DE102008033553B4

DE102008033553B4 - Decodierung Alamouti-codierter WiMax-Signale

Info

Publication number: DE102008033553B4
Application number: DE200810033553
Authority: DE
Inventors: Dr. Weikert Oomke; Dr. Neumann Stephan
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: DE102008033553A1

Abstract

Verfahren zur Decodierung von Signalen (r1(k, l), r2(k, l)), wobei die Signale (r1(k, l), r2(k, l)) aus Symbolen bestehen, wobei jedes Symbol mit einem unbekannten Koeffizienten (v1, v2) multipliziert ist und, wobei die Signale (r1(k, l), r2(k, l)) mit einem Alamouti-Zeit-Block-Code codiert und mittels mindestens zweier getrennter Antennen (10, 11, 22, 23, 40, 41) ausgesendet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für je zwei empfangene Symbole zumindest zwei Symbolhypothesen bestimmt werden, dass jede Symbolhypothese zwei hypothetischen Sendesymbolen (55, 56) entspricht und dass für jede Symbolhypothese eine Metrik aufgestellt wird, welche die Wahrscheinlichkeit des Zutreffens der Symbolhypothese angibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Decodierung von Alamouti-codierten Signalen.
Alamouti-codierte Signale sind üblicherweise mit einer PN-Sequenz (Pseudo-Noise-Sequenz) multipliziert, um günstigere Signaleigenschaften zu erzielen. Zur Decodierung ist herkömmlicherweise die Kenntnis der jeweiligen Koeffizientendes erzeugenden Polynoms dieser PN-Sequenz notwendig. Die Koeffizienten der PN-Sequenz können bei bekannter Berechnungsvorschrift durch Korrelation empfangener bekannter Symbole, z. B. von Pilotsymbolen, ermittelt werden. Ist jedoch die Berechnungsvorschrift nicht bekannt oder werden die Koeffizienten nicht der Berechnungsvorschrift gemäß bestimmt, so ist eine Decodierung herkömmlicherweise nicht möglich.
Sind Alamouti-codierte Signale nicht mit einer PN-Sequenz multipliziert, so können herkömmliche Fehlerkorrekturverfahren eingesetzt werden. So zeigt die US 2008/0063103 A1 Verfahren und Vorrichtungen zur Korrektur von Alamouti-codierten Empfangssignalen.
Der WLAN Standard (IEEE 802.11n, D3.00, Draft Standard for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements, Part 11, Oktober 2007) und der WiMAX Standard (IEEE 802.16e – 2005, Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16, Februar 2005) zeigen jeweils die Multiplikation der Alamouti-codierten Sendesymbole mit Koeffizienten, welche mittels einer PN-Sequenz bestimmt werden. Werden jedoch Koeffizienten eingesetzt, welche nicht gemäß der PN-Sequenz bestimmt wurden oder ist die PN-Sequenz bzw. der Startwert der PN-Sequenz unbekannt, ist eine Decodierung nicht möglich.
Die Druckschrift WO 2006/049461 A1 beschreibt ein Verfahren zur Decodierung von Alamouti-Zeit-Block codierten Signalen, welche mittels mindestens zweier getrennter Antennen ausgesendet wurden. Des Weiteren geht dort hervor, dass für die empfangenen Symbole eine Symbolhypothese bestimmt wird. Außerdem wird dort eine Metrik (decision statics) für die übertragenen Symbole unter Verwendung der Symbolhypothesen aufgestellt.
Die Druckschrift DE 698 33 780 T2 beschreibt ein Verfahren zur Decodierung von Raum-Block-codierten Signalen, welche mittels mindestens zweier getrennter Antennen ausgesendet wurden. Auch dort wird eine Metrik für hypothetisierte Empfangssymbole erstellt.
Zum Stand der Technik werden noch die US 2005/0265478 A1 und DE 101 15 261 A1 genannt, welche weitere Verfahren zur Decodierung von Zeit-Block-codierten Signalen beschreiben, wobei diese mittels mindestens zweier getrennter Antennen ausgesendet wurden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine Decodierung von Alamouti-codierten Signalen, welche mit unbekannten Koeffizienten multipliziert sind, bei geringem Aufwand ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Eine Vorrichtung zur Decodierung von Signalen beinhaltet eine Empfangseinrichtung, eine Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung und eine Metrik-Bildungseinrichtung. Die Signale bestehen aus Symbolen. Jedes Symbol ist mit einem unbekannten Koeffizienten multipliziert, wobei die Koeffizienten vorzugsweise die Werte +1 und –1 aufweisen können. Die Signale sind mit einem Alamouti-Zeit-Block-Code codiert und mittels zweier getrennter Antennen ausgesendet. Die Empfangseinrichtung empfängt die Signale. Die Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung bildet für je zwei empfangene Symbole zwei Symbolhypothesen, wobei jede Symbolhypothese zwei hypothetischen Sendesymbolen entspricht. Die Metrik-Bildungseinrichtung bildet für jede Symbolhypothese eine Metrik, welche die Wahrscheinlichkeit des Zutreffens der Symbolhypothese angibt. So ist eine Bestimmung der gesendeten Symbole auch bei unbekannten Koeffizienten möglich.
Vorteilhafterweise bildet die Metrik-Bestimmungseinrichtung die Metrik durch Bestimmung des Abstands der hypothetischen Sendesymbole zu nächsten zulässigen Empfangssymbolen. So ist eine aussagekräftige Metrik gewährleistet.
Vorteilhafterweise enthält die Empfangseinrichtung genau eine Antenne und genau einen Empfänger. So ist eine Decodierung mit sehr geringem Aufwand möglich.
Alternativ enthält die Empfangseinrichtung vorteilhafterweise zumindest zwei Antennen und zumindest zwei Empfänger. Die Metrik-Bestimmungseinrichtung bestimmt bevorzugt für Signale jedes Empfängers getrennte Metriken. Die Metrik-Bestimmungseinrichtung addiert vorteilhafterweise die getrennten Metriken, um eine Gesamtmetrik zu erhalten, welche die Wahrscheinlichkeit des Zutreffens der jeweiligen Hypothese angibt. So ist eine Dekodierung mit höherer Genauigkeit möglich.
Bevorzugt beinhaltet die Vorrichtung weiterhin eine Entscheidungseinrichtung, welche ausgehend von den Metriken die empfangenen Symbole bestimmt. So können zuverlässig die tatsächlich gesendeten Symbole ermittelt werden.
Die Vorrichtung beinhaltet bevorzugt weiterhin eine Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung. Die Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung bildet vorteilhafterweise für die je zwei empfangenen Symbole vier Koeffizienten-Hypothesen der beiden Koeffizienten. Ausgehend von zumindest zwei der Koeffizientenhypothesen bestimmt die Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung die zwei Symbolhypothesen. So werden sämtliche mögliche Koeffizientenkombinationen berücksichtigt.
Vorteilhafterweise verwirft die Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung zwei der vier Koeffizientenhypothesen. Die Verarbeitung kann so vereinfacht werden, da nicht unterscheidbare Symbole nicht getrennt behandelt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ein erstes beispielhaftes MIMO Übertragungssystem;
2 ein zweites beispielhaftes MIMO Übertragungssystem;
3 ein beispielhaftes MISO Übertragungssystem;
4 eine erste beispielhafte Alamouti-Codierung;
5 eine zweite beispielhafte Alamouti-Codierung;
6 ein erfindungsgemäßes Konstellationsdiagramm;
7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
8 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zunächst werden anhand der 1–3 die Funktionsweisen von MIMO und MISO Übertragungssystemen erläutert. Anhand der 4 und 5 wird im Anschluss die Funktionsweise der Alamouti-Codierung gezeigt. Anhand der 6–8 wird abschließend der Aufbau und die Funktionsweise von beispielhaften Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Identische Elemente werden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.

