WO2002041593A1 - Method and device for blindly equalizing signals transmitted over time-variant transmission channels - Google Patents

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WO2002041593A1
WO2002041593A1 PCT/AT2001/000360 AT0100360W WO0241593A1 WO 2002041593 A1 WO2002041593 A1 WO 2002041593A1 AT 0100360 W AT0100360 W AT 0100360W WO 0241593 A1 WO0241593 A1 WO 0241593A1
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Harold ARTÉS
Franz Hlawatsch
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00Baseband systems
    • H04L25/02Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03006Arrangements for removing intersymbol interference
    • H04L25/03012Arrangements for removing intersymbol interference operating in the time domain
    • H04L25/03019Arrangements for removing intersymbol interference operating in the time domain adaptive, i.e. capable of adjustment during data reception
    • H04L25/03082Theoretical aspects of adaptive time domain methods
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04L25/00Baseband systems
    • H04L25/02Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03006Arrangements for removing intersymbol interference
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    • H04L25/03019Arrangements for removing intersymbol interference operating in the time domain adaptive, i.e. capable of adjustment during data reception
    • H04L25/03038Arrangements for removing intersymbol interference operating in the time domain adaptive, i.e. capable of adjustment during data reception with a non-recursive structure
    • H04L25/0305Arrangements for removing intersymbol interference operating in the time domain adaptive, i.e. capable of adjustment during data reception with a non-recursive structure using blind adaptation

Definitions

  • the invention relates to a method for blind equalization of signals transmitted via time-variant transmission channels, the respective time-variant transmission channel being modeled by diversification with a finite number of time-variant sub-channels.
  • the invention relates to a device for equalizing signals transmitted over time-variant transmission channels, with a receiving circuit and with a computer, the respective time-variant transmission channel being modeled by diversification with a finite number of time-variant sub-channels.
  • Transmission channels generally add distortions to a transmitted signal, which the receiver receiving the signal must equalize in order to be able to detect the information transmitted with the signal.
  • the distortions consist on the one hand of intersymbol interference and, on the other hand, of double (frequency) shifts.
  • the channel is known (for example, the channel is estimated using training symbols).
  • so-called blind methods equalize the received signal without knowing the channel and the transmitted symbols.
  • the mobile radio channel In mobile radio (in mobile telephony), the mobile radio channel is inherently a time-changing, ie time-variant channel due to the movement of the mobile station (ie the moving user) and the movement of some spreaders. (In the following, the usual abbreviation "LTV” (for "linear time-varying” - linear time-variant) is to be used for time-variant.
  • the so-called blind methods for equalization do not use explicit knowledge about the channel, but rather knowledge about certain generally valid mathematical structures of the channel. Training symbols are generally not required for these methods, and the full transmission capacity can therefore be used for the transmission of data.
  • the computing power required for blind methods is higher than that for the conventional methods using training symbols, the enormously high costs of the mobile radio operators for rights of use for their frequency bands justify the additional computing effort of blind methods in future systems with regard to the then possible higher bandwidth efficiency .
  • GSM mobile telephony e.g. 116 data symbols and 26 training symbols were sent per data burst, which corresponds to a loss of approx. 22% in transmission capacity.
  • a disadvantage of this known direct method is that an equation system would have to be solved, the size of which is exponential with the product of the number of Doppler shifts and the channel length plus. Smoothing factor increases.
  • an atrix-valued impulse response characteristic of the channel is concluded via the column space of a reception or output matrix obtained from the received signals (with Matrix ambiguity). Then equalization (again with matrix ambiguity). Finally, the matrix ambiguity is removed.
  • the aim of the invention is now to enable efficient blind equalization of time-variant transmission channels with relatively little computational effort, with different sub-channel lengths and several users on one channel also being possible.
  • the invention provides a method or a device as defined in independent claims 1 and 15.
  • the invention it is possible to transmit data in a computer-efficient manner without loss of capacity through training symbols via time-variant channels and to obtain them in an equalized form. It is also advantageous that a deterministic method is available with which the received signal can be equalized without redundancy in the transmitted signal.
  • the invention is intended in particular for use in equalization without the use of training symbols, it can also be used in conventional systems using training symbols, in particular when the conventional equalization techniques, for example due to an excessive time variance of the transmission channel at a high speed of the mobile station, can no longer equalize a transmission channel.
  • the training symbols common from these known techniques can be used in the context of the invention for the "semi" -blind initialization of the equalization calculation in order to increase the computing efficiency, ie to shorten the computing time, and to increase the quality of the equalization. Furthermore, it is advantageously possible to use the invention even in a multi-user case. that, ie in the case of sending several user signals on one and the same channel, different modulation structures being used as a basis for the different user signals in order to separate the user signals. In this way, several users can be clearly and error-free separated from each other, even if they transmit on the same frequency and interfere with each other.
  • At least one of the signal spaces takes into account a modulation structure that indicates a relationship between the signal input values.
  • a Doppler shift diversity in the signals to be equalized is taken into account with a signal space.
  • a received matrix with a Hankel or Toeplitz structure is formed from the received signals on the basis of the temporal and frequency diversity of the respective time-variant channel, and its line space is determined. It is also advantageous if an input matrix with a Toeplitz or Hankel structure, which is representative of the equalized signal, is derived from the reception matrix and a matrix-value impulse response for all subchannels. It is also advantageous if the line space of the input atrix (s) is calculated from the line space of the receive matrix (x), for example by singular value decomposition of the receive matrix.
  • the generating matrix of the input matrix is determined from its row space while resolving the matrix ambiguity.
  • the input matrix is forced out of the row space of the reception matrix while forcing a block-toeplitz structure and a modulation structure is derived.
  • the input matrix is determined by iterative projection onto the two signal spaces.
  • different subchannel lengths that belong to different Doppler shifts can also be taken into account, wherein a respective modulation matrix can be defined to take into account different subchannel lengths.
  • model parameters on which the calculations are based can also be determined from the scattering function, and previously given knowledge relating to a discrete symbol alphabet can be used in order to further shorten the computer time required for the various calculations.
  • Fig.l is a schematic representation of a signal transmission with temporal variance with a moving receiver (mobile phone) and moving spreader (vehicle);
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a model with time-variant channels with several antennas
  • FIG. 3 shows a model multi-channel representation, with a number of time-invariant channels as a replacement for a time-variant transmission channel
  • FIG. 4 shows a somewhat modified multi-channel model in order to take into account the several time-variant channels according to FIG.
  • FIGS. 6 and 6A in an associated flowchart a part of the diagram according to FIG. 5 in more detail;
  • FIGS. 6 and 6A in the flow diagrams corresponding to FIGS. 5 and 5A show a modified procedure when determining the equalized signals;
  • FIG. 7 shows a scheme derived from FIG. 2 with a plurality of time-variant channels, this scheme being applicable to the case of several users, so that DxM time-variant channels are given; - 1 -
  • FIG. 8 shows a model corresponding to FIG. 3 with time-invariant channels, but for the multi-user case according to FIG. 7;
  • 9 and 9A show a flow chart corresponding to the diagrams according to FIGS. 5 and 5A or 6 and 6A, but now for the multi-user case according to FIGS. 7 and 8;
  • FIG. 11 shows, in a diagram similar to FIG. 10, a comparison of the equalization technology according to the invention in a multi-user case with a single-user case according to the prior art; and FIGS. 12A and 12B are scatter points for two users after the equalization, FIG. 12A illustrating one user and FIG. 12B the other user.
  • a mobile radio transmission for mobile telephones is schematically illustrated in FIG. 1, with a mobile telephone 1 and a spreader given by a moving vehicle 2 moving relatively quickly, as an example.
  • the signals transmitted by radio are received via several signal paths, corresponding to the respective reflections, for example on buildings 3 or on moving vehicle 2.
  • a rectification device is generally illustrated in FIG. 1, in which channels corresponding to corresponding antenna elements 5 ⁇ to 5 M , each with a filter 6 ⁇ .. 6 M , modulator 7 ⁇ to 7 M (which converts to the baseband accomplished) and analog / digital converter 8 M , a computer 9 is connected to carry out the corresponding equalization as explained in more detail below and finally to output an equalized received signal at 10.
  • FIG. 2 the transmission with the given M transmission channels lli is shown schematically to 11 M at which the transmitted signal S [N] is applied, wherein the respective received signals on the outputs of the individual channels lli to 11 M x ⁇ [n] to x m [n] is present.
  • the individual transmission channels lli to 11 M are known.
  • Channel impulse responses h [n, m] is characterized, is, as indicated in the present case corresponding to such through a total of M impulse responses in Fig.2 at 12 ⁇ to 12 M.
  • Each of these M transmission channels 11 is shown in FIG models a number N D of subchannels so that instead of having to perform the calculation of a time-variant channel, a number of time-variant subchannels can be calculated.
  • the present method is a blind, deterministic (i.e. no statistics need to be estimated) method for equalizing time-variant channels.
  • the noise is neglected, as is usual in the literature.
  • simulations showed that the present method is extremely robust against additive channel noise.
  • a Toeplitz matrix is a matrix whose entries are constant along the diagonal, e.g. Tl 2.51;
  • a Hankel matrix is a matrix whose entries are along the
  • Anti-diagonals are constant, e.g. 1 2 31
  • the row space of a matrix is the space that is spanned by the rows of the matrix, cf. also G.H. Golub and C.F. Van Loan, Matrix Computations. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 3rd ed., 1996.
  • a horizontal block toeplitz matrix or block Hankel matrix is uniquely determined by its row space except for a multiplication from the right by a block diagonal matrix (this ambiguity is referred to below as matrix ambiguity).
  • a Block-Toeplitz or Block-Hankel matrix is defined exactly like a Toeplitz or Hankel matrix, except that the entries are not scalars, but matrices again.
  • the single time-variant channel generally does not have the structure required for blind equalization.
  • Practically all existing mobile radio channels can, however, be represented in an equivalent way as a multi-channel LTI model.
  • Fig.3 shows schematically the multi-channel LTI model used here, which models a single time-variant channel according to FIG.
  • the multichannel representation arises in the present case from a discretization of a continuous time-variant channel with the additional assumption that only one reception signal block of finite length is considered at a time. This assumption is common and is in no way restrictive, since the block length can be chosen arbitrarily and blocks can be strung together.
  • An advantage of this special method in contrast to the prior art (where Doppler shifts around continuous frequencies are used) is that the individual Doppler frequencies do not have to be additionally estimated. It only needs to know whether a subchannel is available at a particular Doppler frequency or not, that is, it is assumed that the Doppler shifts are 'on a grid, and it is then necessary to examine the halftone dots are "active".
  • the given “modulation structure” is indicated schematically in FIG. 3 at 13, while the channel impulse responses are again illustrated at 12.
  • the individual time-invariant channels 14 ⁇ ... 14 N are reassembled at 15.
  • the information regarding active subchannels can be extracted from the spreading function of the channel if the channel can be assumed to be stationary with independent spreaders (WSSUS).
  • WSSUS independent spreaders
  • the relevant model parameters are the "active" Doppler shift indices l and the lengths of the corresponding subchannel impulse responses hilc [m]. As already mentioned, these can
  • Parameters for WSSUS channels can be easily determined from the channel's spreading function. Since the spreading function changes only slowly over time, it is much easier to estimate than the channel itself.
  • X is the output matrix that is created from the received signals
  • H the channel matrix obtained from the channel impulse responses
  • the input matrix containing the transmitted signals to be determined.
  • the arrangement is chosen so that the individual matrices have the block-toeplitz structure or block-Hankel structure desired for the blind equalization.
  • This step of forming the receive or output matrix x with block 16 is illustrated in FIG. This is followed by the calculation of the row space of the receive matrix X at 17.
  • the sizes of the individual matrices depend on parameters such as the impulse response length, the number of Doppler shifts, the smoothing factor and the number of observations (oversampling factor or number M of receiving antennas). On the condition that these parameters are chosen in such a way that
  • the generating matrix of S is calculated in accordance with block 18 in FIG. 5: It is known that the matrix itself can be reconstructed down to a multiplicative factor from the row space of a lying Toeplitz matrix or Hankel matrix alone. However, if the matrix is a block Toeplitz matrix, the matrix itself can generally only be determined from its row space except for one matrix ambiguity, since the block rows generally have no structure.
  • the input matrix s is a block-toeplitz matrix, which is uniquely determined or "generated” by its elements s [-L + l], s [-L + 2], ..., s [N-l]. That is why the matrix
  • the size K x (N + L-l) also called the generating matrix of s.
  • the given equalization problem can therefore also be formulated as the calculation of the generating matrix S from the matrix x.
  • step 19 now follows the resolution of the matrix ambiguity. Due to the modulation structure of the present multi-channel LTI model, the individual block rows of the matrix S have a well-defined relationship, which makes it possible to resolve the matrix ambiguity remaining from the last calculation step, i.e. from SA to conclude the desired generating matrix S.
  • SA i.e. from SA
  • H.Liu and GBGiannakis "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying Channels with antenna arrays", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp.3003-3013, Nov. 1998, there is a method for elimination the matrix ambiguity presented, but this is practically very difficult to implement due to the particularly high computing effort.
  • the resolution of the matrix ambiguity is based on the fact that the generating matrix S of the sought transmission matrix S is completely described by its belonging to two linear spaces.
  • the first linear space A takes into account the modulation structure, that is, the relationship between the input values Si [n]
  • the definition of the modulation matrix M (no) allows an unknown time shift no, which could occur in practice.
  • the second linear space B ' is the row space of the generating matrix S, which is equal to the row space of SA. It follows that the matrix S sought must lie in the intersection of the two spaces, i.e. S - ⁇ A'nB ', where A' represents the linear subspace of all matrices with the modulation structure M (no) D, given M (no) and diagonal D, and B 'represents the linear subspace of all matrices whose row space in the row space is from SA lies, ie the subspace of all matrices of the form BSA with any KxK matrix B.
  • a computationally efficient iterative method is used, which, starting from a starting value, projects alternately onto the two spaces A 'and B' (see blocks 20 and 21 in FIG. 5A) until a further projection occurs no longer results in a significant change, ie until the estimated value converges (see query step 22 in FIG. 5A); the convergence is checked with a so-called stop criterion - if the change in another iteration is smaller than the stop criterion, the process is terminated.
  • This mathematical pro ection process is known per se in the literature under the name "projections onto convex sets", also called "POCS", see p.
  • the convergence of the method is given. This ensures that, for a given generator, and for given Doppler shifts l k the input data s [-L + l], s [-L + 2], ..., s [N- 1] are uniquely determined except for a scalar factor. This applies even under the condition that the time difference o is unknown.
  • the convergence can be done with a so-called relaxation (e.g. PLCombettes, "The foundations of set theoretic estimation", Proc., IEEE, vol .81, pp.181-208, Feb. 1993; or S. Hein, "A fast block -based non-linear decoding algorithm for ⁇ modulators ", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43, pp. 1360-1367, June 1995) can be significantly accelerated, which in turn further reduces the computing effort of the method.
  • relaxation e.g. PLCombettes, "The foundations of set theoretic estimation", Proc., IEEE, vol .81, pp.181-208
  • the present method for resolving the matrix ambiguity can be used without changes even if the Doppler shifts are not on a grid (grid) (for example with a model as described in H.Liu and GBGinakis, "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying channels with antenna arrays ", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp.3003-3013, Nov. 1998).
  • the resolution of the matrix ambiguity still works when the active ones Dopplerver shifts l are unknown.
  • the input data s [n] can be determined except for a multiplication by ce 3 ⁇ -, where 1 e [0, N-1].
  • This unknown "residual modulation" can also be resolved if s [n] is a symbol sequence with a known finite symbol alphabet.
  • Another advantage of the present method for resolving the matrix ambiguity is the simple usability of a priori knowledge.
  • Knowledge of a specific symbol alphabet used by the sender i.e. the elements of the matrix S may only take values from a certain known set of values
  • the method can be initialized semi-blind by a suitable choice of the starting point of the iterations, which also accelerates the convergence.
  • the method explained above for blind equalization of time-variant channels can also be adapted for different sub-channel lengths.
  • known methods for LTI channels see H.Liu and G.Xu, "Closed form blind symbol estimation in digital communications," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 3, pp. 2714-2723, Nov. 1995 ; or AJ van der Veen, S. Talwar, and A. Paulra, "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless communication Systems", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 45, pp. 173-190, Jan 1997) adapted.
  • D p diag ⁇ s [-L P + l], s [-L P +2], ..., s [Nl] ⁇ of the size (N + L P -l ) x (N + L p -l) defined.
  • the calculation of the generating matrix SA apart from an authenticity is computationally complex. This step can be avoided if one recognizes that the input matrix S is uniquely determined except for a scalar factor by the following two properties:
  • the row space of the input matrix S lies in the row space of the output matrix X.
  • Step 24 Enforce the block toeplitz structure. It ⁇ eis ⁇ v ⁇ 1) the result of the previous iteration (i.e. the Projection on B '). From the matrix S (-1) , which has no block Toeplitz structure, a Kx (N + Ll) "pseudo-generating matrix" S (v_1> is calculated as follows: The first of the K rows of S ( v is calculated by averaging appropriately shifted and padded versions of the first, (Ktl) -th, (2K + l) -th, etc.
