DE60129756T2

DE60129756T2 - Kanalschätzung für ein Zeitduplexkommunikationssystem

Info

Publication number: DE60129756T2
Application number: DE60129756T
Authority: DE
Inventors: Ariela Huntington ZEIRA
Original assignee: InterDigital Technology Corp
Current assignee: InterDigital Technology Corp
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2021-01-06
Also published as: JP2005245004A; ATE312459T1; NO20023119D0; KR100481261B1; KR20060007462A; HK1048715A1; JP2003520499A; US20060056494A1; US7672360B2; JP3809377B2; KR20060018928A; EP1245100A1; CA2396571A1; NO20023119L; ES2255010T3; AU2765801A; US20080019426A1; TW512611B; CA2396571C; HK1065202A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein drahtlose Kommunikationssysteme. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Kanalschätzung in einem drahtlosen Kommunikationssystem.
1 zeigt eine Darstellung eines drahtlosen Kommunikationssystems 10. Das Kommunikationssystem 10 weist Basisstationen 12₁ bis 12₅ auf, die mit Benutzereinrichtungen (User Equipments, UEs) 14₁ bis 14₃ kommunizieren. Jeder Basisstation 12₁ ist ein Betriebsbereich zugeordnet, in dem sie mit den Benutzereinrichtungen 14₁ bis 14₃ kommuniziert.
In einigen Kommunikationssystemen, z.B. in Codemultiplex-Vielfachzugriff-(CDMA) und Zeitduplex-Systemen, in denen Codemultiplex-Vielfachzugrifftechniken (TDD/CDMA) verwendet werden, werden mehrere Kommunikationen über das gleiche Frequenzspektrum übertragen. Diese Kommunikationen werden typischerweise anhand ihrer Chip-Codesequenzen unterschieden. Um das Frequenzspektrum effizienter auszunutzen, verwenden TDD/CDMA-Kommunikationssysteme für die Kommunikation sich wiederholende Rahmen, die in Zeitschlitze geteilt sind. Eine in einem derartigen System übertragene Kommunikation wird einen oder mehrere zugeordnete Chip-Codes und Zeitschlitze aufweisen, die ihr basierend auf der Kommunikatioinsbandbreite zugewiesen werden.
Weil mehrere Kommunikationen im gleichen Frequenzspektrum und gleichzeitig übertragen werden können, muß ein Empfänger in einem derartigen System zwischen den mehreren Kommunikationen unterscheiden. Ein Verfahren zum Erfassen der artiger Signale ist ein Einzelbenutzerdetektionsverfahren. Bei einer Einzelbenutzerdetektion erfaßt ein Empfänger nur die Kommunikationen von einem gewünschten Empfänger unter Verwendung eines dem gewünschten Sender zugeordneten Codes und behandelt Signale anderer Sender als Interferenz oder Störung. Ein anderes Verfahren wird als gemeinsame Detektion bezeichnet. Bei einer gemeinsamen Detektion werden mehrere Kommunikationen gleichzeitig erfaßt.
Bei der Verwendung dieser Detektionstechniken ist es wünschenswert, den Funkkanal, über den jede Kommunikation übertragen wird, zu schätzen. In einem typischen TDD-System wird die Kanalschätzung unter Verwendung von Midamble-Sequenzen in Kommunikationsbursts ausgeführt.
"Optimum and Suboptimum Channel Estimation for the Uplink of CDMA Mobile Radio Systems with Joint Detektion" von Steiner et al. beschreibt ein CDMA System, das den Kanal unter Verwendung der empfangenen Midamble-Sequenzen und einer erstellten rechtszirkulären Matrix schätzt.
Ein typischer Kommunikationsburst 16 weist eine Midamble 20, eine Schutzperiode 18 und zwei Datenbursts 22, 24 auf, wie in 2 dargestellt ist. Die Midamble 20 trennt die beiden Datenbursts 22, 24, und die Schutzperiode 18 trennt die Kommunikationsbursts 16, um einen Zeitunterschied in den Ankunftszeiten der von verschiedenen Sendern übertragenen Bursts 16 zuzulassen. Die beiden Datenbursts 22, 24 enthalten die Daten des Kommunikationsbursts. Die Midamble 20 enthält eine für die Kanalschätzung vorgesehene Trainingssequenz.
