СХЕМА РАЗНЕСЕНИЯ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ С НЕСКОЛЬКИМИ АНТЕННАМИ
DIVERSITY SCHEME WHEN TRANSMITTING WITH SEVERAL ANTENNAE

Уровень техники
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу для передачи данных в системе связи, а более конкретно к процессу и схемам для передачи информации с использованием схемы разнесения при передаче с несколькими антеннами.
Описание предшествующего уровня техники
Типичная система сотовой радиосвязи включает в себя определенное число стационарных базовых станций и определенное число мобильных станций. Каждая базовая станция покрывает географическую область, которая задается как сота.
Как правило, тракт распространения радиосигнала не по линии визирования (NLOS) существует между базовой станцией и мобильной станцией вследствие естественных и искусственных объектов, расположенных между базовой станцией и мобильной станцией. Как следствие, радиоволны распространяются, подвергаясь отражениям, дифракции и рассеянию. Радиоволна, которая поступает в антенну мобильной станции в направлении нисходящей линии связи или в антенну базовой станции в направлении восходящей линии связи, подвергается конструктивным и деструктивным суммированиям из-за различных фаз отдельных волн, формируемых вследствие отражений, дифракции, рассеивания и несинфазной рекомбинации. Это обусловлено тем, что при высоких несущих частотах, типично используемых в современной сотовой беспроводной связи, небольшие изменения дифференциальных задержек на распространение приводят к значительным изменениям фаз отдельных волн. Если мобильная станция перемещается либо имеются изменения в среде рассеяния, то пространственные изменения амплитуды и фазы составного принимаемого сигнала должны проявлять себя как изменения во времени, известные как релеевское или быстрое замирание, относящееся к приему в условиях многолучевого распространения. Изменяющийся во времени характер беспроводного канала требует очень высокого отношения "сигнал-шум" (SNR), чтобы предоставлять требуемую надежность по ошибкам при передаче битов или пакетов.
Схема разнесения широко используется для того, чтобы противостоять эффекту быстрого замирания посредством предоставления приемному устройству множества замирающих реплик одного несущего информацию сигнала.
Схемы разнесения, в общем, разделяются на следующие категории: пространственное, угловое, поляризационное, полевое, частотное, временное разнесение и разнесение при многолучевом распространении. Пространственное разнесение может достигаться с помощью нескольких передающих или приемных антенн. Пространственное разделение между несколькими антеннами выбирается так, чтобы разнесение разветвлялось, т.е. сигналы, передаваемые от нескольких антенн, подвергались затуханию с небольшой корреляцией или без корреляции. Разнесение при передаче, которое является одним типом пространственного разнесения, использует несколько передающих антенн для того, чтобы предоставлять приемному устройству несколько некоррелированных реплик одного сигнала. Схемы разнесения при передаче дополнительно могут быть разделены на схемы разнесения при передаче с разомкнутым контуром и разнесения при передаче с замкнутым контуром. В подходе разнесения при передаче с разомкнутым контуром обратная связь не требуется от приемного устройства. В одном типе разнесения при передаче с замкнутым контуром приемное устройство знает компоновку передающих антенн, вычисляет регулирование фазы и амплитуды, которое должно применяться в антеннах передающего устройства, чтобы максимизировать мощность сигнала, принимаемого в приемном устройстве. В другой компоновке разнесения при передаче с замкнутым контуром, называемой выборочным разнесением при передаче (STD), приемное устройство предоставляет информацию обратной связи в передающее устройство, касающуюся того, какая антенна(ы) должна использоваться для передачи.
Пример схемы разнесения при передаче с разомкнутым контуром - это схема пространственно-временного разнесения Аламоути 2×1. Схема пространственно-временного разнесения Аламоути 2×1 предполагает передачу блочного кода 2×2 Аламоути с использованием двух передающих антенн, используя либо два сегмента времени (т.е. разнесение при передаче на основе пространственно-временных блочных кодов (STBC)), либо две частотные поднесущие (т.е. разнесение при передаче на основе пространственно-частотных блочных кодов (SFBC)).
