CN1918870A - 减少mimo通信系统中的串扰的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
描述了减少通信系统中的串扰的方法和装置。
Description
背景
多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统可以涉及把多个通信介质视为单条通信信道。例如,MIMO系统可以将由多条单独的铜双绞线束成的(bundled)单条电缆视为具有多个输入和多个输出的单条通信信道。然而,在给定铜线传输上的信息可能容易受到来自在邻近铜线上传输的信息的干扰。这种情况通常被称为“串扰(crosstalk)”。通过减少MIMO信道中的串扰量可以显著地改善MIMO系统的性能。因此,可能需要对设备或者网络中的这些技术进行改进。
附图简要说明
在本说明书的结论部分,特别指出并清楚地要求保护被看作实施方案的主题。然而,这些实施方案,就操作的组织和方法,连同其目的、特征和优点,在结合附图参考以下详细描述时可以得到最好的理解,其中:
图1示出适于实践一个实施方案的MIMO系统;
图2根据一个实施方案示出CFM(CFM)的框图;
图3是根据一个实施方案,由CFM执行的编程逻辑的框形流程图;以及
图4是根据一个实施方案示出CFM性能的图。
详细描述
实施方案可以包括抑制通信系统中的串扰的方法和装置,所述通信系统利用全双工通信介质,例如铜双绞线、射频(RF)和其他介质。串扰的例子可以是远端串扰(Far End CrossTalk,FEXT)或者近端串扰(Near End Crosstalk,NEXT)(在这里统称为“串扰”)。本实施方案贯注于为使用符号间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)信道或非ISI信道的多输入多输出通信(MIMO)全双工有线或者无线通信系统减少或者消除串扰的串扰抑制方案。该实施方案可以抑制带宽受限信道中的串扰,并且还把串扰抑制问题与提供最终串扰抑制水平的均衡分离。结果,该实施方案可以对串扰抑制方案的所有输出使用同样的均衡器。
此处可以阐述很多具体的细节,以提供对本发明的实施方案的透彻理解。然而,本领域技术人员将会理解,无需这些具体的细节可以实践本发明的实施方案。此外,公知的方法、过程、组件(component)和电路没有详细描述,以免模糊本发明的实施方案。可以意识到,此处公开的具体的结构上和功能上的细节可以是代表性的,并且不一定限制本发明的范围。
值得注意是,在说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”意味着关于该实施方案描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。短语“在一个实施方案中”在说明书中不同地方的出现不一定全是指同一实施方案。
现在详细参考附图,其中在所有附图中同样的参考数字都指示同样的部分,图1中示出适于实践一个实施方案的系统。图1是系统100的框图。系统100可以包括多个网络节点。使用在这里,术语“网络节点”可以指任何能够根据一个或更多个协议传输信息的节点。网络节点的实施例可以包括计算机、服务器、交换机、路由器、网桥、网关、个人数字助理、移动设备、呼叫终端等等。使用在这里,术语“协议”可以指控制信息如何在通信介质(medium)上传输的指令集。
在一个实施方案中,系统100可以在各个网络节点之间传输各种类型的信息。例如,一种类型的信息可以包含“媒体信息(media information)”。媒体信息可以指代表意图用于用户的内容的任何数据。内容的实施例可以包括,例如,来自语音对话、视频会议、流式视频、电子邮件(“email”)消息、语音邮件消息、字母数字符号、图形、图像、视频、文本等的数据。例如,来自语音对话的数据可以是语言信息、静默时段、背景噪声、舒适噪声、语调等。另一种类型的信息可以包含“控制信息”。控制信息可以指代表意图用于自动系统的命令、指令或控制字的任何数据。例如,控制信息可以用于通过网络路由媒体信息,或者指示网络节点以预先预定的方式处理媒体信息。媒体信息和控制信息都可以以数据流的形式在两个或更多个端点之间传输。使用在这里,术语“数据流”可以指在一个数据通信会话(session)期间串行发送的位(bit)、字节(byte)或者符号的集合。
