АДАПТИВНАЯ К СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ПЕРЕДАЮЩАЯ СХЕМА ДЛЯ СИСТЕМ С БОЛЬШИМ КОЛИЧЕСТВОМ ВХОДОВ И ВЫХОДОВ (БКВВ)
TRANSMISSION RATE ADAPTIVE TRANSMISSION SCHEME FOR MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается в общем передачи данных, и более конкретно адаптивной к скорости передачи передающей схемы для систем связи с большим количеством входов и выходов (БКВВ, MIMO).
Уровень техники
N
N
N
N
N
N
N
, N
N
T
R
T
R
S
S
T
R
S
В системе БКВВ для передачи данных используется множество () передающих антенн и множество () приемных антенн. Канал БКВВ, сформированный передающими и приемными антеннами, может быть разбит на  независимых каналов, где  ≤ min{}. Каждый из  независимых каналов соответствует размеру. Система БКВВ может обеспечивать улучшенную эффективность (например, более высокую пропускную способность и/или большую надежность), если используются дополнительные размерности, создаваемые множеством передающих и приемных антенн.
В системе беспроводной связи подлежащие передаче данные обычно обрабатываются (например, кодируются и модулируются) для обеспечения символов данных. Для системы БКВВ от передатчика в приемник могут быть посланы один или множество потоков символов данных. Множество потоков символов данных могут передаваться параллельно от множества передающих антенн с использованием пространственного мультиплексирования, которое применяет дополнительные размерности канала БКВВ. Для достижения высокой пропускной способности желательно передавать параллельно столько потоков символов данных, сколько возможно. Однако количество потоков символов данных, которые могут быть переданы, и скорости передачи, которые могут использоваться для этих потоков, обычно зависят от состояния канала. В настоящее время доступны различные передающие схемы для пространственного мультиплексирования, включая (1) схему "мультиплексирования антенн", которая передает один поток символов данных от каждой антенны, и (2) схему "мультиплексирования собственной моды", которая передает один поток символов данных на каждом независимом канале канала БКВВ.
.
В качестве альтернативы, от множества передающих антенн может передаваться единственный поток символов данных с использованием разнесения передачи для увеличения надежности передачи данных. Разнесение получают посредством использования множества передающих антенн, а также множества приемных антенн, для обеспечения некоторого количества путей распространения для потока символов данных. Разнесение передачи можно использовать, если требуется большая надежность или если состояние канала настолько плохое, что лучше использовать всю доступную мощность передачи для одного потока символов данных. В настоящее время доступны различные передающие схемы для разнесения передачи, включая (1) схему "пространственно-временного разнесения", описанную S.M. Alamouti в статье под названием "A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications (Методика простого разнесения передачи для беспроводной связи)", IEEE JSAC, октябрь 1998 г., и (2) схему "разнесения задержки", описанную B. Raghothaman и др в статье под названием "Performance of Closed Loop Transmit Diversity with Feedback Delay (Эффективность разнесения передачи замкнутого цикла с задержкой обратной связи)", Thirty-Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (Тридцать четвертая конференция Асиломара по вопросам передачи сигналов, систем и компьютеров), 2000 г.
N
T
Для достижения высокой эффективности можно разработать систему БКВВ для поддержания одной или более передающих схем для пространственного мультиплексирования и одной или более передающих схем для разнесения передачи. Для такой системы БКВВ в любом заданном интервале передачи может быть выбрана определенная передающая схема для использования в зависимости от состояния канала и желательного результата (например, более высокой пропускной способности или большей надежности). Однако обычные передающие схемы для пространственного мультиплексирования часто весьма отличаются по конструкции от обычных передающих схем для разнесения передачи. Таким образом, сложность передатчика и приемника в системе может значительно повышаться, если они требуются для поддержания множества (и различных) схем передачи для пространственного мультиплексирования и разнесения передачи. Кроме того, для обеспечения высокой эффективности для передачи данных желательно полностью использовать суммарную мощность передачи, доступную для системы, и полную мощность, доступную для каждой из  передающих антенн, независимо от количества подлежащих передаче потоков символов данных.
Поэтому в технике имеется потребность в передающей схеме, которая может поддерживать пространственное мультиплексирование, обеспечивать разнесения передачи и полностью использовать доступную мощность передачи в системах БКВВ.
