DE60125570T2

DE60125570T2 - Mehrbenutzerdetektor für direktsequenz-kodemultiplex-vielfachzugriffkanäle

Info

Publication number: DE60125570T2
Application number: DE60125570T
Authority: DE
Inventors: Wen Ottawa Tong; Branmir Bethesda VOJCIC; Raymond Fairfax PICKHOLTZ; Jelena San Diego DAMNJANOVIC
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: EP1329032B1; WO2002033838A3; CN1478330A; EP1329032A2; DE60125570D1; AU2002214853A1; WO2002033838A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mehrbenutzer-Detektor für Direktsequenz-Codemultiplex-Vielfachzugriffs-(DS/CDMA-) Kanäle und bezieht sich insbesondere auf einen derartigen Detektor zur Verwendung mit einer Paket-Wiederholung.
Hintergrund der Erfindung
Das automatische Wiederholungs-Anforderungs-(ARQ-) Protokoll ist eine übliche Technik, die zur Handhabung von Übertragungsfehlern verwendet wird, die in einem störbehafteten Kanal auftreten. In den meisten Implementierungen des ARQ-Protokolls besteht dessen einziger Zweck in der Fehlerdetektion. Wenn ein oder mehrere Fehler in dem empfangenen Datenblock festgestellt werden, so wird eine automatische Wiederholungs-Anforderung an den Ursprungs-Sender zurückgesandt und der fehlerhafte Block wird verworfen. Der Haupt-Nachteil des ARQ-Schemas besteht darin, dass insbesondere im Fall eines niedrigen Signal-/Stör-Verhältnisses (SNR) die Anzahl der erneuten Aussendungen, die vor einem korrekten Empfang erforderlich sind, hoch sein kann, was zu einem unannehmbar niedrigen Durchsatz führt. Die verschiedenen Modifikationen des grundlegenden ARQ-Protokolls mit dem Ziel der Verbesserung der Betriebsleistung wurden in der Literatur vorgeschlagen [1], [2], [3]. Die größte Verbesserung gegenüber dem Standard-ARQ-Protokoll kann durch die Verwendung von zurückgewiesenen Paketen durch deren Kombination in ein einziges, eine größere Zuverlässigkeit aufweisendes Paket erzielt werden. Es gibt zwei grundlegende Ansätze zur Kombination mehrfach empfangener Pakete: Code-Kombination und Diversity-Kombination. Die Code-Kombination, die ursprünglich von Chase [4] vorgeschlagen wurde, nimmt an, dass die Kombination auf der Codewort-Ebene ausgeführt wird, an der N Pakete, die mit einer Rate R codiert sind, ein einziges Paket mit der Code-Rate R/N erzeugen. Unter Verwendung von Ratenkompatiblen punktierten Faltungs-Codes und der Code-Kombination [5], [6] ist es möglich, praktisch irgendeine geeignete Code-Rate zu erzielen, um derzeitige Kanalbedingungen zu berücksichtigen. Die Diversity-Kombination beinhaltet die bitweise Kombination von mehrfachen Paket-Kopien, was zu einem einzigen Paket mit einem verbesserten SNR führt. Obwohl sie nicht so leistungsfähig ist, wie die Code-Kombination, ist die Diversity-Kombination wesentlich einfacher zu implementieren.
Die Mehrbenutzer-Detektion für Direktsequenz-Codemultiplex-Mehrfachzugriffs-(DS/CDMA-) Systeme ist aus [7], [8] bekannt. Ein konventioneller DS/CDMA-Empfänger betrachtet jeden Benutzer getrennt, und alle störenden Benutzer werden als Breitband-Rauschen behandelt. Im Gegensatz hierzu besteht der Ansatz bei der Mehrbenutzer-Detektion darin, die Struktur der Mehrbenutzer-Störung zu berücksichtigen. Es wurde in [9] gezeigt, dass der optimale Mehrbenutzer-Detektor (MUD) einen beträchtlichen Vorteil gegenüber dem konventionellen Detektor unter Inkaufnahme der exponentiellen Kompliziertheit mit der Anzahl von Benutzern bietet. Verschiedene MUDs, wie zum Beispiel ein Dekorrelator [10], ein MMSE-Detektor [11] und ein zweitstufiger Detektor [12], [13] wurden vorgeschlagen, die einen Betriebsleistungs-/Kompliziertheits-Kompromiss ergeben. Obwohl sie eine polynome Kompliziertheit mit der Anzahl von Benutzern haben und erhebliche Betriebsleistungs-Gewinne gegenüber dem konventionellen Detektor bieten, ergeben sie immer noch ein Betriebsverhalten, das nicht optimal ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Mehrbenutzer-Detektion (MUD) in Direktsequenz-Codemultiplex-Mehrfachzugriffs-(DS/CDMA-) Kanälen.
