ГЕНЕРИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ФАЗОВОГО СДВИГА
SIGNAL GENERATION USING PHASE-SHIFT BASED PRECODING

Раскрытие изобретения
Техническое решение
[1] Это изобретение относится к генерированию сигналов с использованием предварительного кодирования на основе фазового сдвига.
[2] Известные технологии беспроводного доступа на основе многих несущих не адекватно поддерживают системы подвижной связи с различным типом антенных структур.
[3] Современные изобретатели признали известные недостатки, относящиеся к известным технологиям передачи/приема со многими антеннами на основе многих несущих. На основе такого понимания были разработаны последующие признаки.
[4] Предлагается схема предварительного кодирования на основе фазового сдвига, используемая на передающей стороне и на приемной стороне, которая имеет меньшую сложность, чем схемы пространственно-временного кодирования, которая может поддерживать различные коэффициенты пространственного мультиплексирования, при поддержании известных достоинств схемы разнесения с фазовым сдвигом, которая менее чувствительна к изменениям канала, чем схемы предварительного кодирования, и для которой требуется только кодовая книга небольшого объема. В частности, матрица, используемая для выполнения предварительного кодирования на основе фазового сдвига, может быть более легко расширена и реализована в соответствии с любыми изменениями в используемом числе антенн.
[5] На Фигуре 1 показана типовая структура системы со многими входами и многими выходами (MIMO), использующей мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM).
[6] На Фигуре 2 показана типовая структура передающей стороны для системы со многими антеннами, использующей способ разнесения с циклической задержкой.
[7] На Фигуре 3 показана типовая структура передающей стороны для системы со многими антеннами, использующей способ разнесения с фазовым сдвигом.
[8] На Фигуре 4 показаны графики, на которых показаны примеры двух видов способов разнесения с фазовым сдвигом.
[9] На Фигуре 5 показана примерная структура передающей стороны для системы со многими антеннами, использующей способ предварительного кодирования.
[10] На Фигуре 6 показан пример процедуры выполнения способа разнесения с фазовым сдвигом в системе, имеющей 4 антенны с коэффициентом пространственного мультиплексирования равным 2.
[11] На Фигуре 7 показан пример того, как способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига применяется к системе на фигуре 6.
[12] На Фигуре 8 показан пример матрицы предварительного кодирования, используемой в способе предварительного кодирования на основе фазового сдвига для системы на фигуре 7.
[13] На Фигуре 9 показан пример блок-схемы приемопередающего устройства, поддерживающего способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига.
[14] На Фигуре 10 показана типовая блок-схема передающего модуля с использованием мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) с единственным кодовым словом (SCW) в составе блока радиосвязи на фигуре 9.
[15] На Фигуре 11 по казана типовая блок-схема передающего модуля с использованием мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) с множественным кодовым словом (MCW) в составе блока радиосвязи на фигуре 9.
[16] На Фигуре 12 изображен график (изменение усредненного BLER - частота появления блоков с ошибками в зависимости от SNR - отношение сигнал/шум), на котором показано сравнение различий в характеристиках, когда способ предварительного кодирования с фазовым сдвигом (PSP) в соответствии с настоящим изобретением и способ пространственного мультиплексирования (SM) известного уровня техники применяются соответственно к приемнику ML (максимального правдоподобия) и приемнику MMSE (минимума среднеквадратической ошибки).
[17] На Фигурах 13 и 14 изображены графики, на которых показано сравнение различий в характеристиках согласно скорости кодирования для способа предварительного кодирования на основе фазового сдвига в соответствии с настоящим изобретением и для способа пространственного мультиплексирования известного из уровня техники, применяемых к приемнику MMSE (минимума среднеквадратической ошибки) для среды канала с замираниями для пешехода (PedA-«ITU Pedestrian А») и среда канала с замираниями для типичных городских условий (TU-Typical Urban).
[18] На Фигурах 15-17 изображены графики, на которых показано сравнение различий в характеристиках, когда способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига в соответствии с настоящим изобретение и способ пространственного мультиплексирования, известный из уровня техники, применяются к системе, использующей одиночное кодовое слово (SCW) и множественное кодовое слово (MCW) в среде канала с замираниями для пешехода (PedA) и в среде канала с замираниями для типичных городских условий (TU).
[19] На Фигуре 18 изображен график, на котором показано сравнение различий в характеристиках в тех случаях, где способ пространственного разнесения + способ разнесения с циклической задержкой, и способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига способ + способ разнесения с циклической задержкой в соответствии с настоящим изобретением применяются к набору кодирования и модулирования (MCS) в среде канала с плоскими замираниями.
[20] На Фигуре 19 показана типовая общая структура генерирования сигнала основной полосы пропускания нисходящего канала в соответствии с настоящим изобретением.
[21] Информационные услуги связи стали более популярными и с введением различных мультимедийных услуг и высококачественного обслуживания существует повышенный спрос на улучшенные услуги беспроводной (радио) связи. Для того чтобы активно удовлетворить такие потребности, пропускная способность и надежность передачи данных системы связи должны быть увеличены. Для увеличения пропускной способность связи в беспроводной (радио) среде связи, один способ необходим, чтобы снова найти пригодную для использования полосу частот и другой способ, чтобы повысить эффективность использования имеющихся ресурсов. В качестве примера последнего способа, в последнее время привлекают внимание и активно развиваются технологии передачи/приема (приемопередачи) со множеством антенн, в соответствии с чем множество антенн предоставляются на приемопередатчике для того, чтобы получить выигрыш от разнесения путем дополнительного обеспечения пространственной области для использования ресурсов или увеличения пропускной способности передачи путем передачи данных параллельно через каждую антенну.
[22] Среди таких технологий передачи и приема со многими антеннами в качестве примера можно привести систему со многими входами и многими выходами (MIMO) на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM), общая структура которой будет сейчас пояснена со ссылкой на Фигуру 1.
