DE10106391A1 - Icon-based JD equalization - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur JD-Entzerrung eines über einen Kanal übertragenen spreizkodierten Signals sowie einen nach diesem Verfahren arbeitenden JD-Empfänger.The invention relates to a method for JD equalization spread-coded signal transmitted over a channel and a JD receiver working according to this procedure.
Im UMTS-(Universal-Mobil-Telecommunications-System-)Standard für die dritte Mobilfunkgeneration wird der TDD-(Time Divisi on Duplex-)Mode für das sog. "unpaired band" (das für die Aufwärts- und Abwärtsstrecke gleichzeitig vorgesehene Fre quenzband) vorgeschrieben. Im Gegensatz zu dem FDD-(Frequency Division Duplex-)Mode ist der Spreizfaktor beim TDD-Mode ma ximal gleich 16. Aufgrund dieses niedrigen Spreizfaktors ist die Einzelteilnehmerdetektion, wie Sie beispielsweise durch angepaßtes Filtern (MF: Matched Filtering) realisiert werden kann, zu ineffizient. Um eine gegebene Dienstqualität (QoS: Quality of Services) einhalten zu können, wird der Einsatz leistungsfähiger JD-(Joint Detection-)Algorithmen erforder lich.In the UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) standard the TDD (Time Divisi on duplex) fashion for the so-called "unpaired band" (that for the Upward and downward route simultaneously provided Fre quenzband). In contrast to the FDD (Frequency Division duplex) mode is the spreading factor for TDD mode ma ximal is 16. Because of this low spreading factor individual participant detection, such as through adapted filtering (MF: Matched Filtering) can be realized can, too inefficient. For a given quality of service (QoS: The commitment will be able to maintain quality of services) powerful JD (Joint Detection) algorithms required Lich.
Bei JD-Algorithmen (in der deutschen Literatur auch als "Algorithmen zur gemeinsamen Detektion" bezeichnet) berück sichtigt der Empfänger Signale von mehreren aktiven Teilneh mern derselben Mobilfunkzelle. Das Prinzip der JD besteht darin, durch explizite Detektion nicht nur des gewünschten sondern auch anderer Teilnehmersignale zu erreichen, daß die se nicht zur Störung beitragen. Auf diese Weise wird die In tra-Zellinterferenz (Störung durch andere aktive Teilnehmer) wesentlich verringert oder im Idealfall eliminiert.For JD algorithms (also in German literature as "Algorithms for common detection" referred to) the receiver sees signals from several active participants same cell. The principle of the JD exists in it, by explicit detection not only of the desired one but also to achieve other subscriber signals that the do not contribute to the disturbance. In this way the In tra cell interference (interference from other active participants) significantly reduced or ideally eliminated.
Ein Nachteil der bisher bekannten JD-Algorithmen besteht dar in, daß diese - aufgrund der Signaldetektion mehrerer oder aller aktiven Teilnehmer - einen ausgesprochen hohen Rechen aufwand erfordern. Dieser läßt sich mit den üblicherweise in Mobilstationen eingesetzten Signalprozessoren nicht erreichen und wäre auch nicht durch den Einsatz leistungsfähigerer (und damit teurerer) Signalprozessoren realisierbar, da in diesem Fall ein zu hoher Stromverbrauch auftreten würde.A disadvantage of the previously known JD algorithms is in that this - due to the signal detection of several or of all active participants - a very high rake require effort. This can be done with the usually in Signal processors used by mobile stations cannot be reached and would not have been more powerful (and thus more expensive) signal processors can be realized, since in this In the event of excessive power consumption.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein JD-Detektions verfahren anzugeben, das für den Einsatz in Mobilfunksystemen geeignet ist. Insbesondere soll das Verfahren eine niedrige Leistungsaufnahme und einen geringen Signalverarbeitungsauf wand bei gleichzeitig ausreichend hoher Qualität der Entzer rung ermöglichen. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, einen diese Eigenschaften aufweisenden JD-Empfänger für Mobilfunk systeme zu schaffen.The invention has for its object a JD detection procedure to specify that for use in mobile radio systems suitable is. In particular, the process is said to be low Power consumption and low signal processing wall with a sufficiently high quality at the same time enable. The invention further aims to provide one JD receiver for mobile radio that has these properties to create systems.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The problem underlying the invention is solved by the features of the independent claims.
Demnach wird im wesentlichen durch zwei Maßnahmen eine deut liche Reduzierung des bei der JD-Entzerrung anfallenden Re chenaufwands erreicht: Erstens werden der Berechnung der Ent zerrerkoeffizienten für einen bestimmten Teilnehmer oder Nut zer nicht sämtliche empfangenen Datensymbole eines Daten blocks zugrundegelegt, sondern nur eine Teilmenge derselben. Zweitens wird das empfangene Signal mit Hilfe dieser so be rechneten Entzerrerkoeffizienten Datensymbol für Datensymbol detektiert. Durch beide Maßnahmen wird der Signalverarbei tungsaufwand wesentlich reduziert, wodurch ein Einsatz der erfindungsgemäßen "symbolweisen" JD-Entzerrung in Mobilfunk systemen ermöglicht wird.Accordingly, two measures essentially make one clear reduction of the Re due to the JD equalization achieved: First, the calculation of the ent distortion coefficients for a particular participant or groove not all received data symbols of a data blocks, but only a subset of the same. Second, the received signal is so used with the help of this calculated equalizer coefficient data symbol for data symbol detected. The signal processing is carried out by both measures maintenance costs significantly reduced, which means that the use of "Symbol-wise" JD equalization according to the invention in mobile radio systems is made possible.
