СИСТЕМА И СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННО-ЧАСТОТНОГО КОДИРОВАНИЯ В МНОГОАНТЕННОЙ СИСТЕМЕ ПЕРЕДАЧИ
SYSTEM AND METHOD FOR SPACE-TIME-FREQUENCY CODING IN MULTI-ANTENNA TRANSMISSION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в целом к многоантенным системам и способам осуществления беспроводной связи и касается, в частности, многоантенных систем и способов пространственно-временно-частотного кодирования сигналов для обеспечения разнесения при беспроводной связи.
ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
По мере развития систем радиосвязи при их проектировании выдвигаются все более жесткие требования к оборудованию и рабочим характеристикам. Будущие системы радиосвязи, которые будут являться системами третьего (3G) и четвертого (4G) поколений, по сравнению с аналоговыми системами первого поколения (1G) и цифровыми системами второго поколения (2G), эксплуатируемыми в настоящее время, в дополнение к высококачественным услугам голосовой связи будут обязаны обеспечивать высококачественные услуги передачи данных с высокой скоростью. Одновременно с требованиями к характеристикам услуг, предоставляемых системами, будут существовать конструктивные ограничения, которые окажут сильное влияние на разработку подвижных терминалов. Подвижные терминалы систем радиосвязи 3G и 4G должны быть блоками меньшего размера, более легкими, более энергоэффективными, которые также смогут предоставлять сложные услуги передачи речи и данных, требуемые от этих будущих систем радиосвязи.
Изменяющиеся во времени замирания вследствие многолучевого распространения - это эффект в системах радиосвязи, вызванный тем, что передаваемый сигнал распространяется к приемнику по множеству путей, что вызывает замирания принимаемого сигнала вследствие суммирования сигналов в приемнике с усилением и ослаблением. Известно несколько способов преодоления эффектов замираний, возникающих вследствие многолучевого распространения, такие как перемежение во времени при кодировании с исправлением ошибок, осуществление частотного разнесения при использовании расширения спектра или регулирование мощности передатчика. Однако каждый из этих способов имеет недостатки в отношении их использования в системах радиосвязи третьего и четвертого поколений. Перемежение во времени может вносить ненужную задержку, расширение спектра может требовать выделения большей ширины полосы, чтобы преодолеть большую ширину полосы когерентности, а способы регулирования мощности могут требовать более высокой мощности передачи, чем было бы желательно, для сложных способов обратной связи от приемника к передатчику, которые увеличивают сложность подвижного терминала. Все эти недостатки оказывают отрицательное влияние на достижение желаемых характеристик подвижных терминалов третьего и четвертого поколений.
Разнесение антенн - это другой способ преодоления эффектов замираний, возникающих вследствие многолучевого распространения в системах радиосвязи. При разнесенной передаче сигнал мультиплексируется и обрабатывается так, чтобы сформировать множество отдельных сигналов, которые затем передают через две или более физически разделенные антенны. Точно так же при разнесенном приеме используются две или более физически разделенные антенны, чтобы принимать сигнал, который затем обрабатывается посредством объединения и коммутации для формирования принимаемого сигнала. Различные системы, известные как системы МIМО (множественный вход/множественный выход), используют разнесение как при передаче, так и при приеме и обеспечивают при радиосвязи выигрыш за счет мультиплексирования и разнесения.
Один способ разнесения при передаче, согласно которому две передающие антенны избыточно посылают информацию на одну приемную антенну, раскрыт в патенте США №6185258 “Transmitter Diversity Technique for Wireless Communications", выданном 6 февраля 2001 г. Аламоути (Alamouti) и др., содержание которого включено в данное описание путем ссылки на источник. В соответствии со способом разнесения при передаче по Аламоути информацию передают во времени в течение "временных слотов", длительность которых является достаточно малой, так что в течение временного слота качество передачи по каждому из двух каналов фактически постоянно. Временной слот разделяется на символьные интервалы, каждый символьный интервал представляет время, в течение которого сигнал одного символа излучается антенной.
1
2
2
1
A1a
В соответствии со способом разнесения Аламоути во временном слоте с длительностью в два символьных интервала первая антенна передает символ z в течение первого символьного интервала и символ - z* в течение второго символьного интервала, а вторая антенна передает символ z в течение первого символьного интервала и символ z* в течение второго символьного интервала. Здесь "а*" обозначает элемент, комплексно сопряженный "а" (то есть если = х+yj, то а*=х-yj). Временные слоты могут называться "пространственно-временными слотами" для указания на то, что передачу осуществляет более чем одна антенна, подчеркивая наличие пространственного разнесения, или же могут называться просто "слотами". Матрица Аламоути C показана ниже, каждая строка в ней соответствует передающей антенне, а каждый столбец соответствует символьному интервалу.
3
1
4
2
Если одна из двух антенн в течение временного слота передает более устойчиво, чем другая, то оба символа могут быть получены только из более сильной из этих двух передач. В течение третьего и четвертого символьных интервалов формируется новый слот, в котором z выступает в роли z, a z - в роли z, и так далее для последующих временных слотов и соответствующих символьных интервалов. Следовательно, передающие антенны передают последовательности кодов Аламоути размерностью 2×2. Матрица такого вида, например матрица Аламоути 2×2, которая используется для представления разнесения при передаче по символьным интервалам, называется "пространственно-временным блочным кодом". В данном примере пространственно-временной блочный код и временной слот совпадают, но это необязательно. В данном примере осуществляется двойное разнесение, потому что каждый символ передают дважды, посредством его задержанной идентичной копии или задержанного комплексно сопряженного значения (или отрицательного комплексно сопряженного значения). Если единственный передатчик передает один символ за символьный период, то число символов, которые передают за символьный период в системе связи, называют "скоростью символов". Скорость символов здесь равна 1, так как для этой цели символ рассматривается как то же самое, что и его комплексно сопряженное или отрицательное комплексно сопряженное значение.
