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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Kommunikationssignalen über ein
System mit mehreren Sende- und Empfangselementen, bei dem ein zu übertragender
Gesamtdatenstrom in unabhängige Datenströme geteilt
wird, daraus ein Sendesignal erzeugt, nach einer Modulation über mehrere
Sendeelemente ausgestrahlt und von einem Empfänger über mehrere Empfangselemente
als Empfangssignal empfangen wird, wonach das Empfangssignal einer
Interferenzunterdrückung
unterzogen wird und danach daraus Datenströme detektiert werden.
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Eine
wichtige Aufgabe zukünftiger
Mobilfunksysteme ist die Bereitstellung von Diensten mit hohen Datenraten.
Um diese Anforderungen zu erfüllen,
ist eine bessere Auslastung der begrenzten Funkressourcen notwendig,
als es in gegenwärtigen
Mobilfunknetzen der Fall ist. Systeme mit mehreren Antennen sowohl
am Sender als auch am Empfänger
bieten die Möglichkeit
einer Steigerung der spektralen Effizienz durch die Nutzung räumlicher
Kanaleigenschaften. Daher wird gegenwärtig der Einsatz solcher sogenannten
MIMO-Systeme (MIMO = Multiple-Input-Multiple-Output) in den Funknetzen der
dritten Generation und in künftigen WLAN-Standards
(WLAN = wireless local area network = drahtloses lokales Netz) diskutiert.
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Ein
wichtiges Verfahren zur Verbesserung der Empfangsbedingun gen und
somit einer möglichen
Steigerung der Datenrate einer Kommunikationsverbindung stellen
Space-Time-Codes (STC) dar. Ziel dieses Verfahrens ist die Verbesserung
der Kanaleigenschaften durch die gezielte Ausnutzung von räumlicher
Diversität durch
den Einsatz mehrerer Sendeantennen. Beim STC handelt es sich um
ein Verfahren mit nur einem gleichzeitig übertragenen Datenstrom (Lager).
Wirtschaftlich interessant ist der Einsatz von Space-Time-Codes
z. B. im Downlink (Senden von der Basisstation zum mobilen Nutzer)
eines Mobilfunksystems, da sich ein erhöhter Implementierungs-Aufwand
nur auf die Basisstationen erstreckt und damit eine höhere Kapazität für den Downlink
des zellularen Netzes erreicht werden kann.
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In
der Familie der Space-Time-Codes werden zwei Ansätze unterschieden: Space-Time-Block-Codes (STBC)
und Space-Time-Trellis-Codes
(STTC).
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Space-Time-Block-Codes
werden in Alamouti, S. M.: A simple transmit diversity technique
for wireless communications, IEEE Journal an Selected Areas in Communication,
16(8): 1451–1458,
1998 beschrieben. Sie sind lineare Signalisierungsverfahren, welche
gleichzeitig unterschiedliche Signale von mehreren Sendeantennen
aussenden. Die dadurch entstehende Interferenz kann durch Hinzufügen von
Redundanz, d. h. wiederholtes Aussenden der gleichen Signale nach
einem bestimmten 'Codierschema', und einer entsprechenden Decodierung
am Empfänger
vollständig
unterdrückt
werden. Durch STBC wird ausschließlich ein Diversitätsgewinn
basierend auf der im Kanal ggf. vorhandenen räumlichen Senderdiversität erreicht.
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Space-Time-Trellis-Codes
(STTC), wie sie bei Tarokh, V., H. Jafarkhani, A. R. Calderbank:
Space-time block codes from orthogonal designs, IEEE Transactions
an Information Theory, 45(5), 1456–1467, 1999 beschrieben sind,
stellen eine räumliche
Erweiterung von Trellis-Codes dar, welche vorhandene räumliche
Senderdiversität
mittels Trelliscodierung erschließen. Durch STTC wird zusätzlich zu
dem räumlichen
Diversitätsgewinn
ein Codiergewinn durch die Eigenschaften der Trelliscodierung erzielt.
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Aufgrund
der festen Verknüpfung
von Codier- und Diversitätsgewinn
haben sich Space-Time-Trellis-Codes derzeit noch nicht überzeugend
durchsetzen können.
Alternativ wird häufig
eine Verknüpfung
eines beliebigen Codierverfahrens und anschließender Space-Time-Blockcodierung
(STBC) angewandt, z. B. mit Turbo-Codes, wie dies bei Bauch, G.: Turbo
Entzerrung und Sendeantennen-Diversity mit Space-Time-Codes im Mobilfunk,
Fortschritts-Berichte,
VDI, Reihe 10 Nr. 660 2001 beschrieben ist.