Одно ограничение схемы пространственно-временного разнесения Аламоути 2×1 заключается в том, что эта схема может применяться только к двум передающим антеннам. Чтобы передавать данные с использованием четырех передающих антенн, разнесение при передаче с переключением частоты (FSTD) или разнесение при передаче с переключением времени (TSTD) комбинируется с блочными кодами. В случае комбинированной схемы SFBC+FSTD или схемы STBC+TSTD матрица передаваемых символов от этих четырех передающих антенн может быть задана следующим образом:
(1)
ij
1
2
3
4
где T представляет символ, передаваемый в i-й антенне и на j-й поднесущей или в j-м сегменте времени, и i = 1, 2, 3, 4, j = 1, 2, 3, 4 для случая четырех передающих антенн, при этом S, S, S и S - это символы, которые должны быть переданы.
Проблема комбинированной схемы SFBC+FSTD и схемы STBC+TSTD состоит в том, что только часть из всех передающих антенн и, следовательно, допустимой мощности усилителя мощности используется для передачи в данном частотном или временном ресурсе. Это указывается посредством элементов "0" в матрице SFBC+FSTD и STBC+TSTD, приведенной выше. Когда мощность передачи в ненулевых элементах в матрице увеличивается, для соседних сот формируются пульсирующие помехи, ухудшая производительность системы. В общем, пульсирующие помехи проявляют себя, когда определенные фазы схемы скачкообразного изменения частоты подвергаются большей величине помех, чем другие фазы.
Сущность изобретения
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить усовершенствованный способ и схему передающего устройства для передачи данных через несколько антенн.
Другая цель заключается в том, чтобы предоставить способ и схему передающего устройства для передачи данных с использованием схемы разнесения при передаче с несколькими антеннами.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предусмотрены способ и схема передающего устройства для передачи данных, чтобы модулировать данные, которые должны быть переданы, во множество модулированных символов, кодировать каждую пару модулированных символов из числа упомянутого множества символов в соответствии со схемой разнесения при передаче, чтобы формировать множество матриц 2×2, причем каждая матрица 2×2 соответствует каждой паре модулированных символов, ортогонально расширять множество матриц 2×2, чтобы формировать выходную матрицу, и передавать символы в выходной матрице через множество антенн или с использованием схемы пространственно-временного разнесения при передаче, схемы пространственно-частотного разнесения при передаче или комбинации схемы пространственно-временного разнесения при передаче и схемы пространственно-частотного разнесения при передаче.
Схема разнесения при передаче может быть схемой разнесения Аламоути, и каждая из матриц 2×2 может задаваться посредством следующего:
(2)
1
2
где S и S - это одна пара модулированных символов.
Ортогональное расширение множества матриц 2×2 может выполняться согласно матрице ортогонального расширения, выбираемой из группы, содержащей матрицу Фурье, матрицу Адамара и последовательность Задова-Чу.
1
n
Этап ортогонального расширения множества матриц 2×2 может включать в себя формирование кодовой матрицы M×M C, содержащей множество матриц 2×2 A-A в качестве элементов кодовой матрицы, причем M соответствует числу антенн и кодовая матрица C устанавливается посредством следующего:
(3)
где n - это целое число между 0 и N-1, и N=M/2, формирование матрицы расширения M×M, которая является кронекеровским произведением матрицы ортогонального расширения N×N и матрицы 2×2, все элементы которой равны 1, и ортогональное расширение кодовой матрицы M×M C посредством поэлементного умножения кодовой матрицы N×N C и матрицы расширения M×M, чтобы формировать выходную матрицу N×N.
Выбранная пара строк в выходной матрице может переставляться местами.
Выбранная пара столбцов в выходной матрице может переставляться местами.