В отличие от способов пространственно-временного кодирования, таких как способ разнесения Аламоути, способы пространственно-частотного кодирования основываются на кодировании по пространству и по частоте посредством разделения потока символов на несколько параллельных потоков символов и модуляции каждым из этих потоков отдельных несущих или поднесущих на различных частотах или в пределах отдельных элементов разрешения по частоте (частотных бинов). Далее были предложены способы кодирования, называемые способами пространственно-временно-частотного кодирования, которые предлагают комбинацию пространственно-временного кодирования и пространственно-частотного кодирования посредством кодирования символов среди передающих антенн во времени и по частоте. И хотя обычные способы пространственно-временного, пространственно-частотного и пространственно-временно-частотного кодирования пригодны для преодоления по меньшей мере некоторых из эффектов замираний в системах радиосвязи, возникающих вследствие многолучевого распространения, обычно является желательным улучшение этих способов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В свете вышеприведенного обзора известных технических решений, примеры осуществления данного изобретения предлагают устройство связи для улучшенной многоантенной передачи, такое как базовая станция, контроллер базовой станции и т.п., а также связанные с ним способ и компьютерный программный продукт для пространственно-временно-частотного кодирования данных, например для передачи данных по беспроводной сети. Аналогично, примеры осуществления данного изобретения предлагают улучшенное принимающее устройство сети связи в системе многоантенной передачи, такое как подвижный терминал, а также соответствующий способ и компьютерный программный продукт для пространственно-временно-частотного декодирования данных, таких как данные, принимаемые от беспроводной сети. Варианты осуществления данного изобретения позволяют кодировать/декодировать данные так, чтобы увеличить выигрыш как от разнесения, так и от кодирования, в системе связи, содержащей передающее и принимающее устройства. Кроме того, варианты осуществления данного изобретения обеспечивают улучшение параметров системы связи по сравнению с обычными системами.
Согласно одному аспекту данного изобретения предлагается способ пространственно-временно-частотного кодирования порций данных. Способ включает прием потока, состоящего из множества порций данных, в системе многоантенной передачи, где данные могут быть представлены в виде потока символов OFDMA (множественный доступ посредством ортогонального частотного разделения), OFDM (мультиплексирование посредством ортогонального частотного разделения) или подобных им. Однако, независимо от типа данных, порции данных после этого кодируют в пространственном, временном и частотном измерениях на основе множества пространственно-временно-частотных (Space-Time-Frequency - STF) кодов. При этом порции данных кодируют так, чтобы один или несколько STF кодов в частотном измерении отличались от одного или нескольких других STF кодов в частотном измерении. Например, порции данных могут кодироваться на основе множества STF кодов, каждый из которых включает матрицу, содержащую множество столбцов и множество строк, где строки проходят вдоль временного и частотного измерений, а столбцы проходят в пространственном измерении. В таких примерах один или несколько STF кодов могут отличаться от одного или нескольких других STF кодов перестановкой двух или более строк другого STF кода.
Частотное измерение может включать множество частотных бинов (элементов разрешения по частоте). В таких случаях порции данных могут кодироваться так, что множество STF кодов в частотной области последовательно циркулирует (проходит по кругу) через наборы, состоящие из по меньшей мере одного частотного бина. Также в таких случаях порции данных могут далее кодироваться так, чтобы STF код, по меньшей мере для некоторых из соответствующих наборов частотных бинов, продолжался во временной области по соответствующим наборам из частотных бинов.
1
2
3
Предлагаемый способ может быть сконфигурирован для системы передачи с четырьмя антеннами. В таких случаях порции данных могут кодироваться на основе по меньшей мере трех STF кодов, которые в частотной области последовательно циркулируют по наборам частотных бинов. В случае кодирования с единичной скоростью, порции данных могут кодироваться, например, на основе следующих трех STF кодов А, А и А:
, , ,
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
*
*
*
*
где S, S, S и S - порции данных, a S , S , S  и S  - комплексно сопряженные значения соответствующих порций данных. Альтернативно, в случае кодирования с двойной скоростью порции данных могут кодироваться, например, на основе следующих шести STF кодов B, В, В, В, B и B:
, , ,
, , ,
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
*
*
*
*
*
*
*
*
где S, S, S, S, S, S, S и S - порции данных, a S , S , S , S , S , S , S  и S  - комплексно сопряженные значения соответствующих порций данных.