[23] На передающей стороне (или передатчике), канальный кодер 101 служит для цели уменьшения влияния канала или шума присоединением повторяющихся битов к битам данных передачи. Устройство отображения 103 заменяет информацию битов данных на информацию символов данных. Последовательно/параллельный преобразователь 105 заменяет последовательные входные данные на параллельные выходные данные с целью обработки упомянутых символов данных в MIMO. На приемной стороне (или приемнике) декодер 109 для многих антенн, последовательно/параллельный преобразователь 111, устройство обратного отображения 113 и канальный декодер 115 выполняют операции, обратные по отношению к тем, которые выполняют кодер 107 для многих антенн, параллельно/последовательный преобразователь 105, устройство отображения 103 и канальный кодер 10 передающей стороны, рассмотренные выше.
[24] В системе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) со многими антеннами различные технологии необходимы для увеличения надежности передачи. Например, могут применяться технологии пространственно-временного кодирования (STC), технологии разнесения с циклической задержкой (CDD), технологии выбора антенн (AS), технологии переключения антенн (АН), технологии пространственного мультиплексирования (SM), технологии формирования лучей (BF), технологии предварительного кодирования и т.п. Среди этих технологий некоторые будут рассмотрены более подробно дальше.
[25] Способ пространственно-временного кодирования (STC) для среды со многими антеннами относится к непрерывной (последовательной) передаче одного и того же сигнала, но, в случае повторных передач, передача выполняется через разные антенны для того, чтобы обеспечить выигрыш от пространственного разнесения. Следующая матрица представляет собой наиболее фундаментальный пространственно-временной код, который используется в системе с двумя передающими антеннами.
[26]
[27] В приведенной выше матрице строки представляют антенны, и столбцы представляют временные интервалы (слоты).
[28] Такая технология пространственно-временного кодирования имеет некоторые недостатки. Например, соответственно разные виды пространственно-временных кодов требуются в соответствии с тем, как меняется структура антенн, передающая сторона и приемная сторона имеют повышенную сложность, поскольку символы данных повторно передаются в течение множества временных интервалов для того, чтобы обеспечить пространственное разнесение, и имеют соответственно худшие характеристики по сравнению с характеристиками других систем с замкнутым контуром, поскольку данные передаются без использования информации обратной связи. Табл. 1 ниже показывает необходимость в соответственно разных пространственно-временных кодах в зависимости от структуры антенн.
[29] Табл.1
[Табл.1]
Схема пространственно-временного кодирования (STC)
Коэффициент пространственного мультиплексирования
Число передающих антенн
<img file="00000002.tif" he="13" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
2
<img file="00000003.tif" he="13" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
2
<img file="00000004.tif" he="15" wi="65" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000005.tif" he="8" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
2
<img file="00000006.tif" he="26" wi="45" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
4
<img file="00000007.tif" he="26" wi="48" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
4
<img file="00000008.tif" he="26" wi="45" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
4
[30] Разнесение с циклической задержкой (CDD) представляет собой способ, в котором выигрыш частотного разнесения обеспечивается на приемной стороне использованием антенн для того, чтобы, соответственно, передавать сигналы с разными задержками или разными амплитудами при передаче сигналов OFDM (сигналов мультиплексирования с ортогональным частотным разделением) в системе, имеющей много приемопередающих антенн.
[31] На Фигуре 2 показана общая структура передающей стороны системы со многими антеннами, использующей способ разнесения с циклической задержкой.
[32] После разделения и доставки символов OFDM на каждую антенну с помощью последовательно/параллельного преобразователя и кодера для многих антенн, обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT) для изменения сигнала в частотной области в сигнал во временной области и циклический префикс (СР) для минимизации взаимодействия между каналами добавляются и передаются на приемную сторону. Здесь упомянутая последовательность данных, доставляемых на первую антенну, передается на приемную сторону как есть (т.е. без каких-либо изменений), в то время как последовательность данных, передаваемых другими передающими антеннами, задерживается путем циклического сдвига по сравнению с первой антенной.
[33] При этом, когда такая схема разнесения с циклической задержкой реализуется в частотной области, циклическая задержка может быть математически выражена как произведение фазовых последовательностей.
[34] А именно, как можно увидеть на Фигуре 3, конкретная фазовая последовательность (например, фазовая последовательность «1» ~ фазовая последовательность «М»), которая была задана различной для каждой антенны, умножается на каждую последовательность данных в частотной области, и после выполнения обработки с использованием IFFT (обратное быстрое преобразование Фурье), и таковой может передаваться на приемную сторону. Это называется, как схема разнесения с фазовым сдвигом.
[35] При использовании способа разнесения с фазовым сдвигом канал с плоскими замираниями может быть изменен на канал с выбором частоты канала, и выигрыш частотного разнесения или выигрыш частотного планирования может быть получен в соответствии с образцом циклической задержки.
[36] А именно, как можно увидеть на Фигуре 4, в схеме разнесения с фазовым сдвигом, когда генерируется фазовая последовательность путем использования относительно большого значения для отсчета циклической задержки, поскольку период изменения фазы укорачивается (уменьшается), частотная селективность увеличивается, и в результате канальные коды могут использовать выигрыш частотного разнесения. Такое обычно используется в так называемых системах с разомкнутым контуром.
[37] Также, когда используется небольшое значение циклической задержки, период изменения фазы удлиняется (увеличивается), и, используя это, в системе с замкнутым контуром ресурсы распределяются на наиболее хорошую область канала, такую, что выигрыш частотного планирования может быть получен. А именно, как можно увидеть на Фигуре 4, в схеме разнесения с фазовым сдвигом, когда для генерирования фазовой последовательности используется относительное небольшое значение циклической задержки, то это приводит к увеличению амплитуды в некоторых областях поднесущих (частот) канала с плоскими замираниями, в то время как амплитуда поднесущих в других областях канала уменьшается. В таком случае, для системы множественного доступа с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDMA), которая обслуживает многих пользователей, когда сигнал передается посредством поднесущей, имеющей в канале увеличенную амплитуду для пользователя, отношение сигнал/шум может быть увеличено.
