СПОСОБ ОЦЕНКИ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ (ВАРИАНТЫ)
EVALUATION METHOD OF DATA TRANSMISSION CHANNEL IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM (VERSIONS)

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к вариантам способа оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи, и может быть использовано в системах беспроводной связи, например, по стандартам IEEE 802.16, IEEE 802.11n, 3GPP LTE, a также других системах беспроводной связи передачи данных, использующих ортогональные по частоте поднесущие (OFDM - orthogonal frequency division multiplexing).
В структуре глобальной системы высокоскоростной беспроводной связи значительную роль играют системы фиксированного и мобильного высокоскоростного беспроводного доступа. К ним можно отнести системы беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16.
Стандарт IEEE 802.16 (см. IEEE Standard 802.16-2004, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, October 1, 2004 [1] и IEEE Standard 802.16e-2005, Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems - Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, February, 2006 [2]) описывает требования к физическому уровню и уровню управления доступом к среде MAC (Media Access Control) для систем фиксированного и мобильного высокоскоростного беспроводного доступа. Стандарт включает большинство ключевых современных технологий, таких как механизмы передачи обслуживания абонентских станций между секторами системы беспроводной связи (НО - handover), поддержка качества сервиса (QoS - quality of service), адаптивное кодирование и модуляция, регулировка мощности, технология передачи данных на ортогональных по частоте поднесущих OFDM, множественный доступ с частотно-временным разделением (OFDMA - orthogonal frequency division multiple access), a также технологию передачи разных данных в одном частотно-временном ресурсе с разных антенн MIMO (multiple input multiple output). Это дает широкие возможности для оптимизации системы беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16.
Для эффективной работы алгоритмов демодуляции передаваемых данных, адаптивной передачи данных, алгоритмов НО, алгоритмов управления ресурсов системы беспроводной связи, алгоритмов MIMO необходимо оценивать условия приема передаваемого сигнала. Для оценки условий приема передаваемого сигнала в свою очередь необходимо оценивать канал передачи данных. Обычно перечисленные выше алгоритмы, необходимые для эффективной работы системы беспроводной связи, синтезируются в предположении идеально известного канала передачи данных (см. D.Gesbert, "Robust linear MIMO receivers: A minimum error-rate approach," IEEE Trans. Signal Processing, Special issue on MIMO, p. to appear, May 2, 2003 [3], A.Zanella, M.Chiani, M.Z.Win, "MMSE reception and successive interference cancellation for MIMO systems with high spectral efficiency," IEEE Trans. Communications, vol.4, no.3, pp.1244-1253, May 2005 [4]). Однако на практике канал передачи данных неизвестен, и даже небольшие ошибки в оценке канала могут приводить к существенному ухудшению эффективности работы алгоритмов. Особенно актуально стоит задача оценки канала передачи данных для технологии MIMO (см. "Link Level Simulator Requirements", Nortel, Document number WUL-018, March 23, 2006, pp.1-83 [5]). В MIMO системах каждая передающая станция имеет несколько передающих антенн. С каждой антенны одновременно передаются разные данные. Приемная сторона также может иметь несколько антенн. Технология MIMO позволяет существенно повысить спектральную эффективность системы беспроводной связи. Поэтому эту технологию предполагается использовать в системах третьего и четвертого поколений.
Рассмотрим кратко особенности передачи данных в системах беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16 в случае временного дуплекса (см. А.В.Гармонов, А.Ю.Савинков, С.А.Филин, С.Н.Моисеев, М.С.Кондаков. Технология OFDM и варианты множественного доступа на ее основе. // Мобильные системы. 2005. №10. С.12-18 [6]). Данные передаются блоками, которые называются кадрами. В случае временного дуплекса кадр состоит из кадра прямого канала и следующего за ним кадра обратного канала. Во временной области кадр состоит из OFDM символов. В частотной области кадр делится на ортогональные поднесущие. В одном OFDM символе на одной поднесущей передают данные в виде символа модуляции. Для того, чтобы обеспечить более точную оценку канала в стандарте IEEE 802.16 предусмотрена передача обучающей последовательности заранее известных символов модуляции. Эти известные символы модуляции называются пилот-символами. Расположение пилот-символов в кадре и их мощность зависит от выбранной технологии передачи данных.
Известно много работ, в которых оценку канала передачи данных выполняют только по пилот-символам. В одном классе работ оценку канала в частотно-временной области выполняют с помощью интерполяции. Интерполяция может быть как одномерной во времени, так и двумерной - во времени и по частоте (см. Jae Kyoung Moon and Song In Choi, "Performance of channel estimation methods for OFDM systems in multipath fading channels," IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.46, No.1, February 2000, pp.161-170 [7], P.Hoeher, S.Kaiser and P.Robertson, "Two-dimensional pilot-symbol-sided channel estimation by Wiener filtering," Proceedings of 1997 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, ICASSP-97, vol.3, pp.1845-1848 [8], F.Said and A.H.Aghvami, "Linear two dimensional pilot assisted channel estimation for OFDM systems," 6 IEEE Conference on Telecommunications, 1998, pp.32-36 [9]).
В другом классе работ оценку канала делают с помощью заранее оцененной статистики канала, в частности - корреляционной функции канала (см. Ye Li, Leonard J.Cimini, Jr., and Nelson R.Sollenberger, "Robust channel estimation for OFDM systems with rapid dispersive fading channels," IEEE Transactions on Communication, Vol.46, No. 7, July 1998, pp.902-915 [10], J.-J. van de Beek, O.Edfors, M.Sandell, S.K.Wilson, and P.O.Borjesson, "On channel estimation in OFDM systems," IEEE Vehicular Technology Conference, 1995, Vol.2, pp.815 819 [11], O.Edfors, M.Sandell, S.K.Wilson, J.-J. van de Beek, and P.O.Borjesson, "OFDM channel estimation by singular value decomposition," IEEE Transactions on Communications, Vol.46 No.7, July 1998, pp.931-939 [12]). Очевидным недостатком такого подхода является сложность оценивания статистики канала. Для оценки, например, корреляционной функции канала или числа отличных от нуля отсчетов импульсной характеристики канала требуется значительное время, тем большее, чем медленнее меняется канал с течением времени.
