DE69833780T2 - Maximal-wahrscheinlichkeitsdetektion von verketteten raum/zeit kodes für schnurlose anwendungen mit sender-diversity - Google Patents

Maximal-wahrscheinlichkeitsdetektion von verketteten raum/zeit kodes für schnurlose anwendungen mit sender-diversity Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf die drahtlose Kommunikation und insbesondere auf Techniken für eine wirkungsvolle drahtlose Kommunikation bei einem Signalschwund (Fading) und anderen Beeinträchtigungen.
  • Die wirkungsvollste Technik zur Verminderung eines Mehrwegschwundes auf einem drahtlosen Funkkanal besteht darin, die Wirkung des Schwundes am Sender dadurch zu unterbinden, dass die Leistung des Senders gesteuert wird. Das heißt, wenn die Kanalbedingungen beim Sender (auf einer Seite der Verbindung) bekannt sind, kann der Sender das Signal vorverzerren, um die Wirkung des Kanals am Empfänger (auf der anderen Seite) zu überwinden. Das erste Problem besteht im Dynamikbereich des Senders. Damit der Sender einen Signalschwund von x dB überwinden kann, muss er seine Leistung um x dB erhöhen, was in den meisten Fällen aufgrund der Begrenzungen der Abstrahlleistung sowie der Größe und der Kosten von Verstärkern nicht praktikabel ist. Das zweite Problem besteht darin, dass der Sender keine Kenntnis über den Kanal hat, wie er vom Empfänger wahrgenommen wird (mit Ausnahme von Zeitschlitz-Duplexsystemen, bei denen der Sender Leistung von einem bekannten anderen Sender über denselben Kanal empfängt). Wenn man einen Sender auf der Basis von Kanalcharakteristika steuern möchte, müssen somit Kanalinformationen vom Empfänger zum Sender gesendet werden, was zu einer Beeinträchtigung des Durchsatzes und zusätzlicher Komplexität sowohl beim Sender als auch beim Empfänger führt.
  • Andere wirkungsvolle Techniken sind die Zeit- und die Frequenz-Diversity. Die Verwendung der Zeitschachtelung zusammen mit einer Kodierung kann zu einer Verbesserung der Diversity führen. Dasselbe trifft für das Frequenzspringen und das Spreizspektrum zu. Die Zeitschachtelung führt jedoch zu unnötig großen Ver zögerungen, wenn sich der Kanal langsam ändert. Äquivalent dazu sind Techniken der Frequenz-Diversity ineffektiv, wenn die Kohärenzbandbreite das Kanals groß ist (geringe Verzögerungsspreizung).
  • Es ist hinlänglich bekannt, das in den meisten streuenden Umgebungen die Antennen-Diversity die praktikabelste und wirkungsvollste Technik zur Verringerung des Mehrwegsignalschwundes ist. Der klassische Ansatz für die Antennen-Diversitiy besteht darin, mehrere Antennen am Empfänger zu verwenden und eine Kombination (oder Auswahl) auszuführen, um die Qualität des empfangenen Signals zu verbessern.
  • Das Hauptproblem beim Ansatz der Empfänger-Diversity bei momentanen drahtlosen Kommunikationssystemen, wie etwa dem IS-136 und dem GSM sind die Einschränkungen durch Kosten, Größe und Stromverbrauch der Empfänger. Aus offensichtlichen Gründen, sind geringe Größe, Gewicht und Kosten vorrangig. Das Hinzufügen mehrere Antennen und HF-Ketten (oder von Auswahl- und Umschaltschaltungen) bei Empfängern ist derzeit nicht durchführbar. Infolgedessen wurden Diversity-Techniken häufig nur angewendet, um die Uplink- (Empfänger-zu-Basis-Sendequalität mit mehreren Antennen (und Empfängern) an der Basisstation zu verbessern. Da eine Basisstation in vielen Fällen Tausende von Empfängern versorgt, ist es wirtschaftlicher, Einrichtungen an den Basisstationen anstelle den Empfängern hinzuzufügen.
