Оценка канала беспроводной системы связи с множеством параллельных потоков данных

Оценка канала беспроводной системы связи с множеством параллельных потоков данных

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к системам связи, более конкретно к оценке канала для беспроводной системы связи, которая одновременно передает множество потоков данных.

Предшествующий уровень техники

Система беспроводной связи может обеспечивать речевую связь, пакетные данные, широковещательную передачу и/или другие услуги. Услуги широковещательной передачи в типовом случае предусматривают трансляцию данных ко всем пользователям в указанной области вместо передачи к конкретным пользователям. Поскольку широковещательная передача предназначена для приема множеством пользователей в области широковещательной передачи, скорость широковещательной передачи данных обычно определяется пользователем с наихудшими условиями канала. В типовом случае пользователь с наихудшими условиями канала располагается удаленно от передающей базовой станции и имеет низкое отношение сигнала к шуму и помехам (SINR).

Пользователи в области широковещательной передачи в типовом случае испытывают разные условия в канале, получают разные отношения SINR и могут принимать данные с разными скоростями передачи данных. Для улучшения услуги широковещательной передачи может использоваться иерархическая передача. При иерархической передаче транслируемые данные делятся на «основной поток» и «расширенный поток». Основной поток передается таким способом, что все пользователи в области широковещательной передачи могут восстановить этот поток. Расширенный поток передается таким способом, что пользователи, имеющие лучшие условия канала, могут восстановить этот поток. Иерархическая передача также упоминается как иерархическое кодирование, причем термин «кодирование» в этом контексте относится к канальному кодированию, а не к кодированию данных в передатчике.

В одном способе реализации иерархического кодирования, базовая станция обрабатывает (например, кодирует, перемежает и модулирует) основной поток и расширенный поток отдельно для получения двух потоков символов. Базовая станция затем масштабирует и комбинирует (например, суммирует) два потока символов данных и передает объединенный поток символов. Приемник с высоким отношением SINR сначала обнаруживает и восстанавливает основной поток, обращаясь с расширенным потоком как с шумом. Приемник затем оценивает и компенсирует помеху, обусловленную основным потоком, и затем восстанавливает расширенный поток с подавленной помехой из основного потока. Приемник также оценивает отклик беспроводного канала и использует оценку канала для трех этапов обработки - для детектирования основного потока, для оценки помехи, обусловленной основным потоком, и для детектирования расширенного потока. Качество оценки канала непосредственно влияет на эффективность системы. Таким образом, весьма желательны способы, которые могут обеспечивать оценку канала с высоким качеством.

Сущность изобретения

Предложены способы для выполнения оценивания канала и обработки данных в беспроводной системе связи, которая одновременно передает множество потоков данных. Эти способы могут использоваться для различных типов систем, таких как, например, системы с иерархическим кодированием, которые передают два потока данных: основной поток и расширенный поток.

В одной приведенной для примера схеме оценивания канала и обработки данных первая (начальная) оценка канала выводится из беспроводного канала (например, на основе принятых пилот-символов). Пилот-символы могут передаваться с использованием схемы передачи на основе мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM), схемы передачи на основе мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM) или некоторой другой схемы. Первая оценка канала может быть выведена с использованием оценивания канала по методу наименьших квадратов (описан ниже) или некоторого иного метода. В любом случае выполняется детектирование по принятым символам данных с использованием первой оценки канала для получения продетектированных символов для первого потока данных (например, основного потока). Каждый продетектированный символ в типовом случае может представлять собой многобитное значение (например, «мягкое решение»), которое может быть действительным или комплексным, и может быть представлено в различных формах (например, как логарифм отношения правдоподобия (LLR)).

Эти продетектированные символы декодируются для получения декодированных символов для первого потока данных, которые повторно кодируются для получения повторно модулированных символов. Вторая (ориентированная на данные или ориентированная на решение) оценка канала выводится на основе повторно модулированных символов. Первая и вторая оценки канала затем объединяются для получения третьей (улучшенной) оценки канала, имеющей более высокое качество. Помеха, обусловленная первым потоком данных, оценивается с использованием третьей оценки канала и устраняется из принятых символов данных. Затем выполняется детектирование символов с подавленной помехой с использованием третьей оценки канала для получения продектированных символов для второго потока данных (например, расширенного потока), которые затем декодируются для получения декодированных данных для второго потока данных.

