DE60101831T2

DE60101831T2 - Synchronisations- und Trainingsfolgen für ein Funksystem mit Mehreingangs- und Mehrausgangsantennen zur Verwendung in CDMA- oder TDMA- systemen

Info

Publication number: DE60101831T2
Application number: DE60101831T
Authority: DE
Inventors: Markus Rupp
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: BR0103580A; CN1340926A; EP1191708A1; AU6356001A; JP2002152091A; EP1191708B1; US7173899B1; CN1207848C; KR100782669B1; CA2352010A1; JP4727088B2; CA2352010C; DE60101831D1; KR20020018010A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Entwickeln eines Signals mit einer orthogonalen Folge für jede Sendeantenne eines Systems, das mehrere Antennen am Sender und/oder am Empfänger benutzt, ein sogenanntes Mehreingangs-/Mehrausgangs-System (MIMO – Multiple-Input Multiple-Output), elektromagnetische Signale, die eine Mehrzahl neuer orthogonaler Folgen zur Verwendung in einem MIMO-System darstellen, und Empfänger eines MIMO-Systems.
Der Stand der Technik des Trainierens und Synchronisierens eines Empfängers, der Signale über mehrere Empfängerantennen aus einem Kanal empfängt, der Rauschen und Zwischensymbolinterferenz einführt und die von mehreren Antennen am Sender gesendet wurden, ergibt nur eine grobe Kanalschätzung und das Trainieren dauert aufgrund einer unwirksamen Trainingsfolge länger als wünschenswert.
Im Stand der Technik ist erkannt worden, daß bei OFDM-Systemen (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), die mehrere Antennen am Sender und mehrere Antennen am Empfänger einsetzen, das Training und Synchronisieren durch Verwendung einer orthogonalen Trainingsfolge verbessert werden könnte. Dahingehend wurde zur Durchführung von Training und Synchronisieren eine, im Stand der Technik bekannte kurze orthogonale Folge benutzt. OFDM-Systeme können eine kurze orthogonale Folge benutzen, da bei der bei OFDM benutzten langen Symboldauer der Kanal, wenn er als ein FIR-Filter (Finite Impulse Response) beschrieben wird, scheinbar eine Länge 1 aufweist, d. h. zur Darstellung des Kanals ist nur ein einziger FIR-Filterkoeffizient erforderlich. Bei hochratigen CDMA- und TDMA-Systemen, die eine viel kürzere Symboldauer benutzen, erscheint der Kanal jedoch beträchtlich länger zu sein, z. B. die Kanallänge beträgt rund 80 Koeffizienten für einen Kanal mit 5 MHz Bandbreite und einer Übertragungsrate von 4 M-Abtastwerten. Weiterhin ist in einem MIMO-System die erforderliche Länge der Trainings- und Synchronisationsfolge das Produkt der Kanallänge und der Anzahl von Sendeantennen. So beträgt die erforderliche Länge der Trainings- und Synchronisationsfolge für eine Kanallänge von 80 und nur 2 Sendeantennen 160. Die aus dem Stand der Technik bekannte kurze orthogonale Folge kann daher nicht für hochratige CDMA- und TDMA-Systeme benutzt werden.
In US-A-5,757,767 ist eine Struktur und ein Verfahren zum Kombinieren mehrerer Benutzerkanäle in einer einzigen Trägerfrequenz in Spreizspektrum-Kommunikationssystemen offenbart. Ein einziges Transformationselement wie beispielsweise ein schneller Hadamard-A-Transformationsprozessor wird zur parallelen orthogonalen Codierung und Kombinierung einer Reihe von Teilnehmer-Digitaldatensignalen benutzt. Teile der orthogonalcodierten und kombinierten Datensignale werden dann über vorgewählte Zeitabstände zur Erzeugung eines einzigen codierten Datensignals ausgewählt, das danach PN-gespreizt, einer analogen Signalverarbeitung unterworfen und zu Systemteilnehmern übertragen wird. Dies wird typischerweise durch Summieren von Digitalwerten in einer Anordnung von Datensignalkombinierern bewirkt. Eine beispielhafte Datentransformationsvorrichtung benutzt mindestens eine von einer vorgewählten Menge von orthogonalen Funktionen als steuerndes Muster zur Zusammenschaltung der kombinierenden Elemente. Jedes der kombinierenden Elemente empfängt mindestens zwei Eingangssignale, entweder Daten oder vorher kombinierte Daten, und erzeugt eine kombinierte codierte Signalausgabe. Durch die Kombinierungsreihenfolge werden die Eingangsdatensignale in ein orthogonales kombiniertes Signal abgebildet. Teile der kombinierten Datensignale werden dann ausgewählt und in Reihenfolge als in serielle Form gebrachter Datenstrom zur nachfolgenden Spreizung und Übertragung als Kommunikationssignal übertragen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektromagnetisches Signal nach Anspruch 6 bereitgestellt.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Empfänger nach Anspruch 11 bereitgestellt.
