НАПРАВЛЯЮЩЕЕ РАЗНЕСЕНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С НЕСКОЛЬКИМИ АНТЕННАМИ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ (OFDM)
GUIDING SEPARATION FOR COMMUNICATION SYSTEM WITH SEVERAL ANTENNAS BASED ON ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING (OFDM)

Притязание на приоритет согласно §119 раздела 35 Свода законов США
Настоящая заявка на патент притязает на приоритет предварительной заявки с серийным номером 60/569,103, озаглавленной "Направляющее разнесение для системы связи на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) с несколькими антеннами", зарегистрированной 7 мая 2004 года и назначенной на уполномоченного настоящей заявки и таким образом включенной по ссылке в настоящую заявку.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение имеет отношение к связи вообще и, в частности, к передаче данных в системе связи с несколькими антеннами, которая использует мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM).
Уровень техники
Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) - это методика модуляции с несколькими несущими, которая эффективно делит общую полосу пропускания системы на несколько (K) ортогональных поддиапазонов, которые также называются тонами, поднесущими и частотными каналами. При мультиплексировании с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) каждый поддиапазон ассоциирован с соответствующей поднесущей, которая может быть модулирована данными. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) широко используется в различных беспроводных системах связи, таких как системы, которые реализуют известные стандарты IEEE 802.11a и 802.11g. Стандарты IEEE 802.11a и 802.11g вообще рассматривают операцию с одним входом и одним выходом (SISO), в соответствии с которой передающее устройство использует одну антенну для передачи данных и принимающее устройство обычно использует одну антенну для приема данных.
Система связи с несколькими антеннами может поддерживать связь и для устройств с одной антенной и для устройств с несколькими антеннами. В этой системе устройство с несколькими антеннами может использовать свои несколько антенн для передачи данных устройству с одной антенной. Устройство с несколькими антеннами и устройство с одной антенной могут реализовать любую из множества традиционных схем разнесения при передаче для получения разнесения при передаче и улучшения эксплуатационных показателей для передачи данных. Одна такая схема разнесения при передаче описана Аламоути (S.M.Alamouti) в статье "Методика простого разнесения при передаче для беспроводной связи", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, издание 16, номер 8, октябрь 1998 года, стр.1451-1458. В схеме Аламоути передающее устройство передает каждую пару символов модуляции с двух антенн в двух периодах символа, и принимающее устройство объединяет два принятых символа, полученных в двух периодах символа, для восстановления пары символов модуляции, отправленных передающим устройством. Схема Аламоути, как и большинство других традиционных схем разнесения при передаче, требует, чтобы принимающее устройство выполняло специальную обработку, которая может отличаться в разных схемах, для восстановления переданных данных и получения эффекта от разнесения на передаче.
"Унаследованное" устройство с одной антенной может быть спроектировано только для операции с одним входом и одним выходом (SISO), как описано ниже. Это обычно имеет место, когда беспроводное устройство спроектировано для стандарта IEEE 802.11а или 802.11g. Такое унаследованное устройство с одной антенной не сможет выполнять специальную обработку, требуемую самыми традиционными схемами разнесения при передаче. Тем не менее очень желательно, чтобы устройство с несколькими антеннами передавало данные унаследованному устройству с одной антенной таким образом, чтобы могли быть достигнуты большая надежность и/или улучшенные эксплуатационные показатели.
Поэтому в области техники имеется потребность в методике достижения разнесения при передаче в системе на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) специально для унаследованных устройств с одной антенной.
Раскрытие изобретения
Здесь описывается методика выполнения пространственной обработки для достижения направляющего разнесения, которое может обеспечить разнесение при передаче, большую надежность и/или улучшенные эксплуатационные показатели для передачи данных, отправленных через несколько антенн. В соответствии с вариантом воплощения изобретения обеспечивается способ, в котором сначала получают входные символы, которые должны быть переданы на нескольких частотных поддиапазонах нескольких антенн. Входной символ для каждого частотного поддиапазона каждой антенны модифицируют посредством сдвига фазы, выбранного для этого частотного поддиапазона и антенны, для формирования сдвинутого по фазе символа для частотного поддиапазона и антенны. Сдвинутые по фазе символы для нескольких частотных поддиапазонов каждой антенны затем обрабатывают для получения последовательности отсчетов для этой антенны.
В соответствии с другим вариантом воплощения описано устройство, которое включает в себя пространственный процессор и модулятор. Пространственный процессор получает входные символы, которые должны быть переданы на нескольких частотных поддиапазонах нескольких  антенн, и модифицирует входной символ для каждого частотного поддиапазона каждой антенны посредством сдвига фазы, выбранного для этого частотного поддиапазона и антенны, для формирования сдвинутого по фазе символа для частотного поддиапазона и антенны. Модулятор обрабатывает сдвинутые по фазе символы для нескольких частотных поддиапазонов каждой антенны для получения последовательности отсчетов для этой антенны.
В соответствии с еще одним вариантом воплощения описано устройство, которое включает в себя средство получения входных символов, которые должны быть переданы на нескольких частотных поддиапазонах нескольких антенн, средство модификации входного символа для каждого частотного поддиапазона каждой антенны посредством сдвига фазы, выбранного для этого частотного поддиапазона и антенны, для формирования сдвинутого по фазе символа для частотного поддиапазона и антенны и средство обработки сдвинутых по фазе символов для нескольких частотных поддиапазонов каждой антенны для получения последовательности отсчетов для этой антенны.
