СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОДОВОЙ КНИГИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ ДЛЯ МНОГОАНТЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ
METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING MULTI-ANTENNA TRANSMISSION PRECODING CODEBOOK

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к системе связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) и, в частности, к информации кодовой книги в системе связи MIMO.
Уровень техники
Система связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO) представляет собой систему, которая может передавать и принимать данные по меньшей мере между одной базовой станцией и по меньшей мере одной абонентской станцией. Поскольку каждая базовая станция и каждая абонентская станция включает в себя множество антенн, схема MIMO позволяет повысить эффективность передачи и приема данных.
MIMO с предварительным кодированием на основе кодовой книги может обеспечить значительное повышение эффективности использования спектра в замкнутой MIMO в нисходящей линии связи. В стандартах IEEE 802.16е и 3GPP LTE поддерживается замкнутая конфигурация MIMO на основе ограниченной обратной связи с четырьмя передающими антеннами (4 TX). В стандарте IEEE 802.16m и усовершенствованном стандарте 3GPP LTE для обеспечения максимальной эффективности использования спектра в качестве главной замкнутой системы MIMO предложена конфигурация с восемью передающими антеннами (8TX), в качестве главной системы нисходящей линии связи с замкнутой MIMO с предварительным кодированием.
К кодовой книге предъявляют несколько требований. Кодовую книгу разрабатывают на основе уровня сложности и рабочих характеристик однопользовательской системы MIMO (SU-MIMO) c 4 TX. Базовым допущением проекта кодовой книги было допущение о некоррелированном канале. В реальных условиях связи наличие некоррелированного канала предполагает, что антенны разнесены по меньшей мере на половину длины волны (0,5λ) на абонентской станции и разнесены по меньшей мере на удесятеренную длину волны (10λ) на базовой станции. При заданной общей размерности антенной решетки (обычно предполагают как десять длин волн), каждая передающая антенна скорее всего будет коррелирована. Таким образом, основанием проекта кодовой книги часто является коррелированная антенная решетка.
Сущность изобретения
Техническая проблема
В стандарте 3GPP LTE кодовая книга 4 TX создается на основе отражения Хаусхолдера с использованием заданных 16 генерирующих векторов одинаковой размерности. Следовательно, потребуется большой объем памяти для хранения 64 элементов генерирующих векторов. Отражение Хаусхолдера обеспечивает унитарную матрицу «четыре на четыре (4×4)» со свойством постоянного модуля. Однако четырехмерное отражение Хаусхолдера представляет собой особый случай, когда свойство постоянного модуля зафиксировано. При другой размерности свойство постоянного модуля отражения Хаусхолдера нарушается. Поскольку постоянный модуль является самым строгим требованием к системе, отражение Хаусхолдера не подходит для разработки кодировочных книг, включающих в себя другие размерности.
Следовательно, в данной области техники имеется потребность в усовершенствованном способе и устройстве для построения кодовой книги с постоянным модулем. В частности, имеется потребность в кодовой книге с постоянным модулем, которую можно будет использовать в системах MIMO, включающих в себя четыре или более передатчиков.
Техническое решение
Обеспечена система, способная осуществлять беспроводную связь. Система содержит базовую станцию для связи с множеством абонентских станций, причем базовая станция содержит кодер сконфигурированный с возможностью передавать данные множеству абонентских станций через антенную систему с множеством входов и множеством выходов (MIMO) c использованием 4-битной кодовой книги предварительного кодирования для восьми передающих антенн, которую используют для замкнутой однопользовательской схемы MIMO (SU-MIMO),
причем 4-битная кодовая книга предварительного кодирования для восьми передающих антенн задана, как:
Базовая матрица
Индекс CW
Ранг 3
Ранг 4
Ранг 5
Ранг 6
Ранг 7
Ранг 8
W<sub>1</sub>
1
135
1537
12357
123567
1234567
12345678
2
246
2648
12468
124568
1234568
n/a
3
237
3726
23467
234678
1234678
n/a
4
148
4815
13458
134578
1234578
n/a
5
357
5372
23567
234567
2345678
n/a
6
468
6481
14568
134568
1345678
n/a
7
267
7264
24678
124678
1245678
n/a
8
158
8153
13578
123578
1235678
n/a
W<sub>2</sub>
9
123
1234
12345
123456
1234567
12345678
10
124
1246
12456
124567
1245678
n/a
11
234
2437
23478
123478
1234578
n/a
12
134
1348
13478
134678
1234678
n/a
13
578
3578
23578
235678
1235678
n/a
14
678
4678
14678
145678
1345678
n/a
15
576
5678
35678
345678
2345678
n/a
16
568
1568
13568
123568
1234568
n/a
причем индекс CW представляет индекс кодовой книги, ранг i (i=3, 4, 5, 6, 7, 8) представляет число потоков данных, которые одновременно передаются, базовая матрица представляет матрицу, используемую для создания 4-битной кодовой книги предварительного кодирования для восьми передающих антенн.
Обеспечено устройство для создания кодовой книги для передачи приема данных на и от множества абонентских станций через систему с множеством входов и множеством выходов (MIMO). Устройство содержит генератор кодовой книги, сконфигурированный для создания кодовой книги предварительного кодирования c использованием 4-битной кодовой книги предварительного кодирования для восьми передающих антенн используемой для замкнутой однопользовательской схемы MIMO (SU-MIMO),
причем 4-битная кодовая книга предварительного кодирования для восьми передающих антенн задана, как:
Базовая матрица
Индекс CW
Ранг 3
Ранг 4
Ранг 5
Ранг 6
Ранг 7
Ранг 8
W<sub>1</sub>
1
135
1537
12357
123567
1234567
12345678
2
246
2648
12468
124568
1234568
n/a
3
237
3726
23467
234678
1234678
n/a
4
148
4815
13458
134578
1234578
n/a
5
357
5372
23567
234567
2345678
n/a
6
468
6481
14568
134568
1345678
n/a
7
267
7264
24678
124678
1245678
n/a
8
158
8153
13578
123578
1235678
n/a
W<sub>2</sub>
9
123
1234
12345
123456
1234567
12345678
10
124
1246
12456
124567
1245678
n/a
11
234
2437
23478
123478
1234578
n/a
12
134
1348
13478
134678
1234678
n/a
13
578
3578
23578
235678
1235678
n/a
14
678
4678
14678
145678
1345678
n/a
15
576
5678
35678
345678
2345678
n/a
16
568
1568
13568
123568
1234568
n/a
причем индекс CW представляет индекс кодовой книги, ранг i (i=3, 4, 5, 6, 7, 8) представляет число потоков данных, которые одновременно передаются, базовая матрица представляет матрицу, используемую для создания 4-битной кодовой книги предварительного кодирования для восьми передающих антенн.