Entsprechend ergibt die vorliegende Erfindung ein asynchrones DS/CDMA-System, das einen Empfänger einschließt, der eine Mehrbenutzer-Detektion und Paket-Kombination aufweist.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrbenutzer-Detektor für drahtlose Kommunikationen geschaffen, der eine erste Stufe mit einem ersten Paket-Kombinierer und einem ersten Decodierer und eine zweite Stufe umfasst, die einen zweite Paket-Kombinierer und einen zweiten Decodierer aufweist.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Empfänger für drahtlose Kommunikationen geschaffen, der einen Mehrbenutzer-Detektor mit einem Paket-Kombinierer und einem Decodierer umfasst.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen einen Zweistufen-Detektor ein, beim dem in der ersten Stufe zur Verbesserung versuchsweiser Entscheidungen für die Störkompensation die Pakete kombiniert und dann decodiert werden.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine weiche Eingangs-/weiche Ausgangs-Decodierung mit maximaler nachträglicher Wahrscheinlichkeits (MAP) der kombinierten Pakete ein. Der Decodierer-Ausgang wird in der zweiten Stufe für eine weiche Störkompensation verwendet. Dann wird das Kombinieren nochmals ausgeführt, bevor die abschließende Decodierung erfolgt.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine Viterbi-Decodierung mit harter Entscheidung ein. Der Decodierer-Ausgang wird in der zweiten Stufe für eine harte Störkompensation verwendet. Dann wird das Kombinieren nochmals vor der abschließenden Decodierung ausgeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird weiter aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verständlich, in der:
1 in einem Blockschaltbild einen Mehrbenutzer-Detektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 in einem funktionellen Blockschaltbild einen iterativen Mehrbenutzer-Detektor (MUD) mit einem weichen Vorwärts-Fehlerkorrektur-(FEC-) Decodierer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 in einem Blockschaltbild einen iterativen MUD mit einem harten FEC-Decodierer zeigt;
4 graphisch die Paketfehler-Wahrscheinlichkeit gegenüber der Anzahl von aktiven Benutzern in einem einen frequenzselektiven Rayleigh-Schwund aufweisenden Kanal mit Leistungsregelung, einer endlichen Anzahl von Quantisierungspegeln und einer nicht-perfekten Zeitsteuerung, Amplitude und Phasen-Abschätzung zeigt;
5 graphisch die Paketfehler-Wahrscheinlichkeit gegenüber der Anzahl von aktiven Benutzern in einem einen frequenzselektiven Rayleigh-Schwund aufweisenden Kanal mit Leistungsregelung, einer unendlichen Anzahl von Quantisierungspegeln und einer perfekten Kenntnis der Zeitsteuerung, Amplitude und Phase zeigt;
6 graphisch Bitfehler-Raten für die Ausführungsform nach 1 verglichen mit einem typischen Rake-Empfänger als eine Funktion der Anzahl von Benutzern pro Sektor zeigt;
7 graphisch Paketfehler-Raten für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verglichen mit einem typischen Rake-Empfänger als eine Funktion von Benutzern pro Sektor zeigt;
8 den iterativen MUD mit einem weichen Decodierer nach 2 bei Kopplung mit einer einzigen Antenne zeigt; und
9 den iterativen MUD mit einem weichen Decodierer nach 2 bei einer Kopplung mit einer Vielzahl von Antennen zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In 1 ist in einem Blockschaltbild ein Mehrbenutzer-Detektor (MUD) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der MUD 10 schließt einen Rake-Empfänger 12 mit einer Vielzahl von Ausgängen 14 ein, die mit einer Paket-Kombinationseinrichtung 16 und einem Parallel-Störungs-Kompensations-(PIC-) Block 18 gekoppelt sind. Der Ausgang der Paket-Kombinationseinrichtung 16 wird einem Decodierer 20 mit weichem Eingang/weichem Ausgang (SISO) zugeführt. Der SISO-Decodierer 20 hat eine Anzahl von Ausgängen 22 für decodierte Werte. Die Anzahl der Ausgänge 22 ist mit dem PIC-Block 18 gekoppelt. Der Ausgang des PIC-Blockes 18 wird dann als Eingang an eine zweite Paket-Kombinationseinrichtung 24 geliefert, deren Ausgang als Eingang einen zweiten SISO-Decodierer 26 zugeführt wird. Der Ausgang des zweiten SISO-Decodierers wird als Eingang einer CRC-Prüfung 28 zugeführt. Ein Entscheidungsblock 30 ermöglicht eine Ausgabe des empfangenen Datenpaketes bei 32, wenn kein Fehler gefunden wird, anderenfalls wird das Paket an einen Paket-Puffer 48 gesandt, und eine ARQ wird an den Sender gesandt, wodurch die erneute Aussendung des Paktes angefordert wird.
