DE602004009853T2

DE602004009853T2 - Vorrichtung und Verfahren zur differenziellen STBC Empfang mittels Normalisierung der Kanalleistung

Info

Publication number: DE602004009853T2
Application number: DE602004009853T
Authority: DE
Inventors: Chan-Soo Hwang; Seung -Hoon Nam; Jae-Hak Chung; Yung-Soo Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: KR20040092713A; US20040213353A1; CN1543084A; KR100957344B1; US7397866B2; EP1471678A1; EP1471678B1; CN1316755C; DE602004009853D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Drahtlos-Kommunikationssystem und insbesondere auf eine Sende-/Empfangsvorrichtung und ein Verfahren für die Nutzung einer Sendeantennen-Diversity, um eine Signalabschwächung zu bewältigen, die durch Fading verursacht wird.
Sende-Diversity ist eine der vielen effektiven Technologien, die für das Verringern von Fading in einem Drahtlos-Kommunikationssystem konzipiert ist. Eine typische Sende-Diversity-Technologie erfasst unter Verwendung einer Kanalcharakteristik gewünschte Datensymbole von einem Sender oder Empfänger. Wegen der Beweglichkeit und Schwankung eines Kanals ist es jedoch unmöglich, eine Kanalcharakteristik zwischen einem Sender und einem Empfänger exakt zu erfassen. Ferner führt das Rückkoppeln der Kanalzustandsinformationen zu dem Sender unerwünscht zu einer Verminderung bei der Kanalleistungsfähigkeit. Deshalb wurde ein hoher Forschungsaufwand für den Fall für die Sende-Diversity durchgeführt, in dem ein Sender keine Kanalinformationen aufweist.
In jüngster Zeit hat die Raum-Zeit-Blockcodierung (space time block coding) (STBC) viel öffentliche Aufmerksamkeit erregt, weil sie eine gute Leistung bereitstellt, sobald eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit erforderlich ist. Tarokh et al. schlagen insbesondere einen Raum-Block-Trellis-Code vor, der sowohl gute Codierungsverstärkungen als auch Diversity-Verstärkungen erzielt, sobald eine Vielzahl von Antennen verwendet wird (siehe Vahid Tarokh et al. „Space time block coding from orthogonal design", IEEE Trans. an Info.. Theory, Vol. 45, pp. 1456–1467, Juli 1999). Hierbei entspricht die Diversity-Verstärkung einer Reduzierung der Kanalverstärkung, die durch einen Fading-Kanal erzeugt wird.
1 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Sender zeigt, der einen Raum-Zeit-Blockcode (STBC) verwendet. Wie in 1 dargestellt, beinhaltet der Sender einen Serien-Parallel-(S/P)-Umsetzer 10, einen Codierer 20 und N Sendeantennen 30-1, 30-2, ..., 30-N.
Bezüglich 1 erzeugt der S/P-Umsetzer 10 einen Block von Symbolen durch Gruppieren der Symbole, die von einer (nicht gezeigten) vorgegebenen Informationsquelle empfangenen werden, durch die N Symbole, und liefert den erzeugten Symbolblock dem Codierer 20. Der Codierer 20 erzeugt eine vorgegebene Anzahl von Kombinationen mit den N Symbolen, und liefert über ihre entsprechenden Zeitspannen die Kombinationen über die N Sendeantennen 30-1, 30-2, ..., 30-N. Die Zeitspannen geben Symboldauern an.
Sobald 4 Sendeantennen verwendet werden, können die Symbole, die durch eine 4×4-Codiermatrix dargestellt werden, in der nachstehenden Gleichung (1) gezeigt werden.
In Gleichung (1) sind s₁, s₂, s₃ und s₄ Datensymbole, die gesendet werden sollen. Symbole in jeder Spalte werden über ihre entsprechenden Zeitspannen gesendet, und Symbole in jeder Reihe werden durch die jeweiligen Antennen gesendet. Weil Symbole von einem Block über 4 Zeitspannen gesendet werden, werden die 4 Zeitspannen als „eine Blockdauer" bezeichnet. Die jeweiligen Spalten der Codiermatrix liegen orthogonal zueinander und das vereinfacht das Codieren, hilft beim Decodieren und erzielt eine maximale Diversity-Verstärkung.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Empfänger für das Empfangen des Signals darstellt, das von dem in 1 dargestellten Sender empfangen wird. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet der Empfänger M Empfangsantennen 40-1, 40-2, ..., 40-M, eine Kanal-Schatzeinrichtung 50, einen Mehrkanal-Symbolbearbeiter 60 und einen Detektor 70.
Bezüglich 2 schätzt die Kanal-Schätzeinrichtung 50 Kanalkoeffizienten, die Kanalverstärkungen von den Sendeantennen 30-1 bis 30-N zu den Empfangsantennen 40-1 bis 40-M angeben, und der Mehrkanal-Symbolbearbeiter 60 fängt Symbole, die durch Empfangsantennen 40-1 bis 40-M empfangen werden, auf und liefert die aufgefangenen Symbole an den Detektor 70 auf. Der Detektor 70 erfasst unter Verwendung von Hypothese-Symbolen, die durch Multiplizieren der empfangenen Signale mit den Kanalkoeffizienten berechnet werden, gewünschte Symbole durch Maximum-Likelihood(ML)-Decodieren.
In dem Empfänger wird das empfangene Signal x durch die nachstehende Gleichung (2) ausgedrückt.