  • Step 25 (Fig. 6A): Enforce the modulation structure.
  • S (v) M (no) D (v) is formed, whereby it can be shown that the diagonal elements of the diagonal matrix D (vl by
  • the method described above with all its possible modifications can also be used to equalize the corresponding time-variant channels when several users are being transmitted at the same time. It can be shown that if the channels meet certain conditions, the users can be correctly separated in the absence of noise; i.e. that in this case several users can use the same frequency at the same time without interfering with each other. If the requirement for the channels is not met, the users can still be separated if a finite signal alphabet is used for transmission, as is customary in practice.
  • the individual LTV channels are again represented by multi-channel LTI models, see FIG. 8, which shows the multi-channel LTI model used here, which shows the time-variant channels from the Users modeled into an antenna, ie there are a total of M
  • h (i ' d> [n, m] represents the LTV impulse response of the channel, which maps s (d) [n] to x (il [n].
  • h ⁇ 1,0 ' [m] analogous to the above explanations, the 1st subchannel of the multi-channel LTI model of h (i - d) [n, m].
  • s' ⁇ [n] s ldl [n] e j2 ⁇ lnN is used, which results in the modulation structure results.
  • the relevant model parameters are again the "active" Doppler shift indexes 1 ⁇ and the lengths of the corresponding sub-channel impulse responses [m]. the consequence of the differences of two successive Doppler shift indexes 1, for a given d (wherein the
  • Doppler shift indices 1 (a k ) k are assumed to be in ascending order), that is, the sequence
  • the Doppler profile of user d is called the Doppler profile of user d below. Again, it is assumed that all M channels assigned to a particular user have the same channel model parameters. To simplify the illustration, it is also assumed that the LTI subchannels [m] have impulse responses of identical length. However, the multi-user case can be extended to different subchannel lengths in the same way as the single-user case.
  • the input vector is modified in such a way that it contains the modulated input data of all users, s [n]
  • K also means that the expressions for the dimensions of the individual matrices and the expressions for the conditions that must be set for identifiability remain unchanged from those from Section 2.
  • the row space of the reception matrix X (see block 17 in FIG. 9) is calculated in the same way as described above.
  • modulation matrices Ma with different sizes Kax (N + Ll), their elements / N) and the (N + Ll) x (N + Ll) diagonal
  • Input matrices Da diag ⁇ s (d) [- +1], s (a) [-L + 2], ..., s (d) [Nl] ⁇ are used. (For the sake of simplicity, an unknown time shift by n 0 is now disregarded here.)
  • the users can be separated apart from one scalar factor per user.
  • the generating S is clearly determined by the following two properties (apart from the scalar factors):
  • S has the modulation structure [(M ⁇ D ⁇ .) ⁇ ... (M D D D ) T ], where M d are given and all Da are diagonal;
  • the line space of S lies in the line space of S A. So S e A 'n B', s. Block 26 in FIG. 9, where A 'is the linear subspace of all matrices of the form [(M ⁇ D ⁇ ) ⁇ ... (MDD D ) T ] T with given dimensions and diagonal Da and B' denotes the linear space of all matrices whose Row space lies in the row space of S A , ie the linear space of all matrices of the form BS A with any KxK matrix B.
  • Convergence is independent of whether all users have different Doppler profiles or not. If all users have different Doppler profiles, a separation of the users according to the described POCS procedure is guaranteed; however, if two or more users have identical Doppler profiles, the users within the group of users with identical Doppler profiles are mixed and must e.g. with methods that take advantage of a finite signal alphabet. This is shown schematically at 27 in FIG.
  • FIG. 10 compares the mean square error (MSE) of the equalization with direct factorization (see FIG. 6) with that MSE value which was achieved by the "indirect” method according to the prior art as a function of the signal-to-noise ratio SNR.
  • the MSE value was 11 sc's' I [ 2 /
  • . s 11 2 defined averaged over all simulation runs, where s [s [-L + 1] s [-L + 2] ... s [N- l]] ⁇ , s is the estimated value of ⁇ , which corresponds to the corresponding one Method was achieved, and c is the least-squares estimate for the unknown factor c.
  • the SNR ratio is called 11 [x [0] ... x [Nl]]

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Abstract

In order to blindly equalize signals transmitted over time-variant transmission channels, the respective time-variant transmission channel is modeled by diversifying it with a finite number of time-invariant subchannels. Two corresponding signal spaces (A', B') are derived from the received signals (x[n]) based on the diversity of the respective time-variant channel both in the time direction as well as in the frequency direction, and the equalized signal (s[n]) is derived from the intersection of these signal spaces.

Description

Verfahren und Einrichtung zum blinden Entzerren von über zeitva- riante Übertragungskanäle übertragenen Signalen Method and device for blind equalization of signals transmitted over time-variant transmission channels
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum blinden Entzerren von über zeitvariante Übertragungskanäle übertragenen Signalen, wobei der jeweilige zeitvariante Übertragungskanal durch Diver- • sifikation mit einer endlichen Anzahl von zeitinvarianten Subka- nälen modelliert wird.The invention relates to a method for blind equalization of signals transmitted via time-variant transmission channels, the respective time-variant transmission channel being modeled by diversification with a finite number of time-variant sub-channels.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zum Entzerren von über zeitvariante Übertragungskanäle übertragenen Signalen, mit einer EmpfangsSchaltung und mit einem Rechner, wobei der jeweilige zeitvariante Übertragungskanal durch Diversifikation mit einer endlichen Anzahl von zeitinvarianten Subkanälen modelliert wird.Furthermore, the invention relates to a device for equalizing signals transmitted over time-variant transmission channels, with a receiving circuit and with a computer, the respective time-variant transmission channel being modeled by diversification with a finite number of time-variant sub-channels.
Übertragungskanäle (im Folgenden Kanäle genannt) fügen einem übertragenen Signal im Allgemeinen Verzerrungen zu, die der das Signal empfangende Empfänger entzerren muss, um die mit dem Signal übertragene Information detektieren zu können. Bei linearen Kanälen (auf welche im Folgenden besonders Bezug genommen wird) bestehen die Verzerrungen einerseits aus Intersymbolinterferenzen und andererseits aus Doppier- (Frequenz-) Verschiebungen. Um diese Verzerrungen zu entzerren, wird normalerweise davon ausgegangen, dass der Kanal bekannt ist (beispielsweise wird der Kanal mit Hilfe von TrainingsSymbolen geschätzt) . Im Gegensatz dazu entzerren sogenannte blinde Verfahren das empfangene Signal ohne Kenntnis des Kanals und der gesendeten Symbole.Transmission channels (hereinafter referred to as channels) generally add distortions to a transmitted signal, which the receiver receiving the signal must equalize in order to be able to detect the information transmitted with the signal. In the case of linear channels (to which special reference is made below), the distortions consist on the one hand of intersymbol interference and, on the other hand, of double (frequency) shifts. In order to equalize these distortions, it is usually assumed that the channel is known (for example, the channel is estimated using training symbols). In contrast, so-called blind methods equalize the received signal without knowing the channel and the transmitted symbols.
Im Mobilfunk (in der Mobiltelefonie) ist der Mobilfunkkanal durch die Bewegung der Mobilstation (d.h. des sich bewegenden Benutzers) und durch die Bewegung mancher Streuer inhärent ein sich zeitlich verändernder, also zeitvarianter Kanal. (Im Weiteren soll hier für zeitvariant die übliche Abkürzung "LTV" (für "linear time-varying" - linear zeitvariant) verwendet werden. Obwohl der Mobilfunkkanal heute aus Gründen der Einfachheit weitgehend noch als kurzzeitig zeitinvarianter ( "LTI"-" linear time-invariant" - linear zeitinvarianter) Kanal, also als ein sich über kurze Zeiträume' nicht verändernder Kanal, modelliert wird, so wird es doch bei zunehmenden Datenraten und damit auch bei zunehmenden Übertragungsbandbreiten in Zukunft von Vorteil sein, den Kanal seiner Natur ' entsprechend als zeitvariant zu modellieren. Zeitinvariante Kanäle haben im Gegensatz zu zeitvari- 1 1 ιH o cd -H Öl so W 1 -- g----------- -. H > c- φ 4J 4J o o CQ -b s -El d ω -In mobile radio (in mobile telephony), the mobile radio channel is inherently a time-changing, ie time-variant channel due to the movement of the mobile station (ie the moving user) and the movement of some spreaders. (In the following, the usual abbreviation "LTV" (for "linear time-varying" - linear time-variant) is to be used for time-variant. Although the mobile radio channel is still largely time-variant today for reasons of simplicity ("LTI" - "linear time- invariant "-) channel, 'is modeled not changing channel, but it shall be with increasing data rates and thus also with increasing transmission bandwidths in the future of advantage to channel his nature' that is, as one over short periods of linear time-invariant according to the time-variant In contrast to time-varying channels, 1 1 ιH o cd -H oil so W 1 - g ----------- -. H> c- φ 4J 4J oo CQ -bs -El d ω -
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Practice: Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1996; bzw. J.G. Proakis, Digital Communications. New York: McGraw-Hill, 3d ed., 1995. Ein Nachteil dieser bekannten Verfahren ist, dass ein nicht unbeträchtlicher Teil der Übertragungskapazität für die Trainingssymbole geopfert werden muss, da diese Trainingssymbole mit den Daten mitgesendet werden. Je schneller sich der Kanal ändert, desto öfter müssen Trainingssy bole übertragen werden, und desto mehr Übertragungskapazität geht bei den herkömmlichen Systemen verloren.Practice: Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1996; or JG Proakis, Digital Communications. New York: McGraw-Hill, 3 d ed, 1995. A disadvantage of this known method is that a considerable part of the transmission capacity to be sacrificed for the training symbols must, as these training symbols are sent with the data.. The faster the channel changes, the more training symbols have to be transmitted, and the more transmission capacity is lost in conventional systems.
Im Gegensatz dazu wird bei den sogenannten blinden Verfahren zur Entzerrung kein explizites Wissen über den Kanal verwendet, sondern vielmehr eine Kenntnis über gewisse allgemein gültige mathematische Strukturen des Kanals . Für diese Verfahren werden im Allgemeinen keine Trainingssymbole benötigt, und es kann daher die volle Übertragungskapazität zur Übertragung von Daten genützt werden. Obwohl die für blinde Verfahren benötigte Rechenleistung höher ist als jene für die mit Trainingssymbolen arbeitenden herkömmlichen Verfahren, so rechtfertigen doch die enorm hohen Kosten der Mobilfunkbetreiber für Benutzungsrechte für ihre Frequenzbänder den zusätzlichen Rechenaufwand von blinden Verfahren in zukünftigen Systemen im Hinblick auf die dann mögliche höhere Bandbreiteneffizienz. Bei GSM-Mobiltelefonie werden z.B. pro Da- tenburst 116 Datensymbole und 26 Trainingssymbole gesendet, was einem Verlust von ca. 22% an Übertragungskapazität entspricht.In contrast, the so-called blind methods for equalization do not use explicit knowledge about the channel, but rather knowledge about certain generally valid mathematical structures of the channel. Training symbols are generally not required for these methods, and the full transmission capacity can therefore be used for the transmission of data. Although the computing power required for blind methods is higher than that for the conventional methods using training symbols, the enormously high costs of the mobile radio operators for rights of use for their frequency bands justify the additional computing effort of blind methods in future systems with regard to the then possible higher bandwidth efficiency , With GSM mobile telephony e.g. 116 data symbols and 26 training symbols were sent per data burst, which corresponds to a loss of approx. 22% in transmission capacity.
Aus H. Liu and G.B. Giannakis, "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying Channels with antenna arrays " , IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp. 3003-3013, Nov.1998, sind direkte und indirekte deterministische Verfahren bekannt, um eine blinde Signalentzerrung durchzuführen. Dabei ist das direkte Verfahren konzeptionell eine Abwandlung eines für LTI-Kanäle entworfenen Verfahrens (vgl. G.Xu, H.Liu, L.Tong, and T.Kailath, "A least-squares approach to blind Channel identi ication" , IEEE Trans. Signal Processing, ol .43 ,pp. 2982-2993, Dec. 1995). Ein Nachteil dieses bekannten direkten Verfahrens ist, dass ein Gleichungssystem gelöst werden müsste, dessen Größe exponentiell mit dem Produkt aus der Anzahl der Dopplerverschiebungen und der Kanallänge plus. Glättungsfaktor steigt. Beim indirekten Verfahren wird über den Spaltenraum einer aus den empfangenen Signalen erhaltenen Empfangs- oder Ausgangsmatrix auf eine für den Kanal charakteristische atrixwertige Impulsantwort geschlossen (mit Matrixambiguität) . Danach wird entzerrt (wieder mit Matrixambi- guität) . Zum Schluss wird die Matrixambiguität entfernt. Dieses Verfahren ist jedoch sehr rechenaufwendig; ferner gibt es keine Möglichkeit, ein a-priori-Wissen einfließen zu lassen, z.B. "semi "-blind zu initialisieren, und es gibt keine Möglichkeit zum Entzerren von Kanälen mit unterschiedlichen Subkanallängen; schließlich liefert dieses Verfahren relativ schlechte Resultate, da einerseits der Spaltenraum der Ausgangsmatrix über vergleichsweise wenig Struktur und andererseits das Verfahren zur Entfernung der Matrixambiguität mit verhältnismäßig großen Fehlern behaftet ist.From H. Liu and GB Giannakis, "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying Channels with antenna arrays", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp. 3003-3013, Nov. 1998, direct and indirect deterministic methods are known to carry out a blind signal equalization. The direct method is conceptually a modification of a method designed for LTI channels (cf. G.Xu, H.Liu, L.Tong, and T.Kailath, "A least-squares approach to blind channel identification", IEEE Trans Signal Processing, ol. 43, pp. 2982-2993, Dec. 1995). A disadvantage of this known direct method is that an equation system would have to be solved, the size of which is exponential with the product of the number of Doppler shifts and the channel length plus. Smoothing factor increases. In the indirect method, an atrix-valued impulse response characteristic of the channel is concluded via the column space of a reception or output matrix obtained from the received signals (with Matrix ambiguity). Then equalization (again with matrix ambiguity). Finally, the matrix ambiguity is removed. However, this process is very computationally complex; furthermore, there is no way to incorporate a priori knowledge, for example "semi" blind initialization, and there is no way to equalize channels with different subchannel lengths; finally, this method delivers relatively poor results, since on the one hand the column space of the output matrix has comparatively little structure and on the other hand the method for removing the matrix ambiguity is associated with relatively large errors.
Es ist nun Ziel der Erfindung, eine effiziente blinde Entzerrung von zeitvarianten Übertragungskanälen mit relativ geringem Rechenaufwand zu ermöglichen, wobei im Weiteren auch unterschiedliche Subkanallängen sowie mehrere Benutzer auf einem Kanal möglich sein sollen.The aim of the invention is now to enable efficient blind equalization of time-variant transmission channels with relatively little computational effort, with different sub-channel lengths and several users on one channel also being possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren bzw. eine Einrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 15 definiert vor.To achieve this object, the invention provides a method or a device as defined in independent claims 1 and 15.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments and further developments are specified in the subclaims.
Mit der Erfindung ist es möglich, in Rechner-effizienter Weise Daten ohne Kapazitätsverluste durch Trainingssymbole über zeitvariante Kanäle zu übertragen und in entzerrter Form zu gewinnen. Von Vorteil ist auch, dass eine deterministische Methode vorliegt, mit der ohne Redundanz im Sendesignal das empfangene Signal entzerrt werden kann. Wenngleich die Erfindung insbesondere zur Anwendung bei der Entzerrung ohne Verwendung von Trainingssymbolen vorgesehen ist, so kann sie doch auch in herkömmlichen Systemen, die TrainingsSymbole verwenden, eingesetzt werden, und zwar insbesondere dann, wenn die herkömmlichen Entzerrungstechniken aufgrund einer zu starken Zeitvarianz des Übertragungskanals, etwa bei einer hohen Geschwindigkeit der Mobilstation, einen Übertragungskanal nicht mehr entzerren können. Die von diesen bekannten Techniken her üblichen Trainingssymbole können im Rahmen der Erfindung zur "semi "-blinden Initialisierung der Entzerrungs-Rechnung verwendet werden, um die Recheneffizienz zu erhöhen, d.h. die Rechenzeit zu verkürzen, und um die Qualität der Entzerrung zu steigern. Weiters ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Erfindung auch in einem Mehrbenutzer-Fall anzuwen- den, d.h. im Fall des Sendens von mehreren Benutzer-Signalen auf ein und demselben Kanal, wobei dann für die verschiedenen Benutzer-Signale unterschiedliche Modulationsstrukturen zu Grunde gelegt werden, um die Benutzer-Signale zu trennen. Auf diese Weise können mehrere Benutzer eindeutig und fehlerfrei voneinander getrennt werden, auch wenn sie zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz senden und einander stören.With the invention it is possible to transmit data in a computer-efficient manner without loss of capacity through training symbols via time-variant channels and to obtain them in an equalized form. It is also advantageous that a deterministic method is available with which the received signal can be equalized without redundancy in the transmitted signal. Although the invention is intended in particular for use in equalization without the use of training symbols, it can also be used in conventional systems using training symbols, in particular when the conventional equalization techniques, for example due to an excessive time variance of the transmission channel at a high speed of the mobile station, can no longer equalize a transmission channel. The training symbols common from these known techniques can be used in the context of the invention for the "semi" -blind initialization of the equalization calculation in order to increase the computing efficiency, ie to shorten the computing time, and to increase the quality of the equalization. Furthermore, it is advantageously possible to use the invention even in a multi-user case. that, ie in the case of sending several user signals on one and the same channel, different modulation structures being used as a basis for the different user signals in order to separate the user signals. In this way, several users can be clearly and error-free separated from each other, even if they transmit on the same frequency and interfere with each other.
