DE10250956A1 - Signalverarbeitungsverfahren zur empfangsseitigen Rekonstruktion von Sendedatenströmen in einem MIMO-System - Google Patents

Signalverarbeitungsverfahren zur empfangsseitigen Rekonstruktion von Sendedatenströmen in einem MIMO-System Download PDF

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Abstract

Zur Reduzierung der Bitfehlerrate bei Mobilfunksystemen mit mehreren Sende- und Empfangsantennen (MIMO-System) werden zur empfangsseitigen Signalverarbeitung bekannte, sehr komplexe Verfahren eingesetzt, die bei Kanalkenntnis die Schätzung der Sendedatenmatrix durch eine mit einer Kodierung verbundenen räumlichen Signalverarbeitung unter Veränderung des Rauscheinflusses verbessern sollen. Das Signalverarbeitungsverfahren nach der Erfindung hingegen weist hinter dem kanalschätzenden Verfahren in einem Nachverarbeitungsabschnitt (PPS) auf der Empfangsseite ein quasi-lineares, iteratives Signalprozessierungs-Detektionsverfahren (ISIP) auf, das mit einer geringen Komplexität die räumliche Diversität L des MIMO-Systems vollständig ausnutzt, ohne das Rauschen zu beeinflussen. Dabei liegt es in seiner Performanz mit einem deutlich verbesserten Bitfehlerverhalten in der Nähe des optimalen Maximum-Likelihood-Verfahrens. Die vollständige Ausnutzung der raumlichen Diversität (L¶max¶ = n¶R¶) wird durch eine rechnerische Überführung des MIMO-Systems in eine der Anzahl n¶T¶ von Sendeantennen entsprechende Anzahl von SIMO-Systemen mit jeweils nur einer Sendeantenne (n¶T¶ = 1) erreicht. Für jeden Sendekanal wird damit der Einfluss aller anderen Sendekanäle ausgeschlossen. Nach einer Durchführung der Vereinzelung für alle Sendeantennen wird in mehreren Iterationsdurchläufen die Sendedatenmatrix bis zur Konvergenz erneut geschätzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Signalverarbeitungsverfahren zur empfangsseitigen Rekonstruktion von Sendedatenströmen in einem digitalen Mobilfunksystem mit mehreren Sende- und Empfangsantennen (MIMO-System) mit einem empfangsseitigen Vorverarbeitungsabschnitt zur Schätzung der Kanalmatrix und der Sendedatenströme aus den Empfangsdatenströmen und einem iterativen Nachverarbeitungsabschnitt zur Verringerung der Bitfehlerrate.
  • Sogenannte „MIMO-Systeme" spielen in der schnellen Funkübertragung eine wichtige Rolle, seit gezeigt wurde, dass bei diesen die spektrale Effizienz, das heißt, die Ausnutzung der knappen Ressource „Bandbreite", erheblich verbessert werden kann. Durch frühere Systemansätze, wie beispielsweise das bekannte „BLAST-System", wurde die prinzipielle Struktur von MIMO-Systemen aufgeklärt. Grundsätzlich werden mehrere Sendedatenströme gleichzeitig auf derselben Frequenz, zu demselben Zeitpunkt und gegebenenfalls auch mit demselben Spreizcode übertragen. Das kann durch eine Übertragungsgleichung der Art Y = HX + Nbeschrieben werden, wobei X die Sendedatenmatrix aus den hintereinander gesendeten Signalvektoren x, Y die Empfangsdatenmatrix aus den hintereinander empfangenen Empfangsvektoren y und N die Rauschmatrix mit dem unabhängigen Empfängerrauschen ist. Für die Ausnutzung der verfügbaren Datenkapazität ist die Kenntnis der Übertragungseigenschaften des Funckanals zwingend notwendig. Die Eigenschaften der Basisband-Kanalmatrix H mit den komplexen Übertragungskoeffizienten zwischen jeder Sende- und jeder Empfangsantenne müssen am Empfänger hinreichend bekannt sein. Das kann durch bekannte Schätzverfahren beispielsweise auf der Basis von Trainingssequenzen erreicht werden. Das grundsätzliche Problem bei MIMO-Systemen besteht nun darin, die detektierten Sendedaten auf der Empfangsseite möglichst genau rekonstruieren zu können. Dies kann theoretisch durch das sogenannte „Maximum-Likelihood-Verfahren" (MLE) erfolgen, bei dem alle möglichen Signalvektoren in die Gleichung y – Hx eingesetzt werden und dann derjenige Datensignalvektor als gesendet angenommen wird, der diese Gleichung minimiert. Beim