DE10297262T5

DE10297262T5 - Metrik-Korrektur für Mehrbenutzererkennung für DS-CDMA mit langen Codes

Info

Publication number: DE10297262T5
Application number: DE10297262T
Authority: DE
Inventors: Daniel Yellin; Yoni Perets; Kobby Pick; Lev Smolyar
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-10-28
Also published as: KR100669576B1; KR20040058232A; US7450631B2; MY142340A; CN1723624A; US20030081701A1; CN1723624B; JP2005510112A; WO2003043201A1

Abstract

Verfahren zum Normieren einer Ausgabe eines Empfängers, mit folgenden Schritten:
– Bestimmen eines Normierungsfaktors; und
– Anwenden des Normierungsfaktors auf die Ausgabe des Empfängers.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Kanaldecoder und insbesondere die Anwendung einer Metrik-Korrektur auf das logarithmische Wahrscheinlichkeitsverhältnis (LLR log likelihood ratio) übertragener Symbole.
STAND DER TECHNIK
Für Mehrkomponentencodes ist die optimale Decodierung oft eine sehr komplizierte Aufgabe und kann lange Zeitperioden erfordern, die für Online-Decodierung gewöhnlich nicht zur Verfügung stehen. Um dieses Problem zu überwinden, sind iterative Decodierverfahren entwickelt worden. Anstatt sofort zu bestimmen, ob empfangene Bit Null oder Eins sind, weist der Empfänger jedem Bit einen Wert auf einer mehrstufigen Skala zu, der die Wahrscheinlichkeit darstellt, daß das Bit Eins ist.
Ein Kanaldecodierer mit weicher Eingabe erfordert an seinem Eingang das LLR (log likelihood ratio – logarithmisches Wahrscheinlichkeitsverhältnis) der übertragenen Symbole oder irgendeine Annäherung des LLR der übertragenen Symbole. Bei Verwendung von BPSK (biphase phase shift keying – zweiwertige Phasenumtastung) zeigt ein großer positiver Wert des LLR an, daß das übertragene Symbol mit hoher Wahrscheinlich eine „1" ist. Ein großer negativer Wert des LLR zeigt an, daß das übertragene Symbol mit hoher Wahrscheinlichkeit eine „–1" ist. Eine niedrige LLR-Größe bedeutet geringes Vertrauen in den Wert des Symbols. Der Kanaldecoder benutzt dann die Folge von LLR-Werten zur Decodierung der übertragenen Informationen auf eine Weise, mit der die Fehlerwahrscheinlichkeit minimiert wird. Dies ist deshalb möglich, da der LLR-Wert jedes Symbols in direkter Beziehung zu dem Rauschen und der Störung steht, die die Übertragung des entsprechenden Symbols verzerrten.
Auf der mehrstufigen Skala dargestellte Daten werden als „weiche Daten" (soft data) bezeichnet, und iterative Decodierung ist gewöhnlich soft-in/soft-out, d.h. der Decodierungsprozeß empfängt eine Folge von Eingaben entsprechend den Wahrscheinlichkeiten für die Bitwerte und liefert als Ausgabe korrigierte Wahrscheinlichkeiten, die die Begrenzungen des Codes berücksichtigen. Im allgemeinen benutzt ein iterative Decodierung durchführender Decoder weiche Daten aus früheren Iterationen zur Decodierung der vom Empfänger gelesenen weichen Daten.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus des Empfängers entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt den Vorgang der Normierung der Detektorausgabe zum Erhalten des LLR entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein Blockschaltbild der Berechnung der Varianz des Vielfachzugriffsinterferenzgliedes (MAI – multiple access interference) unter Verwendung eines Analyseverfahrens entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Blockschaltbild der Schätzung der Varianz des Vielfachzugriffsinterferenzgliedes (MAI) unter Verwendung eines empirischen Verfahrens entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche Bezugssymbole in den verschiedenen Zeichnungen zeigen gleiche Elemente an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt den LLR-Wert für DS-CDMA (direct sequence code division multiple access) mit langem Code. Im Direktsequenz-Spreizspektrum wird der zu übertragende Informationsstrom in kleine Stücke aufgeteilt, die