УПРАВЛЕНИЕ ЛУЧОМ И ФОРМИРОВАНИЕ ЛУЧА ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МВМВ/МВОВ-СИСТЕМ
BEAM CONTROL AND BEAM GENERATION FOR WIDEBAND MIMO/MISO SYSTEMS

Область техники
Настоящее изобретение относится к передаче данных, более конкретно к способам управления лучом и формирования луча для широкополосных систем с множеством входов и множеством выходов или с множеством входов и одним выходом (МВМВ/МВОВ).
Уровень техники
N
N
N
N
N
N
N
N
N
T
R
T
R
S
S
T
R
S
Система связи с множеством входов и множеством выходов (МВМВ) использует для передачи данных множество () передающих антенн и множество () приемных антенн. МВМВ-канал, формируемый посредством  передающих и  приемных антенн, может разбиваться на  независимых каналов, причем ≤min{, }. Каждый из  независимых каналов также называется пространственным подканалом или собственной модой МВМВ канала.
N
N
N
T
R
T
Система связи с множеством входов и одним выходом (МВОВ) использует множество () передающих антенн и единственную () приемную антенну для передачи данных. МВОВ канал, формируемый  передающими антеннами и единственной приемной антенной, включает в себя единственный пространственный подканал или собственную моду. Однако множество передающих антенн может быть использовано для обеспечения разнесения при передаче или для выполнения формирования луча или управления лучом для передачи данных.
N
F
Для широкополосной системы мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (МОЧР) может использоваться для эффективного разделения всей ширины полосы системы на ряд () ортогональных поддиапазонов, которые также называются частотными элементами разрешения или подканалами. При использовании МОЧР каждый поддиапазон связывается с соответствующей поднесущей, которую могут модулировать данные. Для МВМВ/МВОВ-системы, которая использует МОЧР (т.е. МВМВ/МВОВ-МОЧР-система), каждый поддиапазон каждого пространственного подканала может рассматриваться как независимый передающий канал.
В пространственных подканалах широкополосной МВМВ/МВОВ-системы могут возникать различные состояния канала, обусловленные различными факторами, такими как ослабление и многолучевое распространение. Каждый пространственный подканал может испытывать частотно-селективное ослабление, что характеризуется различными канальными усилениями на различных частотах полной ширины полосы системы. Результатом этого могут быть различные отношения сигнал-шум (С/Ш) на различных частотах каждого пространственного подканала. Более того, условия в канале могут ухудшаться до уровня, где большинство из пространственных каналов сильно ухудшены. В таких условиях улучшенные рабочие показатели могут быть обеспечены с использованием только наилучшего пространственного подканала для передачи данных.
Поэтому в технике имеется необходимость в методах обработки данных для передачи по единственному пространственному подканалу, который гарантирован канальными условиями.
Раскрытие изобретения
Обеспечены способы передачи данных по единственному пространственному подканалу (или собственной моде) в широкополосной системе с множеством входов, которая может быть МВМВ или МВОВ-системой (т.е. МВМВ-МОЧР или МВОВ-МОЧР-системой). Эти способы могут использоваться для обеспечения улучшенных рабочих показателей при неблагоприятных канальных условиях.
Передача данных на единственной собственной моде (обычно наилучшей или основной собственной моде для МВМВ-систем) может быть реализована с использованием управления лучом или формирования луча. Для широкополосной МВМВ/МВОВ-системы управление лучом или формирование луча выполняется для каждого поддиапазона, который выбирается для использования для передачи данных на основе вектора управления, полученного для этого поддиапазона. Управление лучом или формирование луча может также выполняться в сочетании с конкретной схемой распределения мощности, которая распределяет всю передаваемую мощность по поддиапазонам.
N
N
T
T
В варианте осуществления обеспечивается способ обработки данных для передачи на единственной собственной моде многовходового канала (т.е. МВМВ- или МВОВ-канала). В соответствии с этим способом вектор управления получают для каждого из ряда поддиапазонов. Каждый вектор управления включает в себя  элементов для  передающих антенн. В зависимости от того, как определяются векторы управления, управление лучом или формирование луча может быть выполнено для каждого поддиапазона.
Вся передаваемая мощность распределяется по поддиапазонам на основе конкретной схемы распределения мощности (например, полной инверсии каналов, селективной инверсии каналов, потокового наполнения или равномерного распределения, которые описаны ниже). Масштабирующее значение затем получается для каждого поддиапазона на основе передаваемой мощности, распределяемой по поддиапазонам.
Данные, подлежащие передаче, кодируются и модулируются на основе одной или более схем кодирования и модуляции для обеспечения символов модуляции. Символы модуляции, подлежащие передаче в каждом поддиапазоне, затем масштабируются с помощью масштабирующего значения поддиапазона, и масштабированные символы модуляции затем предварительно преобразуются посредством вектора управления поддиапазона. Затем для каждой передающей антенны формируется поток предварительно преобразованных символов, и этот поток затем обрабатывается для генерирования модулированного сигнала, подходящего для передачи соответствующей передающей антенной.
Различные аспекты и варианты осуществления изобретения описаны ниже более детально. Изобретение, кроме того, обеспечивает способы, программные коды, цифровые сигнальные процессоры, передающие блоки и приемные блоки, и другие устройства и элементы, которые воплощают различные аспекты, варианты осуществления и признаки изобретения, как описано ниже более детально.
Краткое описание чертежей
Признаки, сущность и преимущества настоящего изобретения поясняются в подробном описании, изложенном ниже со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают идентичные элементы по всему описанию и на которых представлено следующее:
Фиг. 1 - графическая иллюстрация результатов разложения собственного значения для ряда поддиапазонов в МВМВ-МОЧР- системе;
Фиг. 2 - блок-схема передающей системы и приемной системы в МВМВ- МОЧР-системе;
Фиг. 3 - блок-схема передающего блока в составе передающей системы;
Фиг. 4 - блок-схема блока масштабирования сигнала, блока управления лучом и мультиплексора в составе передающего блока передачи; и
Фиг. 5 - блок-схема способа обработки данных для передачи на единственной собственной моде многовходового канала, использующего управление лучом или формирование луча.