Vorzugsweise wird eine ZF-(Zero Forcing-)Entzerrung oder eine MMSE-(Minimum Mean Square Error-)Entzerrung durchgeführt.A ZF (Zero Forcing) equalization or a MMSE (Minimum Mean Square Error) equalization carried out.
Vorzugsweise umfaßt der Satz von Entzerrerkoeffizienten QWs Koeffizienten, wobei Q der senderseitig verwendete Spreizfak tor und Ws eine ganze Zahl zwischen 1 und 10, insbesondere 1 und 5, ist. Wie im folgenden noch näher erläutert, kann da durch und in Verbindung mit der symbolweisen Entzerrung eine Reduzierung des Rechenaufwands um mehr als drei Größenordnun gen im Vergleich zu bisherigen JD-Detektionsverfahren er reicht werden.Preferably, the set of equalizer coefficients includes QWs Coefficients, where Q is the spread factor used by the transmitter tor and Ws an integer between 1 and 10, especially 1 and 5, is. As explained in more detail below, there may be through and in connection with the symbolic equalization one Reduction of computing time by more than three orders of magnitude compared to previous JD detection methods be enough.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in specified in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game explained in more detail with reference to the drawing; in this shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines JD-Empfängers in Form eines Blockschaltbilds; Figure 1 is a schematic representation of a JD receiver in the form of a block diagram.
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines JD-Entzerrers gemäß dem Stand der Technik; Fig. 2 is a schematic diagram illustrating the operation of a JD equalizer according to the prior art;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines JD-Entzerrers gemäß der Erfin dung; und Fig. 3 is a schematic diagram illustrating the operation of a JD equalizer according to the inven tion; and
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Korrespondenz zwischen dem Index k für den ausge wählten Nutzer und dem Index j der Zero-Forcing- Bedingung. Fig. 4 is a schematic representation to illustrate the correspondence between the index k for the selected user and the index j of the zero-forcing condition.
Die mathematische Beschreibung der Erfindung erfolgt mit Hil fe des Matrix-Vektor-Formalismus. Im folgenden bezeichnen in Hochstellung das Zeichen T die transponierte Matrix bzw. den transponierten Vektor und das Zeichen * die komplexe Konjuga tion. H als hochgestelltes Zeichen steht als Abkürzung für *T. Ein Unterstrich unter einer mathematischen Größe bedeu tet, daß diese komplexwertig ist bzw. sein kann.Hil describes the mathematical description of the invention fe of the matrix vector formalism. In the following denote in Superscript T the transposed matrix or the transposed vector and the sign * the complex conjuga tion. H as a superscript symbol stands for an abbreviation for * T. An underscore under a mathematical size means tet that this is or can be complex.
Es werden zunächst die folgenden Abkürzungen eingeführt:
K Anzahl der aktiven Teilnehmer
N Anzahl der Datensymbole in einem Block bzw. Burst
Q Spreizfaktor
L Kanallänge, d. h. Anzahl der im zeitdiskreten Kanalmodell
berücksichtigten Wege, in Chips
W Anzahl der für die Entzerrung berücksichtigten Chips
Ws Anzahl der für die Entzerrung berücksichtigten Symbole,
d. h. Ws = W/Q
Ts Symbolzeitdauer
Tc Chipzeitdauer; es gilt Q.Tc = Ts
d (k) = (d k|1. . .d k|N)T Vektor, welcher die von dem k-ten Teil
nehmer innerhalb eines Bursts ausgesende
ten komplexwertigen Datensymbole d k|1, . ., d k|N
darstellt. Die Aussendung der Datensymbo
le erfolgt im Symboltakt 1/Ts
c (k) = (c k|1. . .c k|Q)T Vektor, welcher den von dem k-ten Teil
nehmer verwendeten (teilnehmerspezifichen) CDMA-Code darstellt; dabei sind
c k|1, . ., c k|Q die komplexen Chips des betrach
teten CDMA-Codes. Die Aussendung der
Chips erfolgt im Chiptakt 1/Tc
h (k) = (h k|1. . .h k|L)T Vektor, welcher die für den k-ten Teil
nehmer gültige zeitdiskrete Kanalim
pulsantwort darstellt; dabei sind
h k|1, . ., h k|L die komplexen Gewichte (sog. Ka
nalkoeffizienten) des 1-ten, . ., W-ten
Übertragungswegs, wobei benachbarte Über
tragungswege jeweils eine Zeitverzögerung
entsprechend der Chipzeitdauer Tc zuein
ander aufweisen
b (k) = (b k|1. . .b k|Q+L-1)T Vektor der kombinierten Kanalimpulsant
wort, welcher sich gemäß b (k) = c (k).h (k)
aus dem CDMA-Code-Vektor und dem Kanalim
pulsvektor bezüglich des k-ten Teilneh
mers ergibt. Dabei bezeichnet * die zeit
diskrete Faltung der genannten Vektoren
n = (n 1. . .n NQ+L-1)T Vektor der additiven Störungen; der Vek
tor n repräsentiert sowohl thermisches
Rauschen als auch Vielfachzugriffsinter
ferenz, wie beispielsweise Nachbarkanal
interferenz oder Interzellinterferenz.