Перестановка выбранной пары строк или выбранной пары столбцов может быть известна приемнику до приема данных от передатчика.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ для передачи данных, чтобы модулировать данные, которые должны быть переданы, во множество модулированных символов, кодировать каждую пару модулированных символов из числа упомянутого множества символов в соответствии со схемой разнесения при передаче, чтобы получать в результате множество матриц 2×2, причем каждая матрица 2×2 соответствует каждой паре модулированных символов, формировать выходную матрицу с множеством матриц 2×2 в качестве элементов выходной матрицы, переставлять местами выбранную пару строк выходной матрицы или выбранную пару столбцов выходной матрицы и передавать символы в выходной матрице через множество антенн с использованием схемы пространственно-временного разнесения при передаче, схемы пространственно-частотного разнесения при передаче или комбинации схемы пространственно-временного разнесения при передаче и схемы пространственно-частотного разнесения при передаче.
Краткое описание чертежей
Более полное понимание изобретения и многих из его сопутствующих преимуществ должно стать очевидным из последующего подробного описания, рассматриваемого вместе с прилагаемыми чертежами, на которых аналогичные символы указывают идентичные или похожие компоненты и на которых:
фиг.1 является иллюстрацией тракта приемопередатчика с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением (OFDM), подходящей для осуществления на практике принципов настоящего изобретения;
фиг.2 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче на основе пространственно-временных блочных кодов для двух передающих антенн;
фиг.3 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче на основе пространственно-частотных блочных кодов для двух передающих антенн;
фиг.4 является иллюстрацией альтернативной схемы разнесения при передаче на основе пространственно-частотных блочных кодов для двух передающих антенн;
фиг.5 является иллюстрацией преобразования опорных сигналов нисходящей линии связи в современной системе по стандарту долгосрочного развития Партнерского проекта третьего поколения;
фиг.6 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче для четырех передающих антенн согласно первому варианту осуществления принципов настоящего изобретения;
фиг.7 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче для четырех передающих антенн согласно второму варианту осуществления принципов настоящего изобретения;
фиг.8 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче для четырех передающих антенн согласно третьему варианту осуществления принципов настоящего изобретения;
фиг.9 является иллюстрацией варианта осуществления перестановки столбцов, применимого на практике согласно принципам настоящего изобретения;
фиг.10 является иллюстрацией передающего устройства, сконструированного в соответствии с примерным вариантом осуществления согласно принципам настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Далее настоящее изобретение описывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты осуществления изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что описанные варианты осуществления могут модифицироваться различными способами без отступления от сущности или объема настоящего изобретения.
Фиг.1 иллюстрирует тракт приемопередатчика по схеме мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM). В системе связи с применением OFDM-технологии в тракте 110 передатчика управляющие сигналы или данные 111 модулируются посредством модулятора 112 и преобразуются из последовательной формы в параллельную посредством преобразователя 113 из последовательной формы в параллельную (S/P). Модуль 114 обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) используется для преобразования сигнала из частотной области во временную область. Циклический префикс (CP) или нулевой префикс (ZP) добавляется к каждому OFDM-символу посредством модуля 116 вставки CP, чтобы не допускать или уменьшать воздействие вследствие замирания при многолучевом распространении. Следовательно, сигнал передается выходным модулем 117 передатчика (Tx), таким как антенна (не показана), или альтернативно, посредством фиксированного провода или кабеля. В тракте 120 приемника при условии, что идеальная временная и частотная синхронизация достигаются, сигнал, принимаемый входным модулем 121 приемного устройства (Rx), обрабатывается модулем 122 удаления CP. Модуль 124 быстрого преобразования Фурье (FFT) преобразует принимаемый сигнал из временной области в частотную область для дополнительной обработки.
Полная ширина полосы в OFDM-системе делится на узкополосные частотные блоки, называемые поднесущими. Число поднесущих равно размеру N FFT/IFFT, используемому в системе. В общем, число поднесущих, используемых для данных, меньше N, поскольку некоторые поднесущие на границе частотного спектра зарезервированы как защитные поднесущие. В общем, по защитным поднесущим информация не передается.
