РАЗНЕСЕНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ ПРИЕМНИКА СИСТЕМЫ С МНОЖЕСТВОМ ВХОДОВ И МНОЖЕСТВОМ ВЫХОДОВ (MIMO) И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ
DIVERSITY OF DIRECTIONAL PATTERN FOR SUPPORTING RECEIVER OF MULTIPLE-INPUT AND MULTIPLE-OUTPUT (MIMO) SYSTEM AND CORRESPONDING METHODS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области систем связи и, в частности, к приемнику системы с множеством входов и множеством выходов (MIMO), работающему с компактной антенной решеткой.
Уровень техники
Система беспроводной связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) включает в себя множество антенных элементов в передатчике и множество антенных элементов в приемнике. Соответствующая антенная решетка формируется в передатчике и в приемнике на основе соответствующих им антенных элементов.
Антенные элементы используются в такой среде с многолучевым распространением сигналов, то есть из-за присутствия различных рассеивающих объектов рассеивания в среде каждый сигнал испытывает многолучевое распространение. Приемные антенные элементы принимают переданные сигналы, и затем применяется метод обработки сигналов для разделения переданных сигналов и восстановления пользовательских данных.
Метод обработки сигналов может представлять собой процесс слепого разделения источников (BSS). Разделение является "слепым", потому что оно часто выполняется с ограниченной информацией о переданных сигналах, источниках переданных сигналов и влияниях, которые канал распространения оказывает на переданные сигналы. Тремя обычно используемыми методами слепого разделения сигналов являются анализ основных составляющих (PCA), анализ независимых составляющих (ICA) и декомпозиция сингулярных значений (SVD).
Системы связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) имеют преимущество в том, что они дают возможность улучшить пропускную способность беспроводной линии связи между передатчиком и приемником. Среда с многолучевым распространением сигналов дает возможность сформировать между ними несколько ортогональных каналов. Затем данные для отдельного пользователя могут быть параллельно переданы по беспроводной среде по этим каналам одновременно и с использованием той же самой ширины полосы.
Современные системы связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) используют антенные элементы с пространственным разнесением таким образом, чтобы количество ортогональных каналов, которые могут быть сформированы, не уменьшалось. Проблема с такой реализацией состоит в том, что производительность системы связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) обычно пропорциональна количеству используемых антенных элементов.
Увеличение количества антенных элементов увеличивает размер антенных решеток для систем связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Когда приемник с множеством входов и множеством выходов (MIMO) реализуется в малом переносном устройстве связи, имеется малый доступный объем для большого количества антенных элементов, а установка антенных элементов вне устройства связи является проблемой для пользователя.
Один подход для обеспечения более компактной антенной решетки для приемника со множеством входов и множеством выходов (MIMO) раскрывается в патенте США №6870515. Вместо того чтобы использовать антенные элементы с пространственным разнесением, используется разнесение по поляризации. Так как используются расположенные близко в пространстве антенные элементы, это позволит реализовать компактную антенную решетку для приемника с множеством входов и множеством выходов (MIMO).
Даже при том, что обеспечивается более компактная антенная решетка, производительность системы связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) по-прежнему основывается на количестве антенных элементов в приемнике, которое равно или больше, чем количество антенных элементов в передатчике. Например, патент '515 раскрывает, что количество приемных антенных элементов равно или больше, чем количество передающих антенных элементов.
Сущность изобретения
С учетом предшествующего описания уровня техники задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы сократить количество антенных элементов в приемнике системы с множеством входов и множеством выходов (MIMO) по сравнению с количеством антенных элементов в передатчике системы MIMO, по-прежнему обеспечивая надежную систему связи MIMO.
Эта и другие задачи, признаки и преимущества в соответствии с настоящим изобретением обеспечиваются посредством системы связи MIMO, содержащей передатчик и передающую антенную решетку, соединенную с передатчиком и содержащую М антенных элементов для передачи М сигналов источника.
На приемной стороне приемная антенная решетка соединена с приемником и содержит N антенных элементов для приема, по меньшей мере, М различных сумм из М сигналов источника, где N меньше М. Процессор разделения сигналов может быть соединен с приемником для формирования матрицы смешивания, содержащей, по меньшей мере, М различных сумм из М сигналов источника, таким образом, чтобы матрица смешивания имела ранг, равный, по меньшей мере, М. Процессор разделения сигналов выделяет полезные сигналы источника из матрицы смешивания.
Процессор разделения сигналов может являться процессором слепого разделения сигналов. Процессор слепого разделения сигналов может выделять полезные сигналы источника из матрицы смешивания на основе, по меньшей мере, одного из методов анализа основных составляющих (PCA), анализа независимых составляющих (ICA) и сингулярной декомпозиции (SVD).
В качестве альтернативы процессор разделения сигналов может выделять полезные сигналы источника из матрицы смешивания на основе процесса извлечения сигнала путем основанной на знании обработки. Процесс основанного на знании выделения сигнала может выделять полезные сигналы источника из матрицы смешивания на основе, по меньшей мере, одного из процесса обращения в нуль незначащих коэффициентов (ZF) и процесса минимального среднеквадратического оценивания (MMSE).
