich Erst nach erfolgter Synchronisation können die Verfahren zur Adaption der Gewichtsfaktoren der einzelnen Antennenelemente die letztendlich das effektive Richtdiagramm bestimmen, angewandt werden. Die Alternative der gleichzeitigen Synchronisation und Adaption der Antennengewichtsfaktoren ist sehr reche aufwendig, wie in der Druckschrift J Fuhl, D.J. Cichon, E.
Bonek, Optimum Antenna Topologies and Adaptation Strategies for SDMA, IEEE Global Communications Conference, Nov. 18-22, 1996, London, UK, pp. 575-580 dargestellt ist.
Was die blinden Verfahren betrifft, verwenden diese sehr allgemeine Signaleigensch en, etwa dass mit konstanter Symbolrate gesendet wird (fixed sampling rate, FSR), dass diese Seidesymbole aus einer endlichen Menge ausgewählt sind (finite alphabet, FA) und dass die Signal mit konstanter Hüllkurve gesendet werden (constant modulus, CM), wie in den Druckschrift J.
Laurila, E. Bonek, SDMA Using Blind Adaptation, ACTS Mobile Communication Summit, Aal org, Denmark, October 7-10,1997, pp. 314-319, bzw. A-J. van der Veen, A. Paulraj, Singular alue Analysis of Time-Space Equalization in the GSM Mobile System, Proc. IEEE ICASSP'96, May 1996, Atlanta, GA, pp. 1073-1076 dargestellt ist. Sie sind sehr rechenaufwendig, was ihre Ve endung im zivilen Mobilfunk bisher verhindert hat. Das in der Druckschrift S. Talwar, M. Viber , A. Paulraj, Blind Separation of Synchronous Co-Channel Digital Signals Using an Antenna Ar ay - Part I: Algorithms. IEEE Trans.
Signal Proc., Vol. 44, pp. 1184-1197, May 1996, beschriebene Verfahren ILSP (Iterative Least Squares with Projection), welches auf der Annahme einer endli hen Menge von Sendesymbolen beruht, ist zwar grundsätzlich für die blinde Trennung und Dete tion
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von Gleichkanal-Signalen geeignet, ist allerdings in hohem Mass von der Treffsicherheit der Anfangswerte der iterativen Signatschätzung abhängig. Das Problem wird dann noch schwieriger, wenn für die Übertragung nichtlineare Modulationsverfahren eingesetzt werden. Gerade dies ist aber bei modernen Mobilfunksystemen der Fall, beispielsweise wird im GSM-System (Global Systems for Mobile Communications) und DECT-System (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) das nichtlineare Modulationsverfahren des Gauss-gefitterten Minimum Shift Keying verwendet.
Für solche Fälle muss das eben genannte Verfahren durch einen Algorithmus ergänzt werden, der die konstante Hüllkurve des Signals ausnützt, beispielsweise A. J. van der Veen, A.
Paulraj, An Analytical Constant Modulus Algorithm. IEEE Trans. on Signal Proc., Vol.44, pp. 1136 - 1155, May 1996 vorgeschlagene ACMA (Analytical Constant Modulus Algorithm). Das erfordert weitere aufwendige Rechenschritte des an und für sich schon rechenaufwendigen blinden Detektions- und Signaltrennungsverfahrens. Die US-Patentschriften 5,619,533 (Dent) und US 5,519,727 (Okanoue et al.) beschreiben Entzerrer, der mit einem MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimator) arbeiten, der seine Information von einem einzigen Antennensignal gewinnt. Eine räumlich-zeitliche Entzerrung ist wegen des Fehlens mehrerer Antennensignale nicht möglich, wäre aber aufgrund des enormen Bedarfs an Speicherplatz für die Zwischenschritte des MLSE ohnedies unvorteilhaft.