  • In jüngster Zeit wurden einige interessante Ansätze für die Sender-Diversity vorgeschlagen. Es wurde ein Verzögerungs-Diversity-Schema von A. Wittneben in "Base Station Modulation Diversity for Digital SIMULCAST", Proceeding of the 1991 IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 41st), Seite 848–853, vom Mai 1991 und in "A New Bandwith Efficient Transmit Antenna Modulation Diversity Scheme For Linear Digital Modulation" in Proceeding of the 1993 IEEE International Conference on Communications (IICC '93), Seite 1630–1634, Mai 1993 vorgeschlagen. Der Vorschlag bezieht sich auf eine Basisstation, um eine Sequenz von Symbolen durch eine Antenne und dieselbe Sequenz von Symbolen, jedoch verzögert, durch eine weitere Antenne zu senden.
  • Das US-Patent 5.479.448, das Nambirajan Seshadri am 26. Dezember 1995 erteilt wurde, beschreibt eine ähnliche Anordnung, bei der eine Sequenz von Codes durch zwei Antennen gesendet wird. Die Codesequenz wird durch einen Zyklusschalter geleitet, der jeden Code nacheinander zu den unterschiedlichen Antennen leitet. Da Kopien desselben Symbols durch mehrere Antennen zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesendet werden, wird sowohl eine räumliche wie auch zeitliche Diversity erreicht. Ein MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimator) oder ein MMSE- (Minimum Mean Squared Error-) Entzerrer wird anschließend verwendet, um die Mehrwegverzerrung aufzulösen und den Diversity-Gewinn zu erzeugen. Siehe auch N. Seshadri, J.H. Winters, "Two Signaling Schemes for Improving the Error Performance of FDD Transmission Systems Using Transmitter Antenna Diversity", Proceeding of the 1993 IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 43rd), Seite 508–511, Mai 1993; und J.H. Winters, "The Diversity Gain of Transmit Diversity in Wireless Systems with Rayleigh Fading", Proceeding of the 1994 ICC/SUPERCOMM, New Orleans, Ausgabe 2, Seite 1121–1125, Mai 1994.
  • Ein weitere interessanter Ansatz ist von Tarokh, Seshadri, Calderbank und Naguib in WO 9741670 beschrieben, bei dem Symbole gemäß den Antennen codiert werden, durch die sie gleichzeitig gesendet werden, und unter Verwendung eines Maximalwahrscheinlichkeitsdekodierer decodiert werden. Insbesondere handhabt der Vorgang am Sender die Informationen in Blöcken von M1 Bits, wobei M1 ein Vielfaches von M2 ist, d.h. M1 = k·M2. Er wandelt jede nachfolgende Gruppe von M2 Bits in Informationssymbole um (wodurch k Informationssymbole erzeugt werden), kodiert jede Sequenz von k Informationssymbolen zu n Kanalcodes (wodurch eine Gruppe von n Kanalcodes für jede Sequenz von k Informationssymbolen entwickelt wird) und wendet jeden Code einer Gruppe von Codes auf eine andere Antenne an.
  • Ein weiterer Ansatz ist von Alamouti und Tarokh in US 6185258 mit dem Titel "Transmitter Diversity Technique for Wireless Communications" beschrieben, bei dem Symbole unter Verwendung lediglich von Negationen und Konjugationen kodiert und in einer Weise gesendet werden, bei der die Kanal-Diversity zur Anwendung kommt.
  • Ein weiterer Ansatz ist von den zuletzt erwähnten Erfindern in US 6127971 mit dem Titel "Combined Array Processing and Space-Time Coding" beschrieben, bei dem Symbole in Gruppen unterteilt werden, wobei jede Gruppe über eine separate Gruppe von Antennen gesendet und mit einem Gruppencode C kodiert wird, der Bestandteil eines Produktcodes ist.
