Оценка канала и пространственная обработка для tdd mimo систем

Оценка канала и пространственная обработка для tdd mimo систем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение, в целом, имеет отношение к передаче данных, и более конкретно, к методам выполнения оценки канала и пространственной обработки в системах дуплексной связи с временным разделением (TDD) со множеством входов и множеством выходов (MIMO).

Уровень техники

MIMO система использует множество (N_T) антенн передачи, и множество (N_R) антенн приема для передачи данных. MIMO канал, сформированный посредством передающих N_T и приемных N_R антенн, может быть разложен в независимые каналы N_S с. Каждый из независимых каналов N_S также называется пространственным подканалом или собственной модой MIMO канала и соответствует размерности. MIMO система может обеспечить улучшенные характеристики (например, увеличенную пропускную способность) если используются дополнительные размерности, созданные множеством передающих и приемных антенн.

Чтобы передать данные на одной или нескольких N_S собственных модах канала MIMO, необходимо выполнить пространственную обработку в приемнике и обычно также в передатчике. Потоки данных, переданные от N_Т передающих антенн, скрещиваются друг с другом в приемных антеннах. Пространственная обработка пытается разделить потоки данных в приемнике так, чтобы они могли быть возвращены по отдельности.

Чтобы выполнить пространственную обработку требуется точная оценка ответа канала между передатчиком и приемником. Для TDD системы нисходящая линия связи (т.е. прямая линия связи) и восходящая линия связи (т.е. обратная линия связи) между точкой доступа и терминалом пользователя разделяют ту же самую частотную полосу. В этом случае, ответы канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи могут быть приняты так, чтобы быть взаимными друг с другом, после того, как калибровка была выполнена (как описано ниже) для составления различий в цепях приема и передачи в точке доступа и терминале пользователя. Таким образом, если H представляет матрицу ответа канала от антенной решетки А к антенной решетке B, то взаимный канал подразумевает, что связь от антенной решетки В к антенной решетке А предоставляется посредством , где обозначает перемещение М.

Оценка канала и пространственная обработка для MIMO системы обычно потребляют большую часть ресурсов системы. Поэтому существует потребность в области техники для методов, чтобы эффективно выполнить оценку канала и пространственную обработку в TDD MIMO системе.

Сущность изобретения

Методы, предусмотренные здесь, служат для выполнения оценки канала и пространственной обработки эффективным способом в TDD MIMO системе. Для TDD MIMO системы взаимные характеристики канала могут быть использованы для того, чтобы упростить оценку канала и пространственную обработку и в передатчике и в приемнике. Первоначально точка доступа и терминал пользователя в системе могут выполнить калибровку для того, чтобы определить различия в ответах их цепей приема и передачи, и получить поправочные коэффициенты, используемые для учета различий. Калибровка может быть выполнена для гарантии того, что "калиброванный" канал, с примененными поправочными коэффициентами, является взаимным. Таким образом, более точная оценка второй линии связи может быть получена на основании оценки, полученной для первой линии связи.

В течение обычной работы, пилот-сигнал (контрольный сигнал) MIMO, передается (например, точкой доступа) на первой линии связи (т.е. нисходящей линии связи), и используется для того, чтобы получить оценку ответа канала для первой линии связи. Оценка ответа канала затем может быть разложена (например, терминалом пользователя, используя сингулярную декомпозицию) для того, чтобы получить диагональную матрицу сингулярных значений и первую унитарную матрицу, содержащую и левые собственные векторы первой линии связи, и правые собственные векторы второй линии связи (например, восходящей линии связи). Первая унитарная матрица может быть использована таким образом, чтобы выполнить пространственную обработку для передачи данных, принятой на первой линии связи так же, как для передачи данных, которая была послана на второй линии связи.