Сущность изобретения
Здесь предложена адаптивная к скорости передачи передающая схема, которая поддерживает пространственное мультиплексирование и обеспечивает разнесение передачи для систем БКВВ. Адаптивная к скорости передачи передающая схема имеет ряд требуемых характеристик, включающих в себя: (1) поддержку передачи переменного количества потоков символов данных, таким образом делая ее подходящей для использования в адаптивных к скорости передачи системах, (2) обеспечение разнесения передачи для каждого потока символов данных, и (3) обеспечение возможности использования полной мощности, доступной для каждой передающей антенны, подлежащей использованию для передачи данных, независимо от количества передаваемых потоков символов данных, таким образом делая ее эффективной по мощности. Адаптивная к скорости передачи передающая схема хорошо подходит для системы БКВВ с единственной несущей и может также использоваться для систем БКВВ с несколькими несущими.
В варианте осуществления предложен способ обработки данных для передачи в системе БКВВ. В соответствии со способом принимают по меньшей мере один поток символов данных для передачи от множества передающих антенн. Каждый поток символов данных масштабируют с помощью соответственного весового коэффициента, который соответствует величине мощности передачи, распределенной для этого потока символов данных. Суммарная величина мощности передачи, распределенной для всех из по меньшей мере одного потока символов данных, меньше или равна суммарной мощности передачи, доступной для системы. Затем масштабированный поток (потоки) символов данных перемножают с основной матрицей передачи для обеспечения множества потоков передаваемых символов, по одному потоку передаваемых символов для каждой передающей антенны.
Основная матрица передачи определена так, что (1) каждый поток символов данных передается от множества передающих антенн, и (2) каждый поток передаваемых символов передается на полной (или близкой к ней) мощности, доступной для связанной антенны. Основная матрица передачи может быть матрицей Уолша-Адамара, матрицей дискретного преобразования Фурье (ДПФ) или некоторой другой матрицей.
Ниже более подробно описаны различные аспекты и варианты осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Признаки, характер и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из подробного описания, сформулированного ниже и приведенного в связи с чертежами, на которых подобные ссылочные позиции применяются соответствующим образом повсюду, и на которых:
N
N
D
T
фиг.1 изображает блок-схему процесса передачи  потоков символов данных от  антенн с использованием адаптивной к скорости передачи передающей схемы;
фиг.2 изображает блок-схему системы передатчика и системы приемника в системе БКВВ;
фиг.3 изображает пространственную обработку в системах передатчика и приемника для адаптивной к скорости передачи передающей схемы; и
фиг.4 изображает блок-схему пространственного процессора передачи (ТХ) в системе передатчика.
Подробное описание
Здесь описана адаптивная к скорости передачи передающая схема для систем БКВВ. Для системы БКВВ с несколькими несущими передающую схему можно использовать для каждой из множества несущих, доступных для передачи данных. Для ясности, адаптивная к скорости передачи передающая схема описана ниже для системы БКВВ с единственной несущей.
N
N
N
N
N
, N
.
N
N
N
N
N
N
≤ N
).
N
N
T
R
S
S
T
R
T
R
T
R
S
T
R
T
T
Н
Н
Для системы БКВВ с единственной несущей канал БКВВ, сформированный  передающими и  приемными антеннами, может быть разбит на  независимых каналов, с  ≤ min{} Количество независимых каналов определяется количеством собственных мод для канала БКВВ, которое, в свою очередь, зависит от матрицы  характеристик канала, которая описывает зависимость между  передающими и  приемными антеннами. Для простоты, в приведенном ниже описании предполагается, что ≤ , и что матрица  характеристик канала представляет собой полный ранг (то есть  =  С этими предположениями, в течение каждого периода символов, параллельно могут передаваться до  символов от  передающих антенн.
Модель для системы БКВВ с единственной несущей можно выразить как:
y
Hx
n
=+ Ур.(1)
x
N
N
N
T
T
T
где  - вектор "данных" {x 1} с  компонентами для символов данных, подлежащих передаче от  передающих антенн;
y
N
N
N
R
R
R
- вектор "приема" { x 1} с  компонентами для символов, принимаемых через  приемных антенн;
Н
N
N
R
T
- матрица характеристик канала { x }; и
n
- вектор аддитивного белого гауссова шума (АБГШ).
x
I
I
n
Λ
I
E[
]
E
"
"
H
H
2
2
n
Вектор  данных предполагается таким, что xx = , где  - операция математического ожидания,  - сопряженное транспонирование, а  - единичная матрица с единицами по диагонали и остальными нулями. Предполагается, что вектор  имеет нулевое среднее значение и ковариационную матрицу  = σ, где σ - дисперсия шума.