Приемная антенная решетка предпочтительно принимает М различных сумм из М (сигналов) источника с помощью N антенных элементов, причем N<М. N антенных элементов формируют, по меньшей мере, М различных диаграмм направленности антенн для приема М различных сумм из М сигналов источника. М различных сумм из М сигналов источника, принятые N антенными элементами в приемной антенной решетке, используется для заполнения матрицы смешивания таким образом, чтобы матрица смешивания имела ранг, равный, по меньшей мере, М.
Ранг матрицы смешивания определяет, сколько сигналов может фактически быть выделено. Чем больше ранг, тем больше сигналов может быть выделено. Следовательно, компактная антенная решетка, имеющая N антенных элементов, которых меньше, чем М антенных элементов в передающей антенной решетке, может использоваться приемником системы MIMO, при этом по-прежнему обеспечивается надежная система связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO).
Существует несколько различных вариантов воплощения приемной антенной решетки. N антенных элементов могут быть коррелированы для формирования фазированной решетки. В другом варианте воплощения N коррелированных антенных элементов могут содержать, по меньшей мере, один активный антенный элемент и до N-1 пассивных антенных элементов для формирования антенны с коммутируемым лучом. Кроме того, по меньшей мере, два из N коррелированных антенных элементов могут иметь различные поляризации.
Другие варианты воплощения приемной антенной решетки могут оказывать эффект умножения на принятые М различных сумм из М сигналов источника. Это успешно позволяет дополнительно увеличить ранг матрицы смешивания без необходимости увеличивать количество N антенных элементов в приемной антенной решетке.
Посредством увеличения ранга матрицы смешивания процессом слепого разделения сигналов может быть выделено больше сигналов.
Эффект умножения для количества принятых М различных сумм из М сигналов источника может быть достигнут с использованием одного из следующих методов или их комбинации. Отклонение решетки приводит к изменению наклона диаграммы направленности антенны для приема дополнительных сумм сигналов источника. Выбор путей может быть выполнен таким образом, чтобы все суммы сигналов источника, используемые для заполнения матрицы смешивания, были коррелированы и/или статистически независимы. Разделение сигнала также может использоваться для дополнительного заполнения матрицы смешивания. Различные суммарные сигналы могут разделяться с использованием расширяющих кодов, или они могут разделяться на синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие.
Хотя М линейно независимых сумм являются необходимым минимумом для поддержки полной реализации М элементов передающей антенны MIMO, имеются преимущества для превышения М. Например, не все N антенных элементов в приемной антенной решетке могут быть ориентированы для приема М линейно независимых сумм. Аналогичным образом не все принятые суммы являются достаточно линейно независимыми.
Кроме того, если имеются источники помех или шума, дополнительный ранг матрицы смешивания может потребоваться для выделения этих сигналов. Другое преимущество выделения источников помех или шума представляет собой получающееся в результате сокращение отношения сигнал-шум, что дает возможность более высоких скоростей передачи данных, более низких частот появления ошибок и/или уменьшенной мощности передачи.
По упомянутым выше двум причинам имеется преимущество в увеличении ранга матрицы смешивания выше М, что связано с количеством пригодных для использования каналов. Это увеличение на L дополнительных сумм в дополнение к обычным М может обеспечить более надежную реализацию системы MIMO. В зависимости от средств, доступных для увеличения матрицы смешивания, количество элементов приемной антенны может по-прежнему быть меньше классического для систем MIMO количества М или быть увеличено до М или больше, чтобы дать возможность увеличить ранг матрицы смешивания до N+L>М.
Другой аспект изобретения направлен на способ управления системой связи MIMO, описанной выше.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема системы связи с множеством входов и множеством выходов MIMO в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - более подробная блок-схема элементов на принимающей стороне системы связи MIMO, показанной на фиг.1.
Фиг.3 - блок-схема приемника системы MIMO, работающего на основе отклонения решетки для обеспечения различных сумм сигналов для обработки со слепым разделением сигналов, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 - блок-схема приемника системы MIMO, работающего на основе выбора путей для обеспечения различных сумм сигналов для обработки со слепым разделением сигналов, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - блок-схема приемника системы MIMO, работающего на основе расширяющих кодов для обеспечения дополнительных сумм сигналов для обработки со слепым разделением сигналов, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6 - блок-схема приемника системы MIMO, работающего на основе синфазной и квадратурной составляющих сигнала для обеспечения дополнительных сумм сигналов для обработки со слепым разделением сигналов, в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения
Далее настоящее изобретение будет описано более полно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты воплощения изобретения. Однако это изобретение может быть воплощено во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное изложенными здесь вариантами воплощения. Напротив, эти варианты воплощения представлены таким образом, чтобы это раскрытие было полным и завершенным и полностью передавало объем изобретения для специалистов в области техники. Аналогичные номера везде ссылаются на аналогичные элементы.