1
2
2
1
1
2
Схема разнесения широко используется для того, чтобы противостоять эффекту быстрого замирания посредством предоставления приемнику множества замирающих реплик одного несущего информацию сигнала. Примером схемы разнесения при передаче с разомкнутым контуром является схема разнесения при передаче на основе пространственно-временных блочных кодов (STBC) 2×1 Аламоути, проиллюстрированная на фиг.2. В этом подходе в течение любого периода символа, т.е. периода времени, передатчик передает два символа данных через две передающих антенны в приемник. Как показано на фиг.2, в течение первого интервала t1 символа символы S и S соответственно передаются через антенны ANT 1 и ANT 2. В течение следующего периода t2 символа символы -S* и S* соответственно передаются через антенны ANT 1 и ANT 2, где x* представляет комплексно-сопряженное число для x. После приема сигналов приемник выполняет множество процессов, чтобы восстановить исходные символы S и S. Следует отметить, что мгновенные канальные усиления g1 и g2 для ANT 1 и ANT 2 соответственно требуются для обработки в приемном устройстве. Следовательно, передатчик должен передавать отдельные пилотные символы через обе антенны ANT 1 и ANT 2 для оценки канального усиления в приемнике. Выигрыш от разнесения, достигаемый за счет кодирования Аламоути, является идентичным достигаемому при комбинировании с максимальным отношением (MRC).
1
2
2
1
Схема Аламоути 2×1 также может реализовываться в схеме разнесения при передаче на основе пространственно-частотных блочных кодов (SFBC), проиллюстрированной на фиг.3. Как показано на фиг.3, символы S и S соответственно передаются в приемник через антенны ANT 1 и ANT 2 на первой поднесущей, имеющей частоту f1 в системе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM), символы -S* и S* соответственно передаются через антенны ANT 1 и ANT 2 на второй поднесущей, имеющей частоту f2. Таким образом, матрица передаваемых символов от антенн ANT 1 и ANT 2 может быть записана следующим образом:
(4)
1
2
1
2
Принимаемым сигналом в приемнике на поднесущей, имеющей частоту f1, является r, а принимаемым сигналом в приемнике на поднесущей, имеющей частоту f2, является r. r и r могут быть записаны следующим образом:
(5)
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
где h и h - это канальные усиления от ANT 1 и ANT 2 соответственно. Предполагается, что канал из данных антенн не изменяется между поднесущей, имеющей частоту f, и поднесущей, имеющей частоту f. Приемник выполняет коррекцию принимаемых сигналов и комбинирует два принимаемых сигнала (r и r), чтобы восстанавливать символы S и S. Восстанавливаемые символы Ŝ и Ŝ могут быть записаны следующим образом:
(6)
1
2
1
2
Можно заметить, что оба из передаваемых символов Ŝ и Ŝ достигают полного пространственного разнесения, т.е. каждый из передаваемых символов Ŝ и Ŝ полностью удаляет помехи от другого.
Альтернативное преобразование для SFBC-схемы с двумя передающими антеннами показано на фиг.4. Матрица передаваемых символов от антенн ANT 1 и ANT 2 может быть записана следующим образом:
(7)
Матрица передачи в уравнении (7) для схемы по фиг.4 является транспонированной матрицей передачи в уравнении (4) для схемы, показанной на фиг.3.
Другие разработки, проводимые в данной области техники для разнесения при передаче с четырьмя передающими антеннами, комбинируют разнесение при передаче с переключением частоты (FSTD) или разнесение при передаче с переключением времени (TSTD) с блочными кодами. В случае комбинированной схемы SFBC+FSTD или схемы STBC+TSTD матрица передаваемых символов из этих четырех передающих антенн задается следующим образом:
(8)
ij
где T представляет символ, передаваемый по i-й антенне и на j-й поднесущей или в j-м сегменте времени, и i = 1, 2, 3, 4, j = 1, 2, 3, 4 для случая четырех передающих антенн. A и B - это блочные коды, задаваемые так, как указано ниже.
(9)
Эквивалентное представление вышеописанного передаваемого сигнала SFBC+FSTD, приведенного в уравнении (1), существует в следующей форме. Пусть вектор передаваемого сигнала  обозначает вектор передаваемого сигнала по четырем передающим антеннам для i-й поднесущей. Передаваемый сигнал, формируемый из схемы SFBC+FSTD в (1), может быть эквивалентно записан следующим образом при условии, что передаваемый сигнал преобразуется в четыре последовательные поднесущие 4i, 4i+1, 4i+1, 4i+3:
(10)
1
2
3
4
где каждый из S(i), S(i), S(i), S(i) является функцией от индекса i.
