DE60203234T2

DE60203234T2 - Übertragungsratensteuerungstechnik für MIMO-Systeme mit mehrfach Sende- und Empfangsantennen

Info

Publication number: DE60203234T2
Application number: DE60203234T
Authority: DE
Inventors: Angel Lozano
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: DE60203234D1; CA2400517A1; EP1309102A1; US7116652B2; EP1309102B1; US20030076797A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik der drahtlosen Kommunikation und insbesondere drahtlose Kommunikationssysteme mit mehreren Antennen am Sender und mehreren Antennen am Empfänger, sogenannte MIMO-Systeme (multiple-input multiple-output).
Stand der Technik
Es ist auf diesem Gebiet bekannt, daß MIMO-Systeme (multiple-input multiple-output) im Vergleich zu Einzelantennensystemen, d.h. Einzelantenne zu Einzelantenne oder Mehrfachantenne zu Einzelantenne, drastisch verbesserte Kapazität erreichen können. Auch ist es auf diesem Gebiet bekannt, daß, wenn Informationen über den Kurzzeitzustand des Kanals zum Sender zurück gesendet werden, der Durchsatz des Kanals bezüglich eines identisch konfigurierten Systems, aber ohne Kurzzeitrücksendung verbessert werden kann. Da jedoch in MIMO-Systemen der Gesamtkanal in Wirklichkeit aus mehreren Kanälen besteht, mit einem Kanal für jede Paarung von Sendeantenne und Empfangsantenne, die alle zeitlich veränderlich sind, erfordert eine derartige Kurzzeitrücksendung eine beträchtliche Bandbreite und es ist unerwünscht, soviel Bandbreite der Rücksendung zuzuordnen. Weiterhin kann jeder Kanal mehrere Kohärenzbandbreitenabstände überspannen, wobei jeder Kohärenzbandbreitenabstand ein Streifen von Frequenzen ist, die bei ihrem Durchlaufen des Kanals die gleiche, auf dem Kanal beruhende Wirkung erfahren. Die Diversity-Ordnung eines Kanals ist die Anzahl von durch das übertragene Signal überspannten Kohärenzbandbreitenabständen.
Bei einigen bestimmten Architekturen kann der Betrag an Kurzzeitrücksendung mit geringem Leistungsverlust verringert werden, indem die Informationen über den Zustand des Kanals mit Anzeigen über die durch jede der Sendeantennen unterstützte momentane Datenrate ersetzt werden. Man siehe beispielsweise EP-A-1 207 645.
Trotzdem gibt es Fälle, bei denen sogar eine derartige Rücksendung unannehmbar sein wird, da sie zuviel der verfügbaren Bandbreite des Rückkanals in Anspruch nimmt, besonders bei einer großen Anzahl von Antennen.
In Kousa M A et al.: „Adaptive Binary Coding for Diversity Communication Systems" (adaptive binäre Codierung für Diversity-Kommunikationssysteme) IEEE International Conference on Personal Wireless Communications Proceedings, XX, XX, 1997, Seiten 80–84, XP000992269 wird gelehrt, daß in einem System mit Diversity-Kanälen eine Coderate über jeden Kanal auf Grundlage der Güte der Diversity-Kanäle durch Verwendung diskreter Optimierung der Gesamtfehlerwahrscheinlichkeit bestimmt wird, in Abhängigkeit von der Beschränkung einer festen Gesamt-Durchsatzrate.
In WO-A-00 13362 wird die Anpassung einer Übertragungsdatenrate an einen bestehenden Übertragungskanal und insbesondere auf Grundlage der Güte des Kanals gelehrt.
