DE602004006837T2

DE602004006837T2 - Entzerrerschaltung und Verfahren mit Maximalwahrscheinlichkeitsdetektion

Info

Publication number: DE602004006837T2
Application number: DE602004006837T
Authority: DE
Inventors: Richard Stirling-Gallacher
Original assignee: Sony Deutschland GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: EP1592191A1; US20050243943A1; EP1592191B1; KR20060045866A; CN1697433A; CN100521669C; DE602004006837D1; JP2005341560A

Description

Die Erfindung betrifft eine Entzerrerstruktur bzw. -anordnung für eine Empfangsvorrichtung eines drahtlosen Kommunikationssystems, in dem die Sendeinformation nach Maßgabe eines Modulationsschemas auf Trägersignale moduliert wird, wobei alle möglichen Datensymbole als Konstellationspunkte in der Signalkonstellation des Modulationsschemas dargestellt werden und wobei die Entzerrerstruktur eine Maximum-Likelihood-Detektierung ausführt, um einen Konstellationspunkt mit einem kleinsten euklidischen Abstand zu einem empfangenen Signalvektor als einem wahrscheinlichsten empfangenen Signalvektor zu bestimmen.
Entzerrerstrukturen bzw. -anordnungen mit Maximum-Likelihood-Detektierung (MLD) werden typischerweise (jedoch nicht ausschließlich) in Kommunikationssystemen benutzt, in denen ein oder mehrere Sendern zwei oder mehr unabhängige Symbole parallel in dem gleichen Zeitschlitz und dem gleichen Frequenzband senden. In solchen Fällen interferieren die Symbole miteinander. Obwohl eine solche Interferenz in Kommunikationssystemen im allgemeinen nicht erwünscht ist, wird sie in einigen Systemen dazu benutzt, die Datenrate, die spektrale Effizienz und/oder den Systemdurchsatz zu vergrößern. Beispiele für solche Systeme sind sogenannte Mehrfach-Ausgabe-, Mehrfach-Eingabe-(MIMO)-Systeme, Codemultiplex-(CDMA)-Systeme und orthogonale Frequenzmultiplex-Codemultiplex-(OFDM-CDMA)-Systeme.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines MIMO-Systems mit einem Empfänger 1 und einem Sender 20 für die drahtlose Kommunikation auf der Basis von orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM). Der Empfänger 1 besitzt eine Hochfrequenzstufe 2 und eine Basisbandstufe 3. Die Hochfrequenzstufe 2 hat zwei Antennen 4 und 5, die jeweils mit einem rauscharmen Verstärker/Abwärtswandler 6 bzw. 7 verbunden sind. Es ist zu beachten, daß der Empfänger 1 z.B. entweder Teil einer reinen Empfangsvorrichtung oder aber Teil einer Sende- und Empfangsvorrichtung sein kann. Im letzteren Fall dienen die Antennen 4 und 5 sowohl als Empfangs- wie auch als Sendeantennen. Die abwärtsgewandelten Signale aus den Einheiten 6 und 7 werden von einer schnellen Fourier-Transformationseinheit (FFT) 8 bzw. 9 weitergeleitet und verarbeitet. Die transformierten Signale aus den Fourier-Transformationseinheiten 8 und 9 werden einer Entzerrerstruktur 10 zugeführt. Signale aus einem Signalschätzer 11 werden ebenfalls der Entzerrerstruktur 10 zugeführt. Die Entzerrerstruktur f10 führt eine Maximum-Likelihood-Detektierung durch, um den Konstellationspunkt der Signalkonstellation des Modulations schemas mit dem kleinsten euklidischen Abstand zu einem empfangenen Signalvektor als den wahrscheinlichsten empfangenen Signalvektor festzulegen. Die spezifische Verarbeitung wird weiter unten erläutert. Nach der Entzerrung werden die Signale in einem Demodulator/Kanaldekodierer 12 bzw. 13 weiterverarbeitet. Die Ausgangssignale der Demodulatoren/Kanaldekodierer 12 bzw. 13 werden einer Parallel-/Serienverarbeitungseinheit (P/S) 14 zugeführt, die den empfangenen Datenbitstrom ausgibt.
Der in 1 schematisch dargestellte Sender 20 besitzt eine Hochfrequenzstufe 21 und eine Basisbandstufe 22. In der Basisbandstufe 22 werden Sendedaten mit Hilfe eines Serien-/Parallelwandlers (S/P) 23 in zwei parallele Datenbitströme aufgeteilt. Die beiden von dem Wandler 23 ausgegebenen parallelen Datenbitströme werden einem Kanalkodierer/Modulator 24 bzw. 25 zugeführt. Die kodierten und modulierten Signale werden einer inversen schneller Fourier-Transformationseinheit (IFFT) 26 bzw. 27 zugeführt, die die transformierten Signale an eine Digital-/Analogwandler- und Filtereinheit 28 bzw. 29 liefern. Die gefilterten analogen Signale werden dann einer Aufwärtswandler-/Leistungsverstärkereinheit 30 bzw. 31 zugeführt, die die verstärkten Signale über Sendeantennen 32 bzw. 33 aussenden. Es ist zu beachten, daß der Sender 20 Teil einer Sende- und Empfangsvorrichtung sein kann.
Ein typisches MIMO-System hat im allgemeinen n_T Sendeantennen (von denen jede ein anderes Datensymbol sendet) und n_R Empfangsantennen. Die in einem solchen System maximal erreichbare Datenrate ist n_T mal größer ist als in einem äquivalenten Nicht-MIMO-System. Das in 1 als Beispiel dargestellte MIMO-System hat zwei Sendeantennen (n_T = 2) und zwei Empfangsantennen (n_R = 2. Die Datenrate ist deshalb zweimal größer als in einem Nicht-MIMO-System.
Für allgemeine MIMO-Systeme ist der Spaltenvektor des Empfangssignals für jedes Symbol durch x gegeben. Er hat n_R Zeilen, wobei jede Zeile des Vektors das empfangene Signal für jede der Empfangsantennen repräsentiert. Das empfangene Signal x ist gegeben durch x = Hs + n. (1)
Hierin bedeuten s der Spaltenvektor (n_T × 1) des gesendeten Signals, H die Kanalmatrix (n_R × n_T), die die Kanalantwort von jeder der Sendeantennen zu den Empfangsantennen repräsentiert, und n der Rauschvektor (n_R × 1).
Bei OFDM-Systemen (von denen 1 ein Beispiel zeigt) werde die Zahl der Unterträger mit M bezeichnet. Das empfangene Basisbandsignal in dem Unterträger m (m = 1, ..., M) werde als Empfangs-Spaltenvektor x_m (n_R × 1) bezeichnet. Jedes Zeilenelement des Vektors ist das Signal aus dem FFT-Ausgangssignal, das dem m-ten Unterträger für jedes Empfängerausgangssignal in dem Empfänger entspricht. Der empfangene Vektor x_m kann deshalb ausgedrückt werden als xm = Hmsm + nm (2)
Hierin bedeuten s_m der gesendete Signalvektor (n_T × 1), H_m die Kanalmatrix (n_R × n_T) und n_m der Rauschvektor (n_R × 1). Jedes Zeilenelement des gesendeten Signalvektors s_m entspricht dem Eingangssignal der IFFT, das dem m-ten Unterträger für jeden Sender entspricht. Die Elemente der Kanalmatrix H_m entsprechen den unterschiedlichen Kanalantworten aus den Elementen des gesendeten Vektors an die Elemente des empfangenen Vektors. Es ist deshalb die Kombination aus IFFT, Mehrwegekanal und FFT. Es ist allgemein bekannt, daß eine solche Kombination für OFDM-Systeme zu einer Kanalmatrix H_m führt, deren Elemente h_m,ij (i = 1 ... n_R, j = 1 ... n_T) einzelne komplexe Werte sind. Für das in 1 dargestellte Beispiel mit zwei Sendeantennen und zwei Empfangsantennen kann das empfangene Signal für den Träger m ausgedrückt werden als
Im folgenden wird die m-Notation weggelassen, und für den Fall von OFDM- oder Mehrträgersystemen wird impliziert, daß die Gleichungen und Vektoren getrennt auf jeden Träger (oder Ton) angewendet werden. Es ist wichtig, nicht zu vernachlässigen, daß die nachfolgende Verarbeitung auf alle M Träger angewendet werden muß.
Der normale Maximum-Likelihood-Detektor nach dem Stand der Technik sucht über den ganzen Satz von möglichen Sendesignalen (wobei A der Satz aller möglichen Sendevektoren ist), um zugunsten desjenigen Sendesignals zu entscheiden, das den kleinsten euklidischen Abstand zu dem Empfangsvektor hat.
Die Größe des möglichen Satzes A von Sendesignalen, der alle möglichen Sendesignalvektoren enthält, hängt ab von der Zahl der von den einzelnen Antennen gesendeten möglichen Symbole (die von der Modulationskonstellationsgröße abhängt) und der Zahl der Sendeantennen. Die Zahl der möglichen Sendesignalvektoren ist gegeben durch
Für höhere Modulationsschemata mit mehr als zwei Antennen kann deshalb die Satzgröße extrem groß werden.
Um dies zu illustrieren, ist in der Tabelle 1 für die gewöhnlich benutzten Modulationsschemata (BPSK, QPSK, 16QAM und 64QAM) die Zahl der Vergleiche zusammengefaßt, die gemäß Gleichung (4) vorgenommen werden müssen. Tabelle 1 – Zahl der Vergleiche für MLD