在一个实施方案中,一种或更多种通信介质可以连接各节点。使用在这里,术语“通信介质”可以指能够载送信息信号的任何介质。通信介质的实施例可以包括金属引线(lead)、半导体材料、双绞线、同轴电缆、光纤、RF频谱等。术语“连接”或者“互连”以及其变体,在这种情况下可以指物理连接和/或逻辑连接。
例如,在一个实施方案中,可以通过包括用于无线网络的RF频谱的通信介质连接网络节点,所述无线网络例如蜂窝系统或移动系统。在这种情况下,系统100中示出的网络节点和/或网络还可以包括把从有线通信介质运载的信号转换为RF信号的设备和接口。这样的设备和接口的实施例可以包括全向天线和无线RF收发机。实施方案不限于这种情况。
在一个实施方案中,网络节点之间可以以分组(packet)的形式互相传输信息。在这种情况下分组可以指具有有限长度的信息的集合,其中所述长度通常用位或字节来表示。例如,分组长度的实施例可以是1000字节。分组可以根据一个或者多个分组协议进行传输。譬如,在一个实施方案中,分组协议可以包括一个或更多个因特网协议,例如传输控制协议(TCP)和因特网协议(IP)。本发明的实施方案不限于这种情况。
再参照图1,系统100可以包括使用MIMO通信信道的有线或无线通信系统。例如,在一个实施方案中,系统100可以包括根据如电气与电子工程师学会(IEEE)802.3系列标准定义的一个或更多个基于以太网的通信协议进行操作的局域网(LAN),所述局域网例如吉比特以太网1000Base-T通信系统(“吉比特以太网”)、高级10GBase-T通信系统等。虽然可以实施例的方式在吉比特以太网系统的情况下示出一个实施方案,但是可以意识到,可以使用任何类型的采用MIMO信道的通信系统,并且仍落入实施方案意图的范围内。
图1可以示出吉比特以太网系统100的结构。如图1所示,系统100可以包括网络节点120和122。网络节点120和122可以分别表示具有吉比特以太网设备的处理系统。例如,所述吉比特以太网设备可以被实现为网络接口卡(Network Interface Card,NIC)的一部分。更具体地,网络节点120可以包括一组均衡器(1-N)102、CFM(CFM)104、一组发射机/接收机(“收发机”)(1-N)106和信道估计器116。网络节点122可以具有与网络120相似的结构,并且可以包括一组均衡器(1-M)114、CFM 112、一组收发机(1-M)110和信道估计器118。在典型的实现中,M和N通常是相等,尽管实施方案不一定局限于这种情况。网络节点120和122可以使用MIMO信道108在彼此之间传输信息。尽管为了清晰,在图1中仅示出两个网络节点和一条MIMO信道,但是可以意识到,可以使用任何数量的网络节点和MIMO信道,并且仍落在实施方案的范围内。
系统100可以工作为以大约每秒1000兆位(Mbps)的通信速度在网络节点120和122之间传输信息。使用MIMO信道108可以达到1000Mbps全双工数据吞吐量。例如,MIMO信道108可以包括束成五类(CAT-5)电缆的四对铜双绞线。每对铜双绞线可以传输被编码成4维5级脉冲幅度调制(4-D PAM-5)信号星座图(constellation)的250Mbps的数据流。实质上,四对CAT-5非屏蔽(unshielded)双绞(UTP)连线可以被看作具有四个输入和四个输出的一条信道。因此,每个网络节点可以包含四个相似的收发机,每个用于一对物理线。譬如,收发机1-N的每一个发射机可以与收发机1-M的相应的接收机成对。混合式电路(未示出)可以便于同一根线上的双向的数据传输。