Der Zeitdiskretisierung liegt der Chip
takt 1/Tc zugrunde
e = (e 1. . .e NQ+L-1)T Vektor des empfangenen, gestörten Daten
signals; dabei sind e 1. . .e NQ+L-1 die am
Empfänger im Chiptakt 1/Tc erhaltenen De
tektionsergebnisse.The following abbreviations are first introduced:
K Number of active participants
N Number of data symbols in a block or burst
Q spreading factor
L Channel length, ie the number of paths taken into account in the time-discrete channel model, in chips
W Number of chips taken into account for the equalization
Ws Number of symbols considered for the equalization, ie Ws = W / Q
Ts symbol duration
Tc chip period; Q.Tc = Ts applies
d (k) = ( d k | 1... d k | N) T vector which contains the complex-value data symbols d k | 1,... emitted by the k-th participant within a burst. ., d represents k | N. The data symbols are sent in symbol cycle 1 / Ts
c (k) = ( c k | 1... c k | Q) T vector which represents the (subscriber-specific) CDMA code used by the k-th subscriber; where c k | 1,. ., c k | Q the complex chips of the CDMA code under consideration. The chips are sent in chip cycle 1 / Tc
h (k) = ( h k | 1.. h k | L) T vector, which represents the time-discrete channel impulse response valid for the k-th subscriber; hk | 1,. ., hk | L the complex weights (so-called channel coefficients) of the 1st,. ., Wth transmission path, with adjacent transmission paths each having a time delay corresponding to the chip duration Tc to one another
b (k) = ( b k | 1... b k | Q + L-1 ) T vector of the combined channel impulse response, which according to b (k) = c (k) . h (k) results from the CDMA code vector and the channel pulse vector with respect to the kth subscriber. * Denotes the time-discrete convolution of the vectors mentioned
n = ( n 1 ... n NQ + L-1 ) T vector of additive perturbations; the vector n represents both thermal noise and multiple access interference, such as adjacent channel interference or intercell interference. The time discretization is based on the chip clock 1 / Tc
e = ( e 1 ... e NQ + L-1 ) T vector of the received, disturbed data signal; where e 1 . , , e NQ + L-1 the detection results obtained at the receiver in the chip clock 1 / Tc.
Ausgangspunkt der folgenden Darstellung ist die (Mehrteilneh mer-)Systemgleichung in Vektor-Matrix Beschreibung basierend auf dem zeitdiskreten Übertragungsmodell. Diese Beschreibung eines Übertragungssystems ist im Stand der Technik bekannt und z. B. ausführlich in den Buch "Analyse und Entwurf digita ler Mobilfunksysteme" von P. Jung, B. G. Teubner Verlag Stutt gart, 1997, auf den Seiten 188-215 beschrieben. Diese Litera turstelle wird durch Bezugnahme Gegenstand der vorliegenden Schrift.The starting point of the following illustration is the (multi-part system equation based on vector matrix description on the discrete-time transmission model. This description a transmission system is known in the prior art and Z. B. in detail in the book "Analyze und Design digita ler mobile radio systems "by P. Jung, B. G. Teubner Verlag Stutt gart, 1997, on pages 188-215. This litera by reference is the subject of the present Font.
Um die mathematische Darstellung übersichtlicher zu halten,
wird im folgenden ein Empfänger mit lediglich einer Empfangs
antenne betrachtet und ferner angenommen, daß keine sender
seitige Verwürfelung ("scrambling") des Signals erfolgt. Die
Erfindung ist nicht auf diese Annahmen beschränkt. Die Sy
stemgleichung lautet:
In order to keep the mathematical representation clearer, a receiver with only one receiving antenna is considered below and it is further assumed that there is no scrambling of the signal on the transmitter side. The invention is not limited to these assumptions. The system equation is:
e = Ad + n (1)
e = Ad + n (1)
wobei die folgende Schreibweise verwendet wird:
using the following notation:
A = (A µ, ν) mit µ = 1, . ., NQ + L - 1 (Anzahl der Zeilen)
n = 1, . ., KN (Anzahl der Spalten) A = ( A µ, ν ) with µ = 1,. ., NQ + L - 1 (number of lines)
n = 1. ., KN (number of columns)
Die Elemente der Systemmatrix A sind definiert durch die Kom
ponenten des Vektors b (k) der kombinierten Kanalimpulsantwort
gemäß der folgenden Beziehung:
The elements of the system matrix A are defined by the components of the vector b (k) of the combined channel impulse response according to the following relationship:
Somit ist der Vektor e der Ausgang eines durch die Systemma trix A beschriebenen Übertragungssystems, das mit dem (auf alle aktiven Teilnehmer zurückgehenden) Eingabevektor d ge speist wird und ferner einen durch den Vektor n beschriebe nen additiven Rauschbeitrag aufweist.Thus, the vector e is the output of a transmission system described by the system matrix A , which is fed with the input vector d (going back to all active subscribers) and also has an additive noise contribution described by the vector n .
Das von der Systemmatrix A beschriebene System umfaßt den Kanal und gegebenenfalls auch die Struktur des Empfängers (z. B. Anzahl der Antennen (hier nicht berücksichtigt), Über abtastung). Der Kanal im obigen Sprachgebrauch beinhaltet den physikalischen Kanal sowie die senderseitige Signalbearbei tung (verwendete Blockstruktur, Spreizcodes und Verwürfelung scodes, wobei letztere, wie bereits erwähnt, hier der Ein fachheit halber nicht berücksichtigt werden).The system described by the system matrix A includes the channel and possibly also the structure of the receiver (e.g. number of antennas (not taken into account here), oversampling). The channel in the above usage includes the physical channel and the transmitter signal processing (used block structure, spreading codes and scrambling scodes, the latter, as already mentioned, not taken into account here for the sake of simplicity).
Die Systemmatrix A ist im Empfänger näherungsweise bekannt: Denn der physikalische Kanal wird gemäß üblichem Vorgehen durch einen Kanalschätzer geschätzt und durch seine (geschätzten) Kanalkoeffizienten (Vektoren h (k)) beschrieben, Spreiz- und ggf. eingesetzte Verwürfelungscodes werden als bekannt vorausgesetzt.The system matrix A is approximately known in the receiver: Because the physical channel is estimated by a channel estimator according to the usual procedure and described by its (estimated) channel coefficients (vectors h (k) ), spreading and, if applicable, scrambling codes used are assumed to be known.
