Патент на изобретение №2331984

(54) ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КОДИРОВАНИЕ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА В СИСТЕМЕ СВЯЗИ С МНОЖЕСТВОМ АНТЕНН

(57) Реферат:

Изобретение относится к передаче данных в системе связи. Техническим результатом является пространственное кодирование с расширением спектра в системе связи с множеством антенн. Пространственное кодирование с расширением спектра выполняется в системе с множеством антенн для рандомизации «действующего» канала, отслеживаемого принимающим объектом, для каждого переданного блока символов данных, на передающем объекте, данные обрабатываются для получения N_D блоков символов данных, которые должны быть переданы в N_M интервалах передачи, где N_D1 и N_M>1, N_D блоков разделяются на N_M субблоков символов данных, по одному субблоку для каждого интервала передачи, для каждого субблока выбирается управляющая матрица, каждый субблок символов данных пространственно обрабатывается с помощью управляющей матрицы, выбранной для этого субблока для получения символов передачи, которые дополнительно обрабатываются и передаются через N_T передающих антенн в одном интервале передачи, таким образом N_D блоков символов данных пространственно обрабатываются с помощью N_M управляющих матриц и соответствуют ансамблю каналов. 5 н. и 49 з.п. ф-лы, 7 ил.

Притязание на приоритет по §119 раздела 35 кодекса законов США

Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки № 60/531021, озаглавленной «Pseudo-Random Transmit Steering in a Multi-Antenna Communication System» («Псевдослучайное управление диаграммой направленности передачи в системе связи с множеством антенн»), зарегистрированной 17 декабря 2003 года, переуступленной ее правопреемнику и включенной в материалы настоящей заявки посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к передаче данных, более конкретно к способам передачи данных в многоантенной системе связи.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Система связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO) использует множество (N_T) передающих антенн на передающем объекте и множество (N_R) приемных антенн на принимающем объекте для передачи данных и обозначается как (N_T, N_R)-система. Канал MIMO, образованный N_T передающими антеннами и N_R приемными антеннами, может быть разложен на N_S пространственных каналов, где N_S < min{N_T, N_R}. N_S пространственных каналов могут использоваться для передачи данных таким образом, чтобы достичь большей надежности и/или более высокой общей пропускной способности для системы.

N_S пространственных каналов канала MIMO могут испытывать различные канальные условия (например, разные влияния замирания, многолучевого распространения и перекрестных помех) и могут достигать различных отношений сигнала к шуму и помехе (SNR). SNR пространственного канала определяет его пропускную способность, которая, в типичном случае, количественно определяется конкретной скоростью передачи данных, которые могут быть надежно переданы по пространственному каналу. Для изменяющегося во времени канала MIMO канальные условия изменяются со временем, а также со временем изменяется SNR каждого пространственного канала. Чтобы максимизировать пропускную способность, система MIMO может использовать некоторую форму обратной связи, посредством чего принимающий объект оценивает пространственные каналы и предоставляет информацию обратной связи, указывающую пропускную способность каждого пространственного канала. Передающий объект мог бы, в таком случае, настраивать передачу данных по пространственным каналам на основании информации обратной связи.

Однако эта информация обратной связи может быть недоступна по разным причинам. Например, система MIMO может не поддерживать передачу обратной связи от принимающего объекта. В качестве еще одного примера, канал MIMO может изменяться быстрее, чем частота, с которой принимающий объект может оценивать канал и/или отправлять информацию обратной связи. В любом случае, если на передающем объекте неизвестны канальные условия, то ему необходимо передавать данные на очень низкой скорости, с тем чтобы передача данных могла быть надежно декодирована принимающим объектом даже при наихудших канальных условиях. Эффективность такой системы, в таком случае, определялась бы наихудшими ожидаемыми канальными условиями.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из вариантов осуществления описан способ обработки передачи данных в системе беспроводной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO), в котором данные обрабатываются для получения, по меньшей мере, одного блока символов данных. Выполняется пространственная обработка, по меньшей мере, одного блока символов данных с помощью множества управляющих матриц (управляющих диаграммой направленности антенн) для получения множества последовательностей символов передачи для множества передающих антенн, при этом множество управляющих матриц рандомизируют действующий канал MIMO, отслеживаемый принимающим объектом, по меньшей мере, для одного блока символов данных.

В еще одном варианте осуществления описано устройство в системе беспроводной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащее процессор данных для обработки данных для получения, по меньшей мере, одного блока символов данных и пространственный процессор для выполнения пространственной обработки, по меньшей мере, одного блока символов данных с помощью множества управляющих матриц для получения множества последовательностей символов передачи для множества передающих антенн, при этом множество управляющих матриц рандомизируют действующий канал MIMO, отслеживаемый принимающим объектом, по меньшей мере для одного блока символов данных.

В еще одном варианте осуществления описано устройство в системе беспроводной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащее средство для обработки данных для получения, по меньшей мере, одного блока символов данных и средство для выполнения пространственной обработки, по меньшей мере, одного блока символов данных с помощью множества управляющих матриц для получения множества последовательностей символов передачи для множества передающих антенн, при этом множество управляющих матриц рандомизируют действующий канал MIMO, отслеживаемый принимающим объектом, по меньшей мере, для одного блока символов данных.

В еще одном варианте осуществления описан способ обработки данных для передачи в системе беспроводной связи со множеством входов и одним выходом (MISO), в котором обрабатываются данные для получения блока символов данных. Выполняется пространственная обработка блока символов данных с помощью множества управляющих векторов для получения множества последовательностей символов передачи для множества передающих антенн, при этом множество управляющих векторов рандомизируют действующий канал MISO, отслеживаемый принимающим объектом, для получения блока символов данных.

В еще одном варианте осуществления описан способ приема передачи данных в системе беспроводной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO), при котором получают принятые символы данных, по меньшей мере, для одного блока символов данных, пространственно обработанных с помощью множества управляющих матриц перед передачей через канал MIMO. Получают оценку характеристики канала для действующего канала MIMO, сформированного каналом MIMO и множеством управляющих матриц. Выполняют в приемнике пространственную обработку принятых символов данных с помощью оценки характеристики канала для получения оценок символов данных, по меньшей мере, для одного блока символов данных.

В еще одном варианте осуществления описано устройство в системе беспроводной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащее множество модулей приемника для получения принятых символов данных, по меньшей мере, для одного блока символов данных, пространственно обработанных с помощью множества управляющих матриц перед передачей через канал MIMO, блок оценки канала для получения оценки характеристики канала для действующего канала MIMO, сформированного каналом MIMO и множеством управляющих матриц, и пространственный процессор для выполнения в приемнике пространственной обработки принятых символов данных с помощью оценки характеристики канала для получения оценок символов данных, по меньшей мере, для одного блока символов данных.

В еще одном варианте осуществления описано устройство в системе беспроводной связи со множеством входов и множеством выходов (MIMO), содержащее средство для получения принятых символов данных, по меньшей мере, для одного блока символов данных, пространственно обработанных с помощью множества управляющих матриц перед передачей через канал MIMO, средство для получения оценки характеристики канала для действующего канала MIMO, сформированного каналом MIMO и множеством управляющих матриц, и средство для выполнения в приемнике пространственной обработки принятых символов данных с помощью оценки характеристики канала для получения оценок символов данных, по меньшей мере, для одного блока символов данных.

В еще одном варианте осуществления описан способ приема передачи данных в системе беспроводной связи со множеством входов и одним выходом (MISO), при котором получают принятые символы данных для блока символов данных, пространственно обработанных при помощи множества управляющих векторов перед передачей через канал MISO. Получают оценку характеристики канала для действующего канала MISO, сформированного каналом MISO и множеством управляющих векторов, и с помощью оценки характеристики канала выполняют детектирование принятых символов данных для получения оценки символов данных для блока символов данных.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 – последовательность операций передачи данных пространственным кодированием с расширением спектра.

Фиг.2 – последовательность операций приема данных пространственным кодированием с расширением спектра.

Фиг.3 – передающий объект и принимающий объект в системе MIMO.

Фиг.4 – модули обработки в передающем объекте.

Фиг.5 – модули обработки в принимающем объекте.

Фиг.6 – последовательность операций для формирования набора управляющих матриц, используемых для пространственного кодирования с расширением спектра.

Фиг.7 – графики общей спектральной эффективности, достигнутой для системы MIMO 4×4.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Слово «примерный» используется в материалах настоящей заявки в смысле «служащий в качестве примера, экземпляра или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный в материалах настоящей заявки как «примерный», не должен быть обязательно истолкован в качестве предпочтительного или преимущественного над другими вариантами осуществления.