在系统100的初始化过程中,为了尝试特征化MIMO信道108,成对的收发机可以经历训练阶段。信道估计器116和118可以在该训练阶段中进行控制或辅助。信号可以在各自的发射机和接收机之间传输,并且可以测量MIMO信道108的至少一个特征,例如信道冲激响应、幅度电平、信号形状、信号失真、串扰冲激响应、时间偏移和延迟等。接收设备接收的已传输信号是预定的信号,并且与预期值的偏差会被接收设备注意到。
导致偏差的因素之一是串扰噪声。当在一条通信路径或数据流中的信号能量与在一条或更多条其他通信路径或数据流中的信号发生干扰时会产生串扰噪声,例如FEXT噪声。即,串扰噪声表示当信号从发射对的发射端传播到接收端时,两个或更多个发射对之间不需要的耦合。串扰噪声可能影响接收机解码特定数据流的能力,并且还会损害用于MIMO信道108的速度或带宽。
在一个实施方案中,为了估计潜在的串扰噪声,可以使用信道估计器116和118来为MIMO信道108进行信道特征化。信道估计器116和118可以为MIMO信道108估计多个信道冲激响应值。信道估计器116和118可以估计每个发射机和每个接收机之间的信道冲激响应值。从而,对具有N个发射机和M个接收机的MIMO系统而言,训练阶段之后应该获得N×M个冲激响应值。随后这些信道冲激响应值可以用于构造MIMO信道冲激响应矩阵。相应地,信道估计器116和118把所述信道冲激响应值分别传递给CFM 104和112。CFM 104和112可以使用所述信道冲激响应值来帮助创建适当的用于抑制串扰噪声的滤波器。
例如,在一个实施方案中,CFM 104和112可以分别接收来自信道估计器116和118的值。每个CFM可以使用由信道估计器提供的估计的MIMO信道冲激响应来合成或创建滤波器,所述滤波器帮助减少或消除与MIMO信道108耦合的接收机处的串扰噪声。所以,在一个实施方案中,所述滤波器可以在训练阶段之后被合成。参照图2可以更详细地讨论CFM 104和112。
图2可以根据一个实施方案示出CFM。图2可以示出CFM 200。例如,CFM可以表示CFM 104和112。在一个实施方案中,CFM 200可以包括一个或更多个模块。例如,在一个实施方案中,200可以包括信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR)矩阵生成器202、串扰抑制滤波器(Crosstalk Suppression Filter,CSF)矩阵生成器204和滤波器206。尽管这些模块可以用实施例的形式描述,但是可以意识到,可以使用更多或更少数量的模块而仍然落在实施方案的范围内。此外,虽然为了便于描述已经按照“模块”描述了该实施方案,但是一个或更多个电路、组件、寄存器、处理器、软件子例程(subroutine)或者它们的各种组合都可以代替所述模块中的一个、几个或全部。
可以使用可以根据任何数量的因素而改变的体系结构来实现实施方案,所述因素例如期望的计算速率、功率水平、耐热性、处理周期预算、输入数据速率、输出数据速率、存储器资源、数据总线速度以及其他性能约束。例如,使用由处理器执行的软件可以实现一个实施方案。该处理器可以是通用或者专用处理器,例如Intel(英特尔)公司制造的处理器。所述软件可以包括计算机程序代码段、编程逻辑、指令或者数据。该软件可以被储存在可以被机器、计算机或者其他处理系统访问的介质上。可接受的介质的实施例可以包括计算机可读介质,例如只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、磁盘、光盘等。在一个实施方案中,所述介质可以以压缩和/或加密的格式储存编程指令,以及在被处理器执行之前可能必需被编译或者被安装工具安装的指令。在另一个实施例中,一个实施方案可以被实现为专用硬件,例如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)或者数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)以及伴随的硬件结构。在再一个实施例中,一个实施方案可以由已编程通用计算机组件与定制的硬件组件的任何组合来实现。实施方案不局限于这种情况。
