СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ В МНОГОАНТЕННОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ
METHOD AND DEVICE FOR TRANSMISSION IN MULTI-ANTENNA COMMUNICATION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к области связи. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и устройству в многоантенной системе связи.
От современной системы беспроводной связи требуется, чтобы она могла работать на каналах, подверженных замиранию и многолучевому распространению сигналов. Одной из таких систем связи является система многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР), соответствующая стандарту TIA/EIA/IS-95 "Стандарт совместимости подвижной станции с базовой станцией для двухрежимной широкополосной системы сотовой связи с расширением спектра", в дальнейшем упоминаемому как стандарт IS-95. Система МДКР поддерживает обмен речевыми сигналами и данными между пользователями по наземной линии связи. Использование методов МДКР в системе связи многостанционного доступа описано в патенте США №4901307 на изобретение "Система связи с многостанционным доступом на основе расширения спектра с использованием спутниковых или наземных ретрансляторов" и патенте США №5103459 на изобретение "Система и способ для формирования сигналов в сотовой телефонной системе МДКР", переуступленных правопреемнику настоящего изобретения и упоминаемых здесь для сведения.
Система IS-95 может эффективно функционировать за счет оценки параметров канала в приемном устройстве, которое использует эти оценочные параметры канала для демодуляции принятого сигнала. Для обеспечения эффективности оценки канала в системе IS-95 каждая базовая станция обязана передавать контрольный сигнал. Контрольный сигнал представляет собой повторяющуюся последовательность псевдошумового (ПШ) типа, которая известна приемному устройству. Корреляция принятого контрольного сигнала с локальной копией этого контрольного сигнала позволяет приемному устройству оценить комплексную импульсную характеристику канала и соответственно скорректировать параметры демодулятора. Для параметров сигнала и системы IS-95 не требуется или не является целесообразным сообщать информацию об условиях канала, измеренных приемным устройством, обратно в передающее устройство.
Учитывая постоянно возрастающую потребность в беспроводной связи, желательно иметь более высокоэффективную и высокопроизводительную систему беспроводной связи. Одним из видов более высокопроизводительной системы беспроводной связи является система с большим числом входов и выходов (БЧВВ), в которой используется множество передающих антенн для передачи на канале распространения в сторону множества приемных антенн. Как и в системах с более низкой производительностью, канал распространения в системе БЧВВ подвержен воздействию отрицательных эффектов многолучевого распространения, а также помех от соседних антенн. Многолучевое распространение имеет место, когда переданный сигнал приходит в приемное устройство по множеству трасс распространения с разными задержками. Когда сигналы приходят с множества трасс распространения, компоненты сигналов могут объединяться с деструктивным эффектом, который называется "замиранием". Чтобы повысить эффективность и уменьшить сложность системы БЧВВ, можно передавать информацию о характеристиках канала распространения обратно в передающее устройство, чтобы оно предварительно формировало сигнал перед передачей.
Предварительное формирование сигнала может быть затруднено, когда характеристики канала распространения быстро изменяются. Характеристика канала может претерпевать изменения со временем из-за движения приемного устройства или изменений в окружающей его среде. В условиях подвижной связи для обеспечения оптимального функционирования необходимо, чтобы информация о характеристиках канала, такая как статистика замирания и помех, быстро определялась и передавалась в передающее устройство до того, как характеристики канала существенно изменятся. По мере увеличения задержки процесса измерения и сообщения уменьшается полезность информации о характеристиках канала. Существует потребность в эффективных методах, которые бы позволили быстро определять характеристики канала.
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа и устройства для измерения и сообщения информации о состоянии канала в высокоэффективной, высокопроизводительной системе связи, согласно которым генерируют множество контрольных сигналов, передают множество контрольных сигналов по каналу распространения между передающим устройством и множеством приемных устройств, при этом передающее устройство содержит по меньшей мере одну передающую антенну, каждое из множества приемных устройств содержит по меньшей мере одну приемную антенну, и канал распространения содержит множество подканалов между передающим устройством и множеством приемных устройств, принимают по меньшей мере один из множества контрольных сигналов в каждом из множества приемных устройств, определяют набор характеристик передачи для по меньшей мере одного из множества подканалов, причем при определении набора характеристик передачи используют по меньшей мере один из множества контрольных сигналов, принятых каждым из множества приемных устройств, сообщают информационный сигнал из каждого из множества приемных устройств передающему устройству, причем информационный сигнал несет набор характеристик передачи для по меньшей мере одного из множества подканалов, и оптимизируют набор параметров в передающем устройстве на основании информационного сигнала.
Согласно одному аспекту изобретения контрольные символы передаются на множестве наборов раздельных подканалов, подвергнутых ортогональному частотному уплотнению (ОЧУ). Когда контрольные символы передаются на раздельных подканалах ОЧУ, характеристики канала распространения можно определить через набор из К подканалов, несущих контрольные символы, причем К меньше, чем число подканалов ОЧУ в системе. Кроме передачи контрольных символов на раздельных подканалах система может передавать контрольную последовательность во временной области, которую можно использовать для определения характеристик канала распространения. Кроме формирования и передачи контрольных символов аспектом изобретения является также сжатие объема информации, необходимого для восстановления характеристик канала распространения.
В дальнейшем будут более подробно описаны существенные признаки, принципы и преимущества настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых использованы одинаковые ссылочные обозначения и на которых:
фиг.1А изображает схематически систему связи с большим числом входов и выходов (БЧВВ),
фиг.1В изображает систему БЧВВ, построенную на основе ОЧУ, с обратной передачей информации о состоянии канала,
фиг.1С изображает схему примерной структуры контрольного сигнала ОЧУ, которую можно использовать для оценки информации о состоянии канала,
фиг.2 графически иллюстрирует конкретный пример передачи с передающей антенны в передающем устройстве,
фиг.3 изображает структурную схему процессора данных и модулятора системы связи, изображенной на фиг.1А,
фиг.4А и 4В изображают структурные схемы двух вариантов процессора канальных данных, который можно использовать для обработки одного потока канальных данных, таких как управляющие данные, широковещательные данные, речевые данные или данные трафика,
фиг.5А-5С изображают структурные схемы обрабатывающих блоков, которые можно использовать для формирования сигнала передачи, изображенного на фиг.2,
фиг.6 изображает структурную схему приемного устройства, имеющего множество приемных антенн, который можно использовать для приема одного или нескольких потоков канальных данных, и
фиг.7 изображает графики, иллюстрирующие спектральную эффективность, достигаемую при использовании некоторых рабочих режимов в системе связи согласно одному варианту воплощения изобретения.
На фиг.1А представлена схема системы 100 связи с большим числом входов и выходов, способной реализовать некоторые варианты изобретения. Система 100 связи может быть выполнена с возможностью обеспечения комбинации антенного, частотного и временного разнесения для повышения спектральной эффективности, улучшения производительности и увеличения гибкости. Повышенная спектральная эффективность характеризуется способностью передавать наибольшее возможное количество битов в секунду на один герц (бит·с/Гц), чтобы лучше использовать имеющуюся ширину полосы частот системы. Методы повышения спектральной эффективности будут более подробно описаны ниже. Улучшение производительности можно выразить количественно, например, более низким коэффициентом ошибочных битов (КОБ) или коэффициентом ошибочных кадров (КОК) для данного отношения мощности несущей к мощности шума плюс помех (Н/П). Улучшение гибкости характеризуется способностью охватить множество пользователей, имеющих различные и обычно несоизмеримые потребности. Эти цели можно достичь частично посредством использования модуляции множества несущих, временного мультиплексирования (ВМП), множества передающих и/или приемных антенн и других методов. Далее будут более подробно описаны существенные признаки, аспекты и преимущества изобретения.
Как показано на фиг.1А, система 100 связи включает в себя первую систему 110, осуществляющую связь со второй системой 120. Система 110 содержит процессор 112 данных (передачи), который осуществляет следующие функции: (1) принимает или формирует данные, (2) обрабатывает данные для обеспечения антенного, частотного или временного разнесения или их комбинации и (3) подает обработанные символы модуляции в ряд модуляторов 114а-114t. Каждый модулятор 114 обрабатывает символы модуляции и формирует модулированный ВЧ сигнал, пригодный для передачи. Модулированные ВЧ сигналы из модуляторов 114а-114t затем передаются с соответствующих антенн 116а-116t по линиям 118 связи в систему 120.
Изображенная на фиг.1А система 120 содержит ряд приемных антенн 122а-122r, которые принимают переданные сигналы и подают принятые сигналы в соответствующие демодуляторы 124а-124r. Как показано на фиг.1А, каждая приемная антенна 112 может принимать сигналы от одной или более передающих антенн 116 в зависимости от ряда факторов, например, таких как рабочий режим, используемый в системе 110, направленность передающей и приемной антенн, характеристики линий связи и другие. Каждый демодулятор 124 демодулирует соответствующий принятый сигнал, используя схему демодуляции, которая является комплементарной по отношению к схеме модуляции, используемой в передатчике. Демодулированные символы из демодуляторов 124а-124r затем подаются в процессор 126 данных (приема), который обрабатывает символы дальше для обеспечения выходных данных. Обработка данных в передающих и приемных устройствах будет более подробно описана ниже.
На фиг.1А показана передача только по прямой линии связи от системы 110 к системе 120. Эту конфигурацию можно использовать для вещания данных и других применений односторонней передачи данных. В системе двунаправленной связи имеется еще обратная линия связи от системы 120 к системе 110, хотя для простоты она не показана на фиг.1А. В двунаправленной системе связи каждая из систем 110 и 120 может работать в качестве передающего или приемного устройства или одновременно и того, и другого в зависимости от того, должны ли данные передаваться из устройства или приниматься в нем.
Для простоты показано, что система 100 связи содержит одно передающее устройство (т.е. систему 110) и одно приемное устройство (т.е. систему 120). Однако обычно в каждом приемном устройстве и каждом передающем устройстве присутствует множество передающих антенн и множество приемных антенн. Система связи согласно изобретению может содержать любое количество передающих устройств и приемных устройств.
Каждое передающее устройство может содержать одну передающую антенну или несколько передающих антенн, как показано на фиг.1А. Аналогичным образом, каждое приемное устройство может содержать одну приемную антенну или несколько приемных антенн, так же, как показано на фиг.1А. Например, система связи может содержать центральную систему (т.е. подобную базовой станции в системе МДКР IS-95), имеющую несколько антенн, которые передают данные или принимают данные из нескольких удаленных систем (например, абонентских аппаратов, подобных удаленным станциям в системе МДКР), некоторые из которых могут содержать одну антенну, а другие могут содержать несколько антенн.
В данном контексте под антенной подразумевается совокупность одного или нескольких антенных элементов, разнесенных в пространстве. Антенные элементы могут быть физически расположены в одном месте или рассредоточены по множеству пунктов. Антенные элементы, физически расположенные вместе в одном пункте, могут работать как антенная решетка (например, как в базовой станции МДКР). Антенная сеть состоит из набора антенных решеток или элементов, которые разделены физически (например, несколько базовых станций МДКР). Антенная решетка или антенная сеть может быть сконструирована с возможностью формирования лучей и передачи множества лучей из антенной решетки или сети. Например, базовая станция МДКР может быть выполнена с возможностью передачи до трех лучей в три разные секции (или секторы) зоны обслуживания из одной и той же антенной решетки. Таким образом, три луча можно рассматривать как три передачи с трех антенн.
Система связи согласно изобретению может быть предназначена для обеспечения схемы связи с многостанционным доступом для множества пользователей, способной поддерживать абонентские аппараты, имеющие разные потребности, а также возможности. Эта схема позволяет эффективно делить общую рабочую полосу частот W (например, 1,2288 МГц) между различными видами услуг, которые могут иметь сильно различающиеся скорости передачи данных, задержки и требования к качеству обслуживания (КО).