Предложен способ для связи с множеством абонентских станций в базовой станции. Способ содержит передачу данных во множество базовых станций через антенную систему MIMO (множество входов множество выходов), используя 4-битную кодовую книгу предварительного кодирования для восьми передающих антенн, используемую для замкнутой однопользовательской схемы MIMO (SU-MIMO),
причем 4-битная кодовая книга предварительного кодирования для восьми передающих антенн задана, как
Базовая матрица
Индекс CW
Ранг 3
Ранг 4
Ранг 5
Ранг 6
Ранг 7
Ранг 8
W<sub>1</sub>
1
135
1537
12357
123567
1234567
12345678
2
246
2648
12468
124568
1234568
n/a
3
237
3726
23467
234678
1234678
n/a
4
148
4815
13458
134578
1234578
n/a
5
357
5372
23567
234567
2345678
n/a
6
468
6481
14568
134568
1345678
n/a
7
267
7264
24678
124678
1245678
n/a
8
158
8153
13578
123578
1235678
n/a
W<sub>2</sub>
9
123
1234
12345
123456
1234567
12345678
10
124
1246
12456
124567
1245678
n/a
11
234
2437
23478
123478
1234578
n/a
12
134
1348
13478
134678
1234678
n/a
13
578
3578
23578
235678
1235678
n/a
14
678
4678
14678
145678
1345678
n/a
15
576
5678
35678
345678
2345678
n/a
16
568
1568
13568
123568
1234568
n/a
причем индекс CW представляет индекс кодовой книги, ранг i (i=3, 4, 5, 6, 7, 8) представляет число потоков данных, которые одновременно передаются, базовая матрица представляет матрицу, используемую для создания 4-битной кодовой книги предварительного кодирования для восьми передающих антенн.
Прежде чем перейти к подробному описанию изобретения, представленному ниже, важно изложить определения для некоторых слов и словосочетаний, используемых по всему патентному документу: термины «включает в себя» и «содержит», а также их производные, означают включение без ограничения; термин «или» является инклюзивным и означает и/или; словосочетания «связан с» и «связан с этим …», а также их производные, могут означать «включает в себя», «быть включенным во», «взаимосвязан с», «содержит», «содержится в», «подсоединен к или соединен с», «связан с», «может осуществлять связь с», «совместно действует с», «перемежается», «помещаться рядом», «быть близким», «быть ограниченным», «имеет», «обладает свойством» или т.п.; а термин «контроллер» означает любое устройство, систему или ее часть, которая управляет по меньшей мере одной операцией, так что устройство может быть реализовано аппаратными средствами, программно-аппаратными средствами или программными средствами, либо некоторой комбинацией по меньшей мере из двух указанных средств. Следует заметить, что функциональные возможности, связанные с любым конкретным контроллером, могут быть централизованными или распределенными, будь то локально или дистанционно. Определения для некоторых слов и словосочетаний распространяются на весь этот патентный документ, причем специалисты в данной области техники должны понимать, что во многих, если не в большинстве случаев указанные определения применимы как к уже существующим вариантам, так и к будущим вариантам использования указанных определенных слов и словосочетаний.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ следует обратиться к последующему описанию вместе с сопроводительными чертежами, на которых одинаковые ссылочные позиции представляют одинаковые элементы:
Фиг.1 показывает примерную беспроводную сеть, способную декодировать потоки данных, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 показывает систему MIMO, способную декодировать потоки данных, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 показывает детали кодера MIMO с множеством кодовых слов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 показывает систему связи MIMO согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 показывает одноступенчатое комплексное преобразование Адамара (СН преобразование) на основе алфавита M-PSK согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 показывает двухступенчатое CH преобразование на основе алфавита M-PSK согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7 показывает обобщенное N-ступенчатое CH преобразование на основе алфавита M-PSK согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8 показывает первую кодовую книгу согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.9 показывает вторую кодовую книгу согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10 показывает третью кодовую книгу согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.11 показывает четвертую кодовую книгу согласно вариантам осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.12 и 13 показывают первое и второе присваивания поднаборов столбцов второй кодовой книги согласно вариантам настоящего изобретения.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Фиг.1-13, обсуждаемые ниже, и различные варианты осуществления изобретения, используемые для описания принципов настоящего изобретения, в этом патентном документе приведены лишь в иллюстративных целях, и их никоим образом не следует трактовать как ограничение объема изобретения. Специалистам в данной области техники очевидно, что принципы настоящего изобретения могут быть реализованы в любой походящим образом скомпонованной системе беспроводной связи.
Что касается последующего описания, заметим, что термин «узел В» проекта LTE является еще одним термином для «базовой станции», используемым ниже. Также, термин «пользовательское оборудование» или «UE» проекта LTE является еще одним термином для «абонентской станции», используемым ниже.
На фиг.1 показана примерная беспроводная сеть 100, способная декодировать потоки данных, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В показанном варианте осуществления беспроводная сеть 100 включает в себя базовую станцию (BS) 101, базовую станцию (BS) 102 и базовую станцию (BS) 103. Базовая станция 101 осуществляет связь с базовой станцией 102 и базовой станцией 103. Базовая станция 101 также осуществляет связь с сетью 130 протокола Интернет (IP), такой как Интернет, частная IP сеть или другая сеть передачи данных.