ML-Verfahren wird das Rauschen nicht durch die Signalverarbeitung beeinflusst und bleibt daher in seinem Einfluss auf alle Datenkanäle isotrop. Dieses lineare Verfahren ist zwar bezüglich seines Ergebnisses optimal und sehr effizient, jedoch auch sehr komplex und daher für praktische Realisierungen nicht tauglich. Daher werden in der Praxis suboptimale, einfachere Rekonstruktionsverfahren verwendet, die jedoch mit anderen Nachteilen behaftet sind. Der größte Nachteil besteht hier in der anisotropen Behandlung des Rauschens, wie an dem sehr einfachen „Zero-Forcing-Verfahren" (ZF) gezeigt werden kann. Bei der linearen Signalrekonstruktion, die einer Auflösung des obigen Gleichungssystems nach der Sendedatenmatrix X entspricht, wird die empfangene Empfangsdatenmatrix Y mit einer Pseudoinversen H–1 (beispielsweise Moore-Penrose-Pseudoinverse) der Kanalmatrix H multipliziert und man erhält X = X + H–1N
  • Das dabei entstehende Rauschen wird jedoch auch mit der pseudoinversen Kanalmatrix multipliziert und ist somit nicht mehr isotrop verteilt. Vielmehr ist die resultierende Rauschleistung für die einzelnen Sendedatenströme unterschiedlich und wird sogar verstärkt. An dieser Stelle setzen alle bekannten iterativen Verfahren zu Vermeidung dieses Nachteils an, die prinzipiell versuchen, die Rauschverstärkung niedrig zu halten. Dies wird beispielsweise im bekannten vertikalen „V-BLAST-Verfahren" durch eine schrittweise Detektion der Sendedatenströme mit einer anschließenden Interferenzreduktion durch Subtraktion des zugehörigen Störsignals erreicht. Allerdings hängt die Performanz des linearen V-BLAST-Algorithmus stark vom zuerst detektierten Sendedatenstrom ab, welcher jedoch selbst die schlechteste Performanz unter den Sendedatenströmen vorweist. An dieser Stelle ist also ein zusätzliches Potenzial zur Reduktion der Bitfehlerrate gegeben, das von der vorliegenden Erfindung auch grundlegend genutzt wird. Aus dem Stand der Technik ist hierzu beispielsweise das hochkomplexe iterative Dekodierungsverfahren „MAP" (Maximum a posteriori) bekannt. Dabei werden die Datenströme, die von den jeweiligen Sendeantennen gesendet werden, zunächst mit einem Turbo-Code kodiert. Anschließend wird dann auf der Empfängerseite für jeden detektierten Sendedatenstrom in einem Nachverarbeitungsabschnitt mehrmals nacheinander eine MAP-Dekodierung durchgeführt (vergleiche M. Sellathurai et al.: „Turbo-Blast für High-Speed Wireless Communications" Proc. WCNC, Sept. 2000, pp 315-320). Dieser Nachbearbeitungsabschnitt bildet zusammen mit eine Vorverarbeitungsabschnitt, in dem die empfangenen Daten mit einem bekannten Algorithmus, insbesondere nach dem BLAST-Verfahren detektiert werden, ein gattungsgemäßes Signalverarbeitungsverfahren, von dem die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht. Das T-BLAST-Verfahren (Turbo-BLAST) ist jedoch sehr aufwändig und unübersichtlich, weil Signalkodierung und räumliche Signalverarbeitung miteinander verwoben sind. Das Problem der anisotropen Rauscheinflüsse auf die einzelnen Signaldatenkanäle wird jedoch ausschließlich durch die räumliche Signalverarbeitung hervorgerufen.
  • Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ein Signalverarbeitungsvertahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Bitfehlerrate bei MIMO-Systemen durch Ausnutzung der Isotropiererhaltung der Rauschleistung signifikant reduziert werden kann, wobei die Kanalkenntnis nur empfängerseitig vorhanden ist. Dazu ist im Rahmen eines Nachverarbeitungsabschnittes im Signalverarbeitungsverfahren eine zusätz liche, iterative Signalverarbeitung vorzusehen, die im Anschluss an den im Vorverarbeitungsabschnitt eingesetzten, bekannten Signalverarbeitungsalgorithmus eingesetzt werden kann. Diese zusätzliche iterative Signalverarbeitung soll einfach in seinem Aufbau und trotzdem hochgenau sowie zuverlässig sein. Eine Echtzeit-Implementierung soll möglich sein.