Im Betrieb schließt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine weiche Eingangs-/weiche Ausgangs-Decodierung mit einer maximalen nachträglichen Wahrscheinlichkeit (MAP) der kombinierten Pakete ein. Der Decodierer-Ausgang wird in der zweiten Stufe für eine weiche Störkompensation verwendet. Dann wird das Kombinieren erneut vor der abschließenden Decodierung durchgeführt.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine Viterbi-Decodierung mit harter Entscheidung ein. Der Decodierer-Ausgang wird in der zweiten Stufe für eine harte Störkompensation verwendet. Dann wird das Kombinieren nochmals erneut vor der abschließenden Decodierung durchgeführt.
Nach der Mehrbenutzer-Detektion und Paket-Kombination werden die Pakete decodiert und unter Verwendung eines zyklischen Redundanz-Prüfungs-(CRC-) Codes auf Fehler geprüft. Bei Vorliegen von Fehlern behalten die Kombinationseinrichtungen die kombinierte Version des derzeitigen fehlerhaften Paketes und seiner vorhergehenden Aussendungen bei, und eine negative Bestätigung (NACK) wird an den Ursprungs-Sender gesandt. Wenn ein Paket fehlerfrei ist, werden die Kombinationseinrichtungen gelöscht und eine positive Bestätigung wird an den entsprechenden Sender gesandt.
Wir nehmen eine Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) mit Faltungscodes und einer Dualkanal-QPSK-Modulation an, das heißt eine getrennte BPSK auf dem I- und Q-Kanal. Die I- und Q-Zweige werden dann auf die Chip-Rate mit zwei unterschiedlichen Kanalisierungs-Codes gespreizt. Für die asynchrone Übertragung ist das empfangene Signal in dem m-ten codierten Bit-Intervall gemäß der Gleichung (1) modelliert:
worin K die Anzahl der Benutzer ist, A_k und b_k(t) die empfangene Amplitude für den k-ten Benutzer beziehungsweise dessen codiertes Bit zu der Zeit t darstellen. Die Signatur-Sequenzen für die I- und Q-Zweige sind mit S_I,k(t) (t) bzw. S_Q,k(t) bezeichnet. n(t) ist das additive weiße Gaussche Rauschen (AWGN) mit einer zweiseitigen spektralen Leistungsdichte (psd) No/2, Tk ist die Verzögerung, und _kε_k(t) ist die Phase des k-ten Benutzers. Die Signatur-Sequenz jedes Benutzers wird über deren Intervall T normalisiert, Gleichung (2):
Nach der Tiefpass-Filterung und unter der Annahme dass die Phasen der Benutzer bekannt sind, und nach dem Entspreizen, wird das Signal in dem I-Zweig des k-ten Benutzers in den m-ten Intervall gemäß Gleichung (3) zu:
worin r I / BB,k das Basisband des k-ten Benutzers in dem I-Zweig, b_k,m das codierte Bit des k-ten Benutzers in den n-ten Intervall ist und φ_k,j(t) = θ_j(t) – θ_k(t) ist. R(1)II,(j,k) (τj – τk) und R(2)II,(j,k) (τj – τk) die partiellen Kreuzkorrelationen zwischen den Signatur-Folgen des j-ten und des k-ten Benutzers in dem I-Zweig sind, während R(1)QI,(j,k) (τj – τk) und R(2)QI,(j,k) (τj – τk) die partiellen Kreuzkorrelationen zwischen den Signalen des j-ten und des I-ten Benutzers in dem Q- bzw. I-Zweig sind. In einer ähnlichen Weise erhalten wir lediglich durch Vertauschen der I- und Q-Bezeichnungen r Q / k,m. Die Kombination der I- und Q-Zweigsignale ergibt gemäß Gleichung (4): rk,m = rIk,m + rQk,m = AkTbk,n + MAI +nk,m worin MAI die Gesamt-Mehrfachzugriffs-Störung bezeichnet und n_k,m die Gaussche Zufallsvariable mit der zweiseitigen psd N₀/2 ist.
Ein konventioneller Detektor behandelt MAI als Breitband-Rauschen. Es wird kein Versuch gemacht, die Struktur von MAI auszunutzen. Nach dem Kombinieren des Ausganges der angepassten Filter in den I- und Q-Zweigen (wie dies durch die Gleichung (4) angegeben ist) wird das Signal mit den vorhergehenden nicht erfolgreichen Übertragungen kombiniert, Gleichung (5):
worin L_k die Anzahl der Übertragungen des k-ten Benutzers ist und das hochgestellte Zeichen I die I-te Übertragung bezeichnet. Das kombinierte Signal wird einfach an den üblichen Viterbi-Decodierer mit weichem Eingang und hartem Ausgang weitergeleitet. Der Haupt-Nachteil dieses Detektors besteht darin, das er MAI-begrenzt ist. Seine Betriebsleistung dient als Ausgangspunkt für den Vergleich mit anderen Detektoren. Obwohl wir in den Simulationen eine asynchrone Übertragung verwenden, sei nunmehr aus Gründen der Klarheit der Erläuterung eine synchrone Übertragung angenommen.