Теперь со ссылкой на фиг.1 будет описана система 20 связи MIMO. Система 20 связи MIMO содержит передатчик 30, передающую антенную решетку 32, приемник 40 и приемную антенную решетку 42. Специалистам в данной области техники нетрудно понять, что передатчик 30 и приемник 40 могут быть заменены приемопередатчиками. Следовательно, их соответствующие антенные решетки 32, 42 поддерживают двухсторонний обмен данными. Однако в целях иллюстрации настоящего изобретения будут упоминаться передатчик 30 и приемник 40.
Передающая антенная решетка 32 включает в себя М антенных элементов 33(1)-33(M) для передачи М сигналов 34(1)-34(M) источника. Антенные элементы 33(1)-33(M) могут быть, например, пространственно коррелированы. Сигналы 34(1)-34(M) источника могут быть в целом обозначены ссылочной позицией 34, а антенные элементы 33(1)-33(M) могут быть в целом обозначены ссылочной позицией 33.
Приемная антенная решетка 42 включает в себя N антенных элементов 43(1)-43(N) для приема, по меньшей мере, М различных сумм из М сигналов источника, где N меньше М. Поскольку N<М, компактная антенная решетка может использоваться в приемнике 40, при этом по-прежнему может быть получена надежная система 20 связи MIMO, как будет рассмотрено более подробно ниже. Антенные элементы 43(1)-43(N) могут быть в целом обозначены ссылочной позицией 43.
Соответствующие антенные решетки 32, 42 используются в среде с многолучевым распространением сигналов таким образом, что из-за присутствия различных объектов рассеивания (здания, автомобили, возвышенности и т.д.) в среде каждый сигнал испытывает многолучевое распространение. Каждый путь может рассматриваться как отдельный канал связи. Таким образом, ссылочная позиция 50 на фиг.1 представляет рассеивающую среду, создающую множество каналов между передающей и приемной антенными решетками 32, 42. Данные передаются от передающей антенной решетки 32 с использованием способа передачи с пространственно-временным кодированием (STC), известного в технике.
В дополнение к М сигналам источника в рассеивающей среде 50 могут существовать L сигналов 35 источника помех от источника 37 помех и создавать помехи разделению полезных сигналов источника. Различные средства для увеличения матрицы смешивания могут успешно использоваться для заполнения матрицы смешивания за пределами ранга М, как будет более подробно рассмотрено ниже.
Приемная антенная решетка 42 фиксирует М различных сумм из М сигналов источника 34, и затем применяется метод обработки сигналов для разделения сигналов. Процессор 44 слепого разделения сигналов (BSS) соединен с приемником 40 для формирования матрицы 46 смешивания, содержащей, по меньшей мере, М различных сумм М из сигналов источника, таким образом, чтобы матрица смешивания имела ранг, равный, по меньшей мере, М. Процессор 44 слепого разделения сигналов выделяет полезные сигналы источника из матрицы 46 смешивания.
Как рассмотрено более подробно в родительской заявке на патент, тремя обычно используемыми методами, которые входят в группу слепого разделения сигналов, являются анализ основных составляющих (PCA), анализ независимых составляющих (ICA) и сингулярная декомпозиция (SVD). Пока сигналы являются независимыми по некоторой измеряемой характеристике, и если их суммы сигналов являются линейно независимыми друг от друга, один или более из этих методов слепого разделения сигналов может использоваться для выделения независимых или полезных сигналов источника из смеси сигналов источника. Измеряемая характеристика часто является некоторой комбинацией первого, второго, третьего или четвертого моментов сигналов.
Метод PCA «отбеливает» сигналы, использует первый и второй моменты и поворачивает набор данных на основе свойств корреляции. Если отношения сигнал-шум сигналов источника являются высокими, процесс разделения сигналов может закончиться на методе PCA.
Если отношения сигнал-шум сигналов источника являются низкими, то метод ICA выделяет сигналы источника на основе статистических атрибутов, содержащих третий и четвертый моменты сигналов источника. Некоторые сигналы источника являются гауссовыми, и их третьи и четвертые моменты зависят от первых и вторых моментов. Источник случайных помех может являться гауссовым, и сигналы с расширенным спектром выполнены таким образом, чтобы представляться декодерам гауссовыми, посредством расширяющего кода, отличающегося от их собственного. При заданных условиях совокупность сигналов может представляться гауссовой вследствие теоремы о центральном пределе. Подход ICA может выделить один гауссов сигнал. Как альтернатива методу ICA и методу PCA метод SVD выделяет сигналы источника из смеси сигналов источника на основе их собственных значений.
В качестве альтернативы процессору слепого разделения сигналов может использоваться процессор разделения сигналов для выделения полезных сигналов источника из матрицы смешивания с помощью основанного на знании процесса извлечения сигнала с обработкой. Основанный на знании процесс разделения сигнала выделяет полезные сигналы источника из матрицы смешивания на основе, по меньшей мере, одного из процесса обращения в нуль незначащих коэффициентов (ZF) и процесса минимального среднеквадратического оценивания (MMSE).
