Система с множеством входов и множеством выходов (mimo) с множеством режимов пространственного мультиплексирования

Система с множеством входов и множеством выходов (mimo) с множеством режимов пространственного мультиплексирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Притязание на приоритет по §119 U.S.C 35

Настоящая заявка на патент притязает на приоритет предварительной заявки на патент США № 60/421309, называемой "MIMO WLAN System", поданной 25 октября 2002 г., право на которую передано правопреемнику настоящего изобретения и которая включена в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение в общем случае относится к связи, более конкретно к коммуникационной системе с множеством входов и множеством выходов (MIMO).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

MIMO система как правило использует для передачи данных несколько (N_T) передающих антенн и несколько (N_R) приемных антенн и обозначается как система (N_T, N_R). MIMO канал, сформированный N_T передающими и N_R приемными антеннами, может быть разложен на N_S пространственных каналов, где N_S ≤ min{N_T, N_R}. Для достижения большей общей пропускной способности, для передачи N_S независимых потоков данных могут использоваться N_S пространственных каналов. В общем случае, для одновременной передачи и восстановления нескольких потоков данных, пространственная обработка обычно выполняется в приемнике и может выполняться или не выполняться в передатчике.

Известная MIMO система обычно использует определенную схему передачи для одновременной передачи нескольких потоков данных. Эта схема передачи может быть выбрана на основе компромисса между различными факторами, такими как требования к системе, объем обратной связи из приемника в передатчик, возможности передатчика и приемника, и т.д. Передатчик, приемник и система, к тому же, разработаны с возможностью поддержки выбранной схемы передачи и функционирования в соответствии с нею. Указанная схема передачи обычно имеет предпочтительные признаки, а также неблагоприятные признаки, которые могут влиять на производительность системы.

Таким образом, в данной области техники существует потребность в MIMO системе, выполненной с возможностью достижения повышенной эффективности.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описана MIMO система, которая поддерживает несколько режимов пространственного мультиплексирования (SM) для повышения производительности и большей гибкости. Пространственное мультиплексирование относится к одновременной передаче нескольких потоков данных через несколько пространственных каналов MIMO-канала. Несколько режимов пространственного мультиплексирования могут включать в себя (1) однопользовательский направленный режим, при котором осуществляется передача нескольких потоков данных по ортогональным пространственным каналам в один приемник, (2) однопользовательский ненаправленный режим, при котором осуществляется передача нескольких потоков данных через несколько антенн в один приемник без пространственной обработки в передатчике, (3) многопользовательский направленный режим, при котором осуществляется одновременная передача нескольких потоков данных в множество приемников с пространственной обработкой в передатчике, и (4) многопользовательский ненаправленный режим, при котором осуществляется передача нескольких потоков данных через несколько антенн (совместно расположенных или раздельно расположенных) без пространственной обработки в передатчике (передатчиках) в приемник (приемники), имеющий несколько антенн.

Для передачи данных по нисходящей и/или восходящей линии выбирают набор по меньшей мере из одного пользовательского терминала. Выбирают режим пространственного мультиплексирования для набора пользовательских терминалов из множества режимов пространственного мультиплексирования, поддерживаемых системой. Также выбирают множество скоростей для множества потоков данных, предназначенных для передачи через множество пространственных каналов канала MIMO набору пользовательских терминалов. Набор пользовательских терминалов планируют для передачи данных по нисходящей и/или восходящей линии с выбранными скоростями и выбранным режимом пространственного мультиплексирования. После этого множество потоков данных обрабатывают (например, выполняют кодирование, перемежение и модуляцию) в соответствии с выбранными скоростями и дополнительно подвергают пространственной обработке в соответствии с выбранным режимом пространственного мультиплексирования для передачи через множество пространственных каналов.

Ниже более подробно описаны различные аспекты, варианты осуществления и отличительные признаки изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показана MIMO система с множественным доступом.

На Фиг.2 показана структура кадра и канала для MIMO системы.

На Фиг.3 показана точка доступа и два пользовательских терминала в MIMO системе.

На Фиг.4 показан передающий (TX) процессор данных в точке доступа.

На Фиг.5 показан TX пространственный процессор и модуляторы в точке доступа.

На Фиг.6 показаны демодуляторы и приемный (RX) пространственный процессор в многоантенном пользовательском терминале.

На Фиг.7 показан RX процессор данных в многоантенном пользовательском терминале.

На Фиг.8 показан RX пространственный процессор и RX процессор данных реализующие способ последовательного удаления помех (SIC).

На Фиг.9 показаны приемная/передающие цепи в точке доступа и пользовательском терминале.