P
,
N
P
,
P
P
= P
/N
.
tot
T
ant
ant
ant
tot
T
В обычной системе имеются ограничения, налагаемые на (1) суммарную мощность передачи,  которая может использоваться для всех  передающих антенн, и (2) максимальную или полную мощность,  для каждой передающей антенны. Как правило, мощность  на антенну задается как  Эти ограничения могут быть наложены посредством (1) ограничения усилителя мощности, используемого для возбуждения каждой передающей антенны, (2) обязательных требований и (3) возможно, других факторов. Тогда модель для системы БКВВ с этими ограничениями мощности может быть выражена как:
Ур.(2)
где - масштабный коэффициент, который учитывает ограничения суммарной мощности и мощности на антенну.
N
N
N
N
N
N
N
N
N
- N
N
N
< N
.
N
< N
N
P
.
N
D
T
D
T
T
D
D
D
T
D
T
D
T
D
T
D
tot
D
В одной обычной схеме передачи  потоков символов данных одновременно передаются от  передающих антенн с использованием мультиплексирования антенн, где  может быть любым целым числом от 1 до  (то есть ≥≥ 1). Для этой обычной передающей схемы, в любом заданном периоде символов,  символов данных передаются одновременно от  антенн, а () остающихся антенн не используются. Если суммарная мощность передачи и мощность на антенну ограничиваются, как описано выше, то эта передающая схема будет демонстрировать потерю мощности, если для передачи данных используется меньше, чем  антенн, что имеет место в случае, если  Из-за ограничения мощности на антенну, когда , для  антенн, используемых для передачи данных, большая величина суммарной мощности передачи не может быть распределена Кроме того, если  потоков символов данных являются избыточными потоками (то есть теми же самыми), то есть риск стирания этих потоков в приемнике.
N
P
T
tot
Определенное количество потоков символов данных, подлежащих передаче, может зависеть от различных факторов, таких, например, как состояние канала, количество данных для передачи, и т.д. Как отмечено выше, различные независимые каналы могут испытывать разные состояния канала и достигать различных отношений сигнал-шум (ОСШ, SNR). Для канала БКВВ недостаточного ранга, оптимальная стратегия заключается в передаче менее чем  потоков символов данных, но распределении большей суммарной мощности  передачи для потоков символов данных, которые достигают более высоких значений отношений ОСШ. Однако, для описанной выше передающей схемы с мультиплексированием антенн, посредством которой каждый поток символов данных передается от одной антенны, оптимальное распределение суммарной мощности передачи не может быть достигнуто из-за ограничения мощности на антенну. В результате произойдет некоторая потеря в эффективности.
Описываемая здесь адаптивная к скорости передачи передающая схема поддерживает пространственное мультиплексирование, обеспечивает разнесение передачи и имеет следующие выгодные особенности.
N
T
Поддерживает передачу переменного количества потоков символов данных (от одного до ), используя одну и ту же пространственную обработку передачи и приема при сохранении ключевых характеристик.
N
T
Обеспечивает лучшую эффективность, чем схема пространственно-временного разнесения для единственного потока символов данных, через передачу от всех передающих антенн.
P
N
N
ant
T
T
Позволяет использовать полную мощность  каждой из  передающих антенн, подлежащих использованию для передачи данных, независимо от количества передаваемых потоков символов данных, таким образом делая ее эффективной по мощности, без потери мощности, когда передается меньше чем  потоков символов данных.
P
tot
Обеспечивает гибкое распределение суммарной мощности  передачи среди подлежащих передаче потоков символов данных.
Адаптивная к скорости передачи передающая схема и ее выгодные особенности ниже описаны более подробно.
Общая модель для системы БКВВ с единственной несущей и подходящая для адаптивной к скорости передачи передающей схемы может быть выражена как:
Ур.(3)
М
N
x N
T
T
где  - основная матрица передачи{}, которая является унитарной матрицей;
Λ
N
x N
T
T
- диагональная матрица {};
<munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder>
N
N
N
N
T
T
T
T
- вектор "передачи" { x 1} с  компонентами для  передаваемых символов, посылаемых от  передающих антенн; и
H
H
HM
eff
eff
- матрица отклика "эффективного" канала, которая определяется как  = .
U
U
U
I
Λ
H
N
D
Унитарная матрица  отличается свойством  = , которое показывает, что каждый столбец унитарной матрицы ортогонален всем другим столбцам матрицы, и каждая строка унитарной матрицы также ортогональна всем другим строкам. Диагональная матрица  содержит неотрицательные вещественные значения по диагонали и остальные нули. Эти диагональные компоненты показывают величину мощности передачи, распределенную для подлежащих передаче  потоков символов данных.