In 2 ist in einem funktionellen Blockschaltbild ein iterativer Mehrbenutzer-Detektor (MUD) mit einem weichen Vorwärts-Fehlerkorrektur-(FEC-) Decodierer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der iterative MUD-Decodierer nach 2 schließt den Rake-Empfänger 12, die Paket-Kombinationseinrichtung 16, die parallele Störkompensationseinrichtung 18 und den SISO-Decodierer 20 nach 1 mit weiteren Einzelheiten ein. Ein empfangenes Rake-Signal wird über ein Tiefpassfilter (LPF) 40 geleitet, bevor es dem Rake-Empfänger 12 zugeführt wird. Einzelheiten des Decodierers sind für einen Benutzer (einen Benutzer 1) gezeigt, wobei es verständlich sein sollte, dass er eine Vielzahl von ähnlichen Konfigurationen für eine Decodierung bezüglich der verbleibenden zwei-K-Benutzer hat. Der Rake-Empfänger 12 schließt eine Vielzahl K von M-Korrelatoren 42 (M Finger für jede K Benutzer) ein, um eine anfängliche Decodierung des empfangenen Signals zu schaffen. Die Ausgänge der Korrelatoren werden in einer MRC-Kombinationseinrichtung 16 kombiniert, bevor sie dem Decodierer 20 zugeführt werden. Der Decodierer 20 schließt den Entschachteler 44, einen SISO-Decodierer 46, einen Codierer 48 und einen Verschachteler 50 für jeden Benutzer-Pfad 52a bis 52k ein.
Der Decodierer für einen bestimmten Benutzer (beispielsweise den Benutzer 1 in 2), schließt einen parallelen Störkompensationsblock 18 ein, der den Benutzer-Pfad 52b und 52k und Signal-Regeneratoren 54b bis 54k einschließt. Diese regenerieren die anderen Signale für eine Subtraktion von dem empfangenen Rake-Signal für den Benutzer an den Addierer 56.
Die grundlegende Idee der weichen Ausgangs-Decodierung besteht in der Gewinnung weicher Werte oder von Zuverlässigkeits-Werten der codierten Symbole. Die Anfangswerte für die Zuverlässigkeit der codierten Symbole sind vollständig Null, und damit besteht der erste Schritt in diesem Schema in der Berechnung des logarithmischen Wahrscheinlichkeitsverhältnisses der Übergangswahrscheinlichkeiten (für einen binären symmetrischen Kanal), was als Zuverlässigkeits-Wert des Kanals bezeichnet wird. Für den Fall der Übertragung eines einzelnen Benutzers ist L_c = 4a·E/N₀ [14]. Für das hier betrachtete Mehrbenutzer-Szenarium behandeln wir MAI als ein Breitband-Rauschen, und der Ausgang des weichen Kanals ergibt sich aus der Gleichung (6):
worin E die Signal-Energie pro codiertes Symbol, a die Schwund-Amplitude und
der zweite Moment der MAI pro codiertem Symbol ist. Die Kanal-Zuverlässigkeits-Werte werden in der Erststufen-Paket-Kobinationseinrichtung kombiniert, und deren Ausgang wird dem Decodierer mit weichem Eingang und weichem Ausgang zugeführt. Der zweite Schritt in dem vorgeschlagenen Schema besteht in der FEC-Weich-Entscheidungs-Decodierung unter Verwendung der MAP [14] Entscheidungs-Regel. Um eine Störkompensation mit weicher Entscheidung durchzuführen, ist es erforderlich, eine Zuverlässigkeit der codierten Symbole zu haben. Die klassische MAP erzeugt eine Zuverlässigkeit der Informationsbits, doch kann sie sehr einfach modifiziert werden, um eine Zuverlässigkeit von codierten Symbolen zu erzeugen. Es sei mit
die Wahrscheinlichkeit bezeichnet, dass das m-te codierte Symbol des Benutzers j richtig decodiert wurde, worin L_j,m die Zuverlässigkeit des codierten Symbols nach der FEC-Decodierung ist. Der Mittelwert für das m-te codierte Symbol des Benutzers j ergibt sich aus
Das Signal des k-ten Benutzers in dem m-ten Bit-Intervall an der zweiten Stufe nach der zweiten Kombination und vor der abschließenden FEC-Decodierung ergibt sich aus Gleichung (7):
Dieses Signal hat ein verbessertes SNIR gegenüber dem ursprünglichen Signal, das heißt,
ist beträchtlich verringert.
In 3 ist in einem Blockschaltbild ein iterativer MUD mit dem harten FEC-Decodierer gezeigt. Die Komponenten des Decodierers in 3 sind ähnlich denen nach 2, jedoch mit der Ausnahme, dass der Decodierer 46' ein harter Viterby-/Turbo-Decodierer ist.