В материалах настоящей заявки описаны способы выполнения пространственного кодирования с расширением спектра в системе связи с множеством антенн. Система связи с множеством антенн может быть системой MIMO или системой со множеством входов и одним выходом (MISO). Пространственное кодирование с расширением спектра относится к передаче символа данных (который является символом модуляции для данных) одновременно множеством передающих антенн, возможно, с разными амплитудами и/или фазами, определяемыми управляющим вектором, используемым для такого символа данных. Пространственное кодирование с расширением спектра также может определяться как управление диаграммой направленности передачи, псевдослучайное управление диаграммой направленности передачи, разнесение при управлении, матричное псевдослучайное управление диаграммой направленности, векторное псевдослучайное управление диаграммой направленности и так далее. Способы пространственной обработки могут рандомизировать «действующий» канал MIMO или MISO, отслеживаемый принимающим объектом для каждого блока символов данных, переданного передающим объектом, так что эффективность системы не определяется наихудшими канальными условиями.

В варианте осуществления для передачи данных, с помощью пространственного кодирования с расширением спектра в системе MIMO, передающий объект обрабатывает (например, кодирует и перемежает) данные для N_D потоков данных и формирует N_D блоков кодированных данных, где N_D 1. Блок кодированных данных также может определяться как кодовый блок или пакет кодированных данных. Каждый кодовый блок отдельно кодируется в передающем объекте и отдельно декодируется в принимающем объекте. Каждый кодовый блок является символом, преобразованным для получения соответствующего блока символов данных. N_D блоков символов данных для N_D кодовых блоков разделяются на N_M субблоков символов данных для передачи в N_M интервалах передачи, по одному субблоку в каждом интервале передачи, где N_M > 1. Интервал передачи может покрывать временное и/или частотное измерения, как описано ниже. Управляющая матрица выбирается (например, из набора из L управляющих матриц) для каждого из N_M субблоков символов данных. Каждый субблок символов данных пространственно обрабатывается с помощью управляющей матрицы, выбранной для такого субблока, для выработки символов передачи, которые затем обрабатываются и передаются через N_Т передающих антенн в одном интервале передачи. Фактически, N_D блоков символов данных пространственно обрабатываются с помощью N_M управляющих матриц и поэтому соответствуют ансамблю каналов, в противоположность всем блокам, соответствующим одному и тому же каналу. Управляющие матрицы, используемые для пространственного кодирования с расширением спектра, являются унитарными матрицами, имеющими ортогональные столбцы или векторы, и могут формироваться, как описано ниже.

Система MISO также может передавать данные с помощью пространственного кодирования с расширением спектра, как описано ниже. Различные аспекты и варианты осуществления изобретения описаны ниже более подробно.

Способы пространственного кодирования с расширением спектра, описанные в настоящей заявке, могут использоваться для систем MIMO и MISO. Эти способы также могут использоваться для систем с одной несущей и со множеством несущих. Множество несущих могут быть получены с помощью мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), некоторых других способов модуляции со множеством несущих или некоторой другой структуры. OFDM эффективно разделяет общий диапазон частот на множество (N_F) ортогональных поддиапазонов, которые также упоминаются как тоны, поднесущие, элементы кодирования сигнала и частотные каналы. С помощью OFDM каждый поддиапазон связан с соответствующей поднесущей, которая может быть промодулирована данными.

1. Система MIMO

Для системы MIMO с одной несущей канал MIMO, сформированный N_T передающими антеннами в передающем объекте и N_R приемными антеннами в принимающем объекте, может быть описан характеристической матрицей Н N_R × N_T канала, которая может быть представлена как:

(1)

где элемент h_i,j для i = 1… N_R и j=1… N_T обозначает сопряженный или комплексный коэффициент передачи между передающей антенной j и приемной антенной i.

Данные могут передаваться в системе MIMO различными способами. В одной из простых схем передачи, один поток символов данных передается с каждой передающей антенны без какой-либо пространственной обработки, и до N_S потоков символов данных передаются одновременно с N_T передающих антенн. Для этой схемы передачи модель системы MIMO может быть представлена как:

(2)

где s – вектор N_T ×1 с N_S ненулевыми элементами для N_S символов данных, которые должны быть переданы по N_S пространственным каналам H;

r – вектор N_R ×1 с элементами для N_R принятых символов, полученных через N_R приемных антенн; и

n – вектор шума, наблюдаемого на принимающем объекте.

Предполагается, что помехи могут быть аддитивным белым гауссовым шумом (AWGN) с нулевым вектором средних значений и ковариационной матрицей где – дисперсия шума, а I – единичная матрица.

N_S потоков символов данных, переданных с N_T передающих антенн, создают взаимные помехи на принимающем объекте. Данный поток символов данных, передаваемый с одной передающей антенны, в типовом случае принимается всеми N_R приемными антеннами с различными амплитудами и фазами. Каждый принятый поток символов включает в себя компонент каждого из N_S переданных потоков символов данных. N_R принятых потоков символов вместе могли бы включать в себя все из N_S потоков символов данных. Однако эти N_S потоков символов данных распределены среди N_R принятых потоков символов. Принимающий объект выполняет пространственную обработку в приемнике над N_R принятыми потоками символов, чтобы восстановить N_S потоков символов данных, посланных передающим объектом.

Эффективность, достигаемая в системе MIMO, зависит (в значительной степени) от характеристической матрицы Н канала. Если существует высокий уровень корреляции в пределах Н, то каждый поток символов данных будет воспринимать значительную величину помехи от других потоков. Эти взаимные помехи или перекрестные помехи невозможно устранить пространственной обработкой на принимающем объекте. Высокий уровень взаимных помех ухудшает SNR каждого подвергнутого указанному влиянию потока символов данных, возможно, до такой степени, когда поток символов данных не будет корректно декодироваться принимающим объектом.

Для заданной характеристической матрицы Н канала пропускная способность системы может быть реализована, когда передающий объект передает данные по N_S собственным модам (или ортогональным пространственным каналам) канала MIMO с использованием собственных векторов, выведенных из Н. Если принимающий объект может обеспечить передающий объект полной или частичной информацией состояния канала (CSI), то передающий объект может обрабатывать потоки данных способом, максимизирующим общую пропускную способность для этих потоков (например, посредством использования оптимальной или близкой к оптимальной скорости передачи данных для каждого потока данных). Однако, если передающий объект не информирован или неправильно информирован, то скорость(и) передачи данных, используемая для потоков данных, может привести к ошибкам кадра или кодового блока для некоторого процента реализаций канала. Например, «плохая» характеристика канала может иметь место, когда H демонстрирует высокую степень корреляции или когда имеет место недостаточное рассеяние, многолучевое распространение (большая ширина полосы когерентности) и/или временное замирание (большое время когерентности) в беспроводном канале. Возникновение «плохих» каналов является случайным и желательно минимизировать процент времени, в пределах которого это может происходить для данного выбора скорости передачи данных.

Для некоторых систем MIMO эффективность может определяться наихудшими канальными условиями. Например, если принимающий объект не может послать информацию обратной связи, чтобы указать надлежащую скорость передачи данных для использования каждым потоком символов данных (например, вследствие того, что обратная связь не поддерживается системой или канальные условия изменяются быстрее, чем скорость обратной связи), то передающему объекту может потребоваться передавать потоки символов данных на низких скоростях, с тем чтобы эти потоки могли быть восстановлены даже при наихудших канальных условиях. Эффективность работы системы, в таком случае, определялась бы наихудшими канальными условиями, что весьма нежелательно.

Пространственное кодирование с расширением спектра может использоваться для рандомизации действующего канала MIMO, отслеживаемого принимающим объектом, чтобы эффективность системы не определялась наихудшими канальными условиями. В случае пространственного кодирования передающий объект выполняет пространственную обработку с помощью разных управляющих матриц для эффективной рандомизации канала MIMO, чтобы каждый кодовый блок для каждого потока данных соответствовал ансамблю каналов и не оставался в плохом канале в течение длительного периода времени.

Пространственная обработка на передающем объекте для пространственного кодирования с расширением спектра может быть представлена следующим образом:

(3)

где s(m) – вектор N_S ×1 с N_S символами данных для посылки в интервале m передачи;

V(m) – управляющая матрица N_T × N_S для интервала передачи m; и

x(m) – вектор N_T ×1 с N_T символами передачи для передачи c N_T передающих антенн в интервале m передачи.

Вообще, одновременно может отправляться до N_S потоков символов данных с использованием N_S пространственных каналов матрицы H(m). Для простоты в последующем описании допускается, что N_S потоков символов данных передаются одновременно.

Интервал передачи может покрывать временное и/или частотное измерения. Например, в системе MIMO с одной несущей интервал передачи может соответствовать одному из периодов символа, который является продолжительностью времени для передачи одного символа данных. В качестве еще одного примера, в системе MIMO со множеством несущих, например в системе MIMO, которая использует OFDM, интервал передачи может соответствовать одному из поддиапазонов в одном OFDM-периоде символа. Интервал передачи также может покрывать множество периодов символов и/или множество поддиапазонов. Таким образом, m может быть показателем для времени и/или частоты. Интервал передачи также может определяться как промежуток передачи, интервал связи, слот и так далее.