Modulationsschema Antennen (n_T, n_R)

2,2 3,3 4,4

BPSK 3 7 15

QPSK 15 63 255

16QAM 255 4095 65535

64QAM 4095 262143 1,7 × 10⁷
Die Zahl der Vergleiche ist natürlich nur einer der Maßstäbe für die Komplexität. Zu den anderen Maßstäben gehört die Anzahl der Multiplikationen, Additionen und Subtraktionen. Die exakte Zahl der Multiplikationen hängt von der Implementierung ab. Für herkömmliche MLD-Implementierungen in Kommunikationssystemen, in denen eine Präambel, gefolgt von Daten, gesendet wird, kann jedoch der komplette Vektorproduktsatz gebildet werden, sobald die Kanalmatrix (über eine Kanalschätzung während der Präambelperiode) bekannt ist. Das bedeutet, daß während der Datenphase nur die Vergleiche berechnet werden müssen. Dies ist in 2 dargestellt, die schematisch die typischen Verarbeitungsschritte für eine normale Maximum-Likelihood-Detektierung zeigt.
Wenn angenommen wird, daß die Matrix und der Vektor nur reale Werte haben, ist die Zahl der für die Generierung benötigten Multiplikationen gegeben durch
oder, falls die Matrix und der Vektor komplexe Werte haben, ist die Zahl der für die Generierung benötigten Multiplikationen gegeben durch
Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich ist, ist die Komplexität der in Entzerrerstrukturen für Empfangsvorrichtungen in drahtlosen Kommunikationssystemen benutzten Maximum-Likelihood-Detektierungsschemata nach dem Stand der Technik sehr hoch. Deshalb schlägt der Stand der Technik verschiedene Wege vor, um die Komplexität für die die Maximum-Likelihood-Detektierung für Mehrfach-Eingabe-, Mehrfach-Ausgabe-Systeme zu reduzieren:

[1] Xiaodong, Li, H. C. Huang, A. Lozano, G. J. Foschini, "Reduced Complexity Detection Algorithms for Systems Using Multi-Element Arrays", Global Telecommunications Conference (Globecom 2000), San Francisco, USA, 27. November bis 1. Dezember, Seiten 1072–1076. Dieses Papier schlägt zwei Typen von Algorithmen vor.