Der Eingang an den einen harten Ausgang aufweisenden Viterby-/Turbo-Decodierer ist durch die Gleichung (5) gegeben. Der harte Ausgang nach der Decodierung wird dann codiert und für die Störkompensation in der zweiten Stufe verwendet. Nach der Durchführung der Störkompensation wird das Signal erneut kombiniert, und bevor es an die abschließende FEC-Decodierung gesandt wird, kann es durch die Gleichung (8) dargestellt werden.
worin EIj = (AIj T)2 ist und Ê I / J und b_jm – L_k + 1 die geschätzten Werte von E I / j und b_jm – L_k + 1 beziehungsweise b_jm – L_k + 1 sind, die für die I-te Übertragung an dem j-ten Ausgang des erststufigen Detektors gewonnen werden. Die Motivation zur Verwendung der Störkompensation nach der Decodierung (und der nachfolgenden erneuten Codierung) besteht darin, dass sie bessere versuchsweise Symbolschätzwerte b_j,m in der ersten Stufe vergibt und weiterhin eine bessere Abschätzung der empfangenen Amplituden und Phasen ergeben kann, die für die Rückführungs-Störkompensation benötigt werden.
Obwohl wir in den Simulationen eine asynchrone Übertragung verwenden, soll nunmehr aus Gründen der Klarheit der Erläuterung eine synchrone Übertragung betrachtet werden.
Die numerischen Ergebnisse, die wir liefern, beruhen auf Monte Carlo Simulationen. Wir betrachten einen konventionellen Detektor, einen zweitstufigen Detektor mit einer harten Viterbi-/Turbo-Codierung am Ausgang in der ersten Stufe und einer harten Störkompensation, und einem zweitstufigen Detektor mit einer MAP-Decodierung mit weichem Ausgang in der ersten Stufe und einer weichen Störkompensation, alles mit und ohne Paket-Kombination. Das Simulations-Modell nimmt eine Chip-synchrone und Bit-asynchrone Übertragung, eine Paketgröße von 1280 Bits, eine FEC mit einer Rate von 1/2, einen Faltungscode mit einer Bedingungs-Länge von 9 und einem CRC-Code C5 aus [15] an. Die betrachtete Datenbit-Rate ist 128 kbps, und der Spreizfaktor pro Informations-Bit ist 8. Der Kanal weist einen Rayleigh-Schwund mit einer Doppler-Frequenz von 83.3 Hz und zwei gleiche Leistungspfade auf. Alle Pfade werden in einem Rake-strukturierten Empfänger mit der maximalen Verhältnis-Kombination verfolgt. Wir verwenden die kohärente Detektion von BPSK-modulierten Signalen mit einer Pilot-gestützten Detektion. In der Simulation schließen wir eine Block-Verschachtelung, eine nicht-perfekte Leistungsregelung, eine begrenzte Anzahl von Quantisierungspegeln, eine nicht-perfekte Zeitsteuerung und eine nicht-perfekte Amplituden- und Phasenabschätzung ein.
Die schnelle Leistungsregelung wird mit 1600 Aktualisierungen pro Sekunde verwendet. Sie kompensiert einen mittleren bis schnellen Schwund durch Messen des mittleren Pilot-Signal-Pegels an dem Ausgang des angepassten Filters und führt passende Einstellungen aus. Die Einstellungen werden wie folgt realisiert: die Übertragungsleistungen der Benutzer, die 1 [dB] oder mehr unter dem Nennleistungs-Pegel liegen, werden um 1 [dB] vergrößert, während die Übertragungsleistungen von Benutzern, die 1 [dB] oder mehr über dem Nennleistungs-Pegel liegen, um 1 [dB] verkleinert werden. Das nominelle Signal-/Störverhältnis wurde zu E_b/N₀ = 7[dB] gewählt.
Die gleichförmige 16-Pegel-Quantisierung wird an den Ausgängen der angepassten Filter ausgeführt. Der Quantisierungs-Schritt bezüglich des normalisierten Einheits-Energie-Signals ist 0,25. Dieser Wert wird gewählt, weil die statistische Analyse der Ausgänge des angepassten Filters zeigt, dass die normalisierten Signal-Werte in dem Intervall von –2 bis +2 konzentriert sind.
Eine nicht-perfekte Zeitsteuerung wird in das Simulations-Modell dadurch eingeführt, das eine 1/8-Chip-Zeitsteuer-Auflösung eingeführt wird. Wenn eine Entspreizung durchgeführt wurde, statt einer Multiplikation des empfangenen Signals des gewünschten Benutzers mit der entsprechenden Spreiz-Sequenz mit einer perfekt angepassten Zeitsteuerung, wurde sie mit der verschobenen Version der gleichen Sequenz multipliziert. Diese Verschiebung wurde als eine zufällige Zahl gewählt, wobei die Werte 0, 1/64, 1/48, 1/32 und 1/16 des Chip-Intervalls mit gleichen Wahrscheinlichkeiten gewählt wurden.