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Ein
STBC für
2 Sendeantennen wurde 1998 erstmals bei Alamouti (s. o.) vorgestellt.
Diese einfache Form der Signalisierung ist allerdings auf 2 Sendeantennen
beschränkt.
Diese Idee wurde von Tarokh (s. o.) aufgegriffen und auf eine beliebige
Anzahl von Sendeantennen erweitert. Gleichzeitig stellte sich allerdings heraus,
dass für
eine beliebige Anzahl (MTx > 2) von Sendeantennen
ein Ratenverlust auftritt. D. h., zum vollständigen Unterdrücken der
durch gleichzeitiges Senden verschiedener Sendesymbole entstehenden
Interferenz zwischen den einzelnen Sendesignalen sind Ns > MTx Signalisierungszeitpunkte
erforderlich.
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Das
erste bekannte MIMO-Verfahren, bei dem eine parallele Übertragung
mehrerer Datenströme
erfolgt, wurde bei Foschini, G. J.: Layered space-time architecture
for wireless communication in a fading environment when using multi-element
antennas, Bell Labs Technical Journal, 1996 beschrieben. Die Nutzung mehrerer
parallel abgestrahlter Datenströme
ergibt eine erheblich größere Datenrate
verglichen mit dem Einsatz von STC. Aus diesem Ansatz wurde eine
ganze Familie ähnlicher
Algorithmen, sogenannter BLAST-Algorithmen (BLAST = Bell Laboratories
Layered Space-Time)
entwickelt.
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Die
Familie der BLAST-Algorithmen hat zum Ziel, die Datenrate einer
Kommunikations-Verbindung durch den Einsatz von MIMO-Techniken zu erhöhen. Zwei
wichtigsten Vertreter der BLAST-Algorithmen
sind der D-BLAST- und der V-BLAST-Algorithmus.
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Beim
Diagonal-BLAST (D-BLAST) wird zunächst wird der Gesamtdatenstrom
in MTx Datenströme, die sogenannten „Lager”, aufgeteilt.
Jeder dieser Lager wird unabhängig
von allen anderen mit einem Fehlerschutzcode (z. B. einem Faltungscode)
versehen. Die dadurch entstehenden codierten Datenblöcke werden jeweils
in MTx gleich große Subblöcke aufgeteilt. Jeder dieser
Subblöcke
wird nacheinander über
jeweils eine andere Sendeantenne gesendet. Ein Kanal mit unabhängigem Schwund
am Sender wird durch das Wechseln der Sendeantenne innerhalb des
Codeworts in einen sich schnell ändernden
Kanal transformiert. Diese Signalisierung in Verbindung mit der
Decodierung ermöglicht
die Nutzung der Senderdiversität
am Empfänger.
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Die
verbleibenden Lager werden ebenso über die einzelnen Antennen
verteilt, nur in einer anderen Reihenfolge. Letztlich ergibt sich
ein Bild von diagonal verlaufenden Subblöcken, die jeweils die codierten
Daten eines Lagers repräsentieren.
Somit wird die Namensgebung dieses Verfahrens verständlich.
Charakteristisch für
das D-BLAST-Verfahren ist, dass sich der Gewinn durch Senderdiversität erst nach
der Decodierung zeigt.
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Da
sich die praktische Realisierung des D-BLAST-Verfahrens als sehr
aufwendig erwiesen hat, wurde ein einfacheres BLAST-Verfahren bei Wolniansky,
P. W., G. J. Foschini, G. D. Golden, R. A. Valenzuela: V-BLAST:
An architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering
wireless channel, International Symposium an Signals, Systems and
Electronics ISSSE 98, 295–300,
1998 vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren werden die Signalströme der einzelnen
Datenströme
direkt über
die jeweiligen Antennen gleichzeitig gesendet. Die Datenströme werden
unabhängig
voneinander codiert. Das entstehende System kann auch als ein synchrones
Mehrnutzer-System aufgefasst werden, bei dem jeder Nutzer (Datenstrom)
einen anderen Kanal nutzt. Somit kann die vorhandene Senderdiversität nicht
mehr für
die einzelnen Datenströme
genutzt werden, da jeder Strom nur über eine Kanalrealisierung übertragen
wird. Das ist gleichzeitig der wichtigste Unterschied zum D-BLAST-Konzept.