[38] Однако, несмотря на некоторые достоинства рассмотренной выше схемы разнесения с циклической задержкой или схемы разнесения с фазовым сдвигом, поскольку коэффициент пространственного мультиплексирования равен 1, скорость передачи данных не может быть увеличена как это хочется.
[39] Схема предварительного кодирования может включать способ предварительного кодирования на основе кодовой книги, используемый в системе с замкнутым контуром, когда имеет место конечное (или ограниченное) количество информации обратной связи, и может включать способ выполнения обратной связи после квантования информации о канале. Здесь, предварительное кодирование на основе кодовой книги имеет отношение к получению выигрыша в отношении сигнал/шум (SNR) путем передачи по обратной связи на передающую сторону индекса матрицы предварительного кодирования, который уже известен как на передающей стороне, так и на приемной стороне.
1
L
1
Mt
[40] Фигура 5 изображает типовую структуру приемопередающей стороны системы со многими антеннами, использующей предварительное кодирование на основе кодовой книги. Здесь, передающая сторона и приемная сторона соответственно имеют конечную матрицу предварительного кодирования «P~P», и на приемной стороне информация о канале используется для передачи по обратной связи индекса «I» оптимальной матрицы предварительного кодирования, в то время как на передающей стороне, матрица предварительного кодирования, соответствующая передаваемому по обратной связи индексу, применяется к данным, предназначенным для передачи «x~x».
[41] Такая схема предварительного кодирования на основе кодовой книги выгодна в том, что возможна эффективная передача данных из-за передачи индекса по обратной связи. Однако, из-за необходимости устойчивого (стабильного) канала, такое предварительное кодирование на основе кодовой книги может не полностью подходить для мобильной среды с резкими изменениями канала. Также, некоторые потери в скорости передачи по восходящей линии связи могут происходить из-за служебных данных обратной связи для индекса матрицы предварительного кодирования. Дополнительно, поскольку кодовая книга необходима как на передающей стороне, так и на приемной стороне, может потребоваться использование увеличенной памяти.
[42] Современные изобретатели признают по меньшей мере рассмотренные выше проблемы в современной передаче данных, приеме и технологиях обработки для системы со многими антеннами. На основе такого понимания следующие особенности были разработаны, чтобы обратить внимание и/или решить такие проблемы.
[43] Настоящее описание имеет отношение и заявляет преимущество приоритета предварительной заявки США №60/803,340 (подана 26 мая 2006), патентной заявки Республики Корея №10-2006-0065303 (подана 12 июля 2006), и патентной заявки Республики Корея №10-2006-0097216 (подана 2 октября 2006), содержание которых специально включено в него.
[44] Настоящее изобретение связано со способом предварительного кодирования на основе фазового сдвига для системы со многими антеннами, использующей множество поднесущих, а также способом обобщенного предварительного кодирования на основе фазового сдвига и приемопередающим устройством, поддерживающим их.
[45] Дальше, способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига будет пояснен по отношению к системе с 2 антеннами и системе с 4 антеннами, и будет рассмотрен способ формирования матрицы обобщенного предварительного кодирования на основе фазового сдвига для расширенного использования для системы с числом (физических или виртуальных) антенн, равным N.
[46]
[47] Способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига
[48] Матрица (Р) предварительного кодирования на основе фазового сдвига, предложенная здесь, может быть в общем представлена следующим образом:
[491 [Уравнение 1]
t
t
t
t
[50] Здесь, , i=1, …, N, j=1, …,R относятся к множественным комплексным весовым значениям, определяемым индексом k поднесущих, N относится к количеству (физическому или виртуальному) передающих антенн и R относится к коэффициенту пространственного мультиплексирования. Если матрица (Р) предварительного кодирования на основе фазового сдвига используется в случае схемы с физическими антеннами, то N может быть номером антенного порта. Означенный индекс k поднесущей может быть заменен индексом ресурса, включающим индекс суб-полосы. Однако если матрица (Р) используется в случае схемы с виртуальными антеннами, N может быть коэффициентом пространственного мультиплексирования (т.е. R). Здесь множественные комплексные весовые значения могут быть разными согласно символу OFDM, умножаемому для антенны, и согласно соответствующему индексу поднесущей. Множественное комплексное весовое значение может быть определено в соответствии с, по меньшей мере, одним из следующего: условия канала и существует ли информация обратной связи или нет.
[51] Матрица предварительного кодирования (Р) по уравнению 1 может быть унитарной матрицей для уменьшения потерь в пропускной способности канала системы со многими антеннами. Здесь, чтобы принять во внимание условия для формирования унитарной матрицы, пропускная способность канала системы со многими антеннами может быть выражена следующим математическим уравнением:
[52] [Уравнение 2]
r
t
r
[53] Здесь Н - матрица канала системы со многими антеннами, имеющая размерность N×N, и N указывает полное число приемных антенн. Если матрица (Р) предварительного кодирования на основе фазового сдвига применяется в упомянутом выше уравнении 2, может быть получено следующее:
[541 [Уравнение 3]
H
[55] Как показано в уравнении 3, для минимизации потерь в канале, требуется, чтобы матрица PP была единичной матрицей, таким образом матрица (Р) предварительного кодирования на основе фазового сдвига должна быть унитарной матрицей, такой, как следующая:
[56] [Уравнение 4]
H
Nt
PP=I
[57] Для того, чтобы матрица (F) предварительного кодирования на основе фазового сдвига была унитарной матрицей, должны выполняться два условия. А именно, должны одновременно выполняться ограничение степени и ограничение ортогональности. Здесь, ограничение степени относится к тому, чтобы величина каждого столбца упомянутой матрицы была равной единице (1), и ограничение ортогональности относится к формированию матрицы, чтобы удовлетворялись ортогональные характеристики между каждым столбцом упомянутой матрицы. Упомянутые выше условия могут быть выражены математически следующим образом:
[58] [Уравнение 5]
[Уравнение 6]
[59] Как иллюстративный вариант осуществления, будет представлено обобщенное уравнение для матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига размерностью 2×2, и будет исследовано математическое выражение для удовлетворения рассмотренным выше двум условиям.