  • Als Lösung für diese Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß ein gattungsgemäßes Signalverarbeitungsvertahren mit einem iterativen Nachverarbeitungsabschnitt (ISIP) zur Verringerung der Bitfehlerrate vorgesehen, das mit einer aktuellen Schätzung der Kanalmatrix H und einer initialen Schätzung der Sendedatenströme in einer geschätzten Sendedatenmatrix X aus dem Vorverarbeitungsabschnitt startet und folgende wesentliche Verfahrensschritte umfasst
    • 1. Entnahme eines zu einem bestimmten Sendedatenstrom I korrespondierenden Kanalvektors hI aus der aktuell geschätzten Kanalmatrix H
    • 2. Berechnung des Maximum-Ratio-Combining-Vektors wI H durch Quotientenbildung aus dem hermitischen Kanalvektor hI H und dessen Betragsquadrat ||hI||2
    • 3. Erstellung einer modifizierten Kopie der Kanalmatrix H mit der Bezeichnung HI mit einem Nullvektor an der Stelle des Kanalvektors hI
    • 4. Subtraktion der mit der initial geschätzten Sendedatenmatrix X multiplizierten, modifiziert kopierten Kanalmatrix HI von der aktuell empfangenen Empfangsdatenmatrix Y zur Ermittlung einer korrigierten Empfangsdatenmatrix YI mit ausschließlicher Berücksichtigung des Kanalvektors hI
    • 5. Multiplikation des Maximum-Ratio-Combining-Vektors wI H mit der korrigierten Empfangsdatenmatrix YI zur Ermittlung eines modifizierten Empfangsvektors rI, der ein Mobilfunksystem mit nur einer Sende-, aber mehreren Empfangsantennen (SIMO-System) beschreibt,
    • 6. Umwandlung des modifizierten Empfangsvektors rI in das vom Übertragungssystem vorgegebene oder vereinbarte Sendesymbolalphabet zur Ermittlung einer verbesserten Schätzung der Sendedatenmatrix X I des Sendedatenstroms I
    • 7. Wiederholung der Schritte 1 bis 6 für alle Sendedatenströme nT, die der Anzahl nT der Sendeantennen entsprechen,
    • 8. Wiederholung der Schritte 1 bis 7 in IN Iterationszyklen, bis die geschätzte Sendedatenmatrix X deutlich konvergiert.
  • Das erfindungsgemäße Signalverarbeitungsverfahren umfasst als empfängerseitigen Nachverarbeitungsabschnitt ein iteratives Detektionsverfahren, das charakteristisch mit „ISIP-Detektionsverfahren" (Iterative Signal Processing) bezeichnet werden kann. Es besitzt eine ähnlich geringe Komplexität wie bekannte lineare Verfahren, beispielsweise ZF, MMSE (minimum meansquared error) oder V-BLAST, zeigt aber eine Performanz bezüglich der Bitfehlerrate, die wesentlich besser ist und im Idealfall ohne Fehlerfortpflanzung annährend die ML-Performanz mit isotropem Rauschverhalten erreicht. Der Vorteil der isotropen Rauschbehandlung wird auch mit dem beanspruchten ISIP-Detektionsverfahren erreicht. Es werden keine zusätzlichen zeitlichen Kodierverfahren verwendet, sondern ausschließlich die räumliche Diversität des MIMO-Systems ausgenutzt. Somit erfüllt das erfindungsgemäße Signalverarbeitungsverfahren mit seinem speziellen iterativen Nachverarbeitungsabschnitt die grundlegende Forderung für die Nachbearbeitung von Empfangssignalen, das dabei entstehende Problem der anisotropen Rauschverarbeitung bereits bei der räumlichen Signalverarbeitung zu lösen. Das im Nachverarbeitungsabschnitt umgesetzte ISIP-Detektionsverfahren bei der Erfindung ermöglicht somit eine einfache und schnelle quasi-lineare Detektion der Empfangsdaten ohne den Nachteil einer ungleichmäßigen Rauschverstärkung.
  • Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsverfahrens mit dem implementierten ISIP-Detektionsverfahren nutzt die räumliche Diversität, die ein MIMO-System bietet, vollständig aus und detektiert in einer iterativen Art die einzelnen Datenströme, die von den einzelnen Sendeantennen gesendet werden. Da für das Verständnis der vorliegenden Erfindung der Begriff der „Diversität" grundlegend ist, erfolgt an dieser Stelle ein kurze Erläuterung. Bei einer grafischen Darstellung des Signalleistungs- zum Rauschleistungsverhältnis (signal to noise ratio SNR) über der Bitfehlerrate verschiedener iterativer Signalverarbeitungsvertahren ergeben sich angenäherte Geraden unterschiedlicher, negativer Steigungen (weitere Ausführungen sind dem speziellen Beschreibungsteil zu der entsprechenden Figur zu entnehmen). Aus dem Verlauf der Geraden ist zu erkennen, dass mit einer Steigerung des SNR die Bitfehlerrate verringert werden kann. Die Steigung der Geraden wird mit „Diversität" bezeichnet. Für ein MIMO-System bedeutet dies, dass mit steigendem Abfall der Geraden dessen Diversität ansteigt. Somit wird eine maximale Diversität als Maß für einen möglichst kleinen Einfluss von Störungen auf die einzelnen Datenkanäle angestrebt, um mit möglichst geringen Leistungssteigerungen eine möglichst große Verringerung der Bitfehlerrate zu erreichen. Die Diversität L eines MIMO-Systems ohne räumliche Kodierung (Space-Time-Codes) mit nT Sendeantennen und nR Empfangsantennen wird berechnet mit L = nR – nT + 1
  • Aus der Gleichung ist zu erkennen, dass sich die volle Diversität Lmax ergibt, wenn die Anzahl der Sendantennen nT für die Signalverarbeitung minimiert wird, das heißt nT = 1 ist. Lmax entspricht dann der Anzahl der Empfangsantennen nR (Lmax = nR). Dies wurde bislang nur beim ML-Verfahren erreicht.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsverfahren mit dem ISIP-Detektionsverfahren im Nachverarbeitungsabschnitt wird ebenfalls die volle Diversität ausgenutzt. Allerdings in einem wesentlich einfacheren und damit schnelleren Verfahren. Dies wird dadurch erreicht, dass mit dem ISIP-Detektionsverfahren aus dem MIMO-System ein SIMO-System als Ersatzsystem für jeden einzelnen Datenkanal abgeleitet wird. Ein SIMO-System (single input multiple output) weist nur eine Sendeantenne auf (nT = 1) und erfüllt damit die Bedingungen für eine maximale Diversität Lmax. Die Empfangsdatenmatrix Y des MIMO-Systems beinhaltet die Überlagerung von nT gewichteten Sendesignalen. Wird von der empfangenen Empfangsdatenmatrix Y nun eine geschätzte Empfangsdatenmatrix abgezogen, die im Idealfall die empfangenen Datenströme aller Sendeantennen bis auf den Datenstrom der ersten Sendeantenne enthält, so ergibt sich eine Matrix YI mit nur dem empfangenen ersten Datenstrom. Man erzeugt zur Subtraktion also eine Empfangsdatenmatrix, die diejenigen Empfangsdaten enthält, wenn der erste Datenstrom nicht gesendet worden wäre. Dabei wird das Rauschen nicht in die Berechnung miteinbezogen, sodass es unverändert und damit isotrop in seinem Einfluss auf die einzelnen Kanäle bleibt. Es ergibt sich also rechnerisch ein SIMO-Ersatzsystem, bei dem nur der Datenstrom der ersten Sendeantenne gesendet wurde. Führt man für dieses SIMO-Ersatzsystem eine Rechnung für alle im MIMO-System vorhandenen Sendeantennen durch, die für ein SIMO-System als „Maximum-Combining-Ratio" (MRC) allgemein bekannt ist, kann schließlich die aus der empfangenen Empfangsdatenmatrix durch entsprechende Signalverarbeitung geschätzte Empfangsdatenmatrix entsprechend korrigiert werden. Das MRC sorgt für eine perfekte Detektion der Sendesignale ohne eine Beeinflussung des Rauschens. Es wird mathematisch durch eine Rückführung der Phase jedes Kanalvektors und dessen Normierung mittels Division durch sein Betragsquadrat umgesetzt. Somit wird der Einfluss jedes Kanalsvektors auf seine Nachbarn rückgängig gemacht und das MIMO-System kann ersatzweise als eine Anzahl nT von einzelnen