Согласно другим аспектам данного изобретения предлагается передающее многоантенное устройство связи и компьютерный программный продукт для пространственно-временно-частотного кодирования данных, а также приемное многоантенное устройство связи, способ и компьютерный программный продукт для пространственно-временно-частотного декодирования данных, таких как данные, принимаемые из беспроводной сети. Как указано выше и объясняется ниже, устройства, способы и компьютерные программные продукты, приводимые в качестве примеров осуществления данного изобретения, могут кодировать/декодировать данные таким способом, который увеличивает выигрыш как от разнесения, так и от кодирования в системе связи. Устройства, способы и компьютерные программные продукты улучшают характеристики системы связи по сравнению с обычными системами. По существу, устройства, способы и компьютерный программный продукт согласно данному изобретению могут решить проблемы предшествующих способов и/или обеспечить дополнительные преимущества.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Описав таким образом изобретение в общих чертах, сделаем теперь ссылки на прилагаемые чертежи, которые необязательно выполнены в масштабе и на которых:
на фиг.1 показана блок-схема системы радиосвязи, содержащей терминал, согласно примерам осуществления данного изобретения;
на фиг.2 показана функциональная блок-схема многоантенного передающего объекта системы радиосвязи, показанной на фиг.1, согласно примерам осуществления данного изобретения;
на фиг.3 показана функциональная блок-схема принимающего одноантенного объекта системы радиосвязи, показанной на фиг.1, согласно примерам осуществления данного изобретения;
фиг.4 иллюстрирует пространственно-временно-частотное (STF) кодирование входного потока символов с помощью матрицы А STF кода;
k
фиг.5 иллюстрирует пространственно-временно-частотное (STF) кодирование входного потока символов с помощью циркулирующих матриц A STF кода согласно примерам осуществления данного изобретения;
k
на фиг.6 показан график, на котором коэффициент ошибок в кадрах (FER) системы с 4 антеннами по схеме с несколькими входами и одним выходом (MISO), кодирующей потоки символов со скоростью 1 с помощью матрицы А, сравнивается с FER системы MISO, кодирующей потоки символов со скоростью 1 с помощью циркулирующих матриц A согласно примерам осуществления данного изобретения;
k
на фиг.7 показан график, на котором коэффициент ошибок FER системы с 4 антеннами по схеме MISO, кодирующей потоки символов со скоростью 2 с помощью матрицы В, сравнивается с коэффициентом ошибок FER системы MISO, кодирующей потоки символов со скоростью 2 с помощью циркулирующих матриц B согласно примерам осуществления данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение будет описано ниже более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные формы осуществления изобретения. Однако изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное изложенными здесь формами осуществления - эти формы осуществления изобретения приводятся для того, чтобы раскрытие изобретения было полным и завершенным и полностью передавало специалистам объем изобретения. Подобными номерами повсюду обозначены подобные элементы.
На фиг.1 приведена блок-схема одного типа системы 10 радиосвязи, содержащей терминал 12, в которой может быть использовано данное изобретение. Как объясняется ниже, терминал может быть мобильным телефоном. Однако должно быть понятно, что такой мобильный телефон просто иллюстрирует один тип терминала, который может извлечь пользу из данного изобретения, и поэтому не должен рассматриваться как ограничивающий объем данного изобретения. Хотя здесь показаны и ниже будут описаны для примера несколько форм осуществления терминала, другие типы терминалов, такие как карманные персональные компьютеры (КПК), пейджеры, портативные компьютеры и другие виды устройств голосовой связи и передачи текстовых сообщений, легко могут использовать данное изобретение. Кроме того, система и способ данного изобретения будут описаны прежде всего в связи с применениями в системах подвижной связи. Однако должно быть понятно, что система и способ данного изобретения могут использоваться вместе с множеством других приложений, как в отрасли средств подвижной связи, так и вне ее.
Система 10 связи обеспечивает радиосвязь между двумя станциями связи, такими как базовая станция (BS) 14 и терминал 12, посредством радиолиний, формируемых между ними. Терминал конфигурируется для приема и передачи сигналов, чтобы осуществлять связь с множеством базовых станций, включая показанную базовую станцию. Система связи может конфигурироваться для работы в соответствии с одним или несколькими из множества различных видов широкополосной связи, или более конкретно в соответствии с одним или несколькими из множества различных видов протоколов широкополосной связи. В частности, система связи может быть сконфигурирована для работы в соответствии с любым из ряда протоколов связи систем 1G, 2G, 2.5G и/или 3G или аналогичных им. Например, система связи может быть сконфигурирована так, чтобы работать в соответствии с протоколом радиосвязи стандарта IS-95 2G системы подвижной связи с кодовым разделением каналов (CDMA) и/или cdma2000. Также система связи может быть сконфигурирована, чтобы работать в соответствии, например, с протоколами радиосвязи 3G, такими как Универсальная система подвижной связи (UMTS), использующая технологию широкополосного многостанционного радиодоступа с кодовым разделением каналов (WCDMA). Кроме того, система связи может быть сконфигурирована, например, для работы в соответствии с улучшенными протоколами радиосвязи 3G типа 1X-EVDO (TIA/EIA/IS-856) и/или 1X-EVDV. Должно быть понятно, что использование данного изобретения подобным образом возможно также в системах радиосвязи других типов и в других системах связи. Поэтому, хотя нижеследующее описание может описывать работу формы осуществления данного изобретения в отношении вышеупомянутых протоколов радиосвязи, данное изобретение может быть аналогично описано в отношении любого из различных других видов протоколов радиосвязи, без отступления от сущности и объема данного изобретения.
Базовая станция 14 подключена к контроллеру 16 базовых станций (BSC). Контроллер базовых станций, в свою очередь, подключен к центру 18 коммутации подвижной связи (MSC). Центр коммутации подвижной связи подключен к опорной сети, здесь - к коммутируемой телефонной сети 20 общего пользования (PSTN). В свою очередь, к коммутируемой телефонной сети общего пользования подключен узел-корреспондент (CN) 22. Канал связи может формироваться между узлом-корреспондентом и терминалом 12 посредством коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN), центра коммутации подвижной связи (MSC), контроллера BSC и базовой станции, а также радиолинии, сформированной между базовой станцией и терминалом. Таким образом осуществляется передача как речевых, так и неречевых данных между узлом-корреспондентом и терминалом. В показанном примере осуществления изобретения базовая станция задает соту, и многочисленные узлы сот располагают в разнесенных местах по всей географической области, чтобы сформировать множество сот, в пределах любой из которых терминал способен осуществлять радиосвязь с соответствующей базовой станцией.