На Фиг.10 показан механизм управления скоростью передачи с замкнутым контуром управления.

На Фиг.11 показан контроллер и планировщик для планирования пользовательских терминалов.

На Фиг.12 показан процесс планирования пользовательских терминалов для передачи данных.

На Фиг.13 показан процесс передачи данных по нисходящей линии.

На Фиг.14 показан процесс приема данных по восходящей линии.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Слово “иллюстративный” используется в настоящем описании как означающее “служащий в качестве примера, иллюстрации”. Любой вариант осуществления, изложенный в настоящем описании как “иллюстративный”, не следует с необходимостью рассматривать как предпочтительный или преимущественный перед другими вариантами осуществления.

MIMO Система может использовать одну несущую или множество несущих для передачи данных. Множество несущих может применяться в мультиплексировании с ортогональным делением частот (OFDM), в других способах модуляции с множеством несущих или в других системах. OFDM эффективно разделяет полосу частот системы на множество (N _F) ортогональных поддиапазонов, которые обычно называются тонами, бинами, несущими и частотными каналами. В случае OFDM каждый поддиапазон связан с соответствующей несущей, которая может быть модулирована данными. Нижеследующее описание дано для MIMO системы, использующей OFDM. Однако концепции, изложенные в настоящем описании равным образом, применимы к MIMO системе с одной несущей.

MIMO система поддерживает множество режимов пространственного мультиплексирования для увеличения производительности и большей гибкости. В Таблице 1 перечислены поддерживаемые режимы пространственного мультиплексирования и даны их краткие описания.

Таблица 1
Режим пространственного мультиплексирования	Описание
однопользовательский направленный	Множество потоков данных передают по ортогональным пространственным каналам в один приемник
однопользовательский ненаправленный	Множество потоков данных передают через множество антенн в один приемник без пространственной обработки в передатчике
многопользовательский направленный	Множество потоков данных передают одновременно (1) из одного передатчика во множество приемников или (2) из множества передатчиков в один приемник, в обоих случаях с пространственной обработкой в передатчике (передатчиках)
многопользовательский ненаправленный	Множество потоков данных передают одновременно (1) из множества передатчиков в один приемник или (2) из одного передатчика во множество приемников, в обоих случаях без пространственной обработки в передатчике (передатчиках)

MIMO система также может поддерживать другие и/или различные режимы пространственного мультиплексирования, и это находится в пределах объема настоящего изобретения.

Каждый режим пространственного мультиплексирования имеет различные калибровки и требования. Режимы направленного пространственного мультиплексирования как правило позволяют достичь лучшей производительности, но могут применяться только если передатчик имеет достаточную информацию о состоянии канала для ортогонализации пространственных каналов при помощи разложения или какого-либо другого способа, как описано ниже. В случае режимов ненаправленного пространственного мультиплексирования требуется очень мало информации для одновременной передачи множества потоков данных, но производительность может быть не такой высокой, как в случае режимов направленного пространственного мультиплексирования. Подходящий режим пространственного мультиплексирования может быть выбран для использования в зависимости от доступной информации о состоянии канала, от возможностей передатчика и приемника, системных требований и т.д. Каждый из режимов пространственного мультиплексирования описан ниже.

1. Однопользовательский режим направленного пространственного мультиплексирования

Частотно-селективный MIMO канал, сформированный N _T передающими антеннами и N _R приемными антеннами, может быть охарактеризован N _F матрицами откликов канала в частотном домене, , для k=1 … N _F, каждая из которых имеет размерность N _R×N _T. Матрица откликов канала для каждого поддиапазона может быть выражена как:

, уравнение (1)

где элемент для i=1 … N _R, j=1 … N _T и k=1 … N _F представляет собой связь (т.е. комплексное усиление) между передающей антенной j и приемной антенной i для поддиапазона k.

Матрица отклика канала для каждого поддиапазона может быть “диагонализирована” для получения N _S собственных мод для этого поддиапазона. Такая диагонализация может быть произведена путем выполнения либо разложения по сингулярным значениям матрицы отклика канала или разложения по собственным векторам корреляционной матрицы для матрицы , которая представляет собой , где “^H” обозначает транспонирование с комплексным сопряжением.

Разложение по сингулярным значениям матрицы откликов канала для каждого поддиапазона может быть выражено как:

, уравнение (2)

где представляет собой (N _R×N _R) унитарную матрицу левых собственных векторов для ;

представляет собой (N _R×N _T) диагональную матрицу сингулярных значений для ;

представляет собой (N _T×N _T) унитарную матрицу правых собственных векторов для ;

Унитарность матрицы характеризуется свойством , где представляет собой единичную матрицу.