Die Patentschrift US 5,432,816 (Gozzo) bezieht sich auf Entzerrer, die mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate rekursive Schätzwerte des Kanals liefern. Der Entzerrer gewinnt seine Information ebenfalls nur von einem einzigen Antennensignal. Empfänger, die solche Entzerrer enthalten, müssen sich auf ungenaue Schätzwerte des Kanals stützen, unter anderem weil sie keine strukturellen Eigenschaften der gesendeten Signale verwenden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein semiblindes Verfahren zur Trennung und zur Detektion von digitalen Gleichkanalsignalen bereitzustellen, dass aus den drei Schritten # gleichzeitige räumlich-zeitliche Entzerrung, # Initialisierung iterativer Projektionen durch Teilnehmerkennung, und # Durchführung der eben genannten Projektionen zur Anpassung eines Symbolvektors sowohl an den Signalunterraum als auch an die bekannte Menge der Symbole endlicher Mächtigkeit, bei- des unter Verwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, wobei nur Matrizenmultipli- kationen jedoch keine Eigenwert- oder Singularwertzerlegungen ausgeführt werden, besteht.
Der letzte Schritt wird k Mal wiederholt, bis sich die letzte Iteration des detektierten Symbolvektors von der vorletzten nicht mehr unterscheidet.
Die zeitliche Synchronisation für die Initialisierung des zweiten Schrittes wird auf einfache Weise dadurch erreicht, dass die Korrelation der jeweiligen Teilnehmerkennung mit den Basisvektoren, die den gewünschten Signalunterraum aufspannen, durchgeführt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die entkoppelte Durchführung der Projektionen, getrennt nach den einzelnen Teilnehmern. Das erlaubt die ausschliessliche Verwendung von einfachen Matrixmultiplikationen während dieser Projektionen und führt damit zur Vermeidung exzessiv hohen Rechenaufwandes wie in herkömmlichen bekannten Verfahren üblich. Die aufwendige Berechnung der Pseudoinversen der Eingangsmatrix einschliesslich der Berechnung der orthonormalen Basisvektoren des gewünschten Signalunterraums wird nur ein einziges Mal, und zwar vor der Initialisierungsphase, benötigt.
Die mit der zeitlichen Entzerrung gleichzeitig durchgeführte räumliche Entzerrung, die auf der Verarbeitung mehrerer Antennensignale beruht, bringt eine deutlich verbesserte GleichkanalsignalUnterdrückung mit sich als mit zeitlicher Entzerrung eines einzigen Antennensignals allein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das Verfahren wird nun an Hand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 die grundsätzlichen Schritte des Verfahrens und
Figur 2 beschreibt nun detailliert die Durchführung der beiden letzten Teile des Verfahrens nach Figur 1, allerdings mit der Verallgemeinerung, dass die Empfangssignalmatrix A (200) nicht notwendigerweise aus orthonormalen Basisvektoren bestehen muss. Es kann auch die Empfangs-
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signalmatrix A (200) als Eingang verwendet werden, wodurch der Verfahrensschritt (60) notwendig wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Wie in Figur 1 dargestellt ist, dient eine Matrix X von verrauschten Eingangssignalen mehrerer Gleichkanalsignale als Eingangsdatensatz, der durch das Verfahren weiter verarbeitet werden soll.
Die Matrix X enthält N Abtastwerte, P-fach überabgetastet, von d Gleichkanalsignalen, die vor den M Einzelelementen einer Gruppenantenne abgeleitet sind. Diese Empfangssignalmatrix X wird im Verfahrensschritt (10) in an sich bekannter Weise gleichzeitig räumlich-zeitlich entzerrt, sodass eine neue Matrix Y (200) entsteht. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung spannen die Zeilen dieser Matrix und die Zeilen der Symbolmatrix S, die Block-Töplitz-Form besitzt, den selben Si nal- unterraum auf. Für diesen Verfahrensschritt (10) kann man entweder die Singularwertzerle gung oder recheneffizientere, aber suboptimale Unterraumnachführungsmethoden (subspace trac ing) verwenden. Dieser rechenaufwendige Schritt ist jedoch nur ein einziges Mal im Laufe des ga zen Verfahrens erforderlich.