如图2所示,CIR矩阵生成器202可以从信道估计器(例如信道估计器116和118)接收一个或更多个测量值(例如,测量的信道冲激响应值)。CIR矩阵生成器202可以利用所述一个或多个测量值来构造CIR矩阵。
在一个实施方案中,CIR矩阵可以表示对通信介质(例如MIMO信道108)如何改变正在两个端点(例如网络节点120和122)之间传输的信号的描述。在任何实际信道的情况下,不可避免的滤波效应将导致通过通信信道传递的独立数据符号的扩散(spreading)。CIR矩阵尝试特征化或者描述已发射信号的传播如何在接收机处引起一个信号。用冲激响应来表示信道是可能的,即,要被接收的信号就好像是被发射的脉冲。例如,在一个实施方案中,CIR矩阵可以把MIMO信道108特征化为一般的N-输入和M-输出MIMO系统,所述系统由以矩阵形式表示的P-抽头有限冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器组成。一旦生成CIR矩阵,CIR矩阵生成器202就可以把生成的CIR矩阵发送到CSF矩阵生成器204。
在一个实施方案中,CSF矩阵生成器204可以接收所述CIR矩阵。CSF矩阵生成器204可以用所接收的CIR矩阵生成CSF矩阵。该CSF矩阵可以表示用由FIR滤波器近似的CIR值构造的矩阵滤波器。使用CIR矩阵合成CSF矩阵,以试图为MIMO信道108减少或者去除串扰。一旦生成CSF矩阵,CSF矩阵生成器204可以把生成的CSF矩阵发送到滤波器206。
在一个实施方案中,滤波器206可以接收所述CSF矩阵。滤波器206可以使用该CSF矩阵对来自一个或更多个数据流的串扰噪声进行滤波,所述数据流通过MIMO信道108进行传输。参照图3和图4,可以更详尽地描述CIR矩阵、CSF矩阵和滤波器206。
参照图3和图4以及伴随的实施例,可以进一步描述系统100和200的操作。虽然这里呈现的图3和/或图4可能包括特定的编程逻辑,但是可以意识到,该编程逻辑仅仅提供可以如何实现这里描述的一般功能性的实施例。此外,除非另外指出,否则给定编程逻辑不一定必须以所示的顺序执行。另外,尽管在这里给定的编程逻辑可以被描述成在上面所提及的模块中实现,但是可以意识到,所述编程逻辑可以在系统中的任何地方实现,并且仍落入实施方案的范围内。
图3根据一个实施方案示出用于CFM的编程逻辑300。如编程逻辑300所示,在方框302处可以估计CIR矩阵。在方框304处,可以基于该CIR矩阵构造CSF矩阵。所述CIR矩阵和CSF矩阵可以具有类似的结构和矩阵维数。在方框306处,可以使用所述CSF矩阵对在用于MIMO系统的信道上接收的多个数据流进行滤波,以减少串扰。例如,每个数据流可以包括ISI或非ISI信号。然后,可以使用相同或者相似的均衡参数通过一个或者多个均衡器对被滤波的数据流进行均衡。
在一个实施方案中,通过为MIMO信道估计至少一个信道特性,可以估计CIR矩阵。基于这些信道特性,可以估计多个信道冲激响应元素(element)。使用这些信道冲激响应元素可以构造CIR矩阵。
通过实施例的方式可以更好地理解系统100和200的操作,以及图3和图4所示的编程逻辑。如之前所讨论的,CFM 200可以估计CIR矩阵,然后合成CSF矩阵,用于对来自MIMO信道(例如MIMO信道108)的串扰噪声进行滤波。出于本实施例的目的,假定双向吉比特以太网系统包括具有4个输入和4个输出的MIMO信道,如系统100所示。考虑具有m0个输入和m0个输出的线性、色散和有噪声的数字通信MIMO系统的一般情况。在第j个信道输出(1≤j≤m0)处的信号具有以下标准形式:
其中,yi(t)——第i个信道输出,hij(t)——第j个输入和第i个输出之间的信道冲激响应,sj(t)——第j个信道输入信号,ni(t)——第i个输出处的噪声。
方程(1)的离散形式可以改写如下:
其中,hij(m)——第j个输入和第i个输出之间的等价离散时间信道的有限冲激响应的分支增益(tap gain)系数,所述系数的存储(memory)由Lij表示,sj(m)、ni(m)、yi(m)分别是sj(t)、ni(t)、yi(t)经过采样的版本。