Примерами таких сильно различающихся видов услуг могут быть речевые службы и службы данных. Речевые службы типично характеризуются низкой скоростью передачи данных (например, 8-32 кбит/с), краткой задержкой обработки (например, 3-100 мс на всю задержку в одну сторону) и непрерывным использованием канала связи в течение продолжительного периода времени. Потребность в короткой задержке, накладываемая речевыми услугами, типично требует выделения малой доли ресурсов системы каждому речевому вызову на всю его продолжительность. Службы данных, напротив, характеризуются "пульсирующим" трафиком, в котором спорадически посылаются переменные объемы данных. Объем данных может претерпевать значительное изменение от импульса к импульсу и от пользователя к пользователю. Для достижения высокой эффективности предложенную систему связи можно выполнить с возможностью выделения части имеющихся ресурсов для речевых услуг в соответствии с потребностью и выделения остальных ресурсов службе данных. Можно также выделить долю имеющихся ресурсов системы определенным службам данных или определенным видам служб данных.
Распределение скоростей передачи данных, достигаемых каждым абонентским аппаратом, может колебаться в широких пределах между некоторыми минимальными и максимальными мгновенными значениями (например, от 250 кбит/с до около 20 Мбит/с). На достижимую скорость передачи данных для конкретного абонентского аппарата в любой данный момент времени может влиять ряд факторов, таких как величина имеющейся мощности передачи, качество линии связи (т.е. Н/П), схема кодирования и другие. Скорость передачи данных, требующаяся для каждого абонентского аппарата, может также колебаться в широких пределах от минимального значения (например, 8 кбит/с для речевого вызова) до максимально поддерживаемой мгновенной максимальной скорости (например, 20 Мбит/с для пульсирующих служб передачи данных).
Процентное соотношение речевого трафика и трафика данных обычно представляет собой переменную, которая изменяется во времени. Согласно определенным аспектам изобретения, чтобы эффективно поддерживать оба вида услуг одновременно, предложенная система связи выполнена с возможностью динамичного выделения имеющихся ресурсов в зависимости от объема речевого трафика и трафика данных. Одна схема динамического выделения ресурсов будет описана ниже. Другая схема выделения ресурсов описана в вышеупомянутой заявке на патент США №08/963386.
Предложенная система связи позволяет обеспечить перечисленные выше существенные признаки и преимущества и способна поддерживать различные виды услуг, имеющие совершенно разные потребности. Эти существенные признаки обеспечиваются с помощью антенного, частотного или временного разнесения или их комбинации. Антенное, частотное или временное разнесение можно осуществлять независимо и выбирать динамически.
В данном контексте под антенным разнесением подразумевается передача и/или прием данных с помощью более чем одной антенны, под частотным разнесением подразумевается передача данных в более чем одном поддиапазоне и под временным разнесением подразумевается передача данных в течение более чем одного периода времени. Антенное, частотное и временное разнесение могут включать в себя подкатегории. Например, разнесение передачи относится к использованию более чем одной передающей антенны для повышения надежности линии связи, разнесение приема относится к использованию более чем одной приемной антенны для повышения надежности линии связи и пространственное разнесение относится к использованию множества передающих и приемных антенн для повышения надежности и/или увеличения пропускной способности линии связи. Разнесение передачи и приема можно также использовать в совокупности для повышения надежности линии связи без увеличения ее пропускной способности. Таким образом, в рамках настоящего изобретения можно использовать различные комбинации антенного, частотного и временного разнесения.
Частотное разнесение можно обеспечить посредством использования схемы модуляции множества несущих, такой как ортогональное частотное уплотнение (ОЧУ), которая позволяет передавать данные на разных поддиапазонах рабочей полосы частот. Временное разнесение достигается посредством передачи данных в разное время, что наиболее легко реализуется с помощью временного мультиплексирования (ВМП). Эти различные аспекты системы связи согласно изобретению будут более подробно описаны ниже.
T
R
Согласно одному аспекту изобретения антенное разнесение осуществляется посредством использования нескольких передающих антенн (N) в передающем устройстве или нескольких приемных антенн (N) в приемном устройстве или множества антенн как в передающем, так и приемном устройстве. В наземной системе связи (например, в сотовой системе, широковещательной системе, многоканальной многоточечной распределительной системе (ММРС) и других) модулированный ВЧ сигнал из передающего устройства может достигать приемного устройства через несколько трасс передачи. Характеристики трасс передачи обычно изменяются во времени в силу ряда факторов. Если используется более одной передающей или приемной антенны и если трассы передачи между передающей и приемной антеннами независимы (т.е. некоррелированные), что обычно бывает очень редко, то вероятность правильного приема переданного сигнала возрастает с увеличением числа антенн. Обычно с увеличением числа передающих и приемных антенн увеличивается разнесение и улучшается производительность.
Чтобы обеспечить требуемую производительность, антенное разнесение обеспечивается динамически в зависимости от характеристик линии связи. Например, можно обеспечить более высокую степень антенного разнесения для некоторых видов связи (например, сигнализации), для некоторых видов услуг (например, речевой связи), для некоторых характеристик линии связи (например, низкого Н/П) или для некоторых других условий или факторов.
В данном контексте антенное разнесение включает в себя разнесение передачи и разнесение приема. Для разнесения передачи данные передаются с множества передающих антенн. Обычно для достижения требуемого разнесения данные, передаваемые с передающей антенны, подвергаются дополнительной обработке. Например, данные, передаваемые с разных передающих антенн, можно задерживать или переупорядочивать во времени или кодировать и перемежать на имеющихся передающих антеннах. Вместе с разными передающими антеннами можно также использовать частотное и временное разнесение. Для разнесения приема модулированные сигналы принимаются на множество приемных антенн, и разнесение достигается просто путем приема сигналов через разные трассы передачи.
Согласно другому аспекту изобретения частотное разнесение можно обеспечить путем применения схемы модуляции множества несущих. Одной из таких схем, которая обладает множеством преимуществ, является ОЧУ. При модуляции ОЧУ общий канал передачи по существу делится на несколько (L) параллельных подканалов, которые используются для передачи одинаковых или различных данных. Общий канал передачи занимает суммарную рабочую полосу частот W, а каждый подканал занимает поддиапазон, имеющий ширину полосы частот W/L и центрированный на разной центральной частоте. Каждый подканал имеет ширину полосы частот, составляющую часть общей рабочей ширины полосы частот. Каждый подканал можно также рассматривать как независимый канал передачи, который может быть связан с конкретной (и, возможно, уникальной) схемой обработки, кодирования и модуляции, как будет описано ниже.
Данные можно делить на части и передавать на любом определенном наборе из двух или более поддиапазонов для обеспечения частотного разнесения. Например, передачу конкретному абонентскому аппарату можно производить на подканале 1 во временном интервале 1, подканале 5 во временном интервале 2, подканале 2 во временном интервале 3 и т.д. В другом примере данные для конкретного абонентского аппарата можно передавать на подканалах 1 и 2 во временном интервале 1 (например, передавать одни и те же данные на обоих подканалах), подканалах 4 и 6 во временном интервале 2, только подканале 2 во временном интервале 3 и т.д. Передача данных на разных подканалах с течением времени может улучшить производительность системы связи, подверженной замиранию и искажению каналов, избирательному по частоте. Другие преимущества модуляции ОЧУ будут описаны ниже.
Согласно другому аспекту изобретения временное разнесение достигается путем передачи данных в разное время, что легче всего реализуется с помощью временного мультиплексирования (ВМП). Для служб данных (и, возможно, речевых служб) передача данных происходит во временных интервалах, которые можно выбирать для обеспечения устойчивости к зависимой от времени деградации линии связи. Временное разнесение можно также реализовать с помощью перемежения.
Например, передача конкретному абонентскому аппарату может происходить во временных интервалах 1 - х или в подгруппе возможных временных интервалов 1 - х (например, временных интервалах 1,5,8 и т.д.). Объем данных, передаваемых в каждом временном интервале, может быть переменным или фиксированным. Передача во множестве временных интервалов повышает вероятность приема правильных данных, например, при пульсирующем шуме и помехах.
Комбинация антенного, частотного и временного разнесения позволяет обеспечить устойчивую работу системы связи согласно изобретению. Антенное, частотное и/или временное разнесение повышает вероятность правильного приема по меньшей мере некоторых передаваемых данных, которые можно затем использовать (например, путем декодирования) для исправления некоторых ошибок, которые могут иметь место в других передачах. Комбинация антенного, частотного и временного разнесения также позволяет системе связи одновременно оказывать различные виды услуг, имеющих разные скорости передачи данных, задержки обработки и требования к качеству обслуживания.
Предложенная система связи может быть спроектирована и реализована в нескольких различных режимах связи, причем в каждом режиме связи используется антенное, частотное или временное разнесение или их комбинации. Эти режимы связи включают в себя, например, режим разнесенной связи и режим связи БЧВВ. Система связи может также поддерживать различные комбинации режима связи с разнесением и режима связи БЧВВ. В рамках настоящего изобретения можно также реализовать и другие режимы связи.
В режиме разнесенной связи используется разнесение передачи и/или приема, частотное или временное разнесение или их комбинация, и он обычно используется для повышения надежности линии связи. В одном варианте реализации режима разнесенной связи передающее устройство выбирает схему модуляции и кодирования (т.е. конфигурацию) из конечного набора возможных конфигураций, которые известны приемным устройствам. Например, каждый служебный и общий канал может быть связан с конкретной конфигурацией, которая известна всем приемным устройствам. При использовании режима разнесенной связи для конкретного пользователя (например, для речевого вызова или передачи данных) режим и/или конфигурация могут быть известны априори (например, из предыдущей установки) или могут быть согласованы (например, через общий канал) с приемным устройством.
В режиме разнесенной связи данные передаются на одном или более подканалов с одной или более антенн и в одном или нескольких периодах времени. Выделенные подканалы могут быть связаны с одной и той же антенной или могут быть подканалами, связанными с разными антеннами. В общем применении режима разнесенной связи, который также именуется "чистым" режимом разнесенной связи, данные передаются со всех имеющихся передающих антенн в приемное устройство назначения. Чистый режим разнесенной связи можно использовать в тех случаях, когда к скорости передачи данных не предъявляются высокие требования, или при низком Н/П, или когда имеет место и то, и другое.
В режиме связи БЧВВ используется антенное разнесение на обоих концах линии связи, и он обычно используется для повышения надежности и пропускной способности линии связи. В режиме связи БЧВВ можно также использовать частотное и/или временное разнесение в комбинации с антенным разнесением. В режиме связи БЧВВ, который можно также назвать режимом пространственной связи, используется один или более режимов разнесения, которые будут описаны ниже.
Режим разнесенной связи обычно имеет более низкую спектральную эффективность, чем режим связи БЧВВ, особенно при высоких уровнях Н/П. Однако при значениях Н/П от низких до средних режим разнесенной связи обеспечивает сравнимую эффективность и может быть проще в реализации. Использование режима связи БЧВВ обычно обеспечивает более высокую спектральную эффективность, когда он используется, в частности, при значениях Н/П от среднего до высокого. Следовательно, режим связи БЧВВ можно успешно применять при требованиях к скорости передачи данных от средних до высоких.
Система связи может быть выполнена с возможностью одновременной поддержки режима разнесенной связи и режима связи БЧВВ. Эти режимы связи можно применять различным образом, и для повышения гибкости их можно использовать независимо на уровне подканала. Режим связи БЧВВ типично применяется для определенных пользователей. Однако каждый режим связи можно применять независимо на каждом подканале, на наборе подканалов, на всех подканалах или на какой-то другой основе. Например, можно применять режим связи БЧВВ для какого-то конкретного пользователя (например, пользователя данных) и одновременно использовать режим разнесенной связи для другого конкретного пользователя (например, пользователя речевой связи) на другом подканале. Режим разнесенной связи можно также применять, например, на подканалах, испытывающих более высокие потери на трассе.