Теперь со ссылкой на фиг.2 будут более подробно рассмотрены различные элементы на приемной стороне системы 20 связи MIMO. Приемная антенная решетка 42 включает в себя N антенных элементов 43(1)-43(N) для приема, по меньшей мере, М различных сумм из М сигналов 34 источника, где N и М больше 1 и N меньше М. Приемная антенная решетка 42 не ограничивается никакой специфической конфигурацией. Приемная антенная решетка 42 может включать в себя один или более антенных элементов 43. Антенные элементы 43 могут быть выполнены таким образом, чтобы антенная решетка образовывала, например, фазированную решетку или антенну с коммутируемым лучом.
Для построения матрицы 46 смешивания целью является создание различных сумм сигналов. В этом приложении полезные сигналы могут фактически всегда быть ниже, чем источники помех, и по-прежнему разделяться. Из-за этого существенного различия в цели расстояния между антенными элементами 43 не должны соответствовать заданному разнесению, как обычно требуется для активных и пассивных антенных решеток с формированием луча.
Приемник 40 соединен в нисходящем направлении c приемной антенной решеткой 42 для приема, по меньшей мере, М различных сумм из М сигналов 34 источника. Процессор 44 слепого разделения сигналов находится в нисходящем направлении от приемника 40. Хотя процессор 44 проиллюстрирован отдельно от приемника 40, процессор также может быть включен в приемник. Различные суммы из М сигналов 34 источника, принятые приемником 40, используются для заполнения матрицы 46 смешивания. Затем матрица 46 смешивания обрабатывается посредством одного или более модулей 62, 64 и 66 обработки со слепым разделением сигналов в процессоре 60.
Модули обработки со слепым разделением сигналов включают в себя модуль 62 PCA, модуль 64 ICA и модуль 66 SVD. Эти модули 62, 64 и 66 могут быть выполнены как часть процессора 44 слепого разделения сигналов. Модуль 62 PCA работает на основе первого и второго моментов различных сумм принятых сигналов источника, тогда как модуль 64 ICA работает на основе третьего и четвертого моментов этих же сигналов. Модуль 66 SVD выполняет разделение сигналов на основе собственных значений различных сумм принятых сигналов источника.
Корреляционная обработка первоначально выполняемая модулем 62 PCA, определяет начальную матрицу 68(1) разделения для различных сумм сигналов источника, и затем модуль 64 ICA определяет улучшенную матрицу 68(2) разделения для разделения сигналов источника в матрице 46 смешивания. Если сигналы разделяются модулем 66 SVD, также определяется матрица 68(3) разделения для разделения различных сумм принятых сигналов источника в матрице 46 смешивания.
Сигналы, выделенные из каждой соответствующей матрицы 68(1)-68(3) разделения, представлены ссылочной позицией 49. Затем выделенные сигналы 49 подвергаются анализу сигналов посредством модуля 70 анализа сигналов для определения того, какие сигналы представляют интерес, а какие сигналы являются источниками помех. Зависимый от приложения модуль 72 обработки обрабатывает сигналы, выводимые из модуля 70 анализа сигналов.
Выбор относительно того, какие сигналы представляют интерес, может не всегда подразумевать конечный сигнал, который должен быть декодирован. Например, приложение может потребовать выявления источников помех и вычитания их из различных сумм принятых сигналов источника и затем подачи сокращенного сигнала на волновой декодер. В этом случае интересующими сигналами являются те, которые в конечном счете отбраковываются.
Ранг матрицы 46 смешивания определяет, сколько сигналов может быть фактически выделено. Например, матрица смешивания, имеющая ранг 4, подразумевает, что могут быть выделены 4 сигнала источника. В идеале ранг матрицы 46 смешивания должен быть равен, по меньшей мере, количеству M источников сигнала. Чем больше ранг, тем больше сигналов, которые могут быть выделены. По мере увеличения количества M источников также увеличивается необходимое количество N антенных элементов. Патент '515, рассмотренный в разделе уровня техники, раскрывает, что количество N антенных элементов в приемнике равно или больше количества M антенных элементов в передатчике, то есть N≥М.
Приемная антенная решетка 42 успешно принимает М различных сумм из М сигналов 34 источника с помощью N антенных элементов 33, причем N<М. N антенных элементов 43 формируют, по меньшей мере, М различных диаграмм направленности антенны для приема М различных сумм из М сигналов источника. М различных сумм из М сигналов 34 источника, принятых N антенными элементами 43 в приемной антенной решетке 42, используются для заполнения матрицы 46 смешивания таким образом, чтобы матрица смешивания имела ранг, равный, по меньшей мере, М.
Как отмечено выше, ранг матрицы 46 смешивания определяет, сколько сигналов может фактически быть выделено. Чем больше ранг, тем больше сигналов может быть выделено. Следовательно, компактная приемная антенная решетка 42, имеющая N антенных элементов 43, что является меньше, чем М антенных элементов 33 в передающей антенной решетке 32, может использоваться приемником 40 системы MIMO, и при этом по-прежнему обеспечивается надежная система 20 связи MIMO.