Von dem in der Anmeldung EP-A-1187410 beschriebenen Verfahren entwickelte Folgen können zur Entwicklung von Trainings- und Synchronisationsfolgen zur Verwendung in CDMA- und TDMA-Systemen benutzt werden. Insbesondere wird, sobald eine Folge entwickelt wird, die die Länge des Produkts der Kanallänge und der Anzahl von Sendeantennen aufweist, die Reihenfolge um einen unterschiedlichen Betrag für jede Sendeantenne versetzt. Beispielsweise könnte jede Folge um ein Mehrfaches der Kanallänge für jede Sendeantenne versetzt werden, wobei das Mehrfache von 0 bis N – 1 reicht, wobei N die Anzahl von Sendeantennen ist. Weiterhin ist es möglich, an einem Empfänger zu bestimmen, von welcher Sendeantenne ein bestimmtes Signal stammte, indem für jede Sendeantenne nicht genau der gleiche Betrag an Versatz benutzt wird, z. B. nicht jedes Signal um die Kanallänge versetzt wird, aber der Gesamtbetrag an Versatz gleichgehalten wird, das heißt der Durchschnittswert aller Verschiebungen die Kanallänge ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Figur zeigt
1 ein beispielhaftes Verfahren zum Entwickeln einer Menge von orthogonalen Folgen zum Trainieren und/oder Synchronisieren in einem MIMO-System mit einer langen Kanallänge; und
2 einen beispielhaften Empfänger zur Verwendung bei einem MIMO-System, der dazu benutzt werden kann, zu bestimmen, von welcher Sendeantenne eine orthogonale Folge gesendet worden ist.
Ausführliche Beschreibung
Im folgenden wird die Erfindung nur beispielhaft dargestellt. Man wird daher erkennen, daß der Fachmann in der Lage sein wird, verschiedene Anordnungen auszuarbeiten, die (obwohl sie hier nicht ausführlich beschrieben oder dargestellt sind) die Erfindung verwirklichen und in ihrem Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele und bedingten Ausdrücke hauptsächlich ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um dem Leser beim Verständnis der von dem (den) Erfinder(n) zur Förderung der Technik beigetragenen Erfindung und Konzepte behilflich zu sein und sollen als nichtbegrenzend für diese besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen aufgefaßt werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung und auch besondere Beispiele derselben sowohl strukturelle als auch funktionelle Entsprechnungen derselben umfassen. Zusätzlich sollen solche Entsprechungen sowohl gegenwärtig bekannte Entsprechungen als auch zukünftig entwickelte Entsprechungen, d. h. alle entwickelten Elemente, die dieselbe Funktion durchführen, ungeachtet ihrer Struktur einschließen.
So wird der Fachmann beispielsweise erkennen, daß alle hier dargestellten Blockschaltbilder konzeptuelle Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, die die Erfindung verwirklichen. Auf ähnliche Weise wird man erkennen, daß alle Flußdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Verfahren darstellen, die im wesentlichen in vom Computer lesbaren Medien dargestellt werden und so von einem Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist oder nicht.