Базовая станция 102 обеспечивает беспроводной широкополосный доступ к IP сети 130 через базовую станцию 101 к первому множеству абонентских станций в зоне 120 покрытия базовой станции 102. Первое множество абонентских станций включает в себя абонентскую станцию (SS) 111, абонентскую станцию (SS) 112, абонентскую станцию (SS) 113, абонентскую станцию (SS) 114, абонентскую станцию (SS) 115 и абонентскую станцию (SS) 116. Абонентской станцией (SS) 111-116 может быть любое устройство беспроводной связи, такое как, но не только: мобильный телефон, мобильный PDA и любая мобильная станция (MS). В примерном варианте осуществления изобретения станция SS 111 может находиться в помещении предприятия малого бизнеса (SB), станция SS 112 может находиться на предприятии (Е), станция SS 113 может находиться в точке доступа WiFi (HS), станция SS 114 может находиться в первом жилом доме (R), станция SS 115 может находиться во втором жилом доме (R), а станция SS 116 может представлять собой мобильное (M) устройство.
Базовая станция обеспечивает беспроводной широкополосный доступ к IP сети 130 через базовую станцию 101 ко второму множеству абонентских станций в зоне 125 покрытия базовой станции 103. Второе множество абонентских станций включает в себя абонентскую станцию 115 и абонентскую станцию 116. В альтернативных вариантах осуществления базовые станции 102 и 103 могут быть подсоединены непосредственно к сети IP сети 130 через проводное широкополосное соединение, такое как оптическое волокно, цифровая абонентская линия (DSL), кабель или линия T1/E1, скорее чем опосредовано через базовую станцию 101.
В других вариантах осуществления изобретения базовая станция 101 может находиться на связи с меньшим или большим количеством базовых станций. Кроме того, хотя на фиг.1 показано только шесть абонентских станций, понятно, что беспроводная сеть 100 может обеспечить беспроводный широкополосный доступ более чем к шести абонентским станциям. Заметим, что абонентская станция 115 и абонентская станция 116 находятся у границы как зоны 120 покрытия, так и зоны 125 покрытия. Каждая из абонентских станций 115 и 116 осуществляет связь как с базовой станцией 102, так и с базовой станцией 103, и можно сказать, что она работает в режиме передачи обслуживания, известном специалистам в данной области техники.
В примерном варианте осуществления базовые станции 101-103 могут осуществлять связь друг с другом и с абонентскими станциями 111-116, используя сетевой стандарт IEEE-802.16 беспроводной городской вычислительной сети, такой как, например, стандарт IEEE-802.16e. Однако в другом варианте осуществления изобретения можно использовать другой беспроводной протокол, такой как, например, стандарт HIPERMAN беспроводной городской вычислительной сети. Базовая станция 101 может осуществлять связь с базовой станцией 102 и базовой станцией 103 в пределах линии прямой видимости или за ее пределами, в зависимости от технологии, используемой для беспроводного транзитного соединения. Каждая из базовых станций 102 и 103 может осуществлять связь вне пределов линии прямой видимости с абонентскими станциями 111-116, используя технологию OFDM и/или OFDMA.
Базовая станция 102 может предоставить услугу на уровне T1 для абонентской станции 112, связанной с предприятием, и частичную услугу на уровне T1 для абонентской станции 111, связанной с предприятием малого бизнеса. Базовая станция 102 может обеспечить беспроводное транзитное соединение для абонентской станции 113, связанной с точкой доступа WiFi, которая может находиться в аэропорту, кафе, отеле или общежитии колледжа. Базовая станция 102 может предоставить абонентским станциям 114, 115 и 116 услугу на уровне цифровой абонентской линии (DSL).
Абонентские станции 111-116 могут использовать широкополосный доступ к IP сети 130 для доступа к услугам передачи речи, данных, видео, видеотелеконференций и/или другим широкополосным услугам. В примерном варианте осуществления с точкой доступа (AP) сети WiFi WLAN могут быть связаны одна или несколько абонентских станций 111-116. Абонентской станцией 116 может быть любое из нескольких мобильных устройств, в том числе: компьютер типа «лэптоп» с функцией беспроводного соединения, персональный помощник для обработки данных, ноутбук, карманное устройство или иное устройство с функцией беспроводного соединения. Абонентскими станциями 114 и 115 могут быть, например, персональный компьютер, компьютер типа лэптоп, шлюз или другое устройство с функцией беспроводного соединения.
Пунктирными линиями показаны примерные границы зон 120 и 125 покрытия, которые, как показано, примерно соответствуют окружностям только в целях иллюстрации и объяснения. Следует ясно понимать, что зоны покрытия, связанные с базовыми станциями, например, зоны 120 и 125 покрытия, могут иметь другие формы, в том числе нестандартные формы, в зависимости от конфигурации базовых станций и изменений параметров среды радиосвязи, связанных с естественными и искусственными преградами.
Также зоны покрытия, связанные с базовыми станциями, не постоянны во времени и могут быть динамическими (расширяясь, сужаясь или изменяя свою форму) в результате измерения уровней мощности передачи базовой станции и/или абонентских станций, параметров внешней среды и других факторов. В одном варианте осуществления изобретения радиус зон покрытия базовых станций, например, зон 120 и 125 покрытия базовых станций 102 и 103, может находиться в диапазоне от менее 2 километров до примерно пятидесяти километров от базовых станций 102 и 103.
Как хорошо известно в данной области техники, в базовой станции, такой как базовая станция 101, 102 или 103, для поддержки множества секторов в зоне покрытия могут использоваться направленные антенны. На фиг.1 базовые станции 102 и 103 размещены в районе центра зон 120 и 125 покрытия соответственно. В других вариантах осуществления использование направленных антенн может расположить базовую станцию у края зоны покрытия, например, в вершине зоны покрытия, имеющей форму конуса или груши.