Подробное описание
N
F
Описанные ниже способы управления лучом и формирования луча могут быть использованы в различных широкополосных МВМВ/МВОВ- системах связи. Для ясности эти способы описаны конкретно для МВМВ- МОЧР-системы, которая эффективно разделяет полную ширину полосы системы на  ортогональных поддиапазонов.
Модель для МВМВ- МОЧР-системы может быть выражена как:
y
H
x
n
k
k
k
k
N
F
()= ()()+ (), для  {1, …, }, (1)
y(k)
N
y
k
N
N
k
R
i
R
R
где  является вектором из  элементов, {()} для  {1, …, }, для символов, принятых  приемными антеннами для -ого поддиапазона (т.е. «принятый» вектор);
x
k
N
x
k
N
N
k
T
i
T
T
() является вектором из элементов, {()} для  {1, …, }, для символов, переданных  передающими антеннами для -ого поддиапазона (т.е. «переданный» вектор);
H
k
N
N
h
k
N
N
k
R
T
ij
R
T
T
R
() является ( х ) матрицей канального отклика с элементами {()} для {1, …, N} и  {1, …, N}, которые являются комплексными коэффициентами усиления от  передающих антенн до  приемных антенн для -ого поддиапазона; и
n
Λ
I
I
k
k
n
2
2
() является аддитивным белым Гауссовым шумом (AWGN) для -ого поддиапазона с нулевым средним значением и ковариационной матрицей  = σ, где  является единичной матрицей и σ является дисперсией шума.
h
k
k
k
k
ij
H
H
H
H
Для простоты, каждый поддиапазон предполагается неселективным по частоте (т.е. с плоским частотным откликом по всему поддиапазону). В этом случае канальный отклик () для каждого передающего канала может быть представлен единственным комплексным значением, а элементы матрицы () канального отклика являются скалярными величинами. Также для простоты, дисперсия шума предполагается постоянной по всем передающим каналам. Для дуплексных систем с временным разделением (ДВР) прямые и обратные линии связи совместно используют одну и ту же ширину полосы системы, и каждый поддиапазон может предполагаться обладающим взаимностью. Если () представляет матрицу канальных откликов от антенной решетки А к антенной решетке В, то свойство взаимности канала означает, что связь от решетки В к решетке А определяется посредством ().
H
H
R
H
H
H
H
R
k
N
k
k
k
k
k
k
k
S
H
H
Матрица () канальных откликов для каждого поддиапазона может быть «диагонализирована» для получения  независимых каналов для этого поддиапазона. Это может быть достигнуто посредством осуществления разложения по собственным значениям корреляционной матрицы для (), которая определяется соотношением ()=()(), где () обозначает сопряженную перестановку (). Разложение по собственным значениям корреляционной матрицы () может быть выражено как:
R
E
D
E
k
k
k
N
H
F
() = (k)()(), для  {1, …, }, (2)
E
R
N
N
k
T
T
где (k) является (x) единичной матрицей, столбцы которой являются собственными векторами матрицы (); и
D
R
k
N
N
k
T
T
() является (x) диагональной матрицей с элементами на диагонали, соответствующими собственным значениям матрицы ().
M
M
I
H
Единичная матрица может быть записана через ее свойство =.
Разложение по собственным значениям может быть также осуществлено с помощью разложения по сингулярным значениям, как известно из уровня техники.
D
R
R
R
k
k
k
N
N
N
N
N
N
k
k
k
i
N
k
N
S
T
R
T
R
S
i
F
F
Диагональная матрица () для каждого поддиапазона содержит не отрицательные действительные значения вдоль диагонали и нули во всех остальных позициях. Эти диагональные элементы называются собственными значениями () и относятся к комплексным коэффициентам усиления для независимых каналов (или собственных мод) МВМВ-канала для -ого поддиапазона. Так как число независимых каналов равно ≤min{, } для МВМВ-системы с  передающими и  приемными антеннами, то имеется  ненулевых собственных значений матрицы (). Собственные значения матрицы () обозначаются как {λ()} для ={1, …, } и ={1, …, }.
H
D
k
N
N
k
N
k
k
k
k
S
S
F
1
2
1
Для МВМВ-МОЧР-системы разложение по собственным значениям может быть выполнено независимо для матрицы () канальных откликов для каждого поддиапазона для определения  собственных мод для этого поддиапазона.  собственных значений для каждой диагональной матрицы (), для  {1, …, }, могут быть упорядочены так, что {λ()≥ λ() ≥ … ≥ }, где λ() является наибольшим собственным значением и  - наименьшим собственным значением для -ого поддиапазона.
N
k
k
N
k
i
N
k
i
k
k
N
N
k
k
k
F
F
i
S
i
F
F
i
i
D
D
Фиг. 1 графически иллюстрирует результаты разложения по собственным значениям для  поддиапазонов в МВМВ-МОЧР-системе. Показан набор диагональных матриц () для ={1, …, ), упорядоченный по оси 110, которая представляет размерность частоты. Собственные значения {λ()} для ={1, …, } каждой матрицы () располагаются вдоль диагонали матрицы. Ось 112 может, таким образом, рассматриваться в качестве представления пространственного измерения. i-ая cобственная мода для всех поддиапазонов (или просто собственная мода ) связана с набором элементов, {λ()} для  = {1, …, }, который указывает частотный отклик по  поддиапазонам для этой собственной моды. Набор элементов {λ()} для каждой собственной моды показан затемненными прямоугольниками вдоль пунктирной линии 114. Каждый затемненный прямоугольник на фиг. 1 представляет канал передачи. Для каждой собственной моды, которая испытывает частотно-селективное ослабление, элементы {λ()} для этой собственной моды могут быть различными для различных значений .
D
k
N
S
Если собственные значения в каждой диагональной матрице () отсортированы в порядке убывания, то собственная мода 1 (которая также называется основной собственной модой) будет включать в себя наибольшее собственное значение в каждой матрице, а собственная мода  будет включать в себя наименьшее собственное значение в каждой матрице.
При неблагоприятных канальных условиях большинство собственных мод могут быть сильно искажены. В этих ситуациях улучшенные рабочие показатели могут быть достигнуты использованием только наилучшей собственной моды (т.е. основной собственной моды) для передачи данных.