Die Funktionen der verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente, einschließlich von als „Prozessoren" etikettierten Funktionsblöcken, können durch Verwendung dedizierter Hardware sowie auch Hardware, die Software ausführen kann, in Verbindung mit der entsprechenden Software bereitgestellt werden. Wenn sie durch einen Prozessor bereitgestellt werden, können die Funktionen von einem einzigen dedizierten Prozessor, von einem einzigen gemeinsam benutzten Prozessor oder von einer Mehrzahl von einzelnen Prozessoren, von denen einige gemeinsam benutzt werden können, bereitgestellt werden. Weiterhin sollte die ausdrückliche Verwendung des Begriffs „Prozessor" oder „Steuerung" nicht dahingehend gedeutet werden, daß sie sich ausdrücklich auf zur Ausführung von Software fähige Hardware bezieht und kann implizit ohne Begrenzung Digitalsignalprozessor-(DSP-)Hardware, Nurlesespeicher (ROM) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM) und nichtflüchtige Speicherung einschließen. Sonstige herkömmliche und/oder anwendungsspezifische Hardware kann auch enthalten sein. Auf ähnliche Weise sind irgendwelche in den Figuren dargestellte Schalter nur konzesptuell. Ihre Funktion kann durch die Operation von Programmlogik, durch dedizierte Logik, durch die Wechselwirkung von Programmsteuerung und dedizierte Logik oder auch von Hand ausgeführt werden, wobei das bestimmte Verfahren vom Implementierer nach spezifischem Verständnis des Zusammenhangs auswählbar ist.
In den hiesigen Ansprüchen soll jedes als Mittel zur Durchführung einer angegebenen Funktion ausgedrückte Element jede Weise der Durchführung dieser Funktion umfassen, einschließlich beispielsweise a) einer Kombination von Schaltungselementen, die diese Funktion durchführen oder b) von Software in jeder Form einschließlich daher Firmware, Mikrocode und dergleichen in Kombination mit den entsprechenden Schaltungen zur Ausführung dieser Software zur Durchführung der Funktion. Die in diesen Ansprüchen definierte Erfindung liegt in der Tatsache, daß die von den verschiedenen angeführten Mitteln bereitgestellten Funktionalitäten auf die von den Ansprüchen geforderte Weise kombiniert und zusammengebracht sind. Von der Anmelderin werden daher alle Mittel, die diese Funktionalitäten bereitstellen können, als den hier dargestellten gleichwertig erachtet.
Wenn nicht ausdrücklich hier angegeben, sind die Zeichnungen nicht maßstabsgerecht.
Man beachte, daß sogenannte Mehreingangs-/Mehrausgangs-(MIMO) Systeme mit nur einer Sendeantenne und mehreren Empfängerantennen oder mehreren Sendeantennen und nur einer einzigen Empfängerantenne einschließen.
1 zeigt in Flußdiagrammform ein beispielhaftes Verfahren zum Entwickeln einer Menge orthogonaler Folgen zum Trainieren und/oder Synchronisieren eines MIMO-Systems mit einer langen Kanallänge M, wenn der Kanal als ein FIR-Filter (Finite Impulse Response) beschrieben wird. Solch lange Kanallängen kommen typischerweise bei hochratigen CDMA- und TDMA-Systemen vor, z. B. von der Größenordnung von 1 Mbps und höher.
In das Verfahren wird im Schritt 101 eingetreten, wenn eine neue orthogonale Folge erforderlich ist, z. B. bei Entwicklung eines neuen MIMO-Funkkommunikationssystems. Im Schritt 103 wird die Kanallänge M unter Verwendung von dem Fachmann in Funkkommunikationstechnik bekannten herkömmlichen Verfahren bestimmt. Im Schritt 105 wird die Anzahl von Sendeantennen N, die aktiv an der Kommunikation beteiligt sind, erhalten. Typischerweise ist dies einfach die Anzahl von Antennen, die am Sender für Kommunikationszwecke bereitgestellt worden sind.
Danach wird im Schritt 107 das Produkt der Kanallänge M und der Anzahl von an der Kommunikation aktiv beteiligten Sendeantennen N bestimmt und eine orthogonale Folge mit mindestens dieser Länge, z. B. unter Verwendung des Verfahrens der Anmeldung EP-A-1187410, bestimmt.
Als nächstes wird an der bedingten Verzweigungsstelle 109 geprüft, um zu bestimmen, ob für die zu erzeugende Menge von Folgen eine Beabstandung mit gleichem Versatz, d. h. Verschiebungen gleicher Länge, gewünscht wird. Wenn das Prüfungsergebnis im Schritt 109 JA ist, wodurch angezeigt wird, daß Beabstandung mit gleicher Verschiebung gewünscht ist, wird die Steuerung zum Schritt 111 weitergegeben, in dem N Verschiebungen der Länge M an die im Schritt 107 bestimmte Folge angelegt werden, wodurch N Folgen entwickelt werden. Man beachte, daß dies das gleiche ist, wie jede Folge um ein Mehrfaches der Kanallänge für jede Sendeantenne versetzen zu lassen, wobei das Mehrfache von 0 bis N – 1 reicht. Im Schritt 113 wird dann aus dem Verfahren ausgetreten.