В еще одном классе работ (см. Steve Gifford, Chad Bergstrom and Scott Chupmn, "Adaptive and linear prediction channel tracking algorithms for mobile OFDM-MIMO applications", General Dynamics C4 Systems, Scottsdale, AZ [13]) оценку канала, сделанную по пилот-символам в текущем блоке данных, улучшают путем использования взвешенных предыдущих оценок канала.
Пилот-символы вносят дополнительные накладные расходы и уменьшают спектральную эффективность системы беспроводной связи. Поэтому число пилот-символов по сравнению с числом передаваемых символов данных относительно невелико. Однако небольшое число пилот-символов существенно затрудняет получение достаточно точной оценки канала. В этом состоит главный недостаток перечисленных выше работ, в которых оценку канала выносят только на основе пилот-символов.
Для того чтобы преодолеть недостатки, связанные с небольшим числом пилот-символов, в ряде работ предлагается для оценки канала использовать наряду с пилот-символами оценки символов данных.
В работе Haris Vikalo, Babak Hassibi and Petre Stoica/'Efficient Joint Maximum-Likelihood Channel Estimation and Signal Detection", IEEE transactions on wireless communications, vol. 5, no. 7, July 2006, pp.1838-1845 [14] для MIMO-OFDM систем предложено совместно оценивать канал по пилот-символам и символам данных. При этом используется упрощенный алгоритм максимального правдоподобия. Пусть наблюдаемые данные можно представить в виде
p
d
X=HS*+n=H[S*+S*]+n,
p
d
где Н обозначает канальную матрицу, S - пилот-символы, S - символы данных, n - белый гауссовский шум. Тогда алгоритм максимального правдоподобия совместного оценивания канальной матрицы и данных будет иметь вид
.
Авторы статьи пытаются упростить этот алгоритм с помощью различных предположений, однако он остается слишком сложным для практической реализации.
В работе Ма X., Kobayashi H., Schwartz S.С., Gu D. Zhang J., "Expectation-maximization-based channel estimation and signal detection for wireless communications systems", Patent US 7092436 B2, Aug. 15, 2006 [15] используется итеративный алгоритм оценки канала и оценки передаваемых символов модуляции. На первом шаге выполняют грубую оценку канала. С помощью этой оценки получают оценки символов данных. На их основе уточняют оценку канала и т.д. В патенте использован метод максимального правдоподобия для оценки канала. Предложенный алгоритм требует знания плотности вероятностей отношения сигнал-шум, среднего значения канала, корреляционной функции канала и числа лучей канала. Все эти величины и функции на практике неизвестны. Поэтому их необходимо дополнительно оценивать. Такая оценка приводит к задержке вынесения окончательного решения о переданных символах модуляции, вносит свои погрешности в оценку канала и является трудно осуществимой на практике.
Наиболее близким по технической сущности решением к заявляемому способу является способ оценки канала в системе со многими поднесущими, описанный в выложенной заявке на патент США №2002/0150037 "Iterative maximum likelihood channel estimation and signal detection for OFDM systems" [16].
Способ-прототип предусматривает выполнение ряда условий и операций, в частности:
используют, как минимум, одну передающую станцию и, как минимум, одну принимающую станцию, которые при передаче и приеме используют технологию OFDM,
при этом алгоритм операций выглядит следующим образом:
передающая станция конвертирует последовательный поток бинарных данных в N параллельных потоков, где N - число OFDM поднесущих для передачи данных, каждому потоку назначают свою поднесущую,
данные модулируют, используя, например, квадратурную фазовую манипуляцию и квадратурную амплитудную модуляцию, схемы модуляции могут варьироваться для разных поднесущих,
символы модуляции преобразуют обратным быстрым преобразованием Фурье в OFDM сигнал,
для уменьшения межсимвольных помех в начало каждого OFDM символа добавляют циклический префикс, который представляет собой продублированную версию последней части OFDM символа,
OFDM сигнал передают через частотно-селективный канал,
приемник принимает переданный сигнал, искаженный многолучевым федингом и белым шумом, отбрасывает циклический префикс,
применяют к оставшемуся сигналу прямое быстрое преобразование Фурье,
выносят по пилот-символам начальную оценку максимального правдоподобия импульсной характеристики многолучевого канала,
на основе вынесенной оценки канала демодулируют принятый сигнал,
на основе демодулированных данных выносят новую оценку максимального правдоподобия канала,
продолжают эту итеративную процедуру до тех пор, пока изменения в оценке канала не станут меньше заранее заданного порога.
Способ-прототип [16] обладает двумя существенными недостатками.
Во-первых, он не гарантирует сходимость итеративной процедуры к истинному значению импульсной характеристики канала из-за наличия многих экстремумов целевой функции правдоподобия. Более того, итеративная процедура способа [6] может расходиться.
Во-вторых, он использует все оценки символов данных на всех поднесущих без учета надежности сделанных оценок. Даже небольшое количество ошибочно демодулированных символов будет в этом случае приводить к значительным ошибкам в оценке канала.
Задача, на решение которой направлен заявляемый способ (варианты), - это повышение эффективности системы беспроводной связи путем более точной оценки канала.
Для решения поставленной задачи заявляется три варианта реализации способа оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи.