Λ
М
N
P
N
P
D
tot
T
ant
Как описано более подробно ниже, диагональную матрицу  можно использовать для распределения различных мощностей передачи  потокам символов данных при согласовании с ограничением суммарной мощности передачи . Основная матрица передачи  позволяет каждый поток символов данных посылать от  передающих антенн и дополнительно позволяет для передачи данных использовать полную мощность  каждой передающей антенны.
<munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder>
Из уравнения (3), вектор передачи
можно выразить как:
<mrow><munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder><mo>=</mo><munder accentunder="true"><mrow><mi>M</mi><mi>Λ</mi><mi>x</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
Ур.(4)
<mrow><msub><munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder><mi>k</mi></msub></mrow>
<munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder>
k
k
Передаваемый символ
для -й передающей антенны (то есть -й элемент вектора передачи
) может быть выражен как:
k
К
для ∈ Ур.(5)
M
k
i
k,i
М
где - элемент в -й и -м столбце основной матрицы передачи ;
λ
-
i
i,i
Λ
-й диагональный элемент матрицы ;
x
i
i
x
- -й элемент вектора данных ;
<mrow><msub><munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder><mi>k</mi></msub></mrow>
<mrow><munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder><mo>;</mo></mrow>
k
- -й элемент вектора передачи
и
K =
N
T
K - набор из всех передающих антенн (то есть {1, 2, ..., }).
М
Λ
М
М
m
m
m
m
М
Λ
Λ
I
М
Λ
1
2
NT
i
T
,
N
i
Уравнение (3) представляет общую модель, которая охватывает оба уравнения (1) и (2). Это достигнуто посредством определения должным образом основной матрицы передачи  и диагональной матрицы . Например, уравнение (3) может быть сделано равным уравнению (2) посредством (1) определения основной матрицы передачи  как  = [ … ] где  является вектором "индекса" {x 1} для -ого столбца  и определен "1" в i-й позиции и "0" в других позициях, и (2) определения диагональной матрицы , как  = . Однако могут быть получены другие выгодные характеристики посредством определения основной матрицы передачи  и диагональной матрицы  некоторым другим образом, как описано ниже.
М
Λ
x
Λ
Для следующего анализа рассмотрим произвольную основную матрицу передачи  и произвольную диагональную матрицу  с неотрицательными диагональными компонентами. Мощность передачи для вектора  равна сумме квадрата диагональных элементов . Тогда ограничение суммарной мощности передачи может быть выражено как:
Λ
2
P
tot
trace()≤ Ур.(6)
N
T
Из уравнения (5) мощность передачи для каждой из  передающих антенн может быть выражена как:
k
К
для ∈ Ур.(7)
где "*" обозначает комплексно сопряженный элемент. Затем ограничение мощности на антенну может быть выражено как:
k
К
для ∈ Ур.(8)
Λ
М
2
P
,
tot
Поскольку trace() ≤  как показано в уравнении (6), ограничение мощности на антенну в уравнении (8) может быть удовлетворено любой матрицей  полного ранга, элементы которой удовлетворяют следующему уравнению:
i
К
k
К
для ∈ и ∈ Ур.(9)
М
.
Уравнение (9) показывает, что элементы допустимой матрицы  имеют величину, равную 1/ Уравнение (9) представляет достаточное условие (но не являющееся необходимым условием), требуемое для удовлетворения ограничению мощности на антенну.
М
М
Матрица  может быть определена различными способами при удовлетворении ограничению мощности на антенну. В одном варианте осуществления матрица  определена как:
Ур.(10)
W
W
N
,
T
4x4
где  - матрица Уолша-Адамара. В качестве иллюстрации, для = 4 матрица Уолша-Адамара  может быть выражена как:
Ур.(11)
W
2Nx2N
Матрица Уолша-Адамара  большего размера может быть определена как:
Ур.(12)
М
В другом варианте осуществления матрица  определена как:
Ур.(13)
Q
Q
N
T
4x4
где  - матрица дискретного преобразования Фурье (ДПФ). В качестве иллюстрации, для  = 4, матрица ДПФ  может быть выражена как:
Ур.(14)
Q
NxN
k,i
k
q
N
В общем, матрица ДПФ NxN  может быть определена так, что (, i)-й компонент,  , задается как:
k
i
для ={1...N} и ={1...N} Ур.(15)
k
i
Q
М
NxN
где  - индекс строки, а  - индекс столбца для матрицы . Матрицу  также можно определять различными другими матрицами, и это находится в пределах объема изобретения.
М
Λ
Λ
М
Λ
Λ
i,i
i
i,i
tot
tot
D
D
x
.