Nachdem ein Empfänger einen Kommunikationsburst 16 empfangen hat, schätzt er den Kanal unter Verwendung der empfangenen Midamble-Sequenz. Wenn ein Empfänger mehrere Bursts 16 in einem Zeitschlitz empfängt, schätzt er typischerweise den Kanal für jeden Burst 16. Ein Verfahren für eine derar tige Kanalschätzung für über mehrere Kanäle übertragene Kommunikationsbursts ist ein Kanalschätzverfahren nach Steiner. Die Kanalschätzung nach Steiner wird typischerweise für Uplink-Kommunikationen von mehreren Benutzereinheiten 14₁ bis 14₃ verwendet, wobei die Kanalschätzeinrichtung mehrere Kanäle schätzen muß.
In einem Artikel von Steiner und Jung mit dem Titel "Optimum and Suboptimum Channel Estimation for the Uplink of CDMA Mobile Radio Systems with Joint and Detection" wird ein Kanalschätzverfahren beschrieben. Gemäß einem Verfahren wird ein einzelner zyklischer Korrelator verwendet. Unter Verwendung der bekannten übertragenen Midamble-Sequenzen wird eine Matrix M konstruiert. Der empfangene Midamble-Vektor e wird mit der ersten Spalte der Matrix M multipliziert. Die Multiplikation wird durch den zyklischen Korrelator über P Werte und durch (2P – 1)-faches Verschieben der Werte ausgeführt. P ist eine Periode der Midamble-Codes.
In einigen Fällen werden mehrere Bursts 16 über den gleichen Funkkanal übertragen. Gemäß einem System wird ein Dienst verwendet, in dem eine hohe Datenrate verwendet wird, z.B. 2 Mbit/s. In einem derartigen System kann ein Sender mehrere Bursts in einem einzelnen Zeitschlitz übertragen. In diesem Fall kann das Kanalschätzverfahren nach Steiner durch Mittelwertbildung der Kanalantworten von allen Bursts 16 angewendet werden. Dieses Verfahren ist jedoch hochgradig komplex. Daher wäre es wünschenswert, wenn alternative Kanalschätzverfahren zur Verfügung stünden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Ein einzelner Sender überträgt K Kommunikationsbursts, wobei K ≥ 2, in einem gemeinsamen Spektrum in einem Zeitschlitz eines Zeitduplex-Kommunikationssystems. Dem System sind N Midamble-Sequenzen zugeordnet. Jedem Burst ist eine Midamble-Sequenz zugeordnet. Ein Empfänger empfängt einen den übertragenen Midamble-Sequenzen der K Kommunikationsbursts entsprechenden Vektor. Eine Matrix mit N identischen rechts zyklischen Matrixblöcken wird teilweise basierend auf den N bekannten Midamble-Sequenzen konstruiert. Der Funkkanal zwischen Sender und Empfänger wird basierend teilweise auf einem der N Blöcke und dem empfangenen Vektor geschätzt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein drahtloses Kommunikationssystem;
2 zeigt eine Darstellung eines Kommunikationsbursts;
3 zeigt einen vereinfachten Multiburstsender und -empfänger; und
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Multiburst-Kanalschätzverfahrens.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
3 zeigt einen vereinfachten Multicode-Sender 26 und einen Multicode-Empfänger 28 in einem TDD/CDMA-Kommunikationssystem. In einer bevorzugten Anwendung, z.B. in einem 2 MBit/s-Downlink-Dienst, ist der Empfänger 28 eine Benutzereinrichtung 14₁ , und der Sender 26 ist eine Basisstation 12₁ , obwohl der Empfänger 28 und der Sender auch für andere Anwendungen verwendbar sind.