Проблема комбинированной схемы SFBC+FSTD и схемы STBC+TSTD состоит в том, что только часть из всех передающих антенн и, следовательно, допустимой мощности усилителя мощности (PA) используется для передачи в данном частотном или временном ресурсе. Это указывается посредством элементов "0" в матрице SFBC+FSTD и STBC+TSTD, приведенной выше. Когда мощность передачи в ненулевых элементах в матрице увеличивается, для соседних сот формируются пульсирующие помехи, ухудшая производительность системы.
p
Преобразование опорных сигналов нисходящей линии связи для четырех передающих антенн в системе 3GPP LTE (Стандарт долгосрочного развития Партнерского проекта третьего поколения) показано на фиг.5. Обозначение R используется для того, чтобы задавать ресурсный элемент, используемый для передачи опорных сигналов по входу p антенны. Можно отметить, что плотность на входах 2 и 3 антенны составляет половину от плотности на входах 0 и 1 антенны. Это приводит к более слабым оценкам канала на входах 2 и 3 антенны относительно оценок канала на входах 0 и 1 антенны.
В настоящем изобретении описывается схема разнесения при передаче с разомкнутым контуром, в которой блочный код Аламоути расширяется ортогональной функцией, чтобы предоставлять разнесение для передач через более чем две передающие антенны. Изобретение описывается относительно матрицы Фурье. Следует отметить, что принципы настоящего изобретения могут легко расширяться и применяться для случаев других ортогональных функций, таких как функция Адамара или последовательности Задова-Чу (ZC).
Матрица Фурье - это квадратная матрица N×N с элементами, представляемыми следующим образом:
(11)
Например, матрица Фурье 2×2 может быть выражена следующим образом:
(12)
Аналогично, матрица Фурье 4×4 может быть выражена следующим образом:
(13)
Множество матриц Фурье может быть задано посредством введения параметра сдвига (g/G) в матрицу Фурье. Элемент множества матриц Фурье задается следующим образом:
(14)
Набор из четырех матриц Фурье 2×2 может быть задан посредством указания G=4, и g=0, 1, 2 и 3 записываются следующим образом:
(15)
(16)
(17)
(18)
Следует отметить, что в дополнение к набору из четырех вышеуказанных матриц Фурье можно также применять перестановочные версии строк или столбцов этого набора матриц Фурье. Например, перестановки строк и столбцов матрицы  задаются следующим образом:
(19)
Для каждой матрицы Фурье предусмотрены две перестановочные версии. Таким образом, общее число матриц P расширения равно 12.
k
В k-й последовательности Задова-Чу n-я запись c(n) k-й последовательности Задова-Чу может быть выражена следующим образом:
, где L - положительное нечетное целое число,
, где L - положительное четное целое число, (20)
где k - это целое число, которое является взаимно простым с L, и q - это целое число.
Матрица Адамара порядка n является решением проблемы детерминанта матриц Адамара. Эквивалентное определение матриц Адамара задается следующим образом:
(21)
n
где I - это единичная матрица n×n.
Например, матрица Адамара порядка 4 может быть выражена следующим образом:
(22)
1
2
3
4
В первом варианте осуществления согласно принципам настоящего изобретения предполагается, что четыре символа S, S, S и S передаются на четырех поднесущих с использованием четырех передающих антенн. Пусть матрица A и B задана так, как показано ниже:
(23)
1
2
3
4
Можно заметить, что каждая матрица A и B является кодом Аламоути для пары символов S и S и пары символов S и S соответственно. Формируется матрица 2×2 с A и B в качестве ее элементов, и выполняется поэлементное умножение на расширенную матрицу Фурье 2×2, как указано ниже. Следует отметить, что оператор ∙* обозначает поэлементное умножение, а  обозначает кронекеровское произведение.