Im Rahmen der Erfindung ist auch keine Schätzung von Dopplerverschiebungsfrequenzen notwendig, und es werden qualitativ bessere Ergebnisse bei der Entzerrung im Vergleich zum Stand der Technik, und zwar bei verbesserter Recheneffizienz, erzielt. Im Hinblick auf die Diversifikation in Frequenzrichtung wird mit zumindest einem der Signalräume eine Modulationsstruktur berücksichtigt, die einen Zusammenhang zwischen den Signal-Eingangs- werten angibt. Allgemein wird mit einem Signalraum eine Dopplerverschiebungs-Diversität in den zu entzerrenden Signalen berücksichtigt .In the context of the invention, it is also not necessary to estimate Doppler shift frequencies, and qualitatively better results are achieved in the equalization compared to the prior art, specifically with improved computing efficiency. With regard to the diversification in the frequency direction, at least one of the signal spaces takes into account a modulation structure that indicates a relationship between the signal input values. In general, a Doppler shift diversity in the signals to be equalized is taken into account with a signal space.
Um die Rechnereffizienz weiter zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn bei der Herleitung der beiden Signalräume nur aktive Subkanäle herangezogen werden, wobei zugehörige Werte für Dopplerverschiebungen und für die Längen von Subkanal-Impulsantworten verwendet werden.In order to further increase the computer efficiency, it is advantageous if only active subchannels are used in the derivation of the two signal spaces, associated values being used for Doppler shifts and for the lengths of subchannel impulse responses.
Für die Berechnung der entzerrten Signalwerte hat es sich auch als günstig erwiesen, wenn aus den empfangenen Signalen auf Basis der zeitlichen und frequenzmäßigen Diversität des jeweiligen zeitvarianten Kanals eine Empfangsmatrix mit Hankel- oder Toeplitz-Struktur gebildet und deren Zeilenraum ermittelt wird. Dabei ist es weiters vorteilhaft, wenn aus der Empfangsmatrix und einer matrixwertigen Impulsantwort für alle Subkanäle eine für das entzerrte Signal repräsentative Eingangsmatrix mit Toe- plitz- bzw. Hankel-Struktur hergeleitet wird. Auch ist es von Vorteil, wenn der Zeilenraum der Eingangs atrix (s) aus dem Zeilenraum der Empfangsmatrix (x) , z.B. durch Singulärwertzerlegung der Empfangsmatrix, berechnet wird. Ferner ist es günstig, wenn die generierende Matrix der Eingangsmatrix aus deren Zeilenraum unter Auflösung der Matrixambiguität ermittelt wird. Andererseits hat es sich zur Erzielung von besonders kurzen Rechnerzeiten als vorteilhaft gezeigt, wenn die Eingangsmatrix unter Erzwingen einer Block-Toeplitz-Struktur sowie einer Modulationsstruktur in einem einheitlichen Schritt aus dem Zeilenraum der Empfangsmatrix hergeleitet wird. Für eine schnelle Berechnung ist es ferner vorteilhaft, wenn ausgehend vom Zeilenraum der Empfangsmatrix die Eingangsmatrix durch iterative Projektion auf die beiden Signalräume ermittelt wird.For the calculation of the equalized signal values, it has also proven to be advantageous if a received matrix with a Hankel or Toeplitz structure is formed from the received signals on the basis of the temporal and frequency diversity of the respective time-variant channel, and its line space is determined. It is also advantageous if an input matrix with a Toeplitz or Hankel structure, which is representative of the equalized signal, is derived from the reception matrix and a matrix-value impulse response for all subchannels. It is also advantageous if the line space of the input atrix (s) is calculated from the line space of the receive matrix (x), for example by singular value decomposition of the receive matrix. Furthermore, it is advantageous if the generating matrix of the input matrix is determined from its row space while resolving the matrix ambiguity. On the other hand, in order to achieve particularly short computer times, it has proven to be advantageous if the input matrix is forced out of the row space of the reception matrix while forcing a block-toeplitz structure and a modulation structure is derived. For a quick calculation, it is also advantageous if, starting from the row space of the reception matrix, the input matrix is determined by iterative projection onto the two signal spaces.
Bei der erfindungsgemäßen Technik können auch unterschiedliche Subkanal-Längen berücksichtigt werden, die zu verschiedenen Dopplerverschiebungen gehören, wobei zur Berücksichtigung unterschiedlicher Subkanal-Längen eine jeweilige Modulationsmatrix definiert werden kann.In the technique according to the invention, different subchannel lengths that belong to different Doppler shifts can also be taken into account, wherein a respective modulation matrix can be defined to take into account different subchannel lengths.
Im Rahmen der Erfindung können die für die Berechnungen zu Grunde zu legenden Modellparameter auch aus der Streufunktion ermittelt werden, und es kann ein vorab gegebenes Wissen betreffend ein diskretes Symbolalphabet verwendet werden, um die für die verschiedenen Berechnungen erforderliche Rechnerzeit weiter zu verkürzen.Within the scope of the invention, the model parameters on which the calculations are based can also be determined from the scattering function, and previously given knowledge relating to a discrete symbol alphabet can be used in order to further shorten the computer time required for the various calculations.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of particularly preferred exemplary embodiments, to which, however, it should not be restricted, and with reference to the drawing. Show it:
Fig.l eine schematische Darstellung einer Signalübertragung mit zeitlicher Varianz bei bewegtem Empfänger (Mobiltelefon) und bewegtem Streuer (Fahrzeug) ;Fig.l is a schematic representation of a signal transmission with temporal variance with a moving receiver (mobile phone) and moving spreader (vehicle);
Fig.2 eine schematische Darstellung eines Modells mit zeit- varianten Kanälen bei mehreren Antennen;2 shows a schematic representation of a model with time-variant channels with several antennas;
Fig.3 eine modellhafte Mehrkanal-Darstellung, mit einer Anzahl von zeitinvarianten Kanälen als Ersatz eines zeitvarianten Übertragungskanals ;3 shows a model multi-channel representation, with a number of time-invariant channels as a replacement for a time-variant transmission channel;
Fig.4 ein gegenüber Fig.3 etwas modifiziertes Mehrkanal-Modell, um die in der Praxis gegebenen mehreren zeitvarianten Kanäle gemäß Fig.2 mit zu berücksichtigen;4 shows a somewhat modified multi-channel model in order to take into account the several time-variant channels according to FIG.
Fig.5 in einem Ablaufdiagramm die Ermittlung der entzerrten Signale;5 shows the determination of the equalized signals in a flowchart;
Fig.5A in einem zugehörigen Ablaufdiagramm einen Teil des Diagramms gemäß Fig.5 mehr im Detail; die Fig.6 und 6A in den Fig.5 und 5A entsprechenden Ablauf- diagrammen eine modifizierte Vorgangsweise bei der Ermittlung der entzerrten Signale;5A in an associated flowchart a part of the diagram according to FIG. 5 in more detail; FIGS. 6 and 6A in the flow diagrams corresponding to FIGS. 5 and 5A show a modified procedure when determining the equalized signals;
Fig.7 ein aus Fig.2 abgeleitetes Schema mit mehreren zeitvarianten Kanälen, wobei dieses Schema auf den Fall von mehreren Benutzern zutrifft, so dass DxM zeitvariante Kanäle gegeben sind; - 1 -7 shows a scheme derived from FIG. 2 with a plurality of time-variant channels, this scheme being applicable to the case of several users, so that DxM time-variant channels are given; - 1 -
Fig.8 ein der Fig.3 entsprechendes Modell mit zeitinvarianten Kanälen, jedoch für den Mehrbenutzer-Fall gemäß Fig.7; die Fig.9 und 9A ein Ablaufdiagramm entsprechend den Diagrammen gemäß Fig.5 und 5A bzw. 6 und 6A, nun jedoch für den Mehrbenutzer-Fall gemäß Fig.7 und 8;8 shows a model corresponding to FIG. 3 with time-invariant channels, but for the multi-user case according to FIG. 7; 9 and 9A show a flow chart corresponding to the diagrams according to FIGS. 5 and 5A or 6 and 6A, but now for the multi-user case according to FIGS. 7 and 8;
Fig.10 in einem Diagramm, in dem der mittlere quadratische Fehler (MSE) der Entzerrung über den Signal-Rausch-Abstand (SNR) aufgetragen ist, einen Vergleich einer Methode gemäß Stand der Technik mit der erfindungsgemäßen Technik bei der Entzerrung von über zeitvariante Kanäle übertragenen Signalen;10 in a diagram in which the mean square error (MSE) of the equalization is plotted against the signal-to-noise ratio (SNR), a comparison of a method according to the prior art with the inventive technology in the equalization of time-variant channels transmitted signals;
Fig.11 in einem ähnlichen Diagramm wie Fig.10 einen Vergleich der erfindungsgemäßen Entzerrungstechnik in einem Mehrbenutzer-Fall mit einem Einbenutzer-Fall gemäß Stand der Technik; und die Fig.l2A und 12B Streupunkte für zwei Benutzer nach der Entzerrung, wobei die Fig.l2A den einen Benutzer und die Fig.l2B den anderen Benutzer veranschaulicht.11 shows, in a diagram similar to FIG. 10, a comparison of the equalization technology according to the invention in a multi-user case with a single-user case according to the prior art; and FIGS. 12A and 12B are scatter points for two users after the equalization, FIG. 12A illustrating one user and FIG. 12B the other user.
In Fig.l ist schematisch eine Mobilfunk-Übertragung für Mobiltelefone veranschaulicht, wobei sich annahmeweise ein Mobiltelefon 1 sowie ein durch ein fahrendes Fahrzeug 2 gegebener Streuer verhältnismäßig rasch bewegen. Die über Funk übertragenen Signale werden über mehrere Signalpfade, entsprechend den jeweiligen Reflexionen, z.B. an Gebäuden 3 bzw. am fahrenden Fahrzeug 2, empfangen. Bei 4 ist in Fig.l allgemein eine Entzerrungsein- richtung veranschaulicht, bei der an entsprechende Antennen-Elemente 5ι bis 5M entsprechende Kanäle, jeweils mit einem Filter 6ι .. 6M, Modulator 7ι bis 7M (der die Umsetzung auf das Basisband bewerkstelligt) und Analog/Digital-Wandler 8M, ein Rechner 9 angeschlossen ist, um die entsprechende Entzerrung wie nachstehend näher erläutert durchzuführen und schließlich ein entzerrtes Empfangssignal bei 10 abzugeben.A mobile radio transmission for mobile telephones is schematically illustrated in FIG. 1, with a mobile telephone 1 and a spreader given by a moving vehicle 2 moving relatively quickly, as an example. The signals transmitted by radio are received via several signal paths, corresponding to the respective reflections, for example on buildings 3 or on moving vehicle 2. At 4, a rectification device is generally illustrated in FIG. 1, in which channels corresponding to corresponding antenna elements 5ι to 5 M , each with a filter 6ι .. 6 M , modulator 7ι to 7 M (which converts to the baseband accomplished) and analog / digital converter 8 M , a computer 9 is connected to carry out the corresponding equalization as explained in more detail below and finally to output an equalized received signal at 10.
In Fig.2 ist schematisch die Übertragung mit den gegebenen M Übertragungskanälen lli bis 11M gezeigt, an denen das gesendete Signal S[N] anliegt, wobei an den Ausgängen der einzelnen Kanäle lli bis 11M die entsprechenden empfangenen Signale xι[n] bis xm[n] vorliegt. Die einzelnen Übertragungskanäle lli bis 11M werden durch sog. Kanalimpulsantworten h[n,m] charakterisiert, im vorliegenden Fall entsprechend durch insgesamt M derartige Impulsantworten, wie in Fig.2 bei 12ι bis 12M angedeutet ist.In Figure 2 the transmission with the given M transmission channels lli is shown schematically to 11 M at which the transmitted signal S [N] is applied, wherein the respective received signals on the outputs of the individual channels lli to 11 M xι [n] to x m [n] is present. The individual transmission channels lli to 11 M are known. Channel impulse responses h [n, m] is characterized, is, as indicated in the present case corresponding to such through a total of M impulse responses in Fig.2 at 12ι to 12 M.
Jeder dieser M Übertragungskanäle 11 wird gemäß Fig.3 durch eine Anzahl ND von Subkanälen modelliert, um so anstatt die Berechnung eines zeitvarianten Kanals durchführen zu müssen, eine Anzahl von zeitinvarianten Subkanälen berechnen zu können.Each of these M transmission channels 11 is shown in FIG models a number N D of subchannels so that instead of having to perform the calculation of a time-variant channel, a number of time-variant subchannels can be calculated.
Das vorliegende Verfahren ist ein blindes, deterministisches (d.h. man muss keine Statistiken schätzen) Verfahren zur Entzerrung von zeitvarianten Kanälen. Nachfolgend wird wie auch in der Literatur üblich das Rauschen vernachlässigt. Simulationen zeigten jedoch, dass das vorliegende Verfahren äußerst robust gegen additives Kanalrauschen ist.The present method is a blind, deterministic (i.e. no statistics need to be estimated) method for equalizing time-variant channels. In the following, the noise is neglected, as is usual in the literature. However, simulations showed that the present method is extremely robust against additive channel noise.
Das Verfahren beruht auf der Tatsache, dass eine liegende Toeplitz- oder Hankel-Matrix durch ihren Zeilenraum eindeutig (bis auf einen skalaren Faktor) bestimmt ist. Eine Toeplitz-Ma- trix ist eine Matrix, deren Einträge entlang der Diagonalen konstant sind, z.B. Tl 2.51 ;The method is based on the fact that a horizontal Toeplitz or Hankel matrix is uniquely determined by its row space (except for a scalar factor). A Toeplitz matrix is a matrix whose entries are constant along the diagonal, e.g. Tl 2.51;
[o 12 eine Hankel-Matrix ist eine Matrix, deren Einträge entlang der[o 12 a Hankel matrix is a matrix whose entries are along the
Antidiagonalen konstant sind, z.B. 1 2 31Anti-diagonals are constant, e.g. 1 2 31
2 3 4j weiters ist der Zeilenraum einer Matrix jener Raum, der durch die Zeilen der Matrix aufgespannt wird, vgl. auch G.H. Golub and C.F. Van Loan, Matrix Computations . Baltimore: Johns Hopkins Univer- sity Press, 3 ed., 1996.2 3 4j the row space of a matrix is the space that is spanned by the rows of the matrix, cf. also G.H. Golub and C.F. Van Loan, Matrix Computations. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 3rd ed., 1996.
In ähnlicher Weise ist eine liegende Block-Toeplitz-Matrix bzw. Block-Hankel-Matrix durch ihren Zeilenraum bis auf eine Multiplikation von rechts mit einer Block-Diagonalmatrix eindeutig bestimmt (diese Unbestimmtheit wird im Weiteren Matrixambiguität genannt) . Eine Block-Toeplitz bzw. Block-Hankel-Matrix ist dabei genau so definiert wie eine Toeplitz- bzw. Hankel-Matrix, abgesehen davon, dass die Einträge keine Skalare, sondern wieder Matrizen sind.Similarly, a horizontal block toeplitz matrix or block Hankel matrix is uniquely determined by its row space except for a multiplication from the right by a block diagonal matrix (this ambiguity is referred to below as matrix ambiguity). A Block-Toeplitz or Block-Hankel matrix is defined exactly like a Toeplitz or Hankel matrix, except that the entries are not scalars, but matrices again.
