DE60117918T2

DE60117918T2 - Modifizierter raum-zeit block-sendediversitätskodierer

Info

Publication number: DE60117918T2
Application number: DE60117918T
Authority: DE
Inventors: Younglok Fort Lee KIM; Ariela Huntington ZEIRA
Original assignee: InterDigital Technology Corp
Current assignee: InterDigital Technology Corp
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP2008172814A; CA2431157A1; EP1342336A2; CN1481630A; ES2260159T3; KR100523182B1; CA2431157C; NO20032644D0; DE60117918D1; US20020101845A1; EP1342336B9; KR20030061436A; JP2004523943A; AU2002220223A1; KR100733437B1; NO20032644L; WO2002049236A3; MXPA03005324A; KR20030087083A; ATE320682T1

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationssysteme, die Kodemultiplex-Vielfachzugriffsverfahren (CDMA-Verfahren) verwenden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Sendediversitätsmodell, das auf ein CDMA-Kommunikationssystem angewendet werden kann.
Räumliche Diversität wurde vorgeschlagen, um Benutzer mit sehr hohen Datenraten in Breitband-Kodemultiplex-Vielfachzugriffsystemen der dritten Generation zu unterstützen. Unter Verwendung mehrerer Antennen erzielen die Systeme bessere Verstärkungen und eine bessere Verbindungsqualität, was zu einer erhöhten Systemkapazität führt. Klassisch wurde die Diversität durch die Verwendung der Keulenschwenkung oder durch Diversitätskombinieren ausgenutzt.
In jüngerer Zeit wurde erkannt, daß die koordinierte Verwendung von Diversität durch die Verwendung von Raum-Zeit-Kodes erreicht werden kann. Derartige Systeme können die Kapazität theoretisch um bis zu einen Faktor gleich der Anzahl von Sende- und Empfangsantennen in der Anordnung erhöhen. Raum-Zeit-Blockkodes wirken auf einen Block von Eingangssymbolen und erzeugen eine Matrixausgabe über Antennen und Zeit.
In der Vergangenheit haben Raum-Zeit-Sendediversitätssysteme aufeinanderfolgende Symbole gleichzeitig mit ihren komplex Konjugierten übermittelt. Diese Art von System kann jedoch zu einem Symbolüberlapp am Empfangsende führen, wobei die Größe des Überlapps von der Länge der Impulsantwort des Ausbreitungskanals abhängt. In der Zeitmultiplexduplex-Betriebsart (TDD-Betriebsart) muß dieser Symbolüberlapp in dem gemeinsamen Detektionsempfänger berücksichtigt werden. Der gemeinsame Detektor muß die übermittelten Symbole und ihre Konjugierten schätzen, was zu einer Erhöhung der Komplexität der gemeinsamen Detektion führt.
Um diese Erhöhung bei der gemeinsamen Detektion zu verringern, wurden Systeme erzeugt, die zwei ähnliche, aber unterschiedliche Datenfelder übermitteln. Das erste Datenfeld mit einem ersten Abschnitt D₁₁ und einem zweiten Abschnitt D₁₂ wird von der ersten Antenne übermittelt. Ein zweites Datenfeld wird erzeugt, indem das erste Datenfeld verändert wird. Die Negation der Konjugierten von D₁₂, D₁₂*, ist der erste Abschnitt des zweiten Datenfeldes und die Konjugierte von D₁₁, D₁₁*, ist der zweite Abschnitt. Das zweite Datenfeld wird gleichzeitig von der zweiten Antenne übermittelt. Diese Art von System führt zu der gemeinsamen Detektion, die an dem Empfänger implementiert ist und die nur die gleiche Menge an Symbolen schätzen muß wie im Fall einer einzigen Sendeantenne. Ein Blockdiagramm dieses Systems ist in 1 dargestellt.