Der erste Algorithmus benutzt adaptive Gruppendetektierung (AGD), die die von den verschiedenen Sendeantennen gesendeten möglichen Signale in Gruppen anordnet. Die Interferenz zwischen den Gruppen wird dann mit Hilfe von Interferenzlösch- oder Projektionsverfahren unterdrückt. Innerhalb jeder Gruppe wird dann MLD-Detektierung durchgeführt. Da MLD nur in einer Teilmenge der gesamten Sendeantennen durchgeführt wird, wird die Komplexität reduziert.
Der zweite Algorithmus, der als reduzierte Mehrstufen-Konstellations-Detektierung bezeichnet wird, führt die Verarbeitung in einer Anzahl von Schritten durch.
Der erste Schritt benutzt Verfahren mit zwangsweiser Nullsetzung (alternativ können MMSE oder vergleichende Filterung benutzt werden) und versorgt den zweiten Schritt mit einer groben Schätzung der von den verschiedenen Sendeantennen gesendeten Konstellationspunkte. Der zweite Schritt wendet dann auf die Nachbarn der groben Schätung, die durch den Schritt mit der zwangsweisen Nullsetzung gewonnen wurde, MLD an. Da MLD nur in der zweiten Stufe durchgeführt wird, wobei als Kandidaten die nächten Nachbarn der groben Schätzung benutzt werden, wird die Komplexität reduziert.

[2] G. Awater, A. van Zelst, Richard van Nee, "Reduced Complexity Space Division Multiplexing Receivers", IEEE Vehicular Technology Conference (Spring VTC' 2000), Tokio, Japan, 15. bis 18. Mai 2000, Band 1, Seiten 11–15. Dieses Papier beschreibt drei verschiedene Algorithmen zum Reduzieren der Komplexität von Maximum-Likelihood-Detektierung (MLD). Der erste Algorithmus benutzt eine 2-D-Baum-Näherung zur Darstellung der mathematischen Metriken (aus der MLD-Gleichung) für die verschiedenen möglichen gesendeten Sequenzen. Die nachfolgenden niedrigeren Zweige des Baums enthalten die Signale aus einer wachsenden Anzahl von Sendeantennen. Sodann werden Verfahren mit Maximum-Likelihood-Folgeschätzung (MLSE), wie Fano's Stapel oder Speicher "k-Bestpfad" benutzt, um über die beste gesendete Sequenz zu entscheiden. Der zweite Algorithmus berücksichtigt die unterschiedlichen Metriken in dem N-dimensionalen Raum und benutzt einen Überlebensalgorithmus, um die beste gesendete Sequenz auszuwählen. Der dritte Algorithmus benutzt QR-Zerlegung, um den N-dimensionalen Raum zu reduzieren, und verwendet dann einen Überlebensalgorithmus.
[3] J Li, K. B. Letaief et al., "Multi-stage Low Complexity Maximum Likelihood Detection for OFDM/SDMA Wireless LANs", IEEE International Conference an Communications (ICC#2001), Helsinki, Finnland, 11. bis 14. Februar 2001, Band 4, Seiten 1152–1156. Der in diesem Papier beschriebene Algorithmus ist ein 2-Stufen-Algorithmus. Die erste Stufe des Algorithmus benutzt ein herkömmliches Detektierungsverfahren, wie kleinstes mittleres Fehlerquadrat (MMSE) oder Interferenzauslöschung (IC). Aus dieser Stufe werden "sensitive Bits" identifiziert und an die zweite Stufe weitergegeben (wobei "sensitive Bits" solche Bits sind, die wahrscheinlich fehlerhaft sind). Die zweite Stufe des Algorithmus wendet Maximum-Likelihood-Detektierung (MLD) an. Da MLD für diesen Algorithmus nur auf die sensitiven Bits einwirkt (die eine Teilmenge der gesamten Bits sind), wird die Komplexität reduziert.
[4] Jacky Ho-Yin Fan et al, "A Sub Optimum MLD Detection scheme for Wireless MIMO Systems", IEEE International Symposium an Advances in Wireless Communications (ISWC) 2002, Victoria, Kanada. Der in diesem Papier diskutierte Algorithmus ähnelt dem in (3) diskutierten Algorithmus. Der Algorithmus besteht aus zwei Stufen.