P
,
P
N
N
2
При использовании соответствующей основной матрицы передачи  и соответствующей диагональной матрицы , ограничение суммарной мощности передачи и ограничение мощности на антенну оба могут быть удовлетворены. В частности, ограничение суммарной мощности передачи может быть удовлетворено при определении диагональных элементов  таким образом, чтобы удовлетворялось уравнение (6). Затем может быть удовлетворено ограничение мощности на антенну посредством определения элементов  так, чтобы удовлетворялось уравнение (9). Каждый диагональный элемент λв  является показательным для величины мощности передачи, используемой для связанного потока  символов данных Поскольку ограничение не налагается на значение любого отдельного диагонального элемента , за исключением того, что λ ≤  суммарная мощность передачи  может быть распределена для  потоков символов данных различными способами, все еще удовлетворяя ограничениям суммарной мощности передачи и мощности на антенну. Тогда это предоставляет большую гибкость в распределении доступной мощности передачи среди потоков символов данных.
N
N
.
N
N
N
N
N
N
D
T
D
D
T
D
D
D
eff
x
Λ
М
H
Адаптивную к скорости передачи передающую схему можно использовать для передачи любого количества потоков символов данных (то есть  может иметь любое значение от 1 до ) Передатчик осуществляет пространственную обработку, показанную уравнением (4), независимо от количества потоков символов данных, подлежащих передаче. Вектор данных  включает в себя  ненулевых компонент для  потоков символов данных и - нулевых компонент. Каждый из  потоков символов данных связан с соответствующим ненулевым диагональным элементом в матрице . Каждый из  потоков символов данных дополнительно обрабатывается с использованием соответствующей строки основной матрицы передачи  для передачи по соответствующему пространственному каналу, который определен конкретным столбцом или собственным вектором матрицы  характеристик эффективного канала.
ra
eff
H
Можно показать, что адаптивная к скорости передачи передающая схема может обеспечивать улучшенную эффективность по сравнению с обычными схемами разнесения передачи. Например, схема пространственно-временного разнесения, описанная S.M. Alamouti, часто используется для передачи единственного потока символов данных от единственной пары передающих антенн, чтобы получить разнесение передачи. Однако можно показать, что адаптивная к скорости передачи передающая схема может обеспечивать улучшенную эффективность для передачи единственного потока символов данных. Принимаемый ОСШ, SNR, для потока символов данных, передаваемого с использованием адаптивной к скорости передачи передающей схемы с лучшим столбцом , может быть выражен как: Ур. (5)
Ур.(16)
где  обозначает пропорциональность; и
h
h
H
eff,i
eff,i
eff
2
i
.
‖‖ - квадрат нормы элемента , который представляет собой -й столбец или собственный вектор матрицы  характеристик эффективного канала
H
H
eff
eff
Уравнение (16) показывает, что ОСШ единственного лучшего потока символов данных с использованием адаптивной к скорости передачи передающей схемы является пропорциональным квадрату нормы лучшего собственного вектора . Чтобы получить ОСШ по уравнению (16), приемнику требуется послать информацию обратной связи, указывающую лучший столбец  для использования передатчиком.
st
Принимаемый ОСШ, SNR, для единственного потока символов данных, передаваемого с использованием схемы пространственно-временного разнесения, может быть выражен как:
Ур.(17)
N
N
T
eff
T
H
Уравнение (17) показывает, что ОСШ единственного потока символов данных с использованием схемы пространственно-временного разнесения пропорционален среднему арифметическому квадратов норм  собственных векторов . В обоих уравнениях (16) и (17) предполагается передача на полной скорости передачи (то есть без потери скорости передачи). Однако, поскольку схема пространственно-временного разнесения использует только две антенны для передачи единственного потока символов данных, если> 2, то будет потеря скорости передачи.
Общеизвестно, что следующее выражение всегда правильное:
Ур.(18a)
И, таким образом,
ra
st
SNR≥SNR Ур.(18b)
N
T
Уравнения (18a) и (18b) показывают, что адаптивная к скорости передачи передающая схема может обеспечивать такую же или лучшую эффективность, чем схема пространственно-временного разнесения. Кроме того, адаптивная к скорости передачи передающая схема может обеспечивать большее разнесение передачи, поскольку поток символов данных передается от всех  антенн. В противоположность этому, схема пространственно-временного разнесения передает единственный поток символов данных только от одной пары передающих антенн. Передача единственного потока символов данных через множество пар антенн может быть возможна для схемы пространственно-временного разнесения, но может приводить к потере скорости передачи или некоторым другим проблемам в отношении эффективности.
