DE60310237T2

DE60310237T2 - Kodierte mimo systeme mit selektiver kanalinversion angewandt per eigenmode

Info

Publication number: DE60310237T2
Application number: DE60310237T
Authority: DE
Inventors: Irina Somerville MEDVEDEV; Rod Jay Carlisle WALTON; W. John Harvard KETCHUM
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: EP1532762A1; RU2005108590A; IL166579A0; TWI324862B; JP2005537750A; TW200414708A; US20040042556A1; CN100370721C; WO2004021634A1; UA84684C2; KR20050058333A; BR0313819A; US8194770B2; AU2003265601A1; AU2003265601B2; HK1083283A1; CN1679269A; MXPA05002229A; EP1532762B1; RU2328074C2

Description

HINTERGUND
Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Datenkommunikation und insbesondere Techniken zum Durchführen von ausgewählter Kanalinversion pro Eigenmodus (eigenmode) für MIMO Systeme.
Hintergrund
Ein Vielfach-Eingabe, Vielfach-Ausgabe (Multiple-Input, Multiple-Output, MIMO) Kommunikationssystem verwendet viele (N_T) Übertragungsantennen und viele (N_R) Empfangsantennen für Datenübertragung. Ein MIMO Kanal gebildet durch die N_T Übertragungs- und N_R Empfangsantennen kann in N_S unabhängige Kanäle zerlegt werden mit N_S ≤ min {N_T, N_R}. Jeder von den N_S unabhängigen Kanälen wird auch als ein räumlicher Unterkanal oder Eigenmodus von dem MIMO Kanal bezeichnet. Ein derartiges System wird beispielsweise in EP 1 117 197 A2 beschrieben.
Die räumlichen Unterkanäle von einem Breitband MIMO System können unterschiedlichen Kanalbedingungen begegnen, aufgrund von verschiedenen Faktoren, wie zum Beispiel Abblenden und Multipfad. Jeder räumliche Unterkanal kann deshalb Frequenz ausgewähltes Abblenden erfahren, welches gekennzeichnet ist durch unterschiedliche Kanalverstärkungen bei unterschiedlichen Frequenzen von der Gesamtsystembandbreite. Unter der Annahme, dass keine Energiekontrolle stattfindet, ergibt dies unterschiedliche Signal-zu-Rauschen-und-Interferenz Verhältnisse (SNRs) bei unterschiedlichen Frequenzen von jedem räumlichen Unterkanal, welche dann geeignet wären, unterschiedliche Datenraten für ein bestimmtes Leistungsniveau (zum Beispiel 1 % Paketfehlerrate) zu unterstützen.
Um Frequenz ausgewähltes Abblenden in einem Breitbandkanal zu bekämpfen, kann orthogonales frequenzteilendes Multiplexen (orthogonal frequency division multiplexing OFDM) verwendet werden, um die Gesamtsystembandbreite effektiv in eine Anzahl von (N_F) Unterbändern zu teilen, welche auch als Frequenzbehälter (frequency bins) oder Unterkanäle bezeichnet werden. Mit OFDM ist jedem Unterband ein jeweiliger Unterträger zugeordnet auf welchem Daten moduliert werden können. Für ein MIMO System, welches OFDM verwendet (das heißt ein MIMO-OFDM System), kann jedes Unterband von jedem räumlichen Unterkanal als ein unabhängiger Übertragungskanal gesehen werden.
Eine Hauptaufgabe in einem kodierten Kommunikationssystem ist die Auswahl von den geeigneten Datenraten und den Kodierungs- und Modulationsschemata zur Verwendung für eine Datenübertragung, basierend auf den Kanalbedingungen. Ein Hauptziel für das System ist das Maximieren der spektralen Effizienz bei gleichzeitigem Reduzieren der Komplexität für beide, den Überträger und den Empfänger.
Eine gradlinige Technik zum Auswählen der Datenraten und der Kodierungs- und Modulationsschemata ist es jeden Übertragungskanal in dem System mit Bits zu beladen („bit load") in Übereinstimmung mit seiner Übertragungsfähigkeit. Aber diese Technik hat mehrere große Nachteile. Erstens kann das Kodieren und Modulieren individuell für jeden Übertragungskanal die Komplexität für das Verarbeiten bei beiden, dem Überträger und dem Empfänger, signifikant erhöhen. Zweitens kann das Kodieren individuell für jeden Übertragungskanal die Kodierungs- und die Dekodierungsverzögerung außerordentlich erhöhen.
Da besteht deshalb ein Bedürfnis in dem Bereich nach Techniken zur Erzielung einer hohen, spektralen Effizienz in MIMO Systemen ohne jeden Übertragungskanal individuell kodieren zu müssen.
ZUSAMMENFASSUNG
Techniken werden hierin bereitgestellt zum Durchführen von ausgewählter Kanalinversion pro Eigenmodus in einem MIMO System, um eine hohe spektrale Effizienz zu erzielen bei gleichzeitigem Reduzieren der Komplexität bei beiden, dem Überträger und dem Empfänger. Die verfügbaren Übertragungskanäle werden in einer Anzahl von Gruppen angeordnet, wo jede Gruppe alle Frequenzkanäle (oder Frequenzbehälter) für einen Eigenmodus von einem MIMO Kanal beinhalten kann. Die Gesamtübertragungsleistung wird den Gruppen zugeordnet unter Verwendung eines bestimmten Energiezuordnungsschemas (zum Beispiel gleichmäßige Energiezuordnung, Wasserfüllen und so weiter). Die ausgewählte Kanalinversion wird dann durchgeführt, unabhängig für jede Gruppe, ausgewählt zur Verwendung für die Datenübertragung (das heißt mit nicht-Null zugeordneter Übertragungsenergie). Für jede derartige Gruppe wird einer oder mehrere Übertragungskanäle in der Gruppe ausgewählt zur Verwendung und ein Skalierungsfaktor wird bestimmt für jeden ausgewählten Kanal, so dass alle ausgewählten Kanäle für die Gruppe invertiert werden und eine ähnliche empfangene Signalqualität (zum Beispiel empfangenes SNR) erzielen.
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen von der Erfindung werden weiter unten beschrieben. Die Erfindung stellt außerdem bereit, Verfahren, Programmkodes, digitalen Signalprozessoren, Überträgereinheiten, Empfängereinheiten und andere Vorrichtungen und Elemente, die verschiedene Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale von der Erfindung implementieren, wie dies weiter unten im Detail beschrieben ist.
KURZE BESCHREIBUNG VON DEN ZEICHNUNGEN
Die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile von der vorliegenden Erfindung werden deutlicher werden durch die detaillierte Beschreibung die unten dargelegt ist, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen verwendet wird, in welchen Bezugszeichen entsprechendes durchweg Identifizieren und worin:
1 eine Eigenwert-Zerlegung für ein MIMO-OFDM System graphisch veranschaulicht;
2 Graphen von der durchschnittlichen, spektralen Effizienz zeigt, welche durch drei Übertragungsschemata für ein beispielhaftes 4 × 4 MIMO System erzielt wurden;
3 ein Blockdiagramm von einem Zugangpunkt und einer Benutzerstation in dem MIMO-OFDM System ist;
4 ein Blockdiagramm von einer Überträgereinheit in dem Zugangspunkt ist; und
5 ein Flussdiagramm zum Verarbeiten von Daten unter Verwendung ausgewählter Kanalinversion pro Eigenmodus ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In einem MIMO Kommunikationssystem, wie zum Beispiel einem Vielzahl-Antennen Drahtlos-Kommunikationssystem stören sich die Datenströme übertragen von den N_T Übertragungsantennen untereinander an dem Empfänger. Eine Technik zum Bekämpfen dieser Interferenz ist den MIMO Kanal zu „diagonalisieren" um eine Anzahl von unabhängigen Kanälen zu erzielen.
Das Modell für ein MIMO System kann ausgedrückt werden als: y = Hx + n, Formel (1) wo
y ein Vektor mit N_R Einträgen ist, {y_i} für i ∊ {1, ..., N_R} für die Symbole empfangen von den N_R Empfangsantennen (das heißt der „Empfangene" Vektor);
x ist ein Vektor mit N_T Einträgen, {x_j} für j ∊ {1, ..., N_T}, für die Symbole übertragen von den N_T Übertragungsantennen (das heißt der „Übertragene" Vektor);
H ist eine (N_R × N_T) Kanalantwortmatrix die Übertragungsfunktionen (das heißt komplexe Verstärkungen) von den N_T Übertragungsantennen zu den N_R Empfangsantennen enthält; und
n ist additives weißes Gaußsches Rauschen (AWGN) mit einem Mittelvektor von 0 und einer Kovarianzmatrix von Λ _n = σ² I wo 0 ein Vektor ist, der nur aus Nullen besteht, I die Identitätsmatrix mit Einsen entlang der Diagonalen und Nullen überall sonst ist und σ² die Rauschvarianz ist.
Der Einfachheit halber wird ein flach-abblendender Schmalbandkanal angenommen. In diesem Fall kann die Kanalantwort für die gesamte Systembandbreite dargestellt werden durch einen konstanten, komplexen Wert und die Elemente von der Kanalantwort Matrix H sind skalar. Obwohl hier der Einfachheit halber die Annahme von Frequenz nicht-Auswählbarkeit angenommen wird, kann die hierin beschriebene Technik auch auf Frequenz auswählende Kanäle erstreckt werden.
Die Kanalantwortmatrix H kann diagonalisiert werden durch Durchführen einer Eigenwertzerlegung an der Korrelationsmatrix H welche R = H ^H H ist. Die Eigenwertzerlegung von der (N_T × N_T) Korrelationsmatrix R kann ausgedrückt werden als: R = EDE H, Formel (2) wo
E eine (N_T × N_T) Einheitsmatrix ist, deren Spalten die Eigenvektoren e _i von R sind, für i ∊ {1, ..., N_T};
D eine (N_T × N_T) Diagonalmatrix ist mit Einträgen auf der Diagonalen entsprechend den Eigenwerten von R; und
für jede Matrix M, bezeichnet M ^H die konjugierte Transponierte von M.
Eine Einheitsmatrix wird bezeichnet durch die Eigenschaft E ^H E = I.
Die Eigenwertzerlegung kann durchgeführt werden unter Verwendung von Einzelwertzerlegung (singular value decomposition SVD), welche in dem Bereich bekannt ist.
Die Diagonalematrix D enthält nicht-negative, reale Werte entlang der Diagonalen und Nullen überall sonst. Diese diagonalen Einträge werden als die Eigenwerte von der Matrix R bezeichnet und sind Indikativ für die Energieverstärkung für die unabhängigen Kanäle von dem MIMO Kanal. Die Anzahl von unabhängigen Kanälen für ein MIMO System mit N_T Übertragungs- und N_R Empfangsantennen ist die Anzahl von nicht-Null Eigenwerten von R, N_S ≤ min {N_T, N_R}. Diese nicht-Null Eigenwerte werden bezeichnet als {λ_i} für i = {1, ..., N_S}.
Ohne Berücksichtigung der Leistungsbeschränkungen für die N_T Übertragungsantennen kann der MIMO Kanal diagonalisiert werden durch Vormultiplizieren (oder „Vorkonditionieren") eines „Daten-" Vektors s mit der Einheitsmatrix E um den übertragenen Vektor x zu erzielen. Das Vorkonditionieren an dem Überträger kann ausgedrückt werden als: x = Es Formel (3)
An dem Empfänger kann der empfangene Vektor y vormultipliziert werden (oder „konditioniert") mit E ^H H ^H um eine Abschätzung von dem Datenvektor s zu erzielen. Das Konditionieren zum Erzielen der Datenvektorabschätzung
kann ausgedrückt werden als:
wo
AWGN ist mit einem Mittelvektor von 0 und einer Kovarianzmatrix von
Wie in Formel 4 gezeigt, ergibt das Vorkonditionieren an dem Überträger und das Konditionieren an dem Empfänger den Datenvektor s, der transformiert ist durch eine effektive Kanalantwort, repräsentiert durch die Matrix D, sowie einer Skalierung von den Rauschelementen. Da D eine Diagonalmatrix ist, sind da effektiv N_S nicht störende parallele Kanäle. Jeder von diesen Kanälen hat eine Energieverstärkung gleich dem Quadrat von dem entsprechenden Eigenwert λ_i ² und eine Rauschleistung gleich σ² λ_i für i ∊ {1, ..., N_S} ergebend ein Signal-zu-Rauschen Verhältnis vom λ_i/σ². Deshalb ist die Energieverstärkung von jedem von diesen Kanälen gleich dem Eigenwert, λ_i für i ∊ {1, ..., N_S}. Der parallele Kanal i wird oft bezeichnet als Eigenmodus i oder Modus i. Die Diagonalisierung von dem MIMO Kanal, wie in den Formeln (3) und (4) gezeigt, kann erzielt werden wenn dem Überträger die Kanalantwortmatrix H oder äquivalente Informationen bereitgestellt sind.
Die Eigenwertzerlegung die oben beschrieben ist kann auch für einen Breitband, Frequenz ausgewählten Kanal durchgeführt werden. Für ein MIMO-OFDM System wird der Breitbandkanal in N_F flach-abblendende, orthogonale Frequenzbehälter oder Unterbänder zerlegt. Die Eigenwertzerlegung kann dann unabhängig von der Kanalantwortmatrix H(k) für jeden Frequenzbehälter k durchgeführt werden, um die N_S räumlichen Unterkanäle oder Eigenmodi für den Frequenzbehälter zu bestimmen. Jeder räumliche Unterkanal für jeden Frequenzbehälter wird auch als ein „Übertragungs-" Kanal bezeichnet.
Das Modell für ein MIMO-OFDM System kann ausgedrückt werden als: y(k) = H(k)x(k) + n(k), für k ∊ {1, ..., NF}. Formel (5)wo „(k)" den k-ten Frequenzbehälter bezeichnet.
Die Eigenwertzerlegung von der Korrelationsmatrix R(k) für jeden Frequenzbehälter kann ausgedrückt werden als: R(k) = E(k)D(k)E H(k) Formel (6)
Die nicht-Null Eigenwerte von R(k) werden als {λ_i(k)} für i = {1, ..., N_S} und k = {1, ..., N_F} bezeichnet. Deshalb ergibt für das MIMO-OFDM System, welches die Eigenmoduszerlegung für jeden von den N_F Frequenzbehältern durchführt in N_S räumliche Unterkanäle oder Eigenmodi für jeden Frequenzbehälter oder eine Summe von N_SN_F Übertragungskanälen.
Die Eigenwerte können in zwei Arten bereitgestellt werden – eine „sortierte" Art und eine „zufällig geordnete" Art. In der sortierten Art sind die N_S Eigenwerte für jeden Frequenzbehälter in absteigender Ordnung sortiert, so dass {λ₁(k) ≥ λ₂(k) ≥ ... ≥ λ_Ns(k)}, wo λ₁(k) der größte Eigenwert für den Frequenzbehälter k ist und λ_Ns(k) der kleinste Eigenwert für den Frequenzbehälter k ist. In der zufällig geordneten Art kann die Anordnung von den Eigenwerten zufällig sein und außerdem unabhängig von der Frequenz. Die zur Verwendung ausgewählte bestimmte Art, sortiert oder zufällig geordnet, beeinflusst die Auswahl von den Eigenmodi zur Verwendung für Datenübertragung und das Kodierungs- und Modulationsschema zur Verwendung für jeden ausgewählten Eigenmodus, wie unten beschrieben.
1 veranschaulicht graphisch die Eigenwertzerlegung für das MIMO-OFDM System. Der Satz von Diagonalmatrizen D(k) für k = {1, ..., N_F} wird gezeigt, angeordnet in einer Ordnung entlang einer Achse 110, die die Frequenzdimension repräsentiert. Die Eigenwerte {λ_i(k)} für i = {1, ..., N_S} von jeder Matrix D(k) sind angeordnet entlang der Diagonale von der Matrix. Die Achse 112 kann deswegen angesehen werden als die räumliche Dimension repräsentierend. Der Eigenmodus i für alle Frequenzbehälter (oder einfach Eigenmodus i) ist einem Satz von Elementen {λ_i(k)} für k = {1, ..., N_F} zugeordnet, welcher die Frequenzantwort über alle N_F Frequenzbehälter für den Eigenmodus anzeigt. Der Satz von Elementen {λ_i(k)} für jeden Eigenmodus wird gezeigt durch die schattierten Kästen entlang der gestrichelten Linie 114. Jeder schattierte Kasten in 1 repräsentiert einen Übertragungskanal. Für jeden Eigenmodus der Frequenz ausgewähltes Abblenden erfährt, können die Elemente {λ_i(k)} für den Eigenmodus unterschiedlich sein für unterschiedliche Werte von k.
Wenn die Eigenwerte in jeder Diagonalmatrix D(k) sortiert sind in abnehmender Ordnung, dann würde der Eigenmodus 1 (der auch als der Haupteigenmodus bezeichnet wird) den größten Eigenwert λ₁(k) in jeder Matrix beinhalten und der Eigenmodus N_S würde den kleinsten Eigenwert λ_Ns(k) in jeder Matrix beinhalten.
Die Eigenwertzerlegung für jeden Frequenzbehälter in dem MIMO-OFDM System ergibt in der Summe N_SN_F Eigenwerte für die N_SN_F Übertragungskanäle über die gesamte Bandbreite. Jeder Übertragungskanal kann ein unterschiedliches SNR ergeben und kann unterschiedlichen Übertragungsfähigkeiten zugeordnet sein. Verschiedene Energiezuordnungsschemata (oder Übertragungsschemata) können verwendet werden um die Gesamtübertragungsleistung zu diesen Übertragungskanälen zu verteilen, um eine Hohe gesamte spektrale Effizienz zu erzielen, welche in Einheiten von bit/Sekunde pro Hertz (bps/Hz) gegeben ist. Einige von diesen Schemata werden weiter unten im Detail beschrieben.
1. Wasserfüllen
Das „Wasserfüllen" oder „Wassergießen" Schema kann verwendet werden, um die Gesamtübertragungsenergie optimal über die Übertragungskanäle zu verteilen, so dass die gesamte spektrale Effizienz maximiert wird, unter der Einschränkung, dass die Gesamtübertragungsenergie bei dem Überträger auf P_total beschränkt ist. Das Wasserfüllen Schema verteilt die Energie über N_SN_F Übertragungskanäle, so dass die Kanäle mit zunehmend höheren SNRs zunehmend größere Anteile von der Gesamtübertragungsenergie empfangen. Die Übertragungsenergie zugeordnet zu einem vorgegebenen Übertragungskanal wird bestimmt durch die SNR von dem Kanal, welche vorgegeben sein kann als λ_i(k)/σ², wo λ_i(k) der i-te Eigenwert von dem k-ten Frequenzbehälter ist.
Das Verfahren zum Durchführen des Wasserfüllens ist bekannt in dem Bereich und nicht hierin beschrieben. Das Ergebnis von dem Wasserfüllen ist ein spezifisches Übertragungsenergiezuweisen zu jedem von den N_SN_F Übertragungskanälen, welches bezeichnet wird als P_i(k) für i = {1, ..., N_S} und k = {1, ..., N_F}. Die Energiezuweisung wird durchgeführt, so dass die folgende Bedingung erfüllt ist:
wo L = {1, ..., N_S} und K = {1, ..., N_F}.
Basierend auf der zugewiesenen Übertragungsenergie von P_i(k) für i = {1, ..., N_S} und k = {1, ..., N_F} kann das empfangene SNR, γ_i(k) für jeden Übertragungskanal ausgedrückt werden als:
Die gesamte spektrale Effizienz C für die N_SN_F Übertragungskanäle kann dann berechnet werden basierend auf einer kontinuierlichen, gleich bleibend, ansteigenden, logarithmischen Funktion für die Kapazität, wie folgt:
In einem typischen Kommunikationssystem kann der Gesamtbereich von empfangenen SNRs, der erwartet wird beobachtet zu werden, in eine Anzahl von Unterbereichen geteilt werden. Jeder Unterbereich kann dann einem bestimmten Kodierungs- und Modulationsschema zugeordnet werden, ausgewählt um die höchste, spektrale Effizienz für eine vorgegebene Bitfehlerrate (bit error rate BER), Rahmenfehlerrate (frame error rate FER) oder Paketfehlerrate (packet error rate PER) zu erzielen. Die Wasserfüllen-Energiezuweisung kann ein unterschiedliches empfangenes SNR für jeden von den N_SN_F Übertragungskanälen ergeben. Dieses würde dann die Verwendung von vielen unterschiedlichen Kodierungs-/Modulationsschemata für die Übertragungskanäle ergeben. Die Kodierung/Modulation pro Übertragungskanal erhöht die gesamte spektrale Effizienz auf Kosten von größerer Komplexität für beide, den Überträger und den Empfänger.
2. Ausgewählte Kanalinversion angewandt auf alle Übertragungskanäle
Das „SCI-für-alle-Kanäle" Schema führt ausgewählte Kanalinversion (selective channel inversion SCI) für alle Übertragungskanäle durch, so dass diese welche für die Verwendung ausgewählt wurden ungefähr gleiche empfangene SNRs an dem Empfänger erzielen. Dies würde dann ermöglichen, dass ein gemeinsames Kodierungs- und Modulationsschema für alle ausgewählten Übertragungskanäle verwendet wird. Dieses Schema reduziert die Komplexität außerordentlich für beide, den Überträger und den Empfänger im Vergleich zu dem Wasserfüllen Schema. Die Gleichsetzung von den empfangenen SNRs kann erreicht werden durch zuerst Auswählen aller oder nur einer Teilmenge von den N_SN_F verfügbaren Übertragungskanälen zur Verwendung für die Datenübertragung. Die Kanalauswahl kann dann die Beseitigung von schwachen Kanälen mit niedrigen SNRs ergeben. Die Gesamtübertragungsenergie P_total wird dann über die ausgewählten Übertragungskanäle verteilt in so einer Art, dass das empfangene SNR ungefähr gleich für alle ausgewählten Übertragungskanäle ist.
Wenn „volle" Kanalinversionen für alle N_SN_F verfügbaren Übertragungskanäle durchgeführt wird, dann kann die Gesamtübertragungsenergie P_Total zugewiesen werden, so dass ungefähr gleiche Signalenergie für alle diese Kanäle empfangen wird. Eine geeignete Menge von Übertragungsenergie P_i(k) zum Zuweisen zum Eigenmodus i von Frequenzbehälter k kann auch ausgedrückt werden als:
wo α ein Normalisierungsfaktor ist, verwendet um die Gesamtübertragungsenergie auf die verfügbaren Übertragungskanäle zu verteilen. Der Normalisierungsfaktor α kann ausgedrückt werden als:
Der Normalisierungsfaktor α stellt ungefähr gleiche empfangene Signalenergie für alle Übertragungskanäle sicher, welche als αP_total gegeben ist. Die Gesamtübertragungsenergie wird deshalb effektiv verteilt (ungleich) über alle verfügbaren Übertragungskanäle, basierend auf deren Kanalenergieverstärkungen, welche gegeben ist durch die Eigenwerte λ_i(k).
Wenn „ausgewählte" Kanalinversion durchgeführt wird, dann werden nur Übertragungskanäle deren empfangene Energien an einem oder über einem bestimmten Grenzwert β relativ zu der Gesamtempfangenenenergie ausgewählt, zur Verwendung für Datenübertragung. Die Übertragungskanäle deren empfangene Energien unter diesen Grenzwert fallen werden verworfen und nicht verwendet. Für jeden ausgewählten Übertragungskanal wird die Übertragungsenergie, die diesem Kanal zugewiesen wird, bestimmt, wie oben beschrieben, so dass alle ausgewählten Übertragungskanäle mit ungefähr gleichen Energieniveaus empfangen werden. Der Grenzwert β kann ausgewählt werden um die spektrale Effizienz zu maximieren oder basiert auf einigen anderen Kriterien.
Die Auswahl von den Übertragungskanälen zur Verwendung kann durchgeführt werden wie folgt. Anfänglich wird eine durchschnittliche Energieverstärkung P_avg berechnet für alle verfügbaren Übertragungskanäle und kann ausgedrückt werden als:
Die Übertragungsenergie, zugewiesen zu jedem Übertragungskanal kann dann ausgedrückt werden als:
wo β der Grenzwert ist und α ~ ein Normalisierungsfaktor, der ähnlich ist zu α in Formel (11). Aber der Normalisierungsfaktor α ~ wird berechnet über nur die ausgewählten Übertragungskanäle und kann ausgedrückt werden als:
Der Grenzwert β kann abgeleitet werden wie unten beschrieben (in Kapitel 3.2).
Wie in Formel (13) gezeigt, wird ein Übertragungskanal ausgewählt zur Verwendung, wenn sein Eigenwert (oder Kanalenergieverstärkung) größer ist oder gleich einem Energiegrenzwert (das heißt λ_i(k) ≥ βP_avg). Da der Normalisierungsfaktor α ~ berechnet wird, basierend nur auf den ausgewählten Übertragungskanälen, wird die Gesamtübertragungsenergie P_total verteilt auf die ausgewählten Übertragungskanäle, basierend auf deren Kanalverstärkungen, so dass alle ausgewählten Kanäle ungefähr die gleiche empfangene Energie haben, welches ausgedrückt werden kann als α ~ P_total.
Das Gleichsetzen von den empfangenen SNRs für alle ausgewählten Übertragungskanäle kann deshalb erzielt werden, durch nicht gleichmäßiges Verteilen von der Gesamtübertragungsenergie über diese Kanäle. Die ungefähr gleich empfangenen SNRs würden dann ermöglichen, die Verwendung von einer einzigen Datenrate und einem gemeinsamen Kodierungs-/Modulationsschema für alle ausgewählten Übertragungskanäle, was die Komplexität außerordentlich reduzieren würde.
3. Ausgewählte Kanalinversion angewandt pro Eigenmodus
Das „SCI-pro-Eigenmodus" Schema führt ausgewählte Kanalinversion unabhängig für jeden Eigenmodus durch, um eine verbesserte Leistung bereitzustellen. In einer Ausführungsform werden die N_SN_F Übertragungskanäle angeordnet in N_S Gruppen, so dass jede Gruppe alle N_F Frequenzbehälter für einen vorgegebenen Eigenmodus beinhaltet (das heißt Gruppe i beinhaltet die räumlichen Unterkanäle für alle N_F Frequenzbehälter für Eigenmodus i). Da ist deshalb eine Gruppe für jeden Eigenmodus.
Das SCI-pro-Eigenmodus Schema beinhaltet zwei Schritte. In dem ersten Schritt wird die Gesamtübertragungsenergie P_total auf die N_S Gruppen verteilt, basierend auf einem bestimmten Gruppenenergiezuweisungsschema. In dem zweiten Schritt wird ausgewählte Kanalinversion durchgeführt, unabhängig für jede Gruppe, um die der Gruppe zugewiesene Übertragungsenergie auf die N_F Frequenzbehälter in der Gruppe zu verteilen. Jeder von diesen Schritten ist unten detaillierter beschrieben.
3.1 Energiezuweisung über Gruppen
Die Gesamtübertragungsenergie P_total kann auf die N_S Gruppen in verschiedenen Arten verteilt werden von denen einige unten beschrieben sind.
In einer ersten Ausführungsform wird die Gesamtübertragungsenergie P_total gleichmäßig über alle N_S Gruppen verteilt, so dass ihnen allen gleiche Energie zugewiesen ist. Die Übertragungsenergie P_G(i), welche jeder Gruppe zugewiesen ist, kann ausgedrückt werden als:
In einer zweiten Ausführungsform wird die Gesamtübertragungsenergie P_total auf die N_S Gruppen verteilt, basierend auf Wasserfüllen über alle verfügbaren Übertragungskanäle. Für diese Ausführungsform wird die Gesamtübertragungsenergie P_total zuerst auf alle N_SN_F Übertragungskanäle verteilt, unter Verwendung von Wasserfüllen, wie oben beschrieben. Jedem Übertragungskanal wird zugewiesen P_i(k), für i ∊ {1, ..., N_S} und k = {1, ..., N_F}. Die Übertragungsenergie zugewiesen zu jeder Gruppe kann dann bestimmt werden durch Addieren der Übertragungsenergien zugewiesen zu den N_F Übertragungskanälen in der Gruppe. Die Übertragungsenergie zugewiesen zu der Gruppe i kann auch ausgedrückt werden als:
In einer dritten Ausführungsform wird die Gesamtübertragungsenergie P_total auf die N_S Gruppen verteilt, basierend auf Wasserfüllen über alle Gruppen unter Verwendung ihrer durchschnittlichen Kanal SNRs. Anfänglich wird das durchschnittliche Kanal SNR, γ_avg(i) für jede Gruppe bestimmt als:
Das Wasserfüllen wird dann durchgeführt, um die Gesamtübertragungsenergie P_total über die N_S Gruppen zu verteilen, basierend auf deren durchschnittlichen Kanal SNRs. Die Übertragungsenergie zugewiesen zu jedem von der N_S Gruppen wird bezeichnet als P_G(i), für i ∊ {1, ..., N_S}.
In einer vierten Ausführungsform wird die Gesamtübertragungsenergie P_total auf die N_S Gruppen verteilt, baierend auf Wasserfüllen über alle Gruppen unter Verwendung der empfangenen SNRs von den Übertragungskanälen nach der Kanalinversion. Für diese Ausführungsform wird die Gesamtübertragungsenergie P_total zuerst gleichmäßig auf die N_S Gruppen verteilt, wie oben gezeigt in Formel (15), so dass jeder Gruppe eine anfängliche Übertragungsenergie von P ~_G(i) = P_total/N_S, für i ∊ {1, ..., N_S} zugewiesen ist. Ausgewählte Kanalinversion wird dann durchgeführt, unabhängig in jeder Gruppe, um eine anfängliche Energiezuweisung P ~_i(k) für k = {1, ..., N_F}, für jeden Frequenzbehälter in der Gruppe zu bestimmen. Das empfangene SNR, γ ~_i(k) für jeden Frequenzbehälter wird dann als nächstes bestimmt, basierend auf der anfänglichen Energiezuweisung P ~_i(k), wie in Formel (8) gezeigt. Das durchschnittlich empfangene SNR γ ~_avg(i) für jede Gruppe wird dann wie folgt berechnet:
Die Gesamtübertragungsenergie P_total wird dann auf die N_S Gruppen unter Verwendung von Wasserfüllen verteilt, basierend auf deren durchschnittlich empfangenen SNRs, γ ~_avg(i) für i ∊ {1, ..., N_S}. Die Ergebnisse von der Wasserfüllen-Energiezuweisung sind überarbeitete (das heißt abschließende) Übertragungsenergiezuweisungen P_G(i), für i ∊ {1, ..., N_S} für die N_S Gruppen. Die ausgewählte Kanalinversion wird wieder unabhängig für jede Gruppe durchgeführt, um die den Gruppen zugewiesene Übertragungsenergie P_G(i) auf die Frequenzbehälter in der Gruppe zu verteilen. Jedem Frequenzbehälter würde dann die Übertragungsenergie P_i(k) zugewiesen durch die zweite, ausgewählte Kanalinversion.
Die zweite ausgewählte Kanalinversion braucht nicht durchgeführt werden für eine vorgegebene Gruppe wenn (1) die überarbeitete Übertragungsenergie zugewiesen zu der Gruppe durch Wasserfüllen größer ist als die anfängliche, gleichmäßige Energiezuweisung (das heißt P_G(i) > P ~_G(i)) und (2) alle Frequenzbehälter in der Gruppe ausgewählt wurden zur Verwendung in der anfänglichen, ausgewählten Kanalinversion. Für diesen spezifischen Fall kann die neue Energiezuweisung P_i(k) für jeden Frequenzbehälter in der Gruppe ausgedrückt werden als:
Formel (19) kann verwendet werden, da (1) alle Frequenzbehälter in der Gruppe bereits ausgewählt wurden zur Verwendung und kein zusätzlicher Frequenzbehälter ausgewählt werden kann, selbst wenn die überarbeitete Energiezuweisung P_G(i) für die Gruppe größer ist als die anfängliche Energiezuweisung P ~_G(i) und (2) die anfängliche, ausgewählte Kanalinversion bereits die geeignete Verteilung von Energie zu den Frequenzbehältern in der Gruppe bestimmt, um ungefähr gleiche empfangene SNRs für diese Kanäle zu erzielen. In allen anderen Fällen wird die ausgewählte Kanalinversion wieder für jede Gruppe durchgeführt, um die Übertragungsenergiezuweisungen P_i(k) für k ∊ {1, ..., N_F} für die Frequenzbehälter in der Gruppe zu bestimmen.
3.2 Ausgewählte Kanalinversion angewandt auf jede Gruppe
Sobald die Gesamtübertragungsenergie P_total verteilt wurde auf die N_S Gruppen unter Verwendung einer jeglichen von den Gruppenenergiezuweisungsschemata die oben beschrieben sind, wird die ausgewählte Kanalinversion unabhängig durchgeführt für jede von den N_S Gruppen und auf die N_F Frequenzbehälter in jeder Gruppe. Die ausgewählte Kanalinversion für jede Gruppe kann wie folgt durchgeführt werden.
Anfänglich wird die durchschnittliche Energieverstärkung P_avg(i) für jede Gruppe bestimmt als:
Die Übertragungsenergie zugewiesen zu dem Frequenzbehälter k in Gruppe i kann dann ausgedrückt werden als:
wo β_i der Grenzwert ist und α ~_i der Normalisierungsfaktor für die Gruppe i ist. Der Normalisierungsfaktor α ~_i für jede Gruppe wird berechnet nur über die ausgewählten Übertragungskanäle für diese Gruppe und kann ausgedrückt werden als:
Die Addition von den inversen Kanalenergieverstärkungen in Formel (22) berücksichtigt die Kanalenergieverstärkungen über alle ausgewählten Frequenzbehälter von der Gruppe i.