Терминал 12 содержит различные средства для выполнения одной или более функций в соответствии с примерами осуществления данного изобретения, включая те, которые показаны и описаны здесь более конкретно. Однако должно быть понятно, что терминал может содержать альтернативные средства для выполнения одной или нескольких подобных функций без отступления от сущности и объема данного изобретения. Конкретнее, например, как показано на фиг.1, в дополнение к одной или более антеннам 24, терминал в одной из форм осуществления данного изобретения может содержать передатчик 26, приемник 28 и контроллер 30 или другой процессор, который подает сигналы передатчику и приемнику и принимает сигналы от них соответственно. Эти сигналы включают информацию сигнализации в соответствии с протоколом (протоколами) системы радиосвязи, а также речь абонента и/или данные, генерируемые абонентом. При этом терминал может быть способен осуществлять связь в соответствии с одним или несколькими из множества различных протоколов радиосвязи, таких как указанные выше. Хотя здесь это и не показано, терминал также может быть способен осуществлять связь в соответствии с одним или более способом организации проводных или и/или беспроводных сетей. Более конкретно, например, терминал может быть способен осуществлять связь в соответствии со способами организации проводных сетей: локальных сетей (LAN), общегородских сетей (MAN) и/или глобальных сетей (WAN) (например, Интернет). Дополнительно или альтернативно, например, терминал может быть способен осуществлять связь в соответствии со способами организации беспроводных сетей, включая технологию беспроводных локальных сетей (WLAN), например, по стандарту IEEE 802.11 и/или технологию WiMAX по стандарту IEEE 802.16 или подобные им.
Понятно, что контроллер 30 содержит электрические схемы, необходимые для осуществления обработки звуковых сигналов и выполнения логических функций терминала 12. Например, контроллер может содержать устройство обработки цифровых сигналов, микропроцессор и/или различные аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговые преобразователи и другие вспомогательные схемы. Функции управления и обработки сигналов терминала распределены между этими устройствами согласно их возможностям. Контроллер может дополнительно содержать внутренний кодер 30а речи (VC), а также внутренний модем 30b для передачи данных (DM). Кроме того, контроллер может включать функциональные возможности для использования одного или нескольких приложений, которые могут храниться в памяти (описана ниже).
Терминал 12 может также содержать интерфейс пользователя, включая обычные наушники или громкоговоритель 32, вызывное устройство 34, микрофон 36, дисплей 38 и входной интерфейс пользователя; все эти устройства подключены к контроллеру 18. Входной интерфейс пользователя, который позволяет терминалу принимать данные, может содержать некоторые из ряда устройств, позволяющих терминалу принимать данные, такие как клавиатура 40, сенсорный дисплей (не показан) или другие устройства ввода данных. В формах осуществления изобретения, имеющих клавиатуру, эта клавиатура содержит обычные цифровые (0-9) и связанные с ними клавиши (#, *), а также другие клавиши, используемые для эксплуатации терминала. Хотя это не показано, терминал может содержать одно или несколько устройств для совместного использования и/или получения данных (не показаны).
Кроме того, терминал 12 может содержать память, такую как модуль 42 идентификации абонента (SIM), сменный модуль идентификации пользователя (R-UIM) или аналогичный им, который обычно хранит элементы информации, относящиеся к абоненту подвижной связи. В дополнение к SIM-карте терминал может содержать другую сменную и/или несъемную память. В связи с этим терминал может содержать энергозависимую память 44, например энергозависимую оперативную память (RAM), включая область кэша для временного хранения данных. Терминал может содержать также другую долговременную память 46, которая может быть встроенной и/или сменной. Энергонезависимая память может дополнительно или альтернативно быть выполнена в виде электрически стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM), флеш-памяти или аналогичного запоминающего устройства. Запоминающие устройства могут хранить некоторое число прикладных программ, команды, порции информации и данные, используемые терминалом для осуществления своих функций.
Из описания сетевых объектов системы, включающих терминал 12, базовую станцию 14, контроллер 16 базовых станций (BSC), центр 18 коммутации подвижной связи и узел-корреспондент 22, должно быть ясно, что элементы соответствующих объектов могут быть реализованы рядом различных средств, таких как аппаратные средства и/или встроенное программное обеспечение, работающие самостоятельно и/или под управлением компьютерного программного продукта. Вообще, в таком случае сетевые устройства могут содержать один или несколько логических элементов для выполнения различных функций одного из соответствующих устройств. Очевидно, что логические элементы могут быть реализованы любым из ряда различных способов. В этом отношении логические элементы, выполняющие функции соответствующих объектов, могут быть реализованы в комплекте интегральных схем, содержащем одну или несколько интегральных схем, встроенных или иным способом связанных с соответствующими объектами. Проектирование интегральных схем является, вообще говоря, высокоавтоматизированным процессом. В этом отношении в распоряжении имеются комплексные и мощные программные средства для преобразования проекта логического уровня в проект полупроводниковой интегральной микросхемы, готовой к травлению и формированию на полупроводниковой подложке. Эти программные средства, например, поставляемые Avant! Corporation, Fremont, California, и Cadence Design, San Jose, California, автоматически трассируют проводники и располагают компоненты на полупроводниковом кристалле, используя хорошо установленные правила проектирования, а также огромные библиотеки ранее сохраненных унифицированных элементов проектов. Как только проект полупроводниковой схемы закончен, этот полученный в результате проект в стандартном электронном формате (например, Opus, GDSII или аналогичном) может быть передан для изготовления на завод по производству полупроводниковых микросхем.
Обратимся теперь к фиг.2 и 3, которые иллюстрирует функциональную блок-схему системы 10, показанной на фиг.1, в соответствии с примером осуществления данного изобретения. Более конкретно, фиг.2 иллюстрирует функциональную блок-схему многоантенной системы передачи, включающей передающий объект 50 (например, базовую станцию 14). Как показано на фиг.3, иллюстрируемая система работает как система связи с несколькими входами и одним выходом (MISO), которая содержит также принимающий объект 66 с одной антенной (например, терминал 12). Однако должно быть понятно, что система согласно примерам осуществления данного изобретения может равным образом работать в другой конфигурации, не отступая от сущности и объема данного изобретения. Кроме того, должно быть ясно, что передающий и принимающий объекты могут быть реализованы в любой из множества систем передачи различных видов, которые передают кодированные или некодированные цифровые сигналы через радиоинтерфейс.