Unter Vernachlässigung der Kreuzinterferenz zwischen den Blöcken kann das Empfangssignalmodell genähert werden als:
wobei
dd →₁ = [S₁, S₂, ..., S_N/2]^T
dd →₂ = [S_N/2+1, S_N/2+2, ..., S_N]^T
die Vektorformen der Sendesymbolfolgen sind. A_ij und B_ij sind Teilmatrizen der Ausbreitungsbandmatrizen A und B gemäß den Kanälen von der Antenne 1 und 2 jeweils an einen bestimmten Benutzer. Sie werden durch die folgenden (2 × 2)-Blockmatrixdarstellungen umgeschrieben:

Jede Spalte der Matrizen A und B ist die verschobene Version der Faltung des Spreizkodes und der Kanalimpulsantwort von der ersten bzw. den Diversitätsantennen.
Das Modell von Gleichung 1 kann unter Verwendung eines MMSE-BLE gelöst werden durch:
wobei σ 2 / m die Abweichung des zusätzlichen weißen Gaußschen Rauschens ist. Sie kann unter Verwendung der Teilblockmatrixbearbeitungen und Toeplitz-Band-Näherungen vereinfacht werden.
Das Problem mit dem obigen Sendediversitätssystem ist, daß der erste und zweite Abschnitt D₁₁, D₁₂ des ersten Datenfeldes die gleiche Anzahl von Symbolen in jedem der Abschnitte erfordern. Einige TDD-Datenfelder umfassen eine ungerade Anzahl von Symbolen. Wen das Datenfeld in zwei Abschnitte geteilt wird, haben die zwei Abschnitte daher eine unterschiedliche Anzahl von Symbolen. Ein Verfahren für den Umgang mit dieser Ungleichheit muß implementiert werden. Ein Ansatz dupliziert das erste Symbol, um dieses Problem zu mildern. Andere Ansätze sind auf dem Fachgebiet bekannt. Die Verwendung eines dieser Verfahren führt zu zusätzlichen Berechnungen für die gemeinsame Detektion an dem Empfänger. Insbesondere wird das erste Symbol nicht STTD-kodiert und folglich wird die STTD-Kodiererausgabe: S1' – (S(N+1)/2+1, S(N+1)/2+2, ..., SN)*, S2, S3, ..., S(N+1)/2)*
Außerdem führt die Anfangsnäherung durch Eliminieren der Mittelelemente von Gleichung 1 einen kleinen Fehler in das gemeinsame Detektionsverfahren ein.
Folglich besteht ein Bedarf an anderen Sendediversitätssystemen.
EP 0 993 129 offenbart eine Raum-Zeit-Block-kodierte Sendeantennendiversität in einem CDMA-System, das die Kanalschätzung für die Signaldekodierung erleichtert.
WO 02/47273 offenbart eine Block-Raum-Zeit-Sendediversität unter Verwendung mehrerer Spreizkodes, wobei die genannte Veröffentlichung unter die Vorschriften von Art. 54(3) EPC fällt, die eine absolute Neuheit der vorliegenden Ansprüche erfordern.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung ist ein System und ein Verfahren zum Übermitteln von Datensymbolen in einem CDMA-Kommunikationssystem mit einem Sender mit einer Antennenanordnung und einem Empfänger. Das System erzeugt ein erstes und ein zweites Datenfeld von Symbolen, kodiert sie dann, um komplex Konjugierte der jeweiligen Symbole zu erzeugen. Von dem Sender werden dann ein erster Kommunikationsburst, der das erste und zweite Datenfeld einschließt, die durch eine Midamble getrennt sind, über eine erste Antenne und ein zweiter Kommunikationsburst, der unter Verwendung der komplex Konjugierten der ersten und zweiten Datenfelder erzeugt wurde, die durch eine zweite Midamble getrennt sind, über eine zweite Antenne übermittelt. Der Empfänger empfängt dann die ersten und zweiten Kommunikationsbursts und dekodiert sie, um das erste und zweite Datenfeld zurückzugewinnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild eines Kommunikationssystems des bisherigen Stands der Technik, das Raum-Zeit-Sendediversität verwendet.