Die erste Stufe führt ein herkömmliches Detektierungsschema durch, wie zwangsweise Nullsetzung (ZF) oder V-BLAST. Wenn die Fehlerwahrscheinlichkeit der Symbole (oder der Vektoren von Symbolen) aus der ersten Stufe über einem bestimmten Schwellwert liegt, werden sie zu der zweiten Stufe weitergeleitet, in der MLD durchgeführt wird. Da nur eine Teilmenge der Symbole zu der zweiten Stufe weitergeleitet wird, wird die Komplexität reduziert.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Entzerrerstruktur und ein Verfahren für eine Empfangsvorrichtung eines drahtlosen Kommunikationssystems zur Verfügung zu stellen, bei denen die Sendeinformation nach Maßgabe eines Modulationsschemas auf Trägersignale moduliert wird, wobei alle möglichen Datensymbole als Konstellationspunkte in der Signalkonstellation des Modulationsschemas dargestellt werden und wobei die Entzerrerstruktur eine Maximum-Likelihood-Detektierung ausführt, um einen Konstellationspunkt mit einem kleinsten euklidischen Abstand zu einem empfangenen Signalvektor als einem wahrscheinlichsten empfangenen Signalvektor zu bestimmen, und die ferner die Komplexität der Maximum-Likelihood-Detektierung, insbesondere für Kommunikationssysteme, die höhere Modulationsschemata benutzen, weiter reduzieren und eine einfache Implementierung der Maximum-Likelihood-Detektierung ermöglichen.
Dieses Ziel wird durch eine Entzerrerstruktur nach Anspruch 1 und ein Entzerrungsverfahren nach Anspruch 6 erreicht.
Die Entzerrerstruktur gemäß der Erfindung umfaßt eine Teilereinrichtung zum Teilen der Konstellationspunkte in zwei oder mehr Gruppen von Konstellationspunkten, ferner eine Zuteilungseinrichtung zum Zuteilen eines repräsentativen Signalvektors an jede der gebildeten Gruppen, eine erste Detektoreinrichtung zur Durchführung einer Maximum-Likelihood-Detektierung, um einen oder mehrere repräsentative Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben, und eine zweite Detektoreinrichtung zur Durchführung einer Maximum-Likelihood-Detektierung, um festzustellen, welcher der Konstellationspunkte in der (den) Gruppe(n) des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor hat.
Das Entzerrerverfahren gemäß der Erfindung weist die Verfahrensschritte auf: Teilen der Konstellationspunkte in zwei oder mehr Gruppen von Konstellationspunkten, Zuteilen eines repräsentativen Signalvektors an jede der gebildeten Gruppen, Durchführung einer ersten Maximum-Likelihood-Detektierung, um einen oder mehrere repräsentative Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben, und Durchführung einer weiteren Maximum-Likelihood-Detektierung, um festzustellen, welcher der Konstellationspunkte in der (den) Gruppe(n) des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor hat.
Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in den inneren Speicher einer Empfangsvorrichtung zum Informationsempfang in einem drahtlosen Kommunikationssystem geladen werden kann und Software-Codeabschnitte aufweist zur Durchführung der Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß der Erfindung, wenn das Produkt in der Empfangsvorrichtung abläuft.
Die Entzerrerstruktur und das Entzerrungsverfahren gemäß der Erfindung haben den Vorteil, daß die Komplexität der Maximum-Likelihood-Detektierung, insbesondere für höhere Modulationsschemata, reduziert wird. Reduzieren der Komplexität bedeutet hier z.B. Reduzieren der Zahl der Multiplikationen, Additionen, Subtraktionen und Vergleiche. Bei der Maximum-Likelihood-Detektierung gemäß der vorliegenden Erfindung wird insbesondere die erforderliche Verarbeitungsspitzenlast, insbesondere in Bezug auf Multiplikationen, reduziert. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Lösungswegen nach dem Stand der Technik führen die Entzerrerstruktur und das Entzerrungsverfahren gemäß der Erfindung eine Maximum-Likelihood-Detektierung in allen Verarbeitungsstufen und in allen Verarbeitungsschritten durch und gruppieren die Signale nicht in Gruppen von Sendeantennensignalen. Außerdem benutzt die vorliegende Erfindung keine Maximum-Likelihood-Folgeschätzung und benutzt auch nicht den Überlebensalgorithmus, sondern arbeitet ausschließlich mit Maximum-Likelihood-Detektierung. Die Erfindung benutzt ferner nicht das Konzept mit sensitiven Bits, um zu entscheiden, welche Bits in die nächste Stufe weitergegeben werden sollen, sie benutzt vielmehr das Konzept, bei jedem Schritt in den wahrscheinlichsten gesendeten Konstellationspunkt hineinzuzoomen. Außerdem verzichtet die vorliegende Erfindung darauf, vor dem Übergang in die nächste Verarbeitungsstufe die Fehlerwahrscheinlichkeit zu messen.
In der Entzerrerstruktur gemäß der Erfindung unterteilt die Teilereinrichtung nach der mit Hilfe der ersten Detektoreinrichtung durchgeführten Ermittlung des einen oder der mehreren repräsentativen Signalvektoren mit dem kleinsten euklidischen Abstand zu dem Signalvektor die Konstellationspunkte in der (den) Gruppen des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren vorteilhafterweise in weitere Gruppen, woraufhin die Zuteilungseinrichtung jeder der weiteren Gruppen einen repräsentativen Signalvektor zuteilt und die erste Detektoreinrichtung eine Maximum-Likelihood-Detektierung durchführt, um einen oder mehrere der repräsentativen Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben.