В соответствии с еще одним вариантом воплощения обеспечивается способ, в котором данные обрабатывают для получения входной последовательности временных отсчетов. Затем формируют несколько выходных последовательностей временных отсчетов для нескольких антенн посредством модификации во времени (например, задержки или циклического сдвига) входной последовательности временных отсчетов. Несколько выходных последовательностей передают с нескольких антенн.
В соответствии с еще одним вариантом воплощения описано устройство, которое включает в себя модулятор для обработки данных для получения входной последовательности временных отсчетов, процессор для формирования нескольких выходных  последовательностей временных отсчетов для нескольких антенн посредством модификации во времени входной последовательности временных отсчетов и несколько блоков передатчика для передачи нескольких выходных последовательностей с нескольких антенн.
В соответствии с еще одним вариантом воплощения описано устройство, которое включает в себя средство обработки данных для получения входной последовательности временных отсчетов, средство формирования нескольких выходных последовательностей временных отсчетов для нескольких антенн посредством модификации во времени входной последовательности временных отсчетов и средство передачи нескольких выходных последовательностей с нескольких антенн.
Ниже более подробно описаны различные аспекты и варианты воплощения изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует систему с несколькими антеннами с точкой доступа и пользовательскими терминалами.
Фиг.2 иллюстрирует блок-схему передающего объекта с несколькими антеннами, принимающего объекта с одной антенной и принимающего объекта с несколькими антеннами.
Фиг.3 иллюстрирует форму сигнала OFDM в частотной области.
Фиг.4 иллюстрирует блок-схему модулятора OFDM.
Фиг.5 показывает модель для передачи с направляющим разнесением для одного поддиапазона.
Фиг.6 иллюстрирует пространственный процессор передачи и модулятор OFDM.
Фиг.7 иллюстрирует графики линейных сдвигов фазы по поддиапазонам для четырех антенн.
Фиг.8A и 8B показывают два варианта воплощения для достижения линейных сдвигов фазы с использованием различных задержек для временных отсчетов.
Фиг.8C иллюстрирует передачи с T передающих антенн для вариантов воплощения, показанных на фиг.8A и 8B.
Фиг.9A иллюстрирует вариант воплощения для достижения линейных сдвигов фазы с использованием циклических сдвигов для временных отсчетов.
Фиг.9B иллюстрирует передачи с T передающих антенн для варианта воплощения, показанного на фиг.9A.
Осуществление изобретения
Слово "иллюстративный" используется здесь для обозначения "служащий примером, являющийся случаем или иллюстрацией". Любой вариант воплощения, описанный здесь как "иллюстративный", не должен обязательно рассматриваться как предпочтительный или приносящий выгоду по сравнению с другими вариантами воплощения.
Фиг.1 показывает систему 100 с несколькими антеннами с точкой 110 доступа и пользовательскими терминалами 120. Точкой доступа обычно является неподвижная станция, которая взаимодействует с пользовательскими терминалами, и может также называться базовой станцией или каким-либо другим термином. Пользовательский терминал может быть неподвижным или подвижным и может также называться мобильной станцией, беспроводным устройством, пользовательским оборудованием или каким-либо другим термином. Для централизованной архитектуры к точкам доступа присоединен системный контроллер 130, который обеспечивает координацию и управление для этих точек доступа.
Точка 110 доступа оборудована несколькими антеннами для передачи и приема данных. Каждый пользовательский терминал 120 может быть оборудован одной антенной или несколькими антеннами для передачи и приема данных. Пользовательский терминал может взаимодействовать с точкой доступа, в этом случае роли точки доступа и пользовательского терминала установлены. Пользовательский терминал может также взаимодействовать по одноранговой связи с другим пользовательским терминалом. В последующем описании передающий объект оборудован несколькими (T) передающими антеннами, и принимающий объект может быть оборудован одной антенной или несколькими (R) антеннами. Когда принимающий объект оборудован одной антенной, имеет место передача с множественным входом и одним выходом (MISO), а когда принимающий объект оборудован несколькими антеннами, имеет место передача  с множественным входом и множественным выходом (MIMO).
Фиг.2 показывает блок-схему передающего объекта 210 с несколькими антеннами, принимающего объекта 250x с одной антенной и принимающего объекта 250y с несколькими антеннами в системе 100. Передающий объект 210 может быть точкой доступа или пользовательским терминалом с несколькими антеннами. Каждый принимающий объект 250 также может быть точкой доступа или пользовательским терминалом.
В передающем объекте 210 процессор 212 данных передачи (TX) обрабатывает (например, кодирует, осуществляет перемежение и  преобразование символов) данные трафика/пакетные данные и формирует символы данных. Здесь "символом данных" называется символ модуляции для данных, "контрольным символом" называется символ модуляции для контрольных данных (которые являются данными,  заранее известными и передающему, и принимающему объекту), "символом передачи" называется символ, который должен быть отправлен с передающей антенны, и "принятым символом" называется символ, полученный от принимающей антенны. Пространственный процессор 220 передачи принимает и демультиплексирует контрольные символы и символы данных на надлежащие поддиапазоны, соответствующим образом выполняет пространственную обработку и выдает T потоков символов передачи для T передающих антенн. Модулятор (Mod) 230 OFDM выполняет  модуляцию OFDM T потоков символов передачи и выдает T потоков отсчетов T блокам 232a-232t передатчика (TMTR). Каждый блок 232 передатчика обрабатывает (например, преобразовывает в аналоговую форму, усиливает, фильтрует и осуществляет повышающее преобразование частоты) свой поток символов передачи и формирует модулированный сигнал. Блоки 232a-232t передатчика выдают T модулированных сигналов для передачи с T антенн 234a-234t соответственно.