  • Sheshadri N. et al: "Space-Time Codes for Wireless Communication: Code Construction" 1997 IEEE 47th, Vehicular Technology Conference, Phoenix, 4. bis 7. Mai, 1997, Ausgabe 2, No. Conf. 47, 4. Mai 1997, Seite 637 bis 641, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, USA beschreibt einen Entwurf für Kanalcodes zur Verbesserung der Datenrate und ihrer Zuverlässigkeit von Kommunikationen über schwindende Kanäle unter Verwendung mehrerer Sendeantennen. Es ist beschrieben, dass Codes für ein drahtloses Kommunikationssystem bestimmt sind, das n Sendeantennen (und eine unterstützende Empfangsantennen-Diversity) verwendet. Diese Codes sind Raum-Zeit-Codes da sie räumliche und zeitliche Diversity-Techniken kombinieren.
  • Gemäß einem ersten Beispiel ist die Signalkonstellation 4-PSK. Das Signal X1 wird über die erste Antenne gesendet, und das zweite Signal X2 wird über die zweite Antenne gesendet. Es ist erwähnt, dass der Code einen Diversity-Gewinn erzeugt und dass der Kodiergewinn durch die Anzahl von Trellis-Zuständen erhöht werden kann.
  • Gemäß einem zweiten Beispiel werden 4-PSK-Trellis-Codes mit 8, 16 und 32 Zuständen verwendet.
  • Sheshadri N. et al: "Advanced Techniques for Modulation Error Correction, Channel Equalization, und Diversity" im AT & T Journal, Ausgabe 72, No. 4, 1. Juli 1993, Seite 48 bis 63 beschreibt Techniken für drahtlose Digitalkommunikationen. Diese Bezugnahme beschreibt unter anderem digitale Modulationsschemata, Diversity-Prinzipien und Kombinationstechniken. Es ist explizit erwähnt, das die Zeit-Diversity-Systeme die repetitive Codierung verwenden. Insbesondere ist auf Seite 59 ein trellis-kodiertes Modulationsschema in Kombination mit einem Abgleich kodierter Symbole auf unterschiedliche Sendeantennen in einem Raum-Zeit-Diversity-Schema beschrieben.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung für die Verwendung bei drahtlosen Kommunikationen mit einer verbesserten Effektivität in Gegenwart eines Schwundes und anderer Beeinträchtigungen anzugeben.
  • Dies Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht.
  • Bevorzugte Ausführungsformen sind durch den Gegenstand der abhängigen Ansprüche definiert.
  • Ein Fortschritt beim Stand der Technik wird mit einem Sender erreicht, der einen Trellis-Kodierer, gefolgt von einem Block-Kodierer verwendet. Dementsprechend enthält der Empfänger einen Viterbi-Dekodierer, gefolgt von einem Block-Dekodierer. Vorteilhafterweise verwenden der Block-Kodierer und -dekodierer eine Zeit-Raum-Diversity-Kodierung, die beispielsweise zwei Sendeantennen und eine Empfängerantenne benutzt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung, die mit den Prinzipien dieser Erfindung übereinstimmt. Sie enthält einen Trellis-Code-Modulations- (TCM-) Kodierer 10, gefolgt von einem Doppelzweig-Raumblockkodierer 20. Die Ausgabe wird einer Antennenschaltung 30 zugeführt, die die Antenne 31 und die Antenne 32 versorgt. 1 zeigt lediglich zwei Antennen, wobei dies jedoch nur beispielhaft ist. Es können Anordnungen mit einer größeren Zahl von Antennen erzeugt werden, wobei es sich versteht, dass die hier beschriebenen Prinzipien derartigen Anordnungen in gleicher Weise zum Vorteil gereichen.