In Gleichung (2) ist t ein Symboldauerindex (t = 0, 1, ...) und h_i zeigt eine Kanalverstärkung von einer i^ten Sendeantenne zu dem Empfänger an, und es wird angenommen, dass sie eine unabhängige komplexe Gaußsche Zufallsvariable bilden, die während eines Interferenzschwunds eine Varianz von 0,5 pro reale Größe aufweist. Zusätzlich gibt s_t,i eine Symbolausgabe über eine i^te Sendeantenne über die i^te Symboldauer an und w_t ist ein Rauschen bei einer i^ten Symboldauer und weist eine unabhängige Nullmittelkomplex-Gauß-Charakteristik auf, die eine Anweichung von 1/SNR (Signal-to-Noise Ratio-Störabstand) pro Komplexgröße hat.
Wenn Symbole, die während des Sendens/Empfangens verwendet werden, PSK(Phase Shift Keying-Phasenumtastungs)-Symbole sind, sind die Symbole in einem Einheitskreis einer Konstellation angeordnet. Das bedeutet, dass die Symbole bei der Amplitude alle identisch sind. Dann ist das ML-Decodieren von gesendeten Symbolen äquivalent zu dem Finden von Symbolen, die am nächsten bei einer linearen Kombination eines empfangenen Signals r und einer Kanalverstärkung h unter allen möglichen Symbolen liegt.
Um den STBC zu decodieren, sind Informationen über die Kanalverstärkungen erforderlich. Wenn sich die Kanalcharakteristik schnell verändert, ist es sehr schwierig, korrekte Informationen über die Kanalverstärkung zu schätzen, und wenn eine Kanalcharakteristik ungenau gemessen wird, verschlechtert sich die Leistung des STBC beträchtlich. Um einem Empfänger zu ermöglichen, eine Kanalcharakteristik wirksam zu schätzen, muss ein Sender eine „Training Sequence" senden, und das Senden der Training Sequence vermindert die Übertragungseffizienz.
Um das oben erwähnte Problem zu lösen, wurde Differential-STBC entwickelt, für den keine Informationen über eine Kanalcharakteristik erforderlich sind (siehe H. Jafarkhani, Vahid Tarokh, „Multiple Transmit antenna differential Detection from generalized orthogonal designs", IEEE Trans. on Info.. Theory, Vol. 47, pp. 2626–2631, Sept. 2001).
3 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Sender darstellt, der einen Differential-Raum-Zeit-Blockcode (STBC) verwendet. Wie in 3 dargestellt beinhaltet der Sender einen Serien-Parallel-(S/P)-Umsetzer 105, Multiplizierer 110-1, ..., 110-K, einen Addierer 115, eine Verzögerungseinrichtung 120, einen Codierer 125 und K Sendeantennen 130-1, 130-2, ..., 130-K.
Bezüglich 3 wandelt der S/P-Umsetzer 105 einen zuvor gesendeten Symbolblock S_v, der durch die Verzögerungseinrichtung 120 verzögert wird, parallel um, und gibt K vorherige Symbole S_v,1, ...,S_v,K aus. Die Multiplizierer 110-1, ..., 110-K multiplizieren die K vorherigen Symbole mit Informationssymbolen P_v+1,1, ..., P_v+1,K, um jeweils aktuell gesendet zu werden, und der Addierer 115 addiert die ausgegebenen Symbole der Multiplizierer 110-1 bis 110-K und liefert das Ergebnis an die Verzögerungseinrichtung 120, wodurch das Ergebnis mit den nächsten Informationssymbolen multipliziert werden kann. Ferner liefert der Addierer 115 das addierte Ergebnis an den Codierer 125. Der Codierer 125 erzeugt eine vorgegebene Anzahl von Kombinationen mit ausgegebenen Symbolen der Multiplizierer 110-1 bis 110-K und sendet die Kombinationen mittels der Sendeantennen 130-1, 130-2, ..., 130-K über die entsprechenden Zeitspannen.
Ein Betrieb des Senders wird nun unter Bezug auf ein Beispiel beschrieben, in dem K = 4 ist. Anfänglich sendet der Sender einen bestimmten Symbolblock S₁ = [s_1,1 ~ s_1,4], der keine Informationen bezüglich der Codiermatrix aufweist. Danach sendet der Sender in derselben Weise S_v = [s_v,1 ~ s_v,4] gemäß der Codiermatrix. Wenn Informationssymbole P_v+1 = (P_v+1,1...P_v+1,4), die zu einem Zeitpunkt v+1 gesendet werden sollen, empfangen werden, wird ein Sendesymbol S_v+1 durch die nachstehende Gleichung (3) bestimmt.
Das heißt, Informationssymbole, die zu einem Zeitpunkt v+1 gesendet werden sollen, werden mit jeweiligen Symbolen eines Symbolblocks V_k(S_v) multipliziert, die zu einem vorherigen Zeitpunkt v gesendet werden, und dann addiert, bevor sie gesendet werden. Hierbei sind die Informationssymbole eine reelle Zahl, die durch BPSK (Binary Phase Shift Keying – binäre Phasenmodulation) erzeugt wird. Für den Symbolblock V_k(S_v) werden die Symbolkombinationen, die von dem Codierer 125 über 4 Symboldauern ausgegeben werden, durch Gleichung (4) gegeben. V1(Sv) = (sv,1, sv,2, sv,3, sv,4)T V2(Sv) = (sv,2, –sv,1, sv,4,–sv,3)T V3(Sv) = (sv,3, –sv,4,–sv,1, sv,2)T V4(Sv) = (sv,4, sv,3, –sv,2, –sv,1)T(4),wobei T eine transponierte Matrix angibt.
4 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Empfänger für das Empfangen eines Signals darstellt, das von dem in 3 dargestellten Sender gesendet wird. Wie in 4 dargestellt, beinhaltet der Empfänger M Empfangsantennen 150-1, 150-2, ..., 150-M, K Verzögerungseinrichtungen 155-1, ..., 155-K, K Multiplizierer 160-1, ..., 160K, einen Symbolbearbeiter 165 und einen Detektor 170.