Предложенную систему связи можно также выполнить с возможностью поддержки нескольких режимов обработки. Когда передающее устройство получает информацию, характеризующую условия (т.е. "состояние") линий связи, в передающем устройстве можно выполнить дополнительную обработку, чтобы дополнительно повысить производительность и эффективность. В передающее устройство можно представить полную информацию о состоянии канала (ИСК) или частичную ИСК. Полная ИСК включает в себя достаточную характеристику трассы распространения (т.е. амплитуду и фазу) между всеми парами передающих и приемных антенн для каждого поддиапазона. Полная ИСК также включает в себя Н/П каждого поддиапазона. Полная ИСК может быть реализована в виде набора матриц комплексных значений коэффициента усиления, описывающих условия трасс передачи от передающих антенн до приемных антенн, как будет описано ниже. Частичная ИСК может включать в себя, например, Н/П поддиапазона. Имея полную ИСК или частичную ИСК, передающее устройство предварительно формирует данные перед их передачей приемному устройству.
Передающее устройство может предварительно формировать сигналы, подаваемые в передающие антенны, индивидуально для конкретного приемного устройства (например, предварительное формирование осуществляется для каждого поддиапазона, выделенного данному приемному устройству). Если канал не претерпел значительных изменений с тех пор, как он был измерен приемным устройством и измерения были посланы обратно в передающее устройство и использованы для предварительного формирования передачи, то приемное устройство назначения сможет демодулировать передачу. В данном варианте связь БЧВВ, основанная на полной ИСК, может демодулироваться только тем приемным устройством, которое связано с ИСК, использованной для предварительного формирования передаваемых сигналов.
В режимах обработки с частичной ИСК и без ИСК передающее устройство может использовать обычную схему модуляции и кодирования (например, на каждой передаче канала данных), которая затем может быть (теоретически) демодулирована всеми приемными устройствами. В режиме обработки с частичной ИСК одно приемное устройство может указать Н/П, и для этого приемного устройства может быть соответственно выбрана модуляция, применяемая на всех антеннах (например, для надежной передачи). Другие приемные устройства могут попытаться демодулировать передачу и успешно ее восстановить, если они имеют адекватное Н/П. Общий (например, широковещательный) канал может использовать режим обработки без ИСК, чтобы достигать всех пользователей.
Допустим, например, что режим связи БЧВВ применяется для потока канальных данных, который передается на одном конкретном подканале с четырех передающих антенн. Поток канальных данных демультиплексируется на четыре подпотока данных, по одному для каждой передающей антенны. Каждый подпоток данных затем модулируется с помощью конкретной схемы модуляции (например, многоуровневой фазовой манипуляции (М-ФМ), многоуровневой квадратурной амплитудной модуляции (М-КАМ) или других), выбранной в зависимости от ИСК для данного поддиапазона и данной передающей антенны. Таким образом формируется четыре подпотока модуляции для четырех подпотоков данных, причем каждый подпоток модуляции включает поток символов модуляции. Четыре подпотока модуляции затем предварительно формируются с помощью матрицы собственных векторов, как будет показано ниже в уравнении (1), для выработки предварительно сформированных символов модуляции. Четыре потока предварительно сформированных символов модуляции соответственно подаются в четыре объединителя четырех передающих антенн. Каждый объединитель объединяет принятые предварительно сформированные символы модуляции с символами модуляции для других подканалов, чтобы сформировать поток векторов символов модуляции для соответствующей передающей антенны.
Обработка на основе полной ИСК типично применяется в режиме связи БЧВВ, где параллельные потоки данных передаются конкретному пользователю на каждой собственной моде канала для каждого выделенного подканала. Аналогичная обработка на основе полной ИСК может выполняться в том случае, когда на каждом из выделенных подканалов передача ведется только на подгруппе имеющихся собственных мод (например, для реализации управления лучом). Учитывая стоимость, связанную с обработкой по полной ИСК (например, усложнение передающего и приемного устройств, увеличение служебной нагрузки для передачи ИСК из приемного устройства в передающее устройство и т.д.), обработка с полной ИСК может применяться в тех случаях в режиме связи БЧВВ, где целесообразно дополнительное повышение производительности и эффективности.
Если полная ИСК отсутствует, может иметься менее описательная информация на трассе передачи (или частичная ИСК), которая может использоваться для предварительного формирования данных перед передачей. Например, может иметься Н/П каждого подканала. В этом случае можно использовать Н/П для управления передачей из различных передающих антенн, чтобы обеспечить требуемую производительность конкретных подканалов и повысить пропускную способность системы.
В данном контексте под режимами обработки на основе полной ИСК подразумеваются режимы обработки, в которых используется полная ИСК, а под режимами обработки на основе частичной ИСК подразумеваются режимы обработки, в которых используется частичная ИСК. Режимы обработки на основе полной ИСК включают в себя, например, режим БЧВВ с полной ИСК, в котором используется обработка на основе полной ИСК в режиме связи БЧВВ. Режимы на основе частичной ИСК включают в себя, например, режим БЧВВ с частичной ИСК, в котором используется обработка на основе частичной ИСК в режиме связи БЧВВ.
В тех случаях, когда обработка с полной ИСК или частичной ИСК используется, чтобы позволить передающему устройству предварительно сформировать данные, используя имеющуюся информацию о состоянии канала (например, собственные моды или Н/П), требуется информация обратной связи из приемного устройства, для которой используется часть пропускной способности обратной линии связи. Поэтому режимы обработки на основе частичной ИСК и полной ИСК имеют дополнительную стоимость. Эта стоимость должна учитываться при выборе, какой режим обработки использовать. Режим обработки на основе частичной ИСК требует меньшей служебной нагрузки и может быть более эффективен в некоторых случаях. Режим обработки без ИСК не требует служебной нагрузки и может быть также более эффективен, чем режим обработки на основе полной ИСК или режим обработки на основе частичной ИСК в некоторых других обстоятельствах.
T
На фиг.2 представлена схема, графически иллюстрирующая по меньшей мере некоторые аспекты предложенной системы связи. На фиг.2 показан конкретный пример передачи с одной из N передающих антенн в передающем устройстве. На фиг.2 горизонтальная ось представляет время, а вертикальная ось - частоту. В этом примере передающий канал содержит 16 подканалов и используется для передачи последовательности символов ОЧУ, каждый из которых охватывает все 16 подканалов (один символ ОЧУ указан сверху на фиг.2 и включает все 16 поддиапазонов). Также проиллюстрирована структура ВМП, в которой вся передача данных разделена на временные интервалы, каждый из которых имеет продолжительность, например, равную длительности одного символа модуляции (т.е. каждый символ модуляции используется в качестве интервала ВМП).
Имеющиеся подканалы можно использовать для передачи сигнализации, речи, данных трафика и другого. В примере, показанном на фиг.2, символ модуляции во временном интервале 1 соответствует контрольным данным, которые передаются периодически, чтобы помочь приемным устройствам синхронизироваться и осуществить оценку канала. В рамках настоящего изобретения можно также использовать другие методы распределения контрольных данных по времени и частоте. Кроме того, может быть целесообразно использовать конкретную схему модуляции в течение данного интервала контрольных данных, если используются все подканалы (например, ПШ код с продолжительностью элемента сигнала приблизительно 1/W). Передача символа модуляции контрольных данных обычно происходит с конкретной скоростью передачи, которую обычно выбирают достаточно высокой, чтобы позволить точно отслеживать изменения в линии связи.
Временные интервалы, не использованные для передач контрольных данных, можно использовать для передачи различных видов данных. Например, подканалы 1 и 2 можно зарезервировать для передачи управляющих и широковещательных данных в приемные устройства. Данные на этих подканалах обычно предназначены для приема всеми приемными устройствами. Однако некоторые сообщения на управляющем канале могут быть предназначены для специального пользователя и соответственно закодированы.
На остальных подканалах можно передавать речевые данные и данные трафика. В примере на фиг.2 подканал 3 во временных интервалах 2-9 используется для речевого вызова 1, подканал 4 во временных интервалах 2-9 используется для речевого вызова 2, подканал 5 на временных интервалах 5-9 используется для речевого вызова 3 и подканал 6 во временных интервалах 7-9 используется для речевого вызова 5.
Остальные имеющиеся подканалы и временные интервалы можно использовать для передачи данных трафика. В примере, показанном на фиг.2, для передачи данных 1 используются подканалы 5-16 во временном интервале 2 и подканалы 7-16 во временном интервале 7, для передачи данных 2 используются подканалы 5-16 во временных интервалах 3 и 4 и подканалы 6-16 во временных интервалах 5, для передачи данных 3 используются подканалы 6-16 во временном интервале 6, для передачи данных 4 используются подканалы 7-16 во временном интервале 8, для передачи данных 5 используются подканалы 7-11 во временном интервале 9 и для передачи данных 6 используются подканалы 12-16 во временном интервале 9. Данные 1-6 передачи могут представлять передачи данных трафика одному или нескольким приемным устройствам.
Предложенная система связи гибко поддерживает передачи данных трафика. Как показано на фиг.2, конкретная передача данных (например, данных 2) может происходить на нескольких подканалах и/или в нескольких временных интервалах, и несколько передач данных (например, данных 5 и 6) может происходить в одном временном интервале. Передача данных (например, данных 1) может также происходить в несмежных временных интервалах. Система может быть также выполнена с возможностью поддержки нескольких передач данных на одном подканале. Например, речевые данные можно мультиплексировать с данными трафика и передавать на одном подканале.
Мультиплексирование передач данных может потенциально изменяться от одного символа ОЧУ к другому. Более того, режим связи может быть различным для разных пользователей (например, от одной речевой передачи или передачи данных к другой). Например, пользователи речевой связи могут использовать режим разнесенной связи, а пользователи данных могут использовать режимы связи БЧВВ. Эту концепцию можно распространить до уровня подканала. Например, пользователь данных может использовать режим связи БЧВВ на тех подканалах, которые имеют достаточный Н/П, и режим разнесенной связи на остальных подканалах.
Антенное, частотное и временное разнесение можно соответственно обеспечивать посредством передачи данных с нескольких антенн, на нескольких подканалах в различных поддиапазонах и в нескольких временных интервалах. Например, антенное разнесение для конкретной передачи (например, речевого вызова 1) можно обеспечить путем передачи данных (речевых) на конкретном подканале (например, подканале 1) с двух или более антенн. Частотное разнесение для конкретной передачи (например, речевого вызова 1) можно обеспечить путем передачи данных на двух или более подканалах в разных поддиапазонах (например, подканалах 1 и 2). Комбинацию антенного и частотного разнесения можно получить путем передачи данных с двух или более антенн и на двух или более подканалах. Временное разнесение можно обеспечить посредством передачи данных в нескольких временных интервалах. Например, как показано на фиг.2, данные 1 передачи во временном интервале 7 являются частью (например, новой или повторной) передачи данных 1 во временном интервале 2.
T
T
Для достижения требуемого разнесения можно передавать одни и те же или различные данные с нескольких антенн и/или в нескольких поддиапазонах. Например, данные можно передавать на (1) одном подканале с одной антенны; (2) одном подканале (например, подканале 1) с нескольких антенн; (3) одном подканале со всех N антенн; (4) наборе подканалов (например, подканалах 1 и 2) с одной антенны; (5) наборе подканалов с нескольких антенн; (6) наборе подканалов со всех N антенн или (7) наборе каналов с группы антенн (например, подканал 1 с антенн 1 и 2 в одном временном интервале, подканалы 1 и 2 с антенны 2 в другом временном интервале и т.д.). Следовательно, для обеспечения антенного и частотного разнесения можно использовать любую комбинацию подканалов и антенн.