Разложение по собственным векторам корреляционной матрицы для каждого поддиапазона может быть выражено как:

, уравнение (3)

где представляет собой (N _T×N _T) диагональную матрицу собственных векторов для . Как показано в уравнениях (2) и (3), столбцы являются собственными векторами для , а также правыми собственными векторами для .

Разложение по сингулярным значениям и разложение по собственным векторам описано Gilbert Strang в книге озаглавленной “Linear Algebra and Its Applications”, второе издание, Academic Press, 1980. Однопользовательский режим направленного пространственного мультиплексирования реализован либо посредством разложения по сингулярным значениям, либо посредством разложения по собственным векторам. Для простоты в нижеследующем описании используется разложение по сингулярным значениям.

Правые собственные вектора для также называются “направляющими” векторами и могут быть использованы передатчиком для пространственной обработки при передаче данных по N _S собственным модам для . Левые собственные вектора для могут быть использованы для пространственной обработки в приемнике для восстановления данных, переданных по N _S собственным модам. Собственные моды можно рассматривать как ортогональные пространственные каналы, получаемые в результате разложения. Диагональная матрица содержит неотрицательное вещественное значение по диагонали и нули в других позициях. Указанные диагональные элементы называются сингулярными значениями для и представляют усиления канала для N _S собственных мод . Сингулярные значения для , , также представляют собой корень квадратный из собственных значений для , , где . Декомпозиция по сингулярным значениям может выполняться для матрицы отклика канала независимо для каждого из N _F поддиапазонов для определения N _S собственных мод для этого поддиапазона.

Для каждого поддиапазона сингулярные значения в матрице могут быть упорядочены от больших к меньшим и собственные вектора в матрицах и могут быть упорядочены соответствующим образом. “Широкополосная” собственная мода может быть определена как набор собственных мод для всех N _F поддиапазонов, имеющих выполнения пространственной обработки в приемнике одинаковый порядковый номер после упорядочения (т.е. широкополосная собственная мода m включает в себя собственные моды m всех поддиапазонов). В общем случае, для передачи могут использоваться все N _F поддиапазонов или меньшее количество, причем неиспользуемые поддиапазоны заполняют сигналами с нулевым значением. Для простоты в нижеследующем описании предполагается, что все N _F поддиапазоны используются для передачи.

В однопользовательском режиме направленного пространственного мультиплексирования (или просто “однопользовательский направленный режим”) передают N _S потоков символов данных по N _S собственным модам MIMO канала. Это требует пространственной обработки как в передатчике, так и в приемнике.

Пространственная обработка в передатчике для каждого поддиапазона в случае однопользовательского направленного режима может быть выражена как:

, уравнение (4)

где представляет собой (N _T×1) вектор с N _S ненулевыми элементами для N _S символов данных, предназначенных для передачи по N _S собственным модам поддиапазона k; и

представляет собой (N _T×1) вектор с N _T элементами для N _T символов передачи, предназначенных для передачи через N _T передающих антенн в поддиапазоне k.

N _S элементов могут представлять N _S потоков символов данных, а оставшиеся элементы , если они есть заполняют нулями.

Принятые символы, полученные приемником для каждого поддиапазона, могут быть выражены как:

, уравнение (5)

где представляет собой (N _R×1) вектор с N _R элементами для N _R принятых символов, полученных через N _R приемных антенн для поддиапазона k;

представляет собой вектор шума для поддиапазона k.

Пространственная обработка в приемнике для восстановления вектора для каждого поддиапазона может быть выражена как:

уравнение (6)

или и ,

где представляет собой (N _T×1) вектор с N _S детектированными символами данных для поддиапазона k;

представляет собой (N _T×1) вектор с N _S восстановленными символами данных для поддиапазона k;

представляет собой вектор шума после обработки для поддиапазона k.

представляет собой ненормированную оценку вектора данных, а вектор представляет собой нормированную оценку .

Умножение на в уравнении (6) учитывает (возможно, различные) усиления N _S пространственных каналов и нормирует результат пространственной обработки в приемнике таким образом, что в последующий блок обработки предоставляются восстановленные символы данных, имеющие подходящую величину.