Bezüglich 4 verzögern die Verzögerungseinrichtungen 155-1 bis 155-K Signale, die zuvor über eine Blockdauer empfangen werden, und geben die verzögerten Signale an die Multiplizierer 160-1 bis 160K aus. Der Symbolbearbeiter 165 versorgt die Multiplizierer 160-1 bis 160K mit Signalen, die bei den Empfangsantennen 150-1, 150-2 bis 150-M von den Sendeantennen 130-1 bis 130-K über eine Blockdauer empfangen werden. Die Multiplizierer 160-1 bis 160K berechnen Substitutionssignale, indem sie die empfangenen Signale mit den zuvor empfangenen Signalen multiplizieren, und liefern die berechneten Substitutionssignale an den Detektor 170. Der Detektor 170 erfasst eine Informationsfolge mit den Substitutionssignalen gemäß einem entsprechenden Modulationsschema.
Um einen Betrieb des Empfängers zu beschreiben, wenn das in Gleichung (1) gezeigte empfangene Signal über Mehrfach-Blockdauern erweitert wird, gilt dann rv ,t = h1sv,t,1 + h2sv,t,2 + h3sv,t,3 + h4sv,t,4 + wv,t (5)
In Gleichung (5) ist t ein Symboldauerindex und v ist ein Blockdauerindex. In dem Fall, in dem der STBC 4 Sendeantennen verwendet, besteht eine Blockdauer aus 4 Symboldauern. Zusätzlich ist w_v,t ein Rauschen bei einer t^ten Symboldauer in einer v^ten Blockdauer. Wenn 4 Sendeantennen und die Codiermatrix von Gleichung (1) verwendet werden, kann Gleichung (5) geschrieben werden als: rv,1 = h1sv,1 + h2sv,2 + h3sv,3 + h4sv,4 + wv,1 rv,2 = –h1sv,2 + h2sv,1 – h3sv,4 + h4sv,3 + wv,2 rv,3 = –h1sv,3 + h2sv,4 + h3sv,1 –h4sv,2 + wv,3 rv,4 = –h1sv,4 – h2sv,3 + h3sv,2 + h4sv,1 + wv,4 (6)
Durch Bearbeiten von Gleichung (6) werden Empfangssignalkombinationen folgendermaßen in Gleichung (7) erzeugt. R1v = (rv,1, rv,2, rv,3, rv,4) = (sv,1, sv,2, sv,3, sv,4)H⊥ + (wv,1, wv,2, wv,3, wv,4) R2v = (–rv,2, rv,1, rv,4, –rv,3) = (sv,2, –sv,1, sv,4, –sv,3)H⊥ + (–wv,2, wv,1, wv,4, –wv,3) R3v = (–rv,3, –rv,4, rv,1, rv,2) = (sv,3, –sv,4, –sv,1, sv,2)H⊥ + (–wv,3, –wv,4, wv,1, wv,2) R4v = (–rv,4, rv,3, –rv,2, rv,1) = (sv,4, sv,3, –sv,2, –sv,1)H⊥ + (–wv,4, wv,3, –wv,2, wv,1) (7)
Die Empfangssignalkombination R 1 / v wird verwendet, um ein i^tes Informationssymbol zu erfassen. Hierbei gibt H⊥ Kanalcharakteristiken in einer Matrixform an und wird durch Gleichung (8) folgendermaßen definiert.
Ein Produkt eines Empfangssignals zu einem Zeitpunkt v und eines Empfangssignals zu einem Zeitpunkt v+1, d. h. ein Substitutionssignal, wird durch Gleichung (9) bestimmt.
In Gleichung (9) bedeutet R{•} eine reelle Umsetzung und (•)^H gibt eine Hermitesche Transponierte an. Gleichung (9) stellt ein Substitutionssignal für das Berechnen eines n^ten Informationssymbols P_v+1,n dar.
Gemäß Gleichung (9) sind alle Elemente mit Ausnahme der Informationssymbole P_v+1,1 bis P_v+1,4 reelle Zahlen und die Rauschinformationen sind schon bekannt. Wenn ein Abstand zu dem Ursprung der Informationssymbole identisch ist, kann in einer 4-dimensionalen Hypersphäre, die alle Informationssymbole auf einer Achse aufweist, ein Empfänger Informationssymbole P_v+1,1 bis P_v+1,4 erfassen, obwohl ein Wert von h, der eine Kanalcharakteristik angibt, unbekannt ist.
In dem oben beschriebenen herkömmlichen Sende-/Empfangssystem kann ein Decodieren durchgeführt werden, obwohl eine Kanalcharakteristik unbekannt ist. Symbole, die verwendet werden, müssen jedoch reelle Symbole sein, welche dasselbe Format aufweisen. Deshalb werden in der Differential-STBC-Technologie Sendesymbole auf BPSK-Symbole beschränkt. BPSK-Symbole übertragen 1-Bit-Informationen pro Sekunde pro Bandbreite (1 Bit/hz/s). Es ist jedoch möglich, PSK-Modulationsdaten durch Gruppieren von Sendesymbolen durch eine vorgegebene Anzahl von Symbolen zu senden. Es ist zum Beispiel möglich, 4 Symbole durch die 2 Symbole zu gruppieren und dann 16PSK-Modulationsdaten bei jeder Symbolgruppe zu übertragen. Wenn 2 Symbole 16PSK-Modulationsdaten in dieser Weise senden, werden zwei 16PSK-Symbole über 4 Zeitspannen gesendet. Als ein Ergebnis ist es möglich, 2-Bit-Informationen pro Sekunde pro Bandbreite (2 Bit/hz/s) zu übertragen.