Согласно определенным вариантам воплощения изобретения, которые обеспечивают наибольшую гибкость и способны достигать высокой производительности и эффективности, каждый подканал в каждом временном интервале для каждой передающей антенны можно рассматривать как независимый элемент передачи (т.е. символ модуляции), который можно использовать для передачи любого вида данных, таких как контрольные данные, данные сигнализации, широковещательные данные, речевые данные, данные трафика и другие или их комбинации (например, мультиплексированные речевые данные и данные трафика). В таком решении речевому вызову могут с течением времени динамически выделяться разные подканалы.
Гибкость, производительность и эффективность дополнительно обеспечиваются за счет независимости между символами модуляции, как будет описано ниже. Например, каждый символ модуляции можно сформировать с помощью какой-либо схемы модуляции (например, М-ФМ, М-КАМ и другие), что приводит к наилучшему использованию ресурсов для данного конкретного времени, частоты и пространства.
В целях упрощения конструкции и реализации передающего и приемного устройства можно наложить ряд ограничений. Например, речевой вызов можно назначать конкретному подканалу на продолжительность вызова или до тех пор, пока не будет выполнено переназначение подканала. Также данные сигнализации и/или вещания можно назначать некоторым фиксированным подканалам (например, подканалу 1 для управляющих данных и подканалу 2 для вещательных данных, как показано на фиг.2), чтобы приемным устройствам было априори известно, какие подканалы следует демодулировать для приема данных.
Кроме того, каждый канал или подканал передачи данных можно ограничить конкретной схемой модуляции (например, М-ФМ, М-КАМ) на продолжительность передачи или до тех пор, пока не будет назначена новая схема модуляции. Например, на фиг.2 речевой вызов 1 на подканале 3 может использовать квадратурную фазовую манипуляцию (КФМ), речевой вызов 2 на подканале 4 может использовать 16-КАМ, передача данных 1 во временном интервале 2 может использовать 8-ФМ, передача данных 2 во временных интервалах 3-5 можно использовать 16-КАМ и так далее.
Использование ВМП позволяет обеспечить более высокую гибкость передачи речевых данных и данных трафика, и при этом можно предусмотреть различные назначения ресурсов. Например, пользователю можно назначить один подканал для каждого временного интервала, или, эквивалентно, четыре подканала для каждого четвертого временного интервала, или использовать какие-либо другие назначения. ВМП позволяет собирать данные вместе и передавать их в назначенном временном интервале (интервалах) для повышения эффективности.
Если в передатчике реализуется речевая деятельность, то в тех интервалах, где речь не передается, передатчик может выделять подканал другим пользователям, что позволяет достичь максимальной эффективности подканала. В том случае, если во время свободных речевых периодов нет данных для передачи, передатчик может уменьшить (или выключить) мощность, передаваемую на подканале, снизив тем самым уровни помех для других пользователей системы, использующих тот же подканал в другой соте сети. Этот же признак можно распространить на служебные каналы, управляющие каналы, каналы данных и другие каналы.
Выделение небольшой части имеющихся ресурсов в течение непрерывного периода времени типично приводит к более коротким задержкам и может лучше подходить для таких чувствительных к задержкам служб, как речевая связь. Передача с использованием ВМП может обеспечить более высокую эффективность за счет возможных дополнительных задержек. Система связи согласно изобретению может выделять ресурсы для удовлетворения пользовательских потребностей и достижения высокой эффективности и производительности.
Измерение и сообщение информации о состоянии канала в системе БЧВВ
Учитывая сложность системы, использующей множество передающих антенн и множество приемных антенн, которой присущи дисперсионные канальные эффекты, предпочтительным методом модуляции является метод ортогонального частотного уплотнения (ОЧУ), который эффективно разлагает канал на набор не создающих взаимных помех узкополосных каналов, или подканалов. При соответствующей форме сигнала ОЧУ сигнал, передаваемый на одном подканале, испытывает "плоское замирание", т.е. частотная характеристика канала по существу постоянная по всей ширине полосы частот подканала. Информация о состоянии канала, или ИСК, включает достаточную характеристику трассы распространения (т.е. амплитуду и фазу) между всеми парами передающих и приемных антенн для каждого подканала. ИСК также включает в себя информацию об относительных уровнях помех и шума в каждом подканале, известную как информация Н/П. ИСК может быть воплощена в виде набора матриц комплексных значений коэффициента усиления, которые описывают условия трасс передачи из передающих антенн в приемные антенны, как будет описано ниже. С помощью ИСК передающее устройство предварительно формирует данные перед их передачей приемному устройству.
R
T
T
R
T
х
Далее будет кратко описана обработка ИСК. При получении ИСК в передающем устройстве проще всего разложить канал с большим числом входов и выходов на набор независимых каналов. При наличии функции преобразования канала в передатчиках левые собственные векторы можно использовать для передачи различных потоков данных. Алфавит модуляции, используемый с каждым собственным вектором, определяется имеющимся Н/П данной моды, заданным характеристическими числами. Если Н - это матрица Nx N, которая описывает частотную характеристику канала для N антенных элементов передатчика и Nантенных элементов приемника в конкретное время, а  - вектор N входов в канал, то принятый сигнал можно выразить как
y
x
n
=H+
n
R
где  - вектор N, представляющий шум плюс помехи. Разложение собственного вектора эрмитовой матрицы, образованной произведением канальной матрицы и ее сопряженного результата транспозиции, можно представить следующим образом:
Н*Н=ЕЕЕ*,
T
T.
T
T
b
где знак * означает сопряженный результат транспозиции, Е - матрицу собственных векторов и Е - диагональную матрицу характеристических чисел, причем обе имеют размерность Nх NПередатчик преобразует набор Nсимволов  модуляции с помощью матрицы Е собственных векторов. Символы модуляции, передаваемые с Nпередающих антенн, можно представить как
x
b
=E.
Для всех антенн предварительное формирование можно обеспечить с помощью операции матричного умножения, выраженной как
(2)
1
2
NT
T
где b, b... и b - символы модуляции для конкретного подканала на передающих антеннах 1,2,... N соответственно, причем каждый символ модуляции можно сформировать с помощью, например, М-ФМ, М-КАМ и т.д., как будет описано ниже;
Е - матрица собственных векторов, относящаяся к потере передачи с передающих антенн в приемные антенны, и
1
2
NT
х, х,...x - предварительно сформированные символы модуляции, которые можно представить следующим образом:
1=
1
11+
2
12+...
NT
1NT
xb•eb•e+b•e,
2=
1
21+
2
22+...
NT
2NT
xb•eb•e+b•e, и
NT=
1
NT1+
2
NT2+...
NT
NTNT
xb•eb•e+b•e.
b
х
Так как Н*Н является функцией Эрмита, матрица собственных векторов унитарная. Следовательно, если элементы  имеют одинаковую мощность, то элементы  также имеют одинаковую мощность. Тогда принятый сигнал можно выразить как
y
b
n
=HE+.
z
Приемник выполняет операцию фильтрации, согласованной с каналом, а затем умножение на правые собственные векторы. Результатом операции фильтрации, согласованной с каналом, является вектор , который можно представить следующим образом:
z
b
n
b
ň
=E*H*HE=E*H*=E+ (3),
где этот новый шумовой термин имеет ковариацию, которую можно выразить как
nn
nn
E(*)=E(E*H**HE)=E*H*HE=Λ,
z
i
т.е. шумовые компоненты не зависят от расхождения, заданного характеристическими числами. Н/П i-той компоненты  равно λ, i-ому диагональному элементу Е.
Таким образом, передающее устройство может выбрать алфавит модуляции (т.е. совокупность сигналов) для каждого собственного вектора на основе Н/П, которое задано характеристическим числом. Если условия канала существенно не изменяются в интервале между временем измерения ИСК в приемнике и его сообщения и временем использования для предварительного формирования передачи в передатчике, то производительность системы связи будет эквивалентна производительности набора независимых каналов AWGN (каналов с аддитивным белым гауссовским шумом) с известными отношениями Н/П.
Такая система проиллюстрирована на фиг.1В. На этапе 141 передающее устройство 140 преобразует данные в множество подканалов данных. При этом используются разные совокупности КАМ в зависимости от отношения сигнал-шум (ОСШ) данной моды и подканала. Данные для каждого подканала предварительно формируются с помощью матрицы собственных мод для этого подканала. На этапе 142 предварительно сформированные данные для конкретной антенны подвергаются операции обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) для получения сигнала временной области. На этапе 143 циклическое расширение или циклический префикс присоединяется к сигналу временной области для сохранения ортогональности между подканалами ОЧУ в присутствии временного рассеяния в канале распространения. Для каждого подканала ОЧУ формируется одно расширенное значение символа, которое будет в дальнейшем именоваться как символ ОЧУ. На этапе 144 символы ОЧУ передаются с множества передающих антенн.
На этапе 146 множество антенн в приемном устройстве 145 принимают сигналы. На этапе 147 принятые сигналы подвергаются операции дискретного преобразования Фурье (ДПФ) для разделения принятых сигналов на отдельные каналы. На этапе 148 обрабатываются данные из каждого подканала на всех приемных антеннах. На этом этапе обработки информация о характеристиках канала извлекается из данных и преобразуется в более сжатый формат.Одним из методов сжатия является использование частотной характеристики сопряженного канала и матрицы собственных мод для уменьшения объема информации, описывающей характеристики канала. На этапе 149 из приемного устройства 145 в передающее устройство 140 передается сообщение, содержащее сжатую информацию о состоянии канала, которая затем будет использоваться для предварительного формирования последующих передач.
t
Чтобы облегчить извлечение ИСК, сигнал передачи формируется из известных контрольных символов для исходной преамбулы. Контрольные сигналы для различных передающих антенн содержат раздельные наборы подканалов ОЧУ, как проиллюстрировано для случая, когда N=4, на фиг.1С.
n
n
n
n
n
С помощью модуляции ОЧУ канал распространения делится на L параллельных подканалов. Для быстрого определения ИСК передается исходная преамбула, полностью состоящая из известных символов. Для эффективного различения разных частотных характеристик каналов при различных конфигурациях передающих/приемных антенн, контрольным сигналам выделяются раздельные поднаборы подканалов. На фиг.1С показана схема примерной контрольной структуры ОЧУ, состоящей из раздельных поднаборов подканалов. Набор подканалов, состоящий из подканалов {0,1,2,...,2-1}, разлагается на четыре раздельных поднабора подканалов А={0,4,8,...,2-4}, B={1,5,9,...,2-3}, C={2,6,10,..,2-2}, D={3,7,11,...,2-1}. Поднабор А 150 подканалов передается на передающую антенну Тх1 151, поднабор В 152 подканалов передается на передающую антенну Тх2 153, поднабор подканалов С 154 передается на передающую антенну Тх3 155 и поднабор подканалов D 156 передается на передающую антенну Тх4 157. Обычно каждая передающая антенна передает на каждом N-ом подканале канала, так что все подканалы разделены между передающими антеннами. Известные контрольные символы можно передавать на всех подканалах в поднаборе подканалов. Минимальное разнесение между подканалами, используемыми конкретной передающей антенной, зависит от параметров канала. Если частотная характеристика канала имеет большой диапазон задержки, то может потребоваться узкое разнесение. Если количество антенн настолько велико, что требуемое разделение не может быть достигнуто для всех пользователей с помощью одного символа ОЧУ, то можно использовать несколько последовательных символов ОЧУ, при этом каждой антенне назначается раздельный поднабор подканалов на одном или более из множества контрольных символов.