Dabei unterteilt die Teilereinrichtung die Konstellationspunkte vorteilhafterweise in zwei oder mehr Gruppen, so daß einer oder mehrere der Konstellationspunkte mehr als einer Gruppe zugeteilt werden. Mit anderen Worten, die Teilereinrichtung teilt die Konstellationspunkte so, daß zwei oder mehr Gruppen einander überlappen.
Die Zuteilungseinrichtung ermittelt vorteilhafterweise für jede der gebildeten Gruppen die repräsentativen Signalvektoren, indem sie unter den Konstellationspunkten jeder Gruppe einen zentralen Punkt als den jeweils repräsentativen Signalvektor ermittelt. Alternativ könnte ein anderer Punkt gewählt werden, der für jede Gruppe repräsentativ ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Signalen in einem drahtlosen Kommunikationssystem mit zwei oder mehr Antennen zum Empfangen von Signalen und mit einer Entzerrerstruktur gemäß der Erfindung zur Verarbeitung der von den Antennen empfangenen Signale. Mit anderen Worten, die Entzerrerstruktur gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise in der Empfangsvorrichtung eines MIMO-Systems implementiert.
In der folgenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines MIMO-Kommunikationssystems nach dem Stand der Technik,
2 zeigt schematisch die typischen Verarbeitungsschritte für eine Maximum-Likelihood-Detektierung nach dem Stand der Technik,
3 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer Entzerrerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 zeigt ein Beispiel für ein 16QAM-Konstellationsschema,
5 zeigt schematisch ein Beispiel einer Konstellationsteilung für ein 16QAM-Konstellationsschema,
6 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Konstellationsteilung für ein 16ΩAM-Modulationsschema mit neun überlappenden Regionen,
7 zeigt ein Konstellationsschema, bei der eine Konstellationspunktgruppe für die Weiterverarbeitung ausgewählt wird,
8 zeigt schematisch eine mögliche Implementierung der Verarbeitungsschritte für ein Entzerrungsverfahren gemäß der Erfindung,
9 zeigt schematisch ein Beispiel für ein 64QAM-Konstellationsschema,
10 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Konstellationsteilung eines 64QAM-Konstellationsschemas,
11 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Konstellationsteilung eines 64QAM-Konstellationsschemas mit 48 überlappenden Regionen,
12 zeigt schematisch ein 64QAM-Konstellationsschema, in welchem eine Konstellationsgruppe für die Weiterverarbeitung ausgewählt wird,
13 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Konstellationsteilung eines 64QAM-Konstellationsschemas in vier Konstellationspunktgruppen,
14 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Konstellationsteilung eines 64QAM-Konstellationsschemas mit neun überlappenden Konstellationspunktgruppen,
15 zeigt schematisch ein 64QAM-Konstellationsschema, wobei eine Konstellationspunktgruppe für die Weiterverarbeitung ausgewählt wird,
16 zeigt schematisch ein 64QAM-Konstellationsschema, bei dem eine Konstellationspunktgruppe nach zwei Detektierungsschritten für die Weiterverarbeitung ausgewählt wird.
Eine Entzerrerstruktur 10 gemäß der Erfindung ist schematisch in 3 dargestellt. Die Entzerrerstruktur 10 kann demnach einen Empfänger 1 aufweisen, wie er in 1 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Entzerrerstruktur 10 in der Lage, eine Maximum-Likelihood-Detektierung an zwei parallelen ankommenden Signalsströmen aus den schnellen Fourier-Transformationseinheiten 8 bzw. 9 vorzunehmen. Es ist jedoch zu beachten, daß die Entzerrerstruktur 10 und das entsprechende Entzerrungsverfahren gemäß der Erfindung nicht auf die Verarbeitung von zwei parallelen Empfangssignalströmen beschränkt sind, sondern auch für die Verarbeitung eines, zweier, dreier, vier oder irgendeiner anderen Zahl von parallelen Empfangsdatenströmen benutzt werden können. Obwohl die Entzerrerstruktur 10 und das Verfahren gemäß der Erfindung sich in besonderer Weise für die Benutzung in MIMO-Kommunikationssystemen mit mehreren Sende- und Empfangsantennen eignen, läßt die Erfindung sich auch mit Vorteil auf Empfangsstrukturen mit nur einer einzigen Empfangsantenne anwenden. Außerdem ist die Erfindung anwendbar auf Empfangsvorrichtungen in drahtlosen Kommunikationssystemen beliebiger Art, z.B. GSM, UTMS oder irgendeinem anderen geeigneten drahtlosen Kommunikationssystem, ferner in Paging-Systemen beliebiger Art, Nahbereichskommunikationssystemen beliebiger Art, wie drahtlosen LAN-Systeme usw. Darüber hinaus kann die Empfangsvorrichtung gemäß der Erfindung eine elektronische Gerätschaft beliebiger Art sein, die für den Empfang drahtloser Signale in einem drahtlosen Kommunikationssystem ausgelegt ist, wie ein Pager, ein persönlicher digitaler Assistent (PAD), eine elektronische Gerätschaft für drahtlose Telekommunikation, wie ein tragbares Telefon usw..