Wie wohlbekannt ist, ist eine M-stufige QAM (Quadrature Amplitude Modulation – Quadratur-Amplitudenmodulation) in Hinblick auf einen Störabstand (SNR) effektiver als eine M-stufige PSK. In dem herkömmlichen Differential-STBC-System muss die PSK selbst dann verwendet werden, wenn Informationen von 2 Bit oder mehr übertragen werden. Deshalb ist es nicht möglich, die Leistungsverbesserung zu gewährleisten, die der Verwendung von QAM zugeschrieben werden kann. Wenn zum Beispiel 64PSK anstelle von 64QAM verwendet wird, macht eine Verringerung des Störabstands 9,95 dB aus, und das hat eine schwerwiegende Auswirkung auf das Drahtlos-Kommunikationssystem.
TAO M et al. „Differential Space-Time Time Block Codes" GLOBECOM'01.2001 IEEE Global Communications Conference. San Antonio, TX, 25–29 Nov. 2001, IEEE Global Telecommunications Conference, New York, NY: IEEE, US, Vol. 2 of 6, 25 November 2001 Seiten 1098–1102, ISBN: 0-7803-7206-9 beziehen sich auf Differential-Raum-Zeit-Blockcodes. Wenn weder der Sender noch der Empfänger Kanal-Aufenthaltsinformationen kennen, wird, basierend auf Quadrat-Raum-Zeit-Blockcodes ein Differential-Modulationsschema für Mehrfachantennensysteme vorgeschlagen. Es wird ein Antennensystem mit M Sendeantennen und N Empfangsantennen betrachtet. Durch die M Antennen wird ein Codewort über die P Symbolzeitspannen gesendet. Die gesendete Signalmatrix wird mittels der Amplitude des Signals normalisiert.
Es ist deshalb das Ziel der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung einer Kanalleistung in einem Sendeantennen-Diversity-System, ein Verfahren für das Decodieren eines Differential-Raum-Zeit-Blockcodes (STBC) bereitzustellen.
Dieses Ziel wird erreicht durch den Gegenstand der Hauptansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen definiert.
Es ist ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, ein Decodierverfahren bereitzustellen, das weniger anfällig gegenüber einer Veränderung und einer Schätzung bei der Genauigkeit eines Kanals ist, und das einen geringen SNR-Verlust in einem Sendeantennen-Diversity-System aufweist.
Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, stellt die Erfindung ein Verfahren für das Codieren von Informationssymbolen durch einen Differential-Raum-Zeit-Blockcode (STBC) und für das Senden der codierten Informationssymbole über eine Vielzahl von Sendeantennen für die Sende-Diversity in einem Drahtlos-Kommunikationssystem bereit. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Empfangen eines Block von Informationssymbolen; Erzeugen von normalisierten Symbolen durch Multiplizieren der Informationssymbole mit einem Block von zuvor gesendeten Sendesymbolen, und dann Teilen des Multiplikationser gebnisses durch einen Normalisierungswert, der als eine Größe der zuvor gesendeten Sendesymbole bestimmt wird; Ausbilden der normalisierten Symbole in einer Vielzahl von Kombinationen, um die normalisierten Symbole einmal bei jeder Antenne über jede Zeitspanne zu senden; und Senden der Kombinationen mittels der Sendeantennen über eine Vielzahl von entsprechenden Symboldauern.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, stellt die Erfindung ein Verfahren für das Empfangen von Informationssymbolen, die durch einen Differential-Raum-Zeit-Blockcode (STBC) codiert werden, bevor sie gesendet werden, und für das Decodieren der empfangenen Informationssymbole in einem Drahtlos-Kommunikationssystem bereit. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Auffangen eines Signals, das bei einer Empfangsantenne aus einer Vielzahl von Empfangsantennen über eine Blockdauer empfangen wird; Berechnen eines Substitutionssignals durch Multiplizieren des empfangenen Signals mit einem Signal, das über eine vorherige Blockdauer empfangen wird; Schätzen der Kanalleistung für einen Kanal aus der Vielzahl von Sendeantennen zu den Empfangsantennen; Normalisieren der geschätzten Kanalleistung mit einem Normalisierungswert, der als eine Größe von zuvor empfangenen Symbolen bestimmt wird; und Berechnen der Informationssymbole durch Dividieren des Substitutionssignals durch die normalisierte Kanalleistung.
Die obigen Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen Folgendes gilt:
1 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Sender zeigt, der einen Raum-Zeit-Blockcode verwendet;
2 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Empfänger für das Empfangen eines Signals darstellt, das von dem in 1 dargestellten Sender gesendet wird;
3 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Sender darstellt, der einen Differential-Raum-Zeit-Blockcode verwendet;
4 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Empfänger für das Empfangen eines Signals darstellt, das von dem in 3 dargestellten Sender gesendet wird;
5 ist ein Blockdiagramm, das einen Sender darstellt, der einen Differential-Raum-Zeit-Blockcode nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
6 ist ein Blockdiagramm, das einen Empfänger für das Empfangen eines Signals, das von einem in 5 dargestellten Sender gesendet wird, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 stellt basierend auf der Anzahl L von Symbolen zur Schätzung von Kanalleistung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Symbolfehlerraten (SERs) gegenüber Bit-Energie-zu-Rauschen (Eb/No) dar; und
8 stellt einen Vergleich zwischen der herkömmlichen Technologie und der vorliegenden Erfindung bezüglich der Symbolfehlerraten (SERs) gegenüber Bit-Energie-zu-Rauschen (Eb/No) dar.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung wurde eine ausführliche Beschreibung bekannter Funktionen und Konfigurationen, die hierin enthalten sind, der Knappheit wegen weggelassen. Die hierin verwendeten Begriffe werden unter Betrachtung ihrer Funktionen in der Erfindung definiert und können gemäß Anwenderabsichten und üblichen Anwendungen verändert werden. Deshalb sollte die Definition basierend auf den Gesamtinhalten der Spezifikation erfolgen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren für das Decodieren eines teilweise kohärenten Raum-Zeit-Blockcodes bereit, das keine Training Sequence erfordert, stabil gegenüber Kanalveränderungen ist, und durch die Verwendung von lediglich berechneter Leistung eines Kanals beim Decodieren eines Diffenrential-Raum-Zeit-Blockcodes (STBC) in einem Sende-Diversity-System einen geringen SNR-Verlust aufweist. Die Erfindung kann Symbole senden, die verschiedene Abstände zu dem Ursprung in einer mehrdimensionalen Hypersphäre aufweisen.