Решение поставленной задачи по первому варианту достигается заявляемым способом оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи, при котором:
система беспроводной связи содержит, как минимум, одну или несколько передающих станций, образующих совокупность передающих станций с общим числом передающих антенн G, и, как минимум, одну принимающую станцию с F приемными антеннами, где F≥G, образуя, таким образом, G×F каналов связи,
при этом со всей совокупности передающих станций посредством G передающих антенн передают G независимых потоков данных,
при передаче каждому независимому потоку данных назначают вид кодирования и модуляции и значение мощности передачи,
в каждом независимом потоке данных посредством временного, частотного или частотно-временного мультиплексирования передают известные символы модуляции - пилот-символы, которым назначают заранее известные виды модуляции, значения мощности передачи,
заключающимся в том, что
на передающей станции:
модулируют G независимых потоков данных в соответствии с назначенной схемой модуляции, формируя G потоков символов модуляции,
передают G потоков символов модуляции одновременно и на одной и той же несущей частоте, формируя групповой сигнал;
на принимающей станции:
принимают переданный групповой сигнал на F приемных антенн, получая, таким образом, F наблюдений,
демодулируют пилот-символы,
осуществляют предварительную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн по пилот-символам,
используя полученные предварительные оценки G×F каналов связи, демодулируют символы переданных данных, формируя, таким образом, мягкие решения бит переданных данных,
используя сформированные мягкие решения бит переданных данных, формируют меру надежности оценок символов каждого из G переданных потоков данных,
сравнивают сформированную меру надежности оценок символов данных каждого из G переданных потоков данных с заданной величиной порога и по результатам сравнения принимают решение об отбрасывании наблюдений, мера надежности оценок символов данных которых окажется ниже заданного порога,
осуществляют окончательную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя наблюдения, пилот-символы и оценки символов данных.
При этом, например, окончательные оценки для G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн формируют путем решения системы уравнений по методу наименьших квадратов, в которую не входят отброшенные наблюдения, мера надежности оценки символов данных которых окажется ниже заданного порога.
Решение поставленной задачи по второму варианту достигается заявляемым способом оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи, при котором
система беспроводной связи содержит, как минимум, одну или несколько передающих станций, образующих совокупность передающих станций с общим числом передающих антенн G, и, как минимум, одну принимающую станцию с F приемными антеннами, где F≥G, образуя, таким образом, G×F каналов связи,
при этом со всей совокупности передающих станций посредством G передающих антенн передают G независимых блоков данных,
при передаче каждому блоку данных назначают вид кодирования и модуляции и значение мощности передачи,
в каждом блоке данных посредством временного, частотного или частотно-временного мультиплексирования передают известные символы модуляции - пилот-символы, которым назначают заранее известные виды модуляции, значения мощности передачи,
заключающимся в том, что
на передающей станции:
модулируют G блоков данных в соответствии с назначенной схемой модуляции, формируя G блоков символов модуляции,
передают G блоков символов модуляции одновременно и на одной и той же несущей частоте, формируя групповой сигнал;
на принимающей станции:
принимают переданный групповой сигнал на F приемных антенн, получая, таким образом, F блоков наблюдений;
используя F блоков наблюдений, демодулируют пилот-символы каждого из G блоков данных,
осуществляют первичную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн по пилот-символам,
используя полученные первичные оценки G×F каналов связи, демодулируют символы G блоков переданных данных, формируя, таким образом, мягкие решения бит переданных данных,
используя мягкие решения бит переданных данных, формируют меру надежности оценок символов данных каждого из G переданных блоков данных,
сравнивают сформированную меру надежности оценок символов данных каждого из G переданных блоков данных с заданной величиной порога и по результатам сравнения принимают решение об отбрасывании наблюдений, мера надежности оценок символов данных переданных блоков данных которых окажется ниже заданного порога,
осуществляют вторичную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя наблюдения, пилот-символы и оценки символов каждого из G переданных блоков данных,
продолжают процедуру оценки для каждого из G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1,
аппроксимируют полученный набор из М вторичных оценок для каждого из G×F каналов связи линией регрессии,
вычисляют окончательные оценки для каждого из G×F каналов связи как значения полученных линий регрессии, соответствующие каждому из М блоков данных.
При этом, например, вторичные оценки для G×*F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн формируют путем решения системы уравнений по методу наименьших квадратов, в которую не входят отброшенные наблюдения, мера надежности оценки символов данных которых окажется ниже заданного порога.
Для системы беспроводной связи, использующей при передаче данных ортогональное частотно-временное мультиплексирование - OFDM, блок данных, передаваемый с каждой из G передающих антенн, представляет собой несколько подряд идущих во времени символов и несколько подряд идущих по частоте поднесущих, при этом пилот- символ или символ данных передают на одной из частотно-временных позиций в этом блоке.
Мягкие решения бит переданных данных, полученные после демодуляции, формируют в виде логарифмического отношения правдоподобия.
Решение поставленной задачи по третьему варианту достигается заявляемым способом оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи, при котором
система беспроводной связи содержит, как минимум, одну или несколько передающих станций, образующих совокупность передающих станций с общим числом передающих антенн G, и, как минимум, одну принимающую станцию с F приемными антеннами, где F≥G, образуя, таким образом, G×F каналов связи,
при этом со всей совокупности передающих станций посредством G передающих антенн передают G независимых блоков данных,
при передаче каждому блоку данных назначают вид кодирования и модуляции и значение мощности передачи,
в каждом блоке данных посредством временного, частотного или частотно-временного мультиплексирования передают известные символы модуляции - пилот-символы, которым назначают заранее известные виды модуляции, значения мощности передачи,
заключающимся в том, что
на передающей станции:
модулируют G блоков данных в соответствии с назначенной схемой модуляции, формируя G блоков символов модуляции,
передают G блоков символов модуляции одновременно и на одной и той же несущей частоте, формируя групповой сигнал;
на принимающей станции:
принимают переданный групповой сигнал на F приемных антенн, получая, таким образом, F блоков наблюдений,
используя F блоков наблюдений, демодулируют пилот-символы каждого из G блоков данных,
осуществляют предварительную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн по пилот- символам,
продолжают процедуру оценки для каждого из G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1,
полученный набор из М предварительных оценок для каждого из G×F каналов связи аппроксимируют линией регрессии,
вычисляют окончательные оценки для каждого из G×F каналов связи как значения полученных линий регрессии, соответствующие каждому из М блоков данных.