Соединение с IP сетью 130 от базовой станции 101 может содержать широкополосное соединение, например, оптоволоконную линию к серверам, расположенным в центральном офисе или другой действующей точке входа в сеть компании. Серверы могут обеспечивать связь с Интернет-шлюзом для передач на основе протокола Интернет (IP) и с шлюзом коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN) для передачи речи. В случае передачи речи по протоколу VoIP (передача речи по протоколу IP) трафик может направляться непосредственно на Интернет-шлюз вместо шлюза PSTN. Серверы, Интернет-шлюз и шлюз сети PSTN на фиг.1 не показаны. В другом варианте осуществления соединение с IP сетью 130 может быть обеспечено другими сетевыми узлами или оборудованием.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения одна или несколько базовых станций 101-103 и/или одна или несколько абонентских станций 111-116 содержит приемник, способный декодировать множество потоков данных, принимаемых в виде комбинированного потока данных от множества передающих антенн с использованием алгоритма на основе минимальной среднеквадратической ошибки с последовательным подавлением помех (MMSE-SIC). Как более подробно описано ниже, приемник способен определить порядок декодирования для потоков данных на основе показателя предсказания для декодирования (DPM) по каждому потоку данных, который вычисляют на основе характеристики потока данных, связанной с уровнем сигнала. Таким образом, в общем случае приемник способен декодировать в первую очередь поток данных с максимальным уровнем сигнала, затем следующий поток данных с максимальным уровнем сигнала и т.д. В результате повышается эффективность декодирования в приемнике по сравнению со случаем, когда приемник декодирует потоки данных в случайном или заранее установленном порядке, а также исключаются сложности, возникающие в случае, когда приемник исследует все возможные порядки декодирования для нахождения оптимального порядка.
На фиг.2 показана система MIMO 200, которая способна декодировать потоки данных, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Система MIMO 200 содержит передатчик 205 и приемник 210, которые способны осуществлять связь через беспроводной интерфейс 215.
Передатчик 205 содержит кодер MIMO 220 с множеством кодовых слов и множеством антенн 225, каждая из которых может передавать отличный от других поток 230 данных, создаваемый кодером MIMO 220 с множеством кодовых слов. Приемник 210 содержит блок 250 пространственной обработки и множество антенн 255, каждая из которых может принимать комбинированный поток 260 данных от множества источников, включающих в себя множество антенн 225 передатчика 205. Блок 250 пространственной обработки может декодировать комбинированный поток 260 данных, выделяя потоки 265 данных, по существу идентичных потокам 230 данных, передаваемых множеством антенн 225.
Блок 250 пространственной обработки способен декодировать потоки 265 данных из комбинированного потока 260 данных, используя процедуру MMSE-SIC, которая выбирает порядок декодирования потоков 265 данных на основе DPM для каждого потока 265 данных. Показатель DPM для каждого потока 265 данных базируется на характеристике, относящейся к уровню сигнала и связанной с потоком 265 данных. Таким образом, показатель DPM может базироваться, например, на пропускной способности канала, связанного с потоком 265 данных, отношении эффективного сигнала к помехам плюс шуму (SINR) для потока 265 данных и/или на любой другой подходящей характеристике, относящейся к уровню сигнала. Используя указанный процесс для декодирования, приемник 210 способен обеспечить лучшие рабочие характеристики, чем приемник, который декодирует потоки в случайном порядке, а также исключить сложности, имеющие место, когда приемник ищет все возможные порядки декодирования для нахождения оптимального порядка декодирования.
На фиг.3 показаны детали кодера MIMO 220 с множеством кодовых слов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления кодер MIMO 220 с множеством кодовых слов содержит демультиплексор 305, множество блоков 310а-b контроля с помощью избыточного циклического кода (CRC), множество кодеров 315а-b, множество модуляторов 320а-b и прекодер 325. Кодер MIMO 220 с множеством кодовых слов может принимать информационный блок и создавать потоки 230а-b данных на основе информационного блока для передачи через антенны 225а-b. Хотя в приведенном в качестве иллюстрации варианте осуществления показано два набора компонент 310а-b, 315а-b и 320а-b для создания двух потоков 230а-b для передачи двумя антеннами 225а-b, понятно, что кодер MIMO 220 с множеством кодовых слов может содержать любое подходящее количество наборов компонент 310а-b, 315а-b и 320а-b на основе любого подходящего количества создаваемых потоков 230а-b.
Демультиплексор 305 может демультиплексировать информационный блок на множество более мелких информационных блоков или потоков 340а-b. Каждый из блоков CRC 310а-b функционирует с возможностью добавить данные CRC к демультиплексированному потоку 340а-b. После добавления данных CRC кодеры 315а-b могут кодировать потоки 340а-b, а модулятор 320а-b может соответственно модулировать кодированные потоки 340а-b. После кодирования и модуляции результирующие потоки, которые эквивалентны потокам 230а-b данных, обрабатываются с помощью алгоритма в прекодере 325 предварительного кодирования и передаются от отдельных антенн 225а-b.
Для каждого из потоков 340а-b в кодере MIMO 220 с множеством кодовых слов можно использовать разную модуляцию и кодирование. То есть, кодер 315а, например, может выполнить кодирование, отличное от кодера 315b, а модулятор 320а может выполнить модуляцию, отличную от модулятора 320b. При использовании передачи с множеством кодовых слов можно, но не обязательно, выполнять проверку CRC по каждому из кодовых слов, прежде чем кодовое слово будет удалено из общего сигнала в приемнике 210. При выполнении указанной проверки можно избежать распространения помех в процессе удаления, если обеспечить удаление только правильно принятых кодовых слов.