2 ist ein Blockschaltbild eines Senders und Empfängers in einem Kommunikationssystem gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Flußdiagramm des Sendediversitätssystems der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine graphische Darstellung der Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
2 ist ein Blockschaltbild eines Senders 10, der bevorzugt an einer Basisstation angesiedelt ist, und eines Senders 20, der bevorzugt an einem Benutzergerät (UE) in einem CDMA-Kommunikationssystem gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angesiedelt ist. Obwohl es bevorzugt wird, daß der Sender an einer Basisstation angesiedelt ist und der Empfänger an dem UE angesiedelt ist, können der Empfänger und der Sender die Standorte wechseln, und die vorliegende Erfindung kann in einer Kommunikation der Aufwärtsstrecke arbeiten. Der Sender 10 weist einen Blockkodierer 11, mehrere Kanalteilungsvorrichtungen 8, 9, mehrere Spreizfolgen-Einfügungsvorrichtungen 12, 13 und mehrere Antennen 15, 16 auf. Obwohl 1 einen Sender darstellt, der zwei (2) Antennen aufweist, sollte für Fachleute auf dem Gebiet klar sein, daß zwei (2) Antennen ebenso wie N Antennen verwendet werden können.
Ein typischer Kommunikationsburst hat zwei Datenfelder, die durch eine Midamblefolge getrennt sind. Daten, die von dem Sender 10 übermittelt werden sollen, werden von einem (nicht gezeigten) Datengenerator erzeugt. Die sich ergebenden Datensymbole (S₁₁, S₁₂, ... S_1x) des ersten Datenfeldes und (S₂₁, S₂₂, ... S_2x) des zweiten Datenfeldes, die als d₁ bzw. d₂ dargestellt werden, werden an die erste Kanalteilungsvorrichtung 8 und den Blockkodierer 11 weitergeleitet. Bevorzugt ist der Blockkodierer 11 ein Raum-Zeit-Block-Sendediversitätskodierer (BSTTD-Kodierer). Der Blockkodierer 11 kodiert die Eingangssymbole beider Datenfelder d₁, d₂ und erzeugt die komplex Konjugierte von d₁ und die Negation der komplex Konjugierten von d₂: d₁*, –d₂*. Der Kodierer 11 ändert auch die Reihenfolge der Datenfelder, so daß –d₂* vor d₁* ist.
Wenn die komplex Konjugierten einmal erzeugt worden sind und die Reihenfolge geändert wurde, leitet der Kodierer 11 die zwei Datenfelder –d₂*, d₁*, an eine zweite Kanalteilungsvorrichtung 9 weiter. Die erste und zweite Kanaltei lungsvorrichtung 8, 9 spreizen ihre jeweiligen Datenfelder unter Verwendung des gleichen Kanalteilungskodes. Die erste Kanalteilungsvorrichtung spreizt die Datenfelder d₁, d₂, und die zweite Kanalteilungsvorrichtung spreizt die Datenfelder –d₂*, d₁*. Die von jeder der Kanalteilungsvorrichtungen 8, 9 gespreizten Datenfelder werden dann unter Verwendung eines mit dem Sender 10 assoziierten Verwürfelungskodes verwürfelt.
Nachdem jedes gespreizte Datenfeld verwürfelt worden ist, werden sie an eine erste bzw. zweite Trainingsfolgen-Einfügungsvorrichtung 12, 13 weitergeleitet. Die gespreizten Datenfelder d₁, d₂ werden an die erste Trainingsfolgenvorrichtung 12 weitergeleitet, und die gespreizten Datenfelder –d₂*, d₁* werden an die zweite Trainingsfolgenvorrichtung 13 weitergeleitet. Die Trainingsfolgenvorrichtungen 12, 13 fügen zwischen den zu der jeweiligen Folgevorrichtung 12, 13 gehörenden gespreizten Datenfeldern eine erste bzw. zweite Midamble ein. Die erste Midamble ist mit einer ersten der mehreren Antennen 15 assoziiert, und die zweite Midamble ist mit einer zweiten der mehreren Antennen 15 assoziiert. Das Einfügen der Midamble zwischen den gespreizten Datenfeldern erzeugt jeweils zwei Kommunikationsbursts 17, 18. Ein typischer Kommunikationsburst 17 hat, wie in 2 gezeigt, die Midamble, eine Schutzzeit und zwei Datenfelder d₁, d₂.