jeweils über das Spektrum verteilt einem Frequenzkanal zugeteilt werden. Ein Datensignal am Übertragungspunkt wird mit einer Bitsequenz höherer Datenrate (Chip-Code) kombiniert, der die Daten entsprechend einem Spreizverhältnis aufteilt. Der redundante Chip-Code hilft dem Signal, Interferenzen zu widerstehen, und ermöglicht auch die Wiedergewinnung der Ursprungsdaten, wenn Datenbit während der Übertragung beschädigt werden. Die Verwendung von langen Codes bewirkt, daß die Interferenz proportional zu den Kreuzkorrelationen zwischen den Spreizfolgen der verschiedenen Benutzer wird. Diese Spreizfolgen ändern sich von Symbol zu Symbol und ergeben eine Änderung des Pegels von Vielfachzugriffsinterferenz (MAI) von Symbol zu Symbol. Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung kann die Leistung eines herkömmlichen Rake-Empfängers verbessert werden, besonders wenn der Rauschpegel niedrig ist und die dominante Quelle der Signalverschlechterung die MAI ist.
1 ist ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus eines Empfängers 100 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Signal wird an einer Antenne 105 empfangen und dann in einem HF-(Hochfrequenz-)/Basisbandwandler 110 ins Basisband umgewandelt. Das Basisbandsignal wird dann von einem Mehrbenutzer- bzw. Mehrsignaldetektions- (MUD – multiuser detection) bzw. Rake-Empfänger 115 empfangen. Der Begriff Mehrsignaldetektion (MUD – multiuser detection) wird auf Empfänger angewandt, die die Struktur der Vielfachzugriffsinterferenz in CDMA-Systemen berücksichtigen. Ein Rake-Empfänger benutzt mehrere Basisbandkorrelatoren zur einzelnen Verarbeitung von mehreren Signal-Mehrwegekomponenten. Die Ausgaben der Korrelatoren werden kombiniert, um verbesserte Kommunikationszuverlässigkeit und -leistung zu erreichen. Vom MUD oder Rake werden Ausgangssymbole erzeugt, die auf den Basisbandsignalen basieren. Diese Ausgangssymbole werden für den Metrik- Korrekturteil 120 bereitgestellt. Das Ziel der Metrik-Korrektur besteht in der Normierung der Rake- oder MUD-Ausgabe, um die LLR-Metrik zu erhalten, um für den Kanaldecoder 125 die richtige Metrik bereitzustellen. Für CDMA mit langem Code wird diese Normierung wegen der zeitlich veränderlichen Beschaffenheit der Interferenz auf symbolweiser Basis durchgeführt.
Für BPSK-Signalisierung wird das LLR des n-ten Symbols durch die folgende Gleichung 1 gegeben:
Gleichung 1 wobei:
r(n) die Detektorausgabe des n-ten Symbols, g(n) die dem gewünschten Signal zugeordnete zeitlich veränderliche Verstärkung und σ 2 / T(n) die Gesamt-Rauschvarianz ist.
Bei dieser Gleichung wird additives weißes Gaußsches Rauschen angenommen, was bei der DS-CDMA-Umgebung übliche Praxis ist. Es sind jedoch Abänderungen für andere Rausch- und Vielfachzugriffsinterferenzverteilungen möglich und in der Technik wohlbekannt. Weiterhin können Erweiterungen an anderen Symbolkonstellationen und an verschiedenen Modulationen durchgeführt werden.
2 zeigt den Vorgang 200 der Normierung der Detektorausgabe zum Erhalten des LLR entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Der Vorgang 200 beginnt bei einem START-Block 205. Fortschreitend zum Block 210 empfängt der Vorgang 200 das Ausgangssymbol von dem Mehrsignaldetektions- oder Rake-Empfänger. Das Ausgangssymbol besteht aus drei Gliedern: dem gewünschten Signalglied, das g(n) multipliziert mit dem übertragenen Symbol ist; dem Vielfachzugriffsinterferenz-(MAI-)Glied, von dem angenommen wird, daß es ein weißer Gaußscher Prozeß ist, dessen Varianz durch σ 2 / 1(n) bezeichnet wird; und dem Rauschglied, von dem angenommen wird, daß es ein weißer Gaußscher Prozeß ist, dessen Varianz durch σ 2 / N(n) bezeichnet wird.
Fortschreitend zum Block 215 bestimmt das Verfahren 200 den Normierungsfaktor. Der Normierungsfaktor wird durch Berechnen der Verstärkung des gewünschten Gliedes g(n) bestimmt. Dann werden die Varianzen σ 2 / N(n) und σ 2 / 1(n) berechnet. Die Gesamt-Rauschvarianz σ 2 / T(n) wird dann unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt: σ2T (n)≡σ21 (n)+σ2N (n)