Für alle blinden Verfahren, die auf sogenannte Unterraummethoden beruhen, braucht man mehrere Beobachtungen des gesendeten Signals, z.B. mehrere .Empfangsantennen oder eine Empfangsantenne mit nachfolgender Überabtastung oder eine Kombination aus den beiden Möglichkeiten. In Fig.2 sind schematisch M zeitvariante Kanäle mit M zugehörigen Empfangsfolgen xi [n] , mit i = 1,---,M, gezeigt. Der einzelne zeitvariante Kanal besitzt im Allgemeinen nicht die Struktur, die für eine blinde Entzerrung benötigt wird. Praktisch alle vorkommenden Mobilfunkkanale können jedoch äquivalent als Mehrkanal-LTI-Modell dargestellt werden. Fig.3 zeigt schematisch das hier verwendete Mehrkanal-LTI-Modell, welches einen einzelnen zeitvarianten Kanal gemäß Fig.2 modelliert, d.h. es liegen dann insgesamt M solcher Mehrkanal-LTI-Modelle vor, um die M zeitvarianten Kanäle aus Fig.2 zu modellieren; dies ist schematisch mit ergänzenden Kanaldarstellungen in strichlierten Linien in Fig. veranschaulicht. Aus dieser äquivalenten Darstellung kann man erkennen, dass diese Klasse von zeitvarianten Kanälen dann eine Struktur besitzt, die sich zur blinden Entzerrung eignet .For all blind methods that are based on so-called subspace methods, several observations of the transmitted signal are required, for example several .receiving antennas or one receiving antenna with subsequent oversampling or a combination of the two possibilities. 2 shows schematically M time-variant channels with M associated reception sequences xi [n], with i = 1, ---, M. The single time-variant channel generally does not have the structure required for blind equalization. Practically all existing mobile radio channels can, however, be represented in an equivalent way as a multi-channel LTI model. Fig.3 shows schematically the multi-channel LTI model used here, which models a single time-variant channel according to FIG. 2, ie there are then a total of M such multi-channel LTI models in order to model the M time-variant channels from FIG. 2; this is illustrated schematically with supplementary channel representations in dashed lines in FIG. From this equivalent representation it can be seen that this class of time-variant channels then has a structure that is suitable for blind equalization.
Die Mehrkanal-Darstellung entsteht im vorliegenden Fall aus einer Diskretisierung eines kontinuierlichen zeitvarianten Kanals unter der zusätzlichen Annahme, dass immer nur ein Empfangssignalblock endlicher Länge auf einmal betrachtet wird. Diese Annahme ist an sich üblich und in keiner Weise einschränkend, da die Blocklänge beliebig gewählt werden kann und Blöcke aneinandergereiht werden können. Ein Vorteil dieses speziellen Verfahrens im Gegensatz zum Stand der Technik (wo Dopplerverschiebungen um kontinuierliche Frequenzen verwendet werden) liegt darin, dass die einzelnen Dopplerfrequ.enzen nicht zusätzlich geschätzt werden müssen. Es wird lediglich die Information benötigt, ob zu einer bestimmten Dopplerfrequenz ein Subkanal vorhanden ist oder nicht, d.h. es wird angenommen, dass die Dopplerverschiebungen' auf einem Raster liegen, und es ist dann zu untersuchen, welche Rasterpunkte "aktiv" sind. Die gegebene "Modulationsstruktur" ist in Fig.3 bei 13 schematisch angedeutet, während bei 12 wiederum die Kanalimpulsantworten veranschaulicht sind. Die einzelnen zeitinvarianten Kanäle 14ι...l4N werden bei 15 wieder zusammengefügt.The multichannel representation arises in the present case from a discretization of a continuous time-variant channel with the additional assumption that only one reception signal block of finite length is considered at a time. This assumption is common and is in no way restrictive, since the block length can be chosen arbitrarily and blocks can be strung together. An advantage of this special method in contrast to the prior art (where Doppler shifts around continuous frequencies are used) is that the individual Doppler frequencies do not have to be additionally estimated. It only needs to know whether a subchannel is available at a particular Doppler frequency or not, that is, it is assumed that the Doppler shifts are 'on a grid, and it is then necessary to examine the halftone dots are "active". The given “modulation structure” is indicated schematically in FIG. 3 at 13, while the channel impulse responses are again illustrated at 12. The individual time-invariant channels 14ι ... 14 N are reassembled at 15.
Die Information betref end aktive Subkanäle (wo also ein Subkanal zu einer Dopplerfrequenz vorliegt) kann problemlos aus der Streufunktion des Kanals extrahiert werden, wenn der Kanal als stationär mit unabhängigen Streuern (WSSUS) angenommen werden kann. Das hier vorgestellte Verfahren funktioniert jedoch auch uneingeschränkt mit dem Modell gemäß Stand der Technik.The information regarding active subchannels (i.e. where there is a subchannel at a Doppler frequency) can be extracted from the spreading function of the channel if the channel can be assumed to be stationary with independent spreaders (WSSUS). However, the method presented here also works without restriction with the model according to the prior art.
Im Folgenden wird angenommen, dass K der ND Subkanäle 14ι...l4N in Fig.3 aktiv sind. Diese K Subkanäle entsprechen K Dopplerverschiebungen l* G [0,ND - 1] mit k = 1,2, ---.K. Daraus folgt, dass nur die zugehörigen Subkanal-Impulsantworten hi k [m]In the following it is assumed that K of the N D subchannels 14ι ... l4 N in FIG. 3 are active. These K subchannels correspond to K Doppler shifts l * G [0, N D - 1] with k = 1,2, ---. K. It follows that only the associated subchannel impulse responses hi k [m]
(mit m = 0,1 ...L - 1) ungleich Null sind, was aber keine Einschränkung bedeutet, da auch der Fall K = ND zugelassen wird. Die Ein/Ausgangsbeziehung für die i-te Beobachtung lautet nun wobei h<i)[m]
Figure imgf000012_0001
worinS [ J] = ∑^-j h ln, m] c-** ,v ist, und wobei
(with m = 0.1 ... L - 1) are not equal to zero, but this means no restriction, since the case K = N D is also permitted. The input / output relationship for the i-th observation is now where h < i) [m]
Figure imgf000012_0001
whereS [J] = ∑ ^ -jh ln, m] c - **, v, and where
Die relevanten Modell-Parameter sind die "aktiven" Dopplerver- schiebungs-Indizes l und die Längen der korrespondierenden Subkanal-Impulsantworten hilc [m] . Wie bereits erwähnt können dieseThe relevant model parameters are the "active" Doppler shift indices l and the lengths of the corresponding subchannel impulse responses hilc [m]. As already mentioned, these can
Parameter für WSSUS-Kanäle einfach aus der Streufunktion des Kanals ermittelt werden. Da sich die Streufunktion nur langsam mit der Zeit verändert, ist sie wesentlich einfacher zu schätzen als der Kanal selbst.Parameters for WSSUS channels can be easily determined from the channel's spreading function. Since the spreading function changes only slowly over time, it is much easier to estimate than the channel itself.
Aus physikalischen Gründen (die Antennen liegen z.B. in der Regel relativ nahe beisammen) kann angenommen werden, dass alle M Kanäle die gleichen Kanal-Modell-Parameter besitzen. Sollte diese Annahme für eine bestimmte Anwendung nicht zutreffen, so lässt sich das Verfahren leicht auf diesen Fall adaptieren. Des Weiteren sei - vorerst - angenommen, dass alle K LTI-Subkanäle h J [m] die selbe Länge L besitzen. (Diese Annahme soll aber später fallengelassen werden. )For physical reasons (e.g. the antennas are usually relatively close together) it can be assumed that all M channels have the same channel model parameters. If this assumption does not apply to a specific application, the method can easily be adapted to this case. Furthermore, it is assumed for the time being that all K LTI subchannels h J [m] have the same length L. (This assumption will be dropped later.)
Es ist möglich, alle M Ein/Ausgangsbeziehungen des Mehrka- nal-LTI-Modells durch Anordnen der einzelnen Empfangswerte x[n] , der Kanalimpulsantworten h [n,m] und der Sendewerte s [n] in Matrizen zu einer einzigen matrixwertigen Ein/AusgangsbeziehungIt is possible to matrix all M input / output relationships of the multi-channel LTI model by arranging the individual receive values x [n], the channel impulse responses h [n, m] and the transmit values s [n] into a single matrix-valued input / output relationship
X=HS (3)X = HS (3)
zusammenzufassen. Darin ist X die Ausgangsmatrix, die aus den empfangenen Signalen erstellt wird; H die Kanalmatrix, die aus den Kanalimpulsantworten erhalten wird; und § die Eingangsmatrix, die die zu ermittelnden gesendeten Signale enthält. Die Anordnung wird hier so gewählt, dass die einzelnen Matrizen die für die blinde Entzerrung gewünschte Block-Toeplitz-Struktur bzw. Block-Hankel-Struktur besitzen.summarize. Here X is the output matrix that is created from the received signals; H the channel matrix obtained from the channel impulse responses; and § the input matrix containing the transmitted signals to be determined. The arrangement is chosen so that the individual matrices have the block-toeplitz structure or block-Hankel structure desired for the blind equalization.
Eine mögliche Anordnung, von der im Weiteren ausgegangen wird, ist beispielsweise die Folgende: Bei Definition einer matrixwertigen Impulsantwort für alle Subkanäle als
Figure imgf000013_0001
lautet die gesamte Impulsantwort dann H = [H[0] ...H[L-1] ] , mit der schließlich die Kanalmatrix H der Größe Mu x K(L+u-l) , in der H u-mal, jeweils um K Positionen verschoben, gestapelt wird (der Stapelparameter u wird in der Literatur auch als Glättungs- parameter bezeichnet) , als
A possible arrangement, which is assumed below, is, for example, the following: When defining a matrix-value impulse response for all subchannels as
Figure imgf000013_0001
The total impulse response is then H = [H [0] ... H [L-1]], with which the channel matrix H with the size Mu x K (L + ul), in which H u times, each by K Positions shifted, stacked (the stacking parameter u is also referred to in the literature as a smoothing parameter), as
Figure imgf000013_0002
definiert werden kann.
Figure imgf000013_0002
can be defined.
Es sind aber auch andere Anordnungen denkbar, die z.B. durch Vertauschen der Reihenfolge der Zeilen bzw. Spalten der einzelnen Matrizen entstehen, aber zur vorstehenden Anordnung äquivalent sind.However, other arrangements are also conceivable, e.g. by swapping the order of the rows or columns of the individual matrices, but are equivalent to the above arrangement.
Als nächstes wird ein Vektor definiert,- welcher modulierteNext a vector is defined, which is modulated
Versionen des EingangsSignals enthält: s[n]=[sι [n]...sι [n]]τ; und es wird damit die folgende Block-Toeplitz-Eingangsmatrix der Größe K(L+u-l)x(N-u+l) gebildet: s[u-l] s[u] • • • s[N-l] s[o-2] s[ -l] • • • s[N-2]Versions of the input signal include: s [n] = [sι [n] ... sι [n]] τ ; and the following block Toeplitz input matrix of size K (L + ul) x (N-u + l) is formed: s [ul] s [u] • • • s [Nl] s [o-2] s [-l] • • • s [N-2]
s[- +l] s[-L+2] ■ ■ ■ s[N-L- u+1]s [- + l] s [-L + 2] ■ ■ ■ s [NL- u + 1]
Schließlich wird ein Ausgangsvektor x[n] = [ i [n] ...xM[n] ]τ definiert und damit eine Block-Hankel-Ausgangsmatrix x der GrößeFinally, an output vector x [n] = [i [n] ... x M [n]] τ is defined and thus a block Hankel output matrix x of size
Mu x (N-u+1) geformt: x[0] x[l] • • • x[N-t--l] x[N-u] χ =^ x[l] x[2] • • • x[N-u] x[iV-« + l]Mu x (N-u + 1) shaped: x [0] x [l] • • • x [Nt - l] x [Nu] χ = ^ x [l] x [2] • • • x [Nu ] x [iV- «+ l]
x[u-l] x[u] • • x[N-2] x[N-l]x [ul] x [u] • • x [N-2] x [Nl]
In Fig.5 ist dieser Schritt der Bildung der Empfangs- oder Ausgangsmatrix x mit dem Block 16 veranschaulicht. Danach folgt bei 17 die Berechnung des Zeilenraums der Empfangsmatrix X . Die Größen der einzelnen Matrizen hängen von Parametern wie der Ka- nalimpulsantwortlänge, der Anzahl der Dopplerverschiebungen, dem Glättungsfaktor und der Anzahl der Beobachtungen (Überabtastfak- tor oder Anzahl M der Empfangsantennen) ab. Unter der Bedingung, dass diese Parameter in einer solchen Weise gewählt werden, dassThis step of forming the receive or output matrix x with block 16 is illustrated in FIG. This is followed by the calculation of the row space of the receive matrix X at 17. The sizes of the individual matrices depend on parameters such as the impulse response length, the number of Doppler shifts, the smoothing factor and the number of observations (oversampling factor or number M of receiving antennas). On the condition that these parameters are chosen in such a way that
K( -l)K (-l)
H stehend und S liegend ist (formal muss also u >H is standing and S is lying (so formally, u>
M-K mit M > K, und N > KL+(K+1) (u-1) gelten), und dass H zusätzlich vollen Rang hat, ist jener Raum, der von den Zeilen der Empfangsmatrix s aufgespannt wird (der Zeilenraum von X ) , gleich dem Zeilenraum von S . Es kann also der Zeilenraum der Eingangsmatrix S z.B. mittels einer Singulärwertzerlegung der Empfangsmatrix x berechnet werden. Dieser Schritt könnte aber auch durch andere, an sich bekannte Methoden, die weniger rechenaufwendig als die Singulärwertzerlegung sind, approximiert werden. (Eine Singulärwertzerlegung zerlegt eine Matrix A in drei Matrizen U, D und V, so dass A = UDV, wobei U und V orthogonale Spalten bzw. Zeilen besitzen (d.h. UHU = I und WH = I, wobei I die Einheitsmatrix entsprechender Dimension ist) und D eine Diagonalmatrix ist.)MK with M> K, and N> KL + (K + 1) (u-1) apply), and that H also has full rank is the space that is spanned by the rows of the reception matrix s (the row space of X) , equal to the line space of S. The row space of the input matrix S can thus be calculated, for example, by means of a singular value decomposition of the reception matrix x. However, this step could also be approximated by other methods known per se, which are less computationally expensive than the singular value decomposition. (A singular value decomposition divides a matrix A into three matrices U, D and V, so that A = UDV, where U and V have orthogonal columns or rows (ie U H U = I and W H = I, where I is the unit matrix correspondingly Dimension is) and D is a diagonal matrix.)
Nach der Berechnung des Zeilenraums der Empfangsmatrix x erfolgt gemäß Block 18 in Fig.5 die Berechnung der generierenden Matrix von S : Es ist bekannt, dass allein vom Zeilenraum einer liegenden Toeplitzmatrix bzw. Hankelmatrix die Matrix selbst bis auf einen multiplikativen Faktor rekonstruiert werden kann. Ist die Matrix jedoch eine Block-Toeplitz-Matrix, so kann von ihrem Zeilenraum die Matrix selbst im Allgemeinen nur bis auf eine Matrixambiguität bestimmt werden, da die Blockzeilen im Allgemeinen keine Struktur besitzen.After the row space of the reception matrix x has been calculated, the generating matrix of S is calculated in accordance with block 18 in FIG. 5: It is known that the matrix itself can be reconstructed down to a multiplicative factor from the row space of a lying Toeplitz matrix or Hankel matrix alone. However, if the matrix is a block Toeplitz matrix, the matrix itself can generally only be determined from its row space except for one matrix ambiguity, since the block rows generally have no structure.
Die Eingangsmatrix s ist eine Block-Toeplitz Matrix, welche durch ihre Elemente s[-L+l], s [-L+2],..., s [N-l] eindeutig bestimmt oder "generiert" wird. Deshalb wird die MatrixThe input matrix s is a block-toeplitz matrix, which is uniquely determined or "generated" by its elements s [-L + l], s [-L + 2], ..., s [N-l]. That is why the matrix
S = [s[-L+l]s[- +2]- s[N-l]]S = [s [-L + l] s [- +2] - s [N-l]]
der Größe K x (N+L-l) auch die generierende Matrix von s genannt. Das gegebene Entzerrungsproblem kann also auch als die Berechnung der generierenden Matrix S aus der Matrix x formuliert werden.the size K x (N + L-l) also called the generating matrix of s. The given equalization problem can therefore also be formulated as the calculation of the generating matrix S from the matrix x.
In A.J. van der Veen, S. Talwar, and A. Paulraj , "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless com- munication Systems", IEEE Trans. Signal Processing, vol.45, pp.173-190, Jan. 1997; und H. Liu and G. Xu, "Multiuser blind Channel estimation and spatial Channel pre-equalization" , Proc. IEEE ICASSP-95, (Detroit (MI), pp . 1756-1759, May 1995, sind zwei Verfahren beschrieben, wie S bis auf eine Matrixambiguität (also SA = AS mit unbekannter invertierbarer KxK-Matrix A) von einer Block-Toeplitz-Matrix berechnet werden kann. Des Weiteren könnte auch das aus E.Moulines, P.Duhamel, J. F. Cardoso, and S. Mayrar- gue, "Subspace methods for the blind identification of multi- channel FIR filters" , ' IEEE Trans. Signal Processing, vol.43, no.2, pp.516-525, 1995, bekannte Verfahren zur Lösung des vorliegenden Problems entsprechend eingesetzt werden. Allen Verfahren ist jedoch gemeinsam, dass entweder die Matrix § oder eine Matrix, deren Zeilenraum den Raum orthogonal zum Zeilenraum vonIn AJ van der Veen, S. Talwar, and A. Paulraj, "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless communication communication systems ", IEEE Trans. Signal Processing, vol.45, pp.173-190, Jan. 1997; and H. Liu and G. Xu," Multiuser blind Channel estimation and spatial Channel pre-equalization ", Proc. IEEE ICASSP -95, (Detroit (MI), pp. 1756-1759, May 1995, two methods are described, such as S up to a matrix ambiguity (ie S A = AS with unknown invertible KxK matrix A) from a block Toeplitz matrix Furthermore, this could also be from E. Moulines, P.Duhamel, JF Cardoso, and S. Mayrargue, "Subspace methods for the blind identification of multichannel FIR filters", ' IEEE Trans. Signal Processing, vol.43, no.2, pp.516-525, 1995, known methods for solving the present problem can be used accordingly, but all methods have in common that either the matrix § or a matrix whose row space is orthogonal to the row space of
S aufspannt, in eine "Supermatrix". gestapelt werden muss, um dann durch eine Singulärwertzerlegung von dieser Supermatrix auf SA schließen zu können. Da der Rechenaufwand einer Singulärwertzerlegung aber mit der dritten Potenz der Abmessungen der zu zerlegenden Matrix steigt, sind diese Verfahren extrem rechenaufwendig, weshalb hier weiter unten eine Alternative (nämlich die sog. direkte Faktorisierung) vorgeschlagen wird.S spanned into a "supermatrix". must be stacked in order to be able to conclude from this supermatrix on S A by a singular value decomposition. Since the computational effort of a singular value decomposition increases with the third power of the dimensions of the matrix to be decomposed, these methods are extremely computationally complex, which is why an alternative (namely the so-called direct factorization) is proposed below.