Модель для МВОВ- МОЧР-системы может быть выражена как:
y(k) =
k
k
n
k
N
h
x
F
()()+ (), для  {1, …, },
y(k)
k
где обозначает символ, принятый в -ом поддиапазоне;
x
k
N
N
k
T
T
() является вектором из  элементов для символов, переданных  передающими антеннами для -ого поддиапазона;
h
k
N
h
k
N
N
k
T
j
T
T
() является (1х) вектором канальных откликов с составляющими {()} для  {1, …, }, которые являются комплексными коэффициентами усиления от  передающих антенн до единственной приемной антенны для -ого поддиапазона; и
n
k
k
() является аддитивным белым Гауссовым шумом (AWGN) для -ого поддиапазона.
Для МВМВ и МВОВ-систем передача данных на единственной собственной моде может быть достигнута с помощью управления лучом или формирования луча, как описано ниже.
1. Формирование луча
Метод формирования луча обеспечивает передачу данных на единственной (т.е. основной) собственной моде посредством предварительного преобразования символов модуляции собственным вектором для этой собственной моды. Для МВМО-МОЧР-системы формирование луча выполняется для каждого поддиапазона с использованием собственного вектора, полученного для этого поддиапазона.
E
E
e
e
D
e
D
E
e
e
k
N
N
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
N
N
T
T
1
2
i
i
1
1
1
T
T
В уравнении (2) единичная матрица () содержит  столбцов для  собственных векторов, т.е. ()= [() () … ]. Собственные вектора также называются векторами управления. Каждый собственный вектор связан с соответствующей собственной модой и собственным значением диагональной матрицы () (т.е. собственный вектор () связан с собственным значением λ() для поддиапазона ). Если собственные значения () отсортированы в порядке убывания, как описано выше, собственные вектора () также переупорядочиваются соответствующим образом. После сортировки/переупорядочивания собственный вектор () соответствует наибольшему собственному значению λ() и является собственным вектором для основной собственной моды для -ого поддиапазона. Этот собственный вектор () включает в себя  элементов для  передающих антенн и может быть выражен как:
e
1
1.1
1.2
F
k
e
k
e
k
N
T
() = [() () … ] для  {1, …, }, (3)
Т
где «» обозначает транспонирование.
Предварительное преобразование в передатчике для выполнения формирования луча для каждого поддиапазона может быть выражено как:
s
k
N
F
() для  {1, …, }, (4)
s
k
k
где () является символом модуляции, подлежащим передаче в -ом поддиапазоне;
P
k
k
является масштабирующим значением, получаемым на основе передаваемой мощности (), выделенной -ому поддиапазону; и
x
k
N
k
T
() является вектором передачи с  предварительно преобразованными символами для -ого поддиапазона.
x
e
e
x
k
k
k
k
1
1
Как показано в уравнении (4), способ формирования луча генерирует один вектор () передачи для каждого поддиапазона на основе собственного вектора () для основной собственной моды. Так как элементы собственного вектора () могут иметь различные величины, то элементы вектора () передачи могут также иметь различные величины.
N
N
n
F
F
i
x
Для каждой i-ой передающей антенны  предварительно преобразованных символов, подлежащих передаче в  поддиапазонах в n-ом периоде символа, мультиплексируются в вектор () (передачи для одной антенны), который может быть выражен как:
N
T
для  {1, …, },
где  является масштабированным символом модуляции и определяется как .
h
D
h
k
k
k
*
Таким образом, для МВОВ-МОЧР-системы формирование луча осуществляется для каждого поддиапазона с использованием вектора управления, полученного для этого поддиапазона. Если канальное разложение выполняется над вектором () канальных откликов, то результатом будет одна собственная мода (т.е. одно не нулевое значение для матрицы ()) и один вектор управления. Этот вектор управления будет равен (). Формирование луча для МВОВ может быть осуществлено, как показано в уравнении (4).
2. Управление лучом
Способ управления лучом передает данные на основной собственной моде посредством предварительного преобразования символов модуляции «нормированным» вектором управления для этой собственной моды. Управление лучом также осуществляется для каждого поддиапазона для МВМВ-МОЧР-системы.
e
x
1
F
i
T
k
N
n
N
Как указано выше, элементы каждого собственного вектора () для  {1, …, } для основной собственной моды могут иметь различные величины. Поэтому векторы () для  {1, …, } передачи для одной антенны могут иметь различные величины. Если передаваемая мощность для каждой передающей антенны ограничивается (например, из-за ограничений для усилителей мощности), то способ формирования луча может не полностью использовать всю мощность, доступную для каждой антенны.
e
1
F
T
k
N
N
k
Способ управления лучом использует только фазовую информацию из собственных векторов () для  {1, …, } и нормирует каждый вектор управления передачей так, что все  элементов имеют равные величины. Нормированный вектор управления  для -ого поддиапазона может быть выражен как:
(5а)
где А является константой (т.е. А=1); и
θ
k
k
i
i
() является фазой для -ого поддиапазона -ой передающей антенны, которая определяется как:
(5b)
e
1
i
1,i
k
θ
k
e
k
Как показано в уравнении (5b), фаза каждого элемента в векторе  получается из соответствующего элемента собственного вектора () (т.е. () получается из ()).
Предварительное преобразование в передатчике для выполнения управления лучом для каждого поддиапазона может быть выражено как:
N
F
для  {1, …, } (6)
x
x
k
k
Как показано в уравнениях (5а) и (5b), элементы нормированного вектора управления  для каждого поддиапазона имеет одинаковые величины, но, возможно, различные фазы. Способ управления лучом генерирует один вектор () передачи для каждого поддиапазона с элементами (), имеющими одну и ту же величину, но, возможно, различные фазы.
N
N
n
n
N
F
F
i
i
T
x
x
Как описано выше, для i-ой передающей антенны предварительно преобразованных символов, подлежащих передаче в  поддиапазонах в n-ом периоде символа, мультиплексируются в вектор () передачи для одной антенны. Так как каждый вектор () передачи для  {1, …, } включает в себя один и тот же набор масштабированных символов модуляции (но, возможно, с различными фазами), то вся доступная для каждой антенны мощность передачи может быть полностью использована.
s
k
(k
y
В приемнике для получения оценки символа () модуляции принятый вектор ) для каждого поддиапазона может быть предварительно умножен (или «преобразован») на  (если было выполнено управление лучом) или на  (если было выполнено формирование луча). Если выполнялось управление лучом, то преобразование для получения оценки  символа может быть выражено как:
D
k
k
где () является коэффициентом усиления управления лучом для -ого поддиапазона, который может быть выражен как:
является шумом AWGN c нулевым средним значением и дисперсией шума .
k
Полученное отношение сигнал-шум для -ого поддиапазона с использованием управления лучом может быть выражено как:
N
F
, для  {1, …, } (9)
k
Спектральная эффективность для -ого поддиапазона может быть вычислена на основе непрерывной, монотонно возрастающей логарифмической функции для пропускной способности следующим образом:
N
F
для  {1, …, }. (10)
N
F
Спектральная эффективность определяется в единицах бит/секунда на Герц (бс/Гц). Средняя (усредненная) спектральная эффективность для  поддиапазонов МВМВ-МОЧР-системы может затем быть выражена как:
(11)
Подобные же вычисления могут быть выполнены для способа формирования луча.