Die fehlende Senderdiversität
hat eine entsprechend geringere Leistungsfähigkeit des Verfahrens zur
Folge.
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Für die MIMO-Verfahren
mit mehreren Datenströmen
kann sich unter bestimmten Bedingungen die Notwendigkeit ergeben,
eine entsprechend geringere Anzahl von Datenströmen parallel zu übertragen.
Es liegt in der Charakteristik der BLAST-Verfahren begründet, dass
die „Abschaltung” einzelner
Datenströme gleichbedeutend
mit dem Auslassen einer Sendeantenne (V-BLAST) ist, bzw. das zeitweise
eine Antenne nicht zur Übertragung
genutzt wird (D-BLAST). Das wiederum hat eine Verringerung der erzielbaren
Senderdiversität
zur Folge.
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Die
Grundidee der sogenannten Multi-Stratum-Verfahren ist die vollständige Erschließung der
Sendediversität
für alle
Datenströme.
Dadurch ergibt sich insgesamt eine höhere Leistungsfähigkeit.
Die Ausnutzung der vollen Sendediversität macht diesen Ansatz gleichzeitig
robust in sich zeitlich ändernden
Kanalszenarien. Dies ist in Wachsmann, U.; Thielecke, J.; Schotten,
H.: Exploiting the Data-Rate Potential of MIMO Channels: Multi-Stratum Space Time
Coding. In: 53
rd IEEE Vehicular Technology
Conference (VTC 2001), 6–9
May 2001, Rhodes, Greece, vol. 1, pp 199–203 aber auch in der
EP 1195937 und der
WO 2002/030032 A2 beschrieben.”
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Ein
Multi-Stratum-Space-Time-Code, als ein Vertreter der Multi-Stratum-Verfahren
nutzt die bekannten Space-Time-Block-Codes (STBC) und erweitert
deren Anwendung auf MIMO-Systeme mit mehreren parallel abgestrahlten
Datenströmen.
Das Ziel ist es, die einzelnen Datenströme raum-zeit-codiert zu übertragen. Dadurch
wird sichergestellt, dass jeder Datenstrom von allen Antennen gleichzeitig
ausgesendet wird. Der eingesetzte STBC ermöglicht die vollständige Erschließung der
vorhandenen Senderdiversität.
Die parallel gesendeten Datenströme
werden durch eine kanalunabhängige
zeitliche Orthogonaltransformation an den einzelnen Antennen zusammengefasst.
Somit lässt
sich das Signalgemisch aus zeitgleich ausgesendeten Signalen am
Empfänger
wieder tren nen. Ein gravierender Nachteil der Multi-Stratum-Space-Time-Code-Systeme stellt
die Tatsache dar, dass die verwendeten Space-Time-Block-Codes für mehr als
2 Sendeantennen einen Ratenverlust aufweisen. Dieser Ratenverlust
führt zu
einer Verringerung der Leistungsfähigkeit.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Übertragungsverfahren für eine beliebige
Antennenanzahl anzugeben, bei dem ein Ratenverlust für Systeme
mit mehr als zwei Antennen vermieden wird.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Gesamtdatenstrom zunächst
in M unabhängige
Datenströme
mit 1 ≤ M ≤ MTx geteilt wird. Diese Datenströme, die
auch Strata genannt werden, können
unabhängig
codiert und zeitlich interleaved werden.
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Nach
dem Symbolmapping wird der Sendesignalvektor s durch eine erste
Orthogonaltransformation für
jeden Datenstrom, mittels der das Signal über alle MTx Sendeelemente
gespreizt wird und durch eine zweite Orthogonaltransformation, welche
die mit der ersten Orthogonaltransformation transformierten M Datenströme für die einzelnen
Sendeelemente zusammenfasst, erzeugt und über alle MTx Sendeelemente
ausgestrahlt wird. Der Sendesignalvektor s(n) umfasst die Sendesignale
für jedes
Sendeelement von NS aufeinander folgenden Sendezeitpunkten.
Das Verfahren ist im allgemeinen für die Ausstrahlung durch Sendeelemente
beschrieben, die insbesondere Sendeantennen darstellen.
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Empfängerseitig
werden die Signale durch Empfangselemente, insbesondere Empfangsantennen aufgenommen.
Das Empfangssignal wird als Empfangsvektor r(n) vor einer Detektion
der M Datenströme
aus dem Empfangsvektor einer Multiplikation mit einer von einer
Kanalübertragungsmatrix
abhängigen
Wichtungsmatrix unterzogen.