Der Einfachheit halber .wird hier noch die aus H.Liu and G.Xu, "Multiuser blind Channel estimation and spatial Channel pre-equalization", Proc. IEEE ICASSP-95, (Detroit (MI) ) , pp.1756- 1759, May 1995, an sich bekannte Methode vorgestellt. Zunächst wird eine Matrix V definiert, deren Zeilenraum orthogonal auf den Zeilenraum von x steht; d.h. VX =o, wobei o eine Matrix ist, deren Elemente identisch Null sind. Aus VXH=o folgt VS =o, was wiederum aufgrund der Block-Toeplitz Struktur vonFor the sake of simplicity, the one from H.Liu and G.Xu, "Multiuser blind Channel estimation and spatial Channel pre-equalization", Proc. IEEE ICASSP-95, (Detroit (MI)), pp.1756-1759, May 1995. First, a matrix V is defined, the row space of which is orthogonal to the row space of x; ie VX = o, where o is a matrix whose elements are identical to zero. From VX H = o follows VS = o, which in turn is due to the block-toeplitz structure of
S impliziert, dass jeweils N-u+1 aufeinanderfolgende Einträge der generierenden Matrix S orthogonal auf V sind. Damit erhält man: , .S implies that N-u + 1 consecutive entries of the generating matrix S are orthogonal to V. This gives:.
MV £^0 ]S" = 0 mitt--=i...L + u_2) (5) x mal (---+t.-2-t)mal wobei o die Größe (N-u-t-l-Mu)x 1 hat. Aus der Gleichung (5) folgt wiederum, dassM V £ ^ 0] S "= 0 mitt - = i ... L + u _ 2) (5) x times (--- + t.-2-t) times where o the size (Nutl-Mu ) x 1. From equation (5) it follows again that
wobei
Figure imgf000016_0001
ist.
in which
Figure imgf000016_0001
is.
Um nun die generierende Matrix S bis auf eine Matrixambiguität (also SA ) mit Hilfe der Gleichung (6) zu bestimmen, wird eine Singulärwertzerlegung von v vorgenommen und SA gleich den K Rechtssingulärvektoren gesetzt, die zu den K kleinsten Singular- werten gehören.In order to determine the generating matrix S except for a matrix ambiguity (ie SA) with the help of equation (6), a singular value decomposition of v is carried out and SA is set equal to the K right singular vectors, which belong to the K smallest singular values.
Aufgrund der Konstruktion mittels der Singulärwertzerlegung sind die Zeilen von SA orthonormal . Für typische Größen der Ma¬ trizen H und S ist dieser Schritt, wie schon oben erwähnt, aber relativ rechenaufwendig.Due to the construction using the singular value decomposition, the rows of S A are orthonormal. For typical sizes of Ma ¬ trizen H and S, this step is, as mentioned above, but relatively computationally intensive.
Im Schema gemäß Fig. 5 folgt nun der Schritt 19 der Auflösung der Matrixambiguität. Aufgrund der ModulationsStruktur des vorliegenden Mehrkanal-LTI-Modells besitzen die einzelnen Block- Zeilen der Matrix S einen wohldefinierten Zusammenhang, der es ermöglicht, die vom letzten Rechenschritt übrigbleibende Matrixambiguität aufzulösen, d.h. von SA auf die gewünschte generierende Matrix S zu schließen. In H.Liu and G.B.Giannakis , "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying Channels with antenna arrays", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp.3003-3013, Nov. 1998, wird zwar ein Verfahren zur Beseitigung der Matrixambiguität vorgestellt, jedoch ist dieses aufgrund des besonders hohen Rechenaufwands praktisch nur sehr schwer implementierbar.5, step 19 now follows the resolution of the matrix ambiguity. Due to the modulation structure of the present multi-channel LTI model, the individual block rows of the matrix S have a well-defined relationship, which makes it possible to resolve the matrix ambiguity remaining from the last calculation step, i.e. from SA to conclude the desired generating matrix S. In H.Liu and GBGiannakis, "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying Channels with antenna arrays", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp.3003-3013, Nov. 1998, there is a method for elimination the matrix ambiguity presented, but this is practically very difficult to implement due to the particularly high computing effort.
Beim vorliegenden Verfahren beruht die Auflösung der Matrixambiguität auf der Tatsache, dass die erzeugende Matrix S der gesuchten Sendematrix S vollständig durch ihre Zugehörigkeit zu zwei linearen Räumen beschrieben ist.In the present method, the resolution of the matrix ambiguity is based on the fact that the generating matrix S of the sought transmission matrix S is completely described by its belonging to two linear spaces.
Der erste lineare Raum A' berücksichtigt die Modulations- struktur, also den Zusammenhang zwischen den Eingangswerten Si [n]The first linear space A 'takes into account the modulation structure, that is, the relationship between the input values Si [n]
(nämlich si [n] =s [n] &i. k . Diese Modulationsstruktur der ge-(namely si [n] = s [n] & i . k . This modulation structure of the
N nerierenden Matrix S mit der Größe Kx(N-t-L-l) kann durch die folgende Matrixschreibweise charakterisiert werden: S = M (no ) D . (7)N nerating matrix S with the size Kx (NtLl) can be characterized by the following matrix notation: S = M (no) D. (7)
Hierbei ist die "Modulationsmatrix" M(n0) der Größe Kx(N-t-L-l) durchHere, the "modulation matrix" M (n 0 ) of size Kx (NtLl) is complete
NN
M(no)M (no)
W-nolκ _ w-("*+N+L-l)lκ
Figure imgf000017_0001
W -nolκ _ w - ("* + N + L- l ) l κ
Figure imgf000017_0001
gegeben, wobei * = e j2π— ist. Des Weiteren wird die, die Sendedaten enthaltende, diagonale Eingangsmatrix D der Größe (N+L- l)x(N+L-l) als D = diag{ε[-L+l] ,s[-L+2] , ... ,s[N-l] } definiert. Durch die Definition der Modulätionsmatrix M(no) wird eine unbekannte Zeitverschiebung no erlaubt, die in der Praxis vorkommen könnte .given, where * = e j2π -. Furthermore, the diagonal input matrix D containing the transmission data is of the size (N + L- l) x (N + Ll) as D = diag {ε [-L + l], s [-L + 2], .. ., s [Nl]} defined. The definition of the modulation matrix M (no) allows an unknown time shift no, which could occur in practice.
Der zweite lineare Raum B' ist der Zeilenraum der generierenden Matrix S, der gleich dem Zeilenraum von SA ist. Es folgt, dass die gesuchte Matrix S in der Schnittmenge der beiden Räume liegen muss, d.h. S -≡A'nB', wobei A' den linearen Unterraum aller Matrizen mit der Modulationsstruktur M(no)D, mit gegebenem M(no) und diagonalem D, und B' den linearen Unterraum aller Matrizen darstellt, deren Zeilenraum im Zeilenraum von SA liegt, d.h. den Unterraum aller Matrizen der Form BSA mit beliebiger KxK-Matrix B.The second linear space B 'is the row space of the generating matrix S, which is equal to the row space of SA. It follows that the matrix S sought must lie in the intersection of the two spaces, i.e. S -≡A'nB ', where A' represents the linear subspace of all matrices with the modulation structure M (no) D, given M (no) and diagonal D, and B 'represents the linear subspace of all matrices whose row space in the row space is from SA lies, ie the subspace of all matrices of the form BSA with any KxK matrix B.
Zur Berechnung - vgl. Fig. 5A - wird ein recheneffizientes iteratives Verfahren verwendet,' welches ausgehend von einem Startwert abwechselnd solange auf die beiden Räume A' und B' projiziert, (s. die Blöcke 20 und 21 in Fig. 5A) , bis sich durch eine weitere Projektion keine signifikante Änderung mehr ergibt, d.h. bis der Schätzwert konvergiert (s. den Abfrage-Schritt 22 in Fig. 5A) ; die Konvergenz wird dabei mit einem sog. Stopp-Kriterium überprüft - wenn die Änderung bei einer weiteren Iteration kleiner ist als das Stopp-Kriterium, wird das Verfahren abgebrochen. Dieses mathematische Pro ektionsverfahren ist an sich in der Literatur unter dem Namen "projections onto convex sets", auch "POCS" genannt, bekannt, s. P.L.Combettes, "The foundations of set theoretic 'estimation", Proc. IEEE, vol .81,pp.181-208 , Feb. 1993. Der Wert des Stopp-Kriteriums ist je nach den Umständen und Zielvorstellungen festzulegen. - Pro ektion auf A' : Die Projektion auf A' ergibt sich zu S(v>=M(n0)D(vl , wobei gezeigt werden kann, dass die Diagonalelemente von D(v> durchFor calculation - cf. FIG. 5A - a computationally efficient iterative method is used, which, starting from a starting value, projects alternately onto the two spaces A 'and B' (see blocks 20 and 21 in FIG. 5A) until a further projection occurs no longer results in a significant change, ie until the estimated value converges (see query step 22 in FIG. 5A); the convergence is checked with a so-called stop criterion - if the change in another iteration is smaller than the stop criterion, the process is terminated. This mathematical pro ection process is known per se in the literature under the name "projections onto convex sets", also called "POCS", see p. PLCombettes, "The foundations of set theoretical 'estimation", Proc. IEEE, vol .81, pp.181-208, Feb. 1993. The value of the stop criterion has to be determined according to the circumstances and objectives. - Pro ection on A ': The projection on A' results in S (v> = M (n 0 ) D (vl , whereby it can be shown that the diagonal elements of D (v> by
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
gegeben sind. Hierbei ist s(v_1) das Resultat der vorhergehenden Iteration (d.h. von der Projektion auf B') . - Projektion auf B' : Die Projektion auf B' ergibt sich zu
Figure imgf000018_0002
wobei gezeigt werden kann, dass
given are. Here s (v_1) is the result of the previous iteration (ie from the projection onto B '). - Projection on B ': The projection on B' results in
Figure imgf000018_0002
where it can be shown that
BW =-- s^-^s* .BW = - s ^ - ^ s *.
Hierbei ist s(v_1) das Resultat aus der vorhergehenden Iteration (d.h. die Projektion auf A' ) , und S ist die Pseudoinverse von SA. Da SA eine liegende Matrix mit orthonormalen Zeilen ist, gilt S*= S*.Here s (v_1) is the result of the previous iteration (ie the projection on A '), and S is the pseudo inverse of SA. Since SA is a horizontal matrix with orthonormal lines, S * = S * applies.
Es kann gezeigt werden,' dass im vorliegenden Fall die Konvergenz des Verfahrens gegeben ist. Damit ist sichergestellt, dass für eine gegebene Generierende ,
Figure imgf000018_0003
und für gegebene Dopplerverschiebungen lk die Eingangsdaten s[-L+l], s [-L+2] , ... , s [N- 1] eindeutig bis auf einen Skalaren Faktor bestimmt sind. Dies gilt sogar noch unter der Voraussetzung, dass die Zeitverschiebung o unbekannt ist. Die Konvergenz kann mit einer sog. Relaxation (z.B. P.L.Combettes, "The foundations of set theoretic estimation", Proc ., IEEE, vol .81,pp.181-208 , Feb.1993; bzw. S.Hein, "A fast block-based nonlineär decoding algorithm for ΣΔ modula- tors", IEEE Trans. Signal Processing, vol .43 ,pp. 1360-1367, June 1995) signifikant beschleunigt werden, was wiederum den Rechenaufwand des Verfahrens weiter verringert.
It can be shown 'that in the present case, the convergence of the method is given. This ensures that, for a given generator,
Figure imgf000018_0003
and for given Doppler shifts l k the input data s [-L + l], s [-L + 2], ..., s [N- 1] are uniquely determined except for a scalar factor. This applies even under the condition that the time difference o is unknown. The convergence can be done with a so-called relaxation (e.g. PLCombettes, "The foundations of set theoretic estimation", Proc., IEEE, vol .81, pp.181-208, Feb. 1993; or S. Hein, "A fast block -based non-linear decoding algorithm for ΣΔ modulators ", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43, pp. 1360-1367, June 1995) can be significantly accelerated, which in turn further reduces the computing effort of the method.
Des Weiteren kann das vorliegende Verfahren zur Auflösung der Matrixambiguität ohne Änderungen auch dann verwendet werden, wenn die Dopplerverschiebungen nicht auf einem Gitter (Raster) liegen (also z.B. mit einem Modell, wie es in H.Liu and G.B.Gi- annakis , "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying Channels with antenna arrays " , IEEE Trans . Signal Processing, vol.46, pp.3003-3013 , Nov. 1998, verwendet wird).Furthermore, the present method for resolving the matrix ambiguity can be used without changes even if the Doppler shifts are not on a grid (grid) (for example with a model as described in H.Liu and GBGinakis, "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying channels with antenna arrays ", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp.3003-3013, Nov. 1998).
Es kann sogar gezeigt werden, dass die Auflösung der Matrixambiguität auch dann noch funktioniert, wenn die aktiven DopplerverSchiebungen l unbekannt sind. In diesem Fall können die Eingangsdaten s [n] bis auf eine Multiplikation mit ce3 π— bestimmt werden, wobei 1 e [0,N-1] . Diese unbekannte "Restmodulation" kan auch noch aufgelöst werden, wenn s [n] eine Symbolsequenz mit einem bekannten finiten Symbolalphabet ist.It can even be shown that the resolution of the matrix ambiguity still works when the active ones Dopplerver shifts l are unknown. In this case, the input data s [n] can be determined except for a multiplication by ce 3 π -, where 1 e [0, N-1]. This unknown "residual modulation" can also be resolved if s [n] is a symbol sequence with a known finite symbol alphabet.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens zur Auflösung der Matrixambiguität ist die einfache Verwendbarkeit von a- priori-Wissen. So kann z.B. das Wissen um ein bestimmtes senderseitig verwendetes Symbolalphabet (d.h. die Elemente der Matrix S dürfen nur Werte aus einem bestimmten, bekannten Wertevorrat annehmen) verwendet werden, um die Konvergenz weiter zu beschleunigen (die Konvergenz kann in diesem Fall allerdings nicht garantiert werden) . Des Weiteren kann das Verfahren durch eine geeignete Wahl des Startpunktes der Iterationen semiblind initialisiert werden, was die Konvergenz ebenfalls beschleunigt.Another advantage of the present method for resolving the matrix ambiguity is the simple usability of a priori knowledge. For example, Knowledge of a specific symbol alphabet used by the sender (i.e. the elements of the matrix S may only take values from a certain known set of values) can be used to further accelerate the convergence (however, the convergence cannot be guaranteed in this case). Furthermore, the method can be initialized semi-blind by a suitable choice of the starting point of the iterations, which also accelerates the convergence.
Obwohl die vorstehenden Schritte der Modellbildung, der Berechnung des Zeilenraums der Empfangsmatrix und der Berechnung der Generierenden der Eingangsmatrix für sich prinzipiell bekannt sind, so ist doch ihre Anwendung auf die Entzerrung zeitvarianter Kanäle und die Zusammenstellung dieser Schritte bisher nicht bekannt; sodann ist das beschriebene Verfahren zur Beseitigung der Matrixambiguität bisher nicht bekannt.Although the above steps of modeling, the calculation of the row space of the reception matrix and the calculation of the generators of the input matrix are known in principle, their application to the equalization of time-variant channels and the compilation of these steps are not yet known; then the described method for eliminating the matrix ambiguity is not yet known.
Das vorstehend erläuterte Verfahren zur blinden Entzerrung von zeitvarianten Kanälen kann auch für unterschiedliche Subkanallängen adaptiert werden. Es werden dazu bekannte Verfahren für LTI-Kanäle (s. H.Liu and G.Xu, "Closed form blind Symbol estimation in digital Communications," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 3,pp. 2714-2723, Nov. 1995; oder A.J. van der Veen, S. Talwar, and A. Paulra , "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless communication Systems", IEEE Trans. Signal Processing, vol.45, pp.173-190, Jan. 1997) adaptiert.The method explained above for blind equalization of time-variant channels can also be adapted for different sub-channel lengths. For this purpose, known methods for LTI channels (see H.Liu and G.Xu, "Closed form blind symbol estimation in digital communications," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 3, pp. 2714-2723, Nov. 1995 ; or AJ van der Veen, S. Talwar, and A. Paulra, "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless communication Systems", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 45, pp. 173-190, Jan 1997) adapted.