Um bessere Amplituden-Schätzwerte in dem einen Rayleigh-Schwund aufweisenden Kanal zu erzielen, wurden die einzelnen Amplituden-Schätzwerte, die von den Ausgängen des angepassten Filters nach der Störkompensation gewonnen wurde, über 150 aufeinanderfolgende Realisierungen gemittelt.
In 4 ist der Durchsatz als eine Funktion der Anzahl von aktiven Benutzern dargestellt. Die Ergebnisse wurden unter realistischen Annahmen gewonnen, die alle die oben erwähnten nicht-perfekten Bedingungen einschließen: eine nicht-perfekte Leistungsregelung, eine nicht-perfekte Amplituden-Phasen- und Zeitsteuer-Abschätzung, Block-Verschachtelung und endliche Anzahl von Quantisierungspegeln. Es ist zu erkennen, dass die Kombination die Robustheit aller betrachteten Detektoren vergrößert. Die beste Betriebsleistung wird mit dem Schema erzielt, das eine Paket-Kombination und einen zweitstufigen Detektor mit einer weichen Störkompensation beinhaltet. Bei dem Durchsatz von 0,5 bietet eine weiche Störkompensation mit einer Paket-Kombination einen Gewinn von ungefähr 60% gegenüber einer weichen Störkompensation, 50% und 130% gegenüber einem konventionellen Detektor mit bzw. ohne Paket-Kombination, und 40% und 75% gegenüber einer harten Störkompensation mit bzw. ohne Paket-Kombination.
Um den Einfluss von nicht-perfekten Implementierungen zu untersuchen, wurde das System unter der Annahme der perfekten Amplituden-Phasen- und Zeitsteuer-Kenntnis und einer unendlichen Pegel-Quantisierung an der Empfängerseite simuliert. Die Ergebnisse, die in 5 gezeigt sind, zeigen, dass Verbesserungen aufgrund der Verwendung der Paket-Kombination in Verbindung mit dem MUD sogar noch größer sind, als wenn nicht-perfekte Bedingungen nicht vorliegen. Ein zweitstufiger Detektor mit einer weichen Störkompensation und einer Paket-Kombination zeigt wiederum die beste Betriebsleistung. Es sei bemerkt, dass nunmehr ein zweitstufiger Detektor mit einer harten Interferenz-Kompensation und einer Paket-Kombination für den gesamten Bereich von betrachteten Parametern besser ist, als der konventionelle Detektor mit einer Paket-Kombination, während dies nicht der Fall war, wenn die nicht-perfekten Bedingungen eingeschlossen waren. Der Grund für ein derartiges Verhalten liegt in der Tatsache, dass wenn die Anzahl von aktiven Benutzern in dem System mit nicht-perfekten Bedingungen ansteigt und daher MAI ansteigt, dies eine Verringerung der Qualität der Parameter-Abschätzung und eine hohe Fehlerrate der versuchsweisen Entscheidungen in der ersten Stufe hervorruft. Somit führen diese zwei Effekte zu der ungenauen oder vollständig fehlerhaften Störkompensation, was zu dem MAI-Anstieg führt.
In 6 sind graphisch Bit-Fehlerraten für die Ausführungsform nach 1 verglichen mit einem typischen Rake-Empfänger als Funktion der Anzahl von Benutzern pro Sektoren gezeigt.
In 7 sind graphisch Paket-Fehlerraten für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verglichen mit einem typischen Rake-Empfänger als eine Funktion von Benutzern pro Sektor gezeigt. Die Ausführungsformen können eine größere Benutzer-Kapazität in den Sektor liefern.
In 8 ist der iterative MUD mit einem weichen Decodierer nach 2 bei der Kopplung mit einer einzigen Antenne gezeigt. Die einzige Antenne 60 ist mit einem Tiefpass-Filter 40 gekoppelt.