При этом в качестве меры надежности оценки символа данных используют, например, значение модуля логарифмического отношения правдоподобия всех бит данных, соответствующих данному символу.
Заявляемый способ оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи (варианты) имеет существенные отличия от известных технических решений, обнаруженных при поиске, в данной области техники, которые позволяют обеспечить повышение эффективности беспроводной системы связи путем более точной оценки канала передачи данных. Эти отличия заключаются в следующем.
В заявляемом способе (варианты) формируют меру надежности оценок символов данных. В способе-прототипе в повторной оценке канала участвуют все наблюдения. Наблюдения, включающие ошибочные оценки символов данных, существенно уменьшают точность оценки канала.
В заявляемом способе отбрасывают наблюдения, содержащие ненадежные оценки символов данных с большой вероятностью ошибки. Поскольку число наблюдений превышает число неизвестных параметров канала, отбрасывание наблюдений с ненадежными оценками символов данных позволяет повысить точность оценки канала.
Кроме того, заявляемое изобретение (варианты) для пользователя предоставляют широкую возможность выбора любого равноценного варианта реализации способа оценки канала, т.е. когда требуется быстрая и точная оценка канала передачи данных в системе беспроводной связи (первый вариант реализации способа, он является более универсальным) или оценка канала передачи данных для специфических условий (второй вариант реализации способа, более частный случай) - когда передают G блоков символов модуляции одновременно и на одной и той же несущей частоте, формируя групповой сигнал, на принимающей станции принимают групповой сигнал и выполняют оценку канала связи в каждом блоке данных. Для второго варианта осуществления способа выполняют первичную оценку G×F каналов связи по пилот-символам, вторичную оценку, используя наблюдения, пилот-символы и оценки символов каждого из G передаваемых блоков данных, продолжают процедуру оценки, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1, аппроксимируют полученный набор из М вторичных оценок для каждого из G×F каналов связи линией регрессии, вычисляют окончательные оценки для каждого из G×F каналов связи как значения полученных линией регрессии, соответствующие каждому из М блоков данных.
Третий вариант способа является наиболее простым в реализации и, наряду с повышением точности оценки канала связи, которое достигается путем применения совместной оценки канала по нескольким соседним оценкам, позволяет дополнительно сохранить энергоресурсы системы (за счет сокращения количества вычислительных операций).
Таким образом, заявляемый способ (варианты) по сравнению с известными техническими решениями, созданными в данной области техники, позволяет существенно повысить эффективность беспроводной системы связи путем более точной оценки канала.
Описание изобретения поясняется примерами выполнения и чертежами.
На фиг.1 выполнена в обобщенном виде структурная схема передающей станции в системе беспроводной связи с G передающими антеннами для осуществления способа по первому варианту.
На фиг.2 - структурная схема в обобщенном виде принимающей станции в системе беспроводной связи с F приемными антеннами для осуществления способа по первому варианту.
На фиг.3 выполнена в обобщенном виде структурная схема передающей станции в системе беспроводной связи с G передающими антеннами для осуществления способа по второму варианту.
На фиг.4 - структурная схема в обобщенном виде принимающей станции в системе беспроводной связи с F приемными антеннами для осуществления способа по второму варианту.
На фиг.5 - структурная схема в обобщенном виде принимающей станции в системе беспроводной связи с F приемными антеннами для осуществления способа по третьему варианту.
Фиг.6 иллюстрирует расположение пилот-символов и символов данных в блоке данных в системе беспроводной связи, например, по стандарту IEEE 802.16е для случая MIMO 4×4 (multiple input multiple output).
На фиг.7 - структурная схема алгоритма оценки канала по первому варианту осуществления заявляемого способа с использованием оценок символов данных после демодуляции.
На фиг.8 - структурная схема алгоритма оценки канала по второму варианту осуществления заявляемого способа с использованием оценок символов данных после демодуляции и аппроксимации полученных оценок линией регрессии.
На фиг.9 - структурная схема алгоритма оценки канала по третьему варианту осуществления заявляемого способа с аппроксимацией полученных оценок линией регрессии.
Фиг.10 иллюстрирует выигрыш, который можно получить, используя предлагаемый способ оценки канала, для квадратурной фазовой манипуляции (КФМ), MIMO 4×4.
Фиг.11 иллюстрирует выигрыш, который можно получить, используя предлагаемый способ оценки канала, для квадратурной амплитудной модуляции (КАМ), MIMO 4×4.
Передающая станция 1 (фиг.1), например, в обобщенном виде функционально может быть выполнена следующим образом и содержит:
2 - блок формирования G независимых потоков данных,
3 - блок назначения вида кодирования и модуляции и значения мощности передачи,
4 - блок модуляции,
5-1-5-G-G передающих антенн,
при этом вход блока 2 формирования G независимых потоков данных является входом передающей станции 1, выходы блока 2 формирования G независимых потоков данных соединены со входами блока 3 назначения вида кодирования и модуляции и значения мощности передачи, выходы которого соединены со входами блока 4 модуляции, выходы которого соединены с соответствующими им входами G передающих антенн 5-1-5-G, выходы которых являются выходами передающей станции 1.
Принимающая станция 6 (фиг.2), например, в обобщенном виде функционально может быть выполнена следующим образом и содержит:
7-1-7-F-F приемных антенн,
8 - первый блок демодуляции (для демодуляции пилот-символов),
9 - блок предварительной оценки G×F каналов связи по пилот- символам,
10 - второй блок демодуляции (для демодуляции символов данных),
11 - блок формирования меры надежности оценок символов данных каждого из G переданных потоков данных,
12 - блок сравнения с порогом,
13 - блок формирования окончательной оценки G×F каналов связи,
при этом входы 7-1-7-F - приемных антенн являются входами принимающей станции 6, выходы приемных антенн 7-1-7-F соединены со входами первого блока 8 демодуляции, выходы которого соединены со входами блока 9 предварительной оценки G×F каналов связи по пилот- символам, выходы которого соединены со входами второго блока 10 демодуляции, выходы которого соединены со входами блока 11 формирования меры надежности оценок символов данных каждого из G переданных потоков данных, выход которого соединен с входом блока 12 сравнения с порогом, выход которого соединен с входом блока 13 формирования окончательной оценки G×F каналов связи, выход которого является выходом принимающей станции 6.