Прекодер 325 используют для многоуровневого формирования луча с целью максимизации пропускной способности системы с множеством приемных антенн. Множество потоков сигналов излучается передающими антеннами с использованием подходящих независимых весовых коэффициентов для каждой антенны, с тем чтобы обеспечить максимум пропускной способности линии связи на выходе приемника. Процесс предварительного кодирования для схемы MIMO с множеством кодовых слов можно подразделить на два типа: линейное предварительное кодирование и нелинейное предварительное кодирование. Подходы на основе линейного предварительного кодирования могут обеспечить значительную пропускную способность при относительно низкой сложности, присущей подходам на основе нелинейного предварительного кодирования. Линейное предварительное кодирование включает в себя унитарное предварительное кодирование и предварительное кодирование с обращением в нуль незначащих коэффициентов (далее «ZF»). Нелинейное предварительное кодирование может обеспечить пропускную способность, близкую к оптимальной, за счет повышения сложности. Нелинейное предварительное кодирование разработано на основе концепции «кодирования «грязного» документа» («dirty paper coding», далее «DPC»), из которой следует, что любую известную помеху в передатчике можно вычесть без затрат радиоресурсов, если можно применить схему оптимального предварительного кодирования для сигнала передачи. Предварительное кодирование можно реализовать через вычислительный процесс умножения матрицы, включающей в себя множество пространственных лучей, на вектор, соответствующий сигнальному пакету.
На фиг.4 показана система связи MIMO согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления системы 400 связи MIMO, показанный на фиг.4, приведен только в качестве иллюстрации. Можно использовать другие варианты осуществления системы 400 связи MIMO, не выходя за рамки объема настоящего изобретения.
Система 400 связи MIMO (система MIMO) включает в себя передатчик 205 и множество абонентских станций SS 116a-116n. Система MIMO 400 сконфигурирована для передачи сигнального пакета 410 на любую из множества абонентских станций SS1 116a-SSn 116n. Сигнальный пакет 410 передается, например, на станцию SS1 116a через кодер 220 в передатчике 205 и множество антенн 225а-225h.
Кодер 220 (например, в прекодере 325) умножает матрицу, включающую в себя множество пространственных лучей, на вектор, соответствующий сигнальному пакету 410. Каждый из пространственных лучей может соответствовать пространственному направлению, и передаваться от базовой станции на каждую из абонентских станций SS1 116a-SSn 116n. В однопользовательских системах SU-MIMO кодер 220 определяет количество потоков данных, переданных на любую из множества абонентских станций SS1 116a-SSn 116n. Например, каждый вектор может соответствовать потоку данных, переданному на станцию SS1 116a.
Генератор 420 кодовой книги в кодере 220 создает матрицу (также называемую матрицей прекодера и матрицей предварительного кодирования), подлежащую умножению с помощью кодера 220. Количество строк или столбцов матрицы, подлежащей умножению кодером 220, может быть определено количеством передающих антенн 225 на базовой станции 102. Таким образом, при использовании передатчиком 205 восьми передающих антенн 225а-225h матрица может иметь восемь строк. При использовании восьми передающих антенн 225а-225h в сигнальном пакете 410 может одновременно передаваться максимум восемь потоков данных. Количество передаваемых потоков данных может регулироваться от одного (1) до восьми (8) в зависимости от состояния среды связи. Регулируемое количество одновременно передаваемых потоков данных называется рангом передачи. Кроме того, при использовании станцией SS 116 (например, SS1 116a) восьми приемных антенн матрица может иметь восемь столбцов.
Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают конфигурацию множества абонентских станций SS1 116a-SSn 116n, которая обеспечивает вычисление характеристики канала связи с использованием пилот-сигнала. Абонентская станция (например, SS1 116a) передает информацию о вычисленной характеристике канала связи на базовую станцию 102 для определения матрицы на основе переданной информации.
11
12
Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают возможность использования кодового слова для представления элементов (например, позиций строк и столбцов) в матрице H. Каждое кодовое слово представляет собой последовательность символов, собранных в соответствии с конкретными правилами данного кода с присвоенным уникальным значением. Соответственно, первое кодовое слово соответствует первому элементу h, второе кодовое слово соответствует второму элементу h и т.д.
Для достижения максимального положительного эффекта (например, улучшенного разнесения и коэффициента мультиплексирования) при использовании антенн MIMO в некоторых вариантах осуществления изобретения обеспечивается разнесение антенн 225а-225h по меньшей мере на половину длины волны (0,5λ) на множестве абонентских станций SS1 116а-SSn 116n и разнесения антенн 225а-225р по меньшей мере на удесятеренную длину волны (10λ) на базовой станции. Для существенного уменьшения необходимого физического пространства используют антенны с двойной поляризацией. Близко расположенные антенные системы с двойной поляризацией являются альтернативой современным антенным системам MIMO с точки зрения эффективности стоимость-пространство. В указанных вариантах осуществления разработанная 8 ТХ кодовая книга обеспечивает приемлемую эффективность использования спектра антеннами с двойной поляризацией.
12
12
В некоторых вариантах осуществления разработана кодовая книга с постоянным модулем (CM). Постоянный модуль имеет место, когда элементы в одном ранге матрицы равны соответствующим элементам в других рангах матрицы. Например, элемент h ранга 1 равен элементу hранга 2. Свойство CM как основа кодовой книги обеспечивает баланс усилителя мощности (PA). При ограничении, связанном с модулем CM, структура кодовой книги соответствует исполнению прекодеров передачи с одинаковым усилением.
В некоторых вариантах осуществления для повышения эффективности использования спектра для пользователей с низкой геометрией используют ранговую адаптацию. В указанных вариантах осуществления кодовую книгу формируют таким образом, чтобы она имела свойство вложения. Свойство вложения имеет место при многократном использовании всех кодовых слов низких рангов для построения кодовых слов более высоких рангов. Свойство вложения уменьшает сложность вычисления индикатора качества канала (CQI) при выполнении ранговой адаптации.
Элементы матрицы кодовых слов выбирают из алфавита восьмеричной фазовой манипуляции (8-PSK):
Выбор элементов из алфавита 8-PSK позволяет избежать необходимости выполнения матричного умножения при вычислении индикатора CQI.