In der folgenden Tabelle sind die verwendeten Abkürzungen zusammengefasst.

Abkürzung	Beschreibung
AWGN	Additives weißes Gaußsches Rauschen
DFT	Disktrete Fouriertransformation
DL	Downlink
IDFT	Inverse diskrete Fouriertransformation
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers
MIMO	Multiple-Input Multiple-Output
MISO	Multiple-Input Single-Output
OFDM	Orthogonal Frequency Division Multiple Access
SIMO	Single-Input Multiple-Output
SISO	Single-Input Single-Output
UL	Uplink
WiMAX	Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN	Wireless Local Area Network
ZF	Zero Forcing

In der folgenden Tabelle sind einige wichtige verwendete Formelzeichen und Operatoren zusammengefasst.

Notation	Beschreibung
(.)*	Konjugiert komplex
(.)^–1	Inverse Matrix
(.)^H	Hermitesche Matrix
l	Index des OFDM Symbols
L	Anzahl der übertragenen OFDM Symbole
k	Unterträgerindex des OFDM Übertragungsverfahren, Transformationsindex im Frequenzbereich
u	Transformationsindex im Zeitbereich
N	Transformationslänge der DFT
m	Sendeantennenindex
N_T	Anzahl der Sendeantennen
n	Empfangsantennenindex
N_R	Anzahl der Empfangsantennen
S	Sendesymbol
r	Empfangssymbol
g_nm(λ)	Koeffizient der Impulsantwort des frequenzselektiven MIMO Kanals zwischen Sendeantenne m und Empfangsantenne n
λ	Koeffizientenindex für die Impulsantwort der Kanalubertragunsfunktion
h_nm(k)	Koeffizient der Kanal-Übertragungsfunktion zwischen Sendeantenne m und Empfangsantenne n auf Subtrager k
w_n(u, l)	Rauschprozess im Zeitbereich an der Empfangsantenne n
w_n(k, l)	Rauschprozess im Frequenzbereich an der Empfangsantenne n

