BRPI0315308B1

BRPI0315308B1 - Adaptive rate transmission scheme for mime systems

Info

Publication number: BRPI0315308B1
Application number: BRPI0315308-8A
Authority: BR
Inventors: Agrawal Avneesh; Vijayan Rajiv; Kadous Tamer
Original assignee: Qualcomm Incorporated
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2017-06-13
Also published as: RU2005114531A; KR20100090794A; RU2530992C2; EP2234282A1; RU2487475C2; KR20050060094A; JP2011130492A; US8619717B2; CA2500175C; AU2003277399B2; KR101131405B1; MXPA05003677A; KR20100082386A; US20040076124A1; KR101076255B1; WO2004036767A2; JP5474847B2; US20100119005A1; US6873606B2; US20050013239A1

Abstract

"esquema de transmissão adaptativo em termos de taxa para sistemas mimo". trata-se de um esquema de transmissão adaptativo em termos de taxa para sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (mimo), que pode transmitir um número variável de fluxos de símbolos de dados, proporcionar diversidade de transmissão para cada fluxo de símbolos de dados e utilizar completamente a potência de transmissão total do sistema e potência total de cada antena. em um método, pelo menos um fluxo de símbolos de dados é recebido para transmissão de uma pluralidade de antenas. cada fluxo de símbolos de dados é graduado com um respectivo peso correspondente à quantidade de potência de transmissão alocