ITMI991287A1 - Joint detection a bassa complessita' computazionale per sistemi ibridi td-cdma - Google Patents

Description

“Joint detection a bassa complessità computazionale per sistemi ibridi TD-CDMA”

La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un equalizzatore per effettuare la Joint detection in sistemi ibridi TD.-CDMA.

Nell’ambito dei sistemi TD-CDMA più utenti trasmettono e ricevono condividendo lo stesso slot temporale e la stessa banda di frequenze; ad ogni utente viene perciò associato uno o più codici di riconoscimento (operazione detta di “spreading”) in modo da permettere la ricostruzione dell’informazione trasmessa.

Anche se i codici vengono generati fra loro ortogonali, la trasmissione in mezzi dispersivi crea correlazione fra i messaggi di utenti diversi, così che oltre all’interferenza di intersimbolo (ISI), in ricezione è presente anche interferenza da accesso multiplo (MAI). La presenza contemporanea di ISI e MAI rende gli equalizzatori normalmente utilizzati nel caso monoutente inefficienti sia dal punto di vista computazionale sia in termini di prestazioni. D’altro canto, il numero limitato di utenti contemporaneamente attivi suggerisce soluzioni che applichino la cosiddetta “multiuser detection”, così da sfruttare la conoscenza dei codici e delle risposte impulsive dei mezzi trasmissivi.

I noti equalizzatori “Joint detectors” quasi ottimi per sistemi TD-CDMA applicano quindi i criteri di stima “Zero-Forcing” (ZF) e “Minimum Mean Square Error” (MMSE) e sfruttano l’organizzazione a pacchetto dell’informazione, così da potere processare contemporaneamente l’informazione di un intero data-block per utente (ZF-BLE e MMSE-BLE).

Se si indica con M il prodotto fra il numero U di utenti contemporaneamente attivi e il numero N di simboli per blocco di dati, questi noti equalizzatori presentano una complessità computazionale 0(M<3>): Tale complessità è particolarmente elevata, anche con un numero di utenti basso, a causa della necessità di invertire o fattorizzare tramite il metodo di Cholesky matrici di dimensioni notevoli.

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un metodo per l'equalizzazione di segnali in sistemi TD-CDMA e un equalizzatore applicante tale metodo, che abbiano complessità ridotta rispetto a quelli di tecnica nota.

In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un metodo per la equalizzazione di un segnale, che si propaga in un sistema ibrido TD-CDMA dove U utenti trasmettono contemporaneamente, con un ricevitore avente una data sequenza di segnatura CDMA per generare un simbolo rilevato che stima un simbolo trasmesso, il segnale ricevuto venendo inviato ad un banco di matched filter all’uscita del quale si ottengono U vettori con i=l,...,U, che

sono elaborati per ottenere i vettori di stima r<(1)>, ... ,rU del simbolo trasmesso, comprendente le fasi di eseguire la DTF su N punti di ciascun vettore per ottenere U vettori D<(l) >composti da N elementi; applicare a na

trasformazione rappresentata da una matrice r<-1>, nel caso si voglia una equalizzazione ZF-BLE, o da una matrice [o2NIM +r]<-1>, nel caso si voglia una equalizzazione MMSE-BLE, per ottenere U vettori di dimensione N; eseguire la IDFT su N punti per ciascun vettore R(1)..R(U) per ottenere U vettori composti da N elementi e impiegare tali vettori come vettori di stima r<(1>) ... ,rU) Sempre secondo l’invenzione si è anche pensato di realizzare un equalizzatore per Tequalizzazione di un segnale, che si propaga in un sistema ibrido TD-CDMA dove U utenti trasmettono contemporaneamente, in un ricevitore avente una data sequenza di segnatura CDMA per generare un simbolo rilevato che stima un simbolo trasmesso, l’equalizzatore comprendendo un banco di matched filler all’ingresso del quale è applicato il segnale ricevuto, il banco di matched filter avendo in uscita U vetto .,U, che sono inviati a mezzi di elaborazione

alla cui uscita si ottengono i cercati vettori di stima r1) ... ,r<(u) >del simbolo trasmesso, caratterizzato dal fatto che i mezzi di elaborazione comprendono una pluralità di blocchi di calcolo DTF su N punti, a ciascun blocco venendo inviato uno dei vettori d <w >per ottenere all’uscita da ciascun blocco un corrispondente vettore D<(i)>; mezzi di trasformazione che ricevono i vettori e che ne eseguono la trasformazione rappresentata da una matrice r<-1>, nel caso si voglia una equalizzazione ZF-BLE, o da una matrice [o2NIM +r]<-1>, nel caso si voglia una equalizzazione MMSE-BLE, così da rendere alla loro uscita corrispondenti U vettori R^,..,R^; una pluralità di blocchi di calcolo IDFT su N punti, a ciascun blocco venendo inviato uno dei vettori R(1).,R(U) per ottenere all’uscita da ciascun blocco un corrispondente vettore r composto da N elementi, tali vettori r essendo i detti cercati vettori di stima r<(1)>, ... ,r(U

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, possibili realizzazioni esemplificative applicanti tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta un modello dell’equivalente in banda base del collegamento uplink in un sistema TD-CDMA;

-figura 2 rappresenta uno schema a blocchi di un equalizzatore ZF-BLE (o MMSE-BLE) con complessità ridotta realizzato secondo i principi dell’invenzione.

Con riferimento alle figure, la figura 1 rappresenta lo schema a blocchi dell’equivalente in banda base di un collegamento up-link in un sistema TD-CDMA.

Un numero U di utenti sono contemporaneamente attivi ed il generico utente u trasmette una sequenza di simboli rappresentati dal vettore d<(u)>.

Ogni simbolo è associato alla sequenza di codice c(<u) >lunga Q e rinformazione dell’utente u-mo, adesso espressa su tempi multipli di Tc=Ts/Q, è processata dal canale con risposta impulsiva g<(u) >composta di L campioni.

Per comodità, conviene esprimere con il filtro b(<u)>=c<(u)>*g<(u) >l’effetto combinato di spreading e mezzo trasmissivo. Organizzati in un unico vettore d=[d<(1)>;.--;d<(U)>] i simboli contemporaneamente processati ed indicato con n il rumore additivo, il vettore dell’informazione all’ingresso del ricevitore soddisfa la relazione lineare e=Ad+n dove la matrice A è definita come:

Per semplicità, l’invenzione verrà descritta nel seguito con riferimento al caso di simboli indipendenti a varianza unitaria e rumore bianco con varianza or<2>. Tale caso non è particolarmente restrittivo. Con gli insegnamenti che seguono sarà chiara l’applicazione ai differenti casi possibili.

Indicato con r il vettore prima della stima dei dati d il criterio ZF fo i ce

mentre il criterio MMSE dà in uscita:

r=(A<H>A+o<2>IM)<'1>A<H>e,

in cui IM è la matrice identità M x M.

Si descriverà di seguito il procedimento secondo l invenzione che permette di ottenere una sostanziale diminuzione della complessità e l’innovativo ricevitore equalizzatore che applica tale procedimento.

Si prenda la matrice Hermitiana A<H>A, presente in entrambi gli schemi di equalizzazione, e si partizioni in U<2 >sottomatrici N x N Toeplitz a banda, del tipo:

dove l’ordine m è legato al fattore di spreading e alla lunghezza della risposta impulsiva del canale dalla relazione m=[(L-1)/Q].

Quando m«N, ogni sottomatrice può essere approssimata con la matrice circolare asintoticamente equivalente Tjj costruita come descritto ad esempio in R.M.Gray, “On thè Asymptotic Eigenvalue Distribution of Toeplitz Matrices” in IEEE Trans. Info Theory, Novembre 1972, Voi.18, n°6, pp.725-730.

Se la condizione m«N non è verificata, ad esempio perché L è troppo grande, si possono aggiungere simboli noti della “training sequence” agli estremi del pacchetto dati di ciascun utente fino a rientrare nella condizione.

Indicando con [t0,t1, ...,Lm+1,t-m]<T >la prima colonna della matrice Tjj, si può definire la matrice diagonale N x N:

Indicata con PN la matrice che opera la DFT su N campioni, la matrice circolare Tjj · gode della proprietà di fattorizzazione:

Poiché la fattorizzazione può essere applicata a ciascuna delle U<2 >sottomatrici di A A, conviene introdurre la matrice M x M:

che realizza U DFT su N campioni, ed esprimere la matrice A<H>A in forma fattorizzata:

Inoltre, sfruttando la proprietà di ortogonalità della matrice PNl risulta FM<"1=>1/N F<H>M. Si può perciò scrivere:

La matrice Γ è una matrice U x U a elementi matriciali e ciascuna sottomatrice Γij che la compone è diagonale. Perciò le operazioni possono essere condotte elemento per elemento con una complessità 0(N). Sfruttando questa proprietà la matrice Γ<'1>, e quindi (A<H>A)<-1>, è calcolabile con una complessità 0(NU<3>)= 0(MU<2>) anziché 0(M<3>) nel caso generale. Poiché M»U, la complessità di calcolo risulta notevolmente ridotta.

A questo punto, per ottenere un efficiente equalizzatore che applichi il criterio “Zero-Forcing” (ZF-BLE) basta sostituire la sopra calcolata:

nella precedentemente definita espressione della stima r=(A<H>A) <1>A<H>e, per ottenere il vettore r come:

Per ottenere invece un efficiente equalizzatore che applichi il criterio “Minimum Mean Square Error” (MMSE-BLE) basta sostituire la sopra calcolata:

nella precedentemente definita espressione della stima Γ=(Α<Η>Α+o<2>ΙΜ) <l>A<H>e. Il vettore r sarà:

La matrice ΓΘ=Ο<2>ΝΙΜ Γ è ancora partizionabile in U<2 >sottomatrici diagonali; perciò il calcolo della matrice inversa richiede ancora MU<2>) operazioni.