Der (System-)Eingabevektor d ist im Empfänger unbekannt. Das Ziel der Datendetektion besteht darin, für einen oder mehrere Teilnehmer im Empfänger einen oder mehrere geschätzte Vektoren (k) = ( k|1. . . k|n)T zu ermitteln, welcher bzw. welche mög lichst gut mit dem oder den entsprechenden gesendeten Vektor bzw. Vektoren d (k) = (d k|1. . .d k|n)T übereinstimmt bzw. übereinstim men.The (system) input vector d is unknown in the receiver. The aim of the data detection is to determine one or more estimated vectors (k) = (k | 1... K | n) T for one or more participants in the receiver, which one or which matches the corresponding one as best as possible transmitted vector or vectors d (k) = ( d k | 1 ... d k | n) T matches or matches.
ML (Maximum Likelihood) und MAP (Maximum a-posteriori) Krite rien können aufgrund ihres zu hohen Rechenaufwands zur Lösung des JD-Problems (d. h. zur Lösung der Systemgleichung (1)) nicht verwendet werden.ML (maximum likelihood) and MAP (maximum a posteriori) criteria due to their excessive computational effort, solutions can be found the JD problem (i.e. to solve the system equation (1)) Not used.
Zur Lösung des JD-Problems wird das Übertragungssystem ein
schließlich des Empfängers durch das lineare Gleichungssystem
To solve the JD problem, the transmission system, including the receiver, becomes the linear system of equations
= Me (3)
= Me (3)
beschrieben.described.
Analog zu dem Eingabevektor d wird dabei der alle aktiven
Teilnehmer betreffende (System-)Schätzvektor durch die
Folge der geschätzten Datensymbole gebildet:
Analogous to the input vector d , the (system) estimate vector relating to all active participants is formed by the sequence of the estimated data symbols:
M ist eine (KN × NQ + L - 1)-Matrix und bestimmt die Art des Da tendetektors. M wird im folgenden als Schätzmatrix bezeich net. M is a (KN × NQ + L - 1) matrix and determines the type of data detector. M is referred to below as the estimation matrix.
Fig. 1 veranschaulicht die als solche bekannte Struktur eines JD-Empfängers. Der JD-Empfänger umfaßt einen Kanalschätzer CE und einen JD-Entzerrer JD-EQ. Wie bereits erwähnt, empfängt der JD-Empfänger den zeitdiskretisierten Vektor e des Emp fangssignals und führt diesen sowohl dem Kanalschätzer CE als auch dem JD-Entzerrer JD-EQ zu. Geschätzt werden in dem JD- Empfänger gemäß dem Stand der Technik die Vektoren (k) für sämtliche aktiven Teilnehmer k = 1, . ., K. Um diese geschätzten Vektoren zu bestimmen, nutzt der JD-Entzerrer JD-EQ Informationen hinsichtlich des Kanals, nämlich die Anzahl N der Da tensymbole pro Datenblock oder Burst, die von den aktiven Teilnehmern verwendeten Spreizcodes c (k), k = 1, . ., K, sowie die von dem Kanalschätzer CE auf der Basis des Empfangs signals ermittelten Kanalimpulsantworten h(k). Ferner kann statistische Information in Form der Kovarianzmatrix R n in die Datendetektion eingehen. Die Kovarianzmatrix R n ist de finiert durch den Ausdruck R n = E{nn H}. Fig. 1 illustrates the structure of a JD receiver known as such. The JD receiver comprises a channel estimator CE and a JD equalizer JD-EQ. As already mentioned, the JD receiver receives the time-discretized vector e of the received signal and feeds it to both the channel estimator CE and the JD equalizer JD-EQ. The vectors (k) are estimated in the JD receiver according to the prior art for all active participants k = 1,. ., K. In order to determine these estimated vectors, the JD equalizer JD-EQ uses information regarding the channel, namely the number N of data symbols per data block or burst, the spreading codes c (k) , k = used by the active participants 1, . ., K, and the channel impulse responses h ( k) determined by the channel estimator CE on the basis of the received signal. Statistical information in the form of the covariance matrix R n can also be included in the data detection. The covariance matrix R n is defined by the expression R n = E { nn H }.
Ein bekanntes Konzept zur Lösung des JD-Problems ist ZF (Zero
Forcing). Bei ZF wird die folgende Schätzmatrix verwendet:
A well-known concept for solving the JD problem is ZF (Zero Forcing). The following estimation matrix is used at ZF:
Im einfachsten Fall, ohne Berücksichtigung jedweder Störung, ist R n = Id. Id bezeichnet die Identitätsmatrix.In the simplest case, without taking any disturbance into account, R n = Id. Id denotes the identity matrix.
Durch Einsetzen der Schätzmatrix M gemäß Gleichung (4) in
Gleichung (3) ergibt sich das Gleichungssystem:
By inserting the estimation matrix M according to equation (4) into equation (3), the system of equations results:
Im folgenden wird zunächst der übliche Weg zur Lösung dieses Gleichungssystems wiedergegeben. Eine detaillierte Darstel lung dieses Lösungswegs ist in dem eingangs genannten Buch von P. Jung auf den Seiten 315-318 beschrieben. Zur Veran schaulichung der Vorgehensweise dient die Darstellung in Fig. 2.The usual way to solve this system of equations is given below. A detailed presentation of this approach is described in the book by P. Jung mentioned on pages 315-318. The illustration in FIG. 2 serves to illustrate the procedure.