Для МВОВ-МОЧР-системы управление лучом также выполняется для каждого поддиапазона с использованием нормированного вектора управления, полученного для этого поддиапазона. Нормированный вектор управления для МВОВ может быть получен таким же способом, что и описанный выше для нормированного вектора управления  для основной собственной моды (т.е. с использованием фазы вектора управления). Управление лучом для МВОВ может быть выполнено, как показано в уравнении (6).
3. Распределение мощности для поддиапазонов
N
P
N
k
P
/N
T
total
T
1
total
T
e
Если вся передаваемая мощность для всех  передающих антенн ограничена конкретным значением , тогда способ формирования луча может обеспечить лучшие результаты, чем способ управления лучом. Это объясняется тем, что вся передаваемая мощность может быть более оптимально распределена по  передающим антеннам на основе собственных векторов () для основной собственной моды. Однако, если передаваемая мощность, доступная для каждой передающей антенны, ограничена (например, до ), то способ управления лучом, вероятно, обеспечит лучшие результаты, чем способ формирования луча. Это объясняется тем, что способ управления лучом может более полно использовать всю мощность, доступную для каждой передающей антенны.
P
N
N
total
T
F
В любом случае вся передаваемая мощность  может быть распределена по передающим антеннам и  поддиапазонам с использованием различных схем распределения мощности. Эти схемы включают в себя схемы (1) полной инверсии каналов, (2) селективной инверсии каналов, (3) равномерного распределения и (4) «потокового наполнения» или «потокового разливания» распределяемой мощности. Для ясности каждая из этих схем конкретно описывается ниже для способа управления лучом.
4. Полная канальная инверсия каналов
N
N
F
F
Если одинаковое количество передаваемой мощности используется для каждого поддиапазона, тогда управление лучом может привести к различным отношениям С/Ш для  поддиапазонов. Для максимизации спектральной эффективности затем могут быть использованы различные схемы кодирования и модуляции для каждого поддиапазона в зависимости от отношения С/Ш, достигаемого для поддиапазона. Однако индивидуальное кодирование и модуляция для каждого поддиапазона может значительно увеличить сложность передатчика и приемника. С другой стороны, если одна и та же схема кодирования и модуляции используется для всех поддиапазонов, то могут иметь место значительные изменения в коэффициентах ошибок для  поддиапазонов, в зависимости от изменений в отношениях С/Ш принимаемых сигналов.
P
=P
/N
P
k
ant
total
T
Полная инверсия каналов может быть использована для эффективного «инвертирования» поддиапазонов так, чтобы отношение С/Ш принимаемых сигналов для всех поддиапазонов были приблизительно равными. Распределение мощности может быть выполнено при том ограничении, что вся мощность, распределенная по всем поддиапазонам для каждой передающей антенны, ограничена величиной . Для полной инверсии каналов величина передаваемой мощности (), распределяемой для каждого поддиапазона, может быть выражена как:
N
F
для  {1, …, }, (12)
k
k
где α является коэффициентом масштабирования, используемым для распределения мощности согласно полной инверсии каналов. Коэффициент масштабирования для -ого поддиапазона может быть выражен как:
(13)
b
где  является коэффициентом нормирования, который может быть выражен как:
(14)
P
N
N
D
k
P
k
total
F
k
F
k
rx
Как показано в уравнениях (12) и (13), вся передаваемая мощность  распределяется неравномерно по  поддиапазонам на основе коэффициентов масштабирования α для  {1, …, }, которые обратно пропорциональны коэффициентам () усиления управления лучом. Коэффициенты масштабирования α обеспечивают, что отношения С/Ш принимаемых сигналов для всех поддиапазонов приблизительно равны. Принятая мощность () сигнала для каждого поддиапазона может быть определена как:
N
F
, для  {1, …, }(15)
2
D
k
k
k
Мощность шума задается посредством σ(). Отношение γ() сигнал-шум для поддиапазона затем определяется как:
(16)
P
rx
Вся принятая мощность сигнала  может затем быть определена как:
P
k
total
Вся передаваемая мощность  распределяется по поддиапазонам так, что в них достигались равные С/Ш принимаемых сигналов (т.е. С/Ш принимаемых сигналов для каждого поддиапазона не являются функцией ), как показано в уравнении (16). Это далее дает возможность использовать общую схему кодирования и модуляции для всех поддиапазонов при удовлетворении ограничений мощности для каждой антенны.
N
P
/N
F
total
T
Для достижения приблизительного равенства С/Ш принимаемых сигналов для всех  поддиапазонов схема полной инверсии каналов обеспечивает распределение бульшей передаваемой мощности для худших поддиапазонов с низкими коэффициентами усиления. Так как мощность на антенну ограничена величиной , то лучшим поддиапазонам с более высокими коэффициентами усиления выделено меньше передаваемой мощности. Это может привести к снижению общей спектральной эффективности системы. Однако полная инверсия каналов может упростить процесс обработки в приемнике, поскольку характеристика общего канала является эффективно плоской, и выравнивания принятого сигнала не требуется.
5. Селективная инверсия каналов
P
N
P
total
F
total
Схема селективной инверсии каналов распределяет всю передаваемую мощность  так, что в поддиапазонах, выбранных для использования, достигаются приблизительно равные отношения С/Ш принимаемых сигналов. Это может выполняться посредством выбора сначала всех или только поднабора из  поддиапазонов, используемых для передачи данных. Выбор каналов может приводить к исключению поддиапазонов с низким отношением С/Ш, которое стало ниже определенного порога. Этот порог может быть выбран для максимизации спектральной эффективности, как описано ниже. Вся передаваемая мощность  затем распределяется только по выбранным поддиапазонам и так, чтобы соответствующие им отношения С/Ш принимаемых сигналов были приблизительно равными.