Wenn das Prüfungsergebnise im Schritt 109 NEIN ist, wird die Steuerung zum Schritt 115 weitergegeben, in dem N Verschiebungen an die im Schritt 107 erhaltene orthogonale Folge angelegt werden, aber die Verschiebungen werden nicht gleichförmig durchgeführt. So wird es N Verschiebungen geben, aber nur der Durchschnitt der Verschiebungen muß M betragen. Um die Antennen unterscheiden zu können, von denen die verschiedenen Signale stammen, sollte vorzugsweise keine Symmetrie im Muster der Verschiebungen bestehen. Die Folge von Verschiebungen könnte in einem ROM oder sonstigen nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden. Als Alternative können sie mit einer gegebenen bestimmten logischen Grundlage abgeleitet werden, z. B. um die Erkennung zu erleichtern, von welcher Antenne ein Signal stammt. Im Schritt 113 wird dann aus dem Verfahren ausgetreten.
2 zeigt den beispielhaften Empfänger 200 zur Verwendung in einem MIMO-System, der dazu benutzt werden kann, zu bestimmen, von welcher Sendeantenne eine orthogonale Folge gesendet worden ist. Der Empfänger 200 enthält a) Empfängerantennen 201 einschließlich Empfängerantennen 201-1 bis 201-L; b) angepaßte Filter 203 einschließlich angepaßte Filter 203-1 bis 203-L; und c) Diskriminator 205.
Von den Empfängerantennen 201 werden die von der Sendeantenne gesendeten Signale einschließlich zur entsprechenden Zeit der zum Trainieren und/oder Synchronisieren benutzten orthogonalen Folgen empfangen. Obwohl aus Klarheitsgründen nicht ausdrücklich dargestellt, wird angenommen, daß zwischen Antennen 201 und angepaßten Filtern 203 die notwendigen Schaltungen vorhanden sind, um das empfangene Funksignal in ein digitales Basisbandsignal umzuwandeln. Als Alternative kann angenommen werden, daß die Antennen 201 einfach das von der Antenne abgeleitete digitale Basisbandsignal darstellen und dieses Signal den angepaßten Filtern 203 zugeführt wird. Die Koeffizienten jedes der angepaßten Filter 203 sind auf die Werte der orthogonalen Folge, z. B. wie im Schritt 107 entwickelt (1), eingestellt. Jedes der angepaßten Filter 203 (2) führt eine Faltung zwischen dem von ihm empfangenen digitalen Basisbandsignal und den darin gespeicherten Koeffizienten durch. Als Ausgabe jedes der angepaßten Filter 203 erscheint jedesmal, wenn das Empfangssignal zu den gespeicherten Koeffizienten ausgerichtet ist, ein Maximum. Der Diskriminator 205 empfängt die als Ausgabe von jedem der angepaßten Filter 203 gelieferten Signale und liefert auf Grundlage der empfangenen Spitzen eine Ausgabe, die die Zeit anzeigt, zu der ein Signal von einer vorgeschriebenen der Sendeantennen empfangen wird. Dahingehend ist im Diskriminator 205 das Verschiebungsmuster gespeichert, das bei der Entwicklung der Sendesignale benutzt wurde, z. B. das im Schritt 115 der 1 entwickelte Muster. Man beachte, daß wie oben beschrieben, der Diskriminator 205 die Zeit, zu der ein Signal von einer vorgeschriebenen der Sendeantennen empfangen wird, nur solange bestimmen kann, wie die bei der Entwicklung der übertragenen orthogonalen Folge benutzten Versetzungen keine Symmetrie zum Muster der Verschiebungen aufweisen.