Для однопользовательского направленного режима матрица направляющих векторов, используемая в передатчике для каждого поддиапазона, может быть выражена как:

уравнение (7)

Матрица пространственной фильтрации, используемая в приемнике для каждого поддиапазона, может быть выражена как:

уравнение (8)

Однопользовательский направленный режим может быть использован, если передатчик имеет информацию о состоянии канала либо в виде матрицы отклика канала, либо матрицы правых собственных векторов для , для k=1 … N _F. Передатчик может оценить или для каждого поддиапазона, основываясь на пилот-сигнале, передаваемом приемником, как описано ниже, или может получить эту информацию от приемника по каналу обратной связи. Как правило, приемник может получить или для каждого поддиапазона, основываясь на пилот-сигнале, передаваемом передатчиком. Из уравнения (6) видно, что N _S потоков символов данных, искаженных только шумом канала после обработки, могут быть получены в случае однопользовательского направленного режима посредством подходящей пространственной обработки как в передатчик, так и в приемнике.

Отношение сигнал/шум-и-помехи (ОСШ) для однопользовательского направленного режима может быть выражено как:

m=1 … N _S, уравнение (9)

где представляет собой мощность передачи, используемую для символа данных, переданного в поддиапазоне k широкополосной собственной моды m;

представляет собой собственное значение для поддиапазона k широкополосной собственной моды m, которое является m-м диагональным элементом для ;

представляет собой ОСШ для поддиапазона k широкополосной собственной моды m.

2. Однопользовательский режим ненаправленного пространственного мультиплексирования

Однопользовательский режим ненаправленного пространственного мультиплексирования (или просто “однопользовательский ненаправленный режим”) может быть использован, если передатчик не имеет достаточно информации о состоянии канала, или однопользовательский направленный режим не поддерживается по каким-либо другим причинам. В случае однопользовательского ненаправленного режима передают N _S потоков символов данных через N _T передающих антенн без какой-либо пространственной обработки в передатчике.

В случае однопользовательского ненаправленного режима матрица направляющих векторов, используемая передатчиком для каждого поддиапазона, может быть выражена как:

уравнение (10)

Пространственная обработка в передатчике для каждого поддиапазона может быть выражена как:

, уравнение (11)

где представляет собой вектор символов передачи для однопользовательского ненаправленного режима.

“Широкополосный” пространственный канал для этого режима может быть определен как пространственный канал, соответствующий данной передающей антенне (т.е. широкополосный пространственный канал m для однопользовательского ненаправленного режима включает в себя все поддиапазоны передающей антенны m).

Принятые символы, полученные приемником для каждого поддиапазона могут быть выражены как:

уравнение (12)

Приемник может восстановить вектор данных, используя различные способы обработки, такие как способ инверсии корреляционной матрицы канала (CCMI) (который также известен как способ “обращения в нуль незначащих коэффициентов”), способ минимальной средней квадратичной ошибки (MMSE), корректор с решающей обратной связью (DFE) и способ последовательного удаления помех (SIC) и т.д.

А. Пространственная обработка CCMI

Приемник может использовать способ CCMI для выделения потоков символов данных. CCMI приемник использует пространственный фильтр, имеющий отклик , для k=1 … N _F, который может быть выражен как:

уравнение (13)

Пространственная обработка в CCMI приемнике в случае однопользовательского ненаправленного режима может быть выражена как:

уравнение (14)

где представляет собой (N _T×1) вектор с N _S восстановленными символами данных для поддиапазона k;

представляет собой шум после CCMI фильтрации для поддиапазона k.

Автоковариационная матрица шума после CCMI фильтрации для каждого поддиапазона может быть выражена как

уравнение (15)

где представляет собой математическое ожидание для x. В последнем равенстве уравнения (15) предполагается, что шум представляет собой аддитивный белый гауссовский шум (AWGN) с нулевым средним, дисперсией σ² и автоковариационной матрицей . В этом случае ОСШ для CCMI приемника может быть выражено как:

, m=1 … N _S, уравнение (16)

где представляет собой мощность передачи, используемую для символа данных, переданного в поддиапазоне k широкополосного пространственного канала m;

представляет собой m-й диагональный элемент для поддиапазона k;

представляет собой ОСШ для поддиапазона k широкополосного пространственного канала m.

Из-за структуры способ CCMI может усиливать шум.

В. Пространственная обработка MMSE

Приемник может использовать MMSE для подавления перекрестных помех между потоками символов данных и максимизировать ОСШ восстановленных потоков символов данных. MMSE приемник использует пространственный фильтр, имеющий отклик матрицы , для k=1 … N _F, которую выводят таким образом, что среднеквадратичная ошибка между оцененным вектором данных из пространственного фильтра и вектором данных минимизирована. MMSE критерий может быть выражен как:

уравнение (17)

Решение задачи оптимизации, описанной уравнением (17), может быть получено различными способами. В одном из иллюстративных способов матрица MMSE пространственного фильтра для каждого поддиапазона может быть выражена как:

уравнение (18)

Во втором равенстве уравнения (18) предполагается, что вектор шума представляет собой AWGN с нулевым средним и дисперсией .