Der Sender 26 überträgt Daten über einen Funkkanal 30. Die Daten werden in K Kommunikationsbursts übertragen. Datengeneratoren 32₁ bis 32_K im Sender 26 erzeugen an den Empfänger 28 zu übertragende Daten. Modulations-/Spreiz- und Trainigssequenzeinfügungsvorrichtungen 34₁ bis 34_K spreizen die Daten und multiplexen die gespreizten Referenzdaten zeitlich mit einer Midamble-Trainingssequenz im geeigneten zugewiesenen Zeitschlitz und mit Codes zum Spreizen der Daten, um die K Kommunikationsbursts zu erzeugen. Typische Werte für K für eine Downlink-Bursts übertragende Basisstation 12₁ liegen im Bereich von 2 bis 16. Die Kommunikationsbursts werden durch eine Kombiniereinrichtung 48 kombiniert und durch einen Modulator 36 auf eine Funkfrequenz (Radio Frequency, RF) aufmoduliert. Eine Antenne 38 strahlt das RF-Signal über einen Funkkanal 30 ab zu einer Antenne 40 des Empfängers 28. Der für die Kommunikation verwendete Modulationstyp kann ein beliebiger auf dem Fachgebiet bekannter Modulationstyp sein, z.B. eine binäre Phasenumtastung (BPSK) oder eine Quadratur-Phasenumtastung (QPSK).
Die Antenne 40 des Empfängers 28 empfängt verschiedene Funkfrequenzsignale. Die empfangenen Signale werden durch einen Demodulator 42 demoduliert, um ein Basisbandsignal zu erzeugen. Das Basisbandsignal wird z.B. durch eine Kanalschätzeinrichtung 44 und eine Datenerfassungseinrichtung 46 im Zeitschlitz und mit geeigneten Codes verarbeitet, die den übertragenen Kommunikationsbursts zugewiesen sind. Die Datenerfassungseinrichtung 46 kann ein Mehrbenutzerdetektor oder ein Einzelbenutzerdetektor sein. Die Kanalschätzeinrichtung 44 verwendet die Midamble-Trainingssequenzkomponente im Basisbandsignal, um Kanalinformation bereitzustellen, z.B. Kanalimpulsantworten. Die Kanalinformation wird durch die Datenerfassungseinrichtung 46 zum Schätzen der Sendedaten der empfangenen Kommunikationsbursts als harte Symbole verwendet.
Zum Erläutern einer Implementierung einer Multiburstkanalschätzung wird der folgende Midamble-Typ verwendet, obwohl die Multiburstkanalschätzung auch auf andere Midamble-Typen anwendbar ist. Die K Midamble-Codes m ^(k) wobei k = 1...K ist, werden als zeitverschobene Versionen eines periodischen einzelnen Midamble-Codes m _p von Perioden(P)chips hergeleitet. Die Länge jedes Midamble-Codes beträgt L_m = P + W – 1, wobei W die Länge der Benutzerkanalimpulsantwort ist. Typische Werte für L_m sind 256 und 512 Chips. W bezeichnet die Länge der Benutzerkanalimpulsantwort. Obwohl die folgende Diskussion darauf basiert, daß jeder Burst einen anderen Midamble-Code aufweist, können einige Midambles den gleichen Code aufweisen. Daher basiert die Analyse auf N Midamble-Codes N < K. Außerdem kann das System eine maximale Anzahl N zulässiger Midamble-Codes aufweisen. Der Empfänger 28 in einem solchen System kann den Kanal bezüglich der maximalen Anzahl N von Codes schätzen, auch wenn weniger als N Codes übertragen werden.
Die Elemente von m _p nehmen Werte aus dem Satz {1, –1} ganzer Zahlen an. Die Sequenz m _p wird zunächst in eine komple xe Sequenz
umgewandelt, wobei i = 1...P ist. Die Werte m ^(k) werden erhalten, indem K Untersequenzen der Länge L_m von einer Sequenz der Länge 2P genommen werden, die durch Verknüpfen zweier Perioden von
gebildet wird. Das i-te Element von m ^(k) steht mit
gemäß Gleichung 1 in Beziehung.