Die zwei Bursts 17, 18 werden moduliert und gleichzeitig über die Antenne 15 bzw. die Diversitätsantenne 17 an den Empfänger 20 übermittelt.
Wieder Bezug nehmend auf 2 weist der Empfänger 20 zwei gemeinsame Detektionsvorrichtungen (JD) 24, einen BSTTD-Dekodierer 22, eine Kanalteilungsvorrichtung 23 und eine Antenne 26 auf. Die Antenne 26 des UE empfängt verschiedene HF-Signale, einschließlich der Kommunikationsbursts 12, 18 von dem Sender 10. Die HF-Signale werden dann demoduliert, um ein Basisbandsignal zu erzeugen.
Das Basisbandsignal wird dann an den JD 24 und die Kanalschätzvorrichtung 24 weitergeleitet. Die Kanalschätz vorrichtung 23 stellt Kanalinformationen, wie etwa Kanalimpulsantworten an die JD 24 bereit. Die JD 24 sind mit der Kanalschätzvorrichtung 23 verbunden, und der BSTTD-Dekoder nutzt die Kanalinformationen und die Kanalteilungskodes, um die Datenfelder d₁, d₂, –d₂*, d₁* der übermittelten Kommunikationsbursts 17, 18 in dem Empfangssignal zu detektieren. Das exakte Empfangssignalmodell gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann dargestellt werden durch:
wobei r₁ und r₂ die Empfangssignale sind, und d₁ und d₂ die übermittelte Symbolfolge des ersten bzw. zweiten Datenfeldes sind. Wie Fachleute auf dem Gebiet wissen, sind A und B Aausbreitungsbandmatrizen entsprechend den Kanälen von den Antennen 15 und 16. Da d₁ und d₂ durch die Schutzzeit und die Midamble begrenzt sind, welche typischerweise gelöscht wird, fallen die mittleren Terme innerhalb einer Datenfeldkodierung heraus. Folglich ist Gleichung 3 keine Näherung.
Die JDs 24, 25 können jede Art von Datendetektionsverfahren und bevorzugt eines, das die obige Darstellung des Empfangssignals verwendet, verwenden. Bevorzugt wird ein lineares Blockentzerrungsverfahren mit minimalen mittleren Quadraten (MMSE-BLE-Verfahren) für die Datendetektion verwendet. Die MMSE-BLE-basierte Datendetektion wird geschrieben durch:
wobei
mit D11 = AH A + (BH B)* + σ2n I D21 = (BH A)T – BH A(·)^T, (·)^H und (·)* bezeichnen jeweils die transponierte, die komplex konjugiert transponierte und die komplex konjugierte Funktion. Unter Verwendung der zyklischen Reduzierung für die Cholesky-Zerlegung der Toeplitz-Bandmatrix zusammen mit etwas Teilmatrizenbearbeitung werden die Datenfelder d₁, d₂, –d₂*, d₁* von dem JD 24 zum Beispiel unter Verwendung des Block-STTD-BLE-JD-Algorithmus geschätzt.