Регулируемый опорный сигнал (регулируемая ссылка) может быть передан на второй линии связи с использованием собственных векторов в первой унитарной матрице. Регулируемый опорный сигнал (или регулируемый пилот-сигнал) представляет собой пилот-сигнал, переданный на определенных собственных модах, с использованием собственных векторов, используемых для передачи данных. Этот регулируемый опорный сигнал затем может быть обработан (например, точкой доступа) для того, чтобы получить диагональную матрицу и вторую унитарную матрицу, содержащую и левые собственные векторы второй линии связи, и правые собственные векторы первой линии связи. Вторая унитарная матрица может быть использована таким образом, чтобы выполнить пространственную обработку для передачи данных, принятой на второй линии связи так же, как для передачи данных, которая была послана на первой линии связи.

Различные аспекты и варианты осуществления изобретения подробно описаны ниже.

Краткое описание чертежей

Различные аспекты и особенности данного изобретения описаны ниже в связи со следующими чертежами, в которых:

Фиг.1 представляет собой блок-схему точки доступа и терминала пользователя в TDD MIMO системе, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

Фиг.2A изображает блок-схему цепей приема и передачи в точке доступа и терминале пользователя, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

Фиг.2B изображает использование матриц коррекции для составления различий в цепях приема/передачи в точке доступа и терминале пользователя, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

Фиг.3 изображает пространственную обработку для нисходящей линии связи и восходящей линии связи для способа пространственного мультиплексирования, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

Фиг.4 изображает пространственную обработку для нисходящей линии связи и восходящей линии связи для способа регулирования луча, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения; и

Фиг.5 изображает процесс для выполнения оценки канала и пространственной обработки в точке доступа и терминале пользователя, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Фиг.1 представляет собой блок-схему варианта осуществления точки доступа 110 и терминала пользователя 150 в TDD MIMO системе 100. Точка доступа 110 оснащена антеннами приема/передачи N_ap для приема/передачи данных, и терминал пользователя 150 оснащен антеннами приема/передачи N_ut.

На нисходящей линии связи, в точке доступа 110, процессор передачи (TX) данных 114 принимает поток данных (т.е. информационные биты) от источника данных 112 и передачи сигналов и других данных от контроллера 130. ТХ процессор данных 114 форматирует, кодирует, чередует и модулирует (т.е. карты символа) данные для того, чтобы обеспечить символы модуляции. Пространственный ТХ процессор 120 принимает символы модуляции от ТХ процессора данных 114 и выполняет пространственную обработку для того, чтобы обеспечить потоки символов передачи N_ap, по одному потоку для каждой антенны. Пространственный ТХ процессор 120 также мультиплексирует в символы контрольного сигнала как соответствующие (например, для калибровки и нормальной операции).

Каждый модулятор (MOD) 122 (который включает в себя цепь передачи) принимает и обрабатывает соответствующий поток передачи символа для того, чтобы обеспечить соответствующий модулированный сигнал нисходящей линии связи. Модулированные сигналы нисходящей линии связи N_ap от модуляторов 122a через 122ap затем передаются от антенн N_ap 124a-124ap, соответственно.

В терминале пользователя 150 антенны N_ut 152a-152ut принимают переданные модулированные сигналы нисходящей линии связи, и каждая антенна обеспечивает принятый сигнал к соответствующему демодулятору (DEMOD) 154. Каждый демодулятор 154 (который включает в себя цепь приема) выполняет обработку, в дополнение к выполненной в модуляторе 122, и обеспечивает принятые символы. Пространственный процессор приема (RX) 160 затем выполняет пространственную обработку принятых символов от всех демодуляторов 154a-154ut для того, чтобы обеспечить возвращенные символы, которые являются оценками символов модуляции, посланных точкой доступа. RX процессор данных 170 дополнительно обрабатывает (например, символ demaps, deinterleaves, и расшифровки) возвращенные символы для того, чтобы обеспечить декодированные данные. Декодированные данные могут включать в себя возвращенный поток данных, передачу сигналов, и так далее, которые могут быть предоставлены приемнику данных 172 для хранения и/или контроллеру 180 для дополнительной обработки.