SIMO-Systemen betrachtet werden. Trotzdem bleibt der Vorteil eines MIMO-Systems, bei dem die Bitfehlerrate mit der Diversität des Systems als Zufallsgröße korrespondiert, erhalten. Das ISIP-Detektionsverfahren im Signalverarbeitungsverfahren nach der Erfindung ermöglicht also eine geringkomplexe Realisierung unter Erhaltung der Vorteile eines MIMO- Systems und Vermeidung der Nachteile bekannter fehlerverbessernder Verfahren für den iterativen Nachbearbeitungsabschnitt. Insbesondere erhält es den isotropen Rauscheinfluss auf alle Datenkanäle. Dabei ist es gemäß einer Weiterführung der Erfindung vorteilhaft, wenn das beanspruchte Signalverarbeitungsverfahren einen Vorverarbeitungsabschnitt aufweist, in den das Zero-Forcing-, MMSE-, das V-BLAST- oder ein dem V-BLAST-ähnliches Verfahren implementiert ist. Damit kann das ISIP-Detektionsverfahren problemlos mit den bekannten Verfahren kombiniert werden. Es nutzt deren Ergebnisse als Startposition. Hiervon ausgehend wird der Iterationszyklus im ISIP-Detektionsverfahren mehrmals durchfahren, bis sich eine zufriedenstellende Konvergenz für die korrigierte Empfangsdatenmatrix ergibt. Nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung kann es sich hierbei um eine Anzahl IN von 2 bis 4 Iterationszyklen im iterativen Nachverarbeitungsabschnitt handeln. Damit ist zu erkennen, dass das ISIP-Detektionsvertahren sehr schnell konvergiert und als Echtzeitverfahren mit hervorragenden Schätzergebnissen ohne Weiteres in bekannten Signalverarbeitungsverfahren zu integrieren ist.
  • Im Folgenden werden zum besseren Verständnis der Erfindung der Ablauf und die Vorteile des in das beanspruchte Signalverarbeitungsverfahren implementierten ISIP-Detektionsverfahrens in Ausführungsbeispielen anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 den Pseudo-Code für das ISIP- Detektionsverfahren,
  • 2 eine Blockdarstellung des Signalverarbeitungsverfahrens nach der Erfindung,
  • 3 ein Bitfehler-Diagramm aus einer numerischen Simulation von V-BLAST mit und ohne ISIP-Detektionsverfahren und
  • 4 ein Bitfehler-Diagramm aus einer numerischen Simulation von ZF mit und ohne ISIP-Detektionsvertahren.
  • Das ISIP-Detektionsverfahren benötigt als Startposition für die Nachbearbeitung der empfangenen Signaldaten die Kenntnis der Kanalmatrix H und eine initiale Schätzung der einzelnen Sendedatenströme in Matrixform X . Diese initiale Schätzung X erhält das ISIP-Detektionsverfahren durch die Signalverarbeitung im Vorverarbeitungsabschnitt auf der Empfangsseite, in der die Daten durch ein bekanntes Verfahren, beispielsweise ZF oder V-BLAST, aus der tatsächlich empfangenen Empfangsdatenmatrix Y geschätzt werden.
  • In der 1 ist der Pseudo-Code des ISIP- Detektionsverfahrens dargestellt. Ausgehend von der Kanalmatrix H und der initialen Sendedatenmatrix X verfährt das ISIP- Detektionsverfahren dann wie folgt:
  • Zunächst wird aus der Kanalmatrix H der zu einem bestimmten Sendedatenstrom I korrespondierende Kanalvektor hI entnommen. Nun wird der Maximum-Ratio-Combining-Vektor wI H berechnet. Dies wird erreicht, indem man die in Schritt 1 gemäß 1 angegebene Rechnung durchführt. Dabei wird der hermitische Kanalvektor konjugiert und transponiert. Im Nenner des Bruches im Schritt 1 wird die Norm hI, die der in hI enthaltenen Leistung entspricht, berechnet. Das Ergebnis wird dem MRC-Vektor wI H dieses Kanalvektors hI zugewiesen (der Pfeil von rechts nach links stellt dabei die Zuweisung in der Schreibweise dieses Pseudo-Codes dar). Anschließend wird in Schritt 2 eine modifizierte Kopie der Kanalmatrix H mit der Bezeichnung HI erstellt, in der anstelle des Vektors hI ein Nullvektor eingesetzt wird. Der Grund hierfür wird im nächsten Schritt offensichtlich. In Schritt 3 werden nun alle anderen Sendedatenströme nT bis auf den aktuellen Sendedatenstrom I von der empfangenen Empfangsdatenmatrix Y mit Hilfe der initialen Datenschätzung X von der empfängerseitigen Signalvorverarbeitung abgezogen.