Коэффициенты масштабирования , используемые для распределения мощности посредством схемы селективной инверсии каналов, могут быть выражены как:
(17)
ρ
L
b
avg
где  является значением, используемым для установления порога,  является средним значением коэффициента усиления и  является коэффициентом нормирования. Коэффициент нормирования  сходен с  в уравнении (14), но вычисляется только для выбранных поддиапазонов и может быть выражен как:
L
avg
Среднее значение коэффициента усиления  может быть вычислено как:
D(k)
≥ ρL
P
P
D(k)/N
N
,
avg
total
total
T
F
Как показано в уравнении (17), конкретный поддиапазон выбирается для использования, если его коэффициент усиления управления лучом больше, чем порог, или равен порогу (т.е. ||). Так как передаваемая мощность не распределяется по поддиапазонам с коэффициентами усиления ниже порога, то может быть достигнута более высокая спектральная эффективность. Для поддиапазонов, выбранных для использования, вся передаваемая мощность  распределяется по этим поддиапазонам на основе их коэффициентов масштабирования , аналогично тому, как показано в уравнении (15), так что принятая мощность сигнала для каждого выбранного поддиапазона определяется как  и все выбранные поддиапазоны имеют приблизительно равные отношения С/Ш принимаемых сигналов.
D(k)
N
G(λ)
N
G
D(k)}
G
N
D(k)}
B(λ)
F
F
F
Порог, используемый для выбора поддиапазонов, может быть установлен на основе различных критериев. Порог, который максимизирует спектральную эффективность, может быть определен следующим образом. Сначала коэффициенты усиления  для всех  поддиапазонов ранжируются и упорядочиваются в порядке убывания в списке , для  {1, …, ), так, что (1)= max{ и ()= min{. Последовательность  затем определяется следующим образом:
B(λ)
является списком , если используются λ наилучших поддиапазонов.
Отношение С/Ш принимаемых сигналов по всем выбранным поддиапазонам при выборе λ наилучших поддиапазонов для использования определяется как:
P
total
Согласно уравнению (21), вся передаваемая мощность  распределена по λ наилучшим поддиапазонам так, что в них достигаются одинаковые отношения С/Ш принимаемых сигналов.
Если выбирается λ наилучших поддиапазонов для использования, то полная спектральная эффективность для этих поддиапазонов определяется как:
C(λ)
N
N
C(λ)
N
C(λ)
C(λ)
F
F
F
max
Спектральная эффективность  может быть вычислена для каждого значения λ, для  {1, …, }, и сохранена в виде матрицы. После вычисления всех  значений  для  возможных комбинаций выбранных поддиапазонов матрица спектральных эффективностей просматривается и определяется наибольшее значение . Значение λ, определенное как λ, соответствующее наибольшему , является затем числом поддиапазонов, которое приводит к максимальной спектральной эффективности для оцениваемых условий в каналах.
ρ
Значение  может затем быть вычислено как:
L
ρ L
D(λ
)
avg
avg
max
где  определяется, как показано в уравнении (19). Порог  может быть установлен равным , который является коэффициентом усиления наихудшего поддиапазона в группе поддиапазонов, которая максимизирует спектральную эффективность. Порог, используемый для выбора каналов, также может быть установлен на основе некоторого другого критерия.
P
total
Отношения С/Ш принимаемых сигналов для всех выбранных поддиапазонов могут быть сделаны примерно равными путем неравномерного распределения полной передаваемой мощности  по этим поддиапазонам. Равные отношения С/Ш принимаемых сигналов позволят использовать одну скорость передачи данных и общую схему кодирования и модуляции для всех выбранных поддиапазонов, что значительно снизило бы сложность как для передатчика, так и для приемника.
Схемы полной и селективной инверсии каналов подробно описаны в заявках на патент США за № 09/860274, поданной 17 мая 2001, № 09/881,610, поданной 14 июня 2001, и № 09/829,379, поданной 26 июня 2001 на «Способ и устройство обработки данных для передачи в многоканальной системе связи с использованием селективной инверсии каналов», которые переуступлены правообладателю настоящей заявки и которые включены в настоящее описание посредством ссылки.
6. Потоковое наполнение
P
N
total
F
Схема потокового наполнения может быть использована для оптимального распределения полной передаваемой мощности по поддиапазонам так, что полная спектральная эффективность максимизируется при том ограничении, что вся передаваемая мощность ограничивается до . Схема потокового наполнения распределяет мощность по  поддиапазонам так, что поддиапазоны с увеличивающимися коэффициентами усиления получают увеличивающиеся доли полной передаваемой мощности. Передаваемая мощность, выделенная для данного поддиапазона, определяется отношением С/Ш принимаемых сигналов поддиапазона, которое зависит от коэффициента усиления поддиапазона, как показано в уравнении (9) для способа управления лучом. Схема потокового наполнения может выделять нулевую передаваемую мощность для поддиапазонов с достаточно низкими отношениями С/Ш принимаемых сигналов.
P
(k)
N
w
F
Процедура осуществления потокового наполнения известна из уровня техники и не описывается здесь. Потоковое наполнение описано, например, в работе “Information Theory and Reliable Communication”, by Robert G. Gallager, John Wiley & Sons, 1968, которая включена в настоящее описание посредством ссылки. Результатом потокового наполнения является конкретное распределение  передаваемой мощности для каждого из  поддиапазонов. Распределение мощности потоковым наполнением выполняется так, что удовлетворяется следующее условие:
P
(k)
k
N
P
(k)
w
F
w
для
На основе распределения передаваемой мощности= {1, …, }, где  может равняться нулю для одного или более поддиапазонов, отношение С/Ш принимаемых сигналов каждого поддиапазона может быть выражено как:
С
N
F
Спектральная эффективность  для каждого поддиапазона может затем быть вычислена, как показано в уравнении (10), и усредненное значение спектральной эффективности для всех  поддиапазонов может быть вычислено, как показано в уравнении (11).