通过把从所有m0个信道输出接收到的信号归入列向量y(t),方程(1)可以表示成以下矩阵形式:
y(t)=H(t)s(t)+n(t), (3)
其中,y(t)——接收信号的m0×1向量,H(t)——m0×m0的MIMO信道冲激响应矩阵,s(t)——发射信号的m0×1向量,n(t)——噪声向量。
方程(3)的离散形式可以表示如下:
其中,v是所有m0×m0个信道冲激响应的最大长度,即v=maxi,jLij。注意在这些符号中,CIR矩阵H(t)的非对角线元素表示不期望的串扰冲激响应,并且从邻近的对(或者用于无线通信系统的并行空间信道)给有用信号引入不希望的干扰(即串扰),而这些干扰由CFM 200消除。
本实施例中,假设系统100通过执行以下操作来减少串扰噪声。系统100的总体信道特性应该在初始化时定义。可以采用任何给定的信道估计技术定义这些信道特性。可以由期望的串扰抑制水平限定用于给定实现的特定的信道估计技术,而串扰抑制水平反过来又依赖于估计的准确性。
计算串扰滤波器Q(t)的算法包括几个阶段。以下操作可以计算串扰抑制滤波器的元素qij(t)(i,j=1,..,m0):
2.所得矩阵的每个元素可以用它的子式(minor)代替。在子式计算中,应用卷积运算,而不是乘法运算。
3.可以确定用于子式值的正负号(sign)。对于具有奇数下标和的子式,用于子式值的正负号可以从+(正号)变为-(负号)。
作为上述操作的结果,可以构造m0×m0串扰抑制滤波器。
以这样的方法获得的矩阵Q(t)包括串扰抑制滤波器。如以上所示,串扰抑制滤波器的性能可能依赖于测得的信道特征。假设具有理想的信道知识,CFM 200可以完全消除来自MIMO信道108的串扰噪声。在无噪声信道中,串扰抑制滤波器的输出可以如下表示:
x(t)=Q(t)y(t)=Q(t)H(t)s(t)=G(t)s(t) (6)
其中,m0×m0矩阵滤波器G(t)具有对角线形式,其中在主对角线上具有相同的元素g(t)。因此矩阵串扰抑制滤波器的输出是无串扰信号:
xj(t)=g(t)sj(t). (7)
为了进一步描述系统100的操作,考虑具有两个输入和两个输出的无噪声MIMO系统的不那么复杂的情况。在这种情况下,方程(1)以如下形式给出输入与输出之间的关系:
y1(t)=h11(t)s1(t)+h12(t)s2(t);
y2(t)=h21(t)s1(t)+h22(t)s2(t); (8)
所述CIR矩阵可以表示为
假设具有完美的信道估计,串扰抑制滤
波器可以表示为
该滤波器的输出可以用如下方程描述:
x1(t)=[h22(t)h11(t)-h12(t)h21(t)]s1(t)
x2(t)=[h11(t)h22(t)-h21(t)h12(t)]s2(t) (9)
由方程(9)可见,输出信号可以是无串扰信号。注意两个输出的完全冲激响应近似相等。这意味着可以在串扰抑制滤波器处应用同样的均衡器。
图4是根据一个实施方案示出CFM性能的图。图4可以示出使用包括非屏蔽铜双绞线介质CAT-5电缆的MIMO信道的CFM的性能。图4是为具有4对双绞线电缆的以太网LAN系统而绘制的。在这样的系统中,自由发射机在接收端可能同时引起串扰。曲线402示出使用CFM之前总串扰与有用信号的比。曲线404示出在使用CFM之后总串扰与有用信号的比。如图4所示,使用CFM提供了串扰抑制,从而残留串扰噪声小于信道噪声本底(floor)。
尽管在此已图示并描述了本发明的某些特征,但是本领域技术人员将会想到许多修改、替换、改变和等同物。因此,可以理解,所附权利要求书打算覆盖落入本发明真正的精神内的所有这样的修改和改变。
Claims (18)
1.一种方法,包括:
估计信道冲激响应矩阵;
基于所述信道冲激响应矩阵创建串扰抑制滤波器矩阵;以及