5 ist ein Blockdiagramm, das einen Sender darstellt, der einen Differential-Raum-Zeit-Blockcode nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie in 5 dargestellt, beinhaltet der Sender einen Serien-Parallel-(S/P)-Umsetzer 205, Multiplizierer 210-1, ..., 210-K, einen Addierer 215, eine Verzögerungseinrichtung 220, eine Normalisierungseinrichtung 225, einen Codierer 230 und K Sendeantennen 235-1, 235-2, ..., 235-K.
Bezüglich 5 wandelt der Serien-Parallel-(S/P)-Umsetzer 205 einen zuvor gesendeten Symbolblock S, der von der Verzögerungseinrichtung 220 verzögert wird, parallel um, und gibt vorherige Symbole S_v,1, ..., S_v,k aus. Die Multiplizierer 210-1, ..., 210-K multiplizieren die K vorherigen Symbole mit Informationssymbolen P_v+1,1, ...,P_v+1,K, die jeweils aktuell gesendet werden sollen, und der Addierer 215 addiert die ausgegebenen Symbole der Multiplizierer 210-1, ..., 210-K und liefert das Ergebnis an die Verzögerungseinrichtung 220, um das addierte Ergebnis mit den nächsten Informationssymbolen zu multiplizieren. Ferner liefert der Addierer 215 das Ergebnis an die Normalisierungseinrichtung 225. Hierbei wird der Addierer 215 verwendet, sobald die Informationssymbole durch eine vorgegebene Anzahl von Symbolen gruppiert werden, um PSK- oder QAM-Modulationsdaten zu senden, d. h. der Addierer 215 ist optimal.
Die Normalisierungseinrichtung 225 multipliziert die addierten Symbole mit einem Normalisierungswert, der als ein Reziprokwert 1/|S_v| einer Größe eines vorherigen Symbolblocks bestimmt wird, und der Codierer 230 erzeugt eine vorgegebene Anzahl von Kombinationen mit einer Ausgabe der Normalisierungseinrichtung 225 gemäß einer vorgegebenen Sende-Codiermatrix, und sendet die Kombinationen mittels der Sendeantennen 235-1, 235-2, ..., 235-K über die entsprechende Zeitspanne.
Ein Betrieb des Senders wird nun mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben, in dem 4 Sendeantennen und die Codiermatrix von Gleichung (1) verwendet werden. Anfänglich sendet der Sender einen bestimmten Symbolblock S₁ = [s_1,1 ~ s₁ _, ₄], der keine Informationen bezüglich der Codiermatrix aufweist. Sobald Informationssymbole Pv+1 = (P_v+1,1 ... P_v+1,4), die zu einem Zeitpunkt v+1 gesendet werden sollen, empfangen werden, wird ein Informationssymbol S_v+1 durch die nachstehende Gleichung (10) bestimmt.
Das heißt, die Informationssymbole werden mit einem Symbolblock V_k(S_v), der zu einer vorherigen Zeit gesendet wird, multipliziert und dann, nachdem sie normalisiert sind, gesendet. Hierbei wird ein Symbolblock V_k(S_v), der über eine k^te Symboldauer in einer v^ten Blockdauer gesendet wird, durch Gleichung (11) bestimmt. V1(Sv) = (sv,1, sv,2, sv,3, sv,4)T V2(Sv) = (sv,2, –sv,1, sv,4, –sv,3)T V3(Sv) = (sv,3, –sv,4, –sv,1, sv,2)T V4(Sv) = (sv,4, sv,3, –sv,2, –sv,1)T (11)
Das Normalisieren eines Sendesymbolblocks mit einer Größe |S_v| eines vorherigen Symbolblocks in einem Sender verhindert die Verschlechterung der Erfassungsleistung in einem Empfänger, die durch eine Leistungsveränderung von Sendesymbolen verursacht wird.
6 ist ein Blockdiagramm, das einen Empfänger für das Empfangen eines Signals, das von einem in 5 dargestellten Sender gesendet wird, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 6 dargestellt beinhaltet der Empfänger M Empfangsantennen 305-1, 305-2, ..., 305-M, Verzögerungseinrichtungen 310-1, ..., 310-K, Multiplizierer 315-1, ..., 315-K, einen Symbolbearbeiter 320, Dividierer 325-1, ..., 325-K, eine Leistungs-Schätzeinrichtung 330, eine Normalisierungseinrichtung 335 und einen Detektor 340.
Bezüglich 6 verzögern die Verzögerungseinrichtungen 310-1 bis 310-K die zuvor über eine Blockdauer empfangenen Signale und geben die verzögerten Signale an die Multiplizierer 315-1 bis 315-K aus. Der Symbolbearbeiter 320 versorgt die Multiplizierer 315-1 bis 315-K mit Signalen, die bei den Empfangsantennen 305-1 bis 305-M von den Sendeantennen 235-1 bis 235-K über eine Blockdauer empfangen werden. Hierbei besteht eine Blockdauer aus K Symboldauern. Die Multiplizierer 315-1 bis 315-K berechnen Substitutionssignale, indem sie die empfangenen Signale mit den zuvor empfangenen Signalen multiplizieren.