Распределение мощности потоковым наполнением обычно приводит к различным отношениям С/Ш принимаемых сигналов поддиапазонов, для которых выделены ненулевые мощности передачи. Различные схемы кодирования и модуляции могут затем быть использованы для выбранных поддиапазонов на основе соответствующих им отношений С/Ш принимаемых сигналов.
7. Равномерное распределение мощности
P
N
P
(k)
total
F
u
Схема равномерного распределения распределяет полную передаваемую мощность равномерно по всем  поддиапазонам. Передаваемая мощность , выделенная для каждого поддиапазона, может быть выражена как:
N
F
для  {1, …, } (26)
F
F
F
Равномерное распределение мощности может также приводить к различным отношениям С/Ш принимаемых сигналов N поддиапазонов. Различные схемы кодирования и модуляции могут затем быть использованы для этих поддиапазонов на основе соответствующих им отношений С/Ш принимаемых сигналов. Если МВМВ-система имеет больший порядок разнесения, то схемы полной и селективной инверсии каналов обеспечивают меньше преимуществ по сравнению со схемой равномерной мощности. Если МВМВ-система имеет бульший порядок разнесения, то N наибольших собственных значений для Nподдиапазонов вряд ли изменяются в широких пределах. В этом случае рабочие показатели схем полной или селективной инверсии каналов будут аналогичны рабочим показателям схемы равномерного распределения мощности.
Всю передаваемую мощность можно также распределять по поддиапазонам на основе некоторых других схем распределения мощности, и это также входит в объем изобретения.
P
/N
total
t
Было выполнено моделирование для (1) способа управления лучом с тремя различными схемами распределения мощности (полная инверсия каналов, селективная инверсия каналов и равномерное распределение и (2) способа формирования луча с равномерным распределением мощности. Если передаваемая мощность, доступная для каждой передающей антенны, ограничена (например, величиной ), способ управления лучом обеспечивает улучшение рабочих показателей примерно на 2,5 дБ по сравнению со способом формирования луча. Это значительное улучшение может быть отнесено к тому факту, что в способе управления лучом используется вся доступная мощность, чего нет в случае способа формирования луча. При достаточно низком отношении С/Ш принимаемых сигналов (которое равно -1 дБ для определенной конфигурации системы, использованной при моделировании), способ управления лучом может обеспечить улучшенные рабочие показатели по сравнению со способом, в котором данные передаются с использованием всех собственных мод и вся передаваемая мощность распределяется по этим собственным модам. Это объясняется тем, что при достаточно низких отношениях С/Ш принимаемых сигналов только несколько собственных мод являются «активными», и лучшие рабочие показатели могут быть достигнуты за счет выделения всей передаваемой мощности наилучшей собственной моде. Для способа управления лучом селективная инверсия каналов обеспечивает лучшие рабочие показатели, чем полная инверсия каналов при низких отношениях С/Ш принимаемых сигналов, и когда оценки МВМВ-канала являются зашумленными. Согласно результатам моделирования, при низких отношениях С/Ш принимаемых сигналов управление лучом с селективной инверсией каналов является лучшим выбором для использования, чем другие схемы передачи МВМВ.
8. Система
На фиг. 2 представлена блок-схема варианта осуществления передающей системы 210 и приемной системы 250 в МВМВ-МОЧР-системе 200.
N
T
В передающей системе 210 данные трафика (т.е. информационные биты) из источника 212 данных передаются в процессор 214 данных передачи, который кодирует, перемежает и модулирует данные для обеспечения символов модуляции. Пространственный процессор 220 передачи далее обрабатывает символы модуляции для обеспечения предварительно преобразованных символов, которые затем мультиплексируются с пилотными символами и подаются в  МОЧР-модуляторов с 222а по 222t, по одному модулятору для каждой передающей антенны. Каждый МОЧР-модулятор 222 обрабатывает соответствующий поток предварительно преобразованных символов для генерации промодулированного сигнала, который затем передается соответствующей антенной 224.
N
N
N
T
R
R
В приемной системе 250 промодулированные сигналы, переданные  антеннами с 224а по 224t, принимаются  антеннами с 252а по 252r. Принятый сигнал с каждой антенны 252 подается на соответствующий МОЧР-демодулятор 254. Каждый МОЧР-демодулятор 254 преобразует (например, фильтрует, усиливает и преобразует с понижением частоты) принятый сигнал, оцифровывает преобразованный сигнал для обеспечения выборок и обрабатывает выборки для обеспечения потока принятых символов. Пространственный процессор 260 приема затем обрабатывает  потоков принятых символов для обеспечения восстановленных символов, которые являются оценками символов модуляции, переданных передающей системой.
N
N
T
T
Обработка для обратного канала от приемной системы до передающей системы может быть подобна обработке для прямого канала или может отличаться от нее. Обратный канал может быть использован для передачи назад информации состояния канала (ИСК) из приемной системы к передающей системе. ИСК используется в передающей системе для (1) выбора надлежащих скоростей передачи данных и схем кодирования и модуляции для использования при передаче данных, (2) выполнения управления лучом или формирования луча и (3) распределения всей передаваемой мощности по поддиапазонам. ИСК может обеспечиваться в различных формах. Например, при выполнении управления лучом ИСК может включать в себя  фаз для  передающих антенн для каждого поддиапазона, выбранного для использования.
Контроллеры 230 и 270 управляют работой передающей и приемной систем, соответственно. Блоки 232 и 272 памяти обеспечивают хранение кодов программ и данных, используемых контроллерами 230 и 270, соответственно.
Блок-схема передающей и приемной систем в системе МВОВ-МОЧР будет сходна со схемой, показанной на фиг. 2. Однако приемная система будет включать в себя только одну приемную антенну и не будет использовать пространственный процессор 260 приема.
На фиг. 3 представлена блок-схема передающего блока 300, который является вариантом осуществления передатчика передающей системы 210 на фиг. 2.
В процессоре 214 данных передачи кодер 312 принимает и кодирует данные трафика (т.е. информационные биты) в соответствии с одной или более схем кодирования для обеспечения кодированных битов. Канальный перемежитель 314 затем перемежает кодированные биты на основе одной или более схем перемежения для обеспечения временного, пространственного и/или частотного разнесения. Элемент 316 отображения символов затем отображает перемеженные данные в соответствии с одной или более схем модуляции (например, QPSK, M-PSK, M-QAM т.п.) для обеспечения символов модуляции.