В показанной системе 10 связи по схеме MISO передающий объект 50 содержит передатчик MISO, имеющий пространственно-временно-частотный (STF) кодер 52, блок 54 расширения спектра, фильтрации и модуляции (SFM) и n передающих антенн 56 (четыре из них показаны как антенны 56а-56d). В передающем объекте передатчик принимает входной поток символов x(t), такой как поток символов OFDMA (множественный доступ посредством ортогонального частотного разделения), OFDM (мультиплексирование посредством ортогонального частотного разделения) или подобный им. В передающем объекте с n антеннами STF кодер способен принимать поток символов x(t). При этом поток символов может содержать некоторое число различных порций данных, включая, например, символы, полученные из перемежаемых данных, которые кодируются канальным кодером, таким как сверточный кодер, турбокодер, кодер LDPC (код с низкой плотностью проверки на четность) или аналогичный им. Независимо от точного характера полученного потока символов, STF кодер способен кодировать каждые n символов x(1), x(2) … x(n) в соответствии со способом STF, основанным на множестве STF кодов, как объясняется ниже. Кодированные символы потока символов могут затем фильтроваться и модулироваться в блоке SFM, а затем передаваться n антеннами.
Принимающий объект 60 содержит приемник, имеющий приемную антенну 62, блок 64 фильтрации, сжатия спектра (снятия расширения спектра) и демодуляции (FDD) и STF декодер 66. Приемная антенна принимает данные, передаваемые передающим объектом 50, и передает их в блок 64 фильтрации, сжатия спектра и демодуляции, который фильтрует и демодулирует данные с получением представлений потока кодированных символов передающего объекта. STF декодер может затем декодировать каждые n символов x(1), x(2) … x(n) из представлений кодированных символов в соответствии со способом STF на основе множества STF кодов, таким же путем, каким STF кодер кодирует символы входного потока символов. Этот способ минимизирует расстояние Хемминга, евклидово расстояние или аналогичное им расстояние между передаваемыми и принимаемыми сигналами.
Как объяснено в обзоре известных технических решений, в соответствии со способом разнесения Аламоути во временном слоте, имеющем длительность в два символьных интервала, передатчик с двумя антеннами кодирует поток символов согласно коду Аламоути или матрице 2×2. Этот вид матрицы, такой как матрица Аламоути 2×2, которая используется, чтобы представить разнесение по символьным интервалам при передаче, называется "пространственно-временным блочным кодом". Другой способ разнесения при передаче, пространственно-частотный способ, основан на кодировании по пространству и частоте посредством разделения потока символов на несколько параллельных потоков символов и модуляции каждым из этих потоков отдельных несущих или поднесущих на отдельных частотах или в пределах отдельных частотных бинов (элементов разрешения по частоте). Следующие далее способы кодирования, называемые способами пространственно-временно-частотного кодирования, предлагают комбинацию пространственно-временного и пространственно-частотного кодирования посредством кодирования символов среди передающих антенн по времени и частоте.
Понятно, что кодирование потоков символов в соответствии со способом пространственно-временно-частотного кодирования может различаться в зависимости от скорости кодирования потоков символов. Примеры осуществления данного изобретения будут описаны ниже для скорости кодирования, равной единице, двум и четырем. Однако должно быть понятно, что примеры осуществления данного изобретения могут быть применены также и к другим скоростям кодирования без отступления от сущности и объема данного изобретения.
А. Кодирование со скоростью 1
Как показано на фиг.4, в соответствии со способом пространственно-временно-частотного кодирования для STF кодера 52 ранее было предложено кодировать поток символов для передающего объекта 50 с четырьмя антеннами 56a-56d в соответствии со следующим STF кодом со скоростью 1:
.
Как показано здесь, две группы последовательных столбцов кода соответствуют двум поднесущим частотам (или двум частотным бинам) для двух символов входного потока символов, при этом столбцы каждой группы соответствуют двум временным слотам. Как также показано, строки кода соответствуют антеннам 56а-56d передающего объекта 50. Затем матрица А STF кода повторяется для множества пар временных слотов и поднесущих частот во временном и частотном измерениях. Если не принимать во внимание кодирование, код А обеспечивает разнесение с кратностью два. Однако с достаточным кодированием код А способен обеспечить четырехкратное разнесение, как будет объяснено ниже в отношении примеров осуществления данного изобретения.
Модель сигнала с парой частот во временном слоте из двух символов может быть представлена в матричной форме следующим образом:
T
y=Ah+n,
1
2
3
4
0
T
где h=[h, h, h, h] - коэффициенты канала с частотно-независимыми замираниями, A - транспонированная матрица кода А и n - вектор-столбец, составленный из отсчетов аддитивного белого гауссова шума (AWGN) с дисперсией N на измерение (пространство, время, частоту). Принимая, что STF декодер 66 является декодером максимального правдоподобия (ML), верхняя граница вероятности парной ошибки для кода с 4 антеннами в каналах с AWGN может быть определена следующим образом:
1
2
3
4
где операция вычисления математического ожидания Е выполняется над статистическими параметрами канала. Диагональная матрица D содержит расстояния, такие как расстояния Хемминга, евклидовы расстояния или аналогичные им, для каждого коэффициента канала вдоль пути ошибочного события. Вследствие присутствия ортогональных STF кодов диагональные элементы D=diag[d, d, d, d] появляются парами. Другими словами, среди четырех символов STF пары символов испытывают одинаковое влияние канала вследствие кодирования пространственно-временным блочным кодом.