М
М
М
I
P
P
tot
ant
Следует также отметить, что использование основной матрицы передачи  адаптивной к скорости передачи передающей схемой позволяет полностью использовать и суммарную мощность  передачи, и мощность на антенну  для передачи данных, независимо от количества потоков передаваемых символов данных. Если основная матрица передачи  не используется (то есть, если  = ) и единственный поток символов данных передается от единственной лучшей антенны, используя мультиплексирование антенн, то принимаемое ОСШ для этого потока символов данных может быть выражено как:
Ур.(19)
Также можно показать, что следующее выражение также всегда верное:
Ур.(20)
Таким образом, адаптивная к скорости передачи передающая схема по быстродействию также превосходит мультиплексирующую антенну передающую схему.
N
N
N
N
N
N
D
T
D
T
T
D
На фиг.1 изображена графическая схема программы варианта осуществления процесса 100 для передачи  потоков символов данных от  антенн с использованием адаптивной к скорости передачи передающей схемы. Как отмечено выше,  может иметь любое значение от 1 до  (то есть ≥≥1).
P
N
tot
D
x
Первоначально суммарная мощность передачи распределяется для  потоков символов данных (обозначенных ) (этап 112). На основании состояния канала можно определить определенное количество потоков символов данных для передачи и величину мощности для распределения для каждого потока символов данных. Например, можно использовать процедуру "водного заполнения", чтобы определить количество потоков символов данных для передачи и величину мощности, подлежащую использованию для каждого потока символов данных, таким образом, чтобы полная пропускная способность увеличилась до максимума. Процедура “водного заполнения” подробно описана в переуступленной обычным образом заявке на патент США с порядковым № 10/056,275 под названием "Перераспределение избыточной мощности для систем с большим количеством входов и выходов (БКВВ) с полной информацией о состоянии канала (ИСК)", зарегистрированной 23 января 2002 г., и в работе Robert G. Gallager "Теория информации и надежная связь", John Wiley and Sons, 1968 г., обе включены здесь путем ссылки.
i
i,i
T
D
D
T
D
D
.
N
N
N
N
-N
N
Λ
Величина мощности передачи, распределенная для каждого потока символов данных x, обозначена соответствующим весовым коэффициентом λ диагональных элементов матрицы  состоят из  весовых коэффициентов для  потоков символов данных и () нулей. Суммарная величина мощности передачи, распределенная для  потоков символов данных, меньше или равна суммарной мощности передачи системы (то есть ).
М
М
М
W
N
T
Затем выбирается для использования основная матрица передачи  (этап 114). Основную матрицу передачи  можно определить таким образом, чтобы каждый поток символов данных передавался от всех  антенн и для передачи данных использовалась полная мощность каждой антенны. Основная матрица передачи  может быть определена как (1) матрица  Уолша-Адамара, описанная в уравнениях (10) - (12), (2) матрица ДПФ, описанная в уравнениях (13) - (15), или (3) некоторая другая матрица.
i
i,i
D
T
T
D
Λ
М
Λ
М
N
N
N
N
<munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow>
Затем каждый поток x символов данных масштабируется с помощью его связанного весового коэффициента λ в диагональной матрице  (этап 116). Это масштабирование приводит к тому, что каждый поток символов данных передается с его распределенной мощностью. Затем  масштабированных потоков символов данных перемножаются с основной матрицей передачи  для получения  потоков передаваемых символов (обозначенных
) для  передающих антенн (этап 118). Масштабирование  потоков символов данных с помощью диагональной матрицы  и перемножение с основной матрицей передачи  показано в уравнении (4). Каждый поток передаваемых символов
дополнительно обрабатывается и затем передается от связанной антенны (этап 120).
N
N
N
D
T
T
Λ
М
На фиг.2 изображена блок-схема варианта осуществления системы 210 передатчика и системы 250 приемника в системе 200 БКВВ. В системе 210 передатчика данные для  потоков обеспечиваются источником 212 данных и кодируются и модулируются процессором 214 данных передачи (ТХ) для обеспечения модуляционных символов, которые также упоминаются как символы данных. Скорость передачи данных, кодирование и модуляция для каждого потока могут быть определены средством управления, обеспечиваемым контроллером 230. Символы данных дополнительно масштабируются с помощью диагональной матрицы  и пространственно обрабатываются с помощью основной матрицы передачи  пространственным процессором 220 ТХ для обеспечения передаваемых символов. Символы пилот-сигнала, которые могут использоваться для оценки канала, мультиплексируются с передаваемыми символами. По одному потоку мультиплексированных передаваемых символов и символов пилот-сигнала подается в каждый передатчик (TMTR) 222 и обрабатывается там для обеспечения соответствующего РЧ (радиочастотного) модулированного сигнала. Затем  модулированных сигналов из передатчиков 222a - 222t передаются от  антенн 224a - 224t.