In Poon A S Y et al.: „An Adaptive Multi-Antenna Transceiver for Slowly Flat Fading Channels" (ein adaptiver Mehrantennen-Transceiver für Kanäle mit langsamem gleichmäßigem Schwund) Dep. of Electr. Eng. and Computer Science Univ. of California, März 2000, (2000-03), Seiten 1–35, XP002179018 wird ein adaptiver Mehrantennentransceiver für Schmalbandempfänger unter Verwendung von Signal-Unterraumzerlegung empfangener Datensignale und periodischer Rücksendung von Informationen vom Empfänger zum Sender lehrt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Ein Sender und Verfahren gemäß der Erfindung entsprechen den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen entsprechen den abhängigen Ansprüchen.
In einem MIMO-System mit einer genügend großen Anzahl von Antennen und/oder Diversity-Ordnung kann gleiche Leistung, die bei Verwendung von momentaner Rücksendung einer Übertragungsratenanzeige erreichbar ist, ohne jede derartige Kurzzeitrücksendung erreicht werden, gemäß den Grundsätzen der Erfindung, indem die Datenrate jeder Sendeantenne gemäß einer vorgeschriebenen Funktion eingestellt wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine derartige Funktion nicht von dem Kurzzeitzustand des Kanals abhängig, sondern ist statt dessen nur von seinen Langzeitstatistiken abhängig, die vom Empfänger in relativ langen Zeitabständen im Vergleich mit den für Kurzzeitrücksendung erforderlichen Abständen vom Empfänger zum Sender zurückgesendet werden können und beträchtlich weniger Bandbreite erfordern, z.B. 1000 Mal weniger. Vorteilhafterweise kann der Sender nur eindimensionale Datencodierung für jede der Sendeantennen benutzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
1 ein beispielhaftes MIMO-System (multiple-input multiple-output), das gemäß den Grundsätzen der Erfindung so angeordnet ist, um im Vergleich zu Einzelantennensystemen drastisch verbesserte Kapazität zu erreichen; und
2 eine beispielhafte Verteilung von Sendedatenraten für eine bestimmte Menge von Langzeitzuständen gemäß einem Aspekt der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Im folgenden werden nur die Grundsätze der Erfindung dargestellt. Alle hier aufgeführten Beispiele und Begriffsbestimmungen sind hauptsächlich ausdrücklich nur für Lehrzwecke bestimmt, um dem Leser ein Verständnis der Grundsätze der Erfindung und der durch die Erfinderin beigetragenen Konzepte zum Fördern der Technik behilflich zu sein und sollen keine Begrenzung für solche besonders aufgeführten Beispiele und Zustände darstellen. Weiterhin sollen alle hiesigen Anführungen von Grundsätzen, Aspekten und Ausführungsformen der Erfindung wie auch spezifische Beispiele derselben sowohl strukturmäßige als auch funktionsmäßige Äquivalente derselben umfassen. Zusätzlich sollen diese Äquivalente sowohl gegenwärtig bekannte Äquivalente wie auch zukünftig entwickelte Äquivalente einschließen, d.h. alle entwickelte Elemente, die ungeachtet des Aufbaus die gleiche Funktion ausüben.
So wird der Fachmann beispielsweise erkennen, daß die hiesigen Blockschaltbilder konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, in denen die Grundsätze der Erfindung verkörpert sind. Auf ähnliche Weise wird erkannt werden, daß alle Flußdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Verfahren darstellen, die im wesentlichen in einem vom Computer lesbaren Medium dargestellt werden können und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ganz gleich ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.