Обращаясь к фиг.1, 2 и 7, рассмотрим подробнее работу заявляемого способа оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи по первому варианту осуществления на примере системы беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16.
Стандартом IEEE 802.16 предусмотрена технология MIMO 4×4 (multiple input multiple output), согласно которой данные передают одновременно с четырех передающих антенн и принимают также на четыре приемные антенны. Принимающая станция 6 (фиг.2) с четырьмя антеннами (F=4) по служебным сообщениям анализирует условия приема, в которых находятся пользователи. Для передачи данных по технологии MIMO 4×4 отбираются четыре пользователя с хорошими условиями приема, каждый из которых имеет по одной антенне.
На передающей станции 1 (фиг.1) для каждого из G=4 пользователя в блоке 2 формируют G независимых потоков данных, которые с выходов блока 2 поступают на входы блока 3. В блоке 3 каждому из G независимому потоку данных назначают вид кодирования и модуляции и значение мощности передачи. В каждом независимом потоке данных посредством временного, частотного или частотно-временного мультиплексирования передают известные символы модуляции - пилот-символы, которым назначают заранее известные виды модуляции, значения мощности передачи.
G сформированных независимых потоков данных с назначенным видом кодирования и модуляции и значением мощности передачи с выходов блока 3 поступают на входы блока модуляции 4.
В блоке 4 G сформированных независимых потоков данных модулируют, формируя G потоков символов модуляции. Для модуляции используют, например, квадратурную фазовую манипуляцию и квадратурную амплитудную модуляцию, схемы модуляции могут варьироваться для разных поднесущих.
С выхода блока 4 модуляции, сформированные G потоков символов модуляции посредством G передающих антенн 5-1-5-G передают одновременно и на одной и той же несущей частоте, формируя групповой сигнал.
Принимающая станция 6 (фиг.2) принимает на F приемных антенн 7-1-7-F переданный групповой сигнал, искаженный многолучевым федингом и белым шумом, (F=4), получая, таким образом, F наблюдений. С выходов F приемных антенн 7-1-7-F принятый групповой сигнал поступает на входы первого блока 8 демодуляции. В блоке 8 демодулируют пилот-символы. В блоке 9 осуществляют предварительную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн по пилот-символам.
Используя полученные предварительные оценки G×F каналов связи, во втором блоке 10 демодуляции демодулируют символы данных, формируя на выходах блока 10 мягкие решения бит переданных данных.
Используя мягкие решения бит переданных данных, поступившие с выходов блока 10 на входы блока 11, формируют в блоке 11 меру надежности оценок символов каждого из G переданных потоков данных.
В блоке 12 сравнивают сформированную меру надежности оценок символов данных каждого из G переданных потоков данных с заданной величиной порога. По результатам сравнения принимают решение об отбрасывании наблюдений, мера надежности оценок символов данных которых окажется ниже заданного порога.
В блоке 13 осуществляют окончательную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя наблюдения, пилот-символы и оценки символов данных. При этом, например, окончательные оценки для G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн формируют путем решения системы уравнений по методу наименьших квадратов, в которую не входят отброшенные наблюдения, величина меры надежности оценки символов данных которых окажется ниже заданного порога.
Сформированная в блоке 13 окончательная оценка G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн с выхода блока 13 поступает на выход принимающей станции 6.
Рассмотрим подробнее алгоритм оценки канала (фиг.7).
i
Поскольку блок данных занимает относительно небольшой частотно-временной ресурс можно считать, что для каждого пользователя на выбранной приемной антенне принимающей станции канал представляет собой комплексную константу в пределах блока данных. Обозначим эту константу через h, i=1, 2, 3, 4, где i - номер пользователя. Алгоритм оценки канала состоит из нескольких шагов. На первом шаге канал передачи данных оценивают только по пилот-символам. Наблюдения на выбранной из F приемной антенне принимающей станции в выбранном блоке данных, соответствующие пилот-символам, можно, согласно нумерации поднесущих (фиг.6), представить в виде следующей системы уравнений
,
,
,
,
k
k
2
где r - наблюдаемый сигнал на k-й поднесущей для выбранной приемной антенны принимающей станции, n - белый гауссовский шум с нулевым средним и дисперсией σ для k-й поднесущей для выбранной приемной антенны принимающей станции.
Решение этой системы в предположении отсутствия белых шумов приводит к следующим предварительным оценкам канала по пилот-символам для каждого пользователя для выбранной приемной антенны принимающей станции
,
,
,
,
где , i=1, 2, 3, 4 - предварительные оценки канала по пилот-символам для i-го пользователя для выбранной приемной антенны принимающей станции.
На втором шаге выполняют оценку символов данных на основе полученных предварительных оценок канала по пилот-символам. Наряду с оценками символов данных второй блок 10 демодуляции на выходе формирует мягкие решения бит переданных данных, например, в виде логарифмического отношения правдоподобия.
На третьем шаге, используя мягкие решения бит переданных данных, формируют меру надежности оценок символов каждого из G переданных потоков данных. В качестве меры надежности оценки символов данных используют, например, значение модуля логарифмического отношения правдоподобия всех бит данных, соответствующих данному символу.
На четвертом шаге сравнивают сформированную меру надежности оценок символов данных каждого из G переданных потоков данных с заданной величиной порога и по результатам сравнения принимают решение об отбрасывании наблюдений, величина меры надежности оценки символов данных которых окажется ниже заданного порога. Порог для данной схемы модуляции может быть оптимизирован на основе симулятора сети физического уровня.