Хотя М линейно независимых сумм являются необходимым минимумом для поддержки полной реализации MIMO для М элементов 34 передающей антенны, имеются преимущества для превышения М. Например, не все N антенных элементов 43 в приемной антенной решетке 42 могут быть ориентированы для приема М линейно независимых сумм. Аналогичным образом не все принятые суммы являются достаточно линейно независимыми. Может также существовать L других сигналов, которые ухудшают соотношение сигнал/шум в дополнение к М известным разделяемым потокам сигналов.
Следовательно, выгодно использовать преимущество увеличения ранга матрицы смешивания до M+L, когда это возможно. Другое преимущество выделения источников помех или шума представляет собой получающееся в результате сокращение отношения сигнал-шум, что дает возможность более высоких скоростей передачи данных, более низких частот появления ошибок и/или уменьшенной мощности передачи.
Например, L сигналов 35 источника помех может существовать и оказывать помехи для разделения полезных сигналов 34 источника из матрицы смешивания, где L больше 1. Если увеличение ранга матрицы смешивания было исчерпано без необходимости добавления дополнительных антенных элементов, то добавление, по меньшей мере, одного дополнительного антенного элемента обеспечит дополнительное средство для увеличения ранга матрицы смешивания. Добавление дополнительных элементов может по-прежнему оставить количество элементов меньше М для классического подхода системы MIMO, или оно может увеличить количество элементов до М или даже увеличить его и сделать больше М. В зависимости от выигрышей, получаемых при увеличении ранга матрицы смешивания, сделать так может все еще быть целесообразным, даже если это увеличивает количество антенных элементов приемника. Например, матрица смешивания ранга M+L, требующая М элементов, часто будет лучшей реализацией по сравнению с реализацией с М элементами, использующей классический приемник с обработкой MIMO. Однако в целях иллюстрации настоящего изобретения последующее обсуждение сосредоточится на М сигналах источника.
Имеется несколько различных вариантов воплощения приемной антенной решетки 42. N антенных элементов 43 могут быть коррелированы для формирования фазированной решетки. В другом варианте воплощения N коррелированных антенных элементов 43 могут содержать, по меньшей мере, один активный антенный элемент и до N-1 пассивных антенных элементов формирования антенны с коммутируемым лучом. Кроме того, по меньшей мере, два из N коррелированных антенных элементов могут иметь различные поляризации.
Другие варианты воплощения приемной антенной решетки 42 могут оказывать эффект умножения на принятые М различных сумм из М сигналов источника. Это успешно позволяет дополнительно увеличить ранг матрицы 46 смешивания без необходимости увеличивать количество N антенных элементов 43 в приемной антенной решетке 42. Посредством увеличения ранга матрицы 46 смешивания процессором 44 слепого разделения сигналов может быть выделено больше сигналов.
Эффект умножения для количества принятых М различных сумм из М сигналов 34 источника может быть достигнут с использованием одного или комбинации следующих методов. Отклонение решетки приводит к изменению наклона диаграммы направленности антенны для приема дополнительных сумм сигналов 34 источника. Выбор путей может быть выполнен таким образом, чтобы все суммы сигналов 34 источника, используемые для заполнения матрицы 46 смешивания, были коррелированы и/или статистически независимы. Разделение сигнала также может использоваться для дополнительного заполнения матрицы 46 смешивания. Различные суммарные сигналы могут разделяться с использованием расширяющих кодов, или они могут разделяться на синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие.
Теперь со ссылкой на фиг.3-6 будут более подробно рассмотрены различные варианты воплощения приемной антенной решетки. Со ссылкой на фиг.3 будет рассмотрено отклонение антенной решетки. Приемная антенная решетка 142 содержит N антенных элементов 143 для формирования N начальных диаграмм направленности антенны для приема N различных сумм из М сигналов источника. Приемная антенная решетка 142 также содержит контроллер 141 наклона для выборочного изменения наклона, по меньшей мере, одной из N начальных диаграмм направленности антенны для формирования, по меньшей мере, одной дополнительной диаграммы направленности антенны таким образом, чтобы тем самым была принята, по меньшей мере, одна дополнительная другая сумма из М сигналов источника.
Приемник 140 соединен с приемной антенной решеткой 142 и принимает N различных сумм из М сигналов источника с использованием N начальных диаграмм направленности антенны, а также принимает, по меньшей мере, одну дополнительную другую сумму из М сигналов источника с использованием, по меньшей мере, одной дополнительной диаграммы направленности антенны.
Процессор 144 слепого разделения сигналов соединен с приемником 140 для формирования матрицы 146 смешивания, содержащей N различных сумм из М сигналов источника и, по меньшей мере, одну дополнительную другую сумму из М сигналов источника. Матрица смешивания имеет ранг, равный N плюс количество дополнительных различных сумм из М сигналов источников, принятых с использованием дополнительных диаграмм направленности антенны. Получающийся в результате ранг матрицы 146 смешивания равен, по меньшей мере, М. Процессор 144 выделяет полезные сигналы из матрицы 146 смешивания.