Daher verschiebt sich der Anfangspunkt von m ^(k), k = 1...K um W Chips nach rechts, wenn k von 1 bis K ansteigt.
Die kombinierten empfangenen Midamble-Sequenzen sind eine Überlagerung von K Faltungen. Die k-te Faltung stellt die Faltung von m ^(k) mit h ^(k) dar. h ^(k) ist die Kanalantwort des k-ten Benutzers. Das vorangehende Datenfeld im Burst verfälscht die ersten (W – 1) Chips der empfangenen Midamble. Daher werden für die Kanalschätzung nur die letzten P von L_m Chips verwendet.
Nachstehend wird eine Multiburst-Kanalschätzung in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm von 4 erläutert. Um die einzelnen Kanalantworten h ^(k) zu erhalten, wird Gleichung 2 verwendet.
wobei r_W ... r_LM die empfangenen kombinierten Chips der Midamble-Sequenzen bezeichnen. Die m Werte sind die Elemente von m _p.
Gleichung 2 kann auch in kürzerer Form als Gleichung 3 umgeschrieben werden.
Jeder Ausdruck M⁽ ^k) bezeichnet eine KW×W-Matrix. r bezeichnet die empfangenen Midamble-Chip-Antworten. Wenn alle Bursts über den gleichen Kanal übertragen werden, kann h ^(l) ... h ^(k) durch h ersetzt werden, wie in Gleichung 4 dargestellt ist (50).
G ist gemäß Gleichung 5 definiert. G = [M( 1 ), ..., M( k), ..., M( K)] Gleichung 5
Dadurch wird G eine KW×KW-Matrix. Weil G eine rechts zyklische Matrix ist, kann Gleichung 4 unter Verwendung von K identischen rechts zyklischen Matrixblöcken B umgeschrieben werden, wie durch Gleichung 6 dargestellt ist (52).
B ist eine rechts zyklische W×W-Matrix. Die Anzahl der B-Blöcke beträgt K. Unter Verwendung von Gleichung 6 kann Gleichung 4 in Gleichung 7 umgeschrieben werden. Dh = r Gleichung 7
Gleichung 7 beschreibt ein überbestimmtes System mit den Dimensionen KW×W. Ein Verfahren zum Lösen von Gleichtung 7 ist eine Methode der kleinsten Quadrate (54). Die Lösung gemäß der Methode der kleinsten Quadrate von Gleichung 7 ist durch Gleichung 8 gegeben.
D^H ist eine Hermitesche von D.
Durch Anwenden von Gleichung 6 auf Gleichung 8 wird Gleichung 9 erhalten.
Der empfangene Vektor r mit der Dimension KW kann gemäß Gleichung 10 zerlegt werden.
Die Dimension von r k ist W. Durch Substituieren der Gleichungen 9 und 10 in Gleichung 8 wird die Lösung nach der Methode der kleinsten Quadrate für die Kanalkoeffizienten gemäß Gleichung 11 erhalten.
r k stellt den Mittelwert der Segmente von r dar. Weil B eine quadratische Matrix ist, wird Gleichung 11 in Gleichung 12 umgeschrieben.
Weil B eine rechts zyklische Matrix ist und das Inverse einer rechts zyklischen Matrix ebenfalls rechts zyklisch ist, kann die Kanalschätzeinrichtung durch einen einzigen zyklischen Korrelator mit der Dimension 57 oder durch eine diskrete Fouriertransformations(DFT)lösung implementiert werden.
Ein W-Punkt-DFT-Verfahren wird folgendermaßen implementiert. Weil B rechts zyklisch ist, kann Gleichung 13 verwendet werden. B = D–1w ·ΛC·DW Gleichung 13
D_W bezeichnet die W-Punkt-DFT-Matrix gemäß Gleichung 14.