Der Technologietrend für Übertragungssysteme mit hoher Datenrate und Endgeräte mit niedriger bis mittlerer Mobilität geht derzeit in Richtung Mehrantennensysteme, die auf dem Vielfachzugriffsverfahren des orthogonalen Frequenzmultiplex basieren. Beispiele für Realisierungen dieser nachrichtentechnischen MIMO OFDM Systeme sind der WLAN Standard (IEEE 802.11n, D3.00, Draft Standard for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements, Part 11, Oktober 2007) und der WiMAX Standard (IEEE 802.16e – 2005, Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16, Februar 2005).
Liegt ein Alamouti-codiertes Signal vor, wurde dieses vor dem Senden jeweils mit Koeffizienten multipliziert. In dem genannten Standard (IEEE 802.16e – 2005, Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16, Februar 2005) wird dies als „Subcarrier Randomization” bezeichnet. Wurden diese Koeffizienten gemäß Standard gewählt, ist zumindest im Downlink im Allgemeinen die Rückgewinnung der Sendesymbole aus den Empfangssymbolen möglich. Sind diese Koeffizienten nicht gemäß Standard gewählt oder am Empfänger unbekannt, versagt die Decodierung mit dem Alamouti-Decoder (S. M. Alamouti, A simple transmit diversity technique for wireless communications, IEEE Journal an Selected Areas in Communications 16 (8): 1451–1458, Oktober 1998).
Im MIMO Fall kann im Empfänger anstatt des Alamouti-Decoders auch ein einfacher Zero-Forcing-Entzerrer verwendet werden. Dieser kann ohne Kenntnis der Koeffizienten v₁ und v₂ die Sendesymbole rekonstruieren. Allerdings werden dafür mindestens so viele Empfangsantennen wie Sendeantennen benötigt. Im Falle nur einer Empfangsantenne (MISO) versagt der ZF-Entzerrer. Des Weiteren kann der ZF-Entzerrer im Gegensatz zum Alamouti-Decoder nicht die Diversität der Alamouti-codierten Signale ausnutzen, um die Qualität der rekonstruierten Symbole zu verbessern.
Das Verfahren zur Decodierung Alamouti-codierter Signale mit Erkennung der Koeffizienten v₁ und v₂ in MIMO OFDM Systemen erlaubt die Decodierung, d. h. die Rückgewinnung der Sendesymbole aus den Empfangssymbolen, ohne Kenntnis der Koeffizienten v₁ und v₂. Hierfür müssen nur die Konstellationsdiagramme der Sendesignale bekannt sein und eine Schätzung der Kanalkoeffizienten h_nm vorzuliegen. Das Verfahren erlaubt eine Messung im allgemeinen Betriebsfall des entsprechenden Endgeräts oder der entsprechenden Basisstation. Es wird somit keine Mindestanzahl an Empfangsantennen benötigt. Es kann somit eine einfache Messung gewährleistet werden, die auch dann funktioniert, wenn ein MISO-Kanal, d. h. nur eine Empfangsantenne, vorliegt.
In 1 wird ein erstes beispielhaftes MIMO-Übertragungssystem in einem Blockschaltbild dargestellt. Pro Sendeantenne m 22, 23 werden die modulierten Datensymbole s_m(k, l) übertragen. Hierbei stellt k den Unterträgerindex der OFDM Übertragung dar. Dieser entspricht dem Transformationsindex im Frequenzbereich der inversen diskreten Fouriertransformation (IDFT) 20, 21. Des Weiteren bezeichnet l das entsprechende OFDM Symbol und beschreibt somit zu welcher der fortlaufend durchgeführten Transformationen das jeweilige modulierte Datensymbol gehört. Die mittels IDFT 20, 21 erzeugten Übertragungswerte im Zeitbereich werden mit x_m(u, l) bezeichnet. Dementsprechend korrespondiert u zum Transformationsindex im Zeitbereich. Nach der sendeantennenspezifischen Erzeugung des Sendesignals erfolgt eine Übertragung über den Mehrantennenkanal (= MIMO Kanal), der über die zeitdiskreten Kanalkoeffizienten g_nm(λ) beschrieben wird. Es wird also damit das Übertragungsverhalten zwischen Sendeantenne m 22, 23 und Empfangsantenne n 24, 25 charakterisiert. Hierbei indiziert λ die Koeffizienten der Impulsantwort zwischen den jeweiligen Antennenpaaren. Es wird somit von einem frequenzselektiven, zeitinvarianten Kanal ausgegangen.
Am Empfänger wird pro Empfangsantenne n 24, 25 eine Überlagerung der einzelnen Sendesignale empfangen. Zudem tritt bedingt durch die analogen Komponenten im Empfänger eine additive Rauschstörung w_n(u, l) auf, welche im Modell durch den Addierer 26, 27 addiert wird. Die resultierenden Empfangswerte, welche pro Empfangsantenne einer diskreten Fouriertransformation (DFT) 28, 29 zugeführt werden, sind als y_n(u, l) benannt. Nach der DFT 28, 29 erhält man entsprechende Empfangswerte r_n(k, l) im Spektralbereich.
Für das Beispiel ergeben sich im Zeitbereich die folgenden Übertragungsgleichungen:
In 2 wird ein zweites beispielhaftes MIMO Übertragungssystem in einem Blockschaltbild dargestellt. Nach der Modellbildung im Zeitbereich in 1 folgt hier die Überführung der Übertragungsgleichungen in den Frequenzbereich. Gemäß den Korrespondenzen der diskreten Fouriertransformation ergibt sich für das gewählte Beispiel: r₁(k, l) = h₁₁(k)s₁(k, l) + h₁₂(k)s₂(k, l) + w₁(k, l) r₂(k, l) = h₂₁(k)s₁(k, l) + h₂₂(k)s₂(k, l) + w₂(k, l) (3.2)
Wie in OFDM-Übertragungssystemen mit einer Sende- und einer Empfangsantenne ergeben sich somit frequenzflache Teilkanäle pro Unterträger. Im Mehrantennenfall bedeutet dies, dass der Teilkanal für den Unterträger k zwischen Sendeantenne m 10, 11 und Empfangsantenne n 12, 13 über den Kanalkoeffizienten h_nm(k) beschrieben wird. In diesem Zusammenhang geht konsequenterweise h_nm(k) aus der DFT von g_nm(λ) aus 1 hervor. Der Zeitindex der Transformation ist in diesem Fall λ. Auch hier wird im Modell ein additives weißes Rauschen w_n(u, l) durch die Addierer 14, 15 überlagert.
3 zeigt ein beispielhaftes MISO Übertragungssystem. Auch hier erfolgt die Darstellung, wie in 2, im Frequenzbereich. Gemäß den Korrespondenzen der diskreten Fouriertransformation ergibt sich für das gewählte Beispiel r₁(k, l) = h₁₁(k)s₁(k, l) + h₁₂(k)s₂(k, l) + w₁(k, l) (3.2a)
Im Fall mehrerer Sendeantennen 40, 41 bedeutet dies, dass der Teilkanal für den Unterträger k zwischen Sendeantenne m 40, 41 und Empfangsantenne n 42 über den Kanalkoeffizienten h_nm(k) beschrieben wird. In diesem Zusammenhang geht konsequenterweise h_nm(k) aus der DFT von g_nm(λ) aus 1 hervor. Der Zeitindex der Transformation ist in diesem Fall λ. Auch hier wird im Modell ein additives weißes Rauschen w₁(u, l) durch den Addierer 43 überlagert.
In 4 wird eine erste beispielhafte Alamouti-Codierung dargestellt. Es wird ein Subträger k zu den Zeitpunkten l und l + 1 betrachtet. Dabei werden die Sendesignale der beiden Sendeantennen im Downlink gezeigt. Die Koeffizienten v₁ und v₂ können die Werte 1 oder –1 annehmen. Zum Zeitpunkt l wird das Symbol s₁ an der Sendeantenne 1 und das Symbol s₂ an der Sendeantenne 2 vor dem Senden jeweils mit dem Koeffizienten v₁ multipliziert. Zum Zeitpunkt l + 1 wird das Symbol –s * / 2 an der Sendeantenne 1 und das Symbol s * / 1 der Sendeantenne 2 vor dem Senden jeweils mit dem Koeffizienten v₂ multipliziert. Die Symbole an den Empfangsantennen n ergeben sich zu r_n(l) = h_n1v₁s₁ + h_n2v₁s₂ r_n(l + 1) = h_n1v₂(–s * / 2) + h_n2v₂s * / 1 (3.3) mit h_n1 = h_n1(k) und h_n2 = h_n2(k).
Da v₂ reell ist, folgt v * / 2 = v₂ (3.4) r_n(l) = h_n1v₁s₁ + h_n2v₁s₂ r * / n(l +1) = –h * / n1v₂s₂ + h * / n2v₂s * / 1 (3.5)
In Matrixschreibweise ergibt sich Gleichung (3.5) zu
In 5 wird eine zweite beispielhafte Alamouti-Codierung dargestellt. Es werden die Subträger k und k + 1 zu dem Zeitpunkt l betrachtet. Dabei werden die Sendesignale der beiden Sendeantennen im Uplink gezeigt. Die Koeffizienten v₁ und v₂ können die Werte 1 oder –1 annehmen. Auf dem Subträger k wird das Symbol s₁ an der Sendeantenne 1 und das Symbol –s * / 2 an der Sendeantenne 2 vor dem Senden jeweils mit dem Koeffizienten v₁ multipliziert. Auf dem Subträger k + 1 wird das Symbol s₂ an der Sendeantenne 1 und das Symbol s * / 1 der Sendeantenne 2 vor dem Senden jeweils mit dem Koeffizienten v₂ multipliziert. Die Symbole an den Empfangsantennen n ergeben sich zu: r_n(k) = h_n1(k)v₁s₁ + h_n2(k)v₁(–s * / 2) r_n(k + 1) = h_n1(k + 1)v₂s₂ + h_n2(k + 1)v₂s * / 1 (3.7)
Da v₂ reell ist, folgt v * / 2 = v₂ (3.8) und es gilt r_n(k) = h_n1(k)v₁s₁ – h_n2(k)v₁s * / 2 r * / n(k + 1) = h * / n1(k + 1)v₂s * / 2 + h * / n2(k + 1)v₂s * / 1 (3.9)
In Matrixschreibweise ergibt sich Gleichung (3.9) zu