Der Normierungsfaktor wird dann durch Einsetzen der Werte von g(n) und σ 2 / T(n) in Gleichung 1 bestimmt.
Fortschreitend zum Block 220 multipliziert das Verfahren 200 den Normierungsfaktor mit dem Ausgangssymbol zur Bestimmung der Metrik-Korrektur 120. Die Metrik-Korrektur 120 wird dann für den Kanaldecoder 125 im Block 225 bereitgestellt. Nach Empfang der Metrik-Korrektur 120 durch den Kanaldecoder 125 endet das Verfahren 200 im ENDE-Block 230.
3 ist ein Blockdiagramm 300 der Berechnung der Varianz des Vielfachzugriffsinterferenzgliedes (MAI) unter Verwendung eines analytischen Verfahrens entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Nach der obigen Darstellung wird der genaue Ausdruck für das LLR unter Berücksichtigung der zeitlich veränderlichen Beschaffenheit der Interferenz und gleichzeitiger Annäherung der Interferenz als gaußförmig berechnet. Die Gaußsche Annäherung ist der MAI gemein und eine Folge des zentralen Grenzwertsatzes bei seiner Anwendung auf die Entspreizungsoperation. Bei Einsatz von Mehrsignaldetektion (MUD) wird die Berechnung der LLR noch komplizierter, da die Detektion selbst der Variation der MAI folgend zeitlich veränderlich ist. Nach der Darstellung im Blockdiagramm 300 empfängt die MAI-Varianzberechnung eine Vielzahl von Eingaben, wie beispielsweise die Kreuzkorrelation zwischen Spreizfolgen, Verstärkung anderer Signale, MUD-Gewichtsvektoren und Kanalanzapfungsschätzungen. Diese Eingaben werden zur Berechnung der MAI-Varianz σ 2 / 1(n) benutzt.
4 ist ein Blockdiagramm 400 der Schätzung der Varianz des Vielfachzugriffsinterferenzgliedes (MAI) unter Verwendung eines empirischen Verfahrens entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Die MAI-Varianzberechnung empfängt eine Vielzahl von Eingaben, wie beispielsweise die Kreuzkorrelation zwischen Spreizfolgen, das Ausgangssymbol, MUD-Gewichtsvektoren und Kanalanzapfungsschätzungen. Diese Eingaben werden zum Schätzen der MAI-Varianz σ 2 / 1(n) benutzt. In einer Rückkopplungsschleife wird ein Schätzungsfehler bereitgestellt, um die Schätzung der MAI-Varianz fortlaufend zu verfeinern.
Durch Bestimmen und Anwenden der Metrik-Korrektur 120 kann die Verstärkung eines MUD-Empfängers erhalten bleiben. Beispielsweise kann bei dem Kanalaufbau des Falls 4 des WCDMA-Standards 25.101 (Wideband Code Division Multiple Access) im Vergleich zum Rake-Empfänger eine Verstärkung von ca. 3 dB mit einer herkömmlichen MMSE-MUD (minimum mean-squared error multiuser detection) auf der Höhe der uncodierten Bitfehlerrate (BER – bit error rate) erreicht werden. Die 3-dB-Verstärkung geht jedoch bei Untersuchung der BLER-Leistung (block error rate) verloren. Durch Anwenden der Metrik-Korrektur wird die 3-dB-Verstärkung für die BLER-Leistung erlangt.
Es sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden. Trotzdem versteht es sich, daß verschiedene Abänderungen durchgeführt werden können, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu weichen. Dementsprechend liegen andere Ausführungsformen im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche.
Zusammenfassung
Ein Empfänger in einem drahtlosen Kommunikationssystem verwendet eine Metrik, um die Fehlerwahrscheinlichkeit bei übertragenen Informationen zu minimieren. Der Empfänger kann einen Detektor einsetzen, der eine Mehrbenutzer- bzw. Mehrsignaldetektion oder eine Rake-Detektion verwendet. Die Ausgangssymbole des Detektors werden untersucht, und es wird eine Metrik erhalten, die abhängig von dem Rauschen und der Interferenz ist, die möglicherweise die Übertragung des Symbols verzerrt hat. Diese Metrik wird zusammen mit dem Symbol an einem Kanaldecoder übertragen, um das Dekodieren zu verbessern.