На пятом шаге формируют систему уравнений для всех оставшихся наблюдений, включая пилот-символы. Система уравнений, содержащая все наблюдения, имеет следующий вид
1
1,1
1
2,1
2
3,1
3
4,1
4
1
r=xh+хh+xh+xh+n,
2
1,2
1
2,2
2
3,2
3
4,2
4
2
r=xh+хh+xh+xh+n,
…
8
1,8
1
2,8
2
3,8
3
4,8
4
8
r=xh+хh+xh+xh+n,
,
,
,
,
i,j
где x - оценки символов модуляции для i-го пользователя и j-й поднесущей. В матричной форме эту систему уравнений можно записать в виде
r=xh+n,
1
2
3
4
2
где r - вектор (12×1) принимаемых сигналов на каждой поднесущей. h=(h, h, h h) - вектор (1×4) канальных коэффициентов для каждого пользователя, n - вектор (12×1) белых гауссовских шумов с нулевыми средними и дисперсиями σ. x - матрица (12×4) оценок символов модуляции.
На шестом шаге формируют окончательные оценки G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, например, путем решения системы уравнений по методу наименьших квадратов, в которую не входят отброшенные наблюдения, мера надежности оценки символов данных которых окажется ниже заданного порога, в следующем виде
,
где Н означает эрмитово сопряжение.
Фиг.10 и 11 подтверждают потенциальный выигрыш, который можно получить при применении заявляемого способа по сравнению с известным способом, где оценку канала связи выполняют только по пилот-символам.
Обращаясь к фиг.3, 4, 6 и 8, рассмотрим подробнее работу заявляемого способа оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи по второму варианту осуществления на примере системы беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16.
Передающая станция 14 (фиг.3), например, в обобщенном виде функционально может быть выполнена следующим образом и содержит:
15 - блок формирования G независимых блоков данных,
16 - блок назначения вида кодирования и модуляции и значения мощности передачи,
17 - блок модуляции,
18-1-18-G-G передающих антенн,
при этом вход блока 15 формирования G независимых блоков данных является входом передающей станции 14, выходы блока 15 формирования G независимых блоков данных соединены со входами блока 16 назначения вида кодирования и модуляции и значения мощности передачи, выходы которого соединены со входами блока 17 модуляции, выходы которого соединены с соответствующими им входами G передающих антенн 18-1-18-G, выходы которых являются выходами передающей станции 14.
Принимающая станция 19 (фиг.4), например, в обобщенном виде функционально может быть выполнена следующим образом и содержит:
20-1-20-F-F приемных антенн,
21 - первый блок демодуляции (для демодуляции пилот-символов),
22 - блок первичной оценки G×F каналов связи по пилот- символам,
23 - второй блок демодуляции (для демодуляции символов данных),
24 - блок формирования меры надежности оценок символов данных каждого из G переданных блоков данных,
25 - блок сравнения с порогом,
26 - блок формирования вторичной оценки G×F каналов связи,
27 - блок формирования окончательной оценки G×F каналов связи,
при этом входы 20-1-20-F - приемных антенн являются входами принимающей станции 19, выходы приемных антенн 20-1-20-F соединены с входами первого блока 21 демодуляции, выходы которого соединены с входами блока 22 первичной оценки G×F каналов связи по пилот-символам, выходы которого соединены с входами второго блока 23 демодуляции, выходы которого соединены с входами блока 24 формирования меры надежности оценок символов данных каждого из G переданных блоков данных, выход которого соединен с входом блока 25 сравнения с порогом, выход которого соединен с входом блока 26 формирования вторичной оценки G×F каналов связи, выход которого соединен с входом блока 27 формирования окончательной оценки G×F каналов связи, выход которого является выходом принимающей станции 19.
Стандартом IEEE 802.16 предусмотрена технология MIMO 4×4 (multiple input multiple output), согласно которой данные передают одновременно с четырех передающих антенн (G=4) и принимают также на четыре антенны. Данные передают блоками данных. Каждый блок данных (фиг.6) состоит из трех OFDM символов и четырех физически рядом расположенных поднесущих. Принимающая станция 19 (фиг.4) с четырьмя приемными антеннами (F=4) по служебным сообщениям анализирует условия приема, в которых находятся пользователи. Для передачи данных по технологии MIMO 4×4 отбираются четыре пользователя с хорошими условиями приема, каждый из которых имеет по одной антенне.
На передающей станции 14 (фиг.3) для каждого из G=4 пользователя в блоке 15 формируют G независимых блоков данных, которые с выходов блока 15 поступают на входы блока 16. В блоке 16 каждому из G блоку данных назначают вид кодирования и модуляции и значение мощности передачи. В каждом блоке данных посредством временного, частотного или частотно-временного мультиплексирования передают известные символы модуляции - пилот-символы, которым назначают заранее известные виды модуляции, значения мощности передачи. Фиг.5 иллюстрирует расположение пилот-символов и символов данных в блоке данных в системе беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16е для случая MIMO 4×4 (multiple input multiple output). Каждый пилот-символ имеет повышенную на 3 дБ мощность передачи по сравнению с символами данных.
G сформированных блоков данных с назначенным видом кодирования и модуляции и значением мощности передачи с выходов блока 16 поступают на входы блока 17 модуляции.
В блоке 17 G сформированных блоков данных модулируют в соответствии с назначенной схемой модуляции, формируя G блоков символов модуляции. Для модуляции используют, например, квадратурную фазовую манипуляцию и квадратурную амплитудную модуляцию, схемы модуляции могут варьироваться для разных поднесущих.
С выхода блока 17 модуляции, сформированные G блоков символов модуляции посредством G передающих антенн 18-1-18-G передают одновременно и на одной и той же несущей частоте, формируя групповой сигнал.