Die Lösung des Gleichungssystems (5) basiert auf der soge
nannten Cholesky-Zerlegung der (KN × KN)-Matrix A H R -1|nA auf
der linken Seite des Gleichungssystems (5):
The solution of the system of equations (5) is based on the so-called Cholesky decomposition of the (KN × KN) matrix A H R -1 | n A on the left side of the system of equations (5):
Dabei ist die Matrix H eine (KN × KN)-Matrix der Gestalt
The matrix H is a (KN × KN) matrix of the shape
und die Matrix Σ ist eine reelle (KN × KN)-Diagonalmatrix
der Gestalt
and the matrix Σ is a real (KN × KN) diagonal matrix of the shape
Die Zerlegung ergibt die Matrix H H, welche eine untere Drei ecksmatrix (d. h. eine Matrix, in der sämtliche Elemente in der rechten oberen Diagonalhälfte der Matrix gleich Null sind) ist, und die Matrix Σ2 H, die eine obere Dreiecksmatrix (d. h. eine Matrix, in der sämtliche Elemente in der linken unteren Diagonalhälfte der Matrix gleich Null sind) ist.The decomposition yields the matrix H H , which is a lower triangular matrix (i.e. a matrix in which all elements in the upper right diagonal half of the matrix are zero), and the matrix Σ 2 H , which is an upper triangular matrix (ie a matrix , in which all elements in the lower left diagonal half of the matrix are zero).
Beide zuletzt genannten Matrizen sind KN × KN-Matrizen. Bekannte Größen in Fig. 2 sind dunkel unterlegt, unbekannte Größen sind gestreift dargestellt. Es wird zunächst der Re chenablauf im Falle der bekannten block- oder burstweisen Da tendetektion nach dem Stand der Technik erläutert.Both of the last mentioned matrices are KN × KN matrices. Known sizes in Fig. 2 are shaded, unknown sizes are shown in stripes. It is first of all the computing process in the case of the known block or burst-wise data detection according to the prior art.
Der Vektor e' ergibt sich aus dem Matrix-Vektor-Produkt von (A H R -1|n) und e. Der unbekannte Vektor z, der aus dem Matrix- Vektor-Produkt von (Σ2 H) und folgt, kann durch das rekursi ve Auflösen eines trivialen Gleichungssystems G1, beginnend mit der ersten Komponente von z bestimmt werden. Dieses re kursive Auflösen des Gleichungssystems G1 wird in Fig. 2 durch einen von oben nach unten gerichteten Pfeil verdeut licht.The vector e 'results from the matrix vector product of ( A H R -1 | n) and e . The unknown vector z , which follows from the matrix-vector product of (Σ 2 H ) and, can be determined by recursively solving a trivial system of equations G1, starting with the first component of z . This recursive solving of the system of equations G1 is illustrated in FIG. 2 by an arrow pointing from top to bottom.
Mit Hilfe des nun bekannten Vektors z werden die Komponenten des Vektors aus einem zweiten trivialen Gleichungssystem G2, beginnend mit der letzten Komponente von rekursiv be stimmt. Der Ablauf der rekursiven Auflösung des zweiten tri vialen Gleichungssystems G2 wird durch einen von unten nach oben gerichteten Pfeil verdeutlicht. Nach Auflösung des Glei chungssystems G2 ist der (System-)Schätzvektor berechnet.With the aid of the now known vector z , the components of the vector are determined from a second trivial system of equations G2, starting with the last component of recursively. The course of the recursive resolution of the second tri vial system of equations G2 is illustrated by an arrow pointing from bottom to top. After the equation system G2 has been dissolved, the (system) estimate vector is calculated.
Im folgenden wird anhand Fig. 3 die Vorgehensweise bei der erfindungsgemäßen symbolweisen Entzerrung beschrieben. Diese erfolgt in zwei Schritten.The procedure for the symbol-by-symbol equalization according to the invention is described below with reference to FIG. 3. This is done in two steps.
In einem ersten Schritt wird eine reduzierte Systemmatrix gebildet. Die reduzierte Systemmatrix ist eine (W × K(L + W - 1))-Matrix, wobei W eine für die Entzerrung verwendete Anzahl von Chips ist und als "Entzerrerlänge" bezeichnet wird, und Q ≦ W < NQ gilt. D. h., in dieser Matrix wird lediglich eine Auswahl oder Teilmenge der in einem Datenblock bzw. Burst enthaltenen Datensymbole berücksichtigt. Die reduzierte Sy stemmatrix ist dem Empfänger durch Schätzung der Kanal koeffizienten (Vektoren h (k)) analog zu der Systemmatrix A nä herungsweise bekannt. (L + W - 1) stellt die Einflußlänge eines gesendeten Chips auf die Chipfolge des empfangenen Datensi gnals dar.In a first step, a reduced system matrix is formed. The reduced system matrix is a (W × K (L + W - 1)) matrix, where W is a number of chips used for the equalization and is called the "equalizer length", and Q ≦ W <NQ. In other words, only a selection or subset of the data symbols contained in a data block or burst are taken into account in this matrix. The reduced system matrix is approximately known to the receiver by estimating the channel coefficients (vectors h (k) ) analogously to the system matrix A. (L + W - 1) represents the length of influence of a sent chip on the chip sequence of the received data signal.
Die Definition der reduzierten Systemmatrix lautet:
The definition of the reduced system matrix is:
Wie bereits erwähnt wird mit Ws = W/Q die Entzerrerlänge W in Einheiten von Datensymbolen bezeichnet. Es wird darauf hinge wiesen, daß die Blockgröße N in die Definition der reduzierte Systemmatrix nicht eingeht.As already mentioned, the equalizer length W in becomes Ws = W / Q Units of data symbols. It will depend on it indicated that the block size reduced N in the definition of the System matrix not received.