Третья оценка канала, полученная с использованием повторно модулированных символов для первого потока данных, имеет высокое качество и может обеспечить улучшенные рабочие показатели. В частности, третья оценка канала может обеспечить: (1) более точную оценку помехи, обусловленной первым потоком данных, и (2) более высокое качество продетектированных символов для второго потока данных.

Различные аспекты и варианты осуществления изобретения описаны более подробно ниже.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность настоящего изобретения поясняются в последующем детальном описании, изложенном со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции использованы для соответствующего обозначения на всех чертежах и на которых представлено следующее:

фиг. 1 - процедура восстановления основного потока и расширенного потока в приемнике в системе с иерархическим кодированием;

фиг. 2 - процедура выполнения оценивания канала и обработки данных для множества одновременно передаваемых потоков данных;

фиг. 3А и 3В - примеры схем передачи пилот-сигналов на основе FDM и TDM соответственно для системы OFDM;

фиг. 4 - передатчик и приемник в системе, основанной на OFDM;

фиг. 5 - различные блоки обработки в передатчике;

фиг. 6 - различные блоки обработки в приемнике.

Детальное описание

Термин «примерный» используется исключительно в смысле «служащий в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный как «примерный», не должен обязательно пониматься как предпочтительный или преимущественный по сравнению с другими вариантами осуществления.

Способы оценивания каналов и обработки данных, описанные ниже, могут использоваться для различных типов беспроводных систем связи, включая системы связи с одной несущей или с множеством несущих. Множество несущих может быть получено с использованием мультиплексирования с ортогональным частотным разнесением каналов (OFDM) или некоторых других методов модуляции с использованием множества несущих. Схема OFDM может эффективно подразделять всю полосу системы на множество (N) ортогональных поддиапазонов, которые также обычно называются тонами, поднесущими, элементами и частотными каналами. При использовании схемы OFDM каждый поддиапазон связан с соответствующей несущей, которая может модулироваться данными. Для ясности, методы оценивания каналов и обработки данных конкретно описаны ниже применительно к системе, которая основана на схеме OFDM и которая может представлять собой систему OFDM, систему множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) и т.д.

Способы оценивания каналов и обработки данных могут также использоваться для различных беспроводных систем связи, которые передают множество потоков данных одновременно (то есть параллельно) и которые могут использовать подавление помех для восстановления передаваемых потоков данных. Для ясности, эти способы конкретно описаны для системы, которая использует иерархическое кодирование и передает одновременно два потока данных.

В системе, основанной на схеме OFDM с иерархическим кодированием, передатчик объединяет символы данных для основного потока с символами данных для расширенного потока для получения объединенных символов. В настоящем описании термин «символ данных» представляет собой символ модуляции для данных, а «пилот-символ» представляет собой символ модуляции для пилот-сигнала и известен априорно в приемнике. Передатчик может объединять символы данных для основного потока и расширенного потока путем (1) суммирования двух символов данных для двух потоков в каждом периоде OFDM-символа для получения объединенного символа, (2) отображения двух символов данных на основе функции отображения для получения объединенных символов. Для ясности, в последующем описании предполагается, что основной поток и расширенный поток суммируются или объединяются суперпозицией. После объединения передатчик объединяет и передает объединенные символы по беспроводному каналу.

Принятые символы в приемнике могут быть выражены следующим образом:

(1)

где s_b(k) - символ данных, переданный в поддиапазоне k для основного потока;

s_е(k) - символ данных, переданный в поддиапазоне k для расширенного потока;

H(k) - комплексное усиление канала для поддиапазона k;

N(k) - шум и помеха, наблюдаемые в поддиапазоне k;

у_d(k) - принятый символ данных для поддиапазона k;

K_d - набор всех поддиапазонов, используемых для передачи данных (т.е. «поддиапазонов данных»).

Для простоты обработка в передатчике и приемнике для системы OFDM не описывается.