Im Verfahrensschritt (20) wird nun mit Hilfe der Teilnehmerkennung I , die im zugehörigen (Gleichkanal-) Signal s, enthalten ist, eine Initialisierung des Projektionsvekt @rs vorgenommen. In jedem Mobilfunksystem mit TDMA werden einige bekannte Symbole fü die Kanalschätzung (z. B. Mittambel in GSM) gesendet, die auch zur Teilnehmererkennung verwendet werden können. Im letzten Verfahrensschritt (40) werden nun abwechselnd Projektionen der Matrix Y auf sowohl den Signalunterraum als auch auf die bekannte endliche Symbolmenge durchge ührt. Die "Projektionen" sind dabei nichts weiter als Multiplikationen dieser Matrix mit dem Projekt onsvektor t@ bzw.
Rundungen des Symbolvektors an die bekannten Symbole des Symbolalphabe s #. Es findet also gleichzeitig eine Anpassung des Symbolvektors an den Signalunterraum und a die endliche Symbolmenge statt, wobei nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate vorgegangen wird. Aus diesem letzten Verfahrensschritt (40) kommt als Ergebnis nach K Iterationen der V ktor der detektierten Symbole des Teilnehmers i heraus. Die Iterationen werden beendet, wenn sic der Symbolvektor nach zwei aufeinander folgenden Iterationen nicht mehr unterscheidet. Dann @ann man zum nächsten Teilnehmer i+1 übergehen und dasselbe Verfahren beim Schritt (20) beginnend ein weiteres Mal ablaufen lassen.
Bezugnehmend auf Figur 2 wird zunächst in Verfahrensschritt (50) die Moore-Penose- Pseudoinverse A+ berechnet.
Wurde die Matrix A nicht durch vorhergegangene räumlich-zeitliche Entzerrung aus orth normale Basisvektoren gebildet, sondern direkt die Empfangssignalmatrix X verwendet, so wird der Verfahrensschritt (60) nötig, der die in der Matrix A enthaltenen Stör- und Interferenzterme raumlich gleich verteilt. In der englischsprachigen Literatur spricht man von "pre-whitening".
Im schon bekannten Verfahrensschritt (20) wird mit einer Teilnehmerkennung ID, das i-te Signal ausgewählt und damit der Projektionsvektor t@ initialisiert In dem Initialisierungsschritt (20) kann als Unterschritt (22) eine Auswahl des optimalen Synchronisationszeitpunktes enthalten sein, der durch die Position des Maximums in der Kreuzkorrelation zwischen den Basisvektoren, d e im ersten Verfahrensschritt (10) nach Figur 1 bestimmt werden, und der bekannten Teilnehme ken- nung ID, festgelegt wird.
Im Verfahrensschritt (70) wird nun der zum i-ten Signal zugehörige Symbolvektor als das Produkt des Projektionsvektors mit der Empfangssignalmatrix t,-A berec net Dieser Symbolvektor wird sowohl auf den Signalunterraum als auch auf die endliche Meng der bekannten Symbole unter Verwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate projiziert. M the-
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werden so lange fortgesetzt, bis Konvergenz erreicht ist, d. h. bis sich eine Schätzung des Sy bol- vektors von der vorangegangenen Iteration nicht unterscheidet. Dann kann zur Schätzung eines nächsten Symbolvektors, zugehörig einem anderen Signal übergegangen werden.
Als ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens kann festgehalten werden, dass die Zahl der so zu schätzenden Signale im Prinzip unbegrenzt ist. Es wird aber immer nur nach einem einzigen S gnal gesucht, d. h. die Signalsuche ist jedesmal von allen anderen Signalen entkoppelt. Ist die Zahlder Teilnehmersignale in der Zelle bekannt, so kann nach der Schätzung dieser Signale das Verfahren abgebrochen werden. Es muss nicht wie in Spatial-Referenz-Verfahren die Fülle aller Signale vor-
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erst einmal geschätzt werden, bevor entschieden werden kann, ob es sich um ein Nutz- oder Störsignal handelt. Ein Vorteil des Verfahrens ist die Tatsache, dass die Zahl der Gleichkanal-Signale im ersten Verfahrensschritt auf elegante Weise bestimmt werden kann.