Für den Fall, dass die K aktiven Subkanäle unterschiedliche Längen besitzen, wird aufgrund physikalischer Überlegungen angenommen, dass die entsprechenden aktiven Subkanäle der M Kanäle (vgl. die vorstehende Beziehung (2) - d.h. h " [m] mit unter- schiedlichen i, aber dem gleichen k - identisch lange Impulsantworten besitzen.In the event that the K active subchannels have different lengths, it is assumed on the basis of physical considerations that the corresponding active subchannels of the M channels (cf. the above relationship (2) - ie h " [m] with different i, but the same k - have impulse responses of identical length.
Im Speziellen wird angenommen, dass P Gruppen aktiver Sub- kanäle existieren, wobei die p-te Gruppe aus Kp Subkanälen mit identischer Länge Lp und mit Dopplerverschiebungen 1 ^ (k=l,2, ...KP) besteht. (Es ist anzumerken, dass Σ^=1KP=K.)In particular, it is assumed that P groups of active sub- channels exist, whereby the pth group consists of K p subchannels with identical length L p and with Doppler shifts 1 ^ (k = 1, 2, ... K P ). (It should be noted that Σ ^ = 1 K P = K.)
Das Problem, warum das ursprüngliche Verfahren adaptiert werden muss, ist, dass die Matrix H der Größe MuxK(L-t-u-l) (mit entgegen den Voraussetzungen in diesem Fall nicht vollen Rang haben wird. Um dieses Problem zu umgehen, kann jedoch die Beziehung (3) durch X =∑p=1 HpSp ersetzt werden, wobei die Matrizen Hp der Größe MuxKp(Lp+u-l) vollen Rang haben. Die Generierende Sp von Sp kann alsThe problem why the original method has to be adapted is that the matrix H of size MuxK (Ltul) (contrary to the prerequisites in this case will not have full rank. However, in order to work around this problem, the relationship (3) by X = ∑ p = 1 H p S p , where the matrices H p of size MuxK p (L p + ul) have full rank. The generating S p of S p can be as
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
angeschrieben werden (s. die vorstehende Beziehung (7)). Hier ist die Kpx(N+Lp-l) -Modulationsmatrix durchcan be written (see above relationship (7)). Here the K p x (N + L p -l) modulation matrix is through
W-n°llP ... W7-(no-f-iV+L„-l)-ω
Figure imgf000020_0002
W - n ° l l P ... W7 - (no-f-iV + L „-l) -ω
Figure imgf000020_0002
Mp(n0) = w w;{no+ )...w- 0+N+L''- ) )Mp (n 0 ) = ww; {no +) ... w- 0 + N + L '' - ) )
die die Eingangswerte enthaltende Diagonal-Matrix ist mit Dp=diag {s[-LP+l], s[-LP+2], ..., s[N-l]} der Größe (N+LP-l)x(N+Lp-l) definiert. Wie bei der vorstehend erläuterten Berechnung der generierenden Matrix von S können nun wieder die an sich bekannten Methoden aus H.Liu and G.Xu, "Multiuser blind Channel estimation and spatial Channel pre-equalization", in Proc. IEEE ICASSP-95, (Detroit (MI) ) , pp.1756-1759, May 1995; bzw. A.J. van der Veen, S. Talwar, and A. Paulraj , "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless co munication Systems", IEEE Trans. Signal Processing, vol.45, pp.173-190, Jan. 1997, verwendet werden, um SA,P = APSP (mit unbekanntem Ap) aus X zu bestimmen. Es kann gezeigt werden, dass SP eindeutig bis auf einen Skalaren Faktor durch SA,P bestimmt wird (diese Tatsache gilt nach wie vor auch für eine unbekannte Zeitverschiebung no) . Die vorstehend beschriebene POCS-Methode kann verwendet werden, um Sp und damit auch die Eingangswerte s[-Lp+l], ..., s[N-l] zu berechnen. Obwohl theoretisch eine solche Berechnung genügt, so wird es doch bei additivem Kanalrauschen von Vorteil sein, mehrere oder sogar alle p Schätzwerte von s[-Lp+l], ..., s[N-l] zu berechnen und die entsprechenden Resultate zu mittein.the diagonal matrix containing the input values is D p = diag {s [-L P + l], s [-L P +2], ..., s [Nl]} of the size (N + L P -l ) x (N + L p -l) defined. As with the calculation of the generating matrix of S explained above, the methods known per se from H.Liu and G.Xu, "Multiuser blind channel estimation and spatial channel pre-equalization", can now be used in Proc. IEEE ICASSP-95, (Detroit (MI)), pp.1756-1759, May 1995; or AJ van der Veen, S. Talwar, and A. Paulraj, "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless co munication Systems", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 45, pp.173-190, Jan. 1997, can be used to determine S A , P = A P S P (with unknown A p ) from X. It can be shown that S P is clearly determined down to a scalar factor by S A , P (this fact still applies to an unknown time shift no). The POCS method described above can be used to calculate S p and thus also the input values s [-L p + l], ..., s [Nl]. Although such a calculation is theoretically sufficient, with additive channel noise it will be advantageous to calculate several or even all p estimates of s [-L p + l], ..., s [Nl] and the corresponding results to mittein.
Zur blinden Entzerrung von LTV-Kanälen kann auch eine direkte Faktorisierung vorgenommen werden (siehe auch Fig. 6, 6A) , die ebenfalls auf der POCS-Methode beruht, die aber die Berechnung der generierenden Matrix von S und das Auflösen der Matrixambiguität in einem Schritt 23 (Fig. 6) vereint und damit recheneffizienter ist als die vorstehende Vorgangsweise. Gleichzeitig behält diese modifizierte Methode jedoch die Vorteile der ersten Methode, wie semiblinde Initialisierungsmöglichkeit, mögliche Relaxation, mögliches Verwenden von a-priori-Wissen, die Möglichkeit unterschiedlich langer Subkanäle etc. Zusätzlich ist diese modifizierte Methode bis zu einem gewissen Grad besonders robust gegen unbekannte unterschiedliche Subkanallängen.For blind equalization of LTV channels, direct factorization can also be carried out (see also FIGS. 6, 6A), which is also based on the POCS method, but which calculates the generating matrix of S and resolves the matrix ambiguity in one step 23 (Fig. 6) united and thus more computationally efficient than the above procedure. At the same time, however, this modified method retains the advantages of the first method, such as semi-blind initialization option, possible relaxation, possible use of a priori knowledge, the possibility of subchannels of different lengths, etc. In addition, this modified method is to a certain extent particularly robust against unknown different ones Subkanallängen.
Die Berechnung der generierenden Matrix SA bis auf eine A - biguität ist wie erwähnt rechenaufwendig. Dieser Schritt kann vermieden werden, wenn man erkennt, dass die Eingangsmatrix S bis auf einen skalaren Faktor eindeutig durch die folgenden zwei Eigenschaften bestimmt ist:As mentioned, the calculation of the generating matrix SA apart from an authenticity is computationally complex. This step can be avoided if one recognizes that the input matrix S is uniquely determined except for a scalar factor by the following two properties:
1. S ist eine Block-Toeplitz-Matrix, und ihre Generierende hat eine Modulationsstruktur, d.h. S = M(n0)D mit diagonaler Matrix D;1. S is a block Toeplitz matrix and its generator has a modulation structure, ie S = M (n 0 ) D with a diagonal matrix D;
2. der Zeilenraum der Eingangsmatrix S liegt im Zeilenraum der Ausgangsmatrix X .2. The row space of the input matrix S lies in the row space of the output matrix X.
Anders ausgedrückt ist S eA'nB', worin A' den linearen Unterraum aller Block-Toeplitz-Matrizen mit generierender Matrix M(n0)D, wobei M(n0) mit beliebigem, festem n0 gegeben ist, D eine Diagonalmatrix und B' jenen linearen Unterraum darstellt, welcher aus allen Matrizen besteht, deren Zeilenraum im Zeilenraum von X liegt (d.h. aus allen Matrizen der Form BX mit beliebiger K(L+u-l)x Mu-Matrix B) . Diese Formulierung führt wieder zu einer POCS Methode zum Berechnen von S bei der die iterierte Version von S alternierend auf A' und B' projiziert wird. - Projektion auf A' (Schritt 20 in Fig. 6A) : Da S eine sogenannte linear strukturierte Matrix ist (vgl. J.A. Cadzow, "Signal enhancement - A composite property mapping algorithm" , IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol .36,pp. 49-62, Jan. 1988), kann gezeigt werden, dass die Projektion auf A' durch die folgenden zwei Schritte bewerkstelligt werden kann:In other words, S eA'nB ', where A' is the linear subspace of all Block-Toeplitz matrices with a generating matrix M (n 0 ) D, where M (n 0 ) is given with any fixed n 0 , D is a diagonal matrix and B 'represents the linear subspace which consists of all matrices whose row space lies in the row space of X (ie from all matrices of the form BX with any K (L + ul) x Mu matrix B). This formulation leads again to a POCS method for calculating S in which the iterated version of S is alternately projected onto A 'and B'. Projection onto A '(step 20 in FIG. 6A): Since S is a so-called linearly structured matrix (cf. JA Cadzow, "Signal enhancement - A composite property mapping algorithm", IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. 36, pp. 49-62, Jan. 1988), it can be shown that the projection onto A 'can be accomplished by the following two steps:
Schritt 24 (Fig. 6A) : Erzwinge die Block-Toeplitz-Struktur. Es εeis<v~1) das Resultat der vorhergehenden Iteration (also der Projektion auf B'). Von der Matrix S( -1), welche keine Block- Toeplitz-Struktur besitzt, wird eine Kx(N+L-l) "pseudo-generie- rende Matrix" S(v_1> wie folgt berechnet: Die erste der K Zeilen von S (v wird berechnet, indem entsprechend verschobene und mit Nullen aufgefüllte Versionen der ersten, (K-t-l)-ten, (2K+l)-ten, etc. Zeilen von S(v-1)ge:mittelt werden. Es wird also die erste Reihe von S genommen, um eine Position nach rechts geschoben und dann zur (K-l)-ten Zeile von S v_1 addiert, wobei wenn nötig Nullen angefügt werden. Das Resultat wird wieder um eine Position •nach rechts verschoben und zur (2K+l)-ten Zeile von S addiert, etc. Schließlich wird das j-te Element des resultierenden Zeilenvektors der Länge N+L-l durch das j-te Element von (1,2,...,K,K,... ,K,K-1, ... , 1) dividiert, um die erste Zeile von S zu erhalten. Die zweite Zeile von S wird auf ähnliche Weise errechnet, wobei nun die zweite, (K+2)-te, (2K+2)-te, etc. Zeile von S verwendet werden. Auf diese Weise werden alle K Zeilen von Slv_1) berechnet.Step 24 (Fig. 6A): Enforce the block toeplitz structure. It εeis <v ~ 1) the result of the previous iteration (i.e. the Projection on B '). From the matrix S (-1) , which has no block Toeplitz structure, a Kx (N + Ll) "pseudo-generating matrix" S (v_1> is calculated as follows: The first of the K rows of S ( v is calculated by averaging appropriately shifted and padded versions of the first, (Ktl) -th, (2K + l) -th, etc. lines of S (v-1) , so it becomes the first row Taken from S, shifted one position to the right and then added to the (Kl) th line of S v_1, adding zeros if necessary. The result is shifted one position again • to the right and to (2K + l) - th row of S, etc. Finally, the jth element of the resulting row vector of length N + Ll is replaced by the jth element of (1,2, ..., K, K, ..., K, K -1, ..., 1) divided to get the first row of S. The second row of S is calculated in a similar way, with the second, (K + 2) -th, (2K + 2) - te, etc. line of S. In this way, all K lines calculated from S lv_1) .
Schritt 25 (Fig. 6A) : Erzwinge die Modulationsstruktur. Nun wird S(v) = M(no)D(v) gebildet, wobei gezeigt werden kann, dass die Diagonalelemente der Diagonalmatrix D(vl durchStep 25 (Fig. 6A): Enforce the modulation structure. Now S (v) = M (no) D (v) is formed, whereby it can be shown that the diagonal elements of the diagonal matrix D (vl by
Figure imgf000022_0001
gegeben sind. Schließlich wird die Block-Toeplitz Matrix §( >, welche von S<v) generiert wird, gebildet.
Figure imgf000022_0001
given are. Finally, the block-toeplitz matrix § (> , which is generated by S <v) , is formed.
- Projektion auf B' (Schritt 21 in Fig. 6A) : Die Projektion auf B'' kkaannnn dduurrcchh § = B angeschrieben werden, wobei gezeigt werden kann, dass- Projection on B '(step 21 in Fig. 6A): The projection on B' 'can be written kkaannnn dduurrcchh § = B, whereby it can be shown that
B( )=g( -l)i#. B () = g (-l) i #.
Hier ists(v_1|das Resultat der vorhergehenden Iteration (also der Projektion auf A' ) . Es ist anzumerken, dass die Pseudoinverse X nur einmal zu Beginn der iterativen Prozedur berechnet werden muss .Here it is (v_1 | the result of the previous iteration (ie the projection onto A '). It should be noted that the pseudo inverse X only has to be calculated once at the beginning of the iterative procedure.
Wieder ist Konvergenz der POCS-Methode zu einem Schnittpunkt der beiden Räume garantiert, d.h. S(∞)e AnB (vgl . P.L.Combettes ,Again, convergence of the POCS method to an intersection of the two spaces is guaranteed, ie S (∞) e AnB (see PLCombettes,
"The foundations of set theoretic estimation," Proc. IEEE, vol.81, 3). Es kann gezeigt werden, dass daher
Figure imgf000022_0002
"The foundations of set theoretical estimation," Proc. IEEE, vol. 81, 3). It can be shown that therefore
Figure imgf000022_0002
Die Geschwindigkeit der Konvergenz und damit die Rechenef- fizienz des Verfahrens hängt stark von der Initialisierung § ab. Im semiblinden Fall könnten bekannte Eingangsdaten s [ni] , ... , ε [n∑] verwendet werden, um eine Matrix S mit generierender Matrix S(0)-M(n0)D(0) zu erzeugen, wobeiThe speed of convergence and thus the computational The efficiency of the procedure strongly depends on the initialization §. In the semi-blind case, known input data s [ni], ..., ε [n∑] could be used to generate a matrix S with a generating matrix S (0) -M (n 0 ) D (0) , where
D!0|=diag{0, ... ,0,s[nι] , ... ,s[n2J ,0, ... ,0}; die POCS-Methode würde dann mit B<0>= X S (0)# initialisiert werden.D ! 0 | = diag {0, ..., 0, s [nι], ..., s [n 2 J, 0, ..., 0}; the POCS method would then be initialized with B <0> = XS (0) # .
Des Weiteren kann die Konvergenz wieder mit Relaxation beschleunigt werden.Furthermore, the convergence can be accelerated again with relaxation.
Die hier beschriebene Modifikation zur Steigerung der Recheneffizienz kann auch für den Fall ungleicher Subkanallängen (wie oben beschrieben) modifiziert werden.The modification described here to increase the computing efficiency can also be modified in the case of unequal subchannel lengths (as described above).
Das vorstehend beschriebene Verfahren mit all seinen möglichen Modifikationen kann auch verwendet werden, um bei Übertragung von mehreren Benutzern zur selben Zeit die entsprechenden zeitvarianten Kanäle zu entzerren. Es kann gezeigt werden, dass dann, wenn die Kanäle gewisse Bedingungen erfüllen, die Benutzer in Abwesenheit von Rauschen fehlerfrei getrennt werden können; d.h. dass in diesem Fall mehrere Benutzer zur gleichen Zeit die gleiche Frequenz verwenden können, ohne sich dabei gegenseitig zu stören. Ist die Anforderung an die Kanäle nicht erfüllt, so können die Benutzer immer noch getrennt werden, wenn zur Übertragung wie in der Praxis üblich ein finiteε Signalalphabet verwendet wird.The method described above with all its possible modifications can also be used to equalize the corresponding time-variant channels when several users are being transmitted at the same time. It can be shown that if the channels meet certain conditions, the users can be correctly separated in the absence of noise; i.e. that in this case several users can use the same frequency at the same time without interfering with each other. If the requirement for the channels is not met, the users can still be separated if a finite signal alphabet is used for transmission, as is customary in practice.