Обработка для восходящей линии связи может быть той же самой или отличной от обработки для нисходящей линии связи. Данные и передача сигналов обрабатываются (например, кодируются, чередуются, и модулируются) ТХ процессором данных 188 и дополнительно пространственно обрабатываются ТХ пространственным процессором 190, который также мультиплексирует в символы контрольного сигнала как соответствующие (например, для калибровки и нормальной работы). Контрольный сигнал и передача символов от ТХ пространственного процессора 190, дополнительно обрабатываются модуляторами 154a-154ut для того, чтобы сгенерировать модулированные сигналы N_ut восходящей линии связи, которые затем передаются через антенны 152a-152ut к точке доступа.

В точке доступа 110 модулированные сигналы восходящей линии связи принимаются антеннами 124a-124ap, демодулируются демодуляторами 122a-122ap, и обрабатываются пространственным RX процессором 140 и RX процессором данных 142 в дополнительном способе к выполненному в терминале пользователя. Декодированные данные для восходящей линии связи могут быть обеспечены приемнику данных 144 для хранения и/или контроллеру 130 для дополнительной обработки.

Контроллеры 130 и 180 управляют работой различных блоков обработки данных в точке доступа и терминале пользователя соответственно. Блоки памяти 132 и 182 хранят данные и программные коды, используемые контроллерами 130 и 180 соответственно.

1. Калибровка

Для TDD системы, поскольку нисходящая линия связи и восходящая линия связи совместно используют ту же самую частотную полосу, обычно возникает высокая степень корреляции между ответами канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи. Таким образом, матрицы ответа канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи предположительно могут быть взаимными (т.е. транспонироваться) друг из друга. Однако ответы цепей приема/передачи в точке доступа типично не равны ответам цепей приема/передачи в терминале пользователя. Для улучшенной характеристики, различия могут быть определены и учтены посредством калибровки.

Фиг.2A изображает блок-схему цепей приема и передачи в точке доступа 110 и терминале пользователя 150, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Для нисходящей линии связи в точке доступа 110 символы (обозначенные вектором "передача" ) обрабатываются цепью передачи 214 и передаются от антенн N_ap 124 по каналу MIMO. В терминале пользователя 150 сигналы нисходящей линии связи принимаются антеннамиN_ul 152 и обрабатываются цепью приема 254 для того, чтобы обеспечить принятые символы (обозначенные вектором "прием" ). Для восходящей линии связи в терминале пользователя 150 символы (обозначенные вектором передачи ) обрабатываются цепью передачи 264 и передаются от антенн N_ut 152 по каналу MIMO. В точке доступа 110, сигналы восходящей линии связи принимаются антеннами N_ap 124 и обрабатываются цепью приема 224 для того, чтобы обеспечить принятые символы (обозначенные вектором приема ).

Для нисходящей линии связи вектор приема в терминале пользователя (в отсутствии помех) может быть выражен как:

, Уравнение 1,

где представляет собой вектор передачи с N_ар элементами для нисходящей линии связи;

представляет собой вектор приема с N_utэлементами;

представляет собой диагональную матрицу N_ар × N_ар с элементами для комплексных коэффициентов передачи, связанных с цепью передачи для антенн N_ap в точке доступа;

представляет собой диагональную матрицу N_ut × N_ut с элементами для комплексных коэффициентов передачи, связанных с цепью приема для антеннN_ut в терминале пользователя; и

H представляет собой матрицу ответа канала N_ut× N_apдля нисходящей линии связи.

Ответы цепей приема/передачи и канала MIMO обычно представляют собой функцию частоты. Для простоты, канал амплитудного замирания (т.е. с плоской частотной характеристикой) допускается для последующего дифференцирования.