In 9 ist der iterative MUD mit dem weichen Codierer nach 2 bei einer Kopplung mit einer Anzahl von Antennen gezeigt. Die Konfiguration nach 9 schließt eine Anzahl von Antennen 60 und 60' ein, die jeweils mit einer entsprechenden Anzahl von Tiefpass-Filtern 40 und 40' und einer Anzahl von Rake-Empfängern 42 und 42' gekoppelt sind. Die Ausgänge der Rake-Empfänger werden auf ein maximales kombiniertes Verhältnis 16 für jeden Benutzer angewandt, wenn –1 bis K ist. Obwohl 9 eine Anzahl von zwei Antennen zeigt, wird das Prinzip sehr einfach auf eine größere Anzahl von Antennen erweitert.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben wir den Empfänger geschaffen, simuliert und analysiert, der gemeinsam die Paket-Kombination und die Mehrbenutzer-Detektion verwendet. Ein Kanal mit einem frequenzselektiven Rayleigh-Schwund, einer asynchronen Übertragung mit und ohne System-Implementierungs-Unvollkommenheiten wurde betrachtet. Wir haben zwei Ausführungsformen vorgesehen: eine zweitstufige Detektion von kombinierten Paketen mit einer weichen und einer harten Störkompensation. Die erste Ausführungsform beinhaltet eine MAP-Decodierung mit weichem Eingang/weichem Ausgang der kombinierten Pakete in der ersten Stufe und die weiche Störkompensation in der zweiten Stufe. In der zweiten Ausführungsform verwenden wir die Viterbi-/Turbo-Codierung mit harter Entscheidung, um kombinierte Pakete in der ersten Stufe zu decodieren und eine harte Störkompensation in der zweiten Stufe. Simulationen haben gezeigt, dass die vorliegenden Ausführungsformen mit MUD und einer Paket-Kombination beträchtliche Betriebsleistungs-Gewinne verglichen mit ihren Gegenstücken ohne Paket-Kombination sowie gegenüber konventionellen Detektoren mit und ohne Paket-Kombination erzielen können. Wenn die Anzahl der aktiven Benutzer ansteigt, fällt der Durchsatz der Detektoren ohne Paket-Kombination schnell auf Null ab, während sie in Verbindung mit der Paket-Kombination einen erheblichen Durchsatz erzielen und damit die System-Robustheit beträchtlich vergrößern. Die beste Betriebsleistung wird durch den zweitstufigen Detektor mit einer weichen Störkompensation und einer Paket-Kombination erzielt. Der Vorteil der Mehrbenutzer-Detektion gegenüber der konventionellen Detektion ist noch stärker ausgeprägt, wenn sie mit der Paket-Kombination verwendet werden, und wenn keine System-Unzulänglichkeiten vorhanden sind.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zur Detektion der Betriebsleistung in Mehrbenutzer-Kombinationen geschaffen, die eine Mehrbenutzer-Detektionseinrichtung und eine Paket-Kombinationseinrichtung aufweisen, die mit der Mehrbenutzer-Detektionseinrichtung gekoppelt ist.
Die Mehrbenutzer-Detektionseinrichtung schließt eine Empfangseinrichtung zum Empfang der Daten der Benutzer (beispielsweise den Rake-Empfänger 12 nach den 1 bis 3 und 8 bis 9) ein, die eine Einrichtung zur gemeinsamen Demodulation der Benutzer-Daten durch Ausnutzen der Struktur von Mehrbenutzer-Störungen einschließt.
Die Paket-Kombinationseinrichtung hat eine Verbesserungseinrichtung zur Verbesserung des automatischen Standard-Wiederholungsanforderungs-Protokolls. Diese Verbesserungseinrichtung hat eine Einrichtung zur Beibehaltung von fehlerhaften Paketen ohne diese zu verwerfen und eine Einrichtung zur Kombination der beibehaltenen Pakete mit erneut ausgesandten Paketen, wodurch neue Entscheidungen verbessert werden.
Die Vorrichtung kann eine zweistufige Detektionseinrichtung aufweisen, die Erst- und Zweitstufen-Detektoren einschließt, wie dies in den 1 bis 3 und 8 bis 9 gezeigt ist.
Der erststufige Detektor hat eine Entscheidungseinrichtung zur Durchführung einer versuchsweisen Entscheidung hinsichtlich der Störkompensation, die eine Paket-Kombinationseinrichtung (beispielsweise die Kombinationseinrichtung 16) und eine Decodier-Einrichtung (beispielsweise den Decodierer 20) aufweist.
Der zweitstufige Detektor hat eine Einrichtung zum Empfang des decodierten Ausganges, der von der Decodier-Einrichtung des erststufigen Detektors geliefert wird, um die Störung zu kompensieren. Der zweitstufige Detektor weist weiterhin eine Einrichtung (beispielsweise den Kombinierer 24) auf, um die empfangenen decodierten Ausgänge vor der abschließenden Decodierung zu kombinieren (beispielsweise Decodierer 26).
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtung kann für eine asynchrone Übertragung und eine kohärente Detektion in einem Kanal mit Rayleigh-Schwund mit Vorwärts-Fehlerkorrektur verwendet werden.
Der erststufige Decodierer kann eine Einrichtung zur Durchführung einer maximal nachträglichen Wahrscheinlichkeits-Decodierung mit weichem Eingang/weichem Ausgang haben (beispielsweise den SISO-Decodierer 20).
Der zweitstufige Decodierer kann eine Einrichtung zur Durchführung einer weichen Störkompensation haben. Der Decodierer kann eine Einrichtung zur Durchführung einer Viterbi-/Turbo-Codierung mit harter Entscheidung aufweisen. Der zweitstufige Detektor kann eine Einrichtung zur Durchführung einer harten Störkompensation aufweisen.