Die Leistungs-Schätzeinrichtung 330 berechnet die Gesamtleistung von Kanälen mit empfangenen Signalen, anstatt die Kanalverstärkungen zu berechnen, welche die Kanalcharakteristiken von den K Sendeantennen 235-1 bis 235-K bis zu den Empfangsantennen 305-1 bis 305-M angeben. Die Normalisierungseinrichtung 335 multipliziert dann die Kanalleistung mit einem Normalisierungswert, der als eine Größe einer vorherigen Empfangsleistung bestimmt wird, und die Dividierer 325-1 bis 325-K erfassen Informationssymbole, indem sie Substitutionssignale durch die normalisierte Kanalleistung dividieren. Der Detektor 340 erfasst gemäß einem entsprechenden Modulationsschema eine Informationsfolge mit den erfassten Informationssignalen.
Wie oben beschrieben, ermöglicht der Empfänger ein zuverlässiges Decodieren, selbst wenn die Informationssymbole in der Größe verschieden sind, indem er einen Einfluss, der durch Kanalcharakteristiken von den empfangenen Signalen mit der geschätzten Kanalleistung verursacht wird, beseitigt. Tatsächlich kann die Kanalleistung von den Sendeantennen zu dem Empfänger wie in Gleichung (12) gezeigt ausgedrückt werden. h1h*1 + h2h*2 + ... hKh*K (12)In Gleichung (12) gibt h_k eine Kanalverstärkung von einer k^ten Sendeantenne zu einem Empfänger an. Weil h_k eine unabhängige komplexe Gaußsche Zufallsvariable ist, folgt die Kanalleistung einer Chi-Quadrat-Verteilung, deren Freiheitsgrad 2K ist. Dann kann die Kanal-Schatzeinrichtung 330 einen Schatzwert der Kanalleistung durch Autokorrelation der empfangenen Signale gemäß Gleichung (13) berechnen.
Weil v ein Blockdauerindex und i ein Sendeantennenindex ist, ist, wie oben beschrieben, r_v+1,i ein i^tes Signal, das über eine (v+1)^te Blockdauer empfangen wird. Ähnlich ist h_i eine Kanalverstärkung von einer i^ten Sendeantenne und σ² _w ist eine Rauschvarianz.
In einem anderen Fall wird die Kanalleistung durch empirische Autokorrelation unter Verwendung von Gleichung (14) berechnet.
In Gleichung (14) gibt L die Anzahl von Symbolen an, die für die Schätzung der Kanalleistung verwendet werden, d. h., es gibt eine Länge einer Symboldauer an. Ferner schätzt Gleichung (14), anders als Gleichung (13), unter Verwendung von Signalen, die anstelle eines Blocks über eine vorgegebene Symboldauer empfangen werden, eine Kanalleistung genauer.
Informationssymbole P_v+1,1 bis P_v+1,4 bei einem Zeitpunkt v+1 werden durch ein Empfangssignal bei einem Zeitpunkt v und durch ein Empfangssignal bei einem Zeitpunkt v+1 berechnet. Insbesondere werden Empfangssignale durch die obige Gleichung (6) ausgedrückt, und Empfangssignalkombinationen werden unter Verwendung der Empfangssignale durch den Symbolbearbeiter 320 gemäß Gleichung (7) erzeugt. Wie oben beschrieben, sind die Rauschinformationen schon bekannt.
Um Informationssymbole zu erfassen, berechnen die Multiplizierer 315-1 bis 315-K Substitutionssignale, indem zuvor empfangene Signale, die von den Verzögerungseinrichtungen 310-1 bis 310-K geliefert werden, mit den aktuell von dem Symbolbearbeiter 320 empfangenen Signalen multipliziert werden. Die Substitutionssignale werden in Gleichung (15) ausgedrückt.
In Gleichung (15) bedeutet R{•} eine reelle Umsetzung und (•)^H gibt eine Hermitesche Transponierte an. Gleichung (15) stellt ein Substitutionssignal für das Berechnen eines n^ten Informationssymbols P_v+1,n dar.
Der Quadratwurzelbegriff ist ein Normalisierungswert, der verwendet wird, um eine Kanalvarianz zu bewältigen, und er wird unter Verwendung einer Autokorrelation eines vorherigen Empfangssignals und eines Schätzwertes der Kanalleistung oder unter Verwendung des vorherigen Empfangssignals selbst berechnet. Ein Autokorrelationswert eines zuvor empfangenen Signals wird in Gleichung (16) definiert.
Das heißt, der Normalisierungswert wird durch Dividieren von Gleichung (16) durch die Kanalleistung und anschließendes Ziehen der Quadratwurzel berechnet. Dann gibt die Normalisierungseinrichtung 335 eine normalisierte Kanalleistung aus, indem sie die Kanalleistung mit dem Normalisierungswert multipliziert, und die Dividierer 325-1, ..., 325-K geben Informationssymbole P_v+1,i durch Dividieren der Ausgaben der Multiplizierer 315-1 bis 315-K, die als Gleichung (15) ausgedrückt werden, durch die normalisierte Kanalleistung aus. Der Detektor 340 stellt eine Informationsfolge mit den Informationssymbolen gemäß einem entsprechenden Modulationsschema wieder her.
Die vorliegende Erfindung erfasst auf einfache Weise Informationssymbole, selbst wenn die Informationssymbole unterschiedliche Abstände zu dem Ursprung aufweisen. Wenn zum Beispiel 2 QAM-Modulationsdatensymbole durch P₁ bis P₄ gesendet werden, besteht der Detektor 340 aus 2 QAM-Demodulatoren und stellt eine Informationsfolge mit den 2 QAM-Modulationsdatensymbolen wieder her. Wenn QAM auf diese Weise verwendet wird, kann ein SNR-Verlust, verglichen damit, wenn PSK verwendet wird, minimiert werden, und ein Empfänger für das Decodieren der Informationssymbole ist in seiner Struktur einfach, und es können verschiedene Modulationsschemata verwendet werden.