Das Flußdiagramm des Kommunikationssystems der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt. Ein Datengenerator erzeugt Daten, die an den Empfänger 20 übermittelt werden sollen 20 (Schritt 301). Die Datenfelder d₁, d₂ werden an den Blockkodierer 11 und die erste Kanalteilungsvorrichtung 8 weitergeleitet (Schritt 302). Die an den Blockkodierer 11 weitergeleiteten Teildatenfelder werden kodiert (Schritt 303) und an die zweite Kanalteilungsvorrichtung 9 weitergeleitet (Schritt 304). Jede Kanalteilungsvorrichtung 8, 9 spreizt ihr jeweiliges eingegebenes Datenfeld unter Verwendung eines Kanalteilungskodes (Schritt 305). Die zwei gespreizten Signale werden dann unter Verwendung des mit dem Sender 10 assoziierten Verwürfelungskodes verwürfelt (Schritt 306) und über Diversitätsantennen 15, 16 an den Sender 20 übermittelt (Schritt 307).
Der Empfänger 20 empfängt ein HF-Kommunikationssignal mit den zwei gespreizten Signalen von den Diversitätsantennen 15, 16 (Schritt 308), demoduliert das Signal und leitet das demodulierte Signal an die Kanalschätzvorrichtung 23 und die gemeinsame Detektionsvorrichtung 24 weiter (Schritt 309). Das empfangene Signals wird von der Kanalschätzvorrichtung 23 verarbeitet (Schritt 310), und die Kanalinformationen werden von den gemeinsamen Detektionsvorrichtungen 24, 25 zusammen mit den Kanalteilungskodes angewendet, um die von den Diversitätsantennen 15, 16 übermittelten Symbole zu schätzen und zu dekodieren (Schritt 311), was die weichen Symbole der Datenfelder ergibt.
Das System der bevorzugten Ausführungsform stellt ein effizientes Verwahren für die Übermittlung von Daten unter Verwendung von Raum-Zeit-Block-Sendediversität über ein CDMA-Kommunikationssystem zur Verfügung. 4 ist eine graphische Darstellung der Leistungsfähigkeit des Systems der vorliegenden Erfindung mit BSTTD basierend auf zwei Datenfeldern gegenüber der herkömmlichen BSTTD basierend auf einem Datenfeld. Die verbesserte Leistung der vorliegenden Erfindung liegt teilweise an der Tatsache, daß die Interferenz zwischen den zwei Datenfeldern wegen der Midamble- und Schutzzeittrennung zwischen ihnen nicht eingeführt wird. Die vorliegende Erfindung beseitigt auch die Notwendigkeit, daß der Empfänger die ungleiche Datenfeldabschnittskodierung kompensiert, indem er das erste Symbol zweimal verwendet oder ein anderes Kompensationsverfahren implementiert, wobei ein weniger komplexes System bereitgestellt wird, wenn ein Datenfeld mit einer ungeraden Anzahl von Symbolen übermittelt wird.

Claims

Verfahren zur Übermittlung von Datensymbolen in einem CDMA-Kommunikationssystem mit einem Sender (10) mit Antennenanordnung und einem Empfänger (20), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugung (301) eines ersten und eines zweiten Datenfeldes von Symbolen; Kodierung (303) des ersten und zweiten Datenfeldes, wobei die komplex Konjugierten der Symbole des ersten und zweiten Datenfeldes erzeugt werden, vom Sender über eine erste Antenne (15) Übermittlung (307) eines ersten Kommunikationsbursts (17), der das durch eine erste Midamble getrennte erste und zweite Datenfeld einschliesst, und über eine zweite Antenne (16) Übermittlung eines zweiten Kommunikationsbursts (18), der zwei Datenfelder einschliesst, die unter Verwendung der komplex Konjugierten des ersten Datenfeldes bzw. der Negation der komplex Konjugierten des zweiten Datenfeldes erzeugt worden sind, wobei die beiden erzeugten Datenfelder durch eine zweite Midamble getrennt sind und wobei die erste Midamble mit der ersten Antenne (15) und die zweite Midamble mit der zweiten Antenne (16) assoziiert ist; und Empfang (308) am Empfänger und Dekodierung (311) des ersten und zweiten Kommunikationsbursts, um das erste und zweite Datenfeld zurückzugewinnen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangs- und Dekodierschritt umfasst: Abschätzung einer Kanalantwort des ersten und zweiten Kommunikationsbursts (17, 18) unter Verwendung der Burst-Midambeln; und Auffindung der Symbole des ersten und zweiten Kommunikationsbursts (17, 18) als Reaktion auf die Kanalantwort.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Basisstation den Empfänger (20) und ein Benutzergerät den Sender (10) einschliesst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Benutzergerät den Empfänger (20) und eine Basisstation den Sender (10) einschliesst.