Кодирование и модуляция для поддиапазонов могут быть осуществлены различными способами. Если в приемной системе отношения С/Ш принимаемых сигналов поддиапазонов примерно одинаковы, (например, полная или селективная инверсия каналов), то общая схема кодирования и модуляции может быть использована для всех поддиапазонов, используемых для передачи данных. Если отношения С/Ш принимаемых сигналов отличаются, то отдельная схема кодирования и модуляции может быть использована для каждого поддиапазона (или каждой группы поддиапазонов с примерно равными отношениями С/Ш). Сверточное, решетчатое и турбокодирование может быть использовано для кодирования данных.
N
N
N
F
F
F
В пространственном процессоре 220 передачи оценки импульсных откликов МВМВ-канала подаются в блок 322 быстрого преобразования Фурье (БПФ) как последовательность  матриц выборок во временной области. Блок 322 БПФ затем выполняет БПФ для каждого набора  матриц  для обеспечения соответствующего набора  матриц оценок  канальных частотных откликов для  {1, …, }.
E
D
e
k
k
D(k)
k
N
D(k)
1
F
Блок 324 затем осуществляет разложение по собственным значениям по каждой матрице  для обеспечения единичной матрицы () и диагональной матрицы (), как описано выше. Затем вычисляется набор коэффициентов усиления  на основе матриц  и векторов управления, которые могут представлять собой  или () для  {1, …, }. Коэффициенты  усиления выдаются в блок 330 распределения мощности, а вектора управления выдаются в блок 350 управления лучом/формирования луча.
P
P(k)
N
N
P(k)
total
F
F
Блок 330 распределения мощности распределяет полную передаваемую мощность  по поддиапазонам с использованием любой из схем распределения мощности, описанных выше. Это приводит к распределениям мощности  для  {1, …, } для  поддиапазонов, где  может быть нулем для одного или более поддиапазонов. Блок 330 распределения мощности затем выдает значения коэффициентов  масштабирования для поддиапазонов в блок 340 масштабирования сигналов.
Блок-схема передающего блока в МВОВ-МОЧР-системе подобна блок-схеме, показанной на фиг. 3. Однако вектор управления для каждого поддиапазона определяется на основе вектора  канальных откликов вместо матрицы  канальных откликов.
s(k)
N
s
F
k
На фиг. 4 представлена блок-схема варианта осуществления блока 340а масштабирования сигналов, блока 350а управления лучом и мультиплексора 360а в передающем блоке 300, которые предназначены для осуществления управления лучом. В блоке 340а масштабирования сигналов символы модуляции демультиплексируются демультиплексором 440 на (до)  подпотоков, по одному подпотоку для каждого поддиапазона, используемого для передачи данных. Каждый подпоток символов подается на соответствующий умножитель 442.
Каждый умножитель 442 выполняет масштабирование сигнала для связанного поддиапазона на основе значения коэффициента  масштабирования, обеспеченного для этого поддиапазона. В частности, каждый умножитель 442 масштабирует каждый символ модуляции в его подпотоке его значением коэффициента  масштабирования для обеспечения соответствующего масштабированного символа модуляции. Сигнал, масштабированный для каждого символа модуляции, может быть выражен как:
.
P(k)
Значение коэффициента  масштабирования для каждого умножителя 442 определяется передаваемой мощностью , выделенной для соответствующего поддиапазона. Каждый подпоток масштабированных символов  модуляции затем подается в соответствующий блок 450 управления лучом.
N
x
(k)
k
T
i
Каждый блок 450 управления лучом осуществляет управление лучом для связанного поддиапазона и также принимает нормированный вектор  управления для этого поддиапазона. В каждом блоке 450 масштабированный символ  модуляции подается на  умножителей с 452а по 452t, по одному умножителю для каждой передающей антенны. Каждый умножитель 452 также принимает соответствующий элемент  нормированного вектора  управления, умножает каждый масштабированный символ модуляции в подпотоке на элемент  и подает предварительно преобразованный символ  в сумматор 460 для передающей антенны, связанной с этим умножителем. Предварительное преобразование, выполняемое блоком 450k управления лучом для -ого поддиапазона, может быть выражено как:
N
T
для  {1, …, }
N
x
(k)
N
N
N
T
i
T
T
T
Каждый блок 450 управления лучом подает  предварительно преобразованных символов  для  {1, …, } на  сумматоров с 460а по 460t для  передающих антенн.
Масштабирование и предварительное преобразование сигналов могут также комбинироваться или осуществляться в другом порядке, чем описанный выше.
N
x
(k)
N
N
N
F
i
F
F
F
Каждый сумматор 460 получает до  предварительно преобразованных символов,  для  {1, …, } из соответствующих  блоков 450 управления лучом для соответствующих  поддиапазонов, используемых для передачи данных. Каждый сумматор 460 может также мультиплексировать пилотные символы с предварительно преобразованными символами в одном или более поддиапазонов с использованием мультиплексирования с временным разделением, мультиплексирования с кодовым разделением и/или мультиплексирования с частотным разделением. Пилотные символы могут быть использованы в приемнике для оценки МВМВ канала. Каждый сумматор 460 выдает поток предварительно преобразованных символов в соответствующий МОЧР-модулятор 222.
x
x
i
F
F
i
i
i
i
F
n
N
N
(n)
x
(1), x
(2) …, x
(N
)
В каждом МОЧР-модуляторе 222 блок 472 ОБПФ принимает поток предварительно преобразованных символов и формирует вектор () предварительно преобразованных символов для каждого периода символов. Каждый такой вектор имеет  элементов для  поддиапазонов и включает в себя предварительно преобразованные символы для выбранных поддиапазонов и нули для не выбранных поддиапазонов (т.е. =[]). Блок 472 ОБПФ затем выполняет обратное БПФ каждого вектора для получения соответствующего представления во временной области, которое определяется как МОЧР-символ. Для каждого МОЧР-символа генератор 474 циклического префикса повторяет часть МОЧР-символа для формирования соответствующего передаваемого символа. Циклический префикс гарантирует, что передаваемый символ сохраняет свои ортогональные свойства в присутствии расширения, обусловленного задержками многолучевого распространения. Передатчик 476 затем преобразует передаваемые символы в один или более аналоговых сигналов и дополнительно преобразует (например, усиливает, фильтрует и преобразует с повышением частоты) аналоговые сигналы для генерирования модулированного сигнала, который затем передается соответствующей антенной 224.