In den folgenden Tabellen sind die bekannten Verfahren zur Demodulation Alamouti-codierter Signale für den Downlink und den Uplink nach dem Stand der Technik zusammengefasst. „Auswahl der Koeffizienten v₁ und v₂ nicht gemäß Standard” bedeutet, dass die Koeffizienten die Werte 1 oder –1 annehmen aber nicht gemäß Standard ausgewählt werden. D. h. sie werden nicht nach der PN-Sequenz bestimmt, sondern nehmen beliebige Werte an.

Downlink	Koeffizienten v₁ und v₂ gemäß Standard		Auswahl der Koeffizienten v₁ und v₂ nicht gemäß Standard
Verwendeter Decoder	ZF-Entzerrer	Herkömml. Alamouti-Decoder	ZF-Entzerrer	Der herkömmliche Alamouti-Decoder versagt. Kein spezielles Verfahren bekannt.
MIMO	Ja	Ja	Ja
MISO	Nein	Ja	Nein
Nutzung der Diversität	Nein	Ja	Nein

Uplink	Koeffiziente v₁ und v₂ gemäß Standard		Auswahl der Koeffizienten v₁ und v₂ nicht gemäß Standard
Verwendeter Decoder	ZF-Entzerrer	Herkömml. Alamouti-Decoder und Seed-Erkennung bei unbekanntem Seed	ZF-Entzerrer	Der herkömmliche Alamouti-Decoder versagt. Kein spezielles Verfahren bekannt.
MIMO	Ja	Ja	Ja
MISO	Nein	Ja	Nein
Nutzung der Diversität	Nein	Ja	Nein