CDMA-Kommunikationssystem mit einer Basisstation und einem Benutzergerät, wobei das System umfasst: einen Kodierer (11), der ein erstes und zweites Datenfeld von Symbolen kodiert, um komplex Konjugierte der Symbole des ersten und zweiten Datenfeldes zu erzeugen; eine erste und eine zweite Antenne (15, 16) eines Senders (10), der HF-Signale übermittelt, die einen ersten und einen zweiten Kommunikationsburst einschliessen, wobei der erste Kommunikationsburst (17), der das durch eine erste Midamble getrennte erste und zweite Datenfeld einschliesst, durch die erste Antenne (15) übermittelt wird, während der zweite Kommunikationsburst (18), der zwei Datenfelder einschliesst, die unter Benutzung der komplex Konjugierten des ersten Datenfeldes bzw. der Negation der komplex Konjugierten des zweiten Datenfeldes erzeugt worden sind, durch die zweite Antenne (16) übermittelt wird, wobei die beiden erzeugten Datenfelder durch eine zweite Midamble getrennt sind und wobei die erste Midamble mit der ersten Antenne (15) und die zweite Midamble mit der zweiten Antenne (16) assoziiert ist; und einen Empfänger (20) mit einem Dekodierer, der die HF-Signale dekodiert, um das erste und zweite Datenfeld zurückzugewinnen.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (10) weiter umfasst: einen mit der ersten Antenne (15) assoziierten ersten Burstgenerator, der den ersten Kommunikationsburst (17) erzeugt; und einen mit der zweiten Antenne (16) assoziierten zweiten Burstgenerator, der den zweiten Kommunikationsburst (18) erzeugt.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation den Empfänger (20) und das Benutzergerät den Sender (10) einschliesst.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Benutzergerät den Empfänger (20) und die Basisstation den Sender (10) einschliesst.
Sender (10), der in einem CDMA-Kommunikationssystem mit Basisstation und Benutzergerät Datensymbole übermittelt, wobei der Sender umfasst: einen Kodierer (11), der ein erstes und ein zweites Datenfeld von Symbolen kodiert, um komplex Konjugierte der Symbole des ersten und zweiten Datenfeldes zu erzeugen; und eine erste und eine zweite Antenne (15, 16), die HF-Signale übermitteln, die einen ersten und einen zweiten Kommunikationsburst einschliessen, wobei der erste Kommunikationsburst (17), der das durch eine erste Midamble getrennte erste und zweite Datenfeld einschliesst, durch die erste Antenne (15) übermittelt wird, während der zweite Kommunikationsburst (18), der zwei Datenfelder einschliesst, die unter Benutzung der komplex Konjugierten des ersten Datenfeldes bzw. der Negation der komplex Konjugierten des zweiten Datenfeldes erzeugt worden sind, durch die zweite Antenne (16) übermittelt wird, wobei die beiden erzeugten Datenfelder durch eine zweite Midamble getrennt sind und wobei die erste Midamble mit der ersten Antenne (15) und die zweite Midamble mit der zweiten Antenne (16) assoziiert ist.
Sender (10) nach Anspruch 9, weiter umfassend: einen mit der ersten Antenne (15) assoziierten ersten Burstgenerator, der den ersten Kommunikationsburst (17) erzeugt; und einen mit der zweiten Antenne (16) assoziierten zweiten Burstgenerator, der den zweiten Kommunikationsburst (18) erzeugt.
Sender (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation den Sender einschliesst.
Sender (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Benutzergerät den Sender einschliesst.