  • Der TCM-Kodierer 10 erzeugt komplexe Zahlen, die Konstellationssymbole repräsentieren, und der Blockkodierer 20 kodiert (benachbarte) Paare von Symbolen in der Weise, wie sie in der zuvor erwähnten US 6185298 beschrieben wurde. Das heißt, Symbole s0 und s1, die ein Paar bilden, werden zur Antenne 31 bzw. zur Antenne 32 gesendet, und in der folgenden Zeitperiode werden Symbole –s1 * und s0 * zu den Antennen 31 bzw. 32 gesendet. Anschließend werden Symbole s2 und s3 zur Antenne 31 bzw. 32 etc. gesendet. Somit erzeugt der Kodierer 20 eine Kanal-Diversity, die aus Signalen resultiert, die vom Sender zum Empfänger zu unterschiedlichen Zeiten und über unterschiedliche Kanäle übergehen.
  • Die Signale, die von den Antennen 31 und 32 gesendet werden, werden, nachdem sie die Luftverbindung durchlaufen und eine multiplikative Verzerrung sowie zusätzliches Rauschen erfahren haben, von einem Empfänger empfangen. Somit entsprechen die empfangene Signale in den beiden aufeinanderfolgenden Zeitintervallen, während derer die Signale s0, s1, –s1 * und s0 * gesendet werden: r0(t) = h0s0 + h1s1 + n0 (1)und r1(t) = h1s* 0 – h0s* 1 + n1 (2)wobei h0 für den Kanal von der Antenne 31, h1 für den Kanal von der Antenne 32, n0 für das empfangene Rauschen im ersten Zeitintervall und n1 für das empfangene Rauschen im zweiten Zeitintervall steht.
  • Der Empfänger enthält eine Empfangsantenne 40, einen Doppelzweig-Raumblockkodierer 50 und einen Viterbi-Dekodierer 60. Der Empfänger enthält zudem eine Kanal-Schätzeinrichtung, wobei diese, da sie vollkommen konventionell ist, in 1 nicht explizit dargestellt ist. Im folgenden wird davon ausgegan gen, dass der Empfänger über h ~0 und h ~1 verfügt, die Schätzwerte von h0 bzw. h1 sind. Somit werden die empfangenen Signale im ersten und im zweiten Zeitintervall im Element 50 kombiniert, um die Signale
    Figure 00070001
    zu bilden, wobei diese Signale dem Viterbi-Dekodierer 60 zugeführt werden.
  • Der Viterbi-Dekodierer erzeugt die folgende Metrik für das hypothetisierte Zweigsymbol si, das dem ersten gesendeten Symbol s0 entspricht: M(so, si) = d2[s ~0,(|h ~0|2 + |h ~1|2)si] (5)
  • In ähnlicher Weise erzeugt der Viterbi-Dekodierer die folgende Metrik für das hypothetisierte Zweigsymbol si entsprechend dem ersten gesendeten Symbol s1: M(s1, si) = d2[s ~1,(|h ~0|2 + |h ~1|2)si] (6)
  • (Zusätzliche Metriken werden in ähnlicher Weise in Anordnungen aufgebaut, bei denen eine größere Zahl von Antennen und eine dementsprechend größere Konstellation von Signalen verwendet wird, die zu einem beliebigen Zeitpunkt gesendet werden.) Ist der Trellis-Kodierer 10 ein Merhfach-TCM-Kodierer, erzeugt der Viterbi-Dekodierer die folgende Metrik: M[(s0, s1), (si, sj)] = M(s0, si) + M(s1, sj) (7)oder äquivalent dazu M[(s0, s1), (si, sj)] = d2(r0, h ~0si + h ~1sj) + d2(r1h ~1si * – h ~0sj *). (8)
  • Der Viterbi-Dekodierer gibt Schätzwerte des gesendeten Sequenz von Signalen aus.
  • Das oben Genannte stellt eine beispielhafte Ausführungsform dar.