Wie 3 zeigt, umfaßt die Entzerrerstruktur 10 gemäß der Erfindung eine Teilereinrichtung 30 zum Teilen der Konstellationspunkte des jeweils benutzten Modulationsschemas in zwei oder mehr Gruppen von Konstellationspunkten, eine Zuteilungseinrichtung 31, zum Zuteilen eines repräsentativen Signalvektors an jede der gebildeten Gruppen und eine erste Detektoreinrichtung 32 zur Durchführung einer Maximum-Likelihood-Detektierung, um einen oder mehrere repräsentative Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben. Die Entzerrerstruktur 10 umfaßt ferner eine zweite Detektoreinrichtung 33 zur Durchführung einer Maximum-Likelihood-Detektierung, um festzustellen, welcher der Konstellationspunkte in der (den) Gruppe(n) des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor hat. Es ist zu beachten, daß die Teilereinrichtung 30, die Zuteilungseinrichtung 31, die erste Detektoreinrichtung 32 und die zweite Detektoreinrichtung 33 in einer beliebigen Art von geeigneter Hardware- und/oder Softwarestruktur implementiert sein können. Die Teilereinrichtung 30, die Zuteilungseinrichtung 31, die erste Detektoreinrichtung 32 und die zweite Detektoreinrichtung 33 könnten z.B. als Computerprogrammprodukt implementiert sein, das direkt in den inneren Speicher einer Empfangsvorrichtung 1 ladbar ist, wobei das Computerprogrammprodukt Softwareabschnitte zur Durchführung der weiter unten beschriebenen Verfahrensschritte umfaßt.
Es ist ferner zu beachten, daß die erste Detektoreinrichtung 32 und die zweite Detektoreinrichtung 33 in einer einzigen Einheit realisiert werden könnten.
In der weiteren detaillierteren Beschreibung werden die in der Teilereinrichtung 30, der Zuteilungseinrichtung 31, der ersten Detektoreinrichtung 32 und der zweiten Detektoreinrichtung 33 ausgeführten Verfahrensschritte näher erläutert.
Dieses Verfahren wird im folgenden als Sub-Konstellationsraum-Maximum-Likelihood-Detektierung (SCD-MLD) bezeichnet.
In der Teilereinrichtung 30 wird der Konstellationsraum in eine Anzahl von Zonen unterteilt, und die Maximum-Likelihood-Verarbeitung wird in eine Anzahl ST von Schritten unterteilt, wobei ST ≥ 2. In jedem nachfolgenden Schritt "zoomt" die Entzerrerstruktur 10 oder der Detektor auf die von jeder Antenne gesendeten wahrscheinlichsten Symbole und damit auf den wahrscheinlichsten gesendeten Symbolvektor. Sobald der wahrscheinlichste gesendete Symbolvektor gefunden wurde, kann der ausgewählte gesendete Vektor mit Verfahren nach dem Stand der Technik weiterverarbeitet werden, um einen Soft-Output zu erzeugen (der eine Zuverlässigkeitsinformation enthält).
Zur Illustration der Funktion dieses neuen Detektierungsschemas werde ein 16-Pegel-QAM und n_R = n_T = 2 betrachtet. Für die normale volle MLD würde eine solche Konfiguration 255 Vergleiche benötigen. Dies ist in Tabelle 1 dargestellt.
4 zeigt eine typische 16QAM-Konstellation, bei der es in jedem Quadranten vier Konstellationspunkte gibt. Für den ersten Schritt der SCS-MLD werden die Konstellationspunkte von der Teilereinrichtung 30 in rechteckige Zonen gruppiert.
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun. 5 zeigt eine Konstellationsteilung mit vier nichtüberlappenden Zonen und vier Konstellationspunkten in jeder Zone. Alternativ können eine oder mehrere der Zonen einander überlappen, was zu einer größeren Anzahl von Zonen führt. Der extreme Fall, daß alle Zonen einander überlappen, führt zu neun Zonen. Dies ist in 6 dargestellt.
Zur Illustration der Methode sei angenommen, daß die Konstellation in vier Zonen aufgeteilt wird, wie dies in 5 dargestellt ist, und daß die Verarbeitung in zwei Schritten erfolgt (ST = 2). Das allgemeine Prinzip kann jedoch auch auf ein beliebiges höheres Modulationsschema und eine beliebige Konstellationsteilung angewendet werden und in mehr als zwei Schritten verarbeitet werden. Zusätzlich zu der ersten und der zweiten Detektoreinrichtung könnten weitere Detektierungsmittel implementiert werden, oder die weiteren Detektierungsschritte könnten von der ersten und/oder der zweiten Detektoreinrichtung ausgeführt werden.
Schritt 1:
Das Ziel des ersten Schrittes besteht darin, zu ermitteln, aus welcher Zone der wahrscheinlichste gesendete Konstellationspunkt kam. Um dies zu erreichen, sei angenommen, daß die von den verschiedenen Antennen gesendeten Signale die Zentren der verschiedenen Zonen sind diese sind in 5 als Kreuze markiert) und daß der Sendesignalvektor von der Zuteilungseinrichtung 31 als s_zone bezeichnet wird, wobei s_zone ∊ C.
Die erste Detektoreinrichtung 32 sucht über den Satz aller möglichen gesendeten Zonen, um zugunsten desjenigen gesendeten Signalvektors zu entscheiden, der zu der Zone gehört, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem Empfangsvektor hat.
In diesem Schritt ist die Satzgröße von C gegeben durch
Für dieses Beispiel (mit 4 Zonen und n_R = n_T = 2) gibt es deshalb 16 mögliche s_zone-Vektoren, was 15 Vergleichen entspricht.
Schritt 2:
Sobald die wahrscheinlichste von den verschiedenen Antennen gesendete Kombination von Konstellationszonen in der ersten Detektoreinrichtung 32 identifiziert wurde, konzentriert sich der zweite Schritt (in diesem Beispiel der letzte Schritt) auf die Punkte in diesen Zonen. Dies ist in 7 dargestellt. Für diesen letzten Schritt wird der gesendete Signalvektor mit s' bezeichnet (seine Elemente sind die Konstellationspunkte in den identifizierten Zonen), wobei s' ∊ A_zone und wobei A_zone ∊ A.
Die zweite Detektoreinrichtung 33 sucht dann über alle möglichen gesendeten Vektoren s', um zugunsten desjenigen gesendeten Vektors zu entscheiden, der den kleinsten euklidischen Abstand zu dem Empfangsvektor hat.
Für diesen Schritt ist die Größe von A_zone gegeben durch
Für dieses Beispiel (4 Konstellationspunkte in jeder Zone und n_R = n_T = 2) gibt es 16 mögliche Vektoren, die 15 Vergleichen entsprechen.
Wie mit diesem Beispiel illustriert wird, ist die Gesamtzahl der Vergleiche gleich 30 (15 in Schritt 1 plus 15 in Schritt 2) und damit erheblich geringer als die 255, die für volle MLD benötigt werden.
In Abhängigkeit davon, wie die Zonen aufgeteilt sind, ist können in der ersten Stufe Fehler gemacht werden, weil die empfangenen Vektoren x Werte enthalten, die zwischen den zugeteilten Zonenteilungsgrenzen liegen. Es ist deshalb vorteilhaft, daß eine Zahl (ZC) der besten s_zone zu der nächsten Stufe durchgeleitet werden. Für das oben dargestellte Beispiel mit zwei Stufen wird deshalb die Gesamtzahl der Vergleiche: Gesamtzahl der Vergleiche = Vergleiche in der ersten Stufe + ZC × Vergleiche in der zweiten Stufe (12)
Für den allgemeinen Fall des SCS-MLD-Algorithmus mit ST Schritten:
Die erforderliche Zahl ZC für jeden Schritt hängt von der erforderlichen Leistung ab.
Weiterhin kann durch Vergrößerung der Überlappung zwischen den zugeteilten Stufen (wie sie in 6 dargestellt ist) die Möglichkeit, einen Zonenentscheidungsfehler zu machen, reduziert und auch die Zahl ZC reduziert werden. Jedoch werden durch Vergrößerung der Zonenzahl auch die Vergleiche für den jeweiligen Schritt vermehrt. Die optimale Zonenzahl für jeden Schritt und die Zahl der Zonen (ZC), die zu dem nächsten Schritt durchgeleitet werden, müssen sorgfältig betrachtet werden, um die Komplexität für eine gegebene Leistung zu reduzieren.
Ein Beispiel für die typischen Verarbeitungsschritte für SCS-MLD für ein Kommunikationssystem, das eine Präambel, gefolgt von Datensymbolen, benutzt, ist in 8 dargestellt. Wenn man 8 mit 2 vergleicht, erkennt man, daß anstelle der extrem großen Zahl von Multiplikationen, die in der Präambelphase für volle MLD zur Berechnung von Hs benötigt werden (siehe Gleichungen (6) und (7)) der SCS-MLD-Algorithmus mit einer reduzierten Zahl von Multiplikationen implementiert werden kann und daß diese Multiplikationen über die Dauer der Kommunikationsverbindung gespreizt sind. Die Verarbeitungsspitzenlast für die benötigten Multiplikationen kann signifikant reduziert werden.
9 zeigt ein Beispiel des SCS-MLD-Algorithmus für das 64QAM-Schema. In 10, 11, 13 und 14 sind verschiedene Möglichkeiten für die Aufteilung der Konstellationen für die erste Stufe dargestellt.
Wenn SCS-MLD benutzt wird, kann die 64QAM-Konstellation in zwei Schritten verarbeitet werden (ST = 2), indem die Konstellation für den ersten Schritt so aufgeteilt wird, wie dies in 10 (oder 11) dargestellt ist. Dieser erste Schritt identifiziert, welche der aus vier Punkten bestehenden Zonen den wahrscheinlichsten gesendeten Konstellationspunkt enthält. Der zweite Schritt verarbeitet dann die vier Konstellationspunkte in den ausgewählten Konstellationszonen für jede Sendeantenne, um zugunsten des wahrscheinlichsten gesendeten Punkts zu entscheiden. Dieser zweite Schritt ist in 12 dargestellt.
Die SCS-MLD könnte alternativ in drei Schritten verarbeitet werden (ST = 3), indem die Konstellation für den ersten Schritt so aufgeteilt wird, wie dies in 13 (oder 14) dargestellt ist. Die Ergebnisse des ersten Schritts aus der ersten Detektoreinrichtung 32 identifizieren, welche aus 16 Konstellationspunkten bestehende Zone den wahrscheinlichsten gesendeten Konstellationspunkt für jede Sendeantenne enthält. Der zweite Schritt (siehe 15), der ebenfalls von der ersten Detektoreinrichtung 32 oder einer zusätzlichen Detektoreinrichtung durchgeführt wird, identifiziert dann, welche (aus vier Punkten bestehende) Unterzone, die in der ausgewählten Zone aus Schritt 1 enthalten ist, den wahrscheinlichsten gesendeten Konstellationspunkt enthält. Diese Zonen sind in 15 als gestrichelte Linien dargestellt. Der dritte Schritt, der von der zweiten Detektoreinrichtung 33 ausgeführt wird, verarbeitet dann die vier Konstellationspunkte in der ausgewählten Zone von Schritt 2, um zugunsten des wahrscheinlichsten gesendeten Konstellationspunkts für jede Antenne zu entscheiden. Dies ist in 16 dargestellt.
Die vorliegende Erfindung liefert eine signifikant verbesserte Maximum-Likelihood-Detektierung, bei der die Detektierung in zwei oder mehr Schritte getrennt wird, wobei jeder Schritt eine Maximum-Likelihood-Detektierung benutzt und die Detektierung von Schritt zu Schritt feiner wird.