х
i
ij
ij
i+
ij
ij
ij
Приемное устройство принимает контрольные символы от каждой передающей антенны передающего устройства на раздельных подканалах и выполняет определения канальных характеристик раздельных подканалов. Как обсуждалось выше, приемное устройство может иметь одну или больше приемных антенн. Допустим, что ={x, i=1,...,K} являются значениями контрольных символов, которые должны передаваться на К контрольных подканалов для одной передающей антенны. Приемное устройство примет значения y=hxnгде h- комплексная частотная характеристика канала для i-ого контрольного подканала, принятого на j-ой приемной антенне, и n - шум. Из этой зависимости приемное устройство может определить шумовые оценки частотной характеристики К подканалов одной передающей антенны. Эти шумовые оценки можно использовать для получения оценок всех подканалов канала распространения с помощью ряда различных методов, таких как простая интерполяция к более сложной оценке с использованием априорной информации об уровне канального рассеяния и шума. Оценки можно улучшать посредством передачи контрольных символов на последовательных символах ОЧУ с последующим усреднением оценок для каждого последовательного символа ОЧУ.
i
i
i
ijk
r
t
t
r
n
Оценки формируются в каждой приемной антенне для каждой передающей антенны, широковещательно передающей контрольные символы. ИСК для полного канала распространения можно представить набором матриц частотной характеристики канала {H, i=1, 2,..., 2}, где матрица H связана с i-ым подканалом и элементами каждой матрицы H являются {h,j=1,...,N,k=1,...,N}, значения комплексной частотной характеристики канала для каждой из N передающих и N приемных антенн.
Использование раздельных поднаборов подканалов можно также применить в системе, в которой множество линий связи, например каналы распространения от передающего устройства в одному или нескольким приемным устройствам, расположены в непосредственной близости друг от друга. В системе, где базовая станция передает сигналы согласно секторам, область передачи сектора может перекрывать область передачи другого сектора. В идеальной базовой станции передающие антенны в каждом секторе передают сигналы в направлении, которое полностью отделено от направлений, назначенных передающим антеннам других секторов. К сожалению, в большинстве разделенных на секторы базовых станций существуют перекрывающиеся области. При использовании этого варианта изобретения всем передающим антеннам базовой станции назначаются раздельные поднаборы подканалов, чтобы избежать помех между секторами этой базовой станции. Аналогично, соседние базовые станции также могут быть причиной значительных помех, и раздельные наборы подканалов можно назначать среди базовых станций.
В общем, вычисление частотной характеристики канала можно осуществить для каждой линии связи, которой назначен поднабор раздельных подканалов, таким же образом, как частотная характеристика вычисляется для основной линии связи. Однако в передающее устройство можно сообщать меньший объем ИСК из этих создающих помехи линий. Например, можно передавать и использовать информацию о среднем общем уровне помех соседних линий для определения поддерживаемой скорости передачи данных основной линии. Если несколько создающих помехи линий доминируют над средним общим уровнем помех, то информацию о помехах, создаваемых этими линиями, можно сообщать индивидуально в систему для определения более эффективной группировки подканалов в каждом раздельном поднаборе подканалов.
Другой информацией ИСК, которую можно передавать в передающее устройство, является общая измеренная мощность в подканалах, не выделенных для основной линии. Общая измеренная мощность подканалов, выделенных соседним линиям, дает оценку общей мощности помех плюс шума. Если несколько символов ОЧУ используется в качестве контрольного символа, то среднюю измеренную частотную характеристику канала и действительные значения принятых сигналов можно использовать для получения прямой оценки общего уровня шума в данном подканале.
В общем, назначение подканалов для сети базовых станций должно следовать конфигурации "повторного использования частоты", в которой одни и те же подканалы используются только в тех случаях, когда линии разделены достаточным расстоянием. Если большое количество линий создают взаимные помехи, то количество подканалов ОЧУ может быть недостаточным, чтобы позволить назначать подканалы для каждого контрольного символа ОЧУ. В этих обстоятельствах передающим антеннам могут быть назначены подканалы для каждого Р-ого контрольного символа, где Р - целое число больше единицы (1).
В другом варианте изобретения схема ОЧУ выполнена с возможностью получения таких значений символов ОЧУ, которые минимизируют или исключают помехи между передающими антеннами, использующими либо идентичные подканалы, либо раздельные подканалы. Ортогональный код, такой как код Уолша, можно использовать для преобразования Q контрольных сигналов в Q ортогональных сигналов, представляющих контрольные сигналы. В случае использования кода Уолша число контрольных сигналов будет равно двум в какой-либо степени. Использование ортогональных кодов можно применять вместе с ранее обсуждавшимися поднаборами раздельных подканалов для уменьшения помех от соседних линий. Например, допустим, что в системе БЧВВ 4х4 с шириной полосы частот системы приблизительно 1 МГц должно использоваться 256 подканалов ОЧУ. Если многолучевое распространение ограничено десятью микросекундами (мкс), то раздельные подканалы, несущие контрольные символы, должны быть разнесены приблизительно на 50 кГц или ближе относительно друг друга. Каждый подканал имеет ширину приблизительно 4 кГц, так что разнесение 12 подканалов имеет ширину 48 кГц. Если подканалы ОЧУ разделены на 12 наборов, каждый из которых содержит 20 подканалов, то 16 из них остаются неиспользованными. Два последовательных символа ОЧУ используются в качестве контрольного сигнала, и на этих двух символах применяется ортогональное кодирование. Следовательно, имеется 24 различных назначения ортогональных контрольных сигналов. Эти 24 ортогональных контрольных сигнала выделяются различным передающим антеннам и линиям для минимизации помех.
В другом варианте изобретения в качестве контрольных данных можно использовать большое количество периодических символов ОЧУ. Количество символов ОЧУ должно быть достаточно большим, чтобы можно было выполнять точные измерения уровней помех от большого количества разных передающих антенн. Эти средние уровни помех будут использоваться для установки ограничений в масштабе системы на одновременные передачи из различных пунктов, т.е. применяется адаптивная схема гашения, позволяющая всем пользователям иметь приблизительно эквивалентную производительность.
В альтернативном варианте осуществления изобретения можно определять и передавать ИСК канала распространения БЧВВ для системы БЧВВ, которая не использует символы ОЧУ в качестве контрольных сигналов. Вместо этого можно использовать последовательность регистра сдвига максимальной длины (m-последовательность) для озвучания канала распространения. Под m-последовательностью подразумевается выход регистра сдвига с обратной связью. М-последовательности имеют автокорреляционные свойства, включая то, что корреляция в течение полного периода последовательности с любым ненулевым циклическим сдвигом последовательности дает значение -1, при этом значения последовательности равны +/-1. Следовательно, корреляция при нулевом сдвиге равна R, где R - длина последовательности. Для поддержания желательных свойств, таких как корреляция в присутствии многолучевого распространения, необходимо повторять часть последовательности, равную интервалу задержки канала.
m
m
Например, известно, что канальное многолучевое распространение ограничено некоторым временем τ, а длина контрольной последовательности составляет по меньшей мере Rτ, тогда можно использовать R различных сдвигов одной и той же m-последовательности всего с минимальными взаимными помехами. Эти R различных сдвигов назначаются различным передающим антеннам базовой станции и других базовых станций, которые являются причиной основных помех.
Для линий связи в системе БЧВВ, разнесенных на большое расстояние, можно назначать различные m-последовательности. Свойства взаимной корреляции различных m-последовательнстей не проявляют минимальных корреляционных свойств одной последовательности и ее сдвигов, но различные m-последовательности ведут себя как более или менее одинаковые произвольные последовательности и обеспечивают средний уровень корреляции √R, где R - длина последовательности. Этот средний уровень корреляции обычно пригоден для использования в системе БЧВВ благодаря разделению между линиями.
m
Регистр сдвига с обратной связью формирует все возможные m-последовательности, так что последовательности представляют собой просто сдвинутые версии одного кодового слова длиной R=2-1, где m - положительное целое число. Следовательно, существует ограниченное количество различных двоичных m-последовательностей. Чтобы избежать повторного использования одной и той же m-последовательности в зоне, где в результате могут возникнуть значительное помехи, можно использовать отфильтрованные версии более длинных m-последовательностей. Отфильтрованная версия m-последовательности уже не является бинарной, но все еще отображает такие же основные корреляционные свойства.
Предположим, например, что контрольная последовательность должна передаваться со скоростью 1 МГц и что многолучевое распространение ограничено 10 микросекундами. Допустим, что базовая станция имеет три сектора, при этом каждому сектору выделяется четыре передающие антенны, т.е. узел содержит всего 12 передающих антенн. Если применяется длина 127 m-последовательности, то антеннам одной базовой станции может быть выделено 12 различных сдвигов этой последовательности с относительными сдвигами на 10 отсчетов каждая. Общая длина передаваемого контрольного сигнала тогда будет 137 микросекунд, что является полным периодом последовательности плюс 10 дополнительных отсчетов для учета многолучевого распространения. При этом различным базовым станциям можно назначать различные m-последовательности, которые повторяются в конфигурации повторного использования кода, предназначенной для минимизации эффектов помех от одной и той же m-последовательности.
i
Описанные выше варианты изобретения были направлены на структуру и передачу контрольных сигналов, которые позволят специалистам извлекать характеристики канала распространения и сообщать их в пункт передачи. Однако полная ИСК представляет собой большой объем информации, а также имеет высокую степень избыточности. Существует много методов сжатия объема подлежащей передаче информации ИСК. Одним из них является обсуждавшийся выше метод - использование эрмитовой матрицы Н*Н, где Н - частотная характеристика канала, определенная в приемном устройстве. Эрмитову матрицу Н*Н можно сообщать в передающее устройство и использовать для предварительного формирования передач. Благодаря свойствам эрмитовых матриц требуется передать только половину элементов матрицы, таких как комплексная нижняя треугольная часть матрицы Н*Н и диагональ вещественных чисел. Дополнительная эффективность достигается, если число приемных антенн больше, чем число передающих антенн. Другой метод уменьшения объема информации, передаваемой в передающее устройство на обратной линии связи, заключается в сообщении только поднабора матриц H частотной характеристики канала в передающее устройство, а несообщенные матрицы частотной характеристики канала можно определить из этого поднабора с помощью интерполяционных схем. В другом способе функциональное представление частотной характеристики канала на подканалах можно получить для каждой пары передающей и приемной антенн, например можно сформировать полиномиальную функцию частотной характеристики канала. Коэффициенты полиномиальной функции затем передаются в передающее устройство.
В качестве альтернативы этих методов сжатия информации ИСК один вариант изобретения направлен на передачу временного представления частотной характеристики канала, которое является импульсной частотной характеристикой канала. Если временное представление частотной характеристики канала простое, как в случаях, когда есть всего два или три компонента многолучевого распространения, то можно выполнить операцию обратного БПФ на наборе частотных характеристик канала. Операцию обратного БПФ можно выполнять для каждой линии связи между парой передающей и приемной антенн. Затем полученные импульсные частотные характеристики канала преобразуются в набор амплитуд и задержек, которые сообщаются передатчику.
Как обсуждалось ранее, существуют затраты, связанные с передачей ИСК на обратной линии, которые уменьшаются при реализации описанных выше вариантов изобретения в системе БЧВВ. Другой способ снижения затрат заключается в выборе пользователей согласно кратковременному среднему их потребностей в ИСК. Потребности в ИСК изменяются по мере замирания канала, поэтому эффективность обратной линии связи улучшается, если пользователи оценивают необходимый объем ИСК и информируют базовую станцию в интервалах, которые могут быть периодическими или апериодическими, в зависимости от скорости изменения канала распространения, наблюдаемого пользователем. Затем базовая станция может включить этот фактор в планирование использования прямой и обратной линий связи. Планирование можно организовать таким образом, чтобы пользователи, связанные с медленно изменяющимися каналами распространения, посылали информацию менее часто, чем пользователи, связанные с быстро изменяющимися каналами распространения. Базовая станция может также организовать планирование с учетом таких факторов, как количество и равнодоступность системных пользователей.
В другом аспекте этого варианта изобретения временной интервал может быть выделен таким образом, чтобы можно было корректировать ИСК в длинном периоде передачи в соответствии с действительными изменениями в канале распространения. Изменения в канале распространения можно контролировать в приемном устройстве одним из ряда возможных способов. Например, можно определять разность между мягким решением на символах и ближайшим совокупным значением КАМ и использовать ее в качестве критерия, или можно также использовать относительные размеры метрик декодера. Когда качество заданного критерия падает ниже заданного порога, в передающее устройство сообщается скорректированная ИСК.