Die der Gleichung (1) entsprechende Systemgleichung lautet
The system equation corresponding to equation (1) is
= + (10)
= + (10)
wobei und jeweils W × 1 (Spalten-)Vektoren mit einer der Entzerrerlänge entsprechenden Zeilenanzahl sind.where and each W × 1 (column) vectors with one of the Equalizer length are corresponding number of lines.
Im folgenden wird zur Vereinfachung der Darstellung ein rauschfreier Kanal, d. h. = (0. .0)T, angenommen. Die Erfin dung ist nicht auf diesen Spezialfall beschränkt.In the following, a noise-free channel, ie = (0. .0) T , is assumed to simplify the illustration. The invention is not limited to this special case.
In dem ersten Schritt werden unter Verwendung der reduzierten
Systemmatrix und der Cholesky-Zerlegung die Koeffizienten
eines Entzerrers, hier dargestellt in Form eines Entzerrer
vektors m, berechnet. Der Berechnung der Entzerrerkoeffizien
ten liegt die ZF-Bedingung
In the first step, the coefficients of an equalizer, shown here in the form of an equalizer vector m , are calculated using the reduced system matrix and the Cholesky decomposition. The ZF condition is used to calculate the equalizer coefficients
m = j (11)
m = j (11)
zugrunde. Dabei ist m ein 1 × W (Zeilen-)Vektor, welcher die Entzerrerkoeffizienten enthält und als Entzerrervektor be zeichnet wird, und j ist ein 1 × K(L + W - 1) (Zeilen-)Vektor, der die ZF-Bedingung bezüglich eines bestimmten (k-ten) Teilneh mers vorgibt.based. Here, m is a 1 × W (line) vector, which contains the equalizer coefficients and is referred to as the equalizer vector, and j is a 1 × K (L + W - 1) (line) vector, which relates to the IF condition of a certain (k-th) participant.
Der ZF-Vektor läßt sich folgendermaßen darstellen:
The ZF vector can be represented as follows:
j = (0. . .0 1 0. . .0) (12)
j = (0 ... 0 1 0 ... 0) (12)
wobei die 1 an der j-ten Position des Vektors steht. Die j-te Position ist einerseits direkt einem zu detektierenden Daten symbol zugeordnet und wählt andererseits, wie im folgenden noch näher erläutert, einen bestimmten Nutzer (im folgenden als k-ten Nutzer bezeichnet) aus der Mehrzahl der Nutzer aus.where 1 is at the j-th position of the vector. The jth Position is on the one hand directly a data to be detected symbol assigned and chooses on the other hand, as in the following explained in more detail, a specific user (hereinafter referred to as the kth user) from the majority of users.
Zur Lösung des Gleichungssystems (11) wird dieses umgeformt
in:
To solve the system of equations (11) it is transformed into:
Der (Zeilen-)Vektor a H|j ist von der Dimension 1 × W und wird durch den Ausdruck j H definiert.The (line) vector a H | j has the dimension 1 × W and is defined by the expression j H.
Die Lösung des Gleichungssystems (13) erfolgt durch Cholesky-
Zerlegung der (W × W)-Matrix H. Entweder wird die Choles
ky-Zerlegung direkt anhand der Gleichung (13), d. h. mit einem
Zeilenvektor-Entzerrer m, durchgeführt oder es wird, wie in
Fig. 3 veranschaulicht, hierfür die umgeformte Beziehung
The system of equations (13) is solved by Cholesky decomposition of the (W × W) matrix H. Either the Choles ky decomposition is carried out directly using equation (13), ie using a line vector equalizer m , or, as illustrated in FIG. 3, the transformed relationship is used for this
herangezogen. Dabei wird (analog zu der Vorgehensweise bei der burstweisen Detektion) zunächst durch Lösung eines ersten trivialen Gleichungssystems G1' ein Vektor berechnet und dann durch Lösung eines zweiten trivialen Gleichungssystems G2' der Vektor m der Entzerrerkoeffizienten berechnet. Die bei der Zerlegung erhaltenen Matrizen H H (untere Dreiecksma trix) und Σ2 H (obere Dreiecksmatrix) sind analog zu den Gleichungen (7) und (8) definiert, wobei anstelle der quadra tischen Dimension KN hier jedoch die quadratische Dimension W auftritt.used. Here (analogous to the procedure for burst-wise detection), a vector is first calculated by solving a first trivial system of equations G1 'and then the vector m of the equalizer coefficients is calculated by solving a second trivial system of equations G2'. The matrices H H (lower triangular matrix) and Σ 2 H (upper triangular matrix) obtained during the decomposition are defined analogously to equations (7) and (8), but instead of the quadratic dimension KN here the quadratic dimension W occurs.
Bei der Lösung des Gleichungssystems (14) erzwingt die ZF- Bedingung j, daß der Entzerrervektor für den k-ten Teilneh mer berechnet wird. Dabei ist j so zu wählen, daß a j zur kombinierten Kanalimpulsantwort b k|1 des ausgewählten Nutzers k korrespondiert. Die Korrespondenz zwischen k und dem Index j der Zero-Forcing-Bedingung wird durch die in Fig. 4 gezeig te Darstellung verdeutlicht.When solving the system of equations (14), the IF condition j forces the equalizer vector to be calculated for the kth subscriber. Here, j is to be selected such that a j corresponds to the combined channel impulse response b k | 1 of the selected user k. The correspondence between k and the index j of the zero forcing condition is illustrated by the representation shown in FIG. 4.
Das Gleichungssystem (11) kann für jeden der K Teilnehmer mit der entsprechenden ZF-Bedingung, gegeben durch einen der ZF- Vektoren j gemäß Gleichung (12), gelöst werden. Der für den k-ten Teilnehmer berechnete Entzerrervektor wird im folgenden mit m (k) bezeichnet.The system of equations (11) can be solved for each of the K participants with the corresponding IF condition, given by one of the IF vectors j according to equation (12). The equalizer vector calculated for the k-th subscriber is referred to below as m (k) .