Claims (17)

  1. Sender, der umfasst: einen Trellis-Kodierer (10), wobei der Trellis-Kodierer ein erstes Symbol S0 und ein zweites Symbol s1 erzeugt, und einen Blockkodierer (20), der auf den Trellis-Kodierer anspricht und so eingerichtet ist, dass er zwei Antennen (31, 32) speist, wobei der Blockkodierer einen Block erzeugt, der das erste Symbol, das zweite Symbol, ein drittes Symbol, das unter Verwendung einer komplexen Konjugation des ersten Symbols erzeugt wird, und ein viertes Symbol enthält, das unter Verwendung negativer komplexer Konjugation des zweiten Symbols erzeugt wird, und wobei in einem ersten Zeitraum das erste und das zweite Symbol s0, s1 jeweils zu den zwei Antennen weitergeleitet werden und wobei in einem zweiten Zeitraum das vierte und das dritte Symbol jeweils zu den zwei Antennen (31, 32) weitergeleitet werden.
  2. Sender nach Anspruch 1, wobei der Blockkodierer ein Mehrzweigkodierer ist.
  3. Sender nach Anspruch 1, wobei der Blockkodierer ein Raum-Zeit-Blockkodierer ist.
  4. Empfänger zum Empfangen von Blöcken von Symbolen, die durch den Sender nach den Ansprüchen 1–3 gesendet werden, wobei der Empfänger umfasst: einen Raum-Blockkombinierer (50), der zum Empfangen von den zwei sendenden Antennen (31, 32) gesendeter Daten konfiguriert ist, und einen Viterbi-Dekodierer (60), der auf Ausgangssignale des Raum-Blockkombinierers anspricht.
  5. Empfänger nach Anspruch 4, wobei der Kombinierer einen Rahmen empfangener Symbole kombiniert und der Rahmen aus n Zeitschlitzen besteht und in jedem Zeitschlitz dem Kombinierer gleichzeitig m Symbole bereitstellt.
  6. Empfänger nach Anspruch 5, wobei n = m.
  7. Empfänger nach Anspruch 6, wobei n = m = 2.
  8. Empfänger nach Anspruch 5, wobei der Kombinierer n Signale entwickelt, die Schätzwerte von durch einen Sender gesendeten Signalen darstellen.
  9. Empfänger nach Anspruch 4, wobei der Viterbi-Dekodierer (60) eine separate Metrik für Soft-Decision eines gesendeten Symbols erzeugt.
  10. Empfänger nach Anspruch 4, wobei der Viterbi-Dekodierer (60) ein Mehrfach-TCM-Dekodierer ist.
  11. Empfänger nach Anspruch 4, wobei der Viterbi-Dekodierer die Metrik
    Figure 00100001
    entwickelt, wobei si ein hypothetisiertes Signal in einem ersten Zeitintervall ist, si ein hypothetisiertes Signal in einem zweiten Zeitintervall ist, sj ein hypothetisiertes Signal in einem zweiten Zeitintervall ist, s0 ein gesendetes Signal in dem ersten Zeitintervall ist, s1 ein gesendetes Signal in dem zweiten Zeitintervall ist, h ~0 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s0 sendet, und einer empfangenden Antenne des Empfängers ist, h ~1 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s1 der empfangenden Antenne des Empfängers ist.
  12. Empfänger nach Anspruch 4, wobei der Viterbi-Dekodierer die Metrik
    Figure 00100002
    entwickelt, um das Symbol s0 zurückzugewiesen, und die Metrik
    Figure 00100003
    entwickelt, um das Symbol s1 zurückzu gewinnen, wobei si ein hypothetisiertes Signal in einem ersten Zeitintervall ist, sj ein hypothetisiertes Signal in einem zweiten Zeitintervall ist, s0 ein gesendetes Signal in dem ersten Zeitintervall ist, s1 ein gesendetes Signal in dem zweiten Zeitintervall ist, h ~0 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s0 sendet, und einer empfangenden Antenne des Empfängers ist, und h ~1 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s1 sendet, und der empfangenden Antenne des Empfängers ist.