Общий профиль мощности-задержки многолучевого распространения линии связи изменяется очень медленно, потому что средняя мощность, наблюдаемая при различных задержках, остается постоянной, даже если замирание канала происходит часто. Следовательно, объем ИСК, необходимой для характеризации линии связи, может существенно изменяться от линии к линии. Для оптимизации работы кодирование ИСК подстраивается под специфические требования линии связи. Если ИСК посылается в частотной форме, т.е. в виде набора матриц частотной характеристики канала, которые необходимо интерполировать, то для линий связи с малым многолучевым распространением потребуется всего небольшой набор матриц частотной характеристики канала.
Конструктивные элементы высокоэффективной
высокопроизводительной системы связи
1
k
На фиг.3 представлена структурная схема процессора 112 данных и модулятора 114 системы 110, показанной на фиг.1А. Общий поток входных данных, который включает все данные, подлежащие передаче системой 110, подается в демультиплексор 310 в процессоре 112 данных. Демультиплексор 310 демультиплексирует поток входных данных на некоторое число (К) потоков канальных данных S-S. Каждый поток канальных данных может соответствовать, например, каналу сигнализации, вещательному каналу, каналу речевого вызова или каналу передачи данных трафика. Каждый поток канальных данных подается в соответствующий кодер 312, который кодирует данные с помощью конкретной схемы кодирования.
Кодирование может включать в себя кодирование с коррекцией ошибок, или кодирование с обнаружением ошибок, или и то, и другое, используемое для повышения надежности линии связи. В частности, такое кодирование может включать, например, перемежение, сверточное кодирование, турбокодирование, решетчатое кодирование, блочное кодирование (например, кодирование Рида-Соломона), кодирование с контролем циклическим избыточным кодом (ЦИК) и другие. Турбокодирование подробно описано в заявке на патент США 09/205511, поданной 4 декабря 1998 г. на изобретение "Турбокодовый перемежитель с использованием линейных конгруэнтных последовательностей", и в документе "Предложение МДКР 2000 ITU-R RTT", далее именуемом как стандарт IS-2000, упоминающихся здесь для сведения.
Кодирование можно осуществлять на поканальной основе, т.е. на каждом потоке канальных данных, как показано на фиг.3. Однако кодирование можно также выполнять на общем потоке входных данных, на нескольких потоках канальных данных, на части потока канальных данных, на наборе антенн, на наборе подканалов, на наборе подканалов и антенн, на каждом подканале, на каждом символе модуляции или каком-то другом элементе времени, пространства и частоты. Кодированные данные из кодеров 312а-312k затем подаются в процессор 320 данных, который обрабатывает данные для формирования символов модуляции.
В одном варианте воплощения изобретения процессор 320 данных назначает каждый поток канальных данных одному или более подканалов в одном или более временных интервалах и на одной или более антеннах. Например, для потока канальных данных, соответствующего речевому вызову, процессор 320 данных может выделить один подканал на одной антенне (если не используется разнесение передачи) или нескольких антеннах (если используется разнесение антенн) для такого числа временных интервалов, которое необходимо для данного вызова. Для потока канальных данных, соответствующего каналу сигнализации или каналу вещания, процессор 320 данных может назначить специальный подканал (подканалы) на одной или нескольких антеннах, снова в зависимости от того, используется ли разнесение передачи. Затем процессор 320 данных выделяет остальные имеющиеся ресурсы потокам канальных данных соответствующим передачам данных. Учитывая пульсирующий характер передач данных и их более высокую терпимость к задержкам, процессор 320 данных может выделять имеющиеся ресурсы таким образом, чтобы добиться высокой производительности и высокой эффективности. Таким образом передачи данных "планируются" для достижения целей системы.
После назначения каждого потока канальных данных соответствующему им временному интервалу (интервалам), подканалу (подканалам) и антенне (антеннам) данные в потоке канальных данных модулируются методом модуляции множества несущих. Модуляция ОЧУ используется для обеспечения множества преимуществ. В одном варианте модуляции ОЧУ данные в каждом потоке канальных данных группируются в блоки, каждый из которых имеет конкретное количество битов данных. Затем биты данных в каждом блоке назначаются одному или более подканалам, связанным с этим потоком канальных данных.
Затем биты в каждом блоке демультиплексируются на отдельные подканалы, каждый из которых передает потенциально разное количество битов (т.е. в зависимости от Н/П подканала и от того, применяется ли обработка БЧВВ). Для каждого из этих подканалов биты группируются в символы модуляции с использованием конкретной схемы модуляции (например, М-ФМ или М-КАМ), связанной с данным подканалом. Например, при 16-КАМ совокупность сигналов состоит из 16 точек в комплексной плоскости (т.е. а+j*b), причем каждая точка в комплексной плоскости передает 4 бита информации. В режиме обработки БЧВВ каждый символ модуляции в подканале представляет линейную комбинацию символов модуляции, каждый из которых может быть выбран из другой совокупности.
Совокупность L символов модуляции образует вектор V символов модуляции с размерностью L. Каждый элемент вектора V символов модуляции связан со специфическим подканалом, имеющим уникальную частоту или тональную посылку, на котором передаются эти символы модуляции. В совокупности L все символы модуляции ортогональны друг другу. В каждом временном интервале и для каждой антенны L символов модуляции, соответствующих L подканалам, объединяются в символ ОЧУ с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). Каждый символ ОЧУ включает в себя данные из потоков канальных данных, назначенных L подканалам.
Модуляция ОЧУ более подробно описана в статье "Модуляция множества несущих для передачи данных: Идея, время которой пришло". John A.C.Bingham, IEEE Communications Magazine, May 1990, упоминаемой здесь для сведения.
T
1
NT
1
NT
Процессор 320 данных принимает и обрабатывает кодированные данные, соответствующие К потокам канальных данных, для получения N векторов V-V символов модуляции, по одному символу модуляции для каждой передающей антенны. В некоторых вариантах воплощения изобретения некоторые векторы символов модуляции могут иметь дублирующую информацию на специальных подканалах, предназначенных для различных передающих антенн. Векторы V-V символов модуляции подаются в модуляторы 114а-114t соответственно.
На фиг.3 каждый модулятор 114 содержит блок 330 ОБПФ, генератор 332 циклического префикса и повышающий частоту преобразователь 334. Блок 330 ОБПФ преобразует принятые векторы символов модуляции в их временные представления, называемые символами ОЧУ. Блок 330 ОБПФ может быть выполнен с возможностью выполнения ОБПФ на любом количестве подканалов (например, 8,16,32 и т.д.). Альтернативно, для каждого вектора символа модуляции, преобразованного в символ ОЧУ, генератор 332 циклического префикса повторяет часть временного представления символа ОЧУ для образования символа передачи для конкретной антенны. Циклический префикс гарантирует, что символ передачи сохранит свои ортогональные свойства в присутствии разброса задержек на многолучевое распространение и тем самым улучшит противодействие отрицательным эффектам на трассе, как будет описано ниже. Практическая реализация блока 330 ОБПФ и генератора 332 циклического префикса известна и подробно не описывается.
Временные представления из каждого генератора 332 циклического префикса (т.е. символы передачи для каждой антенны) затем обрабатываются повышающим частоту преобразователем 332, преобразуются в аналоговый сигнал, модулируются на ВЧ частоте и предварительно формируются (например, усиливаются и фильтруются) для формирования модулированного ВЧ сигнала, который затем передается с соответствующей антенны 116.
T
T
T
T
На фиг.3 также показана структурная схема процессора 320 данных. Кодированные данные для каждого потока канальных данных (т.е. потока кодированных данных, Х) подаются в соответствующий процессор 332 канальных данных. Если поток канальных данных должен передаваться на множестве подканалов и/или с множества антенн (без дублирования на по меньшей мере некоторых передачах), то процессор 332 канальных данных демультиплексирует поток канальных данных на некоторое количество (до L•N) подпотоков данных. Каждый подпоток данных соответствует передаче на конкретном подканале в конкретной антенне. В типичных реализациях количество подпотоков данных меньше, чем L•N, так как некоторые подканалы используются для данных сигнализации, речевого сигнала и других типов данных. Подпотоки данных затем обрабатываются для формирования соответствующих подпотоков для каждого назначенного подканала, которые затем подаются в объединители 334. Объединители 334 объединяют символы модуляции, предназначенные для каждой антенны, в векторы символов модуляции, которые затем подаются как поток векторов символов модуляции. N потоков векторов символов модуляции для N антенн затем подаются в следующие блоки обработки (т.е. модуляторы 114).
В конструкции, которая обеспечивает самую высокую гибкость, производительность и эффективность, символ модуляции, подлежащий передаче в любом временном интервале на каждом подканале, может выбираться индивидуально и независимо. Эта возможность позволяет оптимально использовать имеющийся ресурс во всех трех измерениях - времени, частоте и пространстве. Следовательно, количество битов данных, передаваемых каждым символом модуляции, может быть разным.
На фиг.4А представлена структурная схема процессора 400 канальных данных, который можно использовать для обработки одного потока канальных данных. Процессор 400 канальных данных может использоваться для реализации одного процессора 332 канальных данных, изображенного на фиг.3. Передача потока канальных данных может происходить на множестве подканалов (например, как для данных 1 на фиг.2) и может также осуществляться из множества антенн. Передача на каждом подканале и из каждой антенны может представлять собой недублированные данные.
i
i,1
i,M
В процессоре 400 канальных данных демультиплексор 420 принимает и демультиплексирует кодированный поток данных X на несколько потоков X-X подканальных данных, по одному потоку подканальных данных для каждого подканала, используемого для передачи данных. Мультиплексирование данных может быть однородным или неоднородным. Например, если известна какая-то информации о трассах передачи (т.е. полная ИСК или частичная СС), демультиплексор 420 может направлять больше битов данных в подканалы, способные передавать больше бит·с/Гц. Однако, если никакой ИСК не известно, демультиплексор 420 может равномерно направлять приблизительно равные количества битов в каждый из выделенных подканалов.
T
i
T
T
Каждый поток подканальных данных затем подается в соответствующий процессор 430 пространственного разделения. Каждый процессор 430 пространственного разделения может затем демультиплексировать принятый поток подканальных данных на несколько (до N) подпотоков данных, по одному подпотоку данных для каждой антенны, используемой для передачи данных. Следовательно, после демультиплексора 420 и процессора 430 пространственного разделения кодированный поток данных X можно демультиплексировать на L•Nподпотоков данных для передачи на количестве подканалов, доходящем до L, с антенн, количество которых может достигать N.
T
T
T
T
T
T
В любом конкретном временном интервале каждый процессор 430 пространственного разделения может сформировать до N символов модуляции и подать их в N объединителей 440а-440t. Например, процессор 430а пространственного разделения, назначенный подканалу 1, может подавать до N символов модуляции для подканала 1 антенн 1-N. Аналогичным образом, процессор 430k пространственного разделения, назначенный подканалу k, может подавать до N символов модуляции для подканала k антенн 1-N. Каждый объединитель 440 получает символы модуляции для L подканалов, объединяет эти символы для каждого временного интервала в вектор символов модуляции и подает векторы символов модуляции как поток векторов символов модуляции V на следующий этап обработки (например, модулятор 114).
Процессор 400 канальных данных можно также выполнить с возможностью обеспечения необходимой обработки для реализации режимов обработки с полной ИСК и частичной ИСК, описанных выше. Обработка ИСК может выполняться на основании имеющейся информации ИСК на выбранных потоках канальных данных, подканалах, антеннах и т.д. Обработку ИСК можно также избирательно и динамично активировать и деактивировать. Например, обработку ИСК можно активировать для конкретной передачи и деактивировать для каких-то других передач. Обработку ИСК можно активировать в определенных условиях, например, когда линия передачи имеет подходящее отношение Н/П.