  • An dieser Stelle ist der besondere Vorteil des ISIP- Detektionsverfahrens als implementiertem Nachbearbeitungsabschnitt des Signalverarbeitungsverfahrens nach der Erfindung zu erkennen. Durch das Abziehen des Einflusses der anderen Sendedatenströme von der empfangenen Empfangsdatenmatrix liegt – zumindest theoretisch – nur noch der Einfluss des aktuellen Sendedatenstromes I in der Empfangsdatenmatrix YI vor. Dabei wird der Einfluss durch die Genauigkeit der initialen Datenschätzung bestimmt. Diese Reduzierung kann als ersatzweises Übertragungssystem mit nur einer Sendeantenne nT = 1 und nR Empfangsantennen betrachtet werden (SIMO-System), wobei die Detektion mit der maximalen Diversität Lmax, die dieses System dann innehat, erfolgt.
  • Mit dem beanspruchten Verfahren wird also im Idealfall das vorgegebene MIMO-System rechnerisch auf eine der Anzahl der Sendeantennen nT entsprechende Anzahl von SIMO-Systemen abgebildet, die dann seriell oder parallel detektiert werden. Dabei weist jedes SIMO-System für sich die volle Diversität von Lmax = nR auf. Es kann dann die aus dem Stand der Technik bekannte optimale Detektion von SIMO-Systemen, das Maximum-Ratio-Combining MRC, durchgeführt werden. Dies erfolgt in Schritt 4, in dem der in Schritt 1 berechnete MRC-Vektor wI H mit der im Schritt 3 erhaltenen korrigierten Empfangsdatenmatrix YI multipliziert wird. Man erhält einen modifizierten Empfangsvektor rI für das SIMO-Ersatzsystem. Im Schritt 5 erfolgt dann zur Quantisierung eine Umwandlung des Ergebnisses in ein vorgegebenes oder vereinbartes Sendesymbolalphabet. Im Ergebnis wird eine verbesserte Datenschätzung des Sendedatenstromes I erhalten. Die Schritte 1 bis 5 werden für alle nT Sendedatenströme durchgeführt. Das ganze ISIP-Detektionsverfahren wird iterativ durchgeführt, wobei die Anzahl IN der Iterationen bis zu einer ausreichenden Konvergenz für die verbesserte Datenschätzung die Sendedatenströme I bei 2 bis 4 Durchgängen liegt.
  • In der 2 ist ein Blockschaltbild eines MIMO-Übertragungssystems MIMO mit einer Implementierung des Signalverarbeitungsverfahrens nach der Erfindung dargestellt. Von einer binären Quelle BS werden die digitalen Signaldaten einer senderseitigen Signalverarbeitung TSP zugeführt. Hier erfolgen Demultiplexing und Signalmodulation. Die aufbereiteten Sendedatenströme werden dann über nT Sendeantennen in einem Mobilfunk-Übertragungskanal MIMO-C auf nR Sendeantennen drahtlos übertragen. Dabei wird ein Rayleighkanal mit ausreichenden Signalreflexionen vorausgesetzt. Auf der Empfangsseite erfolgt dann in einem Vorverarbeitungsabschnitt PSP eine Schätzung der Sendedaten aufgrund der empfangenen Empfangsdaten. Dazu ist die Kenntnis der Kanalinformationen CSI in Form einer Kanalmatrix H erforderlich. Die geschätzten Sendedaten und die Kanalmatrix H werden dann einem Nachverarbeitungsabschnitt PPS zugeführt, der vorliegend als ISIP-Detektionsverfahren als wesentliches Merkmal der Erfindung ausgebildet ist. Hier erfolgt die oben beschriebene Datennachverarbeitung. Das aus der Iteration hervorgehende Ergebnis der verbessert geschätzten Sendedatenmatrix wird dann einem Entscheider DE zugeführt, dessen Entscheidung zu einer Bestätigung oder zu einer Korrektur des ursprünglich erkannten Datenbits führt, das dann einer binären Senke BV zugeleitet wird.