Lo schema a blocchi di un ricevitore a complessità ridotta realizzato secondo l’invenzione è mostrato in figura 2. Come si vede in tale figura, il vettore dell’informazione e=[e1,e2,...eQN+L-i]<T >che giunge all’ingresso del ricevitore viene applicato ad un blocco 13 che esegue l’operazione A<H>. Q è lo “spreading factor”, L il numero di coefficienti dell’equivalente in banda base del canale trasmissivo ed N il numero di simboli di ciascun blocco dati. Tale blocco 13 è il banco di “matched filter”, la cui uscita deve essere inviata a mezzi di elaborazione per la stima. Il blocco 13 comprende una pluralità di sottoblocchi 13a, che applicano il matched filter sui vettori b(1) b(2), ....bU , come già sopra definiti.

All’uscita del banco di matched filter si hanno U vettori di dimensione N, indicati c .,U. Secondo l’invenzione, l’uscita di ciascun blocco

13a viene applicata ad un rispettivo blocco 14a che esegue la U DFT su N campioni. L’insieme dei blocchi 14a realizza perciò un blocco 14 che calcola la FM.

Si ottengono così U vettori di N simboli che vengono indicati con L’insieme delle uscite dai blocchi 14a, vale a dire gli NU simboli rappresentati dal vettore scritto com diviene l’ingresso del blocco di calcolo 15 che esegue la

trasformazione rappresentata dalla matrice Γ<'1 >(nel caso di equalizzatore ZF-BLE) o della matrice [o2NIM r]<-1 >(nel caso di equalizzatore MMSE-BLE). Il blocco 15 ha U uscite R<(1)>,..,R<(U) >di vettori di dimensione N. Ciascuna uscita viene inviata ad un blocco 16a che esegue una IDFT, sempre su N punti. Il complesso16 dei blocchi 16a esegue perciò la F<H>M- Le uscite dei blocchi 16a sono i cercati che compongono il vettore di stima r, come già sopra definito.

A questo punto è chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati, semplificando la struttura del ricevitore utilizzando l’approssimazione ciclica come sopra descritto e passando così da una complessità 0(M<3>), più elevata, ad una complessità 0( MU<2>), significativamente minore. In altre parole, invece di operare su una intera sequenza di UN simboli all’uscita del noto banco di matched filter, secondo l’invenzione si opera su U sottoblocchi di N elementi mediante operazioni di DFT e IDFT.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di realizzazioni applicanti i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell’ambito di privativa qui rivendicato.

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la equalizzazione di un segnale, che si propaga in un sistema ibrido TD-CDMA dove U utenti trasmettono contemporaneamente, con un ricevitore avente una data sequenza di segnatura CDMA per generare un simbolo rilevato che stima un simbolo trasmesso, il segnale ricevuto venendo inviato ad un banco di matched filter all’uscita del quale si ottengono U vet n

   i=l,...,U, che sono elaborati per ottenere i vettori di stima r<(1)>, ... ,r<(U) >del simbolo trasmesso, comprendente le fasi di: -eseguire la DTF su N punti di ciascun vettore per ottenere U vettori composti da N elementi; -applicare una trasformazione rappresentata da una matrice Γ<'1>,

   nel caso si voglia una equalizzazione ZF-BLE, o da una matrice [C^NIM Γ]<'1>, nel caso si voglia una equalizzazione MMSE-BLE, per ottenere U vettori R<(1)>,..,R<(U) >di dimensione N; -eseguire la IDFT su N punti per ciascun vettore R^V-JR^ per ottenere U vettori composti da N elementi e impiegare tali vettori come vettori di stima r<(1)>, ... ,rU.
2. 2. Equalizzatore per Γ equalizzazione di un segnale, che si propaga in un sistema ibrido TD-CDMA dove U utenti trasmettono contemporaneamente, in un ricevitore avente una data sequenza di segnatura CDMA per generare un simbolo rilevato che stima un simbolo trasmesso, l’equalizzatore comprendendo un banco di matched filter all’ingresso del quale è applicato il segnale ricevuto, il banco di matched filter avendo in uscita U vettori d<(l)>=[d <(i>) ,...,d <(i)>N]<T>, con i=l,...,U, che sono inviati a mezzi di elaborazione alla cui uscita si ottengono i cercati vettori di stima r1, .,. ,rU del simbolo trasmesso, caratterizzato dal fatto che i mezzi di elaborazione comprendono: -una pluralità di blocchi di calcolo DTF su N punti, a ciascun blocco venendo inviato uno dei vettori per ottenere all’uscita da ciascun blocco un corrispondente vettore -mezzi di trasformazione che ricevono i vettori D <i >e che ne eseguono la trasformazione rappresentata da una matrice r<-1>, nel caso si voglia una equalizzazione ZF-BLE, o da una matrice [o2NIM +r]<-1>, nel caso si voglia una equalizzazione MMSE-BLE, così da rendere alla loro uscita corrispondenti U vettori R(1) R(U). -una pluralità di blocchi di calcolo IDFT su N punti, a ciascun blocco venendo inviato uno dei vettori R1,..,Ru per ottenere all’uscita da ciascun blocco un corrispondente vettore r composto da N elementi, tali vettori r essendo i detti cercati vettori di stima r<(1)>, ... ,r<(U)>.