В принимающем объекте 250x с одной антенной антенна 252x принимает T переданных сигналов и выдает принятый сигнал блоку 254x приемника (RCVR). Блок 254x приемника выполняет обработку, которая является комплементарной к обработке, выполненной блоками 232  передатчика, и выдает поток отсчетов. Демодулятор (Demod) 260x OFDM выполняет демодуляцию OFDM потока отсчетов для получения принятых символов данных и контрольных символов, выдает принятые символы данных детектору 270x и выдает принятые контрольные  символы блоку 284x оценки качества канала в контроллере 280x. Блок 284x оценки качества канала выводит оценки качества канала для действующих каналов с одним входом и одним выходом (SISO) между передающим объектом 210 и принимающим объектом 250x для поддиапазонов, используемых для передачи данных. Детектор 270x выполняет обнаружение принятых символов данных для каждого поддиапазона на основе оценки качества действующего канала с одним входом и одним выходом (SISO) для этого поддиапазона и выдает поток обнаруженных символов для всех поддиапазонов. Затем процессор 272x данных приема (RX) обрабатывает (например, осуществляет обратное преобразование символов, осуществляет обратное перемежение и декодирует) поток обнаруженных символов и выдает декодированные данные.
В принимающем объекте 250y с несколькими антеннами R антенн 252a-252r принимают T переданных сигналов, и каждая антенна 252 выдает принятый сигнал соответствующему блоку 254 приемника. Каждый блок 254 приемника обрабатывает соответствующий принятый сигнал и выдает поток отсчетов соответствующему демодулятору 260 OFDM. Каждый демодулятор 260 OFDM выполняет демодуляцию OFDM своего потока отсчетов для получения принятых символов данных и контрольных символов, выдает принятые символы данных пространственному процессору 270y приема (RX) и выдает принятые контрольные символы блоку 284y оценки качества канала в контроллере 280y. Блок 284y оценки качества канала выводит оценки качества канала для фактических или действующих каналов с множественным входом и множественным выходом (MIMO) между передающим объектом 210 и принимающим объектом 250y для поддиапазонов, используемых для передачи данных. Контроллер 280y выводит матрицы пространственной фильтрации на основе оценок качества канала с множественным входом и множественным выходом (MIMO).  Пространственный процессор 270y приема выполняет пространственную обработку приема (или пространственную согласованную фильтрацию)  принятых символов данных для каждого поддиапазона с помощью матрицы пространственной фильтрации, выведенной для этого поддиапазона, и выдает обнаруженные символы для поддиапазона. Затем процессор 272y данных приема обрабатывает обнаруженные символы для всех поддиапазонов и выдает декодированные данные.
Контроллеры 240, 280x и 280y управляют работой блоков обработки в передающем объекте 210 и принимающих объектах 250x и 250y соответственно. Блоки 242, 282x и 282y памяти хранят данные и/или код программы, используемые контроллерами 240, 280x и 280y соответственно.
D
P
G
D
P
G
Фиг.3 показывает форму сигнала OFDM в частотной области. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) обеспечивает в сумме K поддиапазонов, и поднесущая для каждого поддиапазона может быть индивидуально модулирована данными. Из всех K поддиапазонов N поддиапазонов могут использоваться для передачи данных, N поддиапазонов могут использоваться для передачи контрольных сигналов и оставшиеся N поддиапазонов могут не использоваться и служить защитными поддиапазонами, где К = N + N + N. Например, стандарт 802.11a использует структуру мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM), в которой имеется в сумме 64 поддиапазона, из которых 48 поддиапазонов используются для передачи данных, 4 поддиапазона используются для передачи контрольных сигналов и 12 поддиапазонов не используются. Вообще система 100 может использовать любую структуру мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) с любым количеством поддиапазонов данных, поддиапазонов контрольных сигналов, защитных поддиапазонов и суммарным количеством поддиапазонов. Для простоты последующее описание предполагает, что все K поддиапазонов используются для передачи данных и контрольных сигналов.
B
Фиг.4 показывает блок-схему модулятора 230 OFDM в передающем объекте 210. Данные, которые должны быть переданы (или информационные биты), обычно сначала кодируются для формирования кодовых битов, которые затем подвергаются перемежению. Перемеженные биты затем группируются в двоичные значения с B битами, где В≥1. Каждое значение с B битами затем отображается в отдельный символ модуляции на основе выбранной для использования схемы модуляции (например, М-позиционной фазовой манипуляции (M-PSK) или M-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (M-QAM), где M=2). Каждый символ модуляции представляет собой комплексное значение в совокупности сигналов для выбранной схемы модуляции. В каждый период символа OFDM на каждом поддиапазоне может быть передан один символ модуляции. (Для каждого неиспользуемого поддиапазона обычно задается нулевое значение сигнала, которое также называют нулевым символом.) Блок 432 обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) принимает K символов модуляции для K поддиапазонов в каждом периоде символа OFDM, преобразовывает K символов модуляции во временную область с помощью обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) с количеством точек, равным K, и выдает "преобразованный" символ, который содержит K временных отсчетов. Каждый отсчет представляет собой комплексное значение, которое должно быть передано в одном периоде отсчета. Параллельно-последовательный (P/S) преобразователь 434  преобразовывает K отсчетов для каждого преобразованного символа в последовательную форму. Затем формирователь 436 циклического префикса повторяет часть (или C отсчетов) каждого преобразованного символа для формирования символа OFDM, который содержит К+С отсчетов. Циклический префикс используется для борьбы с межсимвольными помехами (ISI), вызванными выборочным затуханием частот, которое является частотной характеристикой, изменяющейся по всей системной полосе пропускания. Период символа OFDM (который здесь также называется просто "периодом символа") представляет собой продолжительность одного символа OFDM и равен К+C периодам отсчета.