Пространственная обработка в MMSE приемнике в случае однопользовательского ненаправленного режима состоит из двух этапов. На первом этапе MMSE приемник умножает вектор для N _R потоков принятых символов на матрицу MMSE пространственного фильтра для получения вектора для N _S потоков детектированных символов следующим образом:

уравнение (19)

где представляет собой шум после MMSE фильтрации и . N _S потоков детектированных символов представляют собой ненормированные оценки N _S потоков символов данных.

На втором этапе MMSE приемник умножает вектор на масштабирующую матрицу для получения вектора для N _S потоков восстановленных символов данных следующим образом:

, уравнение (20)

где представляет собой диагональную матрицу, чьи диагональные элементы являются диагональными элементами , т.е., . N _S потоков восстановленных символов данных представляет собой нормированные оценки N _S потоков символов данных.

Используя определение обратной матрицы, матрица может быть представлена следующим образом:

уравнение (21)

Во втором равенстве уравнения (21) предполагается, что шум представляет собой AWGN с нулевым средним и дисперсией .

ОСШ для MMSE приемника может быть выражено как:

, m=1 … N _S, уравнение (22)

где представляет собой m-й диагональный элемент для поддиапазона k; и

представляет собой ОСШ для поддиапазона k для широкополосного пространственного канала m.

С. Обработка в приемнике при последовательном удалении помех

Приемник может обрабатывать N _R потоков принятых символов, используя способ SIC для восстановления N _S потоков символов данных. В случае способа SIC приемник сначала выполняет пространственную обработку N _R потоков принятых символов (например, используя CCMI, MMSE или какой-либо другой способ) и получает один поток восстановленных символов данных. Приемник выполняет дополнительную обработку (например, выполняет демодуляцию, обратное перемежение и декодирование) потока восстановленных символов данных для получения потока декодированных данных. Затем приемник оценивает помеху, которую этот поток создает для других N _S-1 потоков символов данных и удаляет оцененную помеху из N _R потоков принятых символов для получения N _R потоков модифицированных символов. Затем приемник повторяет такую же обработку для N _R потоков модифицированных символов для восстановления другого потока символов данных.

Для SIC приемника потоки входных (т.е., принятых или модифицированных) символов для этапа , где =1 … N _S, могут быть выражены как:

, уравнение (23)

где представляет собой вектор N _R модифицированных символов для поддиапазона k на этапе , и

для первого этапа;

представляет собой вектор (N _Т-+1) символов данных, еще не восстановленных, для поддиапазона k на этапе ; и

представляет собой N _R×(N _Т-+1) редуцированную матрицу отклика канала для поддиапазона k на этапе .

В уравнении (23) предполагается, что потоки символов данных, восстановленные на предшествующих (-1) этапах, удалены. Размерность матрицы отклика канала последовательно редуцируется на один столбец для каждого при восстановлении и удалении потока символов данных. Для этапа редуцированная матрица отклика канала получается путем удаления (-1) из исходной матрицы , соответствующих (-1) потокам предварительно восстановленных символов данных, т.е., , где представляет собой N _R×1 вектор отклика канала между передающей антенной j _n и N _R приемными антеннами. Для этапа , (-1) потокам символов данных, восстановленных на предыдущих этапах, присваивают индексы и (N _Т-+1) потокам символов данных, еще не восстановленных, присваивают индексы .

Для этапа SIC приемник выводит матрицу пространственной фильтрации, для k=1 … N _F, основываясь на редуцированной матрице отклика канала (вместо исходной матрицы ), используя способ CCMI, как показано в уравнении (13), способ MMSE, как показано в уравнении (18), или какой-либо другой способ. Матрица имеет размерность (N _Т-+1)×N _R. Поскольку является разной для каждого этапа, матрица пространственной фильтрации также является разной для каждого этапа.

SIC приемник умножает вектор для N _R потоков модифицированных символов на матрицу пространственной фильтрации для получения вектора для (N _Т-+1) потоков детектированных символов следующим образом:

уравнение (24)

где представляет собой шум после фильтрации для поддиапазона k на этапе , представляет собой редуцированный вектор , и . Затем SIC приемник выбирает один из потоков детектированных символов для восстановления. Поскольку на каждом этапе восстанавливают только один поток символов данных, SIC приемник может просто вывести один (1×N _R) вектор-строку пространственной фильтрации для потока символов данных, предназначенных для восстановления на этапе