Набор из L управляющих матриц может быть сформирован как описано ниже и используется для пространственного кодирования с расширением спектра. Этот набор управляющих матриц обозначается как {V} или V(i) для i = 1… L, где L может быть любым целым числом, большим единицы. Одна управляющая матрица в этом наборе может быть выбрана для каждого интервала m передачи. Передающий объект мог бы, в таком случае, выполнять пространственное кодирование для каждого интервала m передачи с помощью управляющей матрицы V(m), выбранной для этого интервала передачи, где V(m) {V}. Результатами пространственной обработки являются N_T потоков символов передачи, которые затем приводятся в нужное состояние и передаются с N_T передающих антенн.

Принятые на принимающем объекте символы с помощью пространственного кодирования с расширением спектра могут быть представлены как:

(4)

где Н(m) – характеристическая матрица N_R × N_T канала для интервала m передачи;

Н_eff(m) – характеристическая матрица N_R × N_S действующего канала для интервала m передачи, которой является

r(m) – вектор N_R ×1 с N_R принятыми символами для интервала m передачи; и

n(m) – шумовой вектор для интервала m передачи.

Как показано в (4), вследствие пространственного кодирования с расширением спектра, выполняемого передающим объектом, N_S потоков символов данных соответствуют характеристике Н_eff(m) действующего канала, а не характеристике H(m) фактического канала. Каждый поток символов данных, таким образом, передается по пространственному каналу по H_eff(m), вместо H(m). Управляющие матрицы могут быть выбраны из условия, чтобы каждый поток символов данных соответствовал ансамблю пространственных каналов матрицы H(m). Более того, если по всему кодовому блоку используются разные управляющие матрицы, то символы данных для кодового блока будут соответствовать разным каналам для этого кодового блока.

Принимающий объект может выполнять пространственную обработку в приемнике над принятыми символами с помощью оценки характеристической матрицы действующего канала для восстановления переданных потоков символов данных. Если на принимающем объекте известна управляющая матрица, используемая передающим объектом для каждого интервала m передачи, то принимающий объект может оценивать характеристическую матрицу канала (например, на основании принятых пилотных символов) и вычислять оцененную характеристическую матрицу действующего канала как ,

где «^» означает оценку фактической матрицы. В качестве альтернативы, принимающий объект может непосредственно оценивать характеристическую матрицу действующего канала, Н_eff(m), например, на основании принятых пилотных символов, которые были переданы с использованием V(m). Пилотный символ является символом модуляции для пилотного сигнала, который заранее известен как передающему, так и принимающему объектам.

Вообще, одновременно может передаваться любое количество из (N_D) потоков данных через канал MIMO, где N_S N_D 1. Например, если N_D = N_S, то один поток данных может передаваться по каждому из N_S пространственных каналов по H_eff(m). Если N_D = 1, то один поток данных может быть демультиплексирован и передан по всем N_S пространственным каналам матрицы H_eff(m). В любом случае каждый поток данных обрабатывается (например, кодируется, перемежается и модулируется) для получения символов данных, а символы данных для всех N_D потоков данных демультиплексируются в N_S потоках символов данных для N_S пространственных каналов матрицы H_eff(m), как описано ниже. Управляющая матрица используется для пространственной обработки для одного интервала передачи, который может покрывать один или множество векторов символов данных.

Фиг.1 показывает последовательность 100 операций для передачи данных с пространственным кодированием с расширением спектра. Первоначально данные обрабатываются для получения набора из N_D блоков символов данных для N_D потоков данных, по одному блоку для каждого потока данных (этап 112). Каждый блок символов данных содержит символы данных, сформированные из одного кодового блока кодированных данных (или одного пакета кодированных данных). Обработка данных может выполняться, как описано ниже. N_D блоков символов данных разделяются на N_M субблоков символов данных, которые должны передаваться в N_M интервалах передачи, по одному субблоку в каждом интервале передачи (этап 114). N_M также упоминается как длина блока, и N_M > 1. Каждый субблок может содержать один или более символов данных из каждого из N_D блоков. Например, если N_D = N_S, то каждый субблок может содержать N_S символов данных из N_S блоков для N_S потоков данных. В качестве еще одного примера, если N_D = 1, то каждый субблок может содержать N_S символов данных из одного блока для одного потока данных. Индекс m, используемый для обозначения интервала передачи для текущего набора блоков символов данных, устанавливается в 1 (этап 116).

Одна управляющая матрица V(m) используется для пространственной обработки для каждого интервала m передачи. Эта управляющая матрица V(m) может быть выбрана из набора L управляющих матриц {V} (этап 118). Затем пространственная обработка выполняется над субблоком m с помощью управляющей матрицы V(m), чтобы получить символы передачи (этап 120). Если интервал m передачи покрывает один вектор символов данных, то один вектор s(m) с N_S символами данных формируется из субблока m символов данных и пространственно обрабатывается с помощью управляющей матрицы V(m) для получения соответствующего вектора x(m) символов передачи, как показано в (3). Если интервал m передачи покрывает множество (N_V) векторов символов данных, то формируются N_V векторов s(m), для =1 … N_V, из субблока m символов данных, и каждый вектор s(m) пространственно обрабатывается с помощью одной и той же управляющей матрицы V(m) для получения соответствующего вектора x(m) символов передачи. В любом случае используется одна и та же управляющая матрица V(m) для пространственной обработки для всех векторов символов данных в интервале m передачи, и получающиеся в результате векторы символов передачи обрабатываются и передаются через N_T передающих антенн в интервале m передачи (этап 122).

Затем выполняется определение, было ли обработано и передано N_M субблоков символов данных (т. е. выполняется ли m=N_M) (этап 124). Если ответом является -«нет», то индекс m получает приращение для следующего субблока/интервала передачи (этап 126) и последовательность операций возвращается на этап 118. Если для этапа 124 ответом является «да», то устанавливается, есть ли еще данные для передачи (этап 128). Если ответом является «да», то последовательность операций возвращается на этап 112, чтобы начать обработку для следующего набора блоков символов данных. Иначе, последовательность операций завершается.

Как показано на фиг.1, каждый набор блоков символов данных пространственно обрабатывается с помощью N_M управляющих матриц для получения N_T последовательностей символов передачи. Каждая последовательность символов передачи передается через одну соответствующую антенну из N_T передающих антенн в N_M интервалах передачи. N_M управляющих матриц рандомизируют действующий канал MIMO, отслеживаемый принимающим объектом для N_D блоков символов данных. Рандомизация канала MIMO вытекает из использования различных управляющих матриц для различных интервалов передачи и не обязательно из случайности элементов управляющих матриц.

Как отмечено выше, интервал передачи может быть определен как покрывающий один или более периодов символов и/или один или более поддиапазонов. Для повышения эффективности желательно выбирать интервал передачи по возможности малым, чтобы (1) больше управляющих матриц могло быть использовано для каждого блока символов данных и (2) принимающий объект мог получать столько «снимков» канала MIMO, сколько возможно для каждого блока символов данных. Интервал передачи также должен быть короче, чем время когерентности канала MIMO, которое является интервалом времени, в течение которого канал MIMO может предполагаться почти стационарным. Подобным образом, интервал передачи должен быть меньшим, чем ширина полосы когерентности канала для основанной на OFDM системы.

Фиг.2 показывает последовательность 200 операций для приема данных с пространственным кодированием с расширением спектра. Первоначально индекс m, используемый для обозначения интервала передачи, для текущего набора блоков символов данных, устанавливается в 1 (этап 212). Принятые символы данных принимаются с N_R приемных антенн для субблока m символов данных (этап 214). Определяется управляющая матрица V(m), используемая передающим объектом для субблока m (этап 216), которая используется для получения оценки характеристики канала для действующего канала MIMO, отслеживаемого субблоком m. Затем эта оценка характеристики канала используется для выполнения пространственной обработки в приемнике над принятыми символами данных для получения продетектированных символов (или оценок символов данных) для субблока m (этап 218).

Затем выполняется определение, были ли приняты N_M субблоков символов данных для текущего набора блоков символов данных (т. е. выполняется ли m = N_M) (этап 220). Если ответом является «нет», то индекс m получает приращение для следующего субблока/интервала передачи (этап 222), а последовательность операций возвращается на этап 214. Если на этапе 220 ответом является «да», то обнаруженные символы для всех N_M субблоков обрабатываются (например, демодулируются, подвергаются обращенному перемежению и декодируются) для получения декодированных данных для текущего набора блоков символов данных (этап 224). Затем определяется, есть ли еще данные для приема (этап 226). Если ответом является «да», то последовательность операций возвращается на этап 212, чтобы начать прием следующего набора блоков символов данных. Иначе, последовательность операций завершается.