Процессор 400 канальных данных, изображенный на фиг.4А, обеспечивает высокую степень гибкости. Однако такая гибкость обычно не требуется для всех потоков канальных данных. Например, данные для речевого вызова обычно передаются на одном подканале в течение всего вызова или до тех пор, пока данный подканал не будет переназначен. Для этих потоков канальных данных конструкцию процессора канальных данных можно существенно упростить.
j
На фиг.4В представлена структурная схема обработки, которую можно использовать для одного потока канальных данных, таких как служебные данные, данные сигнализации, речевые данные и данные трафика. Процессор 450 пространственного разделения можно использовать для реализации одного процессора 332 канальных данных на фиг.3 и применять для поддержки потока канальных данных, например речевого вызова. Речевой вызов типично назначается одному подканалу для множества временных интервалов (например, речевой вызов 1 на фиг.2), и он может передаваться с нескольких антенн. Кодированный поток данных X подается в процессор 450 пространственного разделения, который группирует данные в блоки, каждый из которых имеет конкретное число битов, используемых для формирования символа модуляции. Символы модуляции из процессора 450 пространственного разделения затем подаются в один или более объединителей 440, связанных с одной или несколькими антеннами, используемыми для передачи потока канальных данных.
T
Для более ясного понимания настоящего изобретения далее будет описано специфическая реализация передающего устройства, способного формировать сигнал передачи, показанный на фиг.2. Во временном интервале 2 на фиг.2 управляющие данные передаются на подканале 1, широковещательные данные передаются на подканале 2, речевые вызовы 1 и 2 назначаются соответственно подканалам 3 и 4 и данные трафика передаются на подканалах 5-16. В этом примере предполагается, что передающее устройство содержит четыре передающие антенны (например, N=4) и формируется четыре сигнала передачи (т.е. четыре модулированных ВЧ сигнала) для четырех антенн.
1
5
На фиг.5А представлена структурная схема части обрабатывающих блоков, которые могут использоваться для формирования сигнала передачи для временного интервала на фиг.2. Поток входных данных подается в демультиплексор 510, который демультиплексирует его на пять потоков канальных данных S-S, соответствующих управляющим данным, широковещательным данным, речевому вызову 1, речевому вызову 2 и данным 1 на фиг.2. Каждый поток канальных данных подается в соответствующий кодер 512, который кодирует данные, используя схему кодирования, выбранную для данного потока.
1
3
1
3
1
2
3
В этом примере потоки S-S канальных данных передаются с использованием разнесения передачи. Следовательно, каждый из кодированных потоков Х-Х подается в соответствующий процессор 532 канальных данных, который формирует символы модуляции для этого потока. Символы модуляции из каждого из процессоров 532а-532с канальных данных затем подаются во все четыре объединителя 540а-540d. Каждый объединитель 540 принимает символы модуляции для всех 16 подканалов, назначенных для антенны, связанной с данным объединителем, объединяет символы на каждом подканале в каждом временном интервале для формирования вектора символов модуляции и подает векторы символов модуляции в виде потока векторов символов модуляции V в соответствующий модулятор 114. Как показано на фиг.5А, поток S канальных данных передается на подканале 1 со всех четырех антенн, поток S канальных данных передается на подканале 2 со всех четырех антенн и поток S канальных данных передается на подканале 3 со всех четырех антенн.
4
4
1
3
4
На фиг.5 В представлена структурная схема части обрабатывающих блоков, использованных для обработки кодированных данных для потока S канальных данных. В этом примере поток S канальных данных передается с использованием пространственного разнесения (а не разнесения передачи, которое используется для потоков S-S канальных данных). При пространственном разнесении данные демультиплексируются и передаются (одновременно на каждом из назначенных подканалов или в разных временных интервалах) на множество антенн. Поток Х кодированных данных подается в процессор 532d канальных данных, который формирует символы модуляции для этого потока. Символы модуляции в данном случае являются линейными комбинациями символов модуляции, выбранных из алфавитов символов, которые соответствуют каждой из собственных мод канала. В этом примере есть четыре отличные друг от друга собственные моды, каждая из которых способна передавать другой объем информации. В качестве примере допустим, что собственная мода 1 имеет Н/П, которое позволяет надежно передавать 64 КАМ (6 битов) для надежной передачи, собственная мода 2 позволяет использовать 16-КАМ (4 бита), собственная мода 3 позволяет использовать КФМ (2 бита) и собственная мода 4 позволяет использовать двоичную фазовую манипуляцию (ДФМ) (1 бит). Следовательно, комбинация всех четырех собственных мод позволяет одновременно передавать всего 13 битов информации в качестве эффективного символа модуляции на всех четырех антеннах в одном и том же подканале. Эффективный символ модуляции для назначенного подканала на каждой антенне представляет собой линейную комбинацию отдельных символов, связанных с каждой собственной модой, как описано матричным умножением в уравнении (1), представленном выше.
5
5
5
5,11
5,16
На фиг.5С изображена структурная схема части обрабатывающих блоков, используемых для обработки потока S канальных данных. Поток Х кодированных данных подается в демультиплексор 530, который демультиплексирует поток Х на 12 потоков Х-Х подканальных данных, по одному потоку подканальных данных для каждого из выделенных подканалов 5-16. Каждый поток подканальных данных затем подается в соответствующий процессор 536 подканальных данных, который формирует символы модуляции для соответствующего потока подканальных данных. Поток подканальных символов из процессоров 536а-536l подканальных данных затем подается в демультиплексоры 538а-538l соответственно. Каждый демультиплексор 538 демультиплексирует принятый поток подканальных символов на четыре подпотока символов, каждый из которых соответствует конкретному подканалу на конкретной антенне. Четыре подпотока символов из каждого демультиплексора 538 затем подаются в четыре объединителя 540а-540d.
На фиг.5С поток подканальных данных обрабатывается для формирования потока подканальных символов, который затем демультиплексируется на четыре подпотока символов, по одному для конкретного подканала каждой антенны. Этот вариант реализации отличается от описанного со ссылкой на фиг.4А. На фиг.4А поток подканальных данных, предназначенных для конкретного подканала, демультиплексируется на несколько подпотоков данных, по одному подпотоку данных для каждой антенны, и затем обрабатывается для формирования соответствующих подпотоков символов. Демультиплексирование на фиг.5С выполняется после модуляции символов, а демультиплексирование на фиг.4А выполняется перед модуляцией символов. Можно также использовать другие варианты реализации, не выходя за рамки объема настоящего изобретения.
Каждая комбинация процессора 536 подканальных данных и демультиплексора 538 на фиг.5С работает аналогично комбинации процессора 532d подканальных данных и демультиплексора 534d на фиг.5 В. Скорость каждого подпотока символов из каждого демультиплексора 538 в среднем составляет четверть скорости потока символов из связанного с ним процессора 536 канальных данных.
На фиг.6 представлена структурная схема приемного устройства 600, имеющего множество приемных антенн, которые можно использовать для приема одного или более потоков канальных данных. Один или несколько сигналов, передаваемых с одной или нескольких передающих антенн, может приниматься каждой из антенн 610а-610r и направляться в соответствующий коммуникационный процессор 612. Например, приемная антенна 610а может принимать несколько передаваемых сигналов из нескольких передающих антенн, и приемная антенна 610r может аналогично принимать множество передаваемых сигналов. Каждый коммуникационный процессор 612 предварительно формирует (например, фильтрует и усиливает) принятый сигнал, понижает частоту сформированного сигнала до промежуточной частоты или полосы частот исходных сигналов, дискретизирует и квантует преобразованный с понижением частоты сигнал. Каждый коммуникационный процессор 612 типично дополнительно демодулирует отсчеты, связанные с конкретной антенной, принятым контрольным сигналом для получения "когерентных" отсчетов, которые затем подаются в соответствующий процессор 614 БПФ по одному для каждой приемной антенны.
Каждый процессор 614 БПФ формирует преобразованные представления принятых отсчетов и создает соответствующий поток векторов символов модуляции. Затем потоки векторов символов модуляции из процессоров 614а-614r БПФ подаются в демультиплексор и объединители 620, которые делят поток векторов символов модуляции из каждого процессора 614 БПФ на несколько (до L) потоков подканальных символов. Потоки подканальных символов из всех процессоров 614 БПФ обрабатываются в зависимости от используемого режима передачи (например, разнесения или БЧВВ) перед демодуляцией и декодированием.
Для потока канальных данных, передаваемого с использованием режима связи с разнесением, потоки подканальных символов со всех антенн, используемых для передачи потока канальных данных, подаются в объединитель, который объединяет избыточную информации во времени, пространстве и частоте. Поток объединенных символов модуляции затем подается в процессор 630 канала (с разнесением) и соответственно демодулируется.
Для потока канальных данных, передаваемого с использованием режима связи БЧВВ, все потоки подканальных данных, используемые для передачи потока канальных данных, подаются в процессор БЧВВ, который придает ортогональность принятым символам модуляции в каждом подканале с получением раздельных собственных мод. Процессор БЧВВ выполняет обработку, описанную представленным выше уравнением (2), и формирует несколько независимых подпотоков символов, соответствующих количеству собственных мод, используемых в передающем устройстве. Например, процессор БЧВВ может выполнять умножение принятых символов модуляции на левые собственные моды для получения сформированных позже символов модуляции, которые соответствуют символам модуляции перед процессором полной ИСК в передающем устройстве. Подпотоки (сформированных) символов затем подаются в канальный процессор 630 (БЧВВ) и соответственно демодулируются. Таким образом, каждый канальный процессор 630 принимает поток символов модуляции (для режима связи с разнесением) или несколько подпотоков символов (для режима связи БЧВВ). Каждый поток или подпоток символов модуляции затем подается в соответствующий демодулятор, который применяет схему демодуляции (например, М-ФМ, М-КАМ или другую), комплементарную по отношению к схеме модуляции, использованной в передающем устройстве для обрабатываемого подканала. При режиме связи БЧВВ демодулированные данные из всех назначенных демодуляторов можно затем декодировать независимо или мультиплексировать в один поток канальных данных, а затем декодировать в зависимости от метода кодирования и модуляции, использованного в передающем устройстве. Как в режиме связи с разнесением, так и в режиме связи БЧВВ поток канальных данных из канального процессора 630 можно затем подать в соответствующий декодер 640, который применяет схему декодирования, комплементарную по отношению к схеме, используемой в передающем устройстве для потока канальных данных. Декодированные данные из каждого декодера 640 представляют собой оценку переданных данных для этого потока канальных данных.
На фиг.6 представлен один из вариантов воплощения приемного устройства. Однако объем настоящего изобретения распространяется также и на другие конструкции. Например, приемное устройство может быть выполнено всего с одной приемной антенной или может быть выполнено с возможностью одновременной обработки множества потоков канальных данных (например, речи, данных).
Как отмечалось выше, в предложенной системе связи используется модуляция множества несущих. В частности, можно применять модуляцию ОЧУ для обеспечения ряда преимуществ, включая повышение производительности в многолучевой среде, упрощение реализации (в относительном смысле, для рабочего режима БЧВВ) и увеличение гибкости. Однако в рамках изобретения можно также использовать и другие варианты модуляции множества несущих.
Модуляция ОЧУ может повысить производительность системы благодаря разбросу задержек на многолучевое распространение или дифференциальной задержке на трассе, вводимой средой распространения между передающей и приемной антеннами. Линия связи (т.е. ВЧ канал) имеет разброс задержек, который потенциально может быть больше, чем обратная величина рабочей ширины полосы W системы. Из-за этого система связи, использующая схему модуляции, в которой продолжительность передачи символа меньше, чем разброс задержки, будет подвержена воздействию межсимвольных помех (МСП). МСП искажает принятый сигнал и увеличивает вероятность неправильного определения.