В системе 100 между передающим объектом с несколькими антеннами и принимающим объектом с одной антенной имеется канал со множественным входом и с одним выходом (MISO). Для системы на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) канал с множественным входом и с одним выходом (MISO), сформированный T антеннами в передающем объекте и одной антенной в принимающем объекте, может быть охарактеризован множеством из K векторов-строк характеристик канала, каждый размерности 1×T, который может быть выражен как:
, где k = 0, ..., K-1, Уравнение (1)
где k - индекс для поддиапазона и , i = 0, ..., T-1, обозначает связанный или комплексный коэффициент усиления между передающей антенной i и одной принимающей антенной для поддиапазона k. Для простоты характеристика  канала с множественным входом и с одним выходом (MISO) показана как функция только поддиапазона k, но не времени.
Если передающий объект имеет точную оценку характеристики канала с множественным входом и с одним выходом (MISO), то он может выполнить пространственную обработку, чтобы направить передачу данных на принимающий объект. Однако если передающий объект не имеет точной оценки беспроводного канала, то T передач с T антенн не могут быть интеллектуально скорректированы на основе беспроводного канала.
Когда точная оценка канала недоступна, передающий объект может передавать данные со своих T антенн принимающему объекту с одной антенной с использованием направляющего разнесения для достижения разнесения при передаче, большей надежности и/или улучшенных эксплуатационных показателей. При направляющем разнесении передающий объект выполняет пространственную обработку так, чтобы передача данных придерживалась различных действующих каналов по поддиапазонам, используемым для передачи данных. Следовательно, эксплуатационные показатели не диктуются плохой реализацией канала. Пространственная обработка для направляющего разнесения также является такой, чтобы принимающий объект с одной антенной мог выполнить обычную обработку для операции с одним входом и одним выходом (SISO) (и не должен был выполнять любую другую специальную обработку для разнесения при передаче), чтобы восстановить передачу данных и использовать эффект от разнесения при передаче. Для ясности последующее описание дается вообще для одного символа OFDM, и индекс времени опущен.
0
T-1
0
T-1
Фиг.5 показывает модель для передачи с направляющим разнесением для одного поддиапазона k от передающего объекта 210 с несколькими антеннами принимающему объекту 250x с одной антенной. Символ модуляции s(k), который должен быть отправлен на поддиапазоне k, пространственно обработан с применением T комплексных весовых коэффициентов (или скалярных значений) с v(k) по v(k) для получения T символов передачи для поддиапазона k, которые затем обрабатываются и отправляются с T передающих антенн. T символов передачи для поддиапазона k придерживаются характеристик канала с h(k) по h(k).
Передающий объект выполняет пространственную обработку для каждого поддиапазона k для направляющего разнесения следующим образом:
, где k = 0, ..., K-1, Уравнение (2)
где s(k) - символ модуляции, который должен быть отправлен в поддиапазоне k;
- направляющий вектор размерности T×1 для поддиапазона k;
- вектор размерности T×1 с T символами передачи, которые должны быть отправлены с T передающих антенн в поддиапазоне k; и
"" обозначает транспонирование.
Вообще символ модуляции s(k) может быть любым действительным или комплексным значением (например, значением сигнала, равным нулю) и не необязательно должен быть из совокупности сигналов.
Принятые символы в принимающем объекте для каждого поддиапазона k могут быть выражены как:
где k = 0, ..., K-1, Уравнение (3)
где r(k) - принятый символ для поддиапазона k;
eff
h(k) - характеристика действующего канала с одним входом и одним выходом (SISO) для поддиапазона k, которая равна
; и
n(k) - шум для поддиапазона k.
eff
eff
Как показано в уравнении (3), пространственная обработка посредством передающего объекта для направляющего разнесения приводит к тому, что символ модуляции s(k) для каждого поддиапазона k придерживается характеристики h(k) действующего канала с одним входом и одним выходом (SISO), которая включает в себя характеристику  фактического канала с множественным входом и одним выходом (MISO) и направляющий вектор  для этого поддиапазона. Принимающий объект может оценить характеристику h(k) действующего канала с одним входом и одним выходом (SISO), например, на основе контрольных символов, принятых от передающего объекта. Принимающий объект затем может выполнить обнаружение или согласованную фильтрацию принятого символа r(k) для каждого поддиапазона k с применением оценки  характеристики действующего канала с одним входом и одним выходом (SISO) для этого поддиапазона для получения обнаруженного символа , который является оценкой символа s(k) модуляции, переданного на поддиапазоне.
Принимающий объект может выполнить согласованную фильтрацию следующим образом:
, Уравнение (4)
где  обозначает сопряжение и  - шум после согласованной фильтрации. Операция обнаружения в уравнении (4) является той же, которая была бы выполнена принимающим объектом для передачи с одним входом и одним выходом (SISO). Однако для обнаружения используется оценка  характеристики действующего канала с одним входом и одним выходом (SISO) вместо оценки  характеристики канала с одним входом и одним выходом (SISO).