Claims

Entzerrerstruktur (10) für eine Empfangsvorrichtung eines drahtlosen Kommunikationssystems, in dem die Sendeinformation nach Maßgabe eines Modulationsschemas auf Trägersignale moduliert wird, wobei alle möglichen Datensymbole als Konstellationspunkte in der Signalkonstellation des Modulationsschemas dargestellt werden und wobei die Entzerrerstruktur eine Maximum-Likelihood-Detektierung ausführt, um einen Konstellationspunkt mit einem kleinsten euklidischen Abstand zu einem empfangenen Signalvektor als einem wahrscheinlichsten empfangenen Signalvektor zu bestimmen, mit einer Teilereinrichtung (30) zum Teilen der Konstellationspunkte in zwei oder mehr Gruppen von Konstellationspunkten, mit einer Zuteilungseinrichtung (31) zum Zuteilen eines repräsentativen Signalvektors an jede der gebildeten Gruppen, mit einer ersten Detektoreinrichtung (32) zur Durchführung einer Maximum-Likelihood-Detektierung, um einen oder mehrere repräsentative Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben, mit einer zweiten Detektoreinrichtung (33) zur Durchführung einer Maximum-Likelihood-Detektierung, um festzustellen, welcher der Konstellationspunkte in der (den) Gruppe(n) des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor hat.
Entzerrerstruktur (10) für eine Empfangsvorrichtung eines drahtlosen Kommunikationssystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilereinrichtung (30) nach der mit Hilfe der ersten Detektoreinrichtung (32) durchgeführten Ermittlung des einen oder der mehreren repräsentativen Signalvektoren mit dem kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor die Konstellationspunkte in der (den) Gruppe(n) des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren in weitere Gruppen unterteilt, woraufhin die Zuteilungseinrichtung (31) jeder der weiteren Gruppen einen repräsentativen Signalvektor zuteilt und die erste Detektoreinrichtung (32) eine Maximum-Likelihood-Detektierung durchführt, um einen oder mehrere der repräsentativen Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben.
Entzerrerstruktur (10) für eine Empfangsvorrichtung eines drahtlosen Kommunikationssystems nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilereinrichtung (30) die Konstellationspunkte in der Weise in zwei oder mehr Gruppen unterteilt, daß einer oder mehrere der Konstellationspunkte mehr als einer Gruppe zugeteilt werden.
Entzerrerstruktur (10) für eine Empfangsvorrichtung eines drahtlosen Kommunikationssystems nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuteilungseinrichtung (31) die repräsentativen Signalvektoren für jede der gebildeten Gruppen ermittelt, indem sie unter den Konstellationspunkten jeder Gruppe einen zentralen Punkt als den jeweils repräsentativen Signalvektor ermittelt.
Empfangsvorrichtung (1) zum Empfangen von Signalen in einem drahtlosen Kommunikationssystem, das eine oder mehrere Antennen (4, 5) zum Empfangen von Signalen aufweist, mit einer Entzerrerstruktur (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für die Verarbeitung der von den Antennen empfangenen Signale.
Entzerrungsverfahren zum Entzerren von Signalen, die in einem drahtlosen Kommunikationssystem gesendet und empfangen werden, in dem die Sendeinformation nach Maßgabe eines Modulationsschemas auf Trägersignale moduliert wird, wobei alle möglichen Datensymbole als Konstellationspunkte in der Signalkonstellation des Modulationsschemas dargestellt werden und wobei das Entzerrungsverfahren eine Maximum-Likelihood-Verarbeitung durchführt, um einen Konstellationspunkt mit einem kleinsten euklidischen Abstand zu einem empfangenen Signalvektor als einem wahrscheinlichsten empfangenen Signalvektor zu bestimmen, wobei das Entzerrungsverfahren die Verfahrensschritte aufweist: Teilen der Konstellationspunkte in zwei oder mehr Gruppen von Konstellationspunkten, Zuteilen eines repräsentativen Signalvektors an jede der gebildeten Gruppen, Durchführung einer ersten Maximum-Likelihood-Detektierung, um einen oder mehrere repräsentative Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben, Durchführung einer weiteren Maximum-Likelihood-Detektierung, um festzustellen, welcher der Konstellationspunkte in der (den) Gruppe(n) des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor hat.
Entzerrungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ermittlung des einen oder der mehreren repräsentativen Signalvektoren mit dem kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor in der ersten Maximum-Likelihood-Detektierung die Konstellationspunkte in der (den) Gruppe(n) des einen oder der mehreren ermittelten repräsentativen Signalvektoren in weitere Gruppen unterteilt werden, woraufhin jeder der weiteren Gruppen ein repräsentativer Signalvektor zugeteilt wird und eine zweite Maximum-Likelihood-Detektierung durchgeführt wird, um einen oder mehrere der repräsentativen Signalvektoren zu ermitteln, die den kleinsten euklidischen Abstand zu dem empfangenen Signalvektor haben.
Entzerrungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstellationspunkte in der Weise in zwei oder mehr Gruppen unterteilt werden, daß einer oder mehrere der Konstellationspunkte mehr als einer Gruppe zugeteilt werden.
Entzerrungsverfahren nach Anspruch 6m 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die repräsentativen Signalvektoren für jede der gebildeten Gruppen ermittelt werden, indem unter den Konstellationspunkten jeder Gruppe ein zentraler Punkt als der jeweils repräsentative Signalvektor ermittelt wird.
Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher einer Empfangsvorrichtung (1) zum Empfangen von Informationen in einem drahtlosen Kommunikationssystem ladbar ist, mit Software-Codeabschnitten zur Durchführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wenn das Produkt in der Empfangsvorrichtung ablauft.