Принимающая станция 19 (фиг.4) принимает на F приемных антенн 20-1-20-F переданный групповой сигнал, искаженный многолучевым федингом и белым шумом, (F=4), получая, таким образом, F наблюдений.
Используя F блоков наблюдений, в блоке 21 демодулируют пилот- символы каждого из G блоков данных.
В блоке 22 осуществляют первичную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн по пилот-символам.
Используя полученные первичные оценки G×F каналов связи, во втором блоке 23 демодуляции демодулируют символы G блоков данных, формируя на выходах блока 23 мягкие решения бит переданных данных. Мягкие решения бит переданных данных, полученные после демодуляции, формируют в виде логарифмического отношения правдоподобия.
Используя мягкие решения переданных бит данных, поступившие с выходов блока 23 на входы блока 24, формируют в блоке 24 меру надежности оценок символов каждого из G переданных блоков данных. В качестве меры надежности оценки символа данных используют, например, значение модуля логарифмического отношения правдоподобия всех бит данных, соответствующих данному символу.
В блоке 25 сравнивают сформированную меру надежности оценок символов данных каждого из G переданных блоков данных с заданной величиной порога. По результатам сравнения принимают решение об отбрасывании наблюдений, мера надежности оценок символов данных которых окажется ниже заданного порога.
В блоке 26 осуществляют вторичную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя наблюдения, пилот-символы и оценки символов каждого из G переданных блоков данных. Вторичные оценки для G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн формируют, например, путем решения системы уравнений по методу наименьших квадратов, в которую не входят отброшенные наблюдения, мера надежности оценки символов данных которых окажется ниже заданного порога.
Продолжают процедуру оценки для каждого из G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1.
В блоке 27 аппроксимируют полученный набор из М вторичных оценок для каждого из G×F каналов связи линией регрессии и вычисляют окончательные оценки для каждого из G×F каналов связи как значения полученных линий регрессии, соответствующие каждому из М блоков данных.
Рассмотрим подробнее алгоритм оценки канала по второму варианту осуществления заявляемого способа, который состоит из следующих шагов (фиг.8).
На первом шаге канал передачи данных оценивают только по пилот-символам. Наблюдения на выбранной из F приемной антенне принимающей станции в выбранном блоке данных, соответствующие пилот-символам, можно, согласно нумерации поднесущих (фиг.6), представить в виде следующей системы уравнений
,
,
,
,
k
k
2
где r - наблюдаемый сигнал на k-й поднесущей для выбранной приемной антенны принимающей станции, n - белый гауссовский шум с нулевым средним и дисперсией σ для k-й поднесущей для выбранной приемной антенны принимающей станции.
Решение этой системы в предположении отсутствия белых шумов приводит к следующим предварительным оценкам канала по пилот-символам для каждого пользователя для выбранной приемной антенны принимающей станции
,
,
,
,
где , i=1, 2, 3, 4 - первичные оценки канала по пилот-символам для i-го пользователя для выбранной приемной антенны принимающей станции.
На втором шаге во втором блоке 23 демодуляции выполняют оценку неизвестных символов данных на основе полученных первичных оценок канала. Наряду с оценками символов данных во втором блоке 23 демодуляции на выходе формируют мягкие решения для бит переданных данных, например, в виде логарифмического отношения правдоподобия.
На третьем шаге, используя мягкие решения бит переданных данных, формируют меру надежности оценок символов каждого из G переданных блоков данных. В качестве величины меры надежности оценок символов данных каждого из G переданных блоков данных используют, например, значение модуля логарифмического отношения правдоподобия всех бит данных, входящих в данное наблюдение.
На четвертом шаге сравнивают сформированную величину меры надежности оценки символов данных каждого из G переданных блоков данных с заданной величиной порога и по результатам сравнения принимают решение об отбрасывании наблюдений, величина меры надежности оценок символов данных которых окажется ниже заданного порога. Порог для данной схемы модуляции может быть оптимизирован на основе симулятора сети физического уровня.
На пятом шаге формируют систему уравнений для всех оставшихся наблюдений, включая пилот-символы. Система уравнений, содержащая все наблюдения, имеет следующий вид
1
1,1
1
2,1
2
3,1
3
4,1
4
1
r=xh+хh+xh+xh+n,
2
1,2
1
2,2
2
3,2
3
4,2
4
2
r=xh+хh+xh+xh+n,
…
8
1,8
1
2,8
2
3,8
3
4,8
4
8
r=xh+хh+xh+xh+n,
,
,
,
,
i,j
где x - оценки символов модуляции для i-го пользователя и j-й поднесущей. В матричной форме эту систему уравнений можно записать в виде
r=xh+n,
1
2
3
4
2
где r - вектор (12×1) принимаемых сигналов на каждой поднесущей. h=(h, h, h h) - вектор (1×4) канальных коэффициентов для каждого пользователя, n - вектор (12×1) белых гауссовских шумов с нулевыми средними и дисперсиями σ. x - матрица (12×4) оценок символов модуляции.
На шестом шаге осуществляют вторичную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1. Вторичную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн формируют, например, путем решения системы уравнений по методу наименьших квадратов, в которую не входят отброшенные наблюдения, величина меры надежности оценки символов данных которых окажется ниже заданного порога, в следующем виде
,
где Н означает эрмитово сопряжение.
На седьмом шаге продолжают процедуру оценки для каждого из G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1, получая набор из М вторичных оценок для каждого из G×F каналов связи. На восьмом шаге аппроксимируют полученный набор из М вторичных оценок для каждого их G×F каналов связи линией регрессии следующим образом. Обозначим через , i=1, 2,…,n вторичные оценки канала связи в i-м блоке данных. Окончательные оценки для каждого канала связи вычисляют как значения полученных линий регрессии, соответствующие каждому из М блоков данных
i
i
h=a+b·t, i=1, 2,…,n,
i
где t - момент времени приема i-го блока данных. Оценки наименьших квадратов параметров линейной регрессии рассчитываются по формулам
,
h
i
a=m-bm,
где
Обращаясь к фиг.3, 5, 6 и 9, рассмотрим подробнее работу заявляемого способа оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи по третьему варианту осуществления на примере системы беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16.