Уравнение 7 показывает обобщенное выражение матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига, имеющей коэффициент пространственного разнесения, равный 2, и имеющей две передающие антенны.
[60] [Уравнение 7]
i
i
j
[61] Здесь α, β (i=1, 2) - действительные числа, θ (j=1, 2, 3, 4) - фазовые значения, и k - индекс поднесущей сигнала OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением).
i
i
[62] В уравнении 7, соотношение между фазовыми значения θ (i=1, …, 4) частотной области и значением циклической задержки τ (i=1, …, 4) во временной области выражается следующим образом:
[63]
fft
[64] где N обозначает число поднесущих сигнала OFDM.
[65] Специалистам в данной области техники понятно, что описание до этих пор может быть модифицировано и изменено различными путями без выхода из технических рамок настоящего изобретения. Соответственно, технические рамки не должны ограничиваться рассмотренными в подробном описании, но должны охватываться объемом формулы изобретения. Для того, чтобы реализовать такую матрицу предварительного кодирования, как унитарную матрицу, должны удовлетворяться ограничение степени по уравнению 8 и ограничение ортогональности по уравнению 9.
[66] [Уравнение 8]
[67] [Уравнение 9]
[68] Здесь, верхний индекс (*) обозначает комплексное сопряженное число. Например, матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига размерностью 2х2, которая удовлетворяет упомянутым выше уравнениям 7-9, может быть представлена следующим образом:
[69] [Уравнение 10]
2
3
[70] Здесь, θ и θ взаимосвязаны, как показано в уравнении 11, в связи с ограничениями ортогональности.
[71] [Уравнение 11]
3
2
kθ=-kθ+π
2
2
2
2
fft
t
[72] Матрица предварительного кодирования может храниться в форме так называемой кодовой книги (или в некотором эквивалентном типе схемы предварительного кодирования и т.п.) в памяти (или другом типе устройства хранения) на передающей стороне и приемной стороне. Такая кодовая книга может включать различные типы матриц предварительного кодирования, сформированные, соответственно, путем использования конечного числа разных значений θ. Также, значение θ может быть подходящим образом задано в соответствии со средой канала, рангом передачи, шириной полосы системы и существует или нет информация обратной связи, и путем задания относительного небольшого значения θ (например, 2 отсчета циклической задержки), если используется информация обратной связи, или путем задания относительно большого значения θ (например, N/N отсчетов циклической задержки), если информация обратной связи не используется, может быть получен большой выигрыш от частотного разнесения.
[73] Даже когда матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига, такая, как в уравнении 7, сформирована, могут иметь место ситуации, где в соответствии со средой канала коэффициент пространственного мультиплексирования должен устанавливаться небольшим по сравнению с действительным числом антенн. В таком случае, в матрице предварительного кодирования на основе фазового сдвига, формируемой упомянутым выше способом, определенное число столбцов, соответствующее текущему коэффициенту пространственного мультиплексирования (т.е. коэффициенту пространственного мультиплексирования, который был уменьшен), может быть выбрано для повторного генерирования новой матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига. А именно, когда изменяется коэффициент пространственного мультиплексирования, не всегда требуется формировать новую матрицу предварительного кодирования, применимую к соответствующей системе. Вместо этого, изначально сформированная матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига может применяться как есть (т.е. без каких-либо изменений), но один или несколько отдельных столбцов соответствующей матрицы могут быть выбраны для преобразования матрицы предварительного кодирования.
[74] В качестве одного такого примера, матрица предварительного кодирования из упомянутого выше уравнения 10 предполагает, что система со многими антеннами имеет 2 передающие антенны с коэффициентом пространственного мультиплексирования, равным 2, но могут быть некоторые ситуации, когда коэффициент пространственного мультиплексирования может в реальности быть уменьшен до 1 по некоторой особой причине. В таком случае, предварительное кодирование может быть выполнено выбором отдельного столбца из матрицы упомянутого выше уравнения 10, и если выбирается второй столбец, матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига будет такая, как показано ниже в уравнении 12, и она становится такой же, что и схема разнесения с циклической задержкой для двух передающих антенн в традиционной технике.
[75] [Уравнение 12]
[76] Здесь, в этом примере предполагается система, имеющая 2 передающие антенны, но такая схема может также быть распространена для применения к системам с 4 (или более) антеннами. А именно, после генерирования матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига для случая с 4 передающими антеннами, предварительное кодирование может быть выполнено после выбора одного или нескольких отдельных столбцов в соответствии с изменениями коэффициента пространственного мультиплексирования.
[77]
[78] Например, на Фигуре 6 показан случай, где известное пространственное мультиплексирование и разнесение с циклической задержкой в соответствии с предшествующим уровнем техники применяются к системе со многими антеннами, имеющей 4 передающие антенны и с коэффициентом пространственного мультиплексирования, равным 2, в то время как на Фигуре 7 показан случай, где матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига из уравнения 10 применяется к похожей системе со многими антеннами.
1
2
1
2
jΘ1
jkΘ1
jkΘ1
[79] В соответствии с Фиг.6, 1-я последовательность (S) и 2-я последовательность (S) передаются на 1-ю и 3-ю антенну, и 1-я последовательность (se) и 2-я последовательность (se), фазы которых были сдвинуты с использованием фазовой последовательности e, передаются на 2-ю антенну и 4-ю антенну. Соответственно, может быть понятно, что итоговый коэффициент пространственного мультиплексирования равен 2.