Кратность разнесения для кода в случае 4 антенн определяется рангом матрицы D. Кодирование пространственно-временным блочным кодом обеспечивает как минимум двукратное разнесение. Полное четырехкратное разнесение требует эффективного канального кода. Бинарный сверточный код со скоростью 1/2 может сделать возможным такое четырехкратное разнесение.
1
2
1
2
1
2
1
2
Понятно, что выигрыш как от разнесения, так и от кодирования представленным кодом может быть максимизирован максимизацией следа матрицы D (то есть , где Н - расстояние по Хеммингу) и обеспечением приближенного равенства диагональных элементов D. При этом выигрыш от разнесения и кодирования может быть максимизирован для 4-антенного передающего объекта 50 путем установки d и d равными друг другу (то есть d=d). На практике часто бывает трудно сконструировать коды с равными расстояниями (например, расстояниями Хемминга, евклидовыми расстояниями и т.д.) для всех ошибочных событий. Если d≠d, то выигрыш уменьшается и, в частности, большое несоответствие между d и d может привести к значительным потерям в системе.
В соответствии с примерами осуществления данного изобретения STF кодер 52 способен кодировать поток символов таким способом, который уменьшает несоответствие между диагональными элементами D, тем самым увеличивая выигрыш от кодирования. Более конкретно, STF кодер согласно данному изобретению способен кодировать порции данных, таких как данные потока символов, на основе множества STF кодов так, что по меньшей мере один STF код в частотном измерении отличается по меньшей мере от одного другого STF кода, как показано на фиг.5. При этом для передающего объекта 50 с 4 антеннами STF кодер может кодировать поток символов в соответствии со следующими STF кодами со скоростью 1:
, , ,
1
2
3
4
1
2
3
4
*
*
*
*
где S, S, S и S - порции данных (например, символы), a S , S , S  и S  - комплексно сопряженные значения соответствующих порций данных (например, символов).
1
2
3
1
2
3
2
1
3
2
Матрица А может (но необязательно должна) соответствовать ранее предложенной матрице А. Вторая и третья матрицы, А и А, тогда могут быть сформированы перестановкой местами по меньшей мере двух строк матрицы A или другой из матриц A и A, чтобы все матрицы отличались перестановкой местами по меньшей мере двух строк. То есть матрица А может быть сформирована перестановкой местами второй и третьей строк матрицы A (или наоборот), а матрица А может быть сформирована перестановкой местами третьей и четвертой строк матрицы А. Должно быть понятно, однако, что любая из этих трех матриц может быть сформирована перестановкой по меньшей мере двух строк любой другой матрицы.
1
2
3
Как показано на фиг.5, в соответствии с примерами осуществления данного изобретения STF кодер 52 способен кодировать поток символов для четырех антенн 56а-56d передающего объекта 50 в соответствии с вышеупомянутыми STF кодами А, A и А. Как показано, как и в случае кодирования потока символов матрицей А, два набора последовательных столбцов кодов охватывают две поднесущие частоты (или два частотных бина) по двум символам, а столбцы каждого набора соответствуют двум временным слотам. Кроме того, строки кода соответствуют антеннам передающего объекта. Матрицы STF кода могут затем повторяться для множества пар временных слотов во временном измерении. Однако в частотном измерении, включающем номера поднесущих частот f=1, 2 … FFT, матрицы могут последовательно циркулировать в частотном измерении по наборам, состоящим из по меньшей мере одной частотной поднесущей, а более типично - по наборам из по меньшей мере одной пары поднесущих частот. Соответственно, матрица может повторяться по парам поднесущих частот в пределах набора поднесущих и затем циркулировать к следующей матрице для следующего набора поднесущих и т.д.
c
c
1
c
c
2
c
c
c
3
c
c
c
1
k
Число поднесущих частот N в наборах, по которым циркулируют матрицы, может быть установлено множеством различных способов, например число поднесущих может быть установлено равным двум (то есть N=2). В таком случае первая матрица А может повторяться для первых N поднесущих (то есть f=1, … 2N), после чего матрица циркулирует к матрице A для следующих N поднесущих (то есть f=N+1, … 2N) и затем циркулирует к матрице А для следующих N поднесущих (то есть f=2N+1, … 3N). Затем матрицы циркулируют назад к первой матрице А и повторяются. Вообще, матрица A для данного числа поднесущих частот f=1, 2 … FFT может быть идентифицирована следующим образом:
.
1
2
3
Как можно показать, вероятность парной ошибки для циркулирующих кодов А, A и А получается в виде:
k
k
где Λ представляет диагональную матрицу с элементами, . В отличие от случая с диагональной матрицей D, без циркуляции, Λ теперь содержит различные диагональные элементы и лучше аппроксимирует критерий равного расстояния (то есть ), таким образом, давая увеличение выигрыша от кодирования. Чтобы лучше проиллюстрировать улучшенные рабочие характеристики, обеспечиваемые примерами осуществления данного изобретения, рассмотрим график на фиг.6. На фиг.6 характеристика коэффициента ошибок в кадрах (FER) системы MISO с 4 антеннами, которая содержит STF кодер 52, кодирующий потоки символов с помощью матрицы А, сравнивается с характеристикой такой же системы с тем же самым STF кодером, кодирующим потоки символов с помощью циркулирующих матриц A. Обе характеристики приведены для В-канала пешехода, сверточного кода со скоростью 1/2 и сигнала с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK), модулированного потоком символов. Как показано, кодирование потока символов циркулирующими матрицами A может привести к выигрышу до 0,7 дБ или более по сравнению с кодированием потока символов матрицей А. Аналогичное улучшение характеристик можно продемонстрировать также для других видов модуляции и кодирования.
k
Понятно, что примеры осуществления данного изобретения могут быть равным образом применены к передающим объектам 50 с различным числом антенн 56, для различных скоростей кодирования и/или для матриц A различного размера. Например, формы осуществления данного изобретения могут быть равным образом применены для передающего объекта с тремя антеннами 56а-56с, например, способом, подобным объясненному выше.