N
N
N
N
N
N
N
T
R
R
R
D
D
D
В системе 250 приемника  передаваемых сигналов принимаются  антеннами 252a - 252r. Каждый приемник (RCVR) 254 обрабатывает принимаемый сигнал от связанной антенны 252 для обеспечения соответствующего принимаемого потока символов. Затем пространственный процессор 260 приема (RX) обрабатывает  принимаемых потоков символов от  приемников 254a - 254r для обеспечения  "восстановленных" потоков символов, которые являются оценками  потоков символов данных, передаваемых системой передатчика.  восстановленных потоков символов дополнительно обрабатываются процессором 270 данных RX для получения декодированных данных, которые являются оценкой данных, передаваемых системой передатчика.
N
N
T
R
Ĥ
Ĥ
Пространственный процессор 260 RX также может получать оценку характеристики каналов между  передающими и  приемными антеннами (например, на основании символов пилот-сигнала). Оценка каналов подробно описана в предварительной заявке на патент США с порядковым № 60/438,601 под названием "Передающие схемы пилот-сигнала для беспроводных систем связи с несколькими несущими", зарегистрированной 7 января 2003 г., переуступленной правопреемнику настоящей заявки и включенной здесь путем ссылки. Оценка  отклика канала может использоваться для выполнения пространственной обработки или выравнивания в приемнике. Пространственный процессор 260 RX дополнительно может оценивать отношения ОСШ восстановленных потоков символов и/или принятых символов пилот-сигнала. Контроллер 280 принимает оценку  отклика канала и принятые ОСШ и обеспечивает сигнал обратной связи относительно канала БКВВ и/или потоков. Например, сигнал обратной связи может показывать количество потоков символов данных для передачи, которые являются потоками пространственных каналов или собственных векторов, подлежащих использованию для передачи данных, и полученное ОСШ или скорость передачи для каждого потока. Обратная связь обрабатывается процессором 288 данных ТХ, дополнительно обрабатывается пространственным процессором 290 ТХ, адаптируется передатчиками 254a - 254r и посылается назад в систему 210 передатчика.
В системе 210 передатчика передаваемые модулированные сигналы от системы 250 приемника принимаются антеннами 224, адаптируются приемниками 222a - 222t, демодулируются пространственным процессором 240 RX и обрабатываются процессором 242 данных RX, чтобы восстановить сигнал обратной связи, посланный системой приемника. Затем сигнал обратной связи подается в контроллер 230 и может использоваться для (1) определения количества потоков символов данных, подлежащих передаче, (2) определения скорости передачи и схемы кодирования и модуляции, подлежащей использованию для каждого потока символов данных, и (3) генерирования различных средств управления для процессора 214 данных ТХ и пространственного процессора 220 ТХ.
Контроллеры 230 и 280 направляют работу в системах передатчика и приемника, соответственно. Блоки 232 и 282 памяти обеспечивают сохранение для кодов программ и данных, используемых контроллерами 230 и 280, соответственно.
x
Λ
М
<mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover>
<munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder>
На фиг.3 изображена блок-схема пространственной обработки в системах передатчика и приемника для адаптивной к скорости передачи передающей схемы. В пространственном процессоре 220 ТХ в системе 210 передатчика, вектор  данных сначала перемножается с диагональной матрицей  модулем 310, а затем дополнительно перемножается с основной матрицей передачи  модулем 312 с целью получения вектора
передачи. Затем вектор
обрабатывается передатчиком 314 и передается по каналу БКВВ в систему 250 приемника. Модуль 312 осуществляет пространственную обработку для системы передатчика.
y
y
H
H
H
ĤM
H
Ĥ
H
x
H
H
H
H
H
eff
eff
eff
eff
eff
eff
В системе 250 приемника передаваемые сигналы обрабатываются приемником 354 для получения вектора  приема. В пространственном процессоре 260 RX вектор  приема сначала перемножается с матрицей   модулем 356. Матрица   оценки отклика эффективного канала может быть получена, как   = , причем матрица   является сопряженным транспонированием матрицы . Матрица   также упоминается как матрица согласованной фильтрации для адаптивной к скорости передачи передающей схемы. Результирующий вектор из модуля 356 дополнительно масштабируется с помощью обратной диагональной матрицы  модулем 358, чтобы получить вектор , который является оценкой вектора  данных. Модули 356 и 358 выполняют пространственную обработку (то есть согласованную фильтрацию) для системы приемника.