Zur Decodierung, d. h. zur Rückgewinnung der Sendesymbole aus den Empfangssymbolen, mit dem herkömmlichen Alamouti-Decoder (S. M. Alamouti, A simple transmit diversity technique for wireless communications, IEEE Journal an Selected Areas in Communications 16 (8): 1451–1458, Oktober 1998) müssen nach dem Stand der Technik sowohl der Kanal, d. h. die Kanalkoeffizienten h_nm, als auch die Koeffizienten v₁ und v₂ bekannt sein.
Werden die Koeffizienten v₁ und v₂ gemäß Standard ausgewählt, muss des Weiteren der Seed des Zufallszahlengenerators bekannt sein, der die Koeffizienten v₁ und v₂ erzeugt. Im Downlink ist der Seed im Allgemeinen bekannt. Im Uplink hängt der Seed dagegen unter anderem von einer unbekannten Frame-Nummer ab und ist im Allgemeinen unbekannt. In diesem Fall kann eine aufwendige Seed-Erkennung erfolgen. Abhängig von den bekannten Faktoren zur Berechnung des Seeds, ist die Anzahl möglicher Kombinationen (Folgen) begrenzt. Durch Korrelation über alle möglichen Folgen, kann der Seed bestimmt werden.
Im MIMO Fall kann im Empfänger anstatt des Alamouti-Decoders auch ein einfacher ZF-Entzerrer verwendet werden. Dieser benötigt zwar die Kenntnis über den Kanal, d. h. die Kanalkoeffizienten h_nm, kann aber ohne Kenntnis der Koeffizienten v₁ und v₂ die Sendesymbole rekonstruieren. Allerdings werden dafür mindestens so viele Empfangsantennen wie Sendeantennen benötigt. Im Falle nur einer Empfangsantenne (MISO) versagt der ZF-Entzerrer.
Für das gezeigte MIMO OFDM System mit den Alamouti-codierten Signalen im Downlink und Uplink wird im Folgenden ein Verfahren vorgestellt, dass zur Decodierung, d. h. zur Rückgewinnung der Sendesymbole aus den Empfangssymbolen, die Kenntnis des Kanals, d. h. der Kanalkoeffizienten, benötigt. Die Voraussetzungen für das Verfahren sowie die Anwendungsgebiete des Verfahrens werden nun aufgezeigt. Darauf folgend wird der neue Algorithmus zur Decodierung der Alamouti-codierten Signale dargestellt.
Als Vorraussetzung zur Anwendung des Verfahrens müssen die Konstellationsdiagramme der Sendesignale, wie beispielsweise anhand der 6 dargestellt, bekannt sein. Des Weiteren hat eine Schätzung der Kanalkoeffizienten h_nm vorzuliegen.
Wie bereits erwähnt, könnte im MIMO Fall im Empfänger anstatt des Alamouti-Decoders auch ein einfacher ZF-ntzerrer verwendet werden. Dieser kann ohne Kenntnis der Koeffizienten v₁ und v₂ die Sendesymbole rekonstruieren. Allerdings werden dafür mindestens so viele Empfangsantennen wie Sendeantennen benötigt. Im Falle nur einer Empfangsantenne (MISO) versagt der ZF-Entzerrer. Im MISO Fall kann nun das neue Verfahren zur Decodierung der Alamouti-codierten Signale mit Erkennung der Koeffizienten v₁ und v₂ durchgeführt werden. Des Weiteren kann der ZF-Entzerrer im Gegensatz zum Alamouti-Decoder nicht die Diversität der Alamouti-codierten Signale ausnutzen, um die Qualität der rekonstruierten Symbole zu verbessern.
Im Uplink ist die Anwendung des neuen Verfahrens zur Alamouti-Decodierung mit Erkennung der Koeffizienten v₁ und v₂ auch im Falle der Auswahl der Koeffizienten v₁ und v₂ gemäß Standard sinnvoll. Werden die Koeffizienten v₁ und v₂ gemäß Standard ausgewählt, muss, wie bereits erwähnt, des Weiteren der Seed des Zufallszahlengenerators bekannt sein, der die Koeffizienten v₁ und v₂ erzeugt. Im Downlink ist der Seed im Allgemeinen bekannt. Im Uplink hängt der Seed dagegen unter anderem von einer unbekannten Frame-Nummer ab und ist im Allgemeinen unbekannt. Anstatt der Anwendung des herkömmlichen Alamouti-Decoders (S. M. Alamouti, A simple transmit diversity technique for wireless communications, IEEE Journal an Selected Areas in Communications 16 (8): 1451–1458, Oktober 1998) mit aufwendiger Seed-Erkennung kann das neue Verfahren zur Alamouti-Decodierung mit Erkennung der Koeffizienten v₁ und v₂ zum Einsatz kommen.

In den folgenden Tabellen sind für den Downlink und den Uplink jeweils die sinnvollen Anwendungsgebiete der bekannten und des neuen Verfahrens zur Demodulation Alamouti-codierter Signale zusammengefasst. „Auswahl der Koeffizienten v₁ und v₂ nicht gemäß Standard” bedeutet, dass die Koeffizienten die Werte 1 oder –1 annehmen aber nicht gemäß Standard ausgewählt werden.

Downlink	Koeffizienten v₁ und v₂ gemäß Standard		Auswahl der Koeffizienten v₁ und v₂ nicht gemäß Standard
Verwendeter Decoder	ZF-Entzerrer	Herkömmlicher Alamouti-Decoder	ZF-Entzerrer	Neues Verfahren zur Alamouti-Decodierung
MIMO	Ja	Ja	Ja	Ja
MISO	Nein	Ja	Nein	Ja
Modulationserkennung	Ja	Ja	Ja	Nein
Nutzung der Diversität	Nein	Ja	Nein	Ja

Uplink	Koeffizienten v₁ und v₂ gemäß Standard		Auswahl der Koeffizienten v₁ und v₂ nicht gemäß Standard
Verwendeter Decoder	ZF-Entzerrer	Neues Verfahren zur Alamouti-Decodierung	ZF-Entzerrer	Neues Verfahren zur Alamouti-Decodierung
MIMO	Ja	Ja	Ja	Ja
MISO	Nein	Ja	Nein	Ja
Modulationserkennung	Ja	Nein	Ja	Nein
Nutzung der Diversität	Nein	Ja	Nein	Ja