А. Выбор управляющей матрицы

Как отмечено выше, набор из L управляющих матриц может формироваться и использоваться для пространственного кодирования с расширением спектра. Управляющие матрицы в наборе могут быть выбраны для использования различными способами. В одном из вариантов осуществления управляющие матрицы выбираются из набора детерминированным образом. Например, L управляющих матриц могут циклически перебираться и выбираться в последовательном порядке, начиная с первой управляющей матрицы V(1), затем вторая управляющая матрица V(2) и так далее, а затем последняя управляющая матрица V(L). В еще одном варианте осуществления управляющие матрицы выбираются из набора псевдослучайным образом. Например, управляющая матрица, которую следует использовать для каждого интервала m передачи, может быть выбрана на основании функции f(m), которая псевдослучайным образом выбирает одну из L управляющих матриц или управляющую матрицу V(f(m)). В другом варианте осуществления управляющие матрицы выбираются из набора способом перестановки. Например, L управляющих матриц могут циклически повторяться и выбираться для использования в последовательном порядке. Однако начальная управляющая матрица для каждого цикла может выбираться псевдослучайным образом, вместо использования всегда первой управляющей матрицы V(1). L управляющих матриц также могут выбираться различными другими способами, которые входят в объем изобретения.

Выбор управляющей матрицы также может зависеть от количества управляющих матриц (L) в наборе и длины (N_M) блока. Вообще, количество управляющих матриц может быть большим, равным или меньшим, чем длина блока. Выбор управляющей матрицы для этих трех случаев может выполняться, как описано ниже.

Если L = N_M, то количество управляющих матриц совпадает с длиной блока. В этом случае разные управляющие матрицы могут выбираться для каждого из N_M интервалов передачи, используемых для передачи набора блоков символов данных. N_M управляющих матриц для N_M интервалов передачи могут выбираться детерминированным, псевдослучайным образом или путем перестановки, как описано выше. Например, L управляющих матриц в наборе могут выбираться в последовательном порядке для каждого набора блоков символов данных, с той же самой (предварительно выбранной) или отличающейся (псевдослучайно выбранной) начальной управляющей матрицей для каждого набора блоков символов данных.

Если L < N_M, то длина блока является большей, чем количество управляющих матриц в наборе. В этом случае управляющие матрицы повторно используются для каждого набора блоков символов данных и могут выбираться как описано выше.

Если L > N_M, то подмножество управляющих матриц используется для каждого набора блоков символов данных. Выбор конкретного подмножества, которое следует использовать для каждого набора блоков символов данных, может быть детерминированным или псевдослучайным. Например, первая управляющая матрица, которую следует использовать для текущего набора блоков символов данных, может быть управляющей матрицей, следующей за последней, использованной для предыдущего набора блоков символов данных.

B. Система

Фиг.3 показывает структурную схему передающего объекта 310 и принимающего объекта 350 в системе 300 MIMO. В передающем объекте 310 процессор 320 данных передачи (ТХ) принимает и обрабатывает (например, кодирует, перемежает и модулирует) данные потока обмена для N_D потоков данных и обеспечивает N_S потоков символов данных, где N_S N_D 1. Пространственный TX-процессор 330 принимает и пространственно обрабатывает N_S потоков символов данных для пространственного кодирования с расширением спектра, мультиплексирует в пилотные символы и выдает N_Т потоков символов передачи в N_T модулей с 332a по 332t передатчиков (TMTR). Обработка TX-процессором 320 данных описана ниже, а пространственная обработка пространственным TX-процессором 330 описана выше. Каждый модуль 332 передатчика приводит в нужное состояние (например, преобразует в аналоговый вид, фильтрует, усиливает и преобразует с повышением частоты) соответственный поток символов передачи, чтобы сформировать модулированный сигнал. N_T модулей с 332а по 332t передатчика обеспечивают N_T модулированных сигналов для передачи с помощью N_Т антенн с 334а по 334t соответственно.

На принимающем объекте 350 N_R антенн с 352а по 352r принимают N_T переданных сигналов, и каждая антенна 352 выдает принятый сигнал на соответствующий модуль приемника (RCVR) 354. Каждый модуль 354 приемника выполняет обработку, комплементарную по отношению к обработке, выполняемой модулями 332 передатчика, и выдает (1) принятые символы данных в пространственный процессор 360 приема (RX) и (2) принятые пилотные символы в блок 384 оценки канала в котроллере 380. Пространственный процессор 360 приема выполняет пространственную обработку над N_R принятыми потоками символов от N_R модулей с 354а по 354r приемника с помощью оценок канала, полученных из блока 384 оценки канала, и обеспечивает N_S детектированных потоков символов, которые являются оценками N_S потоков символов данных, переданных передающим объектом 310. Затем процессор 370 обработки данных приемника обрабатывает (например, восстанавливает, выполняет обращенное перемежение и декодирует) N_S детектированных потоков символов и обеспечивает N_D декодированных потоков данных, которые являются оценками N_D потоков данных.

Контроллеры 340 и 380 управляют работой различных модулей обработки в передающем объекте 310 и принимающем объекте 350 соответственно. Модули 342 и 382 памяти сохраняют данные и/или программные коды, используемые контроллерами 340 и 380 соответственно.

Фиг.4 показывает структурную схему модулей обработки в передающем объекте 310. Для варианта осуществления, показанного на фиг. 4, TX-процессор 320 данных включает в себя N_D процессоров с 410а по 410nd обработки потоков данных для N_D потоков данных {d}, для = 1 … N_D. В каждом процессоре 410 потока данных кодер 412 принимает и кодирует поток {d} данных на основании схемы кодирования и предоставляет кодовые биты. Схема кодирования может включать в себя формирование избыточного циклического кода (CRC), сверточное кодирование, кодирование турбокодом, кодирование с разреженным контролем четности (LDPC), блочное кодирование, другое кодирование или их сочетание. Перемежитель 414 канала перемежает (т.е. переупорядочивает) кодовые биты на основании схемы перемежения для реализации частотного, временного и/или пространственного разнесения. Модуль 416 символьного преобразования преобразует перемеженные биты на основании схемы модуляции и выдает поток символов {s} данных. Модуль 416 группирует каждый набор из В перемеженных битов для формирования В-битного значения, где В 1, и дополнительно преобразует каждое В-битное значение в конкретный символ модуляции на основании выбранной схемы модуляции (например, QPSK, M-PSK или M-QAM, где M = 2^B). Кодирование в типовом случае выполняется раздельно по каждому пакету данных в каждом потоке {d} данных, чтобы получить соответствующий кодированный пакет данных или кодовый блок, а затем выполняется символьное преобразование по каждому кодовому блоку для получения соответствующего блока символов данных.

На фиг.4 N_D процессоров с 410а по 410nd потоков данных обрабатывают N_D потоков данных и обеспечивают N_D блоков символов данных для каждой длины блока из N_M интервалов передачи. Один процессор 410 потока данных также может обрабатывать N_D потоков данных, например, способом мультиплексирования с временным разделением (TDM). Одинаковые или разные схемы кодирования и модуляции могут использоваться для N_D потоков данных. Более того, могут использоваться одинаковые или разные скорости передачи данных для N_D потоков данных. Мультиплексор/демультиплексор 420 (Mux/Demux) принимает и мультиплексирует/демультиплексирует символы данных для N_D потоков данных в N_S потоков символов данных, по одному потоку символов данных для каждого пространственного канала матрицы H_eff(m). Если N_D = N_S, то Mux/Demux 420 может просто предоставлять символы данных для каждого потока данных в виде единственного потока символов данных. Если N_D = 1, то Mux/Demux 420 демультиплексирует символы данных для одного потока данных в N_S потоков символов данных.

Пространственный процессор 330 передатчика принимает N_S блоков символов данных из процессора 320 обработки данных передатчика и N_M управляющих матриц V(m) из контроллера 340 для каждой длины блока из N_M интервалов передачи. Управляющие матрицы могут извлекаться из хранилища 442 управляющих матриц (SM) в модуле 342 памяти или формироваться контроллером 340 по мере необходимости. Пространственный TX-процессор 330 выполняет пространственную обработку над символами данных для каждого интервала m передачи с помощью управляющей матрицы V(m), выбранной для этого интервала передачи, и обеспечивает символы передачи для интервала передачи. Пространственный TX-процессор 330 мультиплексирует символы передачи для каждого интервала m передачи для получения N_T последовательностей символов передачи, которые должны передаваться N_T передающими антеннами в одном или более периодов символов и/или в одном или более поддиапазонов. Пространственный TX-процессор 330 дополнительно мультиплексирует N_T последовательностей символов передачи для разных интервалов передачи и обеспечивает N_T потоков символов передачи, {x_j}, где j = 1 … N_T, для N_T передающих антенн.