Der Grenzwert β_i zum Auswählen von Frequenzbehältern zur Verwendung in jeder Gruppe kann gesetzt werden basierend auf verschiedenen Kriterien, zum Beispiel um die spektrale Effizienz zu optimieren. In einer Ausführungsform wird der Grenzwert β_i basierend auf den Kanalenergieverstärkungen (oder Eigenwerten) gesetzt und die spektralen Effizienzen von den ausgewählten Frequenzbehältern basierend auf einer gleichmäßigen Übertragungsenergiezuweisung über die Frequenzbehälter in jeder Gruppe, wie oben beschrieben.
Für diese Ausführungsform findet die Herleitung von dem Grenzwert β_i für Gruppe i wie folgt statt (wo die Herleitung unabhängig für jede Gruppe durchgeführt wird). Anfänglich werden die Eigenwerte für alle N_F Frequenzbehälter in der Gruppe geordnet und in einer Liste G_i(λ) für λ ∊ {1, ..., N_F} in abnehmender Ordnung angeordnet, so dass G_i(1) = max {λ_i(k)} und G_i(N_F) = min {λ_i(k)} für i ∊ {1, ..., N_S}.
Für jedes λ, wo λ ∊ {1, ..., N_F} wird die spektrale Effizienz für die λ besten Frequenzbehälter berechnet, wo „beste" bezeichnet, die Frequenzbehälter mit den höchsten Energieverstärkungen G_i(λ). Dies kann folgendermaßen erzielt werden. Zuerst wird die Gesamtübertragungsenergie verfügbar für die Gruppe P_G(i) verteilt auf die λ besten Frequenzbehälter unter Verwendung eines jeglichen von den Energiezuweisungsschemata, die oben beschrieben sind. Der Einfachheit halber wird das gleichmäßige Energiezuweisungsschema verwendet und die Übertragungsenergie für jeden von den λ Frequenzbehältern ist P_G(i)/λ. Als nächstes wird das empfangene SNR für jeden von den λ Frequenzbehältern berechnet als:
Die spektrale Effizienz C_i(λ) für die λ besten Frequenzbehälter in Gruppe i wird dann berechnet als:
wo ρ ein Skalierungsfaktor ist, verwendet um die Ineffizienzen in dem Kodierungs- und Modulationsschema ausgewählt zur Verwendung zu berücksichtigen.
Die spektrale Effizienz C_i(λ) wird berechnet für jeden Wert von λ, wo λ ∊ {1, ..., N_F} ist und in einem Feld gespeichert wird. Nachdem alle N_F Werte von C_i(λ) berechnet wurden für die N_F möglichen Kombinationen von ausgewählten Frequenzbehältern, wird das Feld von spektralen Effizienzen durchlaufen und der größte Wert von C_i(λ) wird bestimmt. Der Wert von λ, λ_max, entsprechend dem größten C_i(λ) ist dann die Anzahl von Frequenzbehältern, die die maximale spektrale Effizienz ergibt, für die Kanalbedingungen die bewertet wurden und unter Verwendung von gleichmäßiger Übertragungsenergiezuweisung.
Da die Eigenwerte für N_F Frequenzbehälter in der Gruppe i in abnehmender Ordnung in der Liste G_i(λ) angeordnet sind, erhöht sich die spektrale Effizienz wenn mehr Frequenzbehälter ausgewählt werden zur Verwendung bis der optimale Punkt erreicht wird, nach welchem die spektrale Effizienz abnimmt, da mehr von der Übertragungsenergie von der Gruppe schlechteren Frequenzbehältern zugewiesen wird. Deshalb, anstatt die spektrale Effizienz C_i(λ) für alle möglichen Werte von λ zu berechnen, kann die spektrale Effizienz C_i(λ) für jeden neuen Wert von λ mit der spektralen Effizienz C_i(λ – 1) für den vorhergehenden Wert von λ verglichen werden. Die Berechnung kann dann beendet werden, wenn die optimale spektrale Effizienz erreicht wurde, was angezeigt wird durch C_i(λ) < C_i(λ – 1).
Der Grenzwert β_i kann dann ausgedrückt werden als:
wo P_avg(i) bestimmt wird wie in Formel (20) gezeigt.
Der Grenzwert β_i kann auch gesetzt werden basierend auf einigen anderen Kriterien oder einigen anderen Energiezuweisungsschemata (anstatt von gleichmäßiger Zuweisung).
Ausgewählte Kanalinversion ist detaillierter beschrieben in der U. S. Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/860,274, eingereicht am 17. Mai 2001, Seriennummer 09/881,610, eingereicht am 14. Juni 2001 und Seriennummer 09/892,379, eingereicht am 26. Juni 2001, alle drei mit dem Titel „Method and Apparatus for Processing Data for Transmission in a Multi-Channel Communication System Using Selective Channel Inversion", zugewiesen zu dem Inhaber von der vorliegenden Anmeldung.
Das Durchführen von ausgewählter Kanalinversion, unabhängig für jede Gruppe, ergibt einen Satz von Übertragungsenergiezuweisungen P_i(k) für k ∊ {1, ..., N_F} für die N_F Frequenzbehälter in jeder Gruppe. Die ausgewählte Kanalinversion kann ergeben, dass weniger als N_F Frequenzbehälter ausgewählt werden zur Verwendung für jede vorgegebene Gruppe. Den nicht ausgewählten Frequenzbehältern würde keine Übertragungsenergie zugewiesen (das heißt P_i(k) = 0 für diese Behälter). Die Energiezuweisungen für die ausgewählten Frequenzbehälter sind so, dass diese Behälter ungefähr gleiche empfangene SNRs ergeben. Dies ermöglicht dann, dass eine einzige Datenrate und ein gemeinsames Kodierungs-/Modulationsschema verwendet wird für alle ausgewählten Frequenzbehälter in jeder Gruppe.
Für die sortierte Art werden die Eigenwerte λ_i(k) für i ∊ {1, ..., N_S} für jede Diagonalmatrix D(k) sortiert, so dass die diagonalen Elemente mit kleineren Indices im Allgemeinen größer sind. Eigenmodus 1 würde dann dem größten Eigenwert in jeder von den N_F Diagonalmatrizen zugewiesen, Eigenmodus 2 würde dann dem zweitgrößten Eigenwert zugewiesen und so weiter. Für die sortierte Art, selbst wenn die Kanalinversion durchgeführt wird über alle N_F Frequenzbehälter für jeden Eigenmodus, ist es nicht wahrscheinlich, dass die Eigenmodi mit niedrigeren Indices zu viele schlechte Frequenzbehälter haben (wenn überhaupt) und übermäßige Übertragungsenergie wird nicht verwendet für schlechte Behälter.
Wenn Wasserfüllen verwendet wird um die Gesamtübertragungsenergie auf die N_S Eigenmodi zu verteilen, dann kann die Anzahl von Eigenmodi, ausgewählt zur Verwendung, reduziert werden bei niedrigen SNRs. Die sortierte Art hat deshalb den Vorteil, dass bei niedrigen SNRs das Kodieren und die Modulation weiter vereinfacht wird durch die Reduzierung der Anzahl von Eigenmodi, die für die Verwendung ausgewählt wurden.
In der zufällig geordneten Art sind die Eigenwerte für jede Diagonalmatrix D(k) zufällig geordnet. Dies kann eine geringere Abweichung bei den durchschnittlich empfangenen SNRs für alle von den Eigenmodi ergeben. In diesem Fall können weniger als N_S gemeinsame Kodierungs- und Modulationsschemata verwendet werden für die N_S Eigenmodi.
In einem Übertragungsschema, falls eine Gruppe für die Datenübertragung verwendet werden soll, werden dann alle N_F Frequenzbehälter in der Gruppe ausgewählt (das heißt jeglicher aktiver Eigenmodus muss ein kompletter Eigenmodus sein). Die Frequenz ausgewählte Natur von einem Eigenmodus kann übertrieben werden wenn ein oder mehrere Frequenzbehälter für die Verwendung ausgelassen werden. Dieses größere Frequenz ausgewähltes Abblenden kann ein höheres Niveau von Zwischensymbolinterferenz (inter-symbol interference ISI) verursachen, welches ein Phänomen ist, wobei jedes Symbol in einem empfangenen Signal als eine Verzerrung wirkt für nachfolgende Symbole in dem empfangenen Signal. Ein Ausgleichen kann dann notwendig sein an dem Empfänger, um den schädlichen Effekt von ISI-Verzerrung zu lindern. Dieses Ausgleichen kann verhindert werden durch Durchführen von Gesamtkanalinversion für alle Frequenzbehälter von jedem Eigenmodus der für die Verwendung ausgewählt wurde. Dieses Übertragungsschema kann vorteilhaft verwendet werden im Zusammenhang mit der sortierten Art und der Wasserfüllen-Energiezuweisung, da, wie oben bemerkt, es nicht wahrscheinlich ist, dass die Eigenmodi mit niedrigeren Indices zu viele schlechte Frequenzbehälter aufweisen.