7 stellt, basierend auf der Anzahl L von Symbolen zur Schätzung von Kanalleistung, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Symbolfehlerraten (SERs) gegenüber Bit-Energie-zu-Rauschen (Eb/No) dar. Bezugszeichen 410 bezeichnet eine Leistung für einen Idealfall, in dem die exakte Kanalleistung bekannt ist. Die Bezugszeichen 420 bis 450 bezeichnen Leistungen, die unter Verwendung der Kanalleistung, die geschätzt wird, wenn L jeweils 100, 50, 25 und 10 ist, bestimmt werden. Wie in 7 dargestellt, wird angemerkt, dass die Leistung für den Fall, in dem L ausreichend lang ist, sich nicht von der Leistung für den Idealfall unterscheidet.
Um die Leistung gemäß der vorliegenden Erfindung zu analysieren, wird ein Vergleich gezogen zwischen einem herkömmlichen Fall (nachstehend als „erster Fall" bezeichnet), in dem 4 Informationssymbole, P₁ und P₂ gruppiert werden, um ein 16PSK-Modulationssymbol zu senden, und P₃ und P₄ gruppiert werden, um 16PSK-Modulationsdaten zu senden, und einem vorgeschlagenen Fall (nachstehend als "zweiter Fall" bezeichnet), in dem 16QAM-Modulationsdaten gemäß der vorliegenden Erfindung gesendet werden. Um die Vergleichsgerechtigkeit zu gewährleisten, wurde hierbei Gleichung (14), die keine Training Sequence verwendet, genutzt während gemäß der vorliegenden Erfindung die Kanalleistung geschätzt wurde.
8 stellt einen Vergleich zwischen dem ersten Fall und dem zweiten Fall bezüglich der Symbolfehlerraten (SERs) gegenüber Bit-Energie-zu-Rauschen (Eb/No) dar. Bezugszeichen 560 bezeichnet eine Leistung für den Fall, in dem 16QAM-Modulationsdaten gemäß der vorliegenden Erfindung decodiert werden, wenn die exakte Kanalleistung unbekannt ist. Bezugszeichen 550 bezeichnet eine Leistung für den Fall, in dem 16QAM-Modulationsdaten unter Verwendung der geschätzten Kanalleistung decodiert werden. Bezugszeichen 540 bezeichnet eine Leistung für den Fall, in dem 16PSK-Modulationsdaten unter Verwendung des herkömmlichen Differential-STBC decodiert werden. Bezugszeichen 530 bezeichnet eine Leistung für den Fall, in dem 64QAM-Modulationsdaten unter Verwendung der exakten Kanalleistung decodiert werden. Bezugszeichen 520 bezeichnet eine Leistung für den Fall, in dem 64QAM-Modulationsdaten unter Verwendung der geschätzten Kanalleistung decodiert werden. Bezugszeichen 510 bezeichnet eine Leistung für den Fall, in dem 64PSK-Modulationsdaten unter Verwendung des herkömmlichen Differential-STBC decodiert werden.
Wie in 8 dargestellt, kann die vorliegende Erfindung eine Leistungsverstärkung von 6,2 dB bei derselben Symbolfehlerrate (SER) erzielen, und das bedeutet, dass es möglich ist, die Leistung um 6,2 dB zu reduzieren, um dieselbe Symbolfehlerrate zu erzielen. Das heißt, die Leistungsreduzierung, die durch ein Schätzen einer Kanalleistung verursacht wird, liegt auf einem vernachlässigbaren Niveau.
Die vorliegende Erfindung weist, verglichen mit dem Stand der Technik, eine Anzahl von Vorteilen auf. Das heißt, die vorliegende Erfindung kann eine SNR-Verstärkung erzielen, weil die Erfindung ein Senden/einen Empfang ermöglicht, die gegen ein schnelles Fading widerstandfähig sind, sie erfordert keine Training Sequence für die Kanalschätzung, und sie kann Modulationssymbole senden, die verschieden Abstände zu dem Ursprung aufweisen.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre bestimmten bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird von Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin durchgeführt werden können, ohne von dem Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert wird, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Empfangen von Informationssymbolen, die mit einem differenziellen Raum-Zeit-Block-Code (space-time-block code-STBC) codiert werden, bevor sie gesendet werden, und Dekodieren der empfangenen Informationssymbole in einem Drahtlos-Kommunikationssystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen eines Signals, das an einer Empfangsantenne von einer Vielzahl von Sendeantennen über eine Blockdauer empfangen wird; Berechnen eines Substitutionssignals durch Multiplizieren des empfangenen Signals mit einem über eine vorangegangene Blockdauer empfangenen Signal; Schätzen von Kanal-Leistung für einen Kanal von der Vielzahl von Sendeantennen zu den Empfangsantennen; Normalisieren der geschätzten Kanal-Leistung durch Multiplizieren der Kanal-Leistung mit einem Normalisierungswert, der als eine Größe vorangegangener Empfangsleistung bestimmt wird, wobei der Normalisierungswert mit
berechnet wird, wobei |S_v| ein Normalisierungswert ist, der als eine Größe über eine vorangegangene Dauer V empfangener Symbole bestimmt wird, und S_v,Nt ein über eine vorangegangene Blockdauer von einer Nt-ten-Sendeantenne empfangenes Symbol ist; Dividieren eines Autokorrelationswertes eines zuvor empfangenen Signals durch die geschätzte Kanal-Leistung und anschließend Ziehen einer Quadratwurzel; oder
wobei |S_v| der Normalisierungswert ist, S_v ein zu einer vorangegangenen Dauer v empfangener Symbolblock ist, R{•} reale Umwandlung anzeigt, R {R n / vR n / Hv} der Autokorrelationswert des Symbols S_v ist, (•)^H hermitische Transponierte anzeigt, W_n ein Rauschen bei einer n-ten Symboldauer ist und
die geschätzte Kanal-Leistung ist; und Berechnen von Informationssymbolen durch Dividieren des Substitutionssignals durch die normalisierte Kanal-Leistung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Informationssymbole mit
berechnet werden, wobei P_v+1,n ein n-tes-Informationssymbol zu einer aktuellen Blockdauer v+1 ist, R{•} reale Umwandlung anzeigt, R n / v+1 und R n / v Empfangssignal-Kombinationen sind, die erzeugt werden, um ein n-tes-Symbol mit für eine aktuelle Blockdauer v+1 beziehungsweise für eine vorangegangene Blockdauer v empfangenen Signalen zu berechnen, (•)^H hermitische Transponierte anzeigt, W_n ein Rauschen bei einer n-ten Symboldauer ist,
die geschätzte Kanal-Leistung ist und |S_v| der Normalisierungswert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschätzte Kanal-Leistung mit p ^B = E{r*v+1,i rv+1,i}–σ2w berechnet wird, wobei r_v+1,i ein für eine i-te-Symbol-Dauer in einer (v+1)-ten Blockdauer empfangenes Signal anzeigt, und σ 2 / w eine Rauschvarianz anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschätzte Kanal-Leistung mit
berechnet wird, wobei r_v+1,i ein für eine i-te Symboldauer in einer (v+1)-ten Blockdauer empfangenes Signal anzeigt, σ 2 / w eine Rauschvarianz anzeigt und L eine Lange von Symboldauern ist, die für die Schätzung der Kanal-Leistung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Informationssymbole reale Zahlen sind und in einer vorgegebenen Anzahl von Symbolen gruppiert werden, um PSK- oder QAM-Daten zu befördern.