  • Durch Anwendung des ISIP-Detektionsverfahrens wird das MIMO-System rechnerisch für alle Sendeantennen nT jeweils in ein SIMO-System überführt, dessen maximale Diversität bei der Datennachverarbeitung in PPS ausgenutzt wird. In der 2 ist dies angedeutet durch eine Umkreisung der unteren Antenne auf der Sendeseite (nT = 1) und Bezeichnung mit SIMO. Die volle Ausnutzung der Diversität L des MIMO-Systems MIMO ist durch die entsprechende Formel angedeutet. Die allgemeine Diversität L eines MIMO-Systemsist ebenfalls angegeben.
  • In der 3 sind die aus Simulationen gemittelten Bitfehlerkurven BER über dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis SNR (hier Eb/N0 in [dB] Signalleistung zu Rauschleistung) für verschiedene Signalverarbeitungsverfahren auf der Empfängerseite mit unkodierter BPSK-Modulation (biphase shift keying) dargestellt. Gezeigt sind das optimale MLE-Verfahren (Kurve mit Rauten), das als hochkomplexes Zuordnungsverfahren das beste Bitfehlerverhalten zeigt.
  • Die Kurve fällt steil ab, somit ist eine gute räumliche Diversität als Steigung der Kurve gegeben. Geringe Leistungsänderungen bewirken bereits große Änderungen in der BER. Die durchgezogene Line ergibt sich für eine V-BLAST-Simulation. Deutlich ist der flachere Verlauf des Verfahrens und damit seine schlechtere Performanz zu erkennen. Das mit dem nachgeschalteten ISIP-Detektionsverfahren ausgestattete V-BLAST-Verfahren ist durch eine Kurve mit Kreuzen dargestellt. Zu erkennen ist hier das bessere Verhalten mit einer größeren Diversität. Während die Bitfehlerkurve des reinen V-BLAST-Verfahrens nur mit einer Kurve SNR–6/5 angenähert werden kann, erreicht das mit dem ISIP-Detektionsverfahren verbesserte Signalnachbearbeitungsverfahren bereits ein Rauschverhalten von SNR–3/2.
  • In der 4 sind gemittelte Bitfehlerkurven BER aus Simulationen für das ZF-Verfahren (durchgezogene Kurve), für das mit dem ISIP-Detektionsverfahren verbesserte ZF-Verfahren (durchgezogene Kurve mit Kreuzen) und für das V-BLAST-Verfahren (durchgezogene Kurve mit Rauten) dargestellt. Alle Verfahren sind wieder unkodiert BPSK-moduliert. Deutlich sind die schlechte Performanz des ZF-Verfahrens und seine Verbesserung durch das nachgeschaltete ISIP-Detektionsverfahren zu erkennen. Das verbesserte ZF-Verfahren hat dann in etwa das gleiche Bitfehlerverhalten wie das V-BLAST-Verfahren. Im Vergleich der beiden 3 und 4 zeigt sich im Ergebnis, dass das mit dem ISIP-Detektionsverfahren verbesserte V-BLAST-Verfahren der Performanz des ML-Verfahrens am nächsten kommt. Somit wird durch das Signalverarbeitungsverfahren nach der Erfindung mit dem als Nachverarbeitungsabschnitt PPS implementierten ISIP-Detektionsverfahren ein einfaches Verfahren zur Verbesserung der geschätzten Sendedaten auf der Empfangsseite zur Verfügung gestellt, das trotz seiner geringen Komplexität sehr befriedigende Ergebnisse in Echtzeit liefert.