Literaturverweise

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[12] M. K. Varanasi und B. Aazhang, „Multistage detection in asynchronous code division multiple access communications," IEEE Trans, Commun., Band COM-38, NO 4, Seiten 509-519, April 1990.
[13] M. K. Varanasi und B. Aazhang, „Near Optimum Detection in Synchronous Code-Division Multiple-Access Systems „, IEEE Trans. Commun., Band 39, Seiten 725-736, April 1999.
[14] Joachim Hagenauer, Elke Oder und Lutz Papke, „Iterative Decoding of Binary Block and Convolutional Codes", IEEE Transactions on Information Theory, Band 42, Nummer 2, Seiten 429-445, März 1996.
[15] G. Castagnoli, J. Ganz und P. Graber, „Optimum cyclic redundancy-check codes with 16-bit redundancy, „ IEEE Trans Commun., Band COM-38, Januar 1990.

Claims

Mehrbenutzer-Detektor für drahtlose Kommunikation, mit: eine ersten Stufe, die einen ersten Paket-Kombinierer (16) und einen ersten Decodierer (20) aufweist; und einer zweiten Stufe, die einen zweiten Paket-Kombinierer (24), der mit dem Ausgang des ersten Decodierers gekoppelt ist, und einen zweiten Decodierer (26) aufweist.
Mehrbenutzer-Detektor nach Anspruch 1, bei dem die erste Stufe einen Rake-Empfänger (12) einschließt, dessen Ausgang mit dem ersten Paket-Kombinierer (16) gekoppelt ist.
Mehrbenutzer-Detektor nach Anspruch 1, bei dem die erste Stufe eine Störungs-Kompensations-Einrichtung (18) einschließt, deren Ausgang mit dem zweiten Paket-Kombinierer (24) gekoppelt ist.
Mehrbenutzer-Detektor nach Anspruch 1, bei dem der erste Decodierer (20) ein harter Decodierer ist.
Mehrbenutzer-Detektor nach Anspruch 4, bei dem der erste Decodierer (20) ein Viterbi/Turbo-Decodierer ist.
Mehrbenutzer-Detektor nach Anpruch 3, bei dem der erste Decodierer (20) ein weicher Decodierer ist.
Mehrbenutzer-Detektor nach Anspruch 6, bei dem der erste Decodierer (20) ein Decodierer für eine maximale nachträgliche Wahrscheinlichkeit ist.
Mehrbenutzer-Detektor nach Anspruch 7, bei dem der erste Decodierer Ausgänge für Wahrscheinlichkeitswerte einschließt, die mit der Störungs-Kompensations-Einrichtung (18) gekoppelt sind.
Verfahren zur Feststellung des Betriebsverhaltens in Mehrbenutzer-Kommunikationen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: einen Erststufen-Detektionsschritt und einen Zweitstufen-Detektionsschritt; wobei der Erststufen-Detektionsschritt die Schritte des Paket-Kombinierens unter Verwendung eines ersten Paket-Kombinierers und der Decodierung unter Verwendung eines ersten Decodierers (20) einschließt; wobei der Zweitstufen-Detektionsschritt die Schritte des Paket-Kombinierens unter Verwendung eines zweiten Paket-Kombinierers, der mit dem Ausgang des ersten Decodierers gekoppelt ist, und der Decodierung unter Verwendung eines zweiten Decodierers (26) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Erststufen-Detektionsschritt weiterhin den Schritt der Durchführung einer versuchsweisen Entscheidung über die Stör-Kompensation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Entscheidungsschritt eine Entscheidung auf der Grundlage des Paket-Kombinierens und des Decodierens trifft.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Zweitstufen-Detektionsschritt den Schritt des Empfangens des decodierten Ausganges, der von dem Decodierungsschritt des Erststufen-Detektionsschrittes geliefert wird, umfasst, um die Störung zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Paket-Kombinieren des Zweitstufen-Detektionsschrittes den Schritt des Kombinierens der empfangenen decodierten Ausgänge vor der abschließenden Decodierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das für die asynchrone Übertragung und kohärente Detektion in einem Rayleigh-Schwund-Kanal mit Vorwärtsfehler Korrektur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Decodierungsschritt des Erststufen-Detektionsschrittes den Schritt der Ausführung einer weichen Eingangs-/weichen Ausgangs-Decodierung mit einer maximalen nachträglichen Wahrscheinlichkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Decodierungsschritt des Zweitstufen-Detektionsschrittes den Schritt der Durchführung einer weichen Stör-Kompensation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Decodierungsschritt des Erststufen-Detektionsschrittes den Schritt der Ausführung einer Viterbi/Turbo-Decodierung mit harter Entscheidung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Zweitstufen-Detektionsschritt den Schritt der Durchführung einer harten Stör-Kompensation umfasst.