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Somit
entsteht eine zweidimensionale Orthogonaltransformation entlang
der Sendeelemente sowie entlang der Zeitbasis. Der Vor teil einer
solchen allgemeinen Definition der Multi-Stratum-Codes ist die Flexibilität in der
Anzahl der Sendeantennen und der Anzahl der zu übertragenen Datenströme. Für die Anzahl
der Datenströme
gelte: M ≤ min(MTx, MRx). Dieses Übertragungsverfahren
kann auf eine beliebige Anzahl Sendeantennen verallgemeinert werden.
Im Vergleich mit den Stand der Technik beschriebenen Verfahren wird
der durch die Verwendung der Space-Time-Block Codes resultierende Ratenverlust
vermieden und somit die Kanalkapazität besser erschlossen. Dieser
Vorteil zeigt sich bei der Verwendung von mehr als zwei Sendeantennen.
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In
zwei Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist entweder vorgesehen, dass der Gesamtdatenstrom demultiplext
und anschließend
einer Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) unterzogen wird oder dass
der Gesamtdatenstrom einer Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM)
unterzogen und anschließend
demultiplext wird.
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Dabei
werden die zu übertragenden
binären
Daten werden in die M Datenströme
unterteilt, die unabhängig
voneinander codiert und interleaved werden. Vorher oder anschließend wird
eine entsprechende Anzahl von Datenbits zu einem komplexen Datensymbol
zusammengefasst. Die Coderaten der einzelnen Datenströme können unterschiedlich
oder gleich gewählt
werden. Sind Informationen über
den MIMO-Kanal am Sender verfügbar
ist eine entsprechende Ratenadaption möglich und sinnvoll.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zeitpunkt n das Sendesignal
s(n) mit einem Datensymbolvektor x
m(n) des
m-ten Datenstromes und der Transformationsmatrix M
m erzeugt
wird mit
wobei die Transformationsmatrix
M
m durch die erste und die zweite Orthogonaltransformation
erzeugt ist und der Datensym bolvektor x
m(n)
des m-ten Datenstromes K
s aufeinander folgende
Datensymbole umfasst.
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Im
Folgenden wird auf die Konstruktion der entsprechenden Trans formationsmatrizen
Mm eingegangen.
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Eine
allgemeine lineare Orthogonaltransformation von M
Tx Signalwerten
sei durch eine Transformationsmatrix
repräsentiert:
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Weiterhin
sei D
m eine Diagonalmatrix, welche den m-ten
Spaltenvektor der Transformationsmatrix
als Hauptdiagonal besitzt:
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Der
Operator (D
m)↓n beschreibe eine einfache
Matrizenoperation, bei der die Zeilen der Matrix D
m so verschoben
werden, dass sie um n Positionen nach unten verrückt werden und die unten aus
der Matrix „herausfallenden” Zeilen
oberhalb der ersten Zeile eingefügt
werden, wie am Beispiel einer Verschiebung um 2 durch (D
m)↓2
veranschaulicht werden soll:
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Diese
horizontale Rotation der Matrix um n Positionen dient als mathematisches
Hilfsmittel zur Beschreibung der Vorschrift, dass innerhalb eines
Transformationsblocks mit M
Tx Signalwerten
alle Signale eines Datenstroms über
jede der Sendeantennen genau einmal übertragen werden. Die Transformationsmatrix
M
m des m-ten Datenstroms erhält man durch
die Kombination der schon beschriebenen zwei Orthogonaltransformationen:
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Die
Matrizen (Dm)↓n repräsentieren die räumliche
Orthogonaltransformation, wobei die angewandte Matrixrotation (•)↓n die Permutation
der Signale des Datenstroms über
alle Sendeelemente zur Folge hat. Diese Permutation stellt somit
sicher, dass die Diversität
des Kanals durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgenutzt werden
kann. Die Multiplikation mit den Koeffizienten dnm wiederum
ist Teil der zweiten Orthogonaltransformation der Datenströme untereinander.
Diese Transformation ermöglicht
eine spätere
Trennung der unterschiedlichen Datenströme am Empfänger. Prinzipiell können alle
bekannten Orthogonaltransformationen verwendet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
dass mit einer erweiterten Kanalübertragungsmatrix H ‿,
die sich aus
ergibt, wobei H ‿ eine Kanalübertragungsmatrix
darstellt, die sich einzelnen Kanalübertragungsparametern h zusammensetzt mit
die Kanalmatrix C
1 erzeugt wird mit C
1 = H ‿M
1.