Для восходящей линии связи вектор приема в точке доступа (в отсутствии помех) может быть выражен как:

, Уравнение 2,

где представляет собой вектор передачи с N_ut элементами для восходящей линии связи;

представляет собой вектор приема с N_ар элементами;

представляет собой диагональную матрицу N_ut × N_ut с элементами для комплексных коэффициентов передачи, связанных с цепью передачи для антенн N_ut в терминале пользователя;

представляет собой диагональную матрицу N_ар × N_ар с элементами для комплексных коэффициентов передачи, связанных с цепью приема для N_ар антенн в точке доступа; и

представляет собойматрицуответа канала N_ар× N_ut для восходящей линии связи.

Из уравнений (1) и (2), "эффективные" ответы канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи и , которые включают в себя ответы применяемых цепей приема и передачи, могут быть выражены как:

и Уравнение 3

Как показано в уравнении (3), если ответы цепей приема/передачи в точке доступа не равны ответам цепей приема/передачи в терминале пользователя, то эффективные ответы канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи не взаимны друг другу, т.е.

Объединяя эти два уравнения в наборе уравнения (3), могут быть получены следующие отношения:

Уравнение 4

Перестраивая уравнение (4) получено следующее:

или

Уравнение 5

где и . Так как , , , и являются диагональными матрицами, и также являются диагональными матрицами. Также уравнение (5) может быть выражено как:

Уравнение 6

Матрицы и могут быть рассмотрены как, включающие в себя "поправочные коэффициенты", которые могут составлять различия в цепях приема/передачи в точке доступа и терминале пользователя. Тогда это позволило бы ответу канала для одной линии связи быть выраженным ответом канала для другой линии связи, как показано в уравнении (5).

Калибровка может быть выполнена для того, чтобы определить матрицы и . Как правило, истинный ответ канала H и ответы цепи приема/передачи не известны, и не могут быть точно или легко установлены. Вместо этого эффективные ответы канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи и могут быть оценены основываясь на контрольных сигналах MIMO, посланных по нисходящей линии связи и на восходящей линии связи соответственно. Генерация и использование контрольного сигнала MIMO подробно описаны вышеупомянутой США заявке на патент № 60/421,309.

Оценки матриц и , которые упоминаются как матрицы коррекции и , могут быть получены на основании оценок ответа канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи и в различных способах, включая вычисление матричного отношения и минимальной среднеквадратической ошибки (MMSE). Для вычисления матричного отношения, матрица С сначала вычисляется как отношение оценок ответов канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи следующим образом:

Уравнение 7,

где отношение взято поэлементно. Таким образом, каждый элемент из С может быть вычислен как:

, для и ,

где и является (i,j)-м (ряд, колонка) элементом из и соответственно, и представляет собой (i,j)-й элемент из С.

Вектор коррекции для точки доступа, который включает в себя только диагональные элементы из , может быть определен так, чтобы быть равным значению нормализованных рядов С. Каждый ряд С, , сначала нормализован посредством разделения каждого элемента ряда с первым элементом ряда для того, чтобы получить соответствующий нормализованный ряд . Таким образом, если представляет собой i-й ряд из C, то нормализованный ряд , может быть выражен как:

.

Вектор коррекции затем приравнивается к средним из нормализованных рядов С и может быть выражен как:

Уравнение 8

Вследствие нормализации, первый элемент из является единством.

Вектор коррекции для терминала пользователя, , который включает в себя только диагональные элементы из , может быть определен так, чтобы быть равным средней из инверсий нормализованных колонок С. Каждая колонка из С, , сначала нормализована посредством измерения каждого элемента в колонке с j-м элементом вектора , который обозначен как для того, чтобы получить соответствующую нормализованную колонку . Таким образом, если является j-й колонкой из C, тогда нормализованная колонка может быть выражена как:

Вектор коррекции затем устанавливается равным средней из инверсий из нормализованных колонок из С и может быть выражен как:

Уравнение 9

где инверсия нормализованных колонок выполнена поэлементно.

Калибровка обеспечивает векторы коррекции и или соответствующие матрицы коррекции и для точки доступа и терминала пользователя соответственно.