Im Empfänger werden Hypothesen für die Koeffizienten v₁ und v₂ aufgestellt. Eine Hypothese für v₁ wird mit v ^₁ und eine Hypothese für v₂ mit v ^₂ gekennzeichnet. Für jedes Hypothesenpaar v ^₁v ^₂, im Folgenden als Koeffizientenhypothese bezeichnet, wird eine Decodierung, d. h. eine Rückgewinnung der Sendesymbole aus den Empfangssymbolen, durchgeführt. Die für die Koeffizientenhypothesen bestimmten Paare von Sendesymbolen werden als Symbolhypothesen bezeichnet.
Zur Decodierung wird der Empfangsvektor r →_n aus Gleichung (3.6) bzw. (3.10) nach Gleichung (4.1) mit dem Hypothesenpaar v ^₁v ^₂ multipliziert. Es ergibt sich der modifizierte Empfangsvektor
Der geschätzte, aber noch nicht entschiedene Sendevektor, der sich aus der Decodierung des Empfangsvektor
der Empfangsantenne n ergibt, wird mit
bezeichnet. Die Vorschrift zur Decodierung lautet
Ist v ^₁ = v₁ und v ^₂ = v₂ ergibt sich für den geschätzten Sendevektor ohne Rauschen der ursprüngliche Sendevektor:
Im allgemeinen Fall ergibt sich für den geschätzten Sendevektor
Für jede Empfangsantenne n liegt jeweils eine Schätzung beider Sendesymbole, die Symbolhypothesen, vor. Mit ŝ_1n wird das an der Empfangsantenne n geschätzte Sendesymbol s₁ bezeichnet. Mit ŝ_2n wird das an der Empfangsantenne n geschätzte Sendesymbol s₂ bezeichnet. In der folgenden Tabelle sind für den Downlink die geschätzten Sendesymbole in Abhängigkeit des Hypothesenpaars v ^₁v ^₂, mit dem Normierungsfaktor
, zusammengefasst.
In der folgenden Tabelle sind für den Uplink die geschätzten Sendesymbole in Abhängigkeit des Hypothesenpaars v ^₁v ^₂, mit dem Normierungsfaktor
zusammengefasst.
Für die Fälle v ^₁·v₁ = v ^₂·v₂ = +1 und v ^₁·v₁ = v ^₂·v₂ = –1 liegen die geschätzten Sendesymbole, d. h. die Symbolhypothesen, auf Punkten im Konstellationsdiagramm. In den beiden anderen Fallen ist dies nicht der Fall. Dieser Umstand wird für die Erkennung der Koeffizienten v₁ und v₂ verwendet.
Zwischen den Fallen v ^₁·v₁ = v ^₂·v₂ = +1 und v ^₁·v₁ = v ^₂·v₂ = –1 kann jedoch grundsätzlich nicht unterschieden werden, da die Phasenlage der Sendesymbole im Empfänger unbekannt ist. Die Erkennung der Koeffizienten v₁ und v₂ kann damit bis auf einen unbekannten Faktor, der den Wert +1 oder –1 annehmen kann und mit dem beide Elemente des Hypothesenpaar v ^₁v ^₂ multipliziert sind, durchgeführt werden.
In der Modulationsanalyse ist diese Einschränkung nicht von Bedeutung, da die Berechnung der Analyse-Parameter wie Error Vector Magnitude (EVM) und IQ-Offset nicht die Kenntnis der absoluten Phasenlage der geschätzten Sendesymbole voraussetzt.
Da zwischen den Fällen v ^₁·v₁ = v ^₂·v₂ = +1 und v ^₁·v₁ = v ^₂·v₂ = –1 nicht unterschieden werden kann, ist eine Berechnung der Decodierung der Alamouti-codierten Signale nur für die beiden Hypothesen

1. v ^₁ = +1 und v ^₂ = +1
2. v ^₁ = +1 und v ^₂ = –1

So werden ausgehend von den beiden Koeffizientenhypothesen zwei Symbolhypothesen gebildet. Jede solche Symbolhypothese besteht dabei aus zwei Sendesymbolen. Es wird eine gemeinsame Metrik für diese beiden Sendesymbole jeder der beiden Symbolhypothesen berechnet.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Konstellationsdiagramm. Hier wird beispielhaft eine 4-PSK-Modulation mit den 4 zulässigen Punkten 50, 51, 52, 53 dargestellt. Der Einsatz verschiedenster Modulationsverfahren ist jedoch möglich. So könnten beispielsweise alternativ BPSK, 4-QAM, 8-PSK, 16-QAM, 16-PSK, 32-QAM, 64 QAM, 128 QAM oder 256 QAM als Modulationsverfahren eingesetzt werden. Auch der Einsatz weiterer Verfahren ist denkbar.
Für jedes geschätzte Sendesymbol wird der euklidische Abstand zu dem nächst gelegenem gültigen Punkt 50, 51, 52, 53 im Konstellationsdiagramm, der mit
bzw.
bezeichnet wird, berechnet. Die Metrik ist die in Gleichung (4.7) angegebene Summe dieser Abstände über alle geschätzten Sendesymbole und über alle Empfangsantennen. Die Hypothese, welche die Metrik mit minimalem Betrag aufweist, ist die richtige Hypothese.
So sind in dem hier dargestellten Beispiel die geschätzten Sendesymbole 55 und 56 dargestellt, welche einer Symbolhypothese entsprechen. Die Distanzen 54, 57 sind die Abstände zu den nächstgelegenen gültigen Punkten 50, 51 im Konstellationsdiagramm.
Für Spezialfälle wird die Metrik erweitert. Die Spezialfälle werden an dieser Stelle für N_R = 2 Empfangsantennen dargestellt. Die Spezialfälle und die Erweiterung der Metrik lassen sich auf einfache Weise auf eine beliebige Anzahl an Empfangsantennen erweitern.
Die beiden Spezialfälle sind für N_R = 2 Empfangsantennen:

1. h₁₁ ≠ 0, h₂₂ ≠ 0, h₁₂ ≈ 0 und h₂₁ ≈ 0
2. h₁₂ ≠ 0, h₂₁ ≠ 0, h₁₁ ≈ 0 und h₂₂ ≈ 0