Die Funktionen der verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente einschließlich von als „Prozessoren" bezeichneten Funktionsblöcken können durch Verwendung von fest zugeordneter Hardware wie auch von Hardware, die Software ausführen kann, in Verbindung mit der zutreffenden Software bereitgestellt werden. Wenn sie durch einen Prozessor bereitgestellt werden, können die Funktionen durch einen einzigen fest zugeordneten Prozessor, durch einen einzigen gemeinsamen Prozessor oder durch mehrere einzelne Prozessoren bereitgestellt werden, von denen einige gemeinsam benutzt sein können. Darüber hinaus sollte die ausdrückliche Verwendung des Begriffs „Prozessor" oder „Steuerung" nicht dahingehend ausgelegt werden, daß sie sich ausschließlich auf Hardware beziehen, die Software ausführen kann, und können implizit ohne Begrenzung DSP-Hardware (Digitalsignalprozessor), Nurlesespeicher (ROM – read-only memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM – random access memory) und nichtflüchtige Speicherung einschließen. Sonstige herkömmliche und/oder kundenspezifische Hardware kann ebenfalls eingeschlossen sein. Auf ähnliche Weise sind alle in den Figuren dargestellten Schalter nur konzeptuell. Ihre Funktionen können durch den Betrieb von Programmlogik, durch fest zugeordnete Logik, durch die Wechselwirkung von Programmsteuerung und fest zugeordneter Logik oder auch von Hand ausgeführt werden, wobei das bestimmte Verfahren von dem Implementierer wie spezifischer aus dem Zusammenhang verständlich auswählbar ist.
In den hiesigen Ansprüchen soll jedes als ein Mittel zum Durchführen einer angegebenen Funktion ausgedrückte Element jede Art der Durchführung der Funktion umfassen, einschließlich beispielsweise von a) einer Kombination von Schaltungselementen, die diese Funktion durchführen, oder b) Software in jeder Form einschließlich daher von Firmware, Mikrocode oder dergleichen, in Kombination mit zutreffenden Schaltungen zur Ausführung der Software zur Durchführung der Funktion. Die durch diese Ansprüche definierte Erfindung liegt in der Tatsache, daß die durch die verschiedenen angeführten Mittel gebotenen Funktionalitäten auf die Weise kombiniert und zusammengebracht sind, die von den Ansprüchen gefordert wird. Von der Anmelderin werden daher alle Mittel, die diese Funktionalitäten bereitstellen können, als den hier gezeigten gleichwertig erachtet.
1 zeigt ein beispielhaftes MIMO-System (multiple-input multiple-output), das gemäß dem Grundsatz der Erfindung so angeordnet ist, um im Vergleich zu Einzelantennensystemen drastisch verbesserte Kapazität zu erreichen. Insbesondere zeigt die 1 den Sender (TX) 101 und Empfänger (RX) 103. Der Sender 101 enthält a) Demultiplexer (demux) 105; b) Codierer 107 einschließlich Codierer 107-1 bis 107-N; c) Verschachteler 109 einschließlich Verschachteler 109-1 bis 109-N, d) Symbolumcodierer 111 einschließlich Symbolumcodierer 111-1 bis 111-N; e) wahlfreie Aufwärtsumsetzer 115 einschließlich wahlfreie Aufwärtsumsetzer 115-1 bis 115-N, f) wahlfreie Sendeantennen 117 einschließlich wahlfreie Sendeantennen 117-1 bis 117-N und g) Übertragungsratensteuerung 119. Der Empfänger 103 enthält a) wahlfreie Empfangsantennen 131 einschließlich wahlfreie Empfangsantennen 131-1 bis 131-M; b) wahlfreie Abwärtsumsetzer 133 einschließlich wahlfreie Abwärtsumsetzer 133-1 bis 133-M; c) Kanalschätzer 135; d) MMSE-Filter (Minimum-Mean Square Error) mit fortlaufender Decodierung und Löschung 137; und e) Multiplexer (mux) 139.
Der Demultiplexer 105 empfängt als Eingabe einen ursprünglichen Datenstrom, die zu übertragenden Daten, und teilt ihn in N Daten-Teilströme auf, die jeweils entlang einem unabhängigen Sendeweg zu verarbeiten und dann zu übertragen sind.