  13. Empfänger nach Anspruch 4, wobei der Viterbi-Dekodierer die Metrik
    Figure 00110001
    entwickelt, wobei
    Figure 00110002
    Figure 00110003
    wobei si ein hypothetisiertes Signal in einem ersten Zeitintervall ist, sj ein hypothetisiertes Signal in einem zweiten Zeitintervall ist, s0 ein gesendetes Signal in dem ersten Zeitintervall ist, s1 ein gesendetes Signal in dem zweiten Zeitintervall ist, h ~0 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s0 sendet, und einer empfangenden Antenne des Empfängers ist, h ~1 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s1 sendet, und der empfangenden Antenne des Empfänger ist, s ~0 ein Signal ist, das durch den Kombinierer entwickelt wird, und s ~1 ein weiteres Signal ist, das durch den Kombinierer entwickelt wird.
  14. Empfänger nach Anspruch 4, wobei der Kombinierer Signale
    Figure 00110004
    und
    Figure 00110005
    erzeugt, wobei r0 eine empfangenes Signal in einem Zeitintervall ist, r1 ein empfangenes Signal in einem anderen Zeitintervall ist, h ~0 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s0 sendet, und einer empfangenden Antenne des Empfängers ist und h ~1 ein Schätzwert einer Kanalcharakteristik zwischen einer sendenden Antenne, die Signal s1 sendet, und der empfangenden Antenne des Empfängers ist.
  15. Verfahren zum Einsatz in einem Sender zum Verknüpfen von Trellis-Codes mit Blockcodes, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen von Eingangsdaten; Trellis-Kodieren der empfangenen Daten, das das Erzeugen eines ersten Symbols s0 und eines zweiten Symbols s1 einschließt; Block-Kodieren der empfangenen Symbole, das das Erzeugen eines Blocks von Symbolen einschließt, wobei der Block von Symbolen das erste Symbol, das zweite Symbol, ein drittes Symbol, das unter Verwendung von komplexer Konjugation des ersten Symbols erzeugt wird, und ein viertes Symbol enthält, das unter Verwendung negativer komplexer Konjugation des zweiten Symbols erzeugt wird, und wobei in einem ersten Zeitraum das erste und das zweite Symbol s0, s1 jeweils zu den zwei Antennen weitergeleitet werden und wobei in einem zweiten Zeitraum das vierte und das dritte Symbol jeweils zu den zwei Antennen (31, 32) weitergeleitet werden.
  16. Verfahren zum Einsatz in einem Empfänger zum Empfangen von Blöcken von Symbolen, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 15 gesendet werden, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen eines ersten Signals und eines zweiten Signals an einer einzelnen Empfangsantenne, wobei das erste und das zweite Signal unter Verwendung von Raum-Zeit-Kodierung gesendet wurden; Bestimmen von Kanal-Schätzwerten für das empfangene erste und zweite Signal; Verwenden der bestimmten Kanal-Schätzwerte, Erzeugen eines ersten kombinierten Signals auf Basis der Summe des ersten und des zweiten empfangenen Signals, und eines zweiten kombinierten Signals auf Basis der Differenz des ersten und des zweiten empfangenen Signals, wobei das erste und das zweite kombinierte Signal eine Verzerrungskomponente enthalten; und auf Basis des ersten erzeugten kombinierten Signals Konstruieren einer ersten Metrik, die einem ersten hypothetisierten Symbol entspricht, wobei das erste hypothetisierte Symbol das empfangene erste Signal vor dem Senden nachbildet; und auf Basis des zweiten erzeugten kombinierten Signals Konstruieren einer zweiten Metrik, die einem zweiten hypothetisierten Symbol entspricht, wobei das zweite hypothetisierte Symbol das empfangene zweite Signal nachbildet.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste Signal und das zweite Signal Rauschen und Interferenz einschließlich Mehrwegschwund enthalten.
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