Λ_C bezeichnet eine diagonale Matrix, deren Hauptdiagonale die diskrete Fouriertrarisformierte (DFT) der ersten Spalte von B ist, wie in Gleichung 15 dargestellt ist. ΛC = diag(DW(B(:, 1))) Gleichung 15
Daher ist D_W der DFT-Operator, so daß D_W x die W-Punkt-DFT des Vektors x darstellt. Durch Substituieren von Gleichung 13 in Gleichung 12 und Verwenden von
wird Gleichung 16 erhalten.
D * / W bezeichnet die elementweise komplex Konjugierte von D_W.
Alternativ kann eine äquivalente Form erhalten werden, die h anstatt bezüglich Λ_C bezüglich Λ_R ausdrückt. Λ_R ist eine diagonale Matrix, deren Hauptdiagonale die DFT der ersten Zeile von B ist, wie in Gleichung 17 dargestellt ist. ΛR = diag(DW(B(:, 1))) Gleichung 17
Weil die Transponierte von B, B^T, ebenfalls rechts zyklisch ist, und ihre erste Spalte die erste Zeile von B ist, kann B^T durch Gleichung 18 dargestellt werden. BT = D–1W ·ΛR·DW Gleichung 18
Unter Verwendung von Gleichung 18 und unter der Bedingung, daß D T / W = D_W, Λ T / R = Λ_R ist, und daß für jede invertierbare Matrix A, (A^T)^–1 = (A^–1)^T gilt, kann B durch Gleichung 19 dargestellt werden kann, B = DW·ΛR·D–1W Gleichung 19
Durch Substituieren von Gleichung 19 in Gleichung 12 und unter der Bedingung, daß
ist, wird Gleichung 20 erhalten.
Die Gleichungen 16 oder 20 können verwendet werden, um die Gleichung für h zu lösen. Weil alle DFTs die gleiche Länge W haben, wird die Komplexität für die Lösung der Gleichungen wesentlich reduziert.
Ein Verfahren zum Verwenden eines einzelnen zyklischen Korrelators ist folgendes. Weil B^–1 die inverse Form einer rechts zyklischen Matrix ist, kann sie durch Gleichung 21 dargestellt werden.
Die erste Zeile der Matrix T ist der inversen DFT der Hauptdiagonalen von Λ –1 / R gleich. Daher ist die Matrix T durch Λ –1 / R vollständig bestimmt.
Die Elemente der Kanalantwort h werden durch ein inneres oder Skalarprodukt aufeinanderfolgender Zeilen von T mit dem Mittelwert von Segmenten der Länge W des empfangenen Vektors r erhalten. Die aufeinanderfolgenden Zeilen von T sind zyklisch nach rechts verschobene Versionen der vorherigen Zeile. Unter Verwendung von Registern zum Erzeugen des Skalarprodukts hält das erste Register die gemittelten Segmente von r , und das zweite Register ist ein Schieberegister, das die erste Zeile der Matrix T hält. Das zweite Register wird mit einer vorgegebenen Taktrate zyklisch geschaltet. Bei jedem Taktzyklus wird durch das Skalarprodukt der in den beiden Registern gespeicherten Vektoren ein neues Element von h bestimmt. Es ist vorteilhaft, eher die erste Zeile der Matrix T als die empfangenen Midambles zu schieben. Dadurch ist für die Midambles kein zusätzlicher Speicher erforderlich. Die Midambles verbleiben weiterhin im Empfangspuffer, der den gesamten Burst hält. Weil die Korrelatorlänge lediglich W beträgt, wird eine wesentliche Verminderung der Komplexität bei der Kanalschätzung erreicht.