В некоторых вариантах осуществления используют систематическое создание. При систематическом создании кодовое слово большой размерности создают на основе генерирующего вектора или матрицы меньшей размерности. Систематическое создание снижает требования к памяти для хранения генерирующих векторов и матриц и сокращает физические размеры системы, необходимой для создания кодового слова. В стандарте 3GPP LTE кодовое слово размерности 4TX создают на основе отражения Хаусхолдера при заданных генерирующих векторах одинаковой размерности. Следовательно, для хранения 64 записей 16 генерирующих векторов потребуется большой объем памяти. В вариантах осуществления настоящего изобретения требуется хранить только 16 записей четырех (4) генерирующих матриц независимо от количества используемых антенн.
В одном варианте осуществления методику систематического формирования кодовой книги используют для ограниченного алфавита M-PSK и для 2-мерных антенн. Для алфавита M-PSK набор матриц преобразований определяется уравнениями 1 и 2, приведенными ниже:
,
где (Уравнение 1)
(Уравнение 2)
i
i
В выражениях 1 и 2  обозначает набор матриц преобразования для алфавита M-PSK, и T включенный в  обозначает унитарную матрицу 2 на 2 (2×2). T используют для преобразования порождающей матрицы, которую используют для построения матрицы более высокой размерности. При заданном наборе матриц преобразований
для M-PSK, ряд комплексных преобразований Адамара (CH) можно определить следующим образом. Для любых двух порождающих матриц,
И
где
обозначает матричное пространство размерности m×n, чьи столбцы ортогональны друг другу, одноступенчатое преобразование определяется представленным ниже уравнением 3:
[Уравнение 3]
i
1
2
1
2
В уравнении 3 H(V, V) одноступенчатое СН-преобразование итоговых матриц V и V обозначает матрицу идентичности размерности m
обозначает произведение Кронекера, а нижний индекс в результирующей матрице одноступенчатого СН-преобразования
обозначает количество ступеней преобразования.
На фиг.5 показано одноступенчатое CH преобразование 500 на основе алфавита M-PSK согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Когда i=1, одноступенчатое CH преобразование 500 эквивалентно действительному преобразованию Адамара. При использовании одноступенчатого СН-преобразования 500 создается матрица 2m×2n с ортогональными столбцами.
На фиг.6 показано двухступенчатое CH преобразование 600 на основе алфавита M-PSK согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления используют двухступенчатое комплексное преобразование 600 Адамара. При любой заданной порождающей матрице
и
двухступенчатое комплексное преобразование 600 Адамара определяется приведенным ниже уравнением 4:
[Уравнение 4]
i,j,k
1
2
3
4
1
2
3
4
В уравнении 4, H(V, V, V, V) обозначает итоговые матрицы V, V, V и V, двухступенчатого СН-преобразования 1 ≤ i, k, l ≤ M/2, и результирующая матрица двухступенчатого СН-преобразования
образует матрицу 4m×4n с ортогональными столбцами.
Расширение такого типа можно выполнить с N-ступенчатыми преобразованиями для построения матрицы Nm×Nn путем рекурсивного применения упомянутых преобразований. На фиг.7 показано обобщенное N-ступенчатое CH преобразование 700 на основе алфавита M-PSK согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Соответственно, если элементы для порождающей матрицы
выбирают из набора алфавитов M-PSK, то тогда для создания набора матриц Nm×Nn с элементами M-PSK можно использовать уравнение 4. Вдобавок, набор порождающих матриц с алфавитами M-PSK может быть определен путем ограничения
в
N
N
(то есть, ). Тогда N-ступенчатое комплексное преобразование 700 Адамара, определенное для алфавита M-PSK, порождает набор унитарных матриц 2×2 с алфавитами M-PSK. Результирующая унитарная матрица содержит вращение блочно-диагональной матрицы. Это вращение обеспечивает хороший показатель согласования канала с антеннами с двойной поляризацией, если задан подходящим образом выбранный поднабор столбцов для передач другого ранга.
В других дополнительных вариантах осуществления изобретения с использованием уравнения 4 можно построить матрицу DFT (дискретное преобразование Фурье). Для построения матрицы DFT выполняют простую перестановку столбцов. Например, может быть построена 4-мерная DFT матрица с одноступенчатым преобразованием, как показано в уравнениях 5 и 6, приведенных ниже:
[Уравнение 5]
4
В уравнении 5 P обозначает матрицу с переставленными столбцами:
[Уравнение 6]
Также можно построить 8-мерную DFT матрицу с двухступенчатыми преобразованиями, используя уравнение 7, приведенное ниже:
[Уравнение 7]
8
В уравнении 7 P обозначает матрицу с переставленными столбцами:
[Уравнение 8]
Поскольку эффект от матрицы с переставленными столбцами может уложиться в стратегию построения поднабора столбцов базовой матрицы, созданная кодовая книга может включать в себя в качестве базовой матрицы DFT матрицу.
В другом варианте осуществления создается 4-битная кодовая книга 4 TX с алфавитом 8-PSK с использованием вышеупомянутого способа построения унитарных матриц. При заданном свойстве вложения с ранговой адаптацией генератор 420 кодовой книги формирует прекодер передачи в виде поднабора столбцов унитарной матрицы 4×4. Генератор 420 кодовой книги для создания базовых матриц 4×4 использует одноступенчатое комплексное преобразование 500 Адамара. В таком варианте осуществления переопределяют одноступенчатое комплексное преобразование 500 Адамара в виде уравнения 9, представленного ниже:
[Уравнение 9]
m1
m2
В уравнении 9 порождающие матрицы T и T выбирают в
8
Г
Кроме того, m1 и m2 обозначают индекс порождающей матрицы. В Таблицу 1 сведены четыре (4) матрицы передачи и порождающие матрицы для алфавита 8-PSK.