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Diese
Kanalmatrix C1 mit der Dimension [MRxNs × Ks] enthält
die Charakteristika der Orthogonaltransformationen des Datenstromes
sowie des Übertragungskanals.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass die Wichtungsmatrix das Kriterium eines minimalen
quadratischen Fehlers (MMSE-Kriterium) erfüllt.
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Dabei
kann die Wichtungsmatrix W
m für Signale
mit einer Sendeleistung P
S mit
eingesetzt werden.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, dass die Wichtungsmatrix W
m unter
Berücksichtigung
einer Rauschleistung σ 2 / n und
der Sendeleistung P
S mit
eingesetzt wird.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigt
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1 das
Prinzip einer erfindungsgemäßen Multi-Stratum-Permutation-Codierung
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2 das
Prinzip der zweifachen Orthogonaltransformation zweier Datenströme für zwei Sendeantennen
unter Verwendung der Hadamard-Transformation als Orthogonalitätstransformation
und
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3 den
prinzipiellen Aufbau eines MIMO-Empfängers für das erfindungsgemäße Verfahrens.
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In
den
1 und
3 ist das erfindungsgemäße Verfahren
für eine
Mehrzahl von Sende- und Empfangsantennen dargestellt. Nachfolgend
wird das Verfahren anhand zweier Sende- und Empfangsantennen näher erläutert, wie
in
2 dargestellt. Es werden in diesem Fall können maximal
2 Datenströme
x
0, x
1 übertragen
werden. Für
beide Orthogonaltransformationen wird in diesem Beispiel eine Hadamard-Transformation verwendet.
Somit ergibt sich:
und
und somit
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Der
Sendesignalvektor s(n) kann nun wie folgt ausgedrückt werden:
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In 2 ist
das Prinzip der zweifachen Orthogonaltransformation der beiden Datenströme anschaulich
dargestellt.
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Das
in 3 dargestellte Empfängerkonzept für das hier
beschriebene MIMO-Verfahren ist denen von Mehrnutzerempfängern und
dem BLAST-Systemen sehr ähnlich.
Im Prinzip ist das Problem der Detektion unterschiedlicher Datenströme mit dem
Problem der Detektion unterschiedlicher Nutzer vergleichbar.
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Da
sich alle gesendeten Datensignale die gleiche physikalische Ressource
teilen und keine Information über
die Kanalmatrix am Sender vorhanden ist, entstehen zwangsläufig Interferenzen
zwischen den einzelnen Datenströmen.
Die Empfängerkonzepte
müssen
daher entsprechende Möglichkeiten
nutzen, um diese Interferenz zu unterdrücken. Dies kann z. B. mit Hilfe
eines sogenannten Empfängers
mit sukzessiver Interferenzunterdrückung erreicht werden. Dabei
werden die unterschiedlichen Datenströme nacheinander decodiert.
Die Symbolentscheidungen bereits detektierter Datenströme werden
dann aus dem Empfangssignal subtrahiert, womit sich (bei korrekter
Entscheidung) eine Verringerung der Interferenz ergibt.
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Die
Wirkung dieses Algorithmus beruht allerdings auf der Unterschiedlichkeit
der Sicherheiten der verschiedenen Symbolentscheidungen. Dies kann
durch die Verwendung unterschiedlich starker Fehlerschutzcodierung
der einzelnen Datenströmen
erreicht werden. Man beginnt dann am Empfänger mit dem Datenstrom, welcher
die geringste Coderate aufweist und somit vom Fehlerschutz am meisten
profitiert. Dieser Datenstrom kann am sichersten entschieden werden.
Nun wird die sukzessive Interferenzunterdrückung für die folgenden Datenströme zu einer
schrittweisen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses
führen.
Daher können
die Nettodatenraten für
jeden sukzessiv detektierten Datenstrom ansteigen.
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Vor
der Detektion eines Datenstroms kann eine lineare Interferenzunterdrückung vorgenommen
werden. Dies geschieht durch eine Multiplikation mit einer Wichtungsmatrix
Wm, welche das Kriterium eines minimalen
quadratischen Fehlers erfüllt.
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3 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines Empfängers mit sukzessiver Interferenzunterdrückung. Alternativ
sind auch andere bekannte Empfängeralgorithmen
wie z. B. ein Maximum Likelihood Empfänger möglich.