Von jedem der Codierer 107 wird Kanalcodierung an den von ihm empfangenen jeweiligen Datenteilstrom angelegt, um die Redundanz des Datenteilstroms zu erhöhen. Dadurch wird Fehlerkorrektur am Empfänger erleichtert, sollten Fehler auftreten. Die Art der benutzten Kanalcodierung ist eine Funktion der durch die Übertragungsratensteuerung 119 bestimmten Übertragungsrate. Durch die Art der benutzten Kanalcodierung wird der bestimmte Betrag an Redundanz im codierten Datenteilstrom bestimmt und es ist zu bemerken, daß der Betrag an Redundanz als die Coderate bezeichnet wird. Jeder der Codierer 107 kann eine Kanalcodierung benutzen, die von der von jedem anderen der Codierer 107 benutzten Kanalcodierung unabhängig ist, und jeder kann eine unabhängig angegebene Übertragungsrate von der Übertragungsratensteuerung empfangen.
Die Verschachteler 109 sind herkömmlicher Beschaffenheit und von jedem werden die Bit des von ihm empfangenen codierten Datenteilstroms umgeordnet, um zusätzlichen Schutz gegen Fehler zu bieten.
Von jedem der Symbolumcodierer 111 werden die Bit des von ihm empfangenen verschachtelten codierten Kanalteilstroms zu einem Punkt in einer Konstellation umcodiert. Die bestimmte benutzte Konstellation wird als Funktion der durch die Übertragungsratensteuerung bestimmten Übertragungsrate ausgewählt. Typischerweise gilt, daß, je niedriger die Datenübertragungsrate, desto niedriger die Anzahl von Symbolen in der Konstellation zum Übertragen von Daten mit dieser Übertragungsrate.
Von jedem der wahlfreien Aufwärtsumsetzer 115 wird eine herkömmliche Aufwärtsumsetzungsfunktionalität durchgeführt. Im Fall eines auf Funk basierenden Systems erzeugt jeder der Aufwärtsumsetzer 115 ein Hochfrequenzsignal durch Modulieren einer Trägerwellenform unter Verwendung des von ihm als Eingabe empfangenen verstärkungsgeregelten umgesetzten Datenteilstroms. Jedes sich ergebende modulierte Signal kann der jeweiligen wahlfreien Sendeantenne 117 zugeführt werden, die an jeden der Aufwärtsumsetzer 115 angekoppelt sein können.
Durch Übertragungsratensteuerung 119 wird die Coderate und die Konstellationsgröße für jeden Teilstrom bestimmt. Jede Coderate oder ein Anzeiger derselben wird dann dem entsprechenden Codierer zugeführt und die zu benutzende Konstellation, bzw. ein Anzeiger derselben, wird jedem Symbolumcodierer zugeführt.
Von jeder der wahlfreien Empfangsantennen 131 wird ein Signal von jeder der wahlfreien Sendeantennen 117 empfangen. Die an jeder Antenne empfangenen Signale werden durch den jeweiligen der wahlfreien Abwärtsumsetzer 133, an den sie angekoppelt ist, ins Basisband umgesetzt. Die sich ergebenden Basisbandsignale, die jeweils als ein Empfangszweig bezeichnet werden können, werden in den Kanalschätzer 135 und das MMSE-Filter mit fortlaufender Decodierung und Löschung 137 eingespeist.
Vom Kanalschätzer 135 wird eine Schätzung der Kanäle für jedes Sende- und Empfangspaar entwickelt. So gibt es für N Sendeantennen und M Empfangsantennen M×N Kanäle. Die Schätzungen für jeden der Kanäle werden zusammen in eine M×N-Matrix der Gesamt-Kanalschätzung H angeordnet. Zusätzlich entwickelt der Kanalschätzer 135 eine Schätzung der Rauschleistung in dem Kanal
Vom MMSE-Filter mit fortlaufender Decodierung und Löschung 137 werden H ^ und
vom Kanalschätzer 135 empfangen. Dann wird unter Verwendung wohleingeführter Verfahren vom MMSE-Filter mit fortlaufender Decodierung und Löschung 137 fortlaufend jeder der zugehörigen Teilströme decodiert und dann sein Interferenzbeitrag neu codiert, wiederaufgebaut und gelöscht, um die Decodierung der übrigen Teilströme zu erleichtern. Dieses Verfahren ist in „Approaching eigenmode BLAST channel capacity using V-BLAST with rate and power feedback" (Annäherung an Eigenmodus-BLAST-Kanalkapazität unter Verwendung von V-BLAST mit Datenraten- und Leistungsrückkopplung), Vehicular Technology Conference (VTC'01, Herbst), Atlantic City, NJ, Okt. 2001 von S. T. Chung, A. Lozano und H. C. Huang voll aufgeführt. Die Reihenfolge, in der die Teilströme decodiert werden, ist willkürlich, aber dem Sender und insbesondere der dort befindlichen Übertragungsratensteuerung 119 bekannt. Diese Reihenfolge kann vom Implementierer eingestellt werden.