1
2
1
2
1
2
1
2
jkΘ2
jΘ1
jk(Θ1-Θ2)
jkΘ3
jk(Θ1+Θ3)
jkΘ1
[80] С другой стороны, в соответствии с Фигурой 7, последовательность s+se передается на 1-ю антенну, последовательность se+se передается на 2-ю антенну, последовательность se+s передается на 3-ю антенну и последовательность se+se передается на 4-ю антенну. По сравнению с системой на Фигуре 6, преимущество упомянутого способа предварительного кодирования может быть получено, и поскольку циклическая задержка (или фазовый сдвиг) может быть выполнена для 4 антенн с применением унитарной (однородной) матрицы предварительного кодирования, преимущество схемы разнесения с циклической задержкой может быть также получено.
[81] В качестве одного из примеров, рассмотренные выше матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига с разными коэффициентами пространственного мультиплексирования по отношению к системе с 2 антеннами и системе с 4 антеннами могут быть резюмированы следующим образом.
[82]
j
[83] Здесь θ (j=1, 2, 3) - фазовые углы в соответствии со значением
циклической задержки, и k - индекс поднесущей OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением). В упомянутой выше Табл. 2, каждая матрица предварительного кодирования для четырех ситуаций может быть получена использованием отдельной части матрицы предварительного кодирования для системы со многими антеннами, имеющей 4 антенны, с коэффициентом пространственного мультиплексирования, равным 2 (как можно увидеть на Фигуре 8). Соответственно, каждая матрица предварительного кодирования для таких четырех ситуаций не требует отдельного представления в кодовой книге, поэтому ресурсы памяти на передающей стороне и приемной стороне могут быть сохранены.
[84] Обращаясь к Таблице 2, следует отметить, что когда формируется подходящая матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига в соответствии с измененным коэффициентом пространственного мультиплексирования, может быть добавлен новый столбец, который удовлетворяет ограничению ортогональности относительно других столбцов.
[85]
[86] Способ обобщенного предварительного кодирования на основе фазового сдвига
t
t
[87] До сих пор были пояснены процедуры формирования матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига, когда имеется 4 передающих антенны, с коэффициентом пространственного мультиплексирования, равным 2, но упомянутый способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига в соответствии с настоящим изобретением может быть расширен на систему, имеющую N антенн (здесь, N является натуральным числом 2 или больше) с коэффициентом пространственного мультиплексирования R (здесь, R является натуральным числом 1 или больше). Это может быть получено путем использования того же способа, описанного ранее, и может быть обобщено, как представлено в следующем уравнении 13.
[88] [Уравнение 13]
[89] Здесь, на правой стороне от символа равенства (=), диагональная матрица фазового сдвига комбинируется с унитарной матрицей (U), используемой для конкретной задачи, которая удовлетворяет следующему условию:
Умножением диагональной матрицы фазового сдвига и некоторой унитарной матрицы, может быть получено предварительное кодирование на основе фазового сдвига, которое удовлетворяет как ограничению степени, так и ограничению ортогональности.
[90] Кроме того, матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига может быть сгенерирована умножением одной или нескольких диагональных матриц фазового сдвига и/или одной или нескольких унитарных матриц, которые могут быть получены из информации обратной связи или информации о состоянии канала нисходящей линии связи. В уравнении 13 диагональная матрица фазового сдвига может быть реализована посредством способа циклической задержки во временной области, если k обозначает индекс поднесущей (частоты).
[91] Как пример унитарной матрицы (U), может использоваться конкретная матрица предварительного кодирования для получения выигрыша в отношении сигнал/шум (SNR) и, в частности, если для такой матрицы предварительного кодирования используются коды Уолша, уравнение для генерирования матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига может быть представлено следующим образом:
[92] [Уравнение 14]
[93] В уравнении 14, предполагается, что система имеет 4 (физические или виртуальные) передающие антенны с коэффициентом пространственного мультиплексирования, равным 4. Здесь, путем соответствующего переформирования унитарной матрицы (U), определенная передающая антенна может быть выбрана (т.е. выбор антенны) и/или может быть возможно регулирование коэффициента пространственного мультиплексирования (т.е. настройка коэффициента).
[94] Следующее уравнение 15 показывает пример, как унитарная матрица (U) может быть переформирована для того, чтобы сгруппировать 2 антенны системы, имеющей 4 антенны.
[95] [Уравнение 15]
[96] Также, следующая Табл. 3 показывает пример способа для переформирования унитарной матрицы (U), чтобы стать подходящей для соответствующего коэффициента мультиплексирования, если коэффициент пространственного мультиплексирования изменяется в соответствии со временем, средой канала, и т.п.
[97] Табл. 3
[Табл.3]
[98] Здесь, в таблице 3 показаны некоторые примеры, где столбец 1, столбцы 1-2, и столбцы 1-4 унитарной матрицы выбирается/выбираются в соответствии с коэффициентом мультиплексирования, но не означает, что этим должны ограничиваться. Например, если коэффициент мультиплексирования равен 1, то может быть выбран один из столбцов от 1-го до 4-го, если коэффициент мультиплексирования равен 2, то могут быть выбраны два отдельных столбца [например, одна пара среди пар (1,2), (2,3), (3,4), (1,3),…, (2,4) столбцов], и если коэффициент мультиплексирования равен 4, то могут т быть выбраны все столбцы.
[99] Альтернативно, унитарная матрица (U) может быть также представлена в формате кодовой книги на передающей стороне и приемной стороне. В таком случае, передающая сторона принимает информацию об индексе этой кодовой книги как обратную связь от приемной стороны, затем подходящая унитарная матрица (т.е. унитарная матрица предварительного кодирования в кодовой книге), соответствующая индексу, выбирается из ее кодовой книги, и затем упомянутое выше уравнение 13 используется для формирования матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига.