При направляющем разнесении принимающий объект не должен знать, используется ли для передачи данных одна антенна или несколько антенн, и также не должен знать направляющий вектор, используемый для каждого поддиапазона. Тем не менее принимающий объект может  воспользоваться эффектом от направляющего разнесения, если по поддиапазонам используются различные направляющие векторы и для этих поддиапазонов сформированы различные действующие каналы с одним входом и одним выходом (SISO). Тогда передача данных, отправленная по нескольким поддиапазонам, будет придерживаться совокупности различных действующих каналов с одним входом и одним выходом (SISO) по поддиапазонам, используемым для передачи данных.
i
i
0
T-1
Фиг.6 показывает блок-схему пространственного процессора 220a передачи и модулятора 230a OFDM, которые являются вариантом воплощения соответственно пространственного процессора 220 передачи и модулятора 230 OFDM на фиг.2. Пространственный процессор 220a передачи принимает K символов модуляции (или, в общем, входных символов) с s(0) по s(K-1) для K поддиапазонов для каждого периода символа OFDM. В пространственном процессоре 220a передачи другое множество из K умножителей 620 умножает K символов модуляции на множество из K весовых коэффициентов с v(0) по v(K-1) для каждой передающей антенны i и выдает K взвешенных символов для этой антенны. Символ s(k) модуляции для каждого поддиапазона k передается со всех T антенн и умножается на T весовых коэффициентов с v(k) по v(k) для T передающих антенн для этого поддиапазона. Пространственный процессор 220a передачи выдает T множеств из K взвешенных символов для T передающих антенн.
В модуляторе 230a OFDM множество из K взвешенных символов для каждой передающей антенны i преобразовывается во временную область посредством соответствующего блока 632 обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) для получения преобразованного символа для этой антенны. К временных отсчетов для преобразованного символа для каждой передающей антенны i преобразовываются в последовательную форму посредством соответствующего параллельно-последовательного (P/S) преобразователя 634 и далее к ним прилагается циклический префикс посредством формирователя 636 циклического префикса для формирования символа OFDM для этой антенны. Затем символ OFDM для каждой передающей антенны i обрабатывается блоком 232 передатчика для этой антенны и передается через антенну.
Для направляющего разнесения передающий объект использует разные направляющие векторы для разных поддиапазонов, каждый направляющий вектор определяет или формирует луч для соответствующего поддиапазона. Вообще желательно использовать как можно больше различных направляющих векторов по поддиапазонам, чтобы достичь большего направляющего разнесения. Например, разные направляющие векторы могут использоваться для каждого из K поддиапазонов, и множество из К направляющих векторов, используемых для K поддиапазонов, можно обозначить . Для каждого поддиапазона направляющий вектор может быть одним и тем же по времени или может изменяться, например, с каждым периодом символа.
Вообще говоря, для направляющего разнесения для каждого из K поддиапазонов может использоваться любой направляющий вектор. Однако чтобы гарантировать, что не ухудшаются эксплуатационные показатели для устройств с одной антенной, которые не знают о выполнении направляющего разнесения, а также полагаются на некоторую корреляцию по поддиапазонам, направляющие векторы могут быть определены так, чтобы лучи изменялись по поддиапазонам непрерывно, а не резко. Это может быть достигнуто посредством применения непрерывно изменяющихся сдвигов фазы по поддиапазонам для каждой передающей антенны. Как пример сдвиги фазы могут изменяться линейно по  поддиапазонам для каждой передающей антенны, и каждая антенна может соответствовать различным фазовым наклонам, как описано ниже. Применение линейно изменяющихся сдвигов фазы к символам модуляции в частотной области может быть достигнуто посредством временного изменения (например, либо задержки, либо циклического сдвига) соответствующих временных отсчетов. Если для разных поддиапазонов используются разные направляющие векторы, то символы модуляции для этих поддиапазонов излучаются в разных направлениях посредством массива из N передающих антенн. Если закодированные данные распределены по нескольким поддиапазонам с различным направлением, то эксплуатационные показатели декодирования, вероятно, улучшатся благодаря увеличенному разнесению.
Если направляющие векторы для смежных поддиапазонов формируют лучи в сильно отличающихся направлениях, то характеристика  действующего канала с одним входом и одним выходом (SISO) также будет сильно изменяться на смежных поддиапазонах. Некоторые принимающие объекты могут не знать, что выполняется направляющее разнесение, такие как унаследованные устройства с одной антенной в системе стандарта IEEE 802.11a. Эти принимающие объекты могут предполагать, что характеристика канала изменяется по поддиапазонам медленно, и могут выполнять оценку качества канала таким образом, чтобы упростить конструкцию приемника. Например, эти принимающие объекты могут оценивать характеристику канала для подмножества всех K поддиапазонов и использовать интерполяцию или какую-либо другую методику получения оценки характеристики канала для других поддиапазонов. Использование резко изменяющихся направляющих векторов (например, псевдослучайных направляющих векторов) может значительно ухудшить эксплуатационные показатели этих принимающих объектов.