Кроме того, например, формы осуществления данного изобретения могут быть равным образом применены для передающего объекта 50 с шестью или восьмью антеннами 56. При этом для 6-антенного передающего объекта STF кодер 52 может кодировать поток символов в соответствии со следующими STF кодами со скоростью 1:
, ,
, ,
.
2
1
3
2
4
3
5
4
k
k-1
1
1
2
7
Как показано, матрица А может быть сформирована перестановкой местами второй и третьей строк матрицы A (или наоборот), матрица А может быть сформирована перестановкой третьей и четвертой строк матрицы А, матрица А может быть сформирована перестановкой четвертой и пятой строк матрицы А, и матрица A может быть сформирована перестановкой пятой и шестой строк матрицы А. Вообще, матрица A может быть сформирована перестановкой местами k-ой и (k+1)-ой строк предыдущей матрицы A, начиная с начальной или первой матрицы A. Должно быть понятно, однако, что строки матриц могут быть переставлены согласно любому множеству других шаблонов, чтобы сформировать последующие матрицы. Так, STF кодер передающего объекта с 8 антеннами может кодировать поток символов в соответствии со следующим STF кодом A co скоростью 1, из которого могут быть получены другие STF коды А-А:
.
Должно быть понятно, что STF кодер 52 для передающего объекта 50 с 5 или 7 антеннами 56 может вывести STF коды из кодов для передающего объекта с 6 или 8 антеннами соответственно. Более конкретно, STF коды могут быть получены соединением вместе нескольких строк матрицы для передающего объекта с большим числом антенн (например, с 6 или 8 антеннами) и назначением соединенных строк одной и той же антенне передающего объекта с уменьшенным числом антенн (с 5 или 7 антеннами). Соединенные строки могут затем рассматриваться как одна строка для задач перестановки строк с целью получения матриц для антенн.
В. Кодирование со скоростью 2
Аналогично случаю кодирования со скоростью 1, для STF кодера 52 ранее было предложено кодировать поток символов для передающего объекта 50 с четырьмя антеннами 56а-56d в соответствии со следующим STF кодом со скоростью 2:
.
Как показано, два набора последовательных столбцов кода соответствуют двум поднесущим частотам (или двум частотным бинам) для двух символов, а столбцы каждого набора соответствуют двум временным слотам. Как также показано, строки кода соответствуют антеннам 56а-56d передающего объекта 50. Аналогично описанному выше, в отличие от обычных способов кодирования, STF кодер согласно данному изобретению способен кодировать порции данных, такие как данные потока символов, на основе множества STF кодов, при этом по меньшей мере один STF код в частотном измерении отличается по меньшей мере от одного другого STF кода в частотном измерении. При этом для передающего объекта 50 с 4 антеннами STF кодер может кодировать поток символов в соответствии со следующими STF кодами со скоростью 2:
, , ,
, , .
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
k
k
Матрица B может (но необязательно должна) соответствовать ранее предложенной матрице B. Тогда матрицы со второй по шестую, В, В, B, B и B, могут быть сформированы перестановкой по меньшей мере двух строк матрицы B или одной из других матриц В, В, B, B и B, чтобы все матрицы отличались перестановкой по меньшей мере двух строк. Как и в случае циркулирующих матриц A, однако, должно быть понятно, что любая из шести матриц B может быть сформирована перестановкой по меньшей мере двух строк любой другой матрицы.
k
1
2
3
4
5
6
Также аналогично случаю циркулирующих матриц A, STF кодер 52 может кодировать поток символов для четырех антенн 56a-56d передающего объекта 50 в соответствии с вышеупомянутыми STF кодами B, В, В, B, B и B. Как и прежде, два набора последовательных столбцов кодов охватывают две поднесущие частоты (или два частотных бина) за два символа, а столбцы каждого набора соответствуют двум временным слотам. Кроме того, строки кода соответствуют антеннам передающего объекта. Матрицы STF кода могут затем повторяться во временном измерении для множества пар временных слотов. В частотном измерении, содержащем номера поднесущих частот f=1, 2 … FFT, однако, матрицы могут последовательно циркулировать по наборам из по меньшей мере одной частотной поднесущей в частотном измерении и, более типично, по наборам из по меньшей мере одной пары поднесущих частот. Соответственно, матрица может повторяться по парам поднесущих частот в пределах набора поднесущих и затем переходить по кругу к следующей матрице для следующего набора поднесущих и т.д.
c
c
1
c
c
2
c
c
c
3
c
c
c
6
1
k
Число поднесущих частот N в наборах, по которым циркулируют матрицы, может быть задано любым из множества различных способов, например число поднесущих может быть установлено равным двум (то есть N=2). В таком случае первая матрица B может повторяться для первых N поднесущих (то есть f=1, … 2N), после чего матрица переходит по кругу к матрице B для следующих N поднесущих (то есть f=N+1, … 2N) и затем переходит по кругу к матрице B для следующих N поднесущих (то есть f=2N+1, … 3N). Матрицы продолжают циркулировать до матрицы B и затем назад к первой матрице B и повторяются. Вообще, матрица B для данного числа поднесущих частот f=1, 2 … FFT может быть определена следующим образом:
.
k
k
Чтобы дополнительно проиллюстрировать улучшенные рабочие характеристики, обеспечиваемые изобретением для случая скорости 2, рассмотрим график на фиг.7. Подобно фиг.6, на фиг.7 характеристика коэффициента ошибок в кадрах (FER) для 4-антенной системы MISO, которая содержит STF кодер 52, кодирующий потоки символов с помощью матрицы В, сравнивается с характеристикой такой же системы с тем же самым STF кодером, кодирующим потоки символов с помощью циркулирующих матриц B. Обе характеристики приведены для А-канала пешехода, сверточного кода со скоростью 1/2, потока символов, модулированного посредством квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) и использования принимающего объекта 60, работающего по принципу линейной минимальной среднеквадратичной ошибки (LMMSE). Как показано, кодирование потока символов циркулирующими матрицами B может привести к выигрышу до 1,0 дБ или более по сравнению с кодированием потока символов матрицей В. Аналогичное улучшение можно продемонстрировать также для других видов модуляции и кодирования.