В общем случае любое средство антенной решетки, которое обеспечивает суммы сигналов, подходящие для увеличения ранга матрицы смешивания, может быть использовано с механизмом отклонения. Отклонение формирует две различные и пригодные для использования с матрицей смешивания суммы сигналов для каждого из средств антенной решетки. Поэтому посредством использования этого метода имеется эффект умножения на 2.
Если отклонение антенной решетки сегментируется на K различных областей, связанных с антенной, каждая из K областей может обеспечить 2 независимые области отклонения и записи в матрицу смешивания. Например, если антенная решетка может обеспечить N сумм сама по себе и имеется K различных областей отклонения, количество сумм сигналов в матрице смешивания может составить 2NK.
Разделение сигналов источника, обеспеченных посредством М источников сигналов, на основе выбора путей, будет рассмотрено со ссылкой на фиг.4. Приемная антенная решетка 242 содержит N элементов 243 для формирования, по меньшей мере, N антенных лучей для приема, по меньшей мере, N различных сумм из М сигналов источника, где N и М больше 2.
Контроллер 250 соединен с антенной решеткой 242 для выборочного формирования, по меньшей мере, N антенных лучей. Блок 240 приемника соединен с антенной решеткой 242 для приема, по меньшей мере, N различных сумм из М сигналов источника. Процессор 244 слепого разделения сигналов соединен с блоком приемника для формирования матрицы 246 смешивания, содержащей, по меньшей мере, до N различных сумм из М сигналов источника.
Процессор 244 разделения сигналов также определяет, являются ли различные суммы из М сигналов источника коррелированными или статистически независимыми, и если нет, то взаимодействует с контроллером 250 для формирования различных лучей для приема новых различных сумм из М сигналов источника, чтобы заменить различные суммы из М сигналов источника, которые не являются коррелированными или статистически независимыми, в матрице 246 смешивания. В результате, по меньшей мере, М различных сумм сигналов источника принимается таким образом, чтобы матрица смешивания имела ранг, равный, по меньшей мере, М. Затем полезные сигналы источника выделяются из матрицы 246 смешивания.
Многоканальный (rake) приемник является приемником радиосигналов, выполненным для противодействия эффектам многолучевого замирания. Это реализуется посредством использования нескольких независимых приемников, каждый из которых имеет небольшую задержку для настройки на индивидуальную составляющую многолучевого распространения. Он может использоваться большинством типов сетей радиодоступа. Он оказался особенно выгодным для типов модуляции с расширяющими кодами. Его способность выбирать конкретные пути прихода сигналов делает его подходящим в качестве средства для изменения путей, подаваемых на процессор 244 слепого разделения сигналов.
Выборочное формирование N лучей антенны, рассмотренное выше, может быть применено ко всем сетям беспроводного доступа, как легко поймут специалисты в области техники. Для систем множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) блок 240 приемника содержит N многоканальных приемников 256. Каждый многоканальный приемник 256 содержит k отводов (rake-каналов) для выбора k различных составляющих многолучевого распространения для каждой из N различных сумм из М сигналов источника, принятых соответствующим антенным элементом, соединенных с ними. В этой конфигурации процессор 244 слепого разделения сигналов соединен с N многоканальными приемниками 256 для формирования матрицы 246 смешивания. Матрица 246 смешивания содержит, по меньшей мере, до kN различных составляющих многолучевого распространения, по меньшей мере, N различных сумм из М сигналов источника, и матрица смешивания имеет ранг, который составляет до kN, где kN, по меньшей мере, равно М.
В частности, когда сигналы CDMA распространяются, они часто испытывают множество путей распространения от источника до адресата. Многоканальный приемник 256 специально выполнен для приема нескольких из этих отдельных экземпляров и объединения их для более надежного декодирования сигналов. В то время как исходный сигнал распространяется вдоль каждого пути, его свойства изменяются в соответствии с уникальными характеристиками пути распространения. При некоторых обстоятельствах модификация корреляции и/или статистических свойств принятого сигнала будет достаточно большой для того, чтобы они могли рассматриваться как разделяемые потоки сигналов. Измененный многоканальный приемник 256 может использоваться для извлечения каждого измененного потока и подачи его в качестве уникального ввода для матрицы 246 смешивания. Хотя это средство увеличения ранга будет не всегда доступно, оно обычно будет доступным в средах с высоким многолучевым распространением, когда это будет наиболее вероятно необходимо.
В то время как многоканальный приемник 256 может использовать различные пути распространения, более общим подходом, применимым к любому методу модуляции, является формирование луча. Оно отличается от многоканального приемника 256, так как формирование луча используется для улучшения полезного сигнала, а также для режекции полезного сигнала. Однако различие в том, что режектированный сигнал может фактически являться другой версией сигнала, предназначенного для приемника. Однако блоку 240 приемника нужно обнаружить несколько этих уникальных версий пути распространения одного и того же сигнала, чтобы построить матрицу 246 смешивания до достаточного ранга.