2 zeigt Graphen von der durchschnittlichen spektralen Effizienz, erzielt durch drei Übertragungsschemata für ein beispielhaftes 4 × 4 MIMO System mit einer Gesamtübertragungsenergie von P_total = 4. Die drei Graphen werden in 2 für drei Übertragungsschemata gezeigt: (1) Wasserfüllen-Energiezuweisung über alle Übertragungskanäle, (2) ausgewählte Kanalinversion angewandt auf alle Übertragungskanäle (SCI-für-alle-Kanäle) und (3) ausgewählte Kanalinversion angewandt unabhängig für jeden Eigenmodus (SCI-pro-Eigenmodus) mit der Gesamtübertragungsenergie verteilt auf die vier Gruppen unter Verwendung von Wasserfüllen, basierend auf ihren durchschnittlichen Kanal SNRs.
Die durchschnittliche spektrale Effizienz ist gezeichnet gegen das Betriebs-SNR, welches definiert ist als γ_op = 1/σ². 2 zeigt, dass die Wasserfüllen-Energiezuweisung (Graph 210) die höchste spektral Effizienz erzielt, wie erwartet. Die Leistung von dem SCI-für-alle-Kanäle Schema (Graph 230) ist ungefähr 2.5 dB schlechter als das von dem optimalen Wasserfüllen Schema an einer spektralen Effizienz von 15 bps/Hz. Aber das SCI-für-alle-Kanäle Schema ergibt eine wesentlich niedrigere Komplexität für beide, den Überträger und den Empfänger, da eine einzige Datenrate und ein gemeinsames Kodierungs-/Modulationsschema verwendet werden kann für alle ausgewählten Übertragungskanäle. Die Leistung von dem SCI-pro-Eigenmodus Schema (Graph 220) ist ungefähr 1.5 dB schlechter als das von dem Wasserfüllen Schema und 1.0 dB besser als das von dem SCI-für-alle-Kanäle Schema bei einer spektralen Effizienz von 15 bps/Hz. Dieses Ergebnis war erwartet, da das SCI-pro-Eigenmodus Schema das Wasserfüllen mit ausgewählter Kanalinversion kombiniert. Obwohl das SCI-pro-Eigenmodus Schema komplexer ist als das SCI-für-alle-Kanäle Schema, ist es weniger komplex als das Wasserfüllen Schema und erzielt eine vergleichbare Leistung.
3 ist ein Blockdiagramm von einer Ausführungsform von einem Zugangspunkt 310 und einer Benutzerstation 350 in einem MIMO-OFDM System 300.
Am Zugangspunkt 310 werden Verkehrsdaten (das heißt Informationsbits) von einer Datenquelle 312 bereitgestellt zu einem Übertragungs-(TX) Datenprozessor 314, welcher die Daten kodiert, verschachtelt und moduliert, um modulierte Symbole bereitzustellen. Ein TX MIMO Prozessor 320 verarbeitet die modulierten Symbole weiter, um vorkonditionierte Symbole bereitzustellen, die dann mit Pilotdaten multiplext werden und zu N_T Modulatoren (MOD) 322a bis 322t bereitgestellt werden, einer für jede Übertragungsantenne. Jeder Modulator 322 verarbeitet einen jeweiligen Strom von vorkonditionierten Symbolen um ein moduliertes Signal zu generieren, welches dann über eine jeweilige Antenne 324 übertragen wird.
An der Benutzerstation 350 werden die modulierten Signale übertragen von den N_T Antennen 324a bis 324t empfangen durch N_R Antennen 352a bis 352r. Das empfangene Signal von jeder Antenne 352 wird einem jeweiligen Demodulator (DEMOD) 354 bereitgestellt. Jeder Demodulator 354 konditioniert (zum Beispiel filtert, verstärkt und runterkonvertiert die Frequenz) und digitalisiert das empfangene Signal, um einen Strom von Proben bereitzustellen und verarbeitet die Proben weiter, um einen Strom von empfangenen Symbolen bereitzustellen. Ein RX MIMO Prozessor 360 verarbeitet dann die N_R empfangenen Symbolströme, um N_T Ströme von wiederhergestellten Symbolen bereitzustellen, welches Abschätzungen der Modulierungssymbole sind, die durch den Zugangspunkt gesendet wurden.
Das Verarbeiten auf dem Rückwärtspfad von der Benutzerstation zu dem Zugangspunkt kann ähnlich sein oder unterschiedlich zu dem Verarbeiten auf dem Vorwärtspfad. Der Rückwärtspfad kann verwendet werden, um Kanalzustandsinformationen (channel state information CSI) von der Benutzerstation zurück zu dem Zugangspunkt zu senden. Die CSI wird verwendet von dem Zugangspunkt, um die geeigneten Kodierungs- und Modulationsschemata für die Verwendung auszuwählen und ausgewählte Kanalinversion durchzuführen.
Die Kontroller 330 und 370 regeln den Vorgang an dem Zugangspunkt beziehungsweise an der Benutzerstation. Die Speicher 332 und 372 stellen einen Speicher für Programmkode und Daten bereit, verwendet durch die Kontroller 330 beziehungsweise 370.
4 ist ein Blockdiagramm von einer Ausführungsform von einer Überträgereinheit 400, welches eine Ausführungsform von dem Überträgerbereich von dem Zugangspunkt 310 in 3 ist. Überträgereinheit 400 kann auch für die Benutzerstation 350 verwendet werden.
In dem TX Datenprozessor 314 empfängt und kodiert ein Kodierer/Punktierer 412 die Verkehrsdaten (das heißt die Informationsbits) in Übereinstimmung mit einem oder mehreren Kodierungsschemata, um kodierte Bits bereitzustellen. Ein Kanalverschachteler 414 verschachtelt dann die kodierten Bits, basierend auf einem oder mehreren Verschachtelungsschemata, um eine Kombination von Zeit, Raum und/oder Frequenz Diversität bereitzustellen. Ein Symbolzuordnungselement 416 ordnet dann die verschachtelten Daten in Übereinstimmung mit einem oder mehreren Modulationsschemata (zum Beispiel QPSK, M-PSK, M-QAM und so weiter) zu, um modulierte Symbole bereitzustellen.
Das Kodieren und die Modulation von den N_S Gruppen kann durchgeführt werden in verschiedenen Arten. In einer Ausführungsform wird ein separates Kodierungs- und Modulationsschema verwendet für jede Gruppe von Übertragungskanälen für welche ausgewählte Kanalinversion angewandt wird. Für diese Ausführungsform kann ein separater Satz von Kodierer, Verschachteler und Symbolzuordnungselementen verwendet werden für jede Gruppe. In einer anderen Ausführungsform wird ein gemeinsames Kodierungsschema für alle Gruppen verwendet gefolgt von einem Punktierer für variablen Raten und einem separaten Modulationsschema für jede Gruppe. Diese Ausführungsform reduziert die Hardwarekomplexität bei beiden, dem Überträger und dem Empfänger. In anderen Ausführungsformen können Trelliskodieren und Turbokodieren auch verwendet werden, um die Informationsbits zu kodieren.
In dem TX MIMO Prozessor 320 werden Abschätzungen von der Impulsantwort von dem MIMO Kanal einer schnellen Fouriertransformations- (fast Fourier transform FFT) Einheit 422 als eine Sequenz von Matrizen von Zeitbereichproben
bereitgestellt. Die FFT Einheit 422 führt dann eine FFT für jeden Satz von N_F Matrizen
durch um einen entsprechenden Satz von N_F abgeschätzten Kanalfrequenzantwortmatrizen
für k ∊ {1, ..., N_F} bereitzustellen.
Eine Einheit 424 führt dann eine Eigenwertzerlegung für jede Matrix
durch, um die Einheitsmatrix E(k) und die Diagonalmatrix D(k) bereitzustellen, wie oben beschrieben. Die Diagonalmatrizen D(k) werden einer Energiezuweisungseinheit 430 bereitgestellt und die Einheitsmatrizen E(k) werden einem räumlichen Prozessor 450 bereitgestellt.