(24)
Для случая i=0 результирующая матрица 4×4, обозначающая DFT-расширенный SFBC или DFT-расширенный STBC, приводится ниже:
(25)
Для случая, где матрица расширения - это перестановочная версия матрицы Фурье, например, для i=5 имеем:
(26)
T
0
Для данной матрицы (например, матрицы ) элемент в строке m, столбце n обозначается как , и  представляет символ, передаваемый по m-й антенне и на n-й поднесущей или в n-м сегменте времени, m = 1, 2, 3, 4 и n = 1, 2, 3, 4 для случая четырех передающих антенн. Фиг.6 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче для четырех передающих антенн и четырех сегментов времени согласно первому варианту осуществления принципов настоящего изобретения.
Можно отметить, что этот же самый принцип может применяться к случаю, где передача матрицы 4×4 выполняется на смеси поднесущих и сегментов времени. Например, эти четыре элемента (индекс n) могут состоять из 2 поднесущих и 2 сегментов времени.
Во втором варианте осуществления согласно принципам настоящего изобретения переставляем местами вторую строку и третью строку , тем самым получая в результате новую SFBC-матрицу, называемую .  используется для сглаживания дисбаланса плотности пилотных сигналов, внутренне присущего структуре опорных сигналов LTE-системы. Например,  задается следующим образом:
(27)
Фиг.7 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче для четырех передающих антенн и четырех сегментов времени согласно второму варианту осуществления принципов настоящего изобретения.
1
2
3
4
В третьем варианте осуществления согласно принципам настоящего изобретения предлагается переставлять местами вторую и третью строку SFBC-FSTD-матрицы, как выражено в уравнении (8), тем самым получая в результате новую SFBC-матрицу, как выражено в следующем уравнении (28). Посредством этой операции символы S и S передаются по входам 0 и 2 антенн, тогда как символы S и S передаются по входам 1 и 3 антенны, как задано посредством матрицы передачи ниже. С другой стороны, это полезно для сглаживания дисбаланса плотности пилотных сигналов, внутренне присущего структуре опорных сигналов LTE-системы.
(28)
Фиг.8 является иллюстрацией схемы разнесения при передаче для четырех передающих антенн и четырех сегментов времени согласно третьему варианту осуществления принципов настоящего изобретения.
5
В четвертом варианте осуществления согласно принципам настоящего изобретения переставляем второй и третий столбцы матрицы T, тем самым получая в результате новую матрицу, выраженную в следующем уравнении (29):
(29)
5
5
p
p
Пример перестановки столбцов согласно принципам настоящего изобретения приводится на фиг.9. На этапе S301 выходная матрица T формируется согласно способу, описанному в первом варианте осуществления настоящего изобретения. На этапе S302 второй столбец и третий столбец выходной матрицы T переставляются местами, чтобы сформировать новую выходную матрицу T. На этапе S303 символы в выходной матрице T передаются через несколько антенн.
P
Следует отметить, что принципы настоящего изобретения также применяются к случаям, где переставляются столбцы, отличные от второго и третьего столбца. Кроме того, базовая станция может выполнять перестановку столбцов заранее определенным способом, который известен абонентскому устройству. Также всегда можно использовать фиксированную перестановочную матрицу T, как показано в уравнении (29).
Фиг.10 является иллюстрацией передатчика, сконструированного в соответствии с примерным вариантом осуществления согласно принципам настоящего изобретения. Передатчик 200 состоит из модулятора 210, модуля 220 предварительного кодирования, модуля 230 расширения и множества антенн 240. Модулятор 210 модулирует данные, которые должны быть переданы, во множество модулированных символов. Модуль 220 предварительного кодирования кодирует каждую пару модулированных символов из числа упомянутого множества символов в соответствии со схемой разнесения при передаче, чтобы получать в результате множество матриц 2×2. Здесь, каждая матрица 2×2 соответствует каждой паре модулированных символов. Модуль 230 расширения ортогонально расширяет множество матриц 2×2, чтобы сформировать выходную матрицу. Символы в выходной матрице передаются через множество антенн 240 с использованием схемы пространственно-временного разнесения при передаче, схемы пространственно-частотного разнесения при передаче или комбинации схемы пространственно-временного разнесения при передаче и схемы пространственно-частотного разнесения при передаче.