Claims

Verfahren zum Normieren einer Ausgabe eines Empfängers, mit folgenden Schritten: – Bestimmen eines Normierungsfaktors; und – Anwenden des Normierungsfaktors auf die Ausgabe des Empfängers.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Normieren jeder Symbolausgabe aus dem Empfänger umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Erlangen eines Metrik-Korrekturfaktors aus dem Normierungsfaktor umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Bereitstellen des Metrik-Korrekturfaktors für einen Kanaldecoder umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Bestimmen des logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnisses (LLR – log likelihood ratio) entsprechend der folgenden Gleichung umfaßt:
wobei: r(n) die Detektorausgabe des n-ten Symbols, g(n) die dem gewünschten Signal zugeordnete zeitlich veränderliche Verstärkung und σ 2 / T(n) die Gesamt-Rauschvarianz ist.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner ein analytisches Bestimmen der Gesamt-Rauschvarianz umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner ein empirisches Bestimmen der Gesamt-Rauschvarianz umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Benutzen von Mehrsignaldetektion zum Erhalten der Ausgabe des Empfängers umfaßt.
Empfänger, das folgendes umfaßt: einem Detektor, der übertragene Informationen empfängt und ein oder mehrere Ausgangssymbole auf Grundlage der übertragenen Informationen bereitstellt; einem Metrik-Korrekturteil, der das eine oder die mehreren Ausgangssymbole normiert, um eine Metrik zu erhalten; und einem Kanaldecoder, der die Metrik von dem Metrik-Korrekturteil empfängt und zur Decodierung der übertragenen Informationen benutzt.
Empfänger nach Anspruch 9, wobei der Detektor ein Mehrsignaldetektor ist.
Empfänger nach Anspruch 9, wobei der Detektor ein Rake-Detektor ist.
Empfänger nach Anspruch 9, wobei die Metrik ein logarithmisches Wahrscheinlichkeitsverhältnis (log likelihood ratio) ist.
Empfänger nach Anspruch 9, wobei der Metrik-Korrekturteil einen auf die Ausgangssymbole des Detektors anzuwendenden Normierungsfaktor bestimmt.
Empfänger nach Anspruch 9, wobei der Detektor ein Detektor für CDMA mit langem Code ist.
Empfänger nach Anspruch 14, wobei der Metrik-Korrekturteil jedes Ausgangssymbol symbolweise normiert.
Empfänger nach Anspruch 9, wobei die Metrik eines logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnisses für BPSK-Signalisierung aus der folgenden Gleichung bestimmt wird:
wobei: r(n) die Detektorausgabe des n-ten Symbols, g(n) die dem gewünschten Signal zugeordnete zeitlich veränderliche Verstärkung und σ 2 / T(n) die Gesamt-Rauschvarianz ist.
Empfänger nach Anspruch 16, wobei die Gesamtrauschvarianz analytisch bestimmt wird.
Empfänger nach Anspruch 16, wobei die Gesamt-Rauschvarianz empirisch bestimmt wird.
Verfahren, das die folgenden Schritte umfaßt: Empfangen von einem oder mehreren Ausgangssignalen von einem Detektor; Bestimmen eines Normierungsfaktors für jedes des einen oder der mehreren Ausgangssignale; Multiplizieren jedes des einen oder der mehreren Ausgangssignale mit dem entsprechenden Normierungsfaktor zum Erhalten einer Metrik-Korrektur; und Bereitstellen der Metrik-Korrektur für jedes Symbol für einen Kanaldecoder.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner ein Decodieren einer Übertragung unter Verwendung der Metrik-Korrektur umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner ein Bestimmen der Metrik des logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnisses der Metrik-Korrektur entsprechend der folgenden Gleichung umfaßt:
wobei: r(n) die Detektorausgabe des n-ten Symbols, g(n) die dem gewünschten Signal zugeordnete zeitlich veränderliche Verstärkung und σ 2 / T(n) die Gesamt-Rauschvarianz ist.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner ein analytisches Bestimmen der Gesamt-Rauschvarianz umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner ein empirisches Bestimmen der Gesamt-Rauschvarianz umfaßt.