    • BER
    Bitfehlerrate
    BPSK
    Biphase Shift Keying
    BS
    binäre Quelle
    BV
    binäre Senke
    CSI
    Channel State Information
    DE
    Entscheider
    Eb
    Signalleistung
    H
    Kanalmatrix
    HI
    modifizierte Kanalmatrix
    IN
    Anzahl der Iterationen
    hI
    Kanalvektor
    hI H
    hermitischer Kanalvektor
    ISIP
    Iterative Signal-Processing
    I
    bestimmter Sendedatenstrom
    L
    Diversität
    Lmax
    maximale Diversität
    MIMO
    Multiple-Input-Multiple-Output
    MIMO-C
    MIMO-Mobilfunk-Übertragungskanal
    MLE
    Maximum-Likelihood-Estimation
    MMSE
    Minimum-Mean-Square-Error-Estimation
    MRC
    Maximum-Ratio-Combining
    N0
    Rauschleistung
    nR
    Anzahl der Empfangsantennen
    nT
    Anzahl der Sendeantennen
    PPS
    empfangsseitiger Nachbearbeitungsabschnitt
    PSP
    empfangsseitiger Vorverarbeitungsabschnitt
    rI
    modifizierter Empfangsvektor
    SIMO
    Single-Input-Multiple-Output
    SNR
    Signal-to-Noise-Ratio
    T-BLAST
    Turbo-BLAST
    TSP
    senderseitige Signalverarbeitung
    V-BLAST
    Vertical Bell-Laboratories-Layered-Space-Time Architecture
    wI H
    Maximum-Ratio-Combining-Vektor
    X
    geschätzte Sendedatenmatrix
    X I
    verbessert geschätzte Sendedatenmatrix
    Y
    empfangene Empfangsdatenmatrix
    YI
    korrigierte Empfangsdatenmatrix
    ZF
    Zero-Forcing

Claims (3)

  1. Signalverarbeitungsverfahren zur empfangsseitigen Rekonstruktion von Sendedatenströmen in einem digitalen Mobilfunksystem mit mehreren Sende- und Empfangsantennen (MIMO-System) mit einem empfangsseitigen, Vorverarbeitungsabschnitt (PSP) zur Schätzung der Kanalmatrix und Sendedatenströme aus den Empfangsdatenströmen und einem mit einer aktuellen Schätzung der Kanalmatrix H und einer initialen Schätzung der Sendedatenströme in einer geschätzten Sendedatenmatrix X aus dem Vorverarbeitungsabschnitt (PSP) startenden iterativen Nachverarbeitungsabschnitt (PPS, ISIP) zur Verringerung der Bitfehlerrate mit den wesentlichen Verfahrensschritten Entnahme eines zu einem bestimmten Sendedatenstrom I korrespondierenden Kanalvektors hI aus der aktuell geschätzten Kanalmatrix H Berechnung des Maximum-Ratio-Combining-Vektors wI H durch Quotientenbildung aus dem hermitischen Kanalvektor hI H und dessen Betragsquadrat ||hI||2 Erstellung einer modifizierten Kopie der Kanalmatrix H mit der Bezeichnung HI mit einem Nullvektor an der Stelle des Kanalvektors hI Subtraktion der mit der initial geschätzten Sendedatenmatrix X multiplizierten, modifiziert kopierten Kanalmatrix HI von der aktuell empfangenen Empfangsdatenmatrix Y zur Ermittlung einer korrigierten Empfangsdatenmatrix YI mit ausschließlicher Berücksichtigung des Kanalvektors hI Multiplikation des Maximum-Ratio-Combining-Vektors wI H mit der korrigierten Empfangsdatenmatrix YI zur Ermittlung eines modifizierten Empfangsvektors rI, der ein Mobilfunksystem mit nur einer Sende-, aber mehreren Empfangsantennen (SIMO-System) beschreibt, Umwandlung des modifizierten Empfangsvektors in das vom Übertragungssystem vorgegebene oder vereinbarte Sendesymbolalphabet zur Ermittlung einer verbesserten Schätzung der Sendedatenmatrix X I des Sendedatenstroms I Wiederholung der Schritte 1 bis 6 für alle Sendedatenströme nT, die der Anzahl nT der Sendeantennen entsprechen, Wiederholung der Schritte 1 bis 7 in IN Iterationszyklen, bis die geschätzte Sendedatenmatrix X deutlich konvergiert.
  2. Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1 mit einem Vorverarbeitungsabschnitt, in den das Zero-Forcing-, MMSE-, das V-BLAST oder ein dem V-BLAST-Verfahren ähnliches Verfahren implementiert ist.
  3. Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Anzahl IN von 2 bis 4 Iterationszyklen im iterativen Nachverarbeitungsabschnitt.
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