N
(k)
(k)
N
N
N
D(k)
F
i
1
F
T
T
e
e
На фиг. 5 представлена блок-схема варианта осуществления способа 500 передачи данных на единственной собственной моде многовходового канала с использованием управления лучом или формирования луча. Многовходовой канал может быть МВМВ-каналом в МВМВ системе или МВОВ-каналом в МВОВ-системе. Сначала вектор управления получают для каждых  поддиапазонов (этап 512). Вектор управления для каждого поддиапазона может быть собственным вектором  для собственной моды этого поддиапазона (для формирования луча) или нормированным вектором управления , получаемым на основе собственного вектора  (для управления лучом). Для МВМВ-системы собственные вектора для поддиапазонов могут быть получены выполнением разложения по собственным значениям для матриц  для  {1, …, }, как описано выше. Для МВОВ-системы имеется только одна собственная мода и один вектор управления для каждого поддиапазона. Каждый вектор управления включает  элементов для  передающих антенн. Затем определяется коэффициент усиления для каждого поддиапазона, обеспечиваемый его вектором управления, (например, как показано в уравнении (8) для управления лучом) (этап 514).
P
N
total
F
Вся передаваемая мощность  распределяется по поддиапазонам с использованием любой из схем распределения мощности, описанных выше (например, полная инверсия каналов, селективная инверсия каналов, равномерное распределение или потоковое наполнение) (этап 516). Коэффициенты усиления для поддиапазонов могут быть использованы для выполнения распределения мощности. Все или только поднабор  поддиапазонов могут быть выбраны для использования в передаче данных посредством распределения мощности. Затем получают значение коэффициента  масштабирования для каждого выбранного поддиапазона на основе выделенной для него мощности (этап 518).
Данные, подлежащие передаче, кодируются и модулируются на основе одной или более схем кодирования и модуляции для получения символов модуляции (этап 520). Общая схема кодирования и модуляции может быть использована, если отношения С/Ш принимаемых сигналов поддиапазонов примерно равны. В общем случае конкретная схема кодирования и модуляции, используемая для каждого поддиапазона, зависит от отношения С/Ш принимаемых сигналов, достигаемого в этом поддиапазоне.
e
1
T
T
T
(k)
N
N
N
Символы модуляции, подлежащие передаче в каждом поддиапазоне, затем масштабируются значением коэффициента масштабирования для поддиапазона (этап 522). Масштабированные символы модуляции для каждого поддиапазона затем предварительно преобразуются с использованием вектора управления поддиапазона (этап 524). Предварительное преобразование обеспечивает управление лучом или формирование луча для поддиапазона в зависимости от использования  или  в качестве вектора управления. Для каждого поддиапазона, выбранного для использования, один вектор из  предварительно преобразованных символов генерируется для каждого масштабированного символа модуляции, и эти  предварительно преобразованных символов должны передаваться в этом поддиапазоне посредством  передающих антенн.
Затем формируется поток предварительно преобразованных символов для каждой передающей антенны путем мультиплексирования выходных данных предварительного преобразования для выбранных поддиапазонов (этап 526). Каждый поток предварительно преобразованных символов обрабатывается далее (например, МОЧР-модуляцией) для обеспечения модулированного сигнала для передачи соответствующей антенной (этап 528).
D(k)
Для ясности выше описаны конкретные варианты осуществления. Изменения этих вариантов осуществления и другие варианты осуществления также могут быть получены на основе вышеописанных сведений. Например, набор поддиапазонов для использования в передаче данных может быть выбран на основе одного или более критерия, независимо от схемы, используемой для распределения передаваемой мощности по поддиапазонам. В качестве другого примера, коэффициенты  усиления и вектора управления могут быть получены приемной системой и выданы в передающую систему как часть ИСК. Обработка для МВМВ и МВМВ-МОЧР-систем описана подробно в заявке на патент США № 09/993087 на «Систему связи множественного доступа», с множеством входов и множеством выходов», поданной 6 ноября 2001, переуступленной правообладателю настоящей заявки и включенной в настоящее описание посредством ссылки.
Для ясности, способы осуществления управления лучом и формирования луча описаны применительно к МВМВ-МОЧР-системе. Эти способы могут также использоваться для МВМВ-системы, которая не использует МОЧР. Обработка для реализации управления лучом или формирования луча для каждого поддиапазона может быть осуществлена, как раскрыто выше. Однако обработка посредством модуляторов 222 будет зависеть от конкретной схемы модуляции и передачи, выбранной для использования.
Описанные способы могут быть реализованы различными средствами. Например, эти способы могут быть реализованы аппаратными средствами, программным обеспечением или комбинацией этих средств. В случае аппаратной реализации элементы, используемые для реализации любого одного или комбинации способов (например, пространственного процессора 220 передачи) могут быть реализованы на одной или более специализированных интегральных схемах (ASICs) на процессорах цифровой обработки сигналов (DSP), устройствах цифровой обработки сигналов (DSPD), программируемых логических устройствах (PLD), программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGA), процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, других электронных блоках, предназначенных для выполнения вышеописанных функций или их комбинации.
В случае программной реализации вышеописанные способы могут быть реализованы модулями (например, процедурами, функциями и т.п.), которые выполняют вышеописанные функции. Программные коды могут храниться в блоке памяти (например, блоке памяти 232 на фиг. 1) и выполняться процессором (например, контроллером 230). Блок памяти может быть реализован в процессоре или вне процессора, в последнем случае он может быть связан с процессором посредством различных средств, известных из уровня техники.
Заголовки включены в настоящее описание для ссылки и для нахождения определенных разделов. Эти заголовки не предназначены для ограничения объема описанных в соответствующих разделах принципов, которые могут применяться и в других разделах описания.
Предыдущее описание вариантов осуществления предназначено для обеспечения возможности любому специалисту в данной области техники осуществить или использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов осуществления будут очевидны для специалистов в данной области техники, и общие принципы, определенные в настоящем описании, могут быть использованы в других вариантах осуществления без отклонения от сущности или объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не предназначено для ограничения вышеописанными вариантами осуществления, но должно соответствовать самому широкому объему, отвечающему раскрытым принципам и новым признакам.