Die Energiezuweisungseinheit 430 verteilt die Gesamtübertragungsenergie P_total auf die N_S Gruppen unter Verwendung von jeglichem von den Gruppenenergiezuweisungsschemata die oben beschrieben sind. Dies ergibt Energiezuweisungen von P_G(i) für i ∊ {1, ..., N_S} für die N_S Gruppen. Einheit 430 führt dann eine ausgewählte Kanalinversion durch, unabhängig für jede Gruppe, basierend auf der der Gruppe zugewiesenen Übertragungsenergie P_G(i). Dies ergibt die Energiezuweisungen von P_i(k) für k ∊ {1, ..., N_F} für die N_F Frequenzbehälter in jeder Gruppe, wo P_i(k) gleich null sein kann für einen oder mehrere Behälter in der Gruppe (wenn es nicht notwendig ist, dass jeder aktive Eigenmodus ein kompletter Eigenmodus ist). Einheit 432 führt Wasserfüllen durch, um die Gesamtübertragungsenergie zu verteilen und Einheit 434 führt ausgewählte Kanalinversion für jede Gruppe durch. Die Energiezuweisungen P_i(k) für alle Übertragungskanäle werden einer Signalskalierungseinheit 440 bereitgestellt.
Einheit 440 empfängt und skaliert die Modulierungssymbole basierend auf den Energiezuweisungen, um skalierte Modulierungssymbole bereitzustellen. Das Signalskalieren für jedes Modulierungssymbol kann ausgedrückt werden als:
wo s_i(k) das Modulierungssymbol ist das übertragen werden soll auf Eigenmodus i von dem Frequenzbehälter k, s'_i(k) ist das entsprechende skalierte Modulierungssymbol und
ist der Skalierungsfaktor für dieses Symbol, um die Kanalinversion zu erzielen.
Ein räumlicher Prozessor 415 vorkonditioniert dann das skalierte Modulierungssymbol, basierend auf den Einheitsmatrizen E(k) um vorkonditionierte Symbole bereitzustellen wie folgt:
wo
x(k) = [x₁(k)x₂(k)...x_NT(k)]^T, und x_i(k) ist das vorkonditionierte Symbol das gesendet werden soll mit Frequenzbehälter k von der Übertragungsantenne i. Wenn N_S < N_T ist dann würde
beinhalten N_S nicht-Null Einträge und die übrigbleibenden N_T – N_S Einträge würden Null sein.
Ein Multiplexer (MUX) 452 empfängt und multiplext Pilotdaten mit den vorkonditionierten Symbolen. Die Pilotdaten können übertragen werden auf allen oder auf einer Teilmenge von den Übertragungskanälen und werden verwendet an dem Empfänger, um den MIMO Kanal abzuschätzen. Multiplexer 452 stellt einen Strom von vorkonditionierten Symbolen für jeden OFDM Modulator 322 bereit.
In jedem OFDM Modulator 322 empfängt eine IFFT Einheit den vorkonditionierten Symbolstrom und führt eine inverse FFT für jeden Satz von N_F Symbolen für die N_F Frequenzbehälter durch, um eine entsprechende Zeit-Bereichdarstellung zu erzielen, welche als ein OFDM Symbol bezeichnet wird. Für jedes OFDM Symbol wiederholt ein zyklischer Vorsilbengenerator einen Bereich von dem OFDM Symbol um ein entsprechendes Übertragungssymbol zu bilden. Die zyklische Vorsilbe stellt sicher, dass das Übertragungssymbol seine orthogonalen Eigenschaften in der Anwesenheit von Multipfadverzögerungssprei zen behält. Eine Überträgereinheit konvertiert dann die Übertragungssymbole in ein oder mehrere analoge Signale und konditioniert weiter (zum Beispiel verstärkt, filtert und hochkonvertiert die Frequenz) die analogen Signale, um ein moduliertes Signal zu generieren, das dann von der zugeordneten Antenne 324 übertragen wird.
5 ist ein Flussdiagramm von einer Ausführungsform von einem Vorgang 500 zum Verarbeiten von Daten unter Verwendung von ausgewählter Kanalinversion pro Eigenmodus. Anfänglich werden die zu übertragenen Daten kodiert und moduliert, basierend auf einem oder mehreren Kodierungs- und Modulationsschemata (Schritt 512).
Die verfügbaren Übertragungskanäle werden in einer Anzahl von Gruppen angeordnet wo jede Gruppe alle Frequenzbehälter für einen vorgegebenen Eigenmodus beinhalten kann (Schritt 514). (Jede Gruppe kann auch derart definiert sein, dass sie Frequenzbehälter für mehrere Eigenmodi beinhaltet oder nur eine Teilmenge von den Frequenzbehältern für einen einzigen Eigenmodus.) Die Gesamtübertragungsenergie wird dann den Gruppen zugewiesen unter Verwendung eines bestimmten Gruppenenergiezuweisungsschemas (Schritt 516).
Ausgewählte Kanalinversion wird dann durchgeführt unabhängig für jede Gruppe. Für jede Gruppe, die zur Verwendung ausgewählt wurde (das heißt mit nicht-Null zugewiesener Übertragungsenergie) werden ein oder mehrere Frequenzbehälter in der Gruppe ausgewählt, zur Verwendung für Datenübertragung, basierend auf der Übertragungsenergie zugewiesen zu der Gruppe (Schritt 518). Alternativ können alle Frequenzbehälter in der Gruppe ausgewählt werden, wenn die Gruppe verwendet werden soll. Ein Skalierungsfaktor wird dann bestimmt für jeden ausgewählten Frequenzbehälter, so dass alle ausgewählten Frequenzbehälter für jede Gruppe eine ähnliche empfangene Signalqualität aufweisen, welche quantifiziert werden kann durch die empfangene SNR, empfangene Energie oder einige andere Messungen (Schritt 520).
Jedes Modulierungssymbol wird dann skaliert durch den Skalierungsfaktor für den Frequenzbehälter, der verwendet wird, um das Modulierungssymbol zu übertragen (Schritt 522). Das skalierte Modulierungssymbol kann weiter vorkonditioniert werden, um den MIMO Kanal zu diagonalisieren (Schritt 524). Die vorkonditionierten Symbole werden weiter verarbeitet und übertragen.
Zur Klarheit, oben wurden spezifische Ausführungsformen beschrieben. Veränderungen an diesen Ausführungsformen und andere Ausführungsformen können auch abgeleitet werden basierend auf der Lehre die hierin beschrieben ist. Zum Beispiel ist es nicht notwendig das SCI-pro-Eigenmodus Schema mit räumlichem Verarbeiten (das heißt Vorkonditionieren) an dem Überträger zu verwenden. Andere Techniken können auch verwendet werden, um den MIMO Kanal zu diagonalisieren ohne das Durchführen von Vorkonditionieren an dem Überträger. Einige solche Techniken sind beschrieben in der U. S. Patentanmeldung Seriennummer 09/993,087 mit dem Titel „Multiple-Access Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Communication System", eingereicht am 6. November 2001 und zugewiesen zu dem Inhaber von der vorliegenden Anmeldung. Wenn das räumliche Verarbeiten nicht an dem Überträger durchgeführt wird, dann kann die ausgewählte Kanalinversion angewandt werden pro Übertragungsantenne oder eine andere Gruppeneinheit.
Die ausgewählte Kanalinversion kann durchgeführt werden an dem Überträger basierend auf der abgeschätzten Kanalantwortmatrix
wie oben beschrieben. Die ausgewählte Kanalinversion kann auch durchgeführt werden an dem Empfänger, basierend auf den Kanalverstärkungen, den empfangenen SNRs oder einigen anderen Messungen von der empfangenen Signalqualität. Auf jeden Fall wird der Überträger mit ausreichend Kanalzustandsinformationen (CSI) bereitgestellt, in welcher Form auch immer, so dass er fähig ist zu bestimmen (1) die bestimmte Datenrate und Kodierungs- und Modulationsschema zur Verwendung für jeden Eigenmodus und (2) die Übertragungsenergie (oder den Skalierungsfaktor) zur Verwendung für jeden ausgewählten Übertragungskanal, so dass die Kanäle in jeder Gruppe ähnliche Signalqualität an dem Empfänger aufweisen (das heißt die ausgewählten Übertragungskanäle zu invertieren).
Die Techniken die hierin beschrieben sind können auch verwendet werden, um ausgewählte Kanalinversionen für Gruppen durchzuführen, die definiert sind etwas anderes zu sein als Einzeleigenmodus. Zum Beispiel kann eine Gruppe definiert werden, so dass sie die Frequenzbehälter für mehrere Eigenmodi beinhaltet oder nur einige von den Frequenzbehältern für einen oder mehrere Eigenmodi und so weiter.