В принципе, одна и та же или разная мощность передачи может использоваться для основного потока и расширенного потока. Для простоты, в уравнении (1) предполагается, что для двух потоков используется одна и та же мощность передачи. Альтернативно, символы данных s_b(k) и s_е(k) могут предполагаться включающими в себя фактор распределения мощности для двух потоков данных.

На фиг. 1 показана блок-схема процесса 100 для восстановления основного потока и расширенного потока в приемнике. Приемник сначала получает оценку канала для поддиапазонов данных, например, на основе пилот-символов, принятых приемником вместе с объединенными символами (блок 112). Оценка канала может быть получена, как описано ниже.

Приемник выполняет детектирование для основного канала с использованием оценки канала (блок 114). В одном варианте осуществления детектирование выполняется следующим образом:

(2)

где - оценка усиления канала для поддиапазона k;

- продетектированный символ для поддиапазона k для основного потока;

- шум после обработки в поддиапазоне k для основного потока.

Уравнение (2) показывает, что символы s_b(k) и s_е(k) данных, переданные в поддиапазоне k, могут быть восстановлены путем деления принятого символа у_d(k) данных для поддиапазона k на оценку усиления канала для поддиапазона k. Эта операция обычно упоминается как коррекция и в типовом случае используется для некодированной системы. В другом варианте осуществления детектирование выполняется следующим образом:

(3)

где символ «*» обозначает комплексно сопряженную величину. Операция, представленная в уравнении (3), обычно называется оптимальной фильтрацией и в типовом случае используется для системы с кодированием.

После детектирования приемник «декодирует» продетектированные символы для основного потока для получения продетектированного основного потока , который является оценкой переданного основного потока (блок 116). Декодирование в типовом случае включает в себя демодуляцию (например, обращенное отображение символов или вычисление логарифма отношения правдоподобия (LLR), обращенное перемежение, декодирование с исправлением ошибок (например, блочное, по Витерби, и/или турбодекодирование) и декодирование с исправлением ошибок (например, декодирование с проверкой циклическим избыточным кодом (CRC)). Как показано в уравнениях (2) и (3), продетектированные символы включают в себя как символы {s_b} данных для основного потока, так и символы {s_e} данных для расширенного потока, которые интерпретируются как шум при декодировании основного потока. Приемник дополнительно «повторно кодирует» продетектированный основной поток для получения повторно модулированных символов , которые являются оценками переданных символов {s_b} данных для основного потока (также блок 116). Повторное кодирование в типовом случае включает в себя кодирование, перемежение и модуляцию (т.е. отображение символов).

Если основной поток декодирован корректным образом, то декодер получает ориентированную на данные оценку канала для поддиапазонов данных на основе принятых символов данных и повторно модулированных символов (блок 120). В качестве примера ориентированная на данные оценка канала может быть получена следующим образом:

или для (4)

где (k) - оценка усиления канала для поддиапазона k, полученная на основе повторно модулированного символа для основного потока. Две операции, показанные в уравнении (4), не эквивалентны некоторой схеме модуляции (например, 16-QAM). Оценка канала может также быть получена другими способами, как описано ниже.

Декодирован ли основной поток корректным образом или нет, может быть определено на основе кода обнаружения ошибок, такого как код CRC. Если основной поток декодирован корректным образом, то повторно модулированные символы для основного потока могут рассматриваться как свободные от ошибок и могут использоваться аналогичным образом как пилот-символы для оценки канала. Однако поскольку принятые символы {y_d} данных включают в себя символы {s_b} и {s_e} данных для обоих потоков, как показано в уравнениях (2) и (3), то оценка канала включает шум и помеху от символов {s_e} данных для расширенного потока. Для иерархического кодирования мощность передачи, используемая для расширенного потока, может составлять малую часть (например, 1/4, 1/10 или 1/20) мощности передачи, используемой для основного потока. В этом случае шум/помеха, обусловленные расширенным потоком, могут быть малыми. Тем не менее, оценка канала может в типовом случае обеспечивать дополнительную полезную информацию для отклика беспроводного канала.