Чтобы обеспечить разнесение при передаче и избежать ухудшения эксплуатационных показателей унаследованных принимающих объектов, направляющие векторы могут быть выбраны таким образом, что (1) для разных поддиапазонов используются разные лучи и (2) лучи для смежных поддиапазонов имеют плавные, а не резкие переходы. Весовые коэффициенты, используемые для K поддиапазонов T передающих антенн, могут быть выражены как:
, Уравнение (5)
где  - матрица весовых коэффициентов размерности T×K для K поддиапазонов T передающих антенн.
В варианте воплощения весовые коэффициенты в матрице  определены следующим образом:
, где i =0,...,T-1 и k =0,...,K-1, Уравнение (6)
где  - комплексный коэффициент усиления для передающей антенны i;
- весовой коэффициент для поддиапазона k передающей антенны i; и
- мнимое значение, определенное как .
Модуль комплексного коэффициента усиления для каждой передающей антенны можно установить равным единице, или , где i = 0, ..., T-1. Весовые коэффициенты, показанные в уравнении (6), соответствуют последовательному сдвигу фазы для каждого поддиапазона и антенны. Эти весовые коэффициенты фактически формируют немного отличающиеся лучи для каждого поддиапазона для линейного массива из T антенн, расположенных на равном расстоянии друг от друга.
В конкретном варианте воплощения весовые коэффициенты определены следующим образом:
, Уравнение (7)
где  i = 0, ..., T-1  и k = 0, ..., K-1. Вариант воплощения, показанный в уравнении (7), использует  для уравнения (6). Это приводит к разным сдвигам фазы, применяемым к каждой антенне.
Фиг.7 показывает графики сдвигов фазы для каждой передающей антенны для случая, когда T = 4. Обычно полагают, что центр K поддиапазонов находится на нулевой частоте, как показано на фиг.3. Весовые коэффициенты, сформированные на основе уравнения (7), могут быть интерпретированы как создание линейного сдвига фазы по K поддиапазонам. Каждая передающая антенна i, где i = 0, ..., T-1, соответствует фазовому наклону со значением . Сдвиг фазы для каждого поддиапазона k, где k = 0, ..., K-1, для каждой передающей антенны задан как  Использование  приводит к тому, что поддиапазон k = K/2 придерживается нулевого сдвига фазы.
Весовые коэффициенты, полученные на основе уравнения (7), могут быть рассмотрены как линейный фильтр, имеющий дискретную частотную характеристику , которая может быть выражена как:
, Уравнение (8)
center
center
где i = 0, ..., T-1 и  = (-K/2), ..., (K/2-1). Индекс k поддиапазона используется для схемы нумерации поддиапазонов, которая помещает нулевую частоту в поддиапазон N=K/2, как показано в фиг.3. Индекс  поддиапазона является версией индекса k поддиапазона, смещенной на K/2, или =k-K/2. Это приводит к тому, что в новой схеме нумерации поддиапазонов с индексом  нулевой поддиапазон находится на нулевой частоте.  N может быть равным некоторому другому значению вместо K/2, если индекс  определен каким-либо другим способом (например, k = 1, ..., K) или если K является нечетным числом.
Дискретная временная импульсная характеристика  для линейного фильтра может быть получена посредством применения обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) с количеством точек, равным K, к дискретной частотной характеристике . Импульсная характеристика  может быть выражена как:
,
, Уравнение (9)
,
где n - индекс для периода отсчета, имеющий диапазон n = 0, ..., K-1. Уравнение (9) указывает, что импульсная характеристика  для передающей антенны i имеет единственный импульс с единичным значением при задержке на i периодов отсчета и равна нулю при всех других задержках.
i
i
Пространственная обработка с весовыми коэффициентами, определенными как показано в уравнении (7), может быть выполнена посредством умножения K символов модуляции для каждой передающей антенны i на K весовых коэффициентов с v(0) по v(K-1) для этой антенны и затем применением обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) с количеством точек, равным K, к K взвешенным символам. Эквивалентно пространственная обработка с этими весовыми коэффициентами может быть достигнута посредством (1) применения обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) с количеством точек, равным K, к K символам модуляции для получения K временных отсчетов и (2) выполнения циклической свертки K временных отсчетов с помощью импульсной характеристики , которая имеет единственный импульс с единичным значением при задержке на i периодов отсчета.
Фиг.8A показывает блок-схему пространственного процессора 220b передачи и модулятора 230b OFDM, которые являются другим вариантом воплощения соответственно пространственного процессора 220 передачи и модулятора 230 OFDM на фиг.2. Модулятор 220b OFDM принимает K символов модуляции с s(0) по s(K-1) для K поддиапазонов для каждого периода символа OFDM. В модуляторе 230b OFDM модуль 832 обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) применяет обратное дискретное преобразование Фурье (IDFT) с количеством точек, равным K, к K символам модуляции и выдает K временных отсчетов. Параллельно-последовательный (P/S) преобразователь 834 преобразовывает K временных отсчетов в последовательную форму. Затем формирователь 836 циклического префикса прилагает циклический префикс из C отсчетов и выдает символ OFDM, содержащий К+С отсчетов, пространственному процессору 220b передачи. Пространственный процессор 220b передачи включает в себя T блоков 822a-822t цифровой задержки для T передающих антенн. Каждый блок 822 задержки принимает и задерживает символ OFDM от демодулятора 230b OFDM на различное значение, определяемое соответствующей передающей антенной. В частности, модуль 822a задержки для передающей антенны 234a задерживает символ OFDM на нуль периодов отсчета, модуль 822b задержки для передающей антенны 234b задерживает символ OFDM на один период отсчета и так далее, и модуль  822t задержки для передающей антенны 234t задерживает символ OFDM на T-1 периодов отсчета. Последующая обработка посредством блоков 232 передатчика выполняется, как описано выше.