k
k
1
Как и в случае скорости 1, примеры осуществления данного изобретения могут быть равным образом применены для передающих объектов 50 с различным числом антенн 56, для различных скоростей кодирования и/или для матриц B различного размера. Например, формы осуществления данного изобретения могут быть равным образом применены для циркулирующих матриц B 4×6, где матрица B может быть представлена следующим образом:
,
2
6
при этом другие матрицы, B-B, могут быть получены из нее. В этих примерах три пары последовательных столбцов кода соответствуют трем поднесущим частотам (или трем частотным бинам) для двух символов, при этом столбцы каждого набора соответствуют двум временным слотам. Кроме того, строки кода соответствуют антеннам 56a-56d передающего объекта 50. Альтернативно, шесть столбцов могут соответствовать шести поднесущим частотам за один символ или одной поднесущей за шесть символов.
С. Кодирование со скоростью 4 (и 3)
2
3
4
5
6
7
1
Для случая кодирования со скоростью 4 и восемью антеннами 56 циркулирующие матрицы В, В, В, В, B и B могут быть получены, например, из следующей первой матрицы STF кода B:
.
2
3
4
5
6
7
1
k
Матрицы В, В, В, В, B и B могут быть получены из матрицы B рядом различных способов, например объясненным выше способом. Независимо от того, как получены матрицы B, STF кодер 52 передающего объекта 50 с 8 антеннами может затем использовать эти матрицы для кодирования входного потока символов путем циркуляции в частотной области, как объяснено выше. В таких примерах строки матриц могут быть отображены на антенны передающего объекта, а столбцы могут быть отображены или на различные входные символы, или на различные поднесущие.
k
k
k
Следует также заметить, что матрицы B STF кода для случая скорости 3 могут быть получены из матриц для случая скорости 4. В таких примерах матрицы B могут быть получены рассмотрением только шести из восьми строк матриц B скорости 4.
Согласно одному аспекту данного изобретения функции, выполняемые одним или несколькими объектами системы, такими как терминал 12, базовая станция (BS) 14, контроллер 16 базовой станции (BSC), центр 18 коммутации подвижной связи (MSC) и/или узел-корреспондент (CN) 22, могут выполняться различными средствами, такими как аппаратные средства и/или встроенное программное обеспечение, включая описанные выше, самостоятельно и/или под управлением одного или нескольких компьютерных программных продуктов. Компьютерный программный продукт (продукты) для выполнения одной или нескольких функций вариантов осуществления данного изобретения содержит по меньшей мере один читаемый компьютером носитель данных, такой как энергонезависимый носитель данных, и программное обеспечение, включающее читаемые компьютером порции кода программы, такие как ряд компьютерных команд, записанных на машиночитаемом носителе данных.
На фиг.5 показана блок-схема алгоритма управления для способов, устройств и программных продуктов согласно примерам осуществления данного изобретения. Должно быть понятно, что каждый блок или шаг блок-схемы алгоритма управления и комбинации блоков в блок-схеме алгоритма управления могут быть осуществлены различными средствами, такими как аппаратные средства, встроенное программное обеспечение и/или программное обеспечение, содержащее одну или несколько команд компьютерной программы. Понятно, что некоторые из таких команд компьютерной программы могут быть загружены в компьютер или другое программируемое устройство (то есть аппаратные средства) для создания такого механизма, чтобы команды, которые выполняются на компьютере или другом программируемом устройстве, создавали средства для осуществления функций, указанных в блоке или на шаге блок-схемы алгоритма управления. Эти команды компьютерной программы могут храниться также в читаемой компьютером памяти, которая может управлять компьютером или другим программируемым устройством, чтобы функционировать определенным образом, так что команды, хранящиеся в читаемой компьютером памяти, формируют изделие, содержащее средства формирования команд, которые осуществляют функцию, указанную в блоке или на шаге блок-схемы алгоритма управления. Команды компьютерной программы могут также загружаться в компьютер или другое программируемое устройство, чтобы заставить ряд рабочих шагов выполняться на компьютере или другом программируемом устройстве, чтобы производить компьютерную обработку. Эта обработка выполняется так, чтобы команды, которые исполняются на компьютере или другом программируемом устройстве, обеспечивали шаги для осуществления функций, указанных в блоке или на шаге блок-схемы алгоритма управления.
Соответственно, блоки или шаги блок-схемы алгоритма управления обеспечивают комбинации средств для выполнения указанных функций, комбинации шагов для выполнения указанных функций, а также средства формирования команд программы для выполнения указанных функций. Также должно быть понятно, что один или несколько блоков или шагов блок-схемы алгоритма управления и комбинаций блоков или шагов в блок-схеме алгоритма управления могут быть осуществлены компьютерной системой на основе аппаратных средств специального назначения, которые исполняют указанные функции или шаги, либо на основе комбинации аппаратных средств специального назначения и компьютерных команд.
Специалисты в данной области техники могут предложить много модификаций изобретения и другие формы его осуществления на основе принципов, представленных в вышеприведенном описании и на прилагаемых чертежах. Поэтому должно быть понятно, что изобретение не ограничено конкретными раскрытыми формами его осуществления, а модификации и другие формы осуществления изобретения входят в объем прилагаемой формулы изобретения. Конкретные термины используются только в общем и описательном смысле, а не для ограничения изобретения.