Claims

Verfahren zum Entwickeln eines Signals mit einer orthogonalen Folge für jede Sendeantenne, die aktiv an der zur Übertragung des Signals durch ein Mehreingangs-/Mehrausgangs-System (MIMO) mit langer Kanallänge beteiligt sein soll, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Entwickeln einer neuen orthogonalen Folge als Funktion erster und zweiter bestehender orthogonaler Trainingfolgen, wobei die neue orthogonale Folge eine Länge aufweist, die mindestens so lang wie das Produkt der Anzahl von Sendeantennen des MIMO-Systems, die aktiv an der Übertragung des Signals beteiligt sein soll, und der Kanallänge für das MIMO-System ist; Erzeugen mindestens einer verschobenen Version der neuen orthogonalen Folge für jede der Sendeantennen des MIMO-Systems, die aktiv an der Übertragung des Signals beteiligt sein sollen, wobei jede der erzeugten verschobenen Versionen um einen vorgeschriebenen Betrag verschoben wird; und Umwandeln der Informationen mindestens einer der verschobenen Versionen der neuen orthogonalen Folge in Funkform durch jede der Senderantennen des MIMO-Systems, die aktiv an der Übertragung des Signals beteiligt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die verschobenen Versionen um ein Mehrfaches der Kanallänge verschoben werden, wobei das Mehrfache von Null bis N – 1 reicht, wobei N die Anzahl von Senderantennen im MIMO-System ist, die aktiv an der Übertragung des Signals beteiligt sein sollen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn die Antennen in einer Gruppe angeordnet sind, die verschobenen Versionen für benachbarte Antennen der Gruppe um unterschiedliche Beträge voneinander verschoben werden, so daß der Abstand zwischen beliebigen zwei verschobenen Versionen benachbarter Antennen unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Durchschnittswert der Verschiebungen zwischen jedem Paar von Versionen für benachbarte Antennen die Kanallänge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das MIMO-System ein System der Menge von Systemen ist, die aus einem CDMA-System (Code Division Multiple Access) hoher Datenrate und einem TDMA-System (Time Division Multiple Access) hoher Datenrate besteht.
Empfänger eines Mehreingangs-/Mehrausgangs-Systems MIMO mit langer Kanallänge zum Empfangen und Ableiten von Informationen in einem Funksignal, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen eine Mehrzahl neuer orthogonaler Folgen darstellen, die als versetzte Versionen einer neuen orthogonalen Folge entwickelt werden, die eine Funktion erster und zweiter bestehender orthogonaler Folgen ist, und eine Länge aufweist, die gleich dem Produkt der Kanallänge und einer Anzahl von aktiv an der Übertragung des Funksignals beteiligten Senderantennen ist, wobei der Empfänger weiterhin folgendes umfaßt: eine Mehrzahl von Empfängerantennen (201), die über einen Kanal von einer Mehrzahl von Sendeantennen übertragene Signale empfangen; einer Mehrzahl angepaßter Filter (203), die jeweils eine entsprechende digitale Basisbandversion eines durch eine der Empfängerantennen empfangenen entsprechenden Signals empfangen, wobei jedes der angepaßten Filter entsprechende Koeffizientenmengen aufweist, um eine maximale Ausgabe zu ergeben, wenn ihm eine bestimmte der neuen orthogonalen Folgen zugeführt wird; und einem auf die Ausgaben der angepaßten Filter reagierenden Diskriminator (205), der eine Anzeige einer Zeit ergibt, zu der ein Signal von einer vorgeschriebenen der Sendeantennen empfangen wird.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei die neuen orthogonalen Folgen durch Verschieben der neuen orthogonalen Folge um ein Mehrfaches der Kanallänge des MIMO-Systems erzeugt werden, wobei dieses Mehrfache von 0 bis N – 1 reicht, wobei N die Anzahl von Sendeantennen im MIMO-System ist.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei jeder Versatz zwischen benachbarten versetzten Versionen einmalig ist.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei das MIMO-System ein System der Menge von Systemen ist, die aus einem CDMA-System (Code Division Multiple Access) mit hoher Datenrate und einem TDMA-System (Time Division Multiple Access) mit hoher Datenrate besteht.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei der Empfänger erkennt, von welcher der Sendeantennen ein Signal als Funktion des Versatzes zwischen jeder der Mehrzahl neuer orthogonaler Folgen übertragen wird.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei die versetzten Versionen um unterschiedliche Beträge von jeder benachbarten versetzten Versionen versetzt sind, wobei der Durchschnittswert dieser Versetzungen die Kanallänge ist.