Ein weiterer besonderer Vorteil des Verfahrens liegt in seiner Unabhängigkeit vom verwendeten Modulationsformat. Insbesondere ist es auch für nichtlineare Modulationsarten geeignet, die im Mobilfunk heute üblich sind. Ein solches Modulationsverfahren führt, im Gegensatz zu bekannten Methoden, nicht zu einer Erhöhung des Rechenaufwandes. Mit unserer Methode ist es ausserdem möglich, nichtsynchrone Gleichkanalsignale zu detektieren. Ausserdem ist das Verfahren extrem robust gegen momentane Änderungen der Störquellen, wodurch keine Synchronisation innenhatb des Mobilfunknetzes erforderlich ist.
Es sei auch noch bemerkt, dass das Verfahren im Prinzip zwei unterschiedliche Signalschätzun- gen liefert : Projektion auf den Signalunterraum unter Verwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, liefert eine "weiche" Schätzung (Soft Signal Estimation), während das Ergebnis der Projektion auf das Signalalphabet eine #harte" Schätzung liefert (Hard Signal Estimation). Die Ergebnisse der weichen Schätzung können zur Vorwärtsfehlerkorrektur (forward error correction) verwendet werden.
In realen bandbegrenzten Systemen liefert Überabtastung in Zeitbereich alleine zu wenig Information für die blinde Signaltrennung. Ein Vorteil des gegenständlichen Verfahrens ist die Kombination von Signalen mehrerer und zwar sämtlicher Antennen. Dadurch erreicht man eine erhöhte Robustheit gegen Gleichkanalstörung und ermöglicht weiters die Schätzung von sämtlichen Gleichkanalsignalen in FIR-MIMO (Finite Impulse Response, Multiple Input, Multiple Output) Anwendungen. Weiters erlaubt unser Verfahren eine wesentlich einfachere Hardwarestruktur als traditionelle Strahlformungsmethoden. Ein weiterer Vorteil besteht also darin, dass mit die Schätzung der Kanalimpulsantwort und die Symboldetektion in einem Schritt durchgeführt wird. Üblicherweise erfolgt die Kanalschätzung und die Detektion der Symbole getrennt.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Detektion mit Hilfe von MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimation) mit dem Viterbi-Algorithmus, beruht die Signaltrennung iterativer Schätzung. Dabei wird die Projektion des geschätzten Zeilenraumes der Datenmatrix auf die bekannte, endliche Menge von Modulationssymbolen mit Hilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate verwendet.
Diese Vorgehensweise ist rechnerisch wesentlich einfacher.
Herkömmliche Empfänger verwenden nur einen kurzen, bekannten Teil der gesendeten Signalfoigen (sogenannte Trainingsfolgen) um die Kanalimpulsantwort zu schätzen. Im Gegensatz dazu erfolgt die Daten- und Kanalschätzung im gegenständlichen semiblinden Verfahren über alle gesendeten Symbole und man erreicht dadurch eine erhöhte Schätzgenauigkeit.
Ein besonderer Vorteil dieses neuen Verfahrens ist der verhältnismässig bescheidene Rechenaufwand zur semiblinden Schätzung, Trennung und Detektion von Gleichkanalsignalen. Betrachtet man den ersten Teil des Verfahrensschrittes (70), nämlich die Multiplikation des Projektionsvektors t1 mit der Matrix A, so benötigt man dazu 2.8.N Rechenoperationen, weil die Matrix A die Grösse ##N besitzt, wobei N die Anzahl der Abtastwerte, und 8 die Dimension des Projektionsvektors t, bedeutet. Im Allgemeinen ist die Dimension 8 annähernd gleich der Zahl der zu detektierenden Signale t. Die gleiche Anzahl von Operationen ist im Rechenschritt (80) für die neuerliche Berechnung des
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die Zahl der geschätzten Signale und K die Zahl der benötigten Iterationen pro Signal sind.
Wie ausführliche Computersimulationen ergaben, findet man mit K=2-3 bereits das Auslangen, wenn man zur Initialisierung geeignete Teilnehmeridentifikationsfolgen und die orthonormalen Basisvektoren verwendet. N, die Zahl der zur Detektion benötigten Abtastwerte, liegt in der Grössenordnung 40-90, also etwa der Hälfte der Symbole eines einzigen GSM-Zeitschlitzes. Mit dieser Parametern ist für unser Verfahren im Vergleich zu Spatial Referenz Algorithmen bei gleicher Bitfehlerrate nur 1/3 der Antennenelemente erforderlich.