Вычисление MMSE для матриц коррекции и подробно описано в вышеупомянутой США заявке на патент № 60/421,462.

Фиг.2B иллюстрирует применение матриц коррекции для подсчета различий в цепях приема/передачи в точке доступа и терминале пользователя, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. На нисходящей линии связи вектор передачи сначала умножается с матрицей посредством блока 212. Последующая обработка цепью передачи 214 и цепью приема 254 для нисходящей линии связи является аналогичной показанной на Фиг.2А. Точно так же на восходящей линии связи вектор передачи сначала умножается с матрицей посредством блока 262. К тому же последующая обработка цепью передачи 264 и цепью приема 224 для восходящей линии связи является аналогичной показанной на Фиг.2А.

"Калиброванные" ответы канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи, наблюдаемые терминалом пользователя и точкой доступа соответственно, могут быть выражены как:

и, Уравнение 10

где и представляют собой оценки "истинных" выражений ответа калиброванного канала в уравнении (6). Из уравнений (6) и (10) может быть выявлено, что . Точность отношений зависит от точности оценок и , которые в свою очередь зависят от качества оценок ответа канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи и . Как показано выше, как только цепи приема/передачи были калиброваны, оценка ответа калиброванного канала полученная для одной линии связи (например,), может быть использована как оценка ответа калиброванного канала для другой линии связи (например, ).

Калибровка для TDD MIMO системы подробно описана в вышеупомянутой США заявке на патент № 60/421,309, и США заявке на патент № 60/421,462.

2. Пространственная Обработка

Для MIMO системы данные могут быть переданы на одной или нескольких собственных модах MIMO канала. Способ пространственного мультиплексирования может быть определен для того, чтобы покрыть передачу данных на многих собственных модах, и способ регулирования луча может быть определен для того, чтобы покрыть передачу данных на единственной собственной моде. Оба рабочих способа требуют пространственной обработки в передатчике и приемнике.

Оценка канала и методы пространственной обработки, описанные здесь, могут быть использованы для MIMO систем с или без OFDM. OFDM эффективно делит полную полосу пропускания системы на множество ортогональных подполос (поддиапазонов) (), которые также называются элементами разрешения по частоте или подканалами. С OFDM, каждая(ый) подполоса (поддиапазон) связана с соответствующей поднесущей, на которой могут быть модулированы данные. Для MIMO системы, использующей OFDM (т.е. MIMO-OFDM система), каждая собственная мода каждой подполосы может быть рассмотрена как независимый канал передачи. Для ясности, оценка канала и пространственные методы обработки описаны ниже для TDD MIMO-OFDM системы. Для этой системы, каждая подполоса беспроводного канала может быть предположена так, чтобы быть взаимной.

Корреляция между ответами канала нисходящей линии связи и канала восходящей линии связи может быть использована для того, чтобы упростить оценку канала и пространственную обработку в точке доступа и терминале пользователя для TDD системы. Это упрощение эффективно после того, как калибровка была выполнена, с целью составить различия в цепях приема/передачи. Ответы калиброванного канала могут быть выражены как функция частоты, следующим образом:

, для ,

и , для , Уравнение 11

где К представляет ряд всех подполос, которые могут быть использованы для передачи данных (т.е. "подполосы данных"). Калибровка может быть выполнена так, чтобы матрицы и были получены для каждой из подполос данных. Альтернативно, калибровка может быть выполнена только для подмножества всех подполос данных, когда матрицы и для "некалиброванных" подполос могут быть получены, интерполируя матрицы для "калиброванных" подполос, как описано в вышеупомянутой США заявке на патент № 60/421,462.

Матрица ответа канала для каждой подполосы может быть "диагонализуемой " для того, чтобы получить N_s собственных мод для той подполосы. Это может быть достигнуто либо посредством выполнения сингулярной декомпозиции на матрице ответа канала либо посредством разложения собственного значения на матрице корреляции из , являющейся . Для ясности, сингулярная декомпозиция используется для следующего описания.