In einem zweiten Schritt wird der empfangene Datenstrom mit
Hilfe des zuvor berechneten Entzerrervektors m (k) für den k-
ten Teilnehmer Symbol für Symbol detektiert. Der zweite
Schritt ist im unteren Teil der Fig. 3 veranschaulicht. Die
Detektion erfolgt durch Kreuzkorrelation der Chips des emp
fangenen Datensignals mit den für den k-ten Nutzer berechne
ten Entzerrerkoeffizienten nach der Gleichung
In a second step, the received data stream is detected symbol by symbol for the k subscriber with the aid of the previously calculated equalizer vector m (k) . The second step is illustrated in the lower part of FIG. 3. The detection is carried out by cross-correlating the chips of the received data signal with the equalizer coefficients calculated for the k-th user according to the equation
Dabei ist e ein Q(Ws + N - 1) × 1 Spaltenvektor der empfangenen
Chipfolge, '(k) bezeichnet den erfindungsgemäß berechneten
Schätzvektor für d (k) und die Matrix M (k) ist eine N × Q(Ws + N - 1)
Matrix, welche sich in folgender Weise aus dem Entzerrervek
tor m (k) aufbaut:
E is a Q (Ws + N - 1) × 1 column vector of the received chip sequence, ' (k) denotes the estimate vector for d (k) calculated according to the invention and the matrix M (k) is an N × Q (Ws + N - 1) Matrix, which is built up from the equalizer vector m (k) in the following way:
Das heißt, in jeder Zeile der Matrix M (k) sind die Elemente des Entzerrervektors m (k) eingetragen und bezüglich benach barter Zeilen jeweils um Q Stellen versetzt zueinander ange ordnet. Die restlichen Elemente der Matrix sind Nullen.That is, the elements of the equalizer vector m (k) are entered in each row of the matrix M (k) and are offset from one another by Q positions with respect to adjacent rows. The remaining elements of the matrix are zeros.
Aus der Gleichung (15) folgt, daß für die Berechnung eines Datensymbols W komplexe Multiplikationen benötigt werden.From equation (15) it follows that for the calculation of a Data symbols W complex multiplications are required.
Anhand der folgenden Tabelle läßt sich der bei der blockwei sen Detektion (Stand der Technik, erste Spalte der Tabelle) erforderliche Rechenaufwand mit dem bei der erfindungsgemäßen symbolweisen Detektion auftretenden Rechenaufwand für einen Teilnehmer (1. Erfindungsbeispiel, zweite Spalte der Tabelle) bzw. sämtliche Teilnehmer (2. Erfindungsbeispiel, dritte Spalte der Tabelle) vergleichen.With the help of the following table the blockwei detection (state of the art, first column of the table) required computational effort with the inventive Computational effort for a Participants (1st example of invention, second column of the table) or all participants (2nd invention example, third Compare column of the table).
Dem Vergleich liegen die Beispielswerte K = 9, N = 69, Q = 16 und Ws = 3 zugrunde. Angegeben sind in der Tabelle die Anzahlen der komplexen Multiplikationen, welche bei den jeweils in den Zeilen der Tabelle aufgeführten Rechenoperationen erforder lich sind. Bei der blockweisen Datendetektion gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Cholesky-Zerlegung in diesem Beispiel an einer 621 × 621-Matrix. Demgegenüber erfolgt die Cholesky- Zerlegung bei der symbolweisen Detektion an einer 48 × 48- Matrix.The comparison values are the example values K = 9, N = 69, Q = 16 and Ws = 3 based. The table shows the number of complex multiplications, which in each case in the Rows of the table require arithmetic operations are. With block-wise data detection according to the status the technique is the Cholesky decomposition in this example on a 621 × 621 matrix. In contrast, the Cholesky Disassembly in the symbolic detection on a 48 × 48 Matrix.
Bei der Lösung des ersten und des zweiten Gleichungssystems G1', G2' (erster Schritt) sind bei der erfindungsgemäßen Vor gehensweise (Beispiele 1 und 2) wesentlich weniger komplexe Multiplikationen als im Stand der Technik auszuführen, wobei die Anzahl der erforderlichen komplexen Multiplikationen durch den Spreizfaktor Q und die Entzerrerlänge Ws bestimmt ist. Je kleiner Ws, desto geringer der Rechenaufwand.When solving the first and the second system of equations G1 ', G2' (first step) are in front of the invention way (Examples 1 and 2) much less complex Multiplications than in the prior art, where the number of complex multiplications required determined by the spreading factor Q and the equalizer length Ws is. The smaller Ws, the less computing effort.
Bei der Entzerrung mittels der zuvor berechneten Koeffizien ten des Entzerrers werden zur Berechnung eines Datensymbols im zweiten Schritt lediglich W = QWs = 48 komplexe Multiplikatio nen benötigt, was zur Folge hat, daß zur Berechnung der 69 Datensymbole eines Datenblocks lediglich 3312 komplexe Multi plikationen anfallen.With equalization using the previously calculated coefficients th of the equalizer are used to calculate a data symbol in the second step only W = QWs = 48 complex multiplication NEN is required, which means that the calculation of the 69th Data symbols of a data block only 3312 complex multi complications arise.