[100]
[101] Приемопередающая аппаратура, поддерживающая способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига
[102] На Фигуре 9 показана блок-схема типичной структуры для приемопередающего устройства, которое поддерживает способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига упомянутых вариантов осуществления настоящего изобретения. Этот типичный вариант осуществления приемопередающего устройства предполагает, что, как описано выше, унитарная матрица (U) для формирования матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига представлена в формате кодовой книги, но не означает, что этим должны ограничиваться.
[103] Приемопередающее устройство может содержать входной блок (901), используемый для выбора требуемой функции или информации приема, блок (903) дисплея, используемый, чтобы показывать различную информацию при пользовании приемопередающим устройством, блок (905) памяти, используемый для хранения различных программ, необходимых для работы приемопередающего устройства, и данных, предназначенных для передачи на приемную сторону, блок (907) радио (беспроводной) связи, используемый для приема сигнала и передачи данных на приемную сторону, блок (909) голосовой обработки, используемый, чтобы преобразовать и усилить оцифрованные голосовые сигналы в аналоговые голосовые сигналы для вывода их через громкоговоритель (SP) и чтобы усиливать голосовые сигналы от микрофона (MIC) для преобразования в цифровые сигналы, и блок (911) управления, используемый для управления всеми операциями приемопередающего устройства.
[104] Блок (907) радиосвязи будет пояснен более подробно ниже. Для информации, на Фигуре 10 показана блок-схема, изображающая типичную структуру передатчика OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) с единственным кодовым словом (SCW), далее, SCW OFDM передатчик, который включен в блок (907) радиосвязи, и Фигура 11 показывает типичную структуру передатчика OFDM с множественным кодовым словом (MCW), далее, MCW OFDM передатчик. Также, различные блоки приемника, которые соответствуют каждому блоку передатчика, также существуют и выполняют функции, обратные функциям блоков передатчика, но только для краткости их подробное объяснение будет пропущено.
[105] В SCW OFDM передатчике, канальный кодер (101) добавляет избыточные биты, чтобы предохранить передаваемые данные от искажений в канале данных (при передаче через канал), и канальное кодирование выполняется с использованием кодов с исправлением ошибок [таких, как турбокоды, низкоплотные коды LDPC (низкая плотность проверки на четность) и т.п.]. Дальше перемежитель (1020) выполняет перемежение посредством парсинга (синтаксического анализа) кодовых битов для минимизации потерь, связанных с сиюминутными шумами во время процедуры передачи данных, и устройство отображения (1030) преобразует подвергнутые перемежению биты данных в символы OFDM. Такое отображение символов может быть выполнено посредством технологий фазовой модуляции (такой, как QPSK и т.п.) и технологий амплитудной модуляции (таких, как 16QAM, 8QAM, 4QAM и т.п.). Дальше символы OFDM проходят обработку в предварительном кодере (1040) в соответствии с настоящим изобретением, затем сигналы, обработанные посредством модулятора суб-канала (не показан) и блока (1050) обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT), включаются в несущую во временной области. После обработки (сигнала) в блоке фильтра (не показан) и аналоговом конвертере (1060), выполняется передача по радиоканалу. Между тем, на MCW OFDM передатчике, различие заключается только в том, что OFDM символы обрабатываются посредством канального кодера (111) и перемежителя (1120) параллельным путем для каждого канала, иные оставшиеся структурные элементы (1130-1160) могут быть такими же (или похожими).
[106] Блок (1041, 1141) формирования матрицы предварительного кодирования определяет исходный столбец, соответствующий первой поднесущей в конкретной матрице предварительного кодирования, и оставшиеся столбцы определяются путем фазового сдвига исходного столбца с использованием фазового угла, который увеличивается на определенную (постоянную) величину. Здесь, унитарная матрица, имеющая размерность (число передающих антенн) × (коэффициент пространственного мультиплексирования), используется для выполнения предварительного кодирования, и такая унитарная матрица предоставляется для каждого индекса каждой поднесущей, посредством чего эта унитарная матрица по отношению к первому индексу сдвигается по фазе, чтобы получить унитарную матрицу для каждого оставшегося индекса.
[107] А именно, блок (1041, 1141) формирования матрицы предварительного кодирования выбирает определенную 1-ю матрицу предварительного кодирования из кодовой книги, ранее сохраненной в блоке (905) памяти. 2-я матрица предварительного кодирования в отношении к поднесущей или суб-полосе 2-го индекса формируется применением к 1-й матрице предварительного кодирования фазового сдвига определенного размера. Здесь, значение сдвигаемой фазы может задаваться различно в соответствии с текущими условиями канала и/или в соответствии с тем, существует или нет информация обратной связи от приемной стороны. 3-я матрица предварительного кодирования в отношении к поднесущей или субполосе 3-го индекса формируется выполнением фазового сдвига над 2-й матрицей предварительного кодирования. А именно, процедура формирования 2-й матрицы предварительного кодирования повторяется в течение процедуры формирования 3-й матрицы предварительного кодирования с использованием последней матрицы предварительного кодирования.
[108] Блок (1042, 1142) повторного формирования матрицы предварительного кодирования выбирает определенное число столбцов (в каждой матрице предварительного кодирования, сформированной блоком (1041, 1141) формирования матрицы предварительного кодирования), которое соответствует заданному коэффициенту пространственного мультиплексирования и удаляет оставшиеся столбцы для того, чтобы повторно сформировать матрицу предварительного кодирования. Сейчас, матрица предварительного кодирования, содержащая рассмотренные выше выбранные столбцы, может быть заново сформирована. При выборе определенного столбца(ов) матрицы предварительного кодирования в соответствии с заранее определенными правилами могут быть выбраны один или несколько случайных столбцов или могут быть выбраны один или несколько определенных столбцов.
[109] Блок (1043, 1143) предварительного кодирования выполняет предварительное кодирование путем применения символов мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (символов OFDM) для соответствующей поднесущей в каждой матрице предварительного кодирования, определяемой упомянутым выше способом.