<img file="00000025.tif" he="83" wi="117" img-content="undefined" img-format="tif" />Таблица 2
Базовая матрица
Индекс CW
Ранг1
Ранг2
Ранг3
Ранг4
_<img file="00000026.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
<b>W</b>l(:, 1)
<b>W</b>l(:, 1 3)
<b>W</b>l(:, 1 2 3)
<b>W</b>l(:, 1 2 3 4)
2
<b>W</b>l(:, 2)
<b>W</b>l(:, 1 4)
<b>W</b>l(:, 1 3 4)
<b>W</b>2(:, 1 2 3 4)
3
<b>W</b>l(:, 3)
<b>W</b>l(:, 2 3)
<b>W</b>l(:, 2 3 4)
<b>W</b>3(:, 1 2 3 4)
4
<b>W</b>l(:, 4)
<b>W</b>l(:, 2 4)
<b>W</b>l(:, 1 2 4)
<b>W</b>4(:, 1 2 3 4)
<img file="00000027.tif" he="6" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
5
<b>W</b>2(:, 1)
<b>W</b>l(:, 1 2)
<b>W</b>2(:, 1 2 3)
n/a
6
<b>W</b>2(:, 2)
<b>W</b>2(:, 1 3)
<b>W</b>2(:, 1 3 4)
n/a
7
<b>W</b>2(:, 3)
<b>W</b>2(:, 1 4)
<b>W</b>2(:, 2 3 4)
n/a
8
<b>W</b>2(:, 4)
<b>W</b>2(:, 2 3)
<b>W</b>2(:, 1 2 4)
n/a
<img file="00000028.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
9
<b>W</b>3(:, 1)
<b>W</b>2(:, 2 4)
<b>W</b>3(:, 1 2 3)
n/a
10
<b>W</b>3(:, 2)
<b>W</b>2(:, 1 2)
<b>W</b>3(:, 1 3 4)
n/a
11
<b>W</b>3(:, 3)
<b>W</b>3(:, 1 4)
<b>W</b>3(:, 2 3 4)
n/a
12
<b>W</b>3(:, 4)
<b>W</b>3(:, 1 2)
<b>W</b>3(:, 1 2 4)
n/a
<img file="00000029.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
13
<b>W</b>4(:, 1)
<b>W</b>3(:, 2 3)
<b>W</b>4(:, 1 2 3)
n/a
14
<b>W</b>4(:, 2)
<b>W</b>4(:, 2 3)
<b>W</b>4(:, 1 3 4)
n/a
15
<b>W</b>4(:, 3)
<b>W</b>4(:, 3 4)
<b>W</b>4(:, 2 3 4)
n/a
16
<b>W</b>4(:, 4)
<b>W</b>4(:, 2 3)
<b>W</b>4(:, 1 2 4)
n/a
Элементы четырех базовых матриц задаются уравнениями 10, 11, 12 и 13, приведенными ниже:
[Уравнение 10]
[Уравнение 11]
[Уравнение 12]
[Уравнение 13]
1
2
3
4
Набор созданных базовых матриц состоит из четырех матриц W, W, W и W. Среди шестидесяти четырех (64) элементов всех базовых матриц сорок восемь (48) элементов представляют собой алфавиты квадратурной фазовой манипуляции (QPSK),
а шестнадцать (16) элементов являются
i
i
1
2
3
4
алфавитами. Что касается затрат на вычисление индикатора CQI, то кодовая книга вычисляет величину HF (для i=1, …, 16) для ранга один, где F обозначает матрицу предварительного кодирования, а H обозначает канальную матрицу. Предварительно вычисленные значения повторно используют для других рангов. Указанное вычисление возможно, поскольку все кодовые слова более низких рангов повторно используются для построения кодовых слов более высоких рангов, причем 4-битные кодовые слова ранга один (ранг 1) выбирают в четырех базовых матрицах W, W, W и W размерностью 4×4.
В другом варианте осуществления с использованием вышеописанного способа построения унитарных матриц создается 4-битная кодовая книга 8 TX с алфавитом 8-PSK. Также при заданном свойстве вложения с ранговой адаптацией генератор 420 кодовой книги формирует прекодер 325 передачи 8 TX в виде поднабора столбцов унитарной базовой матрицы. Для случая 8 TX генератор 420 кодовой книги для создания набора базовых матриц восемь на восемь (8×8) использует двухступенчатое комплексное преобразование 600 Адамара. Для иллюстрации двухступенчатое преобразование 600 переопределено ниже в уравнении 14:
[Уравнение 14]
На фиг.8 показана первая кодовая книга согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Первая кодовая книга (кодовая книга 1) 800 представляет собой 4-битную кодовую книгу 8 TX. Генератор 420 кодовой книги формирует кодовую книгу 1 800 на основе двух базовых матриц 8×8. Кодовая книга 1 800 предназначена для 8 TX (SP) антенн с одинарной поляризацией. Генератор 420 кодовой книги формирует кодовую книгу 1 800, так что кодовая книга 1 800 включает в себя минимальное количество базовых матриц, то есть, две базовые матрицы. Отображение из базовой матрицы в кодовое слово детально показано на фиг.8.
Элементы двух базовых матриц задаются уравнениями 15 и 16, приведенными ниже:
[Уравнение 15]
[Уравнение 16]
i
i
i
Кодовая книга 1 800 включает в себя алфавит QPSK, причем кодовые слова извлекают из двух унитарных базовых матриц 8×8. Эти базовые матрицы создают с использованием двухступенчатых комплексных преобразований 600 Адамара. Что касается вычисления индикатора CQI, то кодовая книга вычисляет величину HF (для i=1, …,16) для прекодера F ранга 1, где F обозначает матрицу предварительного кодирования, а H обозначает канальную матрицу. Предварительно вычисленные значения повторно используют для других рангов.
На фиг.9 показана вторая кодовая книга согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Вторая кодовая книга (кодовая книга 2) 900 представляет собой 4-битную кодовую книгу 8 TX. Генератор 420 кодовой книги формирует кодовую книгу 2 900 на основе двух базовых матриц 8×8. Кодовая книга 2 900 предназначена для 8 TX антенн с двойной поляризацией. Генератор 420 кодовой книги формирует кодовую книгу 2 900, так что кодовая книга 2 900 включает в себя минимальное количество базовых матриц, то есть две базовые матрицы 8×8. Отображение из двух базовых матриц 8×8 в кодовое слово показано на фиг.9.