Im Folgenden wird angenommen, dass D Benutzer gleichzeitig übertragen werden sollen, vgl. auch das gegenüber Fig. 2 entsprechend modifizierte Schema in Fig. 7, auε dem ich D.M zeitvariante Kanäle 11 ergeben, sowie das zugehörige Modell von Fig. 8 mit DXND zeitinvarianten Kanälen 14, hergeleitet aus Fig. 3. Dazu muss das vorstehend erläuterte Verfahren etwas verändert werden, um D Benutzer zuzulassen. Im Folgenden sollen nur die Abänderungen für jeden Schritt einzeln erläutert werden.In the following it is assumed that D users are to be transmitted simultaneously, cf. 7, from which I derive DM time-variant channels 11, and the associated model from FIG. 8 with DXND time-variant channels 14, derived from FIG. 3. The method explained above must do something for this can be changed to allow D users. In the following, only the changes for each step will be explained individually.
Was die Modellbildung anlangt, so veranschaulicht Fig. 7 schematisch den Fall, dass D Benutzer gleichzeitig Daten übertragen. Des Weiteren werden wiederum M Beobachtungen der gesendeten Signale angenommen. Demzufolge zeigt Fig. 7 schematisch DxM zeitvariante Kanäle mit M zugehörigen Empfangsfolgen i [n] , mit i=l, ... ,M.As far as modeling is concerned, FIG. 7 schematically illustrates the case where D users are simultaneously transmitting data. Furthermore, M observations of the transmitted signals are assumed. Accordingly, FIG. 7 shows schematically DxM time-variant channels with M associated reception sequences i [n], with i = 1, ..., M.
Die einzelnen LTV-Kanäle werden wieder durch Mehrkanal-LTI- Modelle dargestellt, s. Fig. 8, die das hier verwendete Mehrka- nal-LTI-Modell zeigt, welches die zeitvarianten Kanäle von den Benutzern zu einer Antenne modelliert, d.h. es liegen insgesamt MThe individual LTV channels are again represented by multi-channel LTI models, see FIG. 8, which shows the multi-channel LTI model used here, which shows the time-variant channels from the Users modeled into an antenna, ie there are a total of M
Mehrkanal-LTI-Modelle vor., um die DxM zeitvarianten Kanäle gemäßMulti-channel LTI models before., According to the DxM time-variant channels
Fig. 7 zu modellieren.Fig. 7 to model.
Im Folgenden wird angenommen, dass für den d-ten Benutzer Kd der Na Subkanäle in Fig. 8 aktiv sind. Diese Ka Kanäle entsprechenIn the following it is assumed that the dth user K d of the Na subchannels in FIG. 8 are active. These Ka channels correspond
Ka Dopplerverschiebungen 1 k e[0,ND-l] mit k=l, 2, ... , Ka. Daraus folgt, dass nur die Subkanal-Impulsantworten h [m] mit 1=1 ' ungleich Null sind. Die vorstehende Ein/Ausgangsbeziehung (2) wird somit durchKa Doppler shifts 1 k e [0, N D -l] with k = 1, 2, ..., Ka. It follows that only the subchannel impulse responses h [m] with 1 = 1 'are non-zero. The above input / output relationship (2) is thus by
Figure imgf000024_0001
ersetzt, wobei h(i'd>[n,m] die LTV-Impulsantwort des Kanals darstellt, welcher s(d)[n] auf x(il [n] abbildet. Weiters ist h^1,0' [m] analog zu den vorstehenden Erläuterungen der 1-te Subkanal des Mehrkanal-LTI-Modells von h(i-d) [n,m] . Außerdem wird noch s'^ [n] = sldl [n] ej2πlnN verwendet, woraus sich die Modulationsstruktur ergibt. Die relevanten Modell-Parameter sind wieder die "aktiven" Dopplerverschiebungs-Indizes 1 ^ und die Längen der korrespondierenden Subkanal-Impulsantworten [m] . Die Folge der Differenzen von jeweils zwei hintereinanderfolgenden Dopplerverschiebungs-Indizes 1 . für gegebenes d (wobei die
Figure imgf000024_0001
replaced, where h (i 'd> [n, m] represents the LTV impulse response of the channel, which maps s (d) [n] to x (il [n]. Furthermore, h ^ 1,0 ' [m] analogous to the above explanations, the 1st subchannel of the multi-channel LTI model of h (i - d) [n, m]. In addition, s' ^ [n] = s ldl [n] e j2πlnN is used, which results in the modulation structure results. the relevant model parameters are again the "active" Doppler shift indexes 1 ^ and the lengths of the corresponding sub-channel impulse responses [m]. the consequence of the differences of two successive Doppler shift indexes 1, for a given d (wherein the
Dopplerverschiebungs-Indizes 1 (ak) k als in ansteigender Reihenfolge geordnet angenommen sind) , d.h. , die FolgeDoppler shift indices 1 (a k ) k are assumed to be in ascending order), that is, the sequence
Figure imgf000024_0002
Figure imgf000024_0002
wird im Folgenden Doppler-Profil des Benutzers d genannt. Es wird wiederum angenommen, dass alle M Kanäle, die einem bestimmten Benutzer zugeordnet sind, die gleichen Kanal-Modell-Parameter besitzen. Um die Darstellung zu vereinfachen, wird auch angenommen, dass die LTI-Subkanäle [m] Impulsantworten mit identischer Länge besitzen. Der Mehrbenutzerfall kann aber analog zum Einbenutzerfall auf unterschiedliche Subkanallängen erweitert werden.is called the Doppler profile of user d below. Again, it is assumed that all M channels assigned to a particular user have the same channel model parameters. To simplify the illustration, it is also assumed that the LTI subchannels [m] have impulse responses of identical length. However, the multi-user case can be extended to different subchannel lengths in the same way as the single-user case.
Um konform mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren zu bleiben, wird K als die Gesamtanzahl aller Subkanäle pro Beobachtung definiert, also K=Σ°=1Kd.To remain compliant with the method described above, K is defined as the total number of all subchannels per observation, ie K = Σ ° = 1 K d .
Es ist wiederum möglich, alle Ein/Ausgangsbeziehungen des Mehrkanal-LTI-Modells durch Anordnen der einzelnen Empfangswerte,, der Kanalimpulsantworten und der Sendewerte in Matrizen zu einer einzigen matrixwertigen Ein/Ausgangsbeziehung identisch mit Gleichung (3) anzuordnen:Again, it is possible to change all of the input / output relationships of the Multi-channel LTI model by arranging the individual receive values, the channel impulse responses and the send values in matrices to form a single matrix-valued input / output relationship identical to equation (3):
X=H S ,X = H S,
vgl. auch Block 16 in Fig.9.see. also block 16 in Fig. 9.
Prinzipiell liegen wieder die gleichen Definitionen für X , H und s vor, wobei sich aber aufgrund der D Benutzer dieIn principle, the same definitions for X, H and s are available, but due to the D users the
Einträge in diese Matrizen wie im Folgenden beschrieben ändern. So wird zum Beispiel die Impulsantwort im Gegensatz zu GleichungChange entries in these matrices as described below. For example, the impulse response becomes contrary to the equation
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0001
definiert. Der Eingangsvektor wird dahingehend modifiziert , dass er die modulierten Eingangsdaten aller Benutzer enthält, s [n]Are defined. The input vector is modified in such a way that it contains the modulated input data of all users, s [n]
= [sι 1.1 [n] [n] ... si
Figure imgf000025_0002
D,l [n] ... siD.KD [n] ]τ. Aufgrund der geänderten
= [sι 1.1 [n] [n] ... si
Figure imgf000025_0002
D, l [n] ... siD.K D [n]] τ . Because of the changed
Definition von K bleiben auch die Ausdrücke für die Abmessungen der einzelnen Matrizen sowie die Ausdrücke für die Bedingungen, welche für eine Identifizierbarkeit gestellt werden müssen, unverändert zu denen aus Abschnitt 2.The definition of K also means that the expressions for the dimensions of the individual matrices and the expressions for the conditions that must be set for identifiability remain unchanged from those from Section 2.
Die Berechnung des Zeilenraums der Empfangsmatrix X (s. Block 17 in Fig. 9) erfolgt identisch wie vorstehend beschrieben.The row space of the reception matrix X (see block 17 in FIG. 9) is calculated in the same way as described above.
Zum Berechnen der generierenden Matrix Sκ von S (s . Block 18 in Fig. 9) wird ebenfalls gleich wie vorstehend beschrieben vorgegangen.The procedure for calculating the generating matrix S κ of S (see block 18 in FIG. 9) is also the same as that described above.
Was das Auflösen der Matrixambiguität betrifft (s. Block 26 in Fig. 9), so gibt es im Gegensatz zum Einbenutzerfall nicht mehr einen wohldefinierten Zusammenhang zwischen allen Ein-As far as the resolution of the matrix ambiguity is concerned (see block 26 in FIG. 9), in contrast to the single-user case there is no longer a well-defined relationship between all inputs.
(ά) gangssignalen s [n] , sondern nur mehr zwischen den Subkanal- Eingangssignalen, welche von ein und demselben Benutzer kommen, also zwischen jenen Kd Signalen s . [n] , die ein gleiches d be- sitzen. Es kann jedoch gezeigt werden, dass dann, wenn die Dopplerprofile der einzelnen Benutzer unterschiedlich sind, die Benutzer allein aufgrund dieser Tatsache getrennt werden können. Sollten zwei oder mehrere Benutzer Kanäle mit identischem Dopp- lerprofil verwenden, so kann zur Trennung dieser Benutzer ein Verfahren herangezogen werden, welches Eigenschaften eines diskreten Symbolalphabets ausnutzt (s. z.B. S .Talwar,M.Viberg, and A. Paulraj , "Blind Separation of synchronous co-channel digital Signals using an antenna array - Part I: Algorithms," IEEE Trans. Signal Processing, vol .44,pp . 1184-1197, May,.1996; bzw. A.J. van der Veen, S. Talwar, and A. Paulraj, "A subspace approach to blind space-time signal processing for wireless communication Systems," IEEE Trans. Signal Procesεing, vol.45, pp.173-190, Jan. 1997; oder J.Laurila, K.Kopsa, R. Schürhuber, and E.Bonek, "Semiblind Separation and detection of co-channel Signals," in Proc. IEEE Int . Conf .Commun. (ICC) , (Vancouver B.C., Canada) ,pp. 17-22, June 1999) . Konvergenz kann in diesem Fall jedoch nicht mehr garantiert werden; jedoch ist eine semiblinde Initialisierung sinnvoll, um Konvergenz praktisch sicherzustellen (vgl. J.Laurila, K.Kopsa, R. Schürhuber, and E.Bonek, "Semi-blind Separation and detection of co-channel signals," in Proc. IEEE Int .Conf .Commun. (ICC) , (Vancouver B.C., Canada),pp. 17-22, June 1999) .(ά) output signals s [n], but only between the sub-channel input signals that come from one and the same user, that is, between those K d signals s. [n] that have the same d. However, it can be shown that if the Doppler profiles of the individual users are different, the users can be separated due to this fact alone. If two or more user channels with identical double If you use a user profile, a method can be used to separate these users, which takes advantage of the properties of a discrete symbol alphabet (see, for example, S. Talwar, M.Viberg, and A. Paulraj, "Blind Separation of synchronous co-channel digital Signals using an antenna array - Part I: Algorithms, "IEEE Trans. Signal Processing, vol. 44, pp. 1184-1197, May, .1996; or AJ van der Veen, S. Talwar, and A. Paulraj," A subspace approach to blind space -time signal processing for wireless communication systems, "IEEE Trans. Signal Procesεing, vol.45, pp.173-190, Jan. 1997; or J.Laurila, K.Kopsa, R. Schürhuber, and E. Bonek," Semiblind Separation and detection of co-channel signals, "in Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (ICC), (Vancouver BC, Canada), pp. 17-22, June 1999). In this case, however, convergence can no longer be guaranteed; however, semi-blind initialization is useful to practically ensure convergence (see J. Laurila, K. Kopsa, R. Schürhuber, and E. Bonek, "Semi-blind Separation and detection of co-channel signals," in Proc. IEEE Int .Conf .Commun. (ICC), (Vancouver BC, Canada), pp. 17-22, June 1999).
Im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Vorgangsweise ändert sich die ModulationsStruktur der Generierenden S durch das Vorhandensein von D Benutzern wie folgt:In contrast to the procedure described above, the modulation structure of the generators S changes as follows due to the presence of D users:
S=[(MιDι)τ... (MDDDπτ.S = [(MιDι) τ ... (M D D D π τ .
Hierbei werden wieder sog. Modulationsmatrizen Ma (mit unterschiedlicher Größe Kax(N+L-l) , deren Elemente
Figure imgf000026_0001
/N) und die (N+L-l)x(N+L-l) diagonalen
Here again so-called modulation matrices Ma (with different sizes Kax (N + Ll), their elements
Figure imgf000026_0001
/ N) and the (N + Ll) x (N + Ll) diagonal
Eingangsmatrizen Da = diag{s(d) [- +1] , s(a) [-L+2] , ... , s(d) [N-l] } verwendet. (Der Einfachheit halber wird hier nunmehr eine unbekannte Zeitverschiebung um n0 außer Acht gelasεen. )Input matrices Da = diag {s (d) [- +1], s (a) [-L + 2], ..., s (d) [Nl]} are used. (For the sake of simplicity, an unknown time shift by n 0 is now disregarded here.)
Wie schon oben erwähnt, kann gezeigt werden, dass unter der Bedingung, dass alle D Benutzer Kanäle mit unterschiedlichen Dopplerprofilen verwenden, die Benutzer bis auf einen skalaren Faktor pro Benutzer getrennt werden können. Mit anderen Worten bedeutet das, dass die Generierende S durch folgende zwei Eigenschaften (bis auf die skalaren Faktoren) eindeutig bestimmt ist:As already mentioned above, it can be shown that under the condition that all D users use channels with different Doppler profiles, the users can be separated apart from one scalar factor per user. In other words, the generating S is clearly determined by the following two properties (apart from the scalar factors):
1. S hat die Modulationsstruktur [ (MιDι.)τ... (MDDD)T] , wobei Md gegeben sind und alle Da diagonal sind;1. S has the modulation structure [(MιDι.) Τ ... (M D D D ) T ], where M d are given and all Da are diagonal;
2. der Zeilenraum von S liegt im Zeilenraum von SA. Es gilt also wiederum S e A' n B' , s. Block 26 in Fig. 9, wobei A' der lineare Unterraum aller Matrizen der Form [(MιDι)τ... (MDDD)T]T mit gegebenen Ma und diagonalem Da ist und B' den linearen Raum aller Matrizen bezeichnet, deren Zeilenraum im Zeilenraum von SA liegt, d.h. den linearen Raum aller Matrizen der Form BSA mit beliebiger KxK-Matrix B.2. The line space of S lies in the line space of S A. So S e A 'n B', s. Block 26 in FIG. 9, where A 'is the linear subspace of all matrices of the form [(MιDι) τ ... (MDD D ) T ] T with given dimensions and diagonal Da and B' denotes the linear space of all matrices whose Row space lies in the row space of S A , ie the linear space of all matrices of the form BS A with any KxK matrix B.
Zur Entzerrung kann wieder die POCS-Methode verwendet werden, der alternierend auf A' und B' projiziert, ε. die Blöcke 20, 21 in Fig. 9A. Aufgrund der leicht geänderten ModulationsStruktur ändert sich auch die Projektion auf A' geringfügig wie folgt: Zunächst wird S(v>= [ (MiD (^ )τ ••• (MDD(^ )τ] gesetzt, wobei gezeigt werden kann, dass die Diagonalelemente von DadurchThe POCS method can be used again for the equalization, which projects alternately on A 'and B', ε. blocks 20, 21 in Fig. 9A. Due to the slightly changed modulation structure, the projection onto A 'changes slightly as follows: First, S (v> = [(MiD ( ^) τ ••• (M D D ( ^) τ ] is set, whereby it can be shown that the diagonal elements of thereby
gegeben sind. Hierbei wird
Figure imgf000027_0001
verwendet, und S(v ist das
given are. Here will
Figure imgf000027_0001
used, and S (v is that
Resultat der jeweils vorhergehenden Iteration (d.h. der Projektion auf B' ) .Result of the previous iteration (i.e. the projection onto B ').
Die Projektion auf B' ändert sich nicht.The projection on B 'does not change.
Diese POCS-Methode wird wieder gegen einen Punkt im Schnittpunkt von A' und B' konvergieren, d.h. S >e A' nB'. DieseThis POCS method will again converge to a point at the intersection of A 'and B', ie S > e A 'nB'. This
Konvergenz ist unabhängig davon, ob alle Benutzer unterschiedliche Dopplerprofile haben oder nicht. Sollten alle Benutzer unterschiedliche Dopplerprofile besitzen, so ist eine Trennung der Benutzer nach dem beschriebenen POCS-Verfahren garantiert; haben jedoch zwei oder mehrere Benutzer identische Dopplerprofile, so sind die Benutzer innerhalb der Gruppe von Benutzern mit identischen Dopplerprofilen vermischt und müssen z.B. mit Verfahren, die ein finites Signalalphabet ausnützen, getrennt werden. Dies ist in Fig.9 schematisch bei 27 gezeigt.Convergence is independent of whether all users have different Doppler profiles or not. If all users have different Doppler profiles, a separation of the users according to the described POCS procedure is guaranteed; however, if two or more users have identical Doppler profiles, the users within the group of users with identical Doppler profiles are mixed and must e.g. with methods that take advantage of a finite signal alphabet. This is shown schematically at 27 in FIG.