Für die Klarheit, die Techniken zum Durchführen von ausgewählter Kanalinversion pro Eigenmodus wurden beschrieben speziell für ein MIMO-OFDM System. Diese Techniken können auch verwendet werden für ein MIMO System das OFDM nicht verwendet. Außerdem, obwohl bestimmte Ausführungsformen speziell beschrieben wurden für die Vorwärtsverbindung, können diese Techniken auch angewandt werden für die Rückwärtsverbindung.
Die Techniken die hierin beschrieben sind können durch verschiedene Mittel implementiert werden. Zum Beispiel können diese Techniken implementiert werden in Hardware, Software oder in einer Kombination davon. Für eine Hardwareimplementierung können die Elemente, verwendet zum implementieren jeglicher oder einer Kombination von diesen Techniken, implementiert werden in einer oder mehreren Anwendungspezifischen integrierten Schaltungen (application specific integrated circuits ASICs), Digitalen Signalprozessoren (digital signal processors DSPs), Digitale Signalverarbeitungseinheiten (digital signal processing devices DSPDs), programmierbare logische Einheiten (programmable logic devices PLDs), Feldprogammierbare Gatterfelder (field programmable gate arrays FPGAs), Prozessoren, Kontroller, Mikrokontroller, Mikroprozessoren und andere elektronische Einheiten entwickelt zum Durchführen der hierin beschriebenen Funktionen oder einer Kombination davon.
Für eine Softwareimplementierung können die Techniken die hierin beschrieben sind implementiert werden mit Modulen (zum Beispiel Prozeduren, Funktionen und so weiter), die die hierin beschriebenen Funktionen durchführen. Die Softwarekodes können in einer Speichereinheit (zum Beispiel Speicher 332 oder 372 in 3) gespeichert werden und ausgeführt durch einen Prozessor (zum Beispiel Kontroller 330 oder 370). Die Speichereinheit kann implementiert werden in dem Prozessor oder außerhalb von dem Prozessor in welchem Fall sie kommunikativ gekoppelt sein kann an den Prozessor mit Hilfe von verschiedenen Mitteln wie es in dem Bereich bekannt ist.
Überschriften wurden hierin eingefügt für den Verweis und zum Helfen beim lokalisieren bestimmten Abschnitte. Diese Überschriften sind nicht vorgesehen um den Schutzbereich der Konzepte die darin darunter beschrieben sind zu limitieren und diese Konzepte können anwendbar sein in anderen Abschnitten überall in der gesamten Beschreibung.

Claims

Ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten zur Übertragung in einem Vielfach-Eingabe, Vielfach-Ausgabe (Multiple-Input, Multiple-Output, MIMO) Kommunikationssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen einer Mehrzahl von verfügbaren Übertragungskanälen in eine Mehrzahl von Gruppen; und für jede Gruppe von Übertragungskanälen, die für die Datenübertragung verwendet werden soll, Auswählen eines Übertragungskanals oder mehrerer Übertragungskanäle in der Gruppe zur Verwendung, und Bestimmen eines Skalierungsfaktors für jeden ausgewählten Übertragungskanal, so dass der eine oder die mehreren ausgewählten Übertragungskanäle in jeder Gruppe ähnliche empfangene Signalqualität aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jede Gruppe beinhaltet alle Übertragungskanäle entsprechend zu einem bestimmten Eigenmodus (eigenmode) von einem MIMO Kanal.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, weiter aufweisend: Zuweisen der Gesamtübertragungsenergie zu der Mehrzahl von Gruppen und wobei die einen oder die mehreren Skalierungsfaktoren für die einen oder die mehreren ausgewählten Übertragungskanäle in jeder Gruppe bestimmt werden basierend teilweise auf der Übertragungsenergie zugewiesenen zu der Gruppe.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Gesamtübertragungsenergie der Mehrzahl von Gruppen gleichmäßig zugewiesen ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Gesamtübertragungsenergie der Mehrzahl von Gruppen zugewiesen ist basierend auf Wasserfüllen (water-filling).
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Wasserfüllen durchgeführt wird über die Mehrzahl der verfügbaren Übertragungskanäle und wobei die Übertragungsenergie zugewiesen zu jeder Gruppe basiert auf den Übertragungsenergien zugewiesen zu der Mehrzahl von Übertragungskanälen in jeder Gruppe.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Wasserfüllen durchgeführt wird basierend auf den durchschnittlichen Signal-zu-Rausch-und-Interferenz Verhältnissen (SNRs) für die Mehrzahl von Gruppen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Wasserfüllen durchgeführt wird basierend auf den Signal-zu-Rausch-und-Interferenz Verhältnissen (SNRs) für die Mehrzahl von verfügbaren Übertragungskanälen nach Kanalinversion.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei, wenn eine Gruppe zur Datenübertragung verwendet werden soll, dann werden alle Übertragungskanäle in der Gruppe zur Verwendung ausgewählt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend: Kodieren und Modulieren von Daten basierend auf einem oder mehreren Kodierungs- und Modulationsschemas, zum Bereitstellen von Modulationssymbolen; und Skalieren jedes Modulationssymbols basierend auf dem Skalierungsfaktor für den Übertragungskanal verwendet zur Übertragung des Modulationssymbols.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Daten für jede Gruppe von Übertragungskanälen kodiert sind basierend auf einem separaten Kodierungsschema.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Daten für alle Gruppen von Übertragungskanälen kodiert sind basierend auf einem gemeinsamen Kodierungsschema, und wobei kodierte Daten für jede Gruppe punktiert werden mit einer Rate ausgewählt für die Gruppe.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, weiter aufweisend: Vorkonditionieren skalierter Modulationssymbole.
Das Verfahren von Anspruch 1, wobei das MIMO System ein Orthogonalfrequenzteilmulitplex Verfahren (OFDM) implementiert.
Eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Daten zur Übertragung zur Verwendung in einem Vielfach-Eingabe, Vielfach-Ausgabe (Multiple-Input, Multiple-Output, MIMO) Kommunikationssystem, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: Mittel zum Anordnen einer Mehrzahl von verfügbaren Übertragungskanälen in eine Mehrzahl von Gruppen; Mittel zum Auswählen einen Übertragungskanal oder mehrere Übertragungskanäle in jeder Gruppe zur Verwendung zur Datenübertragung; und Mittel zum Bestimmen eines Skalierungsfaktors für jeden ausgewählten Übertragungskanal, so dass der eine oder die mehreren ausgewählten Übertragungskanäle in jeder Gruppe ähnliche empfangene Signalqualität aufweisen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15, weiter aufweisend: Mittel zum Kodieren und Modulieren von Daten basierend auf einem oder mehreren Kodierungs- und Modulationsschemas, um Modulationssymbole bereitzustellen; Mittel zum Skalieren jedes Modulationssymbols basierend auf dem Skalierungsfaktor für den Übertragungskanal verwendet zum Übertragen des Modulationssymbols.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Vorrichtung eine Übertragungseinheit ist.
Die Vorrichtung von Anspruch 17, wobei die Übertragungseinheit aufweist einen TX MIMO Prozessor funktionsfähig zum Auswählen des einen oder der mehreren Übertragungskanäle in jeder Gruppe von Übertragungskanälen, Bestimmen des Skalierungsfaktors und Skalieren jedes Modulationssymbol basierend auf dem Skalierungsfaktor für den Übertragungskanal verwendet zum Übertragen des Modulationssymbols.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei der TX MIMO Prozessor weiter funktionsfähig ist zum Zuweisen der Gesamtübertragungsenergie zu der Mehrzahl von Gruppen und wobei die einen oder die mehreren Skalierungsfaktoren für die einen oder die mehreren ausgewählten Übertragungskanäle in jeder Gruppe bestimmt werden basierend teilweise auf der Übertragungsenergie zugewiesen zu den Gruppen.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Übertragungseinheit aufweist einen TX Datenprozessor funktionsfähig, um die Daten zu kodieren und zu modulieren basierend auf einem oder mehreren Codierungs- und Modulationsschemas, um Modulationssymbole bereitzustellen.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei das Vielfach-Eingabe, Vielfach-Ausgabe (MIMO) Kommunikationssystem ein Orthogonalfrequenzteilmulitplex Verfahren (OFDM) implementiert.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 21, wobei jede Gruppe alle Übertragungskanäle beinhaltet die einem bestimmten Eigenmodus (eigenmode) von einem MIMO Kanal entsprechen.
Die Übertragungseinheit gemäß Ansprüchen 18 oder 22, wobei der TX MIMO Prozessor weiter funktionsfähig ist die skalierten Modulationssymbole zu vorkonditionieren.