Сингулярная декомпозиция матрицы калиброванного ответа канала восходящей линии связи может быть выражена как:

, для Уравнение(12)

где представляет собой унитарную матрицу (N_ap × N_ap) левых собственных векторов из ;

представляет собой диагональную матрицу (N_ap × N_ut) сингулярных значений из и;

представляет собой унитарную матрицу (N_ut × N_ut) правых собственных векторов из .

Унитарная матрица характеризована собственностью ,где представляет собой матрицу идентичности.

Соответственно, сингулярная декомпозиция матрицы калиброванного ответа нисходящей линии связи может быть выражена как:

, для , Уравнение (13)

где матрицы и являются унитарными матрицами левых и правых собственных векторов соответственно из . Как показано в уравнениях (12) и (13) и основано на вышеупомянутом описании, матрицы левых и правых собственных векторов для одной линии связи являются комплексом, сопряженным из матриц правых и левых собственных векторов, соответственно, для другой линии связи. Матрицы , , и являются различными формами матрицы , и матрицы , , и - также являются различными формами матрицы . Для простоты, ссылка на матрицы и в следующем описании может также может быть сделана к их различным другим формам. Матрицы и используются точкой доступа и терминалом пользователя соответственно, для пространственной обработки и обозначены также их подписями. Собственные векторы также часто называются "регулируемыми" векторами.

Сингулярная декомпозиция детально описана Гильбертом Странгом в книге, под названием «"Linear Algebra and Its Applications," Second Edition, Academic Press, 1980».

Терминал пользователя может оценить калиброванный ответ канала нисходящей линии связи, основанный на контрольном сигнале MIMO, переданный точкой доступа. Тогда терминал пользователя может выполнить сингулярную декомпозицию для оценки калиброванного ответа канала нисходящей линии связи , для, для того, чтобы получить диагональную матрицу и матрицу левых собственных векторов из . Эта сингулярная декомпозиция может быть представлена как , где шапка над каждой матрицей указывает то, что это оценка фактической матрицы.

Точно так же точка доступа может оценить калиброванный ответ канала восходящей линии связи, основанный на контрольном сигнале MIMO, переданный терминалом пользователя. Тогда точка доступа может выполнить сингулярную декомпозицию для оценки калиброванного ответа канала восходящей линии связи , для, для того, чтобы получить диагональную матрицу и матрицулевых собственных векторов из . Эта сингулярная декомпозиция может быть представлена как .

Однако из-за взаимного канала и калибровки, сингулярная декомпозиция должна быть выполнена только терминалом пользователя или точкой доступа. Если выполнена терминалом пользователя, то матрица , для , используется для пространственной обработки в терминале пользователя, и матрица , для, может быть обеспечена в точке доступа в любой прямой форме (т.е. посылая элементы матриц ) или косвенной форме (например, через регулируемую ссылку, как описано ниже).

Сингулярным значениям в каждой матрице , для, может быть задано такое, что первая колонка содержит наибольшее сингулярное значение, вторая колонка содержит следующее наибольшее сингулярное значение, и так далее (т.е. , где является собственным значением в i-й колонке после задания). Когда сингулярные значения для каждой матрицы заданы, собственные векторы (или колонки) связанных унитарных матриц и для той подполосы, также задаются соответственно. "Широкополосная" собственная мода может быть определена как набор того же самого порядка собственных мод всех подполос после упорядочения (т.е. m-я широкополосная собственная мода включает в себя m-е собственные моды всех подполос). Каждая широкополосная собственная мода связана с соответствующим набором собственных векторов для всех подполос. Основная широкополосная собственная мода представляет собой собственную моду, связанную с наибольшим сингулярным значением в каждой матрице после упорядочения.

A. Пространственная обработка восходящей линии связи

Пространственная обработка терминалом пользователя для передачи восходящей линии связи может быть выражена как:

, для Уравнение 14

где