Фиг.5 показывает структурную схему модулей обработки в принимающем объекте 350. N_R модулей с 354а по 354r приемника выдают принятые пилотные символы, {r_i ^p} для i = 1 … N_R в блок 384 оценки канала. В одном из вариантов осуществления блок 384 оценки канала извлекает матрицу которая является оценкой характеристической матрицы H(m) канала, основанной на принятых пилотных символах. Блок 384 оценки канала дополнительно принимает управляющую матрицу V(m) для каждого интервала m передачи и получает оцененную характеристическую матрицу действующего канала как Для этого варианта осуществления принимающий и передающий объекты синхронизируются, так что оба объекта используют одну и ту же управляющую матрицу V(m) для каждого интервала m передачи. В другом варианте осуществления блок 384 оценки канала непосредственно получает матрицу которая является оценкой характеристической матрицы (m) действующего канала, основанной на принятых пилотных символах. Для обоих вариантов осуществления блок 384 оценки канала выдает в пространственный RX-процессор 360 оцененную характеристическую матрицу _eff(m) действующего канала.

Пространственный RX-процессор 360 приемника также получает принятые символы данных, {r_i ^d} для i = 1 … N_R, из N_R модулей с 354а по 354r приемника. Пространственный процессор 360 приемника выполняет пространственную обработку над принятыми символами данных с помощью матрицы _eff(m) и с использованием любого из способов пространственной обработки в приемнике, известных в данной области техники. Пространственный RX-процессор 360 выдает детектированные символы (или оценки символов данных) в RX-процессор 370 данных.

Для варианта осуществления, показанного на фиг.5, RX-процессор 370 данных включает в себя мультиплексор/демультиплексор (Mux/Demux) 508 и N_D процессоров с 510а по 510nd потоков данных для N_D потоков данных. Mux/Demux 508 принимает и мультиплексирует/демультиплексирует N_S детектированных потоков данных для N_S пространственных каналов по H_eff(m) в N_D детектированных потоков символов для N_D потоков данных. Mux/Demux 508 работает образом, комплементарным по отношению к Mux/Demux 420 в передающем объекте 310 на фиг.4. В каждом процессоре 510 потока данных модуль 512 обратного символьного преобразования демодулирует детектированные символы для связанного потока данных в соответствии со схемой модуляции, используемой для такого потока, и выдает демодулированные данные. Обращенный перемежитель 514 выполняет обращенное перемежение демодулированных данных способом, комплементарным по отношению к перемежению, выполняемому над этим потоком передающим объектом 310. Затем декодер 516 декодирует обращенно перемеженные данные способом, комплементарным по отношению к кодированию, выполняемому передающим объектом 310 над таким потоком. Например, для декодера 516 может использоваться турбодекодер или декодер Витерби, если турбокодирование или сверточное кодирование соответственно выполняются на передающем объекте 310. Декодер 516 обеспечивает декодированный пакет данных для каждого блока символов данных.

С. Система MIMO-OFDM

С использованием OFDM до N_F символов модуляции могут передаваться по N_F поддиапазонам в каждом периоде OFDM-символа. Перед передачей эти символы модуляции преобразуются во временную область с использованием N_F-точечного обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) для формирования «преобразованных» символов, которые содержат N_F символов шумоподобной последовательности временной области. Для противодействия межсимвольным помехам (ISI), которые вызваны частотно-селективным замиранием, часть (или N_CP кодовых элементов) каждого преобразованного символа повторяется для формирования соответствующего OFDM-символа. Каждый OFDM-символ передается в одном периоде OFDM-символа, который составляет N_F + N_CP интервалов кодовых элементов, где N_CP – длина циклического префикса.

Для системы MIMO, которая использует OFDM (т.е. системы MIMO-OFDM), пространственное кодирование с расширением спектра может выполняться для каждого из поддиапазонов, используемых для передачи данных. Таким образом, индекс m для интервала передачи замещается на k,n для поддиапазона k и периода n OFDM-символа. Один вектор s(k,n) может формироваться для каждого поддиапазона k в каждом периоде n OFDM-символа. Каждый вектор s(k,n) содержит до N_S символов данных для передачи через N_S пространственных каналов по H_eff(k,n) для поддиапазона k в периоде n OFDM-символа. В одном периоде OFDM-символа могут одновременно передаваться до N_F векторов, s(k,n) для k=1…N_F, в N_F поддиапазонах.

Набор из N_D блоков символов данных может передаваться в системе MIMO-OFDM различными способами. Например, каждый блок символов данных может передаваться как один элемент вектора s(k,n) для каждого из N_F поддиапазонов. В этом случае каждый блок символов данных передается по всем N_F поддиапазонам и реализует частотное разнесение. Каждый блок символов данных может охватывать один или множество периодов OFDM-символов. Таким образом, каждый блок символов данных может иметь частотное и/или временное измерения (определяемые проектированием системы) вместе с пространственным измерением (реализуемым пространственным кодированием с расширением спектра).

Управляющие матрицы также можно выбирать различными способами для системы MIMO-OFDM. Управляющие матрицы для поддиапазонов могут выбираться детерминированным, псевдослучайным образом или путем перестановки, как описано выше. Например, L управляющих матриц в наборе могут циклически повторяться и выбираться в последовательном порядке для поддиапазона с 1 по N_F в периоде n OFDM-символа, затем – поддиапазона с 1 по N_F в периоде n + 1 OFDM-символа,и так далее. Интервал передачи может быть определен как покрывающий один или множество поддиапазонов и один или множество периодов OFDM-символов. Количество управляющих матриц в наборе может быть меньшим, равным или большим, чем количество поддиапазонов. Три случая, описанные выше для L=N_M, LM и L>N_M, также могут быть применены для поддиапазонов, при замене N_M на N_F.

Для системы MIMO-OFDM каждый модуль 332 передатчика выполняет модуляцию OFDM символов передачи для всех N_F поддиапазонов соответствующей передающей антенны для получения соответствующего потока OFDM-символов. Каждый модуль 332 передатчика дополнительно преобразует поток OFDM-символов для формирования модулированного сигнала. Каждый модуль 354 приемника выполняет комплементарную OFDM-демодуляцию над принятым сигналом для получения принятых символов данных и принятых пилотных символов. OFDM-модуляция и демодуляция известны в данной области техники и подробно не описываются.

D. Формирование управляющих матриц

Управляющие матрицы, используемые для пространственного кодирования с расширением спектра, должны быть унитарными матрицами и удовлетворять следующему условию:

, для i = 1 … L, (5)

где «^H» обозначает сопряженное транспонирование. Каждая управляющая матрица включает в себя N_S столбцов и может быть представлена как V(i) = [v₁(i) v₂(i)…v_Ns(i)]. Для заданной управляющей матрицы V(i) условие в (5) указывает, что (1) каждый столбец матрицы V(i) должен иметь единичную длину или ||v_а(i)|| = v_a ^H(i) · v_a(i) = 1 для a = 1…N_S, и (2) эрмитово скалярное произведение любых двух столбцов матрицы V(i) должно быть нулевым или v_a ^H(i) · v_b(i) = 0 для a = 1…N_S, b = 1…N_S и ab. Это условие гарантирует, что N_S символов данных, переданных одновременно с использованием управляющей матрицы V(i), имеют одинаковую мощность и являются ортогональными по отношению друг к другу до передачи.

Некоторые из управляющих матриц также могут быть некоррелированными, так что корреляция между любыми двумя некоррелированными управляющими матрицами равна нулю или имеет низкое значение. Это условие может быть представлено как:

, для i = 1…L, j = 1…L, и i j, (6)

где C(ij) – матрица корреляции для V(i) и V(j), а 0 – матрица из всех нулей.

Удовлетворять условию в равенстве (6) может быть затруднительным для всех управляющих матриц в этом наборе. Управляющие матрицы могут быть выведены из условия, чтобы максимальная энергия матриц корреляции для всех возможных пар управляющих матриц минимизировалась. Матрица C(ij) корреляции для данной пары управляющих матриц может быть вычислена как согласно (6). Энергия C(ij) может быть вычислена как , где с_m,n(ij) – элемент в m-ой строке и n-ом столбце матрицы C(ij). Энергия E(ij) также является (1) следом от C^H(ij) C(ij) и (2) квадратом фробениусовой нормы матрицы C(ij). Управляющие матрицы формируются из условия, чтобы максимальная энергия E(ij) для всех пар управляющих матриц минимизировалась.

Набор из L управляющих матриц {V} может быть сформирован различными способами, примеры которых описаны ниже. Набор управляющих матриц может быть предварительно вычислен и сохранен в передающем и принимающем объектах, а впоследствии извлечен для использования по мере их необходимости. В качестве альтернативы, эти управляющие матрицы могут вычисляться в реальном времени по мере их необходимости.

Фиг. 6 показывает примерную последовательность 600 операций первой схемы для формирования набора управляющих матриц {V}. Первоначально индекс i устанавливается в 1 для первой управляющей матрицы, которая должна быть сформирована (этап 612). Затем формируется N_S × N_T матрица G случайных переменных (этап 614). Элементы матрицы G являются независимыми одинаково распределенными (IID) комплексными гауссовыми случайными переменными, каждая имеет нулевое среднее значение и единичную дисперсию. Затем матрица корреляции N_T × N_T из матрицы G вычисляется как R = G^H · G (этап 616).