Die decodierten Teilströme werden vom MMSE-Filter mit fortlaufender Decodierung und Löschung dem Multiplexer (mux) 139 zugeführt, der sie wie im ursprünglichen Datenstrom multiplext.
Man beachte, daß der Empfänger 103 nicht ausdrücklich einen Decodierer und einen Entschachteler darstellt, die notwendig sind, um die im Sender durchgeführten komplementären Funktionen umzukehren, da diese Funktionen Teil des MMSE-Filters mit fortlaufender Decodierung und Löschung sind. Insbesondere wird jeder der zugehörigen Teilströme darin durch einen entsprechenden Entschachteler entschachtelt und dann durch einen entsprechenden Decodierer decodiert. Die Ausgabe jedes Decodierers wird dem Multiplexer 139 zugeführt und auch neu codiert und im MMSE-Filter mit fortlaufender Decodierung und Löschung 137 zur Interferenzlöschung benutzt.
Es wurde durch S. T. Chung, A. Lozano und H. C. Huang in „Approaching eigenmode BLAST channel capacity using V-BLAST with rate and power feedback" Vehicular Technology Conference (VTC'01 Herbst), Atlantic City, NJ, Okt. 2001 gezeigt, daß sich die dort beschriebenen Sender- und Empfängerarchitekturen an die Kapazität des Kanals annähern können, wenn die Übertragungsrate jeder Sendeantenne optimal eingestellt wird. Eine solche Optimalität geht jedoch typischerweise zu Kosten des Erfordernisses einer Kurzzeitrücksendung. Weiterhin wird diese Optimalität ungeachtet der bestimmten benutzten Decodierungsreihenfolge aufrechterhalten. Es ist jedoch zu beachten, daß, obwohl die Übertragungsrate jeder einzelnen Antenne von der Decodierungsreihenfolge abhängig ist, die Gesamtrate dies nicht ist. So wird ungeachtet der benutzten Decodierungsreihenfolge die gleiche Summenübertragungsrate erreicht. Es kann daher ohne Verlust an Allgemeinheit angenommen werden, daß die Antennen gemäß ihrem Index n decodiert werden.
In EP-A-1 207 645 wurde gezeigt, daß die optimale Übertragungsrate für Antenne n gegeben ist durch
wobei
h_n= [h_1,n... h_M,n]^T der komplexe M-dimensionale Kanalvektor für die Sendeantenne n ist, wobei h_m,n der Kanalübertragungskoeffizient zwischen der Sendeantenne n und Empfangsantenne m ist;
X^T die Operation der Matrixtransponierung für die Matrix X anzeigt;
H_n = [h_n+1 h_n+2... h_N], eine M-mal- (N – n)-Matrix;
P die gesamte abgestrahlte Leistung darstellt;
X^H die Operation der hermitischen Transponierung für die Matrix X anzeigt;
I die M-mal-M-Identitätsmatrix ist; und
σ² die Rauschvarianz ist.
Diese optimalen Übertragungsraten werden in EP-A-1 207 645 auf Kurzzeitbasis zum Sender zurückgesendet. Gleichung (1) kann folgendermaßen neu geschrieben werden:
was anzeigt, daß die von der n-ten Sendeantenne unterstützte Übertragungsrate durch die Differenz zwischen der Summenübertragungsrate der Sendeantennen n bis N und der Summenübertragungsrate von Sendeantennen n + 1 bis N gegeben ist.