Empfänger zum Empfangen von Informationssymbolen, die mit einem differenzierenden Raum-Zeit-Block-Code (STBC) kodiert werden, bevor sie gesendet werden und Dekodieren der empfangenen Informationssymbole in einem Drahtlos-Kommunikationssystem, wobei der Empfänger umfasst: eine Verzögerungsgruppe (310-1; ...; 310-K) zum Verzögern eines für eine vorangegangene Blockdauer empfangenen Signals; eine Symbol-Erfassungseinrichtung (320) zum Erfassen eines von einer Vielzahl von Sendeantennen über eine Blockdauer empfangenen Signals; eine Multiplizier-Gruppe (315-1; ...; 315-K) zum Ausgeben eines Substitutionssignals durch Multiplizieren des empfangenen Signals mit dem zuvor empfangenen Signal; eine Leistungs-Schätzeinrichtung (330) zum Schätzen von Kanal-Leistung für einen Kanal von der Vielzahl von Sendeantennen zu dem Empfänger mit dem empfangenen Signal; eine Normalisierungseinrichtung (335) zum Ausgeben normalisierter Kanal-Leistung durch Multiplizieren der geschätzten Kanal-Leistung mit einem Normalisierungswert, wobei der Normalisierungswert mit
berechnet wird, wobei |S_v| ein Normalisierungswert ist, der als eine Größe über eine vorangegangene Dauer empfangener Symbole bestimmt wird, und S_v ein über eine vorangegangene Blockdauer von einer Nt-ten Sendeantenne empfangenes Symbol ist; Dividieren eines Autokorrelationswertes eines zuvor empfangenen Signals durch die geschätzte Kanal-Leistung und anschließend Ziehen einer Quadratwurzel; oder
wobei |S_v| der Normalisierungswert ist, S_v ein zu einer vorangegangenen Dauer v empfangener Symbolblock ist, R{•} reale Umwandlung anzeigt, R{R n / vR nH / v} der Autokorrelationswert des Symbols S_v ist, v+1, (•)^H hermitische Transponierte anzeigt, W_n ein Rauschen bei einer n-ten Symboldauer ist und P ^B die geschätzte Kanal-Leistung ist; eine Dividiereinrichtung (325-1; ...; 325-K) zum Berechnen von Informationssymbolen durch Dividieren des Substitutionssignals durch die normalisierte Kanal-Leistung; und einen Detektor (340) zum Wiederherstellen einer Informationssequenz mit den Informationssymbolen.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei die Informationssymbole mit
berechnet werden, wobei P_v+1,n ein n-tes Informationssymbol zu einer aktuellen Blockdauer v+1 ist, R{•} reale Umwandlung anzeigt, R n / v+1 und R n / v Empfangssignal-Kombinationen sind, die erzeugt werden, um ein n-tes Symbol mit für eine aktuelle Blockdauer v+1 beziehungsweise eine vorangegangene Blockdauer v empfangenen Signalen zu berechnen, (•)^H hermitische Transponierte anzeigt, W_n ein Rauschen zu einer n^ten Symboldauer ist,
die geschätzte Kanal-Leistung ist, und |S_v| der Normalisierungswert ist.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei die geschätzte Kanal-Leistung mit p ^B = E{r*v+1,i rv+1,i)–σ2w berechnet wird, wobei r_v+1,i ein für eine i-te Symboldauer in einer (v+1)-ten Blockdauer empfangenes Signal anzeigt und σ 2 / w eine Rauschvarianz anzeigt.
Empfänger nach Anspruch 6, wobei die geschätzte Kanal-Leistung mit
berechnet wird, wobei r_v+1,i ein für eine i-te Symboldauer in einer (v+1)-ten Blockdauer empfangenes Signal anzeigt, σ 2 / w eine Rauschvarianz anzeigt und L eine Lange von Symboldauern ist, die zum Schätzen von Kanal-Leistungen verwendet werden.
Empfänger nach Anspruch 7, wobei die Informationssymbole reale Zahlen sind und in einer vorgegebenen Anzahl von Symbolen gruppiert werden, um PSK- oder QAM-Daten zu transportieren.