Разделение сигналов также используется для дополнительного заполнения матрицы A смешивания. В одном подходе суммарные сигналы разделяются с использованием расширяющих кодов. В другом подходе сигналы суммирования разделяются с использованием синфазного (I) и квадратурного (Q) модулей.
Теперь со ссылкой на фиг.5 будет рассмотрено разделение сигналов с использованием расширяющих кодов. Приемная антенная решетка 342 содержит N антенных элементов 343 для приема, по меньшей мере, N различных сумм из М сигналов источника. Блок 350 сжатия кода соединен с N антенными элементами 343 для декодирования, по меньшей мере, N различных сумм из М сигналов источника. Каждая из N различных сумм включает в себя k кодов для обеспечения k различных сумм из М сигналов источника, связанных с ней.
Блок 340 приемника соединен с блоком 350 сжатия кода для приема, по меньшей мере, kN различных сумм из М сигналов источника. Процессор 344 слепого разделения сигналов соединен с блоком 340 приемника для формирования матрицы 346 смешивания, содержащей, по меньшей мере, kN различных сумм из М сигналов источника. Матрица 346 смешивания имеет ранг, равный до kN, где получающийся в результате ранг равен, по меньшей мере, М. Процессор 344 слепого разделения сигналов выделяет полезные сигналы источника из матрицы 346 смешивания.
В зависимости от модуляции принятых сигналов описанное выше разделение сигналов может использоваться для увеличения ранга матрицы смешивания без увеличения количества N антенных элементов. Системы стандартов CDMA IS-95, CDMA2000 и WCDMA являются примерами систем связи с расширением спектра, в которых используются расширяющие коды. Общий момент заключается в том, что уникальный код обрабатывается с каждым сигналом для расширения данных по большей полосе частот.
Тот же самый расширяющий код обрабатывается с принятой суммой сигналов (полезным сигналом, нежелательными сигналами и неизвестными источниками шума). Это воссоздает полезный сигнал обратно к его первоначальной ширине полосы частот, в то время как помехи расширяются по широкой полосе частот.
Перечисленные выше реализации CDMA фактически имеют много потоков сигналов, одновременно использующих одну и ту же полосу частот. Каждый поток сигналов использует код, который является идеально ортогональным ко всем другим. Если это условие соблюдается в декодере, это означает, что в результате будет сжат только интересующий сигнал.
Между сигналами CDMA часто имеется некоторая корреляция, таким образом наряду с полезным сигналом восстанавливаются сигналы, вносящие помехи. Это часто происходит из-за задержки, испытываемой отдельными сигналами, а также многолучевого распространения сигналов. Некоторые из нежелательных сигналов, особенно сигналы CDMA, увеличатся в значении. Увеличение не будет столь существенно, как для полезного сигнала, но оно все же увеличит общее значение шума и поэтому уменьшит отношение сигнал-шум.
Форма уравнения сжатых сигналов и самих сигналов отвечает критерию для обработки со слепым разделением сигналов. Фактически, если один из кодов сжатия отдельно применяется для каждого известного сигнала, принятого блоком 340 приемника, получаются отдельные суммы, которые отвечают требованиям модели ICA.
Поэтому имеется столько записей строк, доступных для матрицы смешивания, сколько известных кодов, предполагая, конечно, что каждый из них формирует линейно независимую значимую величину. В правильных условиях это позволит увеличить матрицу смешивания до значения, большего, чем количество кодов. Например, N антенных элементов и М кодов могут обеспечить NM строк матрицы.
В иллюстративных целях предполагается, что известны 3 кода, и сигналы 3 известных кодов сохраняют свою ортогональность. В блоке 350 сжатия кода матрица A смешивания имеет каждую из 3 верхних строк и 3 нижние строки благодаря потоку антенны, после того как каждый поток был сжат с помощью 3 известных кодов. Диагональные значения равны 0 вследствие ортогональности кодов. Записи в столбцах 4, 5 и 6 предназначены для общего случая неизвестных сигналов того же самого индекса.
Сигналы, соответствующие записям в столбцах 4, 5 и 6, могут являться другими версиями пути передачи известных кодов или другими сотовыми сигналами неизвестных кодов. Кроме того, один сигнал может быть гауссовым, и другой сигнал являться любой группой сигналов CDMA, подчиняющейся теореме о центральном пределе, таким образом они выглядят как один гауссов сигнал, например, 4 канала. Другими словами, достаточное количество неслучайных сигналов будет добавляться к гауссову сигналу. Источники помех могут являться источниками не гауссовых сигналов или, по большей мере, одним гауссовом сигналом, неизвестным в сети.
После сжатия известных кодов в блоке 350 сжатия кодов процессор 344 слепого разделения сигналов принимает матрицу 346 смешивания ранга 6. Ранг 6 получается на основе 2 элементов антенны, умноженных на коэффициент 3, поскольку известны 3 кода.