N
x
,
λ
D
i
i,i
i
m
М
Фиг.4 изображает блок-схему пространственного процессора 220x ТХ, который является вариантом осуществления пространственного процессора 220 ТХ на фиг.2. Пространственный процессор 220x ТХ включает в себя некоторое количество пространственных процессоров 410a - 410t потоков символов данных, по одному процессору для каждого из  потоков символов данных, подлежащих передаче. Каждый процессор 410 принимает назначенный поток  символов данных весовой коэффициент  для назначенного потока и соответствующий вектор  из основной матрицы передачи .
x
λ
N
N
,
x
N
i
i,i
T
T
1,I
NT,i
i
i
T
М
M
m
<mrow><msub><munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder><mi>i</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
В каждом процессоре 410 символы данных в назначенном потоке  сначала масштабируются с помощью весового коэффициента  умножителем 412. Масштабированные символы данных дополнительно перемножаются  умножителями 414a - 414t с  элементами  -  соответственно, из вектора . Каждый поток  символов данных таким образом передается от всех  антенн и представлен вектором
который может быть выражен как:
<mrow><msub><munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>m</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
Ур.(21)
N
N
N
N
T
D
D
D
Выходные символы из умножителей 414a - 414t затем подаются в  сумматоров 420a - 420t, соответственно, по одному сумматору для каждой передающей антенны. Каждый сумматор 420 принимает выходные символы для своей назначенной антенны, которые поступают от  умножителей 414 в  процессорах 410, назначенных для обработки  потоков символов данных. Затем каждый сумматор 420 суммирует выходные символы и обеспечивает передаваемые символы для своей назначенной антенны. Суммирование, выполняемое каждым сумматором 420, может быть выражено как:
Ур.(22)
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><munder accentunder="true"><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mo>_</mo></munder><mi>i</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
k
i
где
- -й элемент в векторе
для -го потока символов данных; и
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>˜</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow>
k
- поток передаваемых символов для -й передающей антенны.
Передаваемые символы от каждого сумматора 420 подаются на соответствующий мультиплексор 430 и мультиплексируются с символами пилот-сигнала для обеспечения потока мультиплексированных передаваемых символов и символов пилот-сигнала для связанной антенны.
P
P
N
P
P
/N
P
_
P
/N
.
NF
P
P
_
.
tot
ant
F
tot_car
tot
F
ant
car
ant
F
tot_car
ant
car
Описанную здесь адаптивную к скорости передачи передающую схему можно использовать как для систем БКВВ с единственной несущей, так и для систем БКВВ с несколькими несущими. Для системы БКВВ с несколькими несущими каждая из множества несущих, доступных для передачи данных, может рассматриваться как система БКВВ с единственной несущей. Суммарная мощность  передачи и мощность  на антенну могут быть разделены равномерно (или, возможно, неравномерно) между  несущими так, что = и = Затем адаптивная к скорости передачи передающая схема может применяться для каждой из  несущих с ограничением суммарной мощности на несущую и ограничением мощности на антенну/несущую
Описанную здесь адаптивную к скорости передачи передающую схему можно реализовать различными средствами в системах приемников и передатчиков. Например, обработку для адаптивной к скорости передачи передающей схемы можно осуществить в аппаратных средствах, программном обеспечении или их комбинации. Для осуществления в аппаратных средствах, элементы, используемые для выполнения обработки в системах передатчика и приемника, могут быть реализованы в одной или более интегральных схемах прикладной ориентации (ИСПО), процессорах цифровых сигналов (ПЦС), обрабатывающих устройствах цифровых сигналов (ОУЦС), программируемых логических устройствах (ПЛУ), программируемых пользователем вентильных матрицах (ППВМ), процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, других электронных модулях, предназначенных для выполнения описанных здесь функций, или их комбинации.
Для программного осуществления, обработка для адаптивной к скорости передачи передающей схемы может быть реализована с помощью модулей (например, процедуры, функции и т.д.), которые выполняют описанные здесь функции. Программные коды могут храниться в блоке памяти (например, в блоках памяти 232 и 282 на фиг.2) и выполняться процессором (например, контроллерами 230 и 280). Каждый блок памяти может быть реализован внутри процессора или вне процессора, и в этом случае он может быть коммуникационным образом подсоединен к процессору через различные средства, как известно в данной области техники.
Предыдущее описание раскрытых вариантов осуществления обеспечено для того, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники выполнить или использовать настоящее изобретение. Различные модификации к этим вариантам осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники, а определенные здесь универсальные принципы можно применять к другим вариантам осуществления, не отступая при этом от объема и сущности изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не должно быть ограничено изображенными здесь вариантами осуществления, но должно соответствовать самому широкому объему, совместимому с раскрытыми здесь принципами и новыми признаками.