Um den Rechenaufwand in der Ausführungsform nach Figur 2 weiter zu reduzieren und dabei gleichzeitig die Robustheit der Schätzung schwacher Signale zu erhöhen, kann nach der endgültigen Detektion eines ersten Symbolvektors s@ dieser von der Eingangsdatenmatrix A abgezogen werden. Diese Vorgehensweise nennt man serial interference cancellation. Man erzielt damit die besten Ergebnisse, wenn die empfangenen Signale in der Reihenfolge fallende Leistung geschätzt werden. Die Verbesserung der Schätzrobustheit durch Serial interference cancellation ist bei An-
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wendung des Projektionsalgorithmus direkt auf der Datenmatrix ohne vorhergehende Unter umschätzung am grössten.
Dadurch wird die Gleichkanalstörung für die restlichen zu detektierenden Gleichkanalsi nale reduziert und der Schritt der Dekorrelation (50) wird weniger aufwendig und die Schätzun der nachfolgenden Symbolvektoren robuster.
Insgesamt sind die hier beschriebenen Verfahren nicht nur weniger rechenaufwendi als
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auch wesentlich robuster gegen Störungen durch Rauschen und Nachbarzellen-Signale.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verzichtet überhaupt auf eine v hergehende Signalunterraum-Schätzung. Normalerweise wäre ein Verfahren zur Trennung und Detektion von Gleichkanalsignalen dann allerdings höchst unzuverlässig. Dadurch jedoch, dass die Initialisierung (20) mit einer Teilnehmerkennung so gute Startwerte für die nachfolgenden iterativen Projektionen liefert, kann auch in diesem Fall mit guten Ergebnissen gerechnet werden, wie ausführliche Computersimulationen ergaben.
Die Vorrichtung zur Implementierung der beschriebenen Verfahren ist ein Signalproz sor.
Signal prozessoren, wenn auch mit geringerer Leistungsfähigkeit, werden bereits heute in digitalen Mobilfunkempfängern verwendet. Für die erfindungsgemässe Implementierung des Verfahrens in einem Signalprozessor ist zu beachten, dass die Empfangssignatmatrix X hoch symmetrisci ist.
Eine Spalte geht durch Zeitverschiebung aus der vorangegangenen hervor, wobei hier noc ein weiteres Element hinzugefügt wird. Eine solche symmetrische Struktur, welche die zeitlich Entzerrung ermöglicht, erlaubt auch die blockweise Berechnung von Matrizen bzw. ihren Invers im ersten Verfahrensschritt (10). Hier ist dieser Vorteil am grössten, weil gerade dieser Verfah ensschritt durch seine notwendige Matrizeninversion zur räumlich-zeitlichen Entzerrung de bei weitem grössten Anteil am Rechenaufwand ausmacht.
In dem Verfahrens-Unterschritt der Projektion (70) des Symbolvektors s@ auf das Sym olal- phabet Q kann eine weitere Verminderung des Rechenaufwandes dadurch erzielt werden, dassdie im allgemeinen komplexwertigen Elemente des Symbolalphabets # durch Derotation mit di ren- tiell kodierter Phasenmodulation reell gemacht werden.
Dadurch wird eine Implementierung auf einem Signalprozessor, der ausschliesslich reellwertige Operationen beherrscht, einfach möglich
PATENTANSPRÜCHE:
1 Verfahren zur semiblinden Trennung und Detektion von digitalen Gleichkanalsig alen, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer gleichzeitigen räumlich-zeitlichen Entze rung, iterative Projektionen der zu detektierenden Symbolvektoren auf einen Signalunterraum bzw.
auf ein Symbolalphabet Q endlicher Grösse unter Verwendung einer Teilnehm rken- nung ID, initialisiert werden, und dann die genannten Projektionen zur Anpassun der genannten Symbolvektoren s1 sowohl an den Signalunterraum als auch an das Symbol- alphabet # endlicher Grösse, beides unter Verwendung der Methode der kleinsten F ehler- quadrate, durchgeführt werden, wobei nur Matrizenmultiplikationen, jedoch keine Eigen- wert- oder Singularwertzerlegungen ausgeführt werden müssen.