Далее выполняется разложение по собственным значениям матрицы корреляции от G (этап 618), как изложено ниже:

, (7)

где Е – унитарная матрица N_T × N_S собственных векторов матрицы R; и

D – диагональная матрица N_S × N_S собственных векторов матрицы R.

Диагональная матрица D содержит неотрицательные действительные значения по диагонали и нули в остальных позициях. Эти диагональные элементы упоминаются как собственные значения матрицы R и представляют коэффициенты усиления для N_S собственных мод матрицы G.

Затем проверяется (этап 620) корреляция между матрицей Е собственных векторов и каждой из управляющих матриц, уже сформированных для набора. Этап 620 пропускается для первой управляющей матрицы. Проверка может быть выполнена, например, (1) вычислением матрицы C(j) корреляции между матрицей Е и каждой управляющей матрицей V(j), уже сформированной, для j=1… (i – 1), (2) вычислением энергии каждой матрицы C(j) корреляции как описывалось выше, (3) сравнением энергии каждой матрицы корреляции с пороговым значением и (4) принятием решения о низкой корреляции, если энергии для всех i – 1 матриц корреляции являются меньшими, чем это пороговое значение. Также могут применяться другие проверки для контроля на низкую корреляцию, что также входит в объем изобретения. Затем выполняется определение, удовлетворен ли критерий низкой корреляции для матрицы Е собственных векторов (этап 622). Критерий низкой корреляции не удовлетворен, если корреляция между матрицей Е и любой предварительно сформированной управляющей матрицей превышает пороговое значение. Если это имеет место, то последовательность операций возвращается на этап 614 для формирования другой матрицы G. Иначе, если критерий низкой корреляции удовлетворен, то управляющая матрица V(i) устанавливается равной матрице Е (этап 624). Управляющая матрица V(i) является унитарной матрицей, так как матрица Е получена разложением по собственным значениям согласно (7).

Затем определяется, все ли L управляющих матриц были сформированы для набора (этап 626). Если ответом является «нет», то индекс i получает приращение (этап 628), а последовательность операций возвращается на этап 614 для формирования следующей управляющей матрицы. Иначе, последовательность операций завершается.

Управляющие матрицы, сформированные с помощью последовательности 600 операций, могут быть усовершенствованы (1) идентификацией пары управляющих матриц с наивысшей энергией для их матрицы корреляции и (2) «разделением» этих двух управляющих матриц посредством предварительного умножения управляющих матриц на унитарные матрицы (с тем чтобы результирующие матрицы также были унитарными матрицами). Унитарные матрицы для предварительного умножения могут быть выбраны, чтобы модифицировать две управляющие матрицы детерминированным или случайным образом. Последовательность операций может повторяться до тех пор, пока максимальная энергия для матрицы корреляции не может дальше уменьшаться.

Во второй схеме набор из L управляющих матриц формируется на основании набора из (log₂ L) +1 независимых изотропно распределенных унитарных матриц. Случайная унитарная матрица является изотропно распределенной, если ее плотность вероятности не изменяется при предварительном умножении на детерминированную унитарную матрицу N_T × N_T. Индекс i для управляющих матриц в наборе может быть представлен как i=₁₂…_Q, где Q = log₂ L, ₁ – первый бит индекса i, _Q – последний бит индекса i, и каждый бит может принимать значение 0 или 1. L управляющих матриц могут быть сформированы как изложено ниже:

, для ₁, ₂,…, _Q {0,1} (8)

где V₀ – независимая равномерно распределенная унитарная матрица N_T × N_S; и

, для j=1… Q, является независимой равномерно распределенной унитарной матрицей N_T × N_T. Матрица V₀ может быть определена, например, как V₀ ^T = [I_Ns 0], где I_Ns – это единичная матрица N_S × N_S. Вторая схема подробно описана в работе T.L. Marzetta et al. in «Structured Unitary Space-Time Autocoding Constellations» IEEE Transaction on Information Theory, vol. 48, № 4, april 2002.

В третьей схеме набор из L управляющих матриц формируется путем последовательного вращения исходной унитарной управляющей матрицы V(1) в N_T-мерном комплексном пространстве, как изложено ниже:

, для i = 1… L-1, (9)

где – диагональная унитарная матрица N_T × N_T, которая может быть определена как:

, (10)

и u₁, u₂, …– N_T разных значений, каждое в диапазоне от 0 до L -1, которые выбраны так, чтобы корреляция между результирующими управляющими матрицами, сформированными с помощью матрицы , была как можно меньшей. N_T диагональных элементов матрицы являются L-тыми корнями единицы. Начальная унитарная управляющая матрица V(1) может быть сформирована N_S разными столбцами матрицы D Фурье N_T × N_T, где (n,m)-ный элемент w_n,m задается как:

, для n = {1… N_T} и m = {1 … N_T}, (11)

где n – строчный индекс, а m – это столбцовый индекс. Третья схема подробно описана в работе B.M. Hochwald et al. in «Systematic Design of Unitary Space-Time Constellations» IEEE Transaction on Information Theory, vol. 46, № 6, September 2000.

В четвертой схеме набор из L управляющих матриц формируется с помощью базовой матрицы B и разных скаляров. Базовая матрица может быть матрицей Уолша, матрицей Фурье или некоторой другой матрицей. Матрица Уолша может быть представлена как . Матрица Уолша W_2Nx2N большей размерности может быть сформирована из матрицы Уолша W_NxN меньшей размерности, как изложено ниже:

12

Матрицы Уолша имеют размерности, которые являются степенями числа два. Матрицы Фурье любой квадратной размерности (например, 2, 3, 4, 5 и так далее) могут быть сформированы согласно (11).

Матрица W Уолша, матрица D Фурье или некоторые другие матрицы N_T × N_T могут использоваться в качестве базовой матрицы B для формирования других управляющих матриц. Каждая из строк с 2 по N_T базовой матрицы может быть независимо перемножена с одной из М разных возможных скаляров, где M > 1. разных управляющих матриц могут быть получены из разных перестановок М скаляров для N_T -1 строк. Например, каждая из строк с 2 по N_T может быть независимо перемножена со скаляром +1, -1, +j или -j, где . Для N_T = 4 и M = 4, 64 разных управляющих матрицы могут быть сформированы из базовой матрицы B с помощью четырех разных скаляров. Дополнительные управляющие матрицы могут быть сформированы с помощью других скаляров, например и так далее. Вообще, каждая строка базовой матрицы может быть перемножена с любым скаляром, имеющим вид , где может быть любым значением фазы. Управляющие матрицы N_T × N_T могут быть сформированы как V(i) = · B(i), где = 1/, а B(i) – i–ая матрица, сформированная с помощью базовой матрицы B. Масштабирование посредством гарантирует, что каждый столбец матрицы V(i) имеет единичную мощность.

Также могут использоваться другие схемы для формирования набора управляющих матриц, что также входит в объем изобретения. Управляющие матрицы могут быть сформированы псевдослучайным образом (например, таким как первая схема) или детерминированным образом (например, таким как вторая и третья схемы).

E. Эффективность

Фиг.7 показывает графики распределения кумулятивных вероятностей (CDF) общей спектральной эффективности, достигнутой для примерной системы MIMO. Для этой системы MIMO передающий объект оборудован четырьмя передающими антеннами (N_T=4), а принимающий объект оборудован четырьмя приемными антеннами (N_R=4). Предполагается, что канал MIMO должен быть таким, как описано выше для (1). Отношение SNR приема, т.е. SNR принятых символов до пространственной обработки приемником, предполагается равным 20 дБ. Принимающий объект предполагается использующим способ пространственной обработки с минимальной среднеквадратической ошибкой (MMSE).

График 710 показывает CDF общей спектральной эффективности для случая, в котором пространственное кодирование с расширением спектра не выполняется. Спектральная эффективность приведена в битах в секунду на Герц (б/с/Гц). Для заданной спектральной эффективности х, функция CDF указывает вероятность того, что общая спектральная эффективность является худшей, чем х. Например, точка 712 показывает, что есть один процент (10^-2) вероятности того, что общая спектральная эффективность является худшей, чем 9 б/с/Гц, без пространственного кодирования с расширением спектра. Если передающий объект кодирует и передает данные при общей скорости 9 б/с/Гц, то есть один процент вероятности, что принимающий объект не сможет корректно декодировать данные. Эта вероятность обычно упоминается как вероятность «нарушения связи».