Затем приемник объединяет первоначальную оценку канала с ориентированной на данные оценкой канала для получения оценки расширенного канала (блок 122). Декодированный основной поток, таким образом, используется для получения ориентированного на решение обновления данных для оценки канала. Объединение может выполняться различными способами, которые могут учитывать компромисс между эффективностью и сложностью. В одном варианте осуществления оценки канала объединяются следующим образом:

для(5)

где α_h - значение, которое выбрано на основе относительной надежности двух оценок и канала. Надежность может зависеть от различных факторов, таких как мощность передачи, использованная для пилот-символов, число поддиапазонов пилот-сигнала, фильтрация, используемая для получения и т.д. Надежность может также зависеть от различных факторов, таких как относительная мощность для основного потока и расширенного потока, состояния канала и т.д. Различные меры относительно надежности могут быть использованы для оценок канала, таких как, например, среднеквадратичные ошибки оценки канала. Большее значение α_h дает больший вес оценке канала, что может быть желательным, если рассматривается как менее надежная оценка, чем И наоборот, меньшее значение α_h дает больший вес оценке канала. Значение α_h может быть фиксированным или динамическим (например, вычисляться для каждого пакета данных). Объединение оценок и канала также может выполняться во временной области или в частотной области.

Приемник может выполнять фильтрацию для получения оценок канала более высокого качества. Фильтрация может выполняться различными способами и с использованием различных типов фильтров. Например, приемник может фильтровать оценку канала и/или оценку канала по множеству периодов символов OFDM перед объединением двух оценок канала. В качестве другого примера приемник может фильтровать оценку расширенного канала по множеству периодов символов OFDM после объединения. В качестве еще одного примера приемник может фильтровать оценки и Приемник может выполнять фильтрацию: (1) во временной области или в частотной области и (2) с использованием различных типов фильтров, таких как фильтр с бесконечным импульсным откликом (IIR), фильтр с конечным импульсным откликом (FIR) и т.д. Фильтрация с помощью фильтров IIR и FIR описана ниже.

Приемник затем выводит оценку помехи, обусловленной основным потоком, с использованием оценки расширенного канала (блок 132) следующим образом:

для (6)

где i_b(k) - оценка помехи в поддиапазоне k, обусловленной основным потоком. Приемник затем удаляет оцененную помеху из принятых символов данных (также блок 132) следующим образом:

для (7)

где y_e(k) - символ с подавленной помехой для поддиапазона k, в котором устранена оцененная помеха из основного потока. Приемник может выполнять оценивание помехи и ее подавление при условиях: (1) только если основной поток декодирован корректным образом, (2) только если качество декодированного основного потока, как определено количественно одной или более метрик декодирования, превышает предварительно определенный порог, или (3) постоянно, независимо от результата декодирования.

Приемник затем выполняет детектирование для расширенного потока с использованием оценки расширенного канала (134). Детектирование может выполняться следующим образом:

для (8)

где - продетектированный символ в поддиапазоне k;

N_e(k) - шум после обработки в поддиапазоне k для расширенного потока.

Альтернативно, детектирование может быть выполнено следующим образом:

, для (9)

В любом случае, когда приемник декодирует продетектированные символы для получения декодированного расширенного потока , который является оценкой переданного расширенного потока {d_e} (блок 136).

На фиг. 1 показана процедура оценивания канала и обработки данных для системы, основанной на OFDM с иерархическим кодированием, где два наложенных потока данных передаются одновременно. В общем случае, подобная обработка может быть выполнена для других типов систем и на любом количестве потоков данных.

На фиг. 2 представлена блок-схема процедуры 200 для выполнения оценивания канала и обработки данных для множества потоков данных, передаваемых одновременно. Процедура 200 итеративно восстанавливает один поток данных на каждом этапе и обновляет оценку канала, когда восстанавливается каждый поток данных.

Индекс i, используемый для обозначения номера этапа и потока данных, который должен восстанавливаться следующим, инициализируется на 1 (т.е. i=1) для первого этапа (блок 212). Оценка канала для первого потока данных выводится, например, на основе принятых пилот-символов (блок 214).

Для этапа i детектирование выполняется по входным символам {y_i} c использованием оценки канала для получения продетектированных символов для потока данных (блок 216). Для первого этапа входные символы {y_i} являются принятыми символами данных. Для каждого последующего этапа входные символы {y_i} представляют собой символы с подавленной помехой из предшествующего этапа i-1. Продетектированные символы декодируются для получения декодированного потока данных (также блок 216).