Передающая станция 14 для осуществления заявляемого способа по третьему варианту может быть выполнена, как показано на фиг.3 и описано выше.
Поскольку третий вариант осуществления заявляемого способа является наиболее упрощенным вариантом по сравнению с первым и вторым вариантами заявляемого способа, то принимающая станция 28 (фиг.5), например, в обобщенном виде функционально может быть выполнена следующим образом и содержит:
29-1-29-F-F приемных антенн,
30 - блок демодуляции,
31 - блок формирования предварительной оценки G×F каналов связи,
32 - блок формирования окончательной оценки G×F каналов связи,
при этом входы 29-1-29-F - приемных антенн являются входами принимающей станции 28, выходы приемных антенн 29-1-29-F соединены с входами блока 30 демодуляции, выходы которого соединены с входами блока 31 формирования предварительной оценки G×F каналов связи, выходы которого соединены с входами блока 32 формирования окончательной оценки G×F каналов связи, выход которого является выходом принимающей станции 28.
Стандартом IEEE 802.16 предусмотрена технология MIMO 4×4 (multiple input multiple output), согласно которой данные передают одновременно с четырех передающих антенн (G=4) и принимают также на четыре антенны. Данные передают блоками данных. Каждый блок данных (фиг.6) состоит из трех OFDM символов и четырех физически рядом расположенных поднесущих. Принимающая станция 28 (фиг.4) с четырьмя приемными антеннами (F=4) по служебным сообщениям анализирует условия приема, в которых находятся пользователи. Для передачи данных по технологии MIMO 4х4 отбираются четыре пользователя с хорошими условиями приема, каждый из которых имеет по одной антенне.
На передающей станции 14 (фиг.3) для каждого из G=4 пользователя в блоке 15 формируют G независимых блоков данных, которые с выходов блока 15 поступают на входы блока 16. В блоке 16 каждому из G блоку данных назначают вид кодирования и модуляции и значение мощности передачи. В каждом блоке данных посредством временного, частотного или частотно-временного мультиплексирования передают известные символы модуляции - пилот-символы, которым назначают заранее известные виды модуляции, значения мощности передачи. Фиг.6 иллюстрирует расположение пилот-символов и символов данных в блоке данных в системе беспроводной связи по стандарту IEEE 802.16е для случая MIMO 4×4 (multiple input multiple output). Каждый пилот-символ имеет повышенную на 3 дБ мощность передачи по сравнению с символами данных.
G сформированных блоков данных с назначенным видом кодирования и модуляции и значением мощности передачи с выходов блока 16 поступают на входы блока модуляции 17.
В блоке 17 G сформированных блоков данных модулируют в соответствии с назначенной схемой модуляции, формируя G блоков символов модуляции. Для модуляции используют, например, квадратурную фазовую манипуляцию и квадратурную амплитудную модуляцию, схемы модуляции могут варьироваться для разных поднесущих.
С выхода блока 17 модуляции, сформированные G блоков символов модуляции посредством G передающих антенн 18-1-18-G передают одновременно и на одной и той же несущей частоте, формируя групповой сигнал.
Принимающая станция 28 (фиг.5) принимает на F приемных антенн 29-1-29-F переданный групповой сигнал, искаженный многолучевым федингом и белым шумом, (F=4), получая, таким образом, F наблюдений.
Используя F блоков наблюдений, в блоке 30 демодулируют пилот-символы каждого из G блоков данных.
В блоке 31 осуществляют предварительную оценку G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн по пилот-символам. Продолжают процедуру оценки для каждого из G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1, получая набор из М предварительных оценок для каждого из G×F каналов связи.
Полученный набор из М предварительных оценок для каждого из G×F каналов связи, с выходов блока 31 поступает на входы блока 32.
В блоке 32 полученный набор из М предварительных оценок для каждого из G×F каналов связи аппроксимируют линией регрессии. Вычисляют окончательные оценки для каждого из G×F каналов связи как значения полученных линий регрессии, соответствующие каждому из М блоков данных.
Окончательные оценки с выхода блока 32 поступают на выход принимающей станции 28.
Рассмотрим подробнее алгоритм оценки канала по третьему варианту осуществления заявляемого способа, который состоит из следующих шагов (фиг.9).
На первом шаге канал оценивают только по пилот-символам (как в первом и втором вариантах реализации заявляемого способа, описано выше).
На втором шаге продолжают процедуру оценки для каждого из G×F каналов связи от каждой из G передающих антенн до каждой из F приемных антенн, используя М подряд идущих по времени блоков данных, где М>1, получая набор из М предварительных оценок для каждого из G×F каналов связи.
На третьем шаге полученный набор из М предварительных оценок для каждого из G×F каналов связи аппроксимируют линией регрессии.
На четвертом шаге вычисляют окончательные оценки для каждого из G×F каналов связи как значения полученных линий регрессии, соответствующие каждому из М блоков данных.
Окончательные оценки для каждого канала связи вычисляют аналогично первому и второму вариантам реализации заявляемого способа, описано выше.
Заявляемый способ оценки канала передачи данных в системе беспроводной связи (варианты) обладает существенным преимуществом по сравнению с известными в данной области техники изобретениями, так как обеспечивает большую точность оценки канала в системе беспроводной связи, что позволяет повысить спектральную эффективность системы беспроводной связи передачи данных. Это преимущество достигается за счет использования только надежных оценок символов каждого из G переданных потоков данных (первый вариант) или каждого из G переданных блоков данных (второй вариант), входящих в наблюдаемый сигнал, и отбрасывании наблюдений, содержащих ненадежные оценки символов данных, а также применения совместной оценки канала по нескольким соседним оценкам (второй и третий варианты).