Записи двух базовых матриц 8×8 задаются уравнениями 17 и 18, приведенными ниже:
[Уравнение 17]
[Уравнение 18]
1
2
Кодовая книга 2 900 включает в себя алфавит 8-PSK. Среди ста двадцати восьми (128) элементов двух базовых матриц W и W восемьдесят (80) элементов представляют собой
а сорок восемь (48) элементов представляют собой
i
i
i
Что касается вычисления индикатора CQI, то кодовая книга вычисляет величину HF (для i=1, …,16) для прекодера F ранга 1, где F обозначает матрицу предварительного кодирования, а H обозначает канальную матрицу. Предварительно вычисленные значения повторно используют для других рангов.
На фиг.10 показана третья кодовая книга согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Третья кодовая книга (кодовая книга 3) 1000 представляет собой 4-битную кодовую книгу 8 TX. Генератор 420 кодовой книги формирует кодовую книгу 3 1000 из четырех базовых матриц 8×8. Кодовая книга 3 1000 предназначена для работы как с конфигурациями антенн типа SP, так и с конфигурациями антенн типа DP. Кодовые слова выбирают из столбцов четырех матриц 8×8. Отображение из четырех базовых матриц 8×8 в кодовое слово показано на фиг.10.
1
2,
3
4
Кодовая книга 3 1000 включает в себя алфавит 8-PSK. Среди двухсот пятидесяти шести (256) элементов четырех базовых матриц W, WW и W сто девяносто два (192) элемента представляют собой
а шестьдесят четыре (64) элемента представляют собой
i
i
i
Что касается вычисления индикатора CQI, то кодовая книга 3 1000 вычисляет величину HF (для i=1, …, 16) для прекодера F ранга 2, где F обозначает матрицу предварительного кодирования, а H обозначает канальную матрицу. Предварительно вычисленные значения повторно используют для других рангов.
На фиг.11 показана четвертая кодовая книга согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Четвертая кодовая книга (кодовая книга 4) 1100 представляет собой 4-битную кодовую книгу 8 TX. Генератор 420 кодовой книги формирует Кодовую книгу 4 1100 из восьми базовых матриц 8×8. Кодовая книга 4 1100 предназначена для работы как с конфигурациями антенн типа SP, так и с конфигурациями антенн типа DP. Кодовые слова выбирают из столбцов восьми матриц 8×8. Отображение из восьми базовых матриц 8×8 в кодовое слово показано на фиг.11.
1
2,
3,
4,
5
6,
7
8
Кодовая книга 4 1100 состоит из алфавита 8-PSK. Среди пятисот двенадцати (512) элементов восьми базовых матриц 8×8 W, WW W W, WWи W двести восемьдесят восемь (288) элементов представляют собой
,
а двести двадцать четыре (224) элемента представляют собой
1
На фиг.12 и 13 показаны первая и вторая версии присваивания поднаборов столбцов кодовой книги 2 900 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Первую базовую матрицу кодовой книги 2 900 создают с использованием одноступенчатого CH преобразования 500. При использовании встроенной структуры CH преобразования генератор 420 кодовой книги создает возможные варианты базовой матрицы, включающие в себя алфавиты 8-PSK, путем вращения матрицы W. Эти возможные варианты базовой матрицы образуют подходящий набор W, определенный уравнением 19
[Уравнение 19]
Размер подходящего набора W составляет P+1. Этот подходящий набор W указывает набор, где целевые функции (то есть, критерий минимального расстояния по хорде и/или критерий матричного совокупного отклика) оптимизированы таким образом, что создается оптимальный набор базовых матриц. Структура матрицы вращения ограничивается матрицей Θi построчного вращения, чтобы поддерживать алфавит 8-PSK. Это показано в приведенном ниже уравнении 20:
[Уравнение 20]
ij
ij
В уравнении 20 n={1, 2, …, 8}. При этой структуре создание всего подходящего набора со всеми возможными комбинациями n приводит к большому пространству поиска. С учетом структуры CH преобразования размер подходящего набора может быть уменьшен.
В некоторых вариантах осуществления генератор 420 кодовой книги сконфигурирован для использования матричной структуры построчного вращения на основе структуры CH преобразования. Уравнения 21, 22 и 23 определяют три частных матрицы вращения.
[Уравнение 21]
[Уравнение 22]
[Уравнение 23]
ij
В уравнениях 21, 22 и 23 k={1,2, …, 8}. Затем определяют построчное вращение
i
Θ
в виде композиции трех частных матриц вращения, как показано в уравнениях 24 и 25.
[Уравнение 24]
[Уравнение 25]
i1
i2
i3
Таким образом, для комбинации k, k и k получают матрицу вращения с уменьшенным пространством поиска. На основе создания подходящего набора и поиска оптимальной базовой матрицы генератор 420 кодовой книги конфигурируется для определения набора оптимальных 4-битных базовых матриц 8 TX, которые определяются уравнениями 26 и 27, показанными ниже:
[Уравнение 26]
[Уравнение 27]
1
2
3
В уравнениях 26 и 27 k=2, k=1 и k=0.
Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают методику создания кодовой книги, а также кодировочные книги, подлежащие использованию в замкнутых системах SU-MIMO (4 TX и 8 TX) на основе предварительного кодирования в стандартах 3GPP LTE Advanced и IEEE 802.16m. Варианты осуществления настоящего изобретения легко вписываются в стандарты 3GPP LTE Advanced и IEEE 802.16m и будущие версии этих стандартов.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на примерный вариант его осуществления, специалисты в данной области техники могут предложить различные изменения и модификации. Предполагается, что настоящее изобретение охватывает такие изменения и модификации как входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.