使用所述串扰抑制滤波器矩阵对在用于多输入多输出系统的信道上接收的多个数据流进行滤波,以减少所述数据流之间的远端串扰。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述信道冲激响应矩阵和所述串扰抑制滤波器矩阵具有基本上类似的结构和矩阵维数。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述估计操作包括:
为所述信道估计至少一个信道特性;
基于所述信道特性近似多个信道冲激响应值;以及
使用所述信道冲激响应值创建所述信道冲激响应矩阵。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述创建操作包括:
转置所述信道冲激响应矩阵;
将所述转置的信道冲激响应矩阵的每个元素替换为它的子式元素;以及
确定用于每个子式元素的正负号。
5.如权利要求1所述的方法,其中每个数据流包括符号间干扰信号。
6.如权利要求1所述的方法,还包括使用一组基本上类似的均衡参数均衡每个被滤波的数据流。
7.一种多输入多输出系统,包括:
通信介质;
连接到所述通信介质的多个发射机,其中每个发射机使用通信信道在所述通信介质上传输数据流;
连接到所述通信介质的多个接收机,所述多个接收机从所述通信信道接收所述数据流;以及
连接到所述多个接收机的串扰滤波模块,所述串扰滤波模块对所述数据流进行滤波,以减少在所述传输期间由所述数据流招致的远端串扰噪声。
8.如权利要求8所述的多输入多输出系统,还包括连接到所述滤波模块的多个均衡器,所述均衡器使用一组基本上类似的均衡参数均衡所述被滤波的数据流。
9.如权利要求8所述的多输入多输出系统,还包括连接到所述接收机的信道估计器,所述信道估计器为所述信道估计至少一个信道特性。
10.如权利要求8所述的多输入多输出系统,其中所述串扰滤波模块包括:
信道冲激响应矩阵生成器,所述信道冲激响应矩阵生成器生成信道冲激响应矩阵;
串扰抑制滤波器矩阵生成器,所述串扰抑制滤波器矩阵生成器使用所述信道冲激响应矩阵生成串扰抑制滤波器矩阵;以及
滤波器,所述滤波器使用所述串扰抑制滤波器矩阵对所述数据流进行滤波。
11.一种装置,包括:
多个接收机,所述接收机接收在通信信道上传输的多个数据流;以及
连接到所述多个接收机的串扰滤波模块,所述串扰滤波模块对所述数据流进行滤波,以减少在所述传输期间由所述数据流招致的远端串扰噪声。
12.如权利要求11所述的装置,其中所述串扰滤波模块包括:
信道冲激响应矩阵生成器,所述信道冲激响应矩阵生成器生成信道冲激响应矩阵;
串扰抑制滤波器矩阵生成器,所述串扰抑制滤波器矩阵生成器使用所述信道冲激响应矩阵生成串扰抑制滤波器矩阵;以及
滤波器,所述滤波器使用所述串扰抑制滤波器矩阵对所述数据流进行滤波。
13.如权利要求11所述的装置,还包括连接到所述接收机的信道估计器,所述信道估计器为所述信道估计至少一个信道特性。
14.如权利要求13所述的装置,其中所述信道冲激矩阵生成器连接到所述信道估计器,并且所述信道冲激矩阵生成器使用用于所述信道的所述至少一个信道特性生成所述信道冲激矩阵。
15.一种制品,包括:
储存介质;
所述储存介质包括储存的指令,当所述储存的指令被处理器执行时,导致估计信道冲激响应矩阵,基于所述信道冲激响应矩阵创建串扰抑制滤波器矩阵,并且使用所述串扰抑制滤波器矩阵对在用于多输入多输出系统的信道上接收的多个数据流进行滤波,以减少所述数据流之间的远端串扰。
16.如权利要求15所述的制品,其中当所述储存的指令被处理器执行时,还导致通过为所述信道估计至少一个信道特性,基于所述信道特性近似多个信道冲激响应值,并且使用所述信道冲激响应值创建所述信道冲激响应矩阵,来进行的所述估计操作。
17.如权利要求15所述的制品,其中当所述储存的指令被处理器执行时,还导致通过转置所述信道冲激响应矩阵,将所述转置的信道冲激响应矩阵的每个元素替换为它的子式元素,并且为每个子式元素确定正负号,来进行的所述创建操作。
18.如权利要求15所述的制品,其中当所述储存的指令被处理器执行时,还导致使用一组基本上类似的均衡参数均衡每个被滤波的数据流。
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