Графики 720, 730 и 740 показывают функции CDF общей спектральной эффективности, достигнутой с помощью пространственного кодирования с расширением спектра, с использованием соответственно 4, 16 и 64 управляющих матриц. Точки 722, 732 и 742 указывают, что есть один процент вероятности того, что общая спектральная эффективность хуже, чем соответственно 12,5, 14,6 и 15,8 б/с/Гц соответственно при 4, 16 и 64 управляющих матрицах. Для одного процента вероятности нарушения связи использование пространственного кодирования с расширением спектра улучшает общую спектральную эффективность приблизительно с 9 б/с/Гц до приблизительно 15,8 б/с/Гц (с 64-мя управляющими матрицами) для примерной системы MIMO. Линия 750 приведена для вероятности 50% и может быть опорной для определения общей средней спектральной эффективности для четырех случаев.

Фиг.7 показывает эффективность системы для примерной системы MIMO с некоторыми отдельными допущениями. Вообще, величина улучшения может зависеть от различных факторов, таких как, например, характеристики канала MIMO, количество передающих и приемных антенн, способ пространственной обработки, используемый на принимающем объекте, схемы кодирования и модуляции, использованные для передачи данных, и так далее.

2. Система MISO

Система MISO использует множество (N_T) передающих антенн на передающем объекте и единственную приемную антенну на принимающем объекте для передачи данных. Канал MISO, сформированный N_T передающими антеннами и одиночной приемной антенной, состоит из единственного пространственного канала. Канал MISO может характеризоваться вектор-строкой h 1×N_T характеристики канала, которая определяется как h = , где элемент h_j для j = 1…N_T обозначает связь между передающей антенной j и одиночной приемной антенной.

Пространственное кодирование с расширением спектра может использоваться, чтобы рандомизировать действующий канал MISO, отслеживаемый принимающим объектом с одной антенной, чтобы эффективность не определялась наихудшими канальными условиями. Для системы MISO передающий объект выполняет пространственную обработку с помощью набора управляющих векторов.

Пространственная обработка в передающем объекте для пространственного кодирования с расширением спектра в системе MISO может быть представлена как:

, (13)

где s(m) – символ данных, который должен передаваться в интервале m передачи;

v(m) – управляющий вектор N_T × 1 для интервала m передачи ; и

x_miso(m) – вектор N_T × 1 с N_T символами передачи, которые должны передаваться N_T передающими антеннами в интервале m передачи.

Набор из L управляющих векторов может быть сформирован и обозначен как {v}, или v(i) для i = 1 … L. Один управляющий вектор в наборе может выбираться для интервала m передачи (например, псевдослучайным или детерминированным образом, подобным описанному выше для управляющих матриц). Передающий объект выполняет пространственную обработку для каждого интервала m передачи с помощью управляющего вектора v(m), выбранного для такого интервала передачи.

Принятые символы в принимающем объекте при пространственном кодировании с расширением спектра могут быть представлены как:

, (14)

где r(m) – принятый символ для интервала m передачи;

h_eff(m) – характеристика действующего канала для интервала m передачи, которой является и

n(m) – шум для интервала m передачи.

Согласно (14) вследствие пространственного кодирования с расширением спектра, выполняемого передающим объектом, поток символов данных подчиняется характеристике h_eff(m) действующего канала, которая включает в себя характеристику h(m) действующего канала и управляющий вектор v(m). Принимающий объект может выполнять детектирование (например, согласованную фильтрацию или компенсацию) принятых символов r(m) с помощью оценки характеристики действующего канала для получения продетектированных символов , как известно в данной области техники. Принимающий объект дополнительно обрабатывает (например, демодулирует, выполняет обращенное перемежение и декодирует) детектированные символы r(m) для получения декодированных данных.

Управляющие векторы, использованные для пространственного кодирования с расширением спектра в системе MISO, должны иметь равную энергию (например, для i = 1… L), чтобы мощность передачи, используемая для передачи символов данных, не изменялась при пространственном кодировании с расширением спектра. Некоторые из управляющих векторов также могут быть некоррелированными, так что корреляция между любыми двумя некоррелированными управляющими векторами равна нулю или имеет низкое значение. Это условие может быть выражено как:

, для i = 1… L, j = 1… L, и i j, (15)

где c(ij) – корреляция между управляющими векторами v(i) и v(j).

Набор из L управляющих векторов может быть сформирован различными способами (например, псевдослучайным или детерминированным образом, подобным описанным выше для управляющих матриц). Столбцы управляющих матриц, сформированные как описано выше, могут быть использованы для управляющих векторов для пространственного кодирования с расширением спектра.

Способы пространственного кодирования с расширением спектра, описанные в материалах настоящей заявки, могут быть реализованы различными средствами. Например, эти способы могут быть реализованы в аппаратных средствах, программном обеспечении или их комбинации. Для аппаратной реализации модули обработки, используемые для выполнения пространственной обработки с расширением спектра на передающем объекте, могут быть реализованы в одной или более специализированных интегральных схемах (ASIC), цифровых сигнальных процессорах (DSP), устройствах цифровой сигнальной обработки (DSPD), программируемых логических устройствах (PLD), программируемых вентильных матрицах (FPGA), процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, других электронных модулях, предназначенных для выполнения функций, описанных в материалах настоящей заявки, или их сочетании. Модули обработки, используемые для выполнения пространственной обработки на принимающем объекте, также могут быть реализованы в одной или более ASIC, DSP, процессорах и так далее.

Для программной реализации способы пространственного кодирования с расширением спектра могут быть реализованы с помощью модулей (например, процедур, функций и так далее), которые выполняют функции, описанные в материалах настоящей заявки. Программно реализованные коды могут сохраняться в модулях памяти (например, модулях 342 и 382 памяти на фиг. 3) и исполняться процессором (например, контроллерами 340 и 380). Модуль памяти может быть реализован в процессоре или вне процессора, при этом он может быть связан с возможностью обмена данными с процессором через различные средства, известные в данной области техники.

Заголовки включены в описание для ссылки и для нахождения местоположения определенных разделов. Эти заголовки не предназначены для ограничения объема описанных решений, а описанные принципы могут применяться в других разделах всего описания.

Предшествующее описание раскрытых вариантов осуществления предоставлено, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники реализовать или использовать настоящее изобретение. Различные модификации по отношению к этим вариантам осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники, а общие принципы, определенные в материалах настоящей заявки, могут быть применены к другим вариантам осуществления без изменения сущности и объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, а согласовано с наиболее широким объемом, совместимым с принципами и новыми признаками, раскрытыми в настоящей заявке.

Формула изобретения

1. Способ обработки данных для передачи в системе беспроводной связи с множеством входов и одним выходом (MISO) состоящий в том, что:

обрабатывают данные для получения блока символов данных и

выполняют пространственную обработку блока символов данных с помощью множества управляющих векторов для получения множества последовательностей символов передачи для множества передающих антенн, при этом множество управляющих векторов рандомизируют действующий канал MISO, отслеживаемый принимающим объектом, для блока символов данных.

2. Способ по п.1, в котором дополнительно

разделяют блок символов данных на множество субблоков символов данных и

выбирают управляющий вектор для каждого из множества субблоков символов данных, при этом выполнение пространственной обработки блока символов данных включает в себя выполнение пространственной обработки над каждым из множества субблоков символов данных с помощью управляющего вектора, выбранного для субблока.

3. Способ по п.1, в котором любая пара управляющих векторов из множества управляющих векторов имеет низкую корреляцию.

4. Способ по п.1, в котором дополнительно формируют множество управляющих векторов с помощью базовой матрицы и, по меньшей мере, одного скаляра.

5. Способ по п.1, в котором дополнительно выбирают множество управляющих векторов из набора L управляющих векторов детерминированным образом, где L – целое число, большее единицы.

6. Способ по п.1, в котором дополнительно выбирают множество управляющих векторов из набора L управляющих векторов псевдослучайным образом, где L – целое число, большее единицы.

7. Способ приема передачи данных в системе беспроводной связи с множеством входов и одним выходом (MISO), состоящий в том, что:

получают принятые символы данных для блока символов данных, пространственно обработанных с помощью множества управляющих векторов до передачи через канал MISO;

получают оценку характеристики канала для действующего канала MISO, сформированного каналом MISO и множеством управляющих векторов; и

выполняют детектирование принятых символов данных с помощью оценки характеристики канала для получения оценок символов данных для блока символов данных.

8. Способ по п.7, в котором дополнительно выбирают управляющий вектор из набора L управляющих векторов для каждого интервала передачи, где L – целое число, большее единицы, при этом оценка характеристики канала для каждого интервала передачи получена на основании выбранного управляющего вектора для интервала передачи.

9. Способ обеспечения данных для передачи в системе беспроводной связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO), состоящий в том, что:

обрабатывают данные для получения, по меньшей мере, одного блока символов данных;

выполняют пространственную обработку, по меньшей мере, одного блока символов данных с помощью множества управляющих матриц для получения множества последовательностей символов передачи, каждая из которых соответствует отличающейся части, по меньшей мере, одного блока символов данных; и

выдают множество последовательностей символов передачи на множество передающих антенн для передачи в кадре, причем множество управляющих матриц рандомизируют действующий канал MIMO, отслеживаемый принимающим объектом, для, по меньшей мере, одного блока символов данных.