Claims

Drahtloses Spreizspektrum-Kommunikationssystem, in dem ein Codemultiplex-Vielfachzugriffsverfahren verwendet wird, wobei das System Kommunikationen unter Verwendung von Kommunikationsbursts ausführt und wobei jeder Burst eine zugeordnete Midamble-Sequenz aufweist, wobei das System aufweist: eine Basisstation, die aufweist: einen Datengenerator zum Erzeugen von Daten; mehrere Modulations-/Spreizeinrichtungen zum Formatieren der erzeugten Daten in K Kommunikationsbursts, wobei K ≥ 2, die derart zeitlich gemultiplext sind, dass sie im gleichen Zeitschlitz und in einem gemeinsamen Spektrum angeordnet sind; und eine Antenne zum Aussenden der K Kommunikationsbursts; und eine Benutzereinrichtung, die die Midamble-Sequenzen der K Kommunikationsbursts kennt und die eine Antenne zum Empfangen der K Kommunikationsbursts, die einen Vektor enthalten, der den übertragenen Midamble-Sequenzen der Bursts entspricht, enthält; eine Kanalschätzeinrichtung zum Konstruieren einer Matrix und zum Schätzen des Funkkanals zwischen der Basisstation und der Benutzereinrichtung basierend teilweise auf der konstruierten Matrix und dem empfangenen Vektor; und einen Datendetektor zum Wiedergewinnen von Daten von den empfangenen Kommunikationsbursts unter Verwendung des geschätzten Funkkanals, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalschätzeinrichtung dazu geeignet ist, die Matrix zu konstruieren, die für die Schätzung des Funkkanals verwendet wird, durch Konstruieren einer Matrix mit K iden tischen rechtszyklischen Matrixblöcken basierend teilweise auf den bekannten K Midamble-Sequenzen.
System nach Anspruch 1, wobei der Datendetektor ein Mehrbenutzer-Detektor ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Datendetektor ein Einbenutzer-Detektor ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Datendetektor eine Mehrzahl von Einbenutzer-Detektoren ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Funkkanalschätzung unter Verwendung einer Methode der kleinsten Quadrate ausgeführt wird.
System nach Anspruch 4, wobei die Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation ausgeführt ist.
System nach Anspruch 4, wobei die Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung eines einzelnen zyklischen Korrelators ausgeführt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Basisstation Daten mit einer Datenrate von 2 Mbps an die Benutzereinrichtung effektiv überträgt.
Benutzergerät, das in einem Codemultiplex-Vielfachzugriff-Format kommuniziert, wobei das Benutzergerät K Kommunikationsbursts, mit K ≥ 2, in einem gemeinsam genutzten Spektrum in einem Zeitschlitz empfängt, wobei jeder Burst eine zugeordnete Midamble-Sequenz aufweist, wobei das Benutzergerät die Midamble-Sequenzen der K Bursts kennt, und wobei das Benutzergerät eine Antenne zum Empfangen der K Kommunikationsbursts aufweist, die einen Vektor enthalten, der den übertragenen Midamble-Sequenzen der Bursts ent spricht, eine Kanalschätzeinrichtung zum Konstruieren einer Matrix und zum Schätzen des Funkkanals zwischen der Basisstation und dem Benutzergerät basierend teilweise auf der konstruierten Matrix und dem empfangenen Vektor, und einen Datendetektor zum Wiedergewinnen von Daten von den empfangenen Kommunikationsbursts unter Verwendung des geschätzten Funkkanals, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalschätzeinrichtung eingerichtet ist, die Matrix zu konstruieren, die für die Schätzung des Funkkanals verwendet wird, durch Konstruieren einer Matrix mit K identischen rechtszyklischen Matrixblöcken basierend teilweise auf den bekannten K Midamble-Sequenzen.
Benutzergerät nach Anspruch 9, wobei der Datendetektor ein Mehrbenutzer-Detektor ist.
Benutzergerät nach Anspruch 9, wobei der Datendetketor ein Einbenutzer-Detektor ist.
Benutzergerät nach Anspruch 9, wobei die Funkkanalschätzung unter Verwendung einer Methode der kleinsten Quadrate ausgeführt wird.
Benutzergerät nach Anspruch 12, wobei die Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung einer diskreten Fourier-Transformation ausgeführt ist.
Benutzergerät nach Anspruch 12, wobei die Methode der kleinsten Quadrate unter Verwendung eines einzelnen zyklischen Korrelators ausgeführt ist.