Mit steigender Anzahl von Antennen erhärtet sich die Kapazität, d.h. ihre Kurzzeit-Zufälligkeit verschwindet. Dies ist aus der von S. Verdu und S. Shamai in „Spectral efficiency of CDMA with random spreading" (Spektraleffizienz von CDMA mit zufallsmäßiger Spreizung), IEEE Transactions on Information Theory, Band 45, März 1999, Seiten 622–640 gelehrten Matrixanalyse ersichtlich. Mathematisch stammt dieser Erhärtungsprozeß von der sogenannten „beinahe sicheren" Konvergenz der singulären Werte von H = [h₁ h₂... h_N]. Wenn man das Verhältnis von Sende- und Empfangsantennen als β = N/Mund die Kapazität pro Empfangsantenne als C = C/Mdefiniert, wobei C die Gesamtkapazität ist, dann konvergiert C, wenn die Anzahl an Antennen, d.h. entweder M, N oder sowohl M als auch N auf Unendlichkeit hin tendiert, zu einer Funktion, die kurzfristig deterministisch ist, das heißt die Funktion ist nur von Langzeitparametern wie beispielsweise das Signal-Rausch-Verhältnis und festen Parametern wie beispielsweise β abhängig, d.h. C → f(β, Langzeitparameter)
Weiterhin ist gemäß einem Aspekt der Erfindung erkannt worden, daß, obwohl eine solche Funktion eigentlich asymptotisch ist, sie eine äußerst genaue Annäherung der Kurzzeit-Durchschnittskapazität ergibt, selbst wenn die Anzahl von Antennen endlich und sogar eine kleine endliche Zahl, z.B. 4 Antennen, ist.
Wenn man eine normierte Version des Decodierungsindexes definiert, nämlich den Index der Sendeantennen geteilt durch die Gesamtzahl von Empfangsantennen, d.h. b = n/Mdann wird b, so wie die Anzahl von Antennen auf Unendlichkeit hin tendiert, zu einer kontinuierlichen Funktion zwischen 0 und β und die Differenz in Gleichung (2) konvergiert im Limes zu einer Derivierten. Die Menge optimaler Übertragungsraten, d.h. wie aus Gleichung (1) berechnet, wird im Limes, d.h. so wie die Anzahl von Antennen unendlich wird, zu einer kontinuierlichen Ratenverteilungsfunktion. Diese kontinuierliche Ratenverteilungsfunktion läßt sich ausdrücken als
was wiederum eine äußerst genaue Annäherung des Kurzzeitdurchschnittswerts der durch Gleichung (1) gegebenen Übertragungsraten ergibt. Man beachte, daß die Kapazität pro Empfangsantenne C das Integral der Raten R(b) ist, wenn b von 0 zu β geht.
So wird die Menge von einzusetzenden Übertragungsraten durch die Derivierte der asymptotischen Kapazität gegeben. Gemäß den Grundsätzen der Erfindung stellt daher die Übertragungsratensteuerung 119 die Übertragungsraten der verschiedenen Sendeantennen gemäß der Gleichung (3) ein, deren Berechnung die Verwendung von nur Langzeitparametern erfordert. Dadurch daß die Übertragungsratensteuerung 119 eine solche Ratenverteilung benutzt, ergibt sich vorteilhafterweise eine quasi optimale Leistung ohne irgendwelche Kurzzeitrücksendung zu erfordern, so lange wie die Anzahl von Antennen und/oder die Diversity-Ordnung groß genug ist.