[110]
[111] Способ обобщенного предварительного кодирования на основе фазового сдвига
[112] Далее будут пояснены блок (1041, 1141) определения матрицы предварительного кодирования, блок (1042, 1142) повторного формирования матрицы предварительного кодирования и блок (1043, 1143) предварительного кодирования в соответствии с другим типичным вариантом осуществления изобретения.
[113] Блок (1041, 1141) определения матрицы предварительного кодирования выбирает определенную унитарную матрицу (U) путем ссылки на индекс унитарной матрицы, который был передан по обратной связи от приемной стороны или путем использования заранее определенной матрицы, и эта выбранная унитарная матрица (U) применяется в упомянутом выше уравнении 13 для определения матрицы (Р) предварительного кодирования на основе фазового сдвига. Здесь, значение фазового сдвига прежней матрицы уравнения 13 должно быть заранее установлено.
[114] Могут иметь место ситуации, где требуется регулировать коэффициент пространственного мультиплексирования из-за изменений среды канала или где по различных причинам требуется выполнять передачу данных путем выбора определенной антенны среди многих передающих антенн. В таком случае, когда об изменении в коэффициенте пространственного мультиплексирования и/или об изменении в числе антенн сообщается из блока (911) управления, блок (1042, 1142) повторного формирования матрицы предварительного кодирования ищет унитарную матрицу (U), которая подходит для соответствующей ситуации или заранее выбранная унитарная матрица (U) переформируется, чтобы подходить для соответствующей ситуации. В предыдущем случае, преимущество состоит в том, что требуемая матрица предварительного кодирования на основе фазового сдвига может быть быстро получена, поскольку не требуется отдельная процедура повторного формирования, но недостаток состоит в том, что использование памяти увеличивается, поскольку кодовая книга, которая используется для различных ситуаций, должна быть предоставлена. Также, в последнем случае, создается нагрузка обработки из-за процедур переформирования, но емкость кодовой книги может быть уменьшена. Процедура переформирования унитарной матрицы в соответствии с изменением коэффициента пространственного мультиплексирования или изменением числа передающих антенн была пояснена ранее по отношению к уравнению 14 и таблице 3.
[115] Блок (1043, 1143) предварительного кодирования выполняет предварительное кодирование применением символов OFDM (по отношению к соответствующей поднесущей или суб-полосе) к матрице предварительного кодирования на основе фазового сдвига, определенной упомянутым выше способом.
[116] Блок (911) управления информирует блок (1042, 1142) повторного формирования матрицы предварительного кодирования о различной информации (такой, как измененный коэффициент пространственного мультиплексирования, измененное полное число антенн для использования и т.п.), которая используется для повторного формирования матрицы предварительного кодирования.
[117] Приемопередающее устройство в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в так называемых персональных электронных помощниках (PDA), сотовых телефонах, телефонах с персональными коммуникационными услугами (PCS), GSM телефонах, WCDMA телефонах, телефонах широкополосной подвижной системы связи (MBS), и т.п.
[118] При применении как способа предварительного кодирования на основе фазового сдвига, описанного здесь, так и способа пространственного мультиплексирования известного уровня техники к системе с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением (OFDM) с разомкнутым контуром со многими антеннами, которая не использует информацию обратной связи, различие в характеристиках этих двух способов будет пояснено со ссылкой на некоторые результаты экспериментальных испытаний. Таблица 4 показывает параметры, которые были применены к системе при этих экспериментальных испытаниях.
[119] Таблица 4
[Таблица 4]
Параметр
Значение параметра
Число поднесущих
512
Число защитных несущих
106 (левые), 105 (правые)
Число пилот-сигналов
28 (идеальная оценка канала)
MIMO схема
Пространственное мультиплексирование (SM) и предварительное кодирование со сдвигом фазы (PSP)
MIMO приемник
MMSE (Минимальная среднеквадратическая ошибка), ML (Максимальное правдоподобие)
Полоса частот
7.68 МГц
Частота несущей
2 ГГц
Модель канала
Плоское замирание (Flat), Пешеходный [(Ped-А) (ITU Пешеходный А)], Типичный городской (TU), Мобильность: 30 км/ч, 250 км/ч
Число символов OFDM на кадр
8 (локализованных)
MCS (Набор модуляции и кодирования)
Квадратурная фазовая модуляция (QPSK) (R=1/4, R=1/3, R=3/4)
Канальное кодирование
3GPP Турбо (Max-long-MAP), 8 итераций
Число передающих антенн
2
Число приемных антенн
2
Корреляция антенн
(0%, 0%)
[120] На Фигуре 12 приведен график, показывающий сравнение в различии характеристик, когда способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига (PSP) в соответствии с настоящим изобретением и способ пространственного мультиплексирования (SM) известного уровня техники соответственно применяются к приемнику ML (максимального правдоподобия) и приемнику MMSE (минимума среднеквадратической ошибки).
[121] Как изображено, в системе, в которой применяется способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига (PSP), в общем может быть получен больший выигрыш, по сравнению со способом пространственного мультиплексирования известного уровня техники. Более конкретно, в приемнике ML способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига (PSP) приводит к несколько большему выигрышу по сравнению со способом пространственного мультиплексирования (SM), но в приемнике MMSE, можно увидеть, что больший выигрыш может быть получен с помощью способа предварительного кодирования на основе фазового сдвига (PSP) по мере увеличения отношения сигнал/шум (SNR),
[122] На фигурах 13 и 14 приведены графики, показывающие сравнение в различии характеристик в зависимости от скорости кодирования для способа предварительного кодирования на основе фазового сдвига в соответствии с настоящим изобретением и для способа пространственного мультиплексирования известного уровня техники, применяемых к приемнику MMSE (минимума среднеквадратической ошибки) для среды канала Ped-A (ITU Пешеходный канал А) с замираниями и среды канала TU (Типичный городской) с замираниями.
[123] Как изображено на фигурах, можно увидеть, что в среде пешеходного канала Ped-A (ITU Пешеходный А) с замираниями и среде типичного городского канала TU (Типичный городской) с замираниями, способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига (PSP) может обеспечить большой выигрыш путем увеличения частотной селективности, наряду с уменьшением скорости кодирования (R=1/3, R=1/4).