Die Spezialfälle treten auf, wenn die Sendeantennen direkt z. B. über einen Wellenleiter mit den Empfangsantennen verbunden sind, wie dies beispielsweise bei einem Messaufbau der Fall sein kann. Auch ein Verzicht auf Antennen ist denkbar. So werden die Signalausgänge bzw. Signaleingänge dann direkt verbunden. Der Spezialfall 1 geht von einer direkten Verbindung von Sendeantenne 1 mit Empfangsantenne 1 und Sendeantenne 2 mit Empfangsantenne 2 aus. Der Spezialfall 2 geht von einer Überkreuzverbindung der Antennen aus. D. h. die Sendeantenne 1 ist mit der Empfangsantenne 2 und die Sendeantenne 2 ist mit der Empfangsantenne 1 verbunden.
Im Spezialfall 1 ergeben sich näherungsweise die in der folgenden Tabelle angegebenen geschätzten Sendesymbole in Abhängigkeit des Hypothesenpaars v ^₁v ^₂ für den Downlink und Uplink.
Im Spezialfall 2 ergeben sich näherungsweise die in der folgenden Tabelle angegebenen geschätzten Sendesymbole in Abhängigkeit des Hypothesenpaars v ^₁v ^₂ für den Downlink und Uplink.
Anhand der Tabellen ist ersichtlich, dass bei den Spezialfällen alle geschätzten Sendesymbole auf Punkten im Konstellationsdiagramm liegen. Die Metrik nach Gleichung (4.7) reicht somit nicht aus, um die tatsächlichen Sendesymbole zu bestimmen.
Anhand der Tabellen ist des Weiteren ersichtlich, dass bei einer richtigen Hypothese die geschätzten Sendesymbole an beiden Empfangsantennen übereinstimmen. Im Falle einer falschen Hypothese sind die geschätzten Sendesymbole an der anderen Empfangsantenne um 180° in der Phase verschoben. Dieser Umstand wird für die Erkennung der Koeffizienten v₁ und v₂ verwendet.
Die erweiterte Metrik ist in Gleichung (4.8) angegeben. Die Hypothese, die die Metrik mit minimalem Betrag aufweist, ist die richtige Hypothese.
In 7 wird ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Schritt 60 werden die Alamouti-codierten Signale empfangen. Anschließend werden in einem zweiten Schritt 61 mittelbar die Koeffizientenhypothesen gebildet. Dabei werden jeweils für zwei empfangene Symbole vier Koeffizientenhypothesen der beiden Koeffizienten v₁ und v₂ gebildet. Zwei der vier Koeffizientenhypothesen werden jedoch auf Grund ihrer mangelnden Unterscheidbarkeit wieder verworfen. In einem dritten Schritt 62 werden ausgehend von den zwei verbleibenden Koeffizientenhypothesen zwei Symbolhypothesen bestimmt. Eine Symbolhypothese ist dabei ein Satz von zwei potentiellen Sendesymbolen. In einem vierten Schritt 63 wird für die beiden verbleibenden Symbolhypothesen eine Metrik bestimmt, welche dem Abstand der hypothetischen Symbole von den nächstliegenden gültigen Punkten im Konstellationsdiagramm des eingesetzten Modulationsverfahrens entspricht. Die Metriken der beiden Sendesymbole einer Symbolhypothese werden addiert. In einem abschließenden fünften Schritt 64 wird die Symbolhypothese mit geringster Metrik als gültige Hypothese ausgewählt. Die beiden Sendesymbole dieser Symbolhypothese sind somit die ausgewählten Sendesymbole.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine Empfangseinrichtung 80 besteht aus zwei Antennen 70, 71 und einem Empfänger 72. Der Empfänger 72 ist mit den Antennen 70 und 71 verbunden. Alternativ ist ein Aufbau mit nur einer Antenne möglich. Weiterhin ist der Empfänger 72 mit einer Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung 73 verbunden. Die Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung 73 ist mit einer Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung 74 verbunden. Die Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung 74 ist mit einer Metrik-Bildungseinrichtung 75 verbunden. Die Metrik-Bildungseinrichtung 75 ist mit einer Entscheidungs-Einrichtung 76 verbunden.
Die Antennen 70, 71 empfangen das Alamouti-codierte Signal und leiten es an den Empfänger 72 weiter. Dieser digitalisiert die Signale und bestimmt Kanalschätzwerte. Der Empfänger 72 kann intern aus zwei getrennten Empfängern bestehen. Die Kanalschätzwerte und die digitalisierten Empfangssignale werden an die Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung 73 weitergeleitet. Diese bestimmt vier Koeffizientenhypothesen. Jede Koeffizientenhypothese besteht dabei aus einem Wert für jeden der beiden Koeffizienten v₁ und v₂. Zwei der vier Koeffizientenhypothesen werden auf Grund ihrer mangelnden Unterscheidbarkeit wieder verworfen.
Die Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung 73 leitet die zwei verbleibenden Koeffizientenhypothesen weiter an die Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung 74. Diese bestimmt ausgehend von den zwei Koeffizientenhypothesen zwei Symbolhypothesen. Die zwei Symbolhypothesen werden an die Metrik-Bildungseinrichtung 75 weitergeleitet. Die Metrik-Bildungseinrichtung 75 bildet ausgehend von den Symbolhypothesen jeweils eine Metrik. Die Metrik entspricht dem summierten Abstand der jeweils zwei hypothetischen Symbole einer Symbolhypothese von dem jeweils nächstgelegenen gültigen Punkt im Konstellationsdiagramm des eingesetzten Modulationsverfahrens. Je geringer die Metrik, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei der Symbolhypothese um die zutreffende Hypothese handelt.
Die Metriken der Symbolhypothesen werden anschließend von der Metrik-Bestimmungseinrichtung 75 an die Entscheidungs-Einrichtung 76 weitergeleitet, welche die wahrscheinlichsten Sendesymbole bestimmt. Hier findet bei Empfang über mehrere Antennen auch eine Kombination der Metriken statt. So werden die Metriken der übereinstimmenden Symbole der über die unterschiedlichen Antennen empfangenen Signale addiert. Die Entscheidung für das wahrscheinlichste Sendesymbol wird erst im Anschluss daran getroffen.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Wie bereits erwähnt, können unterschiedliche Modulationsverfahren, unterschiedliche Antennenkonfigurationen wie auch alternative Metriken eingesetzt werden. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.