Wiederum können alle Modifikationen wie unterschiedliche Subkanallängen, direkte Faktorisierung, semiblinde Initialisierung oder Relaxation zur Beschleunigung der Konvergenz verwendet werden.Again, all modifications such as different subchannel lengths, direct factorization, semi-blind initialization or relaxation can be used to accelerate the convergence.
Des. Weiteren besteht die Möglichkeit, mehrere Benutzer mit identischen Dopplerprofilen, aber unterschiedlichen Dopplerleiε- tungsprofilen approximativ zu trennen, um eine nachfolgende Trennung mit anderen Methoden zu beschleunigen.Of. It is also possible to approximately separate several users with identical Doppler profiles, but different Doppler line profiles, in order to accelerate a subsequent separation using other methods.
Abschließend sollen noch einige praktische Untersuchungen bzw. Simulationsergebnisse betreffend die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik (H.Liu and G. B. Giannakis, "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying Channels with antenna arrays", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp. 3003- 3013, Nov. 1998) anhand der Fig. 10 bis 12 vorgestellt.Finally, there are some practical studies or simulation results relating to the invention compared to the prior art (H.Liu and GB Giannakis, "Deterministic approaches for blind equalization of time-varying channels with antenna arrays", IEEE Trans. Signal Processing, vol.46, pp. 3003- 3013, Nov. 1998) on the basis of FIGS. 10 to 12.
Für eine erste Simulation der erfindungsgemäßen Entzerrung wurde eine Anzahl von M = 5 Beobachtungen i [n] gewählt, die durch additives weißes Gauss'sches Rauschen mit einer Varianz σ2 gestört wurden. Des Weiteren wurde als Blocklänge N = 115 gewählt, und jeder der fünf Kanäle enthielt K = 3 Subkanäle mit aktiven Dopplerverschiebungen lk = 0, 1, 2 und identischen Sub- kanal-Filterlängen L = 5. Für jeden Simulationεlauf wurden die Impulsantworten der Subkanäle zufällig gewählt.For a first simulation of the equalization according to the invention, a number of M = 5 observations i [n] was chosen, which were disturbed by additive white Gaussian noise with a variance σ 2 . Furthermore, the block length was chosen to be N = 115, and each of the five channels contained K = 3 subchannels with active Doppler shifts lk = 0, 1, 2 and identical subchannel filter lengths L = 5. The impulse responses of the subchannels became random for each simulation run selected.
Fig.10 vergleicht den mittleren quadratischen Fehler (MSE) der Entzerrung mit direkter Faktorisierung (s.o. Fig.6) mit jenem MSE-Wert, der durch die "indirekte" Methode gemäß Stand der Technik erzielt wurde, als Funktion des Signal-Rausch-Abstandes SNR. Dabei wurde der MSE-Wert als 11 s-c's 'I [2/|. s 112 gemittelt über alle Simulationsläufe definiert, wobei s = [s [-L+1] s [-L+2] ...s [N- l]]τ, s der Schätzwert von ε ist, der mit der entsprechenden Methode erzielt wurde, und c der "least-squares" -Schätzwert für den unbekannten Faktor c ist. Das SNR-Verhältnis wird als 11 [x[0] ...x[N-l] ]| | p / (NMσ2) definiert, wobei Irllpdie Frobeniuε- Norm darstellt. Der gleiche SNR-Wert wurde für jeden Simulationslauf verwendet.FIG. 10 compares the mean square error (MSE) of the equalization with direct factorization (see FIG. 6) with that MSE value which was achieved by the "indirect" method according to the prior art as a function of the signal-to-noise ratio SNR. The MSE value was 11 sc's' I [ 2 / |. s 11 2 defined averaged over all simulation runs, where s = [s [-L + 1] s [-L + 2] ... s [N- l]] τ , s is the estimated value of ε, which corresponds to the corresponding one Method was achieved, and c is the least-squares estimate for the unknown factor c. The SNR ratio is called 11 [x [0] ... x [Nl]] | | p / (NMσ 2 ) defines, where Irllp represents the Frobeniuε norm. The same SNR value was used for each simulation run.
Als Glättungsfaktoren wurden u = 6 für die direkte Faktorisierung und u = 7 für die indirekte Methode nach Stand der Technik gewählt; in beiden Fällen war dies der minimal mögliche Wert für u. Die direkte Faktorisierung wurde mit (s. Kurven 30, 31 in Fig.10) und ohne Relaxation (ε. Kurve 32 in Fig.10) εowie mit unterschiedlichen Konvergenzkriterien ausgeführt. Des Weiteren wurde eine semiblinde Initialisierung mit 13 bekannten Symbolen simuliert (Kurve 33 in Fig.10). Dem steht die, die bekannte Methode repräsentierende Kurve 34 gegenüber.U = 6 for the direct factorization and u = 7 for the indirect method according to the prior art were chosen as smoothing factors; in both cases this was the minimum possible value for u. The direct factorization was carried out with (see curves 30, 31 in FIG. 10) and without relaxation (ε. Curve 32 in FIG. 10) and with different convergence criteria. Furthermore, a semi-blind initialization with 13 known symbols was simulated (curve 33 in Fig. 10). This is contrasted by curve 34 representing the known method.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorliegende Entzerrung - direkte Faktorisierung - wesentlich besser (bezüglich MSE, aber auch bezüglich Rechenaufwand) abschneidet als die indirekte Methode gemäß Stand der Technik.The simulation results show that the present equalization - direct factorization - performs much better (in terms of MSE, but also in terms of computing effort) than the indirect method according to the prior art.
In einer weiteren Untersuchung wurde der vorstehend anhand der Fig.7 bis 9 erläuterte Mehrbenutzerfall mit D = 2 Benutzern o so I c- o o o H < H U α. 4In another investigation, the multi-user case explained above with reference to FIGS. 7 to 9 with D = 2 users o so I c- ooo H <HU α. 4
44
--
--
--
O -O -
O
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O
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Figure imgf000030_0001

Claims

Patentanεprüche Patentanεprüche
1. Verfahren zum blinden Entzerren von über zeitvariante Übertragungskanäle übertragenen Signalen, wobei der jeweilige zeitvariante Übertragungskanal durch Diversifikation mit einer endlichen Anzahl von zeitinvarianten Subkanälen modelliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus den empfangenen Signalen (x[n] ) auf Basiε der Diverεität des jeweiligen zeitvarianten Kanals sowohl in zeitlicher Richtung als auch in Frequenzrichtung zwei entsprechende Signalräume (A',B') hergeleitet werden und das entzerrte Signal (s[n]) aus der Schnittmenge dieser zwei Signalräume hergeleitet wird.1. Method for blind equalization of signals transmitted via time-variant transmission channels, the respective time-variant transmission channel being modeled by diversification with a finite number of time-invariant subchannels, characterized in that the received signals (x [n]) are based on the diversity of the respective one time-variant channel, both in the temporal direction and in the frequency direction, two corresponding signal spaces (A ', B') are derived and the equalized signal (s [n]) is derived from the intersection of these two signal spaces.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mit einem (A' ) der Signalräume (A' , B' ) eine einen Zusammenhang zwischen Signal-Eingangswerten (sin [n] ) angebende2. The method according to claim 1, characterized in that at least with one (A ') of the signal spaces (A', B ') indicating a relationship between signal input values (sin [n])
Modulationsstruktur berücksichtigt wird.Modulation structure is taken into account.
3. Verfahren nach Anεpruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Signalraum (A' ) eine Dopplerverschiebungsdiversi- tät (lk) in den zu entzerrenden Signalen berücksichtigt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that with a signal space (A ') a Doppler shift diversity (lk) is taken into account in the signals to be equalized.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herleitung der beiden Signalräume (A' , B') nur aktive Subkanäle herangezogen werden, wobei zugehörige Werte für Dopplerverschiebungen (lk) und für die Längen von Subkanal- Impulsantworten (hιk) verwendet werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that only active subchannels are used in the derivation of the two signal spaces (A ', B'), associated values for Doppler shifts (lk) and for the lengths of subchannel impulse responses (hι k ) can be used.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den empfangenen Signalen auf Basis der zeitlichen und frequenzmäßigen Diversität des jeweiligen zeitvarianten Kanals eine Empfangsmatrix (x) mit Hankel- oder Toeplitz-Struktur gebildet und deren Zeilenraum ermittelt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that from the received signals based on the temporal and frequency diversity of the respective time-variant channel, a reception matrix (x) with Hankel or Toeplitz structure is formed and the line space is determined.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dasε auε der Empfangsmatrix (x) und einer matrixwertigen Impulsantwort (H) für alle Subkanäle eine für das entzerrte Signal repräsentative Eingangsmatrix (s) mit Toeplitz- bzw. Hankel-Struktur hergeleitet wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that the reception matrix (x) and a matrix-valued impulse response (H) for all subchannels are derived from an input matrix (s) representative of the equalized signal and having a Toeplitz or Hankel structure.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeilenraum der Eingangsmatrix (s) aus dem Zeilenraum der Empfangsmatrix (x) , z.B. durch Singulärwertzerlegung der Empfangsmatrix, berechnet wird.Method according to claim 6, characterized in that the row space of the input matrix (s) from the row space of the receive matrix (x), e.g. by singular value decomposition of the reception matrix.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die generierende Matrix (S) der Eingangsmatrix (s) aus deren Zeilenraum unter Auflösung der Matrixambiguität ermittelt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the generating matrix (S) of the input matrix (s) is determined from its row space while resolving the matrix ambiguity.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsmatrix (s) unter Erzwingen einer Block-Toeplitz-Struktur sowie einer ModulationsStruktur in einem einheitlichen Schritt aus dem Zeilenraum der Empfangsmatrix (x) hergeleitet wird.9. The method according to claim 7, characterized in that the input matrix (s) is derived from the row space of the reception matrix (x) in a uniform step, forcing a block toeplitz structure and a modulation structure.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Zeilenraum der Empfangsmatrix (x) die Eingangsmatrix (s) durch iterative Projektion auf die beiden Signalräume (A',B') ermittelt wird.10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that starting from the row space of the reception matrix (x), the input matrix (s) is determined by iterative projection onto the two signal spaces (A ', B').
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die zu den verschiedenen Dopplerverschiebungen gehörigen Subkanal-Längen unterschiedliche Werte berücksichtigt werden.11. The method according to any one of claims 4 to 10, characterized in that different values are taken into account for the subchannel lengths belonging to the different Doppler shifts.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung unterschiedlicher Subkanal-Längen eine jeweilige Modulationsmatrix (Mp) definiert wird.12. The method according to claim 11, characterized in that a respective modulation matrix (M p ) is defined to take into account different subchannel lengths.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Sendens von mehreren Benutzer-Signalen auf ein und demselben Kanal für die verschiedenen Benutzer- Signale unterschiedliche Modulationsstrukturen zu Grunde gelegt werden, um die Benutzer-Signale zu trennen.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that in the case of the transmission of several user signals on the same channel for the different user signals different modulation structures are used as a basis to separate the user signals.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Initialisierung mit einer bekannten Sende- signalfolge durchgeführt wird.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that an initialization is carried out with a known transmission signal sequence.
15. Einrichtung zum Entzerren von über zeitvariante Übertra- gungskanäle übertragenen Signalen, mit einer EmpfangsSchaltung und mit einem Rechner, wobei der jeweilige zeitvariante Übertragungskanal durch Diversifikation mit einer endlichen Anzahl von zeitinvarianten Subkanälen modelliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um aus den empfangenen Signalen (x[n]) auf Basis der Diversität des jeweiligen zeitvarianten Kanals sowohl in zeitlicher Richtung als auch in Frequenzrichtung zwei entsprechende Signalräume (A' , B') herzuleiten und das entzerrte Signal (s[n]) aus der Schnittmenge dieser zwei Signalräume herzuleiten.15. Device for equalizing transmission over time-variant signals transmitted signals, with a receiving circuit and with a computer, the respective time-variant transmission channel being modeled by diversification with a finite number of time-invariant subchannels, characterized in that the computer is set up to derive from the received signals (x [n]) To derive two corresponding signal spaces (A ', B') based on the diversity of the respective time-variant channel both in the temporal direction and in the frequency direction and to derive the equalized signal (s [n]) from the intersection of these two signal spaces.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um mit zumindest mit einem Signalraum (A' ) eine einen Zusammenhang zwischen Signal-Eingangswerten (sιn[n]) angebende Modulationsstruktur zu berücksichtigen.16. Device according to claim 15, characterized in that the computer is set up to take into account a modulation structure indicating a relationship between signal input values (sι n [n]) with at least one signal space (A ').
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um mit einem Signalraum (A' ) eine Dopplerverschiebungsdiversität (lk) in den zu entzerrenden Signalen zu berücksichtigen.17. The device according to claim 16, characterized in that the computer is set up to take into account a Doppler shift diversity (lk) in the signals to be equalized with a signal space (A ').
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um mit der Herleitung der beiden Signalräume (A',B') nur aktive Subkanäle heranzuziehen, wobei zugehörige Werte für Dopplerverschiebungen (lk) und für die Längen von Subkanal-Impulsantworten (hιk) verwendet werden.18. Device according to claim 17, characterized in that the computer is set up to use only active subchannels with the derivation of the two signal spaces (A ', B'), associated values for Doppler shifts (lk) and for the lengths of subchannel Impulse responses (hι k ) are used.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dasε der Rechner eingerichtet ist, um aus den empfangenen Signalen auf Basiε der zeitlichen und frequenzmäßigen Diversität des jeweiligen zeitvarianten Kanals eine Empfangsmatrix (x) mit Hankel- oder Toeplitz-Struktur zu bilden und deren Zeilenraum zu ermitteln.19. Device according to claim 18, characterized in that the computer is set up to form a reception matrix (x) with a Hankel or Toeplitz structure from the received signals based on the temporal and frequency diversity of the respective time-variant channel and to form its line space determine.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um mit der E pfangεmatrix (x) und einer matrixwertigen Impulsantwort (H) für alle Subkanäle eine für das entzerrte Signal repräsentative Eingangsmatrix (s) mit Toeplitz- bzw. Hankel-Struktur herzuleiten.20. Device according to claim 19, characterized in that the computer is set up with the E pfangεmatrix (x) and a matrix-valued impulse response (H) for all subchannels a representative for the equalized signal input matrix (s) with Toeplitz or Hankel Structure.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeilenraum der Eingangsmatrix (s) aus dem Zeilenraum der Empfangsmatrix (x) , z.B. durch Singulärwertzerlegung der Empfangsmatrix, berechnet wird.21. Device according to claim 20, characterized in that the line space of the input matrix (s) is calculated from the line space of the reception matrix (x), for example by singular value decomposition of the reception matrix.
22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um die generierende Matrix (S) der Eingangsmatrix (s) aus deren Zeilenraum unter Auflösung der Matrixambiguität zu ermitteln.22. Device according to claim 21, characterized in that the computer is set up to determine the generating matrix (S) of the input matrix (s) from their row space while resolving the matrix ambiguity.
23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um die Eingangεmatrix (s) unter Erzwingen einer Block-Toeplitz-Struktur εowie einer Modulationsstruktur in einem einheitlichen Schritt aus dem Zeilenraum der Empfangsmatrix (x) herzuleiten.23. Device according to claim 22, characterized in that the computer is set up to derive the input matrix (s) by forcing a block toeplitz structure and a modulation structure in a uniform step from the row space of the receive matrix (x).
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um ausgehend vom Zeilenraum der Empfangsmatrix (x) die Eingangsmatrix (s) durch iterative Projektion auf die beiden Signalräume (A',B') zu ermitteln.24. Device according to claim 23, characterized in that the computer is set up to determine the input matrix (s) from the row space of the reception matrix (x) by iterative projection onto the two signal spaces (A ', B').
25. Einrichtung nach Anεpruch 24, dadurch gekennzeichnet, daεs der Rechner eingerichtet ist, um für die zu den verschiedenen Dopplerverschiebungen gehörigen Subkanal-Längen unterschiedliche Werte zu berücksichtigen.25. Device according to claim 24, characterized in that the computer is set up to take into account different values for the subchannel lengths belonging to the different Doppler shifts.
26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eingerichtet ist, um zur Berücksichtigung unterschiedlicher Subkanal-Längen eine jeweilige Modulationsmatrix (Mp) zu definieren.26. Device according to claim 25, characterized in that the computer is set up to define a respective modulation matrix (M p ) to take into account different subchannel lengths.
27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dasε der Rechner eingerichtet ist, um im Falle des Sendens von mehreren Benutzer-Signalen auf ein und demselben Kanal für die verschiedenen Benutzer-Signale unterschiedliche27. Device according to claim 26, characterized in that the computer is set up to be different for the different user signals in the case of the transmission of several user signals on one and the same channel
ModulationsStrukturen zu Grunde zu legen, um die Benutzer-Signale zu trennen.Modulation structures are used to separate the user signals.
28. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dasε der Rechner eingerichtet ist, um eine Initialisierung mit einer bekannten Sendesignalfolge durchzuführen. 28. Device according to claim 27, characterized in that the computer is set up to carry out an initialization with a known transmission signal sequence.
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