10. Способ по п.9, в котором дополнительно

разделяют, по меньшей мере, один блок символов данных на множество субблоков символов данных и

выбирают управляющую матрицу для каждого субблока символов данных,

при этом выполнение пространственной обработки, по меньшей мере, одного блока символов данных включает в себя выполнение пространственной обработки над каждым субблоком символов данных с помощью управляющей матрицы, выбранной из множества для данного субблока.

11. Способ по п.10, в котором разделение, по меньшей мере, одного блока символов данных содержит разделение, по меньшей мере, двух блоков символов данных на множество субблоков символов данных, так что каждый субблок включает в себя символы данных из каждого из, по меньшей мере, двух блоков.

12. Способ по п.9, в котором дополнительно передают каждую последовательность пространственно обработанных символов данных посредством множества передающих антенн в соответствующей группе частотных поддиапазонов.

13. Способ по п.9, в котором дополнительно передают множество последовательностей символов передачи посредством множества передающих антенн.

14. Способ по п.9, в котором дополнительно выбирают множество управляющих матриц из набора L управляющих матриц, где L – целое число, большее единицы.

15. Способ по п.14, в котором дополнительно выбирают множество управляющих матриц из набора L управляющих матриц детерминированным образом, где L – целое число, большее единицы.

16. Способ по п.9, в котором дополнительно выбирают множество управляющих матриц из набора L управляющих матриц циклическим перебором по L управляющим матрицам в последовательном порядке, где L – целое число, большее единицы.

17. Способ по п.9, в котором дополнительно выбирают множество управляющих матриц из набора L управляющих матриц псевдослучайным образом, где L – целое число, большее единицы.

18. Способ по п.9, в котором дополнительно выбирают другую очередность L управляющих матриц для каждой последовательности из L последовательностей из множества субблоков, где L – целое число, большее единицы.

19. Способ по п.9, в котором множество управляющих матриц являются унитарными матрицами.

20. Способ по п.9, в котором множество управляющих матриц имеют низкую корреляцию между любыми двумя управляющими матрицами.

21. Способ по п.9, в котором дополнительно формируют множество управляющих матриц с помощью базовой матрицы и множества скаляров.

22. Способ по п.9, в котором дополнительно формируют множество управляющих матриц на основании начальной унитарной матрицы и диагональной матрицы из L-тых корней единицы, где L – целое число, большее единицы.

23. Способ по п.9, в котором дополнительно формируют множество управляющих матриц на основании набора независимых, равномерно распределенных унитарных матриц.

24. Способ по п.9, в котором дополнительно разделяют, по меньшей мере, один блок символов данных на множество субблоков символов данных, каждый субблок символов данных предназначен для передачи в соответствующей группе, по меньшей мере, одного частотного поддиапазона и посредством множества передающих антенн, при этом выполнение пространственной обработки включает в себя выполнение пространственной обработки субблока символов данных для каждой группы из, по меньшей мере, одного частотного поддиапазона с помощью соответствующей управляющей матрицы из множества управляющих матриц.

25. Устройство беспроводной связи, содержащее:

процессор данных для обработки данных для получения, по меньшей мере, одного блока символов данных и

пространственный процессор для выполнения пространственной обработки, по меньшей мере, одного блока символов данных с помощью множества управляющих матриц для получения множества последовательностей символов передачи, каждый из которых соответствует отличающейся части, по меньшей мере, одного блока символов данных; и для выдачи множества последовательностей символов передачи на множество передающих антенн для передачи в кадре, при этом множество управляющих матриц рандомизируют действующий канал MIMO, отслеживаемый принимающим объектом, по меньшей мере, для одного блока символов данных.

26. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает разделение, по меньшей мере, двух блоков символов данных на множество субблоков символов данных, так что каждый субблок включает в себя символы данных из каждого из, по меньшей мере, двух блоков.

27. Устройство по п.25, дополнительно содержащее процессор передачи, обеспечивающий передачу каждой последовательности пространственно обработанных символов данных посредством множества передающих антенн в соответствующей группе частотных поддиапазонов.

28. Устройство по п.25, дополнительно содержащее процессор передачи, обеспечивающий передачу множества последовательностей символов передачи посредством множества передающих антенн.

29. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает выбор множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц, где L – целое число, большее единицы.

30. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает выбор множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц детерминированным образом, где L – целое число, большее единицы.

31. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает выбор множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц циклическим перебором по L управляющим матрицам в последовательном порядке, где L – целое число, большее единицы.

32. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает выбор множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц псевдослучайным образом, где L – целое число, большее единицы.

33. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает выбор другой очередности L управляющих матриц для каждой последовательности из L последовательностей из множества последовательностей, где L – целое число, большее единицы.

34. Устройство по п.25, в котором множество управляющих матриц являются унитарными матрицами.

35. Устройство по п.25, в котором множество управляющих матриц имеют низкую корреляцию между любыми двумя управляющими матрицами.

36. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает формирование множества управляющих матриц с помощью базовой матрицы и множества скаляров.

37. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает формирование множества управляющих матриц на основании начальной унитарной матрицы и диагональной матрицы из L-тых корней единицы, где L – целое число, большее единицы.

38. Устройство по п.25, в котором пространственный процессор обеспечивает формирование множества управляющих матриц на основании набора независимых, равномерно распределенных унитарных матриц.

39. Устройство по п.25, в котором процессор данных обеспечивает разделение, по меньшей мере, одного блока символов данных на множество субблоков символов данных, причем каждый субблок символов данных предназначен для передачи в соответствующей группе, по меньшей мере, одного частотного поддиапазона и посредством множества передающих антенн, и

пространственный процессор обеспечивает выполнение пространственной обработки субблока символов данных для каждой группы из, по меньшей мере, одного частотного поддиапазона с помощью соответствующей управляющей матрицы из множества управляющих матриц.

40. Устройство беспроводной связи, содержащее:

средство для обработки данных для получения, по меньшей мере, одного блока символов данных и

средство для выполнения пространственной обработки, по меньшей мере, одного блока символов данных с помощью множества управляющих матриц для получения множества последовательностей символов передачи, каждый из которых соответствует отличающейся части, по меньшей мере, одного блока символов данных, и

средство для выдачи множества последовательностей символов передачи на множество передающих антенн для передачи в кадре, при этом множество управляющих матриц рандомизируют действующий канал MIMO, отслеживаемый принимающим объектом, по меньшей мере, для одного блока символов данных.

41. Устройство по п.40, дополнительно содержащее:

средство для разделения, по меньшей мере, одного блока символов данных на множество субблоков символов данных и

средство для выбора управляющей матрицы для каждого субблока символов данных,

причем средство для выполнения пространственной обработки, по меньшей мере, одного блока символов данных содержит средство для выполнения пространственной обработки каждого субблока символов данных с помощью управляющей матрицы из множества, выбранной для данного субблока,

42. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для передачи каждой последовательности пространственно обработанных символов данных посредством множества передающих антенн в соответствующей группе частотных поддиапазонов.

43. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для передачи множества последовательностей символов передачи посредством множества передающих антенн.

44. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для выбора множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц, где L – целое число, большее единицы.

45. Устройство по п.40. дополнительно содержащее средство для выбора множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц детерминированным образом, где L – целое число, большее единицы.

46. Устройство по п.44, дополнительно содержащее средство для выбора множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц циклическим перебором по L управляющим матрицам в последовательном порядке, где L – целое число, большее единицы.

47. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для выбора множества управляющих матриц из набора L управляющих матриц псевдослучайным образом, где L – целое число, большее единицы.

48. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для выбора другой очередности L управляющих матриц для каждой последовательности из L последовательностей из множества последовательностей, где L – целое число, большее единицы.

49. Устройство по п.40, в котором множество управляющих матриц являются унитарными матрицами.

50. Устройство по п.40, в котором множество управляющих матриц имеют низкую корреляцию между любыми двумя управляющими матрицами.

51. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для формирования множества управляющих матриц с помощью базовой матрицы и множества скаляров.

52. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для формирования множества управляющих матриц на основании начальной унитарной матрицы и диагональной матрицы из L-тых корней единицы, где L – целое число, большее единицы.

53. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для формирования множества управляющих матриц на основании набора независимых, равномерно распределенных унитарных матриц.

54. Устройство по п.40, дополнительно содержащее средство для разделения, по меньшей мере, одного блока символов данных на множество субблоков символов данных, причем каждый субблок символов данных предназначен для передачи в соответствующей группе, по меньшей мере, одного частотного поддиапазона и посредством множества передающих антенн, при этом средство для выполнения пространственной обработки содержит средство для выполнения пространственной обработки субблока символов данных для каждой группы из, по меньшей мере, одного частотного поддиапазона с помощью соответствующей управляющей матрицы из множества управляющих матриц.

РИСУНКИ