При модуляции ОЧУ канал передачи (или рабочая ширина полосы частот) по существу делится на некоторое (большое) число параллельных подканалов (или поддиапазонов), которые используются для передачи данных. Так как каждый подканал имеет ширину полосы частот, которая типично намного меньше, чем ширина полосы когерентности линии связи, из-за разброса задержек в линии связи МСП значительно уменьшается или исключается при использовании модуляции ОЧУ. Что же касается большинства обычных схем модуляции (например, КФМ), то они чувствительны к МСП, если только скорость передачи символов не мала по сравнению с разбросом задержек на линии связи.
Как отмечалось выше, для противодействия отрицательным эффектам многолучевого распространения можно использовать циклические префиксы. Циклический префикс представляет собой часть символа ОЧУ (обычно переднюю часть после ОБПФ), которая обеспечивает циклический переход к задней стороне символа. Циклический префикс используется для сохранения ортогональности символа ОЧУ, которая типично нарушается многолучевым распространением.
Например, рассмотрим систему связи, в которой разброс задержек канала меньше 10 мкс. Каждый символ ОЧУ имеет присоединенный к нему циклический префикс, который гарантирует, что весь символ сохранит ортогональные свойства в присутствии разброса задержек многолучевого распространения. Так как циклический префикс не несет дополнительной информации, он по существу является служебным. Для сохранения высокой эффективности продолжительность циклического префикса выбирается равной малой доле общей продолжительности символов передачи. В приведенном выше примере при использовании 5% служебной нагрузки для учета циклического префикса продолжительность символов передачи 200 мкс будет адекватной для максимального разброса 10 мкс задержек канала. Продолжительность 200 мкс символа передачи соответствует ширине полосы частот 5 кГц для каждого поддиапазона. Если вся ширина полосы частот системы составляет 1,2288 МГц, то можно обеспечить 250 подканалов шириной приблизительно 5 кГц. На практике удобно, чтобы количество подканалов было равно двум в какой-либо степени. Следовательно, если продолжительность символа передачи возрастает до 205 мкс, ширина полосы частот делится на М=256 поддиапазонов, при этом каждый подканал будет иметь ширину полосы частот 4,88 кГц.
В некоторых вариантах изобретения модуляция ОЧУ может упростить систему. Когда в системе связи реализуется метод БЧВВ, сложность, связанная с приемным устройством, может быть значительной, особенно если имеет место многолучевое распространение. Использование модуляции ОЧУ позволяет каждый подканал обрабатывать индивидуально с помощью используемой обработки БЧВВ. Следовательно, модуляция ОЧУ может значительно упростить обработку сигнала в приемном устройстве, когда используется метод БЧВВ.
Модуляция ОЧУ может также обеспечить дополнительную гибкость при совместном использовании ширины полосы W системы среди множества пользователей. В частности, имеющееся пространство передачи для символов ОЧУ можно разделить среди группы пользователей. Например, пользователи низкоскоростной речевой связи могут получить подканал или долю подканала в символе ОЧУ, а остальные подканалы можно выделить пользователям данных в зависимости от общей потребности. Кроме того, служебные, широковещательные и управляющие данные можно передавать на некоторых из имеющихся подканалов или (возможно) на части подканала.
Как описывалось выше, каждый подканал в каждом временном интервале связан с символом модуляции, выбранным из некоторого алфавита, такого как М-ФМ или М-КАМ. В некоторых вариантах символ модуляции в каждом из L подканалов можно выбрать таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать этот подканал. Например, подканал 1 можно сформировать с помощью КФМ, подканал 2 - с помощью ДФМ, подканал 3 - с помощью 16-КАМ и т.д. Следовательно, для каждого временного интервала формируется до L символов модуляции для L подканалов, которые объединяются для получения вектора символов модуляции для данного временного интервала.
Один или более подканалов можно выделять одному или более пользователям. Например, каждый пользователь речевой связи может получить один подканал. Остальные подканалы можно динамически выделять пользователям данных. В этом случае остальные подканалы можно выделить одному пользователю передачи данных или разделить среди множества пользователей передачи данных. Кроме того, некоторые подканалы можно зарезервировать для передачи служебных, широковещательных и управляющих данных. В некоторых вариантах изобретения может быть желательным изменять назначение подканала между (возможно) символами модуляции псевдослучайным образом, чтобы увеличить разнесение и обеспечить некоторое усреднение помех.
В системе МДКР мощность каждой передачи на обратной линии связи регулируется таким образом, чтобы требуемый коэффициент ошибочных кадров (КОК) обеспечивался в базовой станции при минимальной мощности передачи, что уменьшает помехи для других пользователей в системе. На прямой линии связи системы МДКР мощность передачи также регулируется, чтобы повысить пропускную способность системы.
В предложенной системе связи мощность передачи на прямой и обратной линиях связи может регулироваться в целях уменьшения помех и увеличения пропускной способности системы. Регулировка мощности может быть реализована различными способами. Например, можно выполнять регулировку мощности на каждом потоке канальных данных, на каждом подканале, на каждой антенне или на какой-то другой единице измерения. При работе в режиме разнесенной связи, если потери на трассе от конкретной антенны велики, передачу с этой антенны можно уменьшить или заглушить, так как мало что удастся усилить в приемном устройстве. Аналогичным образом, если передача происходит на множестве подканалов, меньшая мощность может передаваться на подканале (подканалах), испытывающем наибольшие потери на трассе.
В одном варианте реализации изобретения регулировку мощности можно обеспечить с помощью механизма обратной связи, аналогичного тому, который используется в системе МДКР. Информацию регулировки мощности можно посылать периодически или автономно из приемного устройства в передающее устройство, чтобы дать команду передающему устройству увеличить или уменьшить мощность передачи. Биты управления мощностью могут формироваться в приемном устройстве, например, на основе КОБ или КОК.
T
R
T
R
На фиг.7 показаны графики, иллюстрирующие спектральную эффективность, связанную с некоторыми режимами системы связи согласно изобретению. На фиг.7 количество битов на символ модуляции для данного коэффициента ошибочных битов дано в зависимости от Н/П для нескольких конфигураций системы. Выражение N x N показывает размерность конфигурации, где N - число передающих антенн, а N - число приемных антенн. Были смоделированы две конфигурации с разнесением, а именно 1х2 и 1х4, и четыре конфигурации БЧВВ, а именно 2х2, 2х4, 4х4 и 8х4, результаты которых показаны на фиг.7.
Как видно на графиках, число битов на символ для данного КОБ колеблется от менее 1 бит·с/Гц до 20 бит·с/Гц. При низких значениях Н/П спектральные эффективности режима связи с разнесением и режима связи БЧВВ сходны, и улучшение эффективности менее заметно. Однако при более высоких значениях Н/П повышение спектральной эффективности при использовании режима связи БЧВВ становится более заметным. В некоторых конфигурациях БЧВВ и для определенных условий мгновенное улучшение может достигать 20-кратного значения.
T
R
На этих графиках можно заметить, что спектральная эффективность обычно возрастает с увеличением числа передающих и приемных антенн. Усовершенствование также обычно ограничено меньшими N и N. Например, конфигурации разнесения 1х2 и 1х4 асимптотически обеспечивают приблизительно 6 бит·с/Гц.
Проанализировав различные достигаемые скорости передачи данных, значения спектральной эффективности, приведенные на фиг.7, можно применить к результатам на уровне подканала, чтобы получить диапазон скоростей передачи данных, возможных для данного подканала. Например, для абонентского аппарата работающего при Н/П=5 дБ, достижимая спектральная эффективность составляет от 1 до 2,25 бит·с/Гц, в зависимости от применяемого режима связи. Следовательно, в подканале шириной 5 кГц этот абонентский аппарат может поддержать максимальную скорость данных в интервале от 5 до 10,5 кбит/с. Если Н/П составляет 10 дБ, тот же абонентский аппарат может поддерживать максимальные скорости передачи данных в диапазоне от 10,5 до 25 кбит/с на подканал. При наличии 256 подканалов максимальная выдерживаемая скорость данных для абонентского аппарата, работающего при Н/П=10 дБ, составит 6,4 Мбит/с. Следовательно, при таких требованиях абонентского аппарата к скорости передачи данных и рабочем Н/П для абонентского аппарата система сможет выделить необходимое количество подканалов для удовлетворения этих потребностей. В службах передачи данных число подканалов, выделяемых на временной интервал, может колебаться в зависимости, например, от нагрузки другого трафика.
Обратная линия системы связи может быть сконструирована аналогично прямой линии связи. Однако вместо широковещательного и общего управляющего каналов здесь могут быть предусмотрены каналы произвольного доступа, определенные в конкретных подканалах, или в специфических положениях символов модуляции в кадре, или в том и другом. Они могут использоваться некоторыми или всеми абонентскими аппаратами для посылки коротких запросов (например, на регистрацию, на ресурсы и т.п.) в центральную станцию. На каналах общего доступа абонентские аппараты могут применять общую модуляцию и кодирование. Остальные каналы можно выделять отдельным пользователям, как на прямой линии связи. Выделение и возврат ресурсов (как на прямой, так и на обратной линии связи) может контролироваться системой и передаваться на управляющем канале по прямой линии связи.
Одним конструктивным аспектом обратной линии является максимальная дифференциальная задержка распространения между самым близким абонентским аппаратом и самым удаленным абонентским аппаратом. В системах, где эта задержка мала относительно продолжительности циклического префикса, может не потребоваться выполнение коррекции в передающем устройстве. Однако в тех системах, где эта задержка значительная, циклический префикс можно расширить, чтобы учесть увеличивающуюся задержку. В некоторых случаях можно оценить задержку на полном пути и скорректировать время передачи таким образом, чтобы символ поступал в центральную станцию в правильный момент. Обычно имеет место некоторая остаточная ошибка, так что циклический префикс можно также дополнительно расширить для учета этой остаточной ошибки.
В описанной системе связи некоторые абонентские аппараты в зоне обслуживания могут быть способны принимать сигналы более чем одной станции. Если информация, передаваемая несколькими центральными станциями, избыточная на двух или более подканалах и/или из двух или более антенн, то принятые сигналы можно объединять и демодулировать в абонентском аппарате с помощью схемы объединения разнесения. Если используемый циклический префикс достаточен для обработки дифференциальной задержки при прохождении между самым ранним и самым поздним приходом, то сигналы можно (оптимально) объединять в приемнике и правильно демодулировать. Такой разнесенный прием хорошо известен в широковещательных применениях ОЧУ. Когда подканалы выделяются конкретным абонентским аппаратам, одну и ту же информацию на конкретном подканале можно передавать из нескольких центральных станций конкретному абонентскому аппарату. Эта концепция подобна мягкому переключению каналов связи, используемому в системах МДКР.
Как было показано выше, передающее устройство и приемное устройство могут быть реализованы с использованием различных обрабатывающих блоков, которые включают в себя различные типы процессоров данных, кодеров, блоков ОБПФ и БПФ, демультиплексоров, объединителей и т.д. Эти обрабатывающие блоки можно реализовать на практике различными средствами, например ИС прикладной ориентации, цифровым процессором данных, микроконтроллером, микропроцессором или другими электронными схемами, предназначенными для выполнения описанных выше функций. Обрабатывающие блоки можно также реализовать в универсальном процессоре или специально разработанном процессоре, выполненном с возможностью исполнения командных кодов, обеспечивающих описанные выше функции. Следовательно, описанные обрабатывающие блоки могут быть реализованы аппаратными средствами, программным обеспечением или их комбинацией.
Представленное выше описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения позволит любому специалисту осуществить или использовать изобретение. Для специалистов будут очевидны различные модификации этих вариантов, а охарактеризованные общие принципы можно применить для создания других вариантов без применения творческой деятельности. Следовательно, настоящее изобретение не ограничено описанными выше вариантами, а имеет самый широкий объем, соответствующий раскрытым принципам и отличительным существенным признакам.