[124] На фигурах 15-17 приведены графики, показывающие сравнение в различии характеристик, когда способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига в соответствии с настоящим изобретением и способ пространственного мультиплексирования известного уровня техники применяются к системе, использующей SCW (Единственное кодовое слово) и MCW (Множественное кодовое слово) в среде пешеходного канала Ped-A (ITU Пешеходный А) с замираниями и среде типичного городского канала (TU) с замираниями.
[125] В общем, когда способ пространственного мультиплексирования применяется с использованием единственного кодового слова (SCW), достигаются более высокие характеристики по сравнению с характеристиками при использовании множественного кодового слова (MCW), поскольку канальный код может дополнительно получить выигрыш пространственного разнесения и можно получить выигрыш кодирования из-за увеличения длины кодового слова, но имеет тот недостаток, что прием требует высокой степени сложности. Как изображено на фигурах, в системе с применяемым к ней способом пространственного мультиплексирования существует большая разница в характеристиках между использованием единственного кодового слова (SCW) и множественного кодового слова (MCW). Однако, если применяется способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига в соответствии с настоящим изобретением, может быть получен больший выигрыш по сравнению с выигрышем системы с применяемым к ней способом пространственного мультиплексирования с единственным кодовым словом (SCW). А именно, как изображено на фигурах, в отношении множественного кодового слова (MCW) намного больший выигрыш получается, когда применяется предварительное кодирование на основе фазового сдвига по сравнению с тем, когда применяется способ пространственного мультиплексирования известного уровня техники, и хотя относительно меньший выигрыш получается по сравнению с тем, когда применяется единственное кодовое слово (SCW), но ясно, что улучшение характеристик достигается.
[126] На фигуре 18 приведен график, показывающий различие в характеристиках в случаях, когда применяется способ пространственного разнесения + способ разнесения с циклической задержкой, и, когда применяется способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига + способ разнесения с циклической задержкой в соответствии с настоящим изобретением, вместе с MCS (набор модуляции и кодирования) в среде канала с плоскими замираниями.
[127] Как изображено на фигуре, для всех скоростей кодирования (R=1/2, 1/3, 1/4) можно увидеть, что превосходящие характеристики достигаются, когда применяется способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига + способ разнесения с циклической задержкой в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с тем, когда применяется способ пространственного разнесения + способ разнесения с циклической задержкой известного уровня техники.
[128] В качестве некоторых типичных эффектов настоящего изобретения, которое использует способ предварительного кодирования на основе фазового сдвига, по сравнении со способом пространственно-временного кодирования, степень сложности приемопередатчика относительно низкая, поддерживаются преимущества схемы разнесения с фазовым сдвигом, в то время как поддерживаются различные коэффициенты пространственного мультиплексирования. По сравнению со способом предварительного кодирования, могут ожидаться относительно меньшая чувствительность к каналу и требование относительно небольшой емкости кодовой книги. Более того, использованием обобщенной матрицы предварительного кодирования на основе фазового сдвига, предварительное кодирование на основе фазового сдвига может быть легко расширено и применено независимо от числа передающих антенн в системе.
[129] На Фигуре 19 показана типичная общая структура, относящаяся к генерированию сигнала основной полосы нисходящей линии связи в соответствии с настоящим изобретением.
[130] В отношении промышленной применимости, упомянутые признаки и аспекты, описанные здесь, относятся к и могут быть реализованы для различных типов технологий радиосвязи. Некоторые не ограничивающие примеры могут включать технологии широкополосного беспроводного радио интерфейса, технологии системы со многими входами и многими выходами (MIMO), так называемые системы 3.5G или 4G, разработанные для предоставления более высоких скоростей данных и служб данных на основе IP (Интернет-протокола) и т.п. и/или различные стандарты радиосвязи, такие, как, но этим не ограничивающиеся, WCDMA, 3GPP, 3GPP2, OFDM, OFDMA, HSDPA, UMTS, ОМА, IEEE 802.11n. IEEE 802.16 и т.п.
[131] По существу, по меньшей мере некоторые из признаков, описанных здесь, применимы к таким стандартам, которые были разработаны или которые продолжают совершенствоваться. Также, по меньшей мере некоторые из признаков, описанных здесь, могут быть реализованы в различных типах устройств [например, мобильных телефонах, беспроводных терминалах связи, оборудовании пользователя (UE), элементах протоколов радиосвязи и т.п.] в элементах аппаратурного обеспечения, программного обеспечения, или некоторой соответствующей их комбинации.
[132] Любая ссылка в этом описании на "один вариант осуществления," "вариант осуществления", "пример варианта осуществления" и т.д. означает, что определенный признак, структура или характеристика, описанная в сочетании с упомянутым вариантом осуществления включается в, по меньшей мере, один вариант осуществления изобретения. Появление таких фраз в различных местах в описании не обязательно относится к тому же варианту осуществления. Дополнительно, когда определенный признак, структура или характеристика рассматривается в сочетании с каким-либо вариантом осуществления, этим заявляется, что в пределах компетенции специалиста в данной области техники, чтобы использовать такой признак, структуру, или характеристику в соединении с другими примерами вариантов осуществления.
[133] Хотя варианты осуществления были рассмотрены со ссылкой на количество проиллюстрированных здесь вариантов осуществления, следует понимать, что многочисленные другие модификации и варианты осуществления могут быть придуманы специалистами в данной области техники, которые попадут в рамки принципов этого изобретения. По существу, различные вариации и модификации возможны в компонентах и/или устройствах и комбинации устройств в пределах объема упомянутого изобретения, упомянутых чертежей и прилагаемой формулы изобретения. В дополнение к вариациям и модификациям в частях компонентов и/или средств, альтернативные применения будут также очевидны специалистам в данной области техники.