Claims

Verfahren zur Decodierung von Signalen (r₁(k, l), r₂(k, l)), wobei die Signale (r₁(k, l), r₂(k, l)) aus Symbolen bestehen, wobei jedes Symbol mit einem unbekannten Koeffizienten (v₁, v₂) multipliziert ist und, wobei die Signale (r₁(k, l), r₂(k, l)) mit einem Alamouti-Zeit-Block-Code codiert und mittels mindestens zweier getrennter Antennen (10, 11, 22, 23, 40, 41) ausgesendet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für je zwei empfangene Symbole zumindest zwei Symbolhypothesen bestimmt werden, dass jede Symbolhypothese zwei hypothetischen Sendesymbolen (55, 56) entspricht und dass für jede Symbolhypothese eine Metrik aufgestellt wird, welche die Wahrscheinlichkeit des Zutreffens der Symbolhypothese angibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metrik durch Bestimmung des Abstands der hypothetischen Sendesymbole (55, 56) zu nächsten zulässigen Empfangssymbolen (50, 51, 52, 53) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Empfang der Signale (r₁(k, l)) genau eine Antenne und genau ein Empfänger eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Empfang der Signale (r₁(k, l), r₂(k, l)) zumindest zwei Antennen (70, 71) und zumindest zwei Empfänger (72) eingesetzt werden, dass für Empfangssignale jedes Empfängers (72) getrennte Metriken gebildet werden und dass die getrennten Metriken addiert werden, um eine Gesamtmetrik zu erhalten, welche die Wahrscheinlichkeit des Zutreffens der jeweiligen Symbolhypothese angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von den Metriken die empfangenen Symbole bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für je zwei empfangene Symbole vier Koeffizientenhypothesen der beiden Koeffizienten (v₁, v₂) gebildet werden, und dass ausgehend von zumindest zwei der Koeffizientenhypothesen die zwei Symbolhypothesen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der vier Koeffizientenhypothesen verworfen werden und dass ausgehend von den zwei verbleibenden zwei Koeffizientenhypothesen die zwei Symbolhypothesen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten (v₁, v₂) unabhängig voneinander sind und komplementäre Werte, insbesondere die Werte +1 und –1 aufweisen.
Vorrichtung zur Decodierung von Signalen (r₁(k, l), r₂(k, l)), mit einer Empfangseinrichtung (80), wobei die Signale (r₁(k, l), r₂(k, l)) aus Symbolen bestehen, wobei jedes Symbol mit einem unbekannten Koeffizienten (v₁, v₂) multipliziert ist, wobei die Signale (r₁(k, l), r₂(k, l)) mit einem Alamouti-Zeit-Block-Code codiert und mittels mindestens zweier getrennter Antennen (10, 11, 22, 23, 40, 41) ausgesendet sind, und wobei die Empfangseinrichtung (80) die Signale (r₁(k, l), r₂(k, l)) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin eine Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung (74) und eine Metrik-Bildungseinrichtung (75) beinhaltet, dass die Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung (74) zumindest zwei Symbolhypothesen bestimmt, dass jede Symbolhypothese zwei hypothetischen Sendesymbolen (55, 56) entspricht und dass die Metrik-Bildungseinrichtung (75) für jede Symbolhypothese eine Metrik aufstellt, welche die Wahrscheinlichkeit des Zutreffens der Symbolhypothese angibt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metrik-Bestimmungseinrichtung (75) die Metrik durch Bestimmung des Abstands der hypothetischen Sendesymbole (55, 56) zu nächsten zulässigen Empfangssymbolen (50, 51, 52, 53) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung genau eine Antenne und genau einen Empfänger enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (80) zumindest zwei Antennen (70, 71) und zumindest zwei Empfänger (72) enthält, dass die Metrik-Bestimmungseinrichtung (75) für Signale (r₁(k, l), r₂(k, l)) jedes Empfängers (72) getrennte Metriken bildet und dass die Metrik-Bestimmungseinrichtung (75) die getrennten Metriken addiert, um eine Gesamtmetrik zu erhalten, welche die Wahrscheinlichkeit des Zutreffens der jeweiligen Symbolhypothese angibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin eine Entscheidungseinrichtung (76) beinhaltet und dass die Entscheidungseinrichtung (76) ausgehend von den Metriken die empfangenen Symbole bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin eine Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung (73) beinhaltet, dass die Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung (73) für je zwei empfangene Symbole vier Koeffizienten-Hypothesen der beiden Koeffizienten (v₁, v₂) bildet, und dass die Symbolhypothesen-Bestimmungseinrichtung (74) ausgehend von zumindest zwei der Koeffizientenhypothesen die zwei Symbolhypothesen bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizientenhypothesen-Bestimmungseinrichtung (73) zwei der vier Koeffizientenhypothesen verwirft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten (v₁, v₂) unabhängig voneinander sind und komplementäre Werte, insbesondere die Werte +1 und –1 aufweisen.