Затем определяется, все ли потоки данных были восстановлены (блок 218). Если ответом является «да», то процесс обработки завершается. В противном случае, декодированный поток данных повторно кодируется для получения повторно модулированных символов для потока данных (блок 220). Если поток данных декодирован корректно, то повторно модулированные символы используются для вывода ориентированной на данные оценки канала (блок 222). Оценки и канала затем объединяются (например, как показано в уравнении (5)), для получения оценки для следующего этапа (блок 224). Помеха, обусловленная потоком данных, оценивается с использованием оценки канала и удаляется из входных символов {y_i} для i-го этапа для получения символов {y_i+1} для следующего этапа (блок 226). Индекс i получает приращение (блок 228), и процедура возвращается к блоку 216 для восстановления следующего потока данных.

Оценка расширенного канала, полученная с использованием повторно модулированных символов из декодированного потока данных, может обеспечивать улучшенные рабочие показатели в целом. Оценка расширенного канала может быть использована для получения более точной оценки помехи, обусловленной декодированным потоком данных, поскольку повторно модулированные символы умножаются на оценку канала, как показано в уравнении (6). Оценка расширенного канала может также использоваться для получения продетектированных символов высокого качества для следующего потока данных, подлежащего декодированию, поскольку принятые символы данных делятся или умножаются на оценку канала для детектирования, как показано в уравнениях (8) и (9). Улучшенная оценка канала для этапа i может использоваться для выполнения подавления помехи для этапа i (как описано выше). Улучшенная оценка канала для этапа i может также использоваться для выполнения подавления помехи для всех этапов вплоть до и включая этап i, то есть этапы с 1 по i (на фиг. 2 для простоты не показано).

Способы оценивания канала и обработки данных, описанные выше, могут использоваться в связи с различными схемами передачи пилот-сигнала. Для схемы передачи пилот-сигнала на основе TDM пилот-символы передаются на всех поддиапазонах в некоторых из периодов OFDM-символов, и символы данных передаются в остальных периодах OFDM-символов. Для FDM-схемы передачи пилот-сигнала пилот-символы передаются на каждый период OFDM-символов, но только в поддиапазонах, предназначенных для передачи пилот-сигнала (то есть «в поддиапазонах пилот-сигнала»). Пилот-символы могут также передаваться другими способами, и это входит в объем изобретения.

На фиг. 3А показана приведенная для примера структура поддиапазонов, которая может использоваться для системы на основе OFDM. Система на основе OFDM имеет общую ширину полосы BW МГц, которая подразделена на N ортогональных поддиапазонов с использованием схемы OFDM. Каждый поддиапазон имеет ширину полосы BW/N МГц. В системе OFDM со сформированным спектром только М из полного числа N поддиапазонов используется для передачи данных/пилот-сигналов, причем M<N, и оставшиеся N-M поддиапазонов не используются для передачи данных/пилот-сигналов, а служат в качестве защитных поддиапазонов для обеспечения возможности системе удовлетворять требования спектральной маски. Для простоты, в следующем описании предполагается, что все N поддиапазонов могут использоваться для передачи данных/пилот-сигналов.

На фиг. 3А показана приведенная для примера FDM-схема 300 передачи пилот-сигналов для системы OFDM. Для передачи пилот-сигналов используется Р поддиапазонов. Для простоты вычисления оценки канала, Р поддиапазонов пилот-сигналов могут быть равномерно распределены по общему числу N поддиапазонов таким образом, что последовательные поддиапазоны пилот-сигналов разнесены на N/P поддиапазонов.

Для блока 112 на фиг. 1 и блока 214 на фиг. 2 приемник может получить первоначальную оценку частотного отклика беспроводного канала на основе принятых пилот-символов следующим образом:

для (10)

где y_p(k) - принятый пилот-символ для поддиапазона k;

p(k) - пилот-символ, переданный для поддиапазона k;

- оценка усиления канала для поддиапазона k пилот-сигнала;

К_р - набор всех поддиапазонов пилот-сигналов.