sam
sam
sam
Фиг.8B показывает блок-схему модулятора 230b OFDM и пространственного процессора 220c передачи, который является еще одним вариантом воплощения пространственного процессора 220 передачи на фиг.2. Модулятор 220b OFDM выполняет модуляцию OFDM K символов модуляции для каждого периода символа OFDM, как описано выше для фиг.8A. Затем блок 232 передатчика принимает и обрабатывает символ OFDM для каждого периода символа, чтобы сформировать модулированный сигнал. Пространственный процессор 220c передачи обеспечивает запаздывание в аналоговом представлении. Пространственный процессор 220c передачи включает в себя T блоков 824a-824t аналоговой задержки для T передающих антенн. Каждый модуль 824 задержки принимает и задерживает модулированный сигнал на различное значение, определяемое соответствующей передающей антенной. В частности, модуль 824a задержки для первой передающей антенны 234a задерживает модулированный сигнал на нуль секунд, модуль 824b задержки для второй передающей антенны 234b задерживает модулированный сигнал на один период отсчета (или T секунд) и так далее, и модуль 824t задержки для передающей антенны 234t с порядковым номером T задерживает модулированный сигнал на (T-1) периодов отсчета (или (T-1)·T секунд). Период отсчета равен T=1/(BW·(K+C)), где ВW - полная ширина полосы пропускания системы в герцах.
Фиг.8C показывает временную диаграмму для T передач с T передающих антенн для вариантов воплощения, показанных на фиг. 8A и 8B. Один и тот же символ OFDM передается с каждой из T передающих антенн. Однако символ OFDM, отправленный с каждой передающей антенны, задержан на различные значения. T символов OFDM с задержкой и без задержки для T антенн могут быть рассмотрены как T различных версий одного и того же символа OFDM.
upsam
sam
upsam
upsam
sam
Для вариантов воплощения, показанных в уравнениях с (7) по (9) и фиг. с 8A по 8C, задержки для T передающих антенн представляют собой целые числа периодов отсчета. Фазовые наклоны, которые приводят к задержкам на нецелое число для T передающих антенн (или , где L > 1) также могут быть реализованы. Например, временные отсчеты от модулятора 230b OFDM на фиг.8A могут быть дискретизированы с более высокой частотой (например, с периодом Т=Т/L), и отсчеты с более высокой частотой дискретизации могут быть задержаны блоками 822 цифровой задержки на целые числа периодов отсчета с более высокой частотой дискретизации (T). В качестве альтернативы блоки 824 аналоговой задержки на фиг.8B могут обеспечить задержки на целые числа T (вместо T).
Когда количество передающих антенн меньше, чем длина циклического префикса (или T < С), циклический префикс, приложенный к каждому символу OFDM, делает так, что линейная задержка посредством блоков 822 цифровой задержки или блоков 824 аналоговой задержки выглядит как круговое вращение для циклической свертки с помощью временной импульсной характеристики . Весовые коэффициенты, определенные в уравнении (7) таким образом, могут быть реализованы посредством задержки по времени на i периодов отсчета для каждой передающей антенны i, как показано на фиг. с 8A по 8C. Однако, как показано на фиг.8C, символ OFDM передается с T передающих антенн с различными задержками, что уменьшает эффективность циклического префикса для защиты от задержки при многолучевом распространении.
Обратное дискретное преобразование Фурье (IDFT) K взвешенных символов (которые получены посредством умножения K символов модуляции на наклон фазы, показанный в уравнении (7)) дает последовательность временных отсчетов, которая является равной циклическому сдвигу K временных отсчетов от обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT)  K (невзвешенных первоначальных) символов модуляции. Пространственная обработка, таким образом, может быть выполнена посредством циклического сдвига этих K временных отсчетов.
Фиг.9A показывает блок-схему модулятора 230d OFDM и пространственного процессора 220d передачи, которые являются еще одним вариантом воплощения соответственно модулятора 230 OFDM и пространственного процессора 220 передачи на фиг.2. В модуляторе 230d OFDM блок 932 обратного дискретного преобразования Фурье (IDFT) производит обратное дискретное преобразование Фурье (IDFT) с количеством точек, равным K, над K символами модуляции и выдает K временных отсчетов, и параллельно-последовательный (P/S) преобразователь 934 преобразовывает K временных отсчетов в последовательную форму. Пространственный процессор 220d передачи включает в себя T блоков 922a-922t циклического сдвига для T передающих антенн. Каждый блок 922 принимает K временных отсчетов от параллельно-последовательного преобразователя 934, выполняет циклический сдвиг K временных отсчетов на i отсчетов для передающей антенны i и выдает циклически сдвинутый преобразованный символ, содержащий К отсчетов. В частности, блок 922a выполняет циклический сдвиг на 0 отсчетов для передающей антенны 234a, блок 922b выполняет циклический сдвиг на 1 отсчет для передающей антенны 234b и так далее, и блок 922t выполняет циклический сдвиг на (T-1) отсчетов для передающей антенны 234t. T формирователей 936a-936t циклического префикса принимают циклически сдвинутые преобразованные символы от блоков 922a-922t, соответственно. Каждый формирователь 936 циклического префикса прилагает циклический префикс из C отсчетов к своему циклически сдвинутому преобразованному символу и выдает символ OFDM, содержащий (K + C) отсчетов. Последующая обработка блоками 232a-232t передатчика выполняется как описано выше.