Die Schritte 1 und 2 können je nach Bedarf nur für einen oder für mehrere sendende Teilnehmer durchgeführt werden. Im zwei ten Fall können diese Schritte Teilnehmer für Teilnehmer se quentiell ausgeführt werden, d. h. in der Abfolge Schritt 1 (Teilnehmer 1), Schritt 2 (Teilnehmer 1), Schritt 1 (Teil nehmer 2), Schritt 2 (Teilnehmer 2), . . ., Schritt 1 (Teil nehmer K), Schritt 2 (Teilnehmer K).Steps 1 and 2 can only be used for one or for several sending participants. In two In these cases, these steps can be carried out participant by participant be carried out sequentially, d. H. in the sequence step 1 (Participant 1), Step 2 (Participant 1), Step 1 (Part Participant 2), step 2 (participant 2),. , ., Step 1 (part participant K), step 2 (participant K).
Aufgrund des vergleichsweise geringen Rechenaufwands ist das erfindungsgemäße Verfahren speziell auch für die Entzerrung von Signalen im TDD-unpaired band des UMTS-Standards für Mo bilfunk einsetzbar.This is due to the comparatively low computing effort Method according to the invention especially for equalization of signals in the TDD-unpaired band of the UMTS standard for Mo bilfunk can be used.
Die in Fig. 1 dargestellte, üblicherweise durch einen DSP (DSP: digitaler Signalprozessor) realisierte JD-Empfänger struktur kann auch für die erfindungsgemäße Entzerrung einge setzt werden. Anstelle der Systemmatrix A wird dann die re duzierte Systemmatrix verwendet, und es wird anstelle der blockweisen Entzerrung eine symbolweise Entzerrung gemäß der vorstehenden Beschreibung durchgeführt. Dabei wird im zweiten Schritt (d. h. bei der symbolweisen Entzerrung basierend auf dem zuvor berechneten Entzerrerkoeffizienten) in der Regel keine zusätzliche DSP-Kapazität benötigt, da ein geeignetes Multiplikationsfeld in dem DSP in aller Regel bereits vorhan den ist.The JD receiver structure shown in FIG. 1, usually implemented by a DSP (DSP: digital signal processor), can also be used for the equalization according to the invention. Instead of the system matrix A , the reduced system matrix is then used, and instead of the block-wise equalization, symbol-wise equalization is carried out as described above. In the second step (ie in the case of symbolic equalization based on the previously calculated equalizer coefficient), no additional DSP capacity is generally required, since a suitable multiplication field is usually already present in the DSP.
Claims (8)
- - Durchführen einer Kanalschätzung zur Berechnung von Kanal koeffizienten (h (k)) bezüglich mehrerer Teilnehmer,
- - Berechnen eines Satzes von Entzerrerkoeffizienten (m (k)) bezüglich eines bestimmten Teilnehmers (k) unter Zugrunde legung einer reduzierten Systemmatrix (), in welcher le diglich eine Teilmenge der in einem Datenblock des übertra genen Signals enthaltenen Datensymbole berücksichtigt ist,
- - symbolweises Entzerren des übertragenen spreizkodierten Signals unter Verwendung des berechneten Entzerrerkoeffizi entensatzes (m (k)).
- Performing a channel estimation to calculate channel coefficients ( h (k) ) with respect to several participants,
- Calculating a set of equalizer coefficients ( m (k) ) with respect to a specific subscriber (k) on the basis of a reduced system matrix (), in which only a subset of the data symbols contained in a data block of the transmitted signal is taken into account,
- - symbol-wise equalization of the transmitted spread-coded signal using the calculated equalizer coefficient set ( m (k) ).
- - daß der Satz von Entzerrerkoeffizienten (m (k)) QWs Koeffi zienten enthält, wobei Q der senderseitig verwendete Spreizfaktor und Ws eine ganze Zahl zwischen 1 und 10, ins besondere 1 und 5, ist.
- - That the set of equalizer coefficients ( m (k) ) contains QWs coefficients, where Q is the spreading factor used on the transmitter side and Ws is an integer between 1 and 10, in particular 1 and 5.
mit einem Kanalschätzer (CE), welcher auf der Basis des über den Kanal übertragenen spreizkodierten Signals eine Kanalschätzung zur Berechnung von Kanalkoeffizienten (h(k)) bezüglich mehrerer Teilnehmer (k) durchführt,
mit einem JD-Entzerrer (JD-EQ) zur Berechnung eines Satzes von Entzerrerkoeffizienten (m (k)) bezüglich eines bestimm ten Teilnehmers (k) unter Zugrundelegung einer reduzierten Systemmatrix (), in welcher lediglich eine Teilmenge der in einem Datenblock des übertragenen Signals enthaltenen Datensymbole berücksichtigt ist, und zur symbolweisen Ent zerrung des übertragenen spreizkodierten Signals unter Ver wendung des berechneten Entzerrerkoeffizientensatzes (m (k)).8. JD receiver for equalizing a spread-coded signal transmitted over a channel,
with a channel estimator (CE), which carries out a channel estimation for the calculation of channel coefficients ( h ( k) ) with respect to several participants (k) on the basis of the spread-coded signal transmitted over the channel,
with a JD equalizer (JD-EQ) for calculating a set of equalizer coefficients ( m (k) ) with respect to a specific subscriber (k) on the basis of a reduced system matrix () in which only a subset of those in a data block of the transmitted signal contained data symbols is taken into account, and for symbol-wise equalization of the transmitted spread-coded signal using the calculated equalizer coefficient set ( m (k) ).
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- 2001-02-12 DE DE2001106391 patent/DE10106391A1/en not_active Withdrawn
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2002
- 2002-01-29 WO PCT/DE2002/000309 patent/WO2002065658A1/en not_active Application Discontinuation
Non-Patent Citations (1)
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JUNG, Peter: Analyse und Entwurf digitaler Mobilfunksysteme, Stuttgart, B.G. Teubner Verlag, 1997, S. 188-215 * |
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