Вектор размера Р×1 для первоначальной оценки частотного отклика для Р равномерно распределенных поддиапазонов пилот-сигналов может быть сформирован как где «^Т» обозначает транспонирование. Экстраполяция и/или интерполяция может использоваться, как это необходимо, для получения оценок усиления канала для поддиапазонов пилот-сигнала без передачи пилот-сигнала на основе принятых пилот-символов для поддиапазонов пилот-сигналов с передачами пилот-сигналов.

Вектор размера N×1 для оценки частотного отклика для полного числа N поддиапазонов может быть получен на основе оценки частотного отклика с использованием различных способов. Для способа наименьшей квадратичной оценки канала сначала получают наименьшую квадратичную оценку импульсного отклика в следующем виде:

(11)

где является вектором размера Р×1 для наименьшей квадратичной оценки импульсного отклика;

- ДПФ-матрица размера Р×Р, используемая для выполнения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) над для получения и «^Н» обозначает комплексно-сопряженное транспонирование.

ДПФ-матрица определяется таким образом, что (n,m)-й элемент w_n,m задан в следующем виде:

для и (12)

где n - индекс строки и m - индекс столбца.

Уравнение (11) указывает, что оценка импульсного отклика может быть получена путем выполнения Р-точечного обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) над первоначальной оценкой частотного отклика. Вектор может подвергаться пост-обработке, например, путем: (1) установки элементов с низкими значениями, меньшими, чем предварительно заданный порог, на нуль и/или (2) установки элементов с L-го по P-й в векторе на нуль, где L - ожидаемый разброс задержек в системе. Вектор затем заполняется нулями до длины N. Заполненный нулями вектор затем преобразуется в соответствии с N-точечным быстрым преобразованием Фурье (БПФ) для получения вектора в следующем виде:

(13)

где .

Начальная оценка частотного отклика, оценка импульсного отклика и/или оценка частотного отклика могут подвергаться фильтрации для обеспечения более высокого качества. Например, начальная оценка частотного отклика может фильтроваться с использованием фильтра IIR следующим образом:

(14)

где (n) - оценка частотного отклика, полученная для периода n символов OFDM;

- отфильтрованная оценка частотного отклика, полученная для периода n символов OFDM;

α_t - постоянная времени для фильтрации.

Постоянная времени α_t может быть выбрана для обеспечения хороших показателей для диапазона доплеровских частот. Отфильтрованная оценка частотного отклика затем используется для получения оценки импульсного отклика в уравнении (11).

В качестве другого примера начальная оценка частотного отклика может фильтроваться с использованием фильтра FIR следующим образом:

(15)

где с_i - коэффициент фильтра для отвода i фильтра FIR, L₁ и L₂ - протяженность фильтра FIR. Для каузального фильтра FIR L₁ =0, L₂≥1, и отфильтрованная оценка частотного отклика является взвешенной суммой оценок (n) частотного отклика для L₂ предыдущих и текущего периодов символов OFDM. Для некаузального фильтра FIR L₁≥1, L₂≥1, и отфильтрованная оценка частотного отклика является взвешенной суммой оценок (n) частотного отклика для L₂ предыдущих, текущего и L₁ будущих периодов символов OFDM. Буферизация L₁ принятых символов OFDM необходима для реализации некаузального фильтра FIR. Оценка импульсного отклика и/или оценка частотного отклика может также отфильтровываться, например, как показано в уравнениях (14) и (15).

Получение оценки частотного отклика канала, основанной на принятых пилот-символах для поддиапазонов пилот-сигнала, детально описано в патентной заявке США того же заявителя (номер дела поверенного 030287), озаглавленной «Оценка канала для системы связи OFDM со сформированным спектром». Вектор может также быть получен иными способами, например методом минимальной среднеквадратичной ошибки (MMSE).

В случае блока 120 на фиг. 1 и блока 122 на фиг. 2 ориентированные на данные оценки и канала получают на основе повторно модулированных символов для декодированного потока данных, например, как показано в уравнении (4). Повторно модулированные символы могут рассматриваться как «новые» пилот-символы, которые могут использоваться для улучшения оценок канала для следующего потока, подлежащего детектированию. Оценки и каналов, используемые для текущего потока, могут объединяться с ориентированными на данные оценками и канала для получения