Фиг.9B показывает временную диаграмму для T передач с T передающих антенн для варианта воплощения, показанного на фиг.9A. Разные версии символа OFDM формируются для каждой из T передающих антенн посредством циклического сдвига на разные величины. Однако T разных версий символа OFDM отправляются с T передающих антенн в одно и то же время.
Варианты воплощения, показанные на фиг.8A, 8B и 9A, иллюстрируют некоторые из способов, которыми может быть выполнена пространственная обработка для направляющего разнесения. Вообще пространственная обработка для направляющего разнесения может быть выполнена различными способами и в разных местах в передающем объекте. Например, пространственная обработка может быть выполнена во временной области или в частотной области, с использованием цифровых схем или аналоговых схем, до или после модуляции OFDM и так далее.
Уравнения (6) и (7) представляют функцию, которая обеспечивает линейно изменяющиеся сдвиги фазы по K поддиапазонам для каждой передающей антенны. Применение линейно изменяющихся сдвигов фазы к символам модуляции в частотной области может быть достигнуто посредством либо задержки либо циклического сдвига соответствующих временных отсчетов, как описано выше. Вообще сдвиги фазы по K поддиапазонам для каждой передающей антенны могут быть изменены непрерывно с использованием любой функции таким образом, чтобы лучи  различались по поддиапазонам непрерывно, а не резко. Линейная функция сдвигов фазы - это только один пример непрерывной функции. Непрерывное изменение гарантирует, что эксплуатационные показатели для устройств с одной антенной, которые полагаются на некоторые величины корреляции по  поддиапазонам (например, для упрощения оценки качества канала), не ухудшается.
Выше в описании направляющее разнесение достигается для передачи одного символа модуляции на каждом поддиапазоне в каждый период символа. Несколько (S) символов модуляции через T передающих антенн на одном поддиапазоне в один период символа также могут быть отправлены принимающему объекту с R принимающими антеннами с использованием направляющего разнесения, где S < min {T, R}.
Описанная здесь методика направляющего разнесения может использоваться для различных беспроводных систем. Эта методика может также использоваться для нисходящей (прямой) линии связи, как и для восходящей (обратной) линии связи. Направляющее разнесение может быть выполнено любым объектом, оборудованным несколькими антеннами.
Направляющее разнесение может использоваться различными способами. Например, передающий объект (например, точка доступа или пользовательский терминал) может использовать направляющее разнесение для передачи принимающему объекту (например, другой точке доступа или пользовательскому терминалу), когда точная информация о беспроводном канале не доступна. Точная информация о канале может быть не доступна по различным причинам, например, таким как поврежденный канал обратной связи, плохо откалиброванная система, слишком быстро изменяющееся состояние канала, чтобы передающий объект вовремя использовал/корректировал управление лучом, и так далее. Быстро изменяющееся состояние канала может иметь место, например, из-за того, что передающий и/или принимающий объект движется с высокой скоростью.
Направляющее разнесение может также использоваться для различных приложений в беспроводной системе. В одном приложении широковещательные каналы в системе могут передаваться с использованием направляющего разнесения, как описано выше. Использование направляющего разнесения позволяет беспроводным устройствам в системе, возможно, принимать широковещательные каналы с улучшенной надежностью, тем самым увеличивая дальность действия широковещательных каналов. В другом приложении канал поискового вызова передается с использованием направляющего разнесения. Через использование направляющего разнесения опять могут быть достигнуты улучшенная надежность и больший охват для канала поискового вызова. В еще одном приложении точка доступа стандарта 802.11a использует направляющее разнесение для улучшения эксплуатационных показателей пользовательских терминалов в своей зоне покрытия.
Описанная здесь методика направляющего разнесения может быть реализована различными средствами. Например, эта методика может быть реализована в аппаратных средствах, в программном обеспечении или в их комбинации. При аппаратной реализации блоки обработки, используемые для выполнения пространственной обработки для направляющего разнесения, могут быть реализованы в одном или более таких устройств, как специализированные интегральные схемы (ASIC), цифровые процессоры сигналов (DSP), устройства цифровой обработки сигналов (DSPD), программируемые логические устройства (PLD), программируемые вентильные матрицы (FPGA), процессоры, контроллеры, микроконтроллеры, микропроцессоры, другие электронные блоки, выполненные с возможностью выполнять описанные здесь функции, или их комбинация.
При программной реализации методика направляющего разнесения может быть реализована с помощью модулей (например, процедур, функций и так далее), которые выполняют описанные здесь функции. Программные коды могут быть сохранены в блоке памяти (например, блоке 242 памяти на фиг.2) и выполняться процессором (например, контроллером 240). Блок памяти может быть реализован внутри процессора или быть внешним по отношению к процессору, в последнем случае он может быть соединен с возможностью взаимодействия с процессором через различные средства, известные в области техники.
Предыдущее описание раскрытых вариантов воплощения предоставлено, чтобы дать возможность любому специалисту в области техники осуществить или использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов воплощения будут легко очевидны для специалистов в области техники, и определенные здесь общие принципы могут быть применены к другим вариантам воплощения без отступления от сущности и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не будет ограничено показанными здесь вариантами воплощения, но должно рассматриваться в самом широком объеме, совместимом с раскрытыми здесь принципами и новыми признаками.