6 сигналов подаются на процессор 344 слепого разделения сигналов, в котором формируется матрица 346 смешивания, имеющая ранг 6. Процессор 344 слепого разделения сигналов определяет матрицу W разделения только из принятых сигналов, измененных каналами: x=As, где A - матрица смешивания. В проиллюстрированном примере выделяемыми являются 6 сигналов.
Процессор 344 слепого разделения сигналов выбирает сигналы, которые будут декодированы. Например, сигналы источников помех могут быть отброшены, а выбраны все версии полезных сигналов. Выбранные сигналы подаются на модуль демодулятора для демодуляции. Демодулятор использует известные методы выравнивания, которые комбинируют многолучевые версии одного и того же сигнала.
В более общем случае значения на диагонали, для простоты показанные выше как 0, фактически могут быть отличными от нуля. Более обычным случаем будет тот, в котором свойства корреляции между кодированными сигналами не являются совершенными. Это будет представлять дополнительный шум для каждого выделенного сигнала. Однако, как показано ранее, ранг матрицы достаточен для выделения этих сигналов, таким образом их значение будет значительно уменьшено после обработки со слепым разделением сигналов. Это приводит к уменьшению шума, увеличению отношения сигнал/шум и, как указано законом Шеннона, увеличению пропускной способности канала.
Теперь обратимся к фиг.6. Другой подход к увеличению ранга матрицы смешивания без увеличения количества N антенных элементов состоит в том, чтобы разделить принятый смешанный сигнал на его синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие. Составляющие I и Q когерентного радиосигнала являются составляющими, амплитуды которых одинаковы, а фазы отстоят на 90 градусов.
Приемная антенная решетка 442 содержит N антенных элементов 443 для приема, по меньшей мере, N различных сумм из М сигналов источника. Соответствующий модуль 450 синфазной и квадратурной составляющих находится в нисходящем направлении от каждого антенного элемента 443 для выделения каждой из N различных сумм из М сигналов источника, тем самым принятых в набор синфазной и квадратурной составляющих.
Блок 440 приемника находится в нисходящем направлении от каждого модуля 450 синфазной и квадратурной составляющих для приема, по меньшей мере, N наборов синфазных и квадратурных составляющих для, по меньшей мере, N различных сумм из М сигналов источника. Процессор 444 слепого разделения сигналов находится в нисходящем направлении от блока 440 приемника для формирования матрицы 446 смешивания, содержащей, по меньшей мере, 2N различных сумм из М сигналов источника. Каждый набор синфазной и квадратурной составляющих обеспечивает 2 записи в матрицу 446 смешивания. Матрица смешивания 446 имеет ранг, равный до 2N, и процессор 444 слепого разделения сигналов выделяет полезные сигналы 514 из матрицы 512 смешивания.
Посредством разделения принятых смешанных сигналов на составляющие I и Q размер матрицы смешивания увеличивается в 2 раза. Поскольку составляющие I и Q и закодированы с помощью различных потоков данных, смешанный сигнал, принятый на любом антенном элементе, может быть разбит на два различных смешанных сигнала.
В случае дифференциального кодирования должен быть проанализирован характер модуляции, чтобы определить, отвечают ли составляющие I и Q требованию линейности. Например, для глобальной системы мобильной связи (GSM) было показано, что кодирование GMSK может считаться линейным при использовании с соответствующим фильтрованием и обработке в приемнике, как будто оно является кодированием с помощью двоичной фазовой манипуляции (BPSK). Так как BPSK отвечает требованиям для обработки со слепым разделением сигналов, может использоваться описанный процесс составляющих I и Q.
Составляющие I и Q могут использоваться с любым из описанных выше вариантов воплощения антенной решетки для заполнения матрицы A смешивания. При использовании составляющих I и Q матрица A смешивания может быть заполнена, как будто использовалось в 2 раза большее количество антенных элементов. Антенные элементы могут иметь любой вид разнесения, например некоррелированое, коррелированное или по поляризации. N антенных элементов при разбиении суммы сигнала каждого элемента на составляющие I и Q обеспечивают 2N независимых смешанных сумм сигналов. В результате ранг матрицы смешивания составляет 2N, где 2N, по меньшей мере, равно или больше М.
Этот механизм может также использоваться с методом отклонения антенной решетки для создания большего количества сумм сигналов. Каждая из этих сумм может в свою очередь также быть разделена на составляющие I и Q. Коэффициент 2 от разделения на составляющие I и Q, N антенных элементов и K областей отклонения для антенной решетки обеспечивают 2KN сумм для матрицы смешивания.
Многие модификации и другие варианты воплощения изобретения будучи понятны специалистам в данной области техники на основе решений, представленных в предшествующем описании и на относящихся к нему чертежах. Поэтому подразумевается, что изобретение не должно быть ограничено конкретными раскрытыми вариантами воплощения и что модификации и варианты воплощения входят в объем приложенной формулы изобретения.