Man beachte weiterhin, daß die verfügbare Kapazität von der Art von auf dem Kanal vorhandenem Rauschen abhängig ist. So ist beispielsweise in der Gegenwart additiven weißen Gaußschen Rauschens (AWGN – additive white Gaussian noise), die üblichste Art von Rauschen, die asymptotische Kapazität pro Empfangsantenne gegeben durch
wobei
SNR ist das Langzeit-Durchschnitts-Signal-Rausch-Verhältnis pro Empfangsantenne (SNR) gegeben durch
wobei P die Gesamt-Sendeleistung und g die Varianz der Einträge von R ist. Man beachte, daß das SNR entweder durch Bestimmen desselben am Sender selbst, z.B. Verwenden des SNR des Rückkanals erhalten werden kann oder dadurch, daß man es periodisch vom Empfänger zurücksenden läßt, an dem es bestimmt wird. Man beachte, daß Rücksenden des SNR vom Empfänger in der 1 nicht gezeigt ist, um Verwirrung mit Rücksendeanordnungen des Standes der Technik zu vermeiden, bei denen Kurzzeitparameter ziemlich häufig rückgesendet werden mußten. Ihm gegenüber ist das SNR ein Langzeitparameter, der relativ selten zurückgesendet werden müßte.
So ist für AWGN gemäß einem Aspekt der Erfindung die asymptotische Kapazität einzig eine Funktion des SNR und β und die Derivierte der asymptotischen Kapazität Gl. (4) kann berechnet werden, um folgendes zu ergeben:
2 zeigt eine beispielhafte Verteilung einer Architektur mit β = 1 und mit dem Langzeit-SNR-Parameter auf 10 dB eingestellt für die in Gl. (5) gegebene Verteilung. Der Kurve 201 gemäß Gl. (5), die für eine unendliche Anzahl von Antennen gilt, überlagert sind Punkte 203, die den Kurzzeit-Durchschnittswert der optimalen Übertragungsraten in Gl. (1) für den Fall von 4 Sende- und 4 Empfangsantennen beim gleichen Langzeit-SNR anzeigen. Die Punkte sind so auf der b-Achse positioniert, daß sie sich in der Mitte der Schritte befinden, wenn der gesamte Bereich von 0 bis β durch die Anzahl von Sendeantennen N geteilt wird, d.h. der Punkt für jede Antenne n befindet sich bei
. Da der Kurzzeit-Durchschnittswert benutzt wird, ist es in der 2, als ob eine Diversity-Ordnung von Unendlichkeit vorliegt.
Man beachte, daß überall dort, wo auf ein Signal Bezug genommen wird, das von einer Empfangsantenne stammt, in Systemen ohne Antennen auf einen Empfangszweig Bezug genommen werden kann. Auf ähnliche Weise kann die Anzahl von Antennen durch die Anzahl von Empfangszweigen ersetzt werden.

Claims

Sender (101) eines MIMO-Systems (multiple-input multiple-output) (101, 103) zum Übertragen einer Mehrzahl von von einem Datenstrom abgeleiteten Daten-Teilströmen, gekennzeichnet durch folgendes: Mittel (119) zum Beschaffen eines Langzeitparameters wie Langzeit-Kanalstatistiken, die vom Empfänger in relativ langen Zeitabständen im Vergleich mit für Kurzzeit-Rückkopplung erforderlichen Zeitabständen zum Sender zurückgesendet werden; und einer Übertragungsratensteuerung (119), die eine Übertragungsrate für jeden Sende-Datenteilstrom als Funktion von mindestens dem Langzeitparameter und keinen Kurzzeitparametern entwickelt.
Sender nach Anspruch 1, wobei dieser Sender ein drahtloser Sender ist und jeder der Teilströme durch eine getrennte einer Mehrzahl von an den drahtlosen Sender angekoppelten Antennen (117) übertragen werden kann.
Sender nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Langzeitparameter einer von einer Menge ist, die aus folgendem besteht: einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR); und einer Eigenschaft eines Kanals zwischen dem Sender und einem Empfänger.
Sender nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieser Sender den Langzeitparameter von einem über einen Kanal an den Sender angekoppelten Empfänger (103) oder durch Entwickeln desselben an dem Sender beschaffen kann.
Sender nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsratensteuerung eine Annäherung der optimalen Übertragungsrate für jeden Sende-Datenteilstrom bestimmt.
Sender nach Anspruch 5, wobei diese optimale Übertragungsrate für jeden Sende-Datenteilstrom gegeben wird durch
wobei n ein Datenteilstromindex; h_n = (h_I.n... h_M.n)^T der komplexe M-dimensionale Kanalvektor für den Sendeteilstrom ist, wobei h_m.n der Kanalübertragungskoeffizient zwischen dem Sendeteilstrom n und dem Empfangszweig m ist; X^T die Operation der Matrixtransponierung für die Matrix X anzeigt; H_n = (h_n+1 h_n+2... h_N), eine M-mal-(N – n)-Matrix; P die gesamte abgestrahlte Leistung darstellt; X^H die Operation der hermetischen Transponierung für die Matrix X anzeigt; I die M-mal-M-Identitätsmatrix ist; und σ² die Rauschvarianz ist.
Sender nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsratensteuerung die Übertragungsrate für jeden Sendedatenteilstrom auch als Funktion fester Parameter bestimmt.
Sender nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsratensteuerung diese Übertragungsrate für jede Sendeantenne (117) auch als Funktion des Verhältnisses des Sende-Datenteilstroms und der Empfangszweige β bestimmt, wobei β = N/M die Anzahl von Sendeantennen (117) und M die Anzahl von Empfangszweigen (131, 133) ist.
Sender nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Datenteilströme über einen durch additives weißes Gaußsches-Rauschen (AWGN) gestörten Kanal übertragen werden und die Übertragungsratensteuerung diese Übertragungsraten durch folgende Berechnung bestimmt:
wobei β = N/MN die Anzahl von Sende-Datenteilströmen ist, M die Anzahl von Empfangszweigen ist, SNR das langfristige durchschnittliche Signal-Rausch-Verhältnis ist, und b = n/M ist, wobei n der Index der Sende-Daten-Teilströme ist.
Sender nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Sender ein drahtloser Sender ist, der zum Übertragen jedes der Teilströme über eine getrennte einer Mehrzahl von an den drahtlosen Sender angekoppelten Antennen (117) über einen Kanal zu einen an einer Mehrzahl von Empfangsantennen (131) angekoppelten Empfänger (103), und wobei die Übertragungsratensteuerung jede Übertragungsrate für jeden dieser Sende-Datenteilströme unter Verwendung einer Ableitung asymptotischer Kapazität des Systems entwickelt.
Verfahren zum Übertragen in ein MIMO-System (multiple-input multiple-output), wobei das Verfahren durch einen Sender durchgeführt wird, der eine Mehrzahl von einem Datenstrom abgeleiteten Datenteilströme überträgt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Beschaffen eines Langzeitparameters wie Langzeit-Kanalstatistiken, die vom Empfänger in relativ langen Zeitabständen im Vergleich mit für Kurzzeitrückkopplung erforderlichen Zeitabständen zum Sender zurückgeführt werden; Bestimmen einer Übertragungsrate für jeden Sende-Datenteilstrom als Funktion von mindestens dem Langzeitparameter und keinen Kurzzeitparametern.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin mit dem Schritt des Übertragens jedes der Datenteilströme mit der dafür bestimmten Übertragungsrate.
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Daten-Teilströme über einen durch additives weißes Gaußsches-Rauschen (AWGN) gestörten Kanal übertragen werden und die Übertragungsratensteuerung diese Übertragungsraten durch folgende Berechnung bestimmt:
wobei β = N/MN die Anzahl von Sende-Datenteilströmen ist, M die Anzahl von Empfangszweigen ist, SNR das langfristige durchschnittliche Signal-Rausch-Verhältnis ist, und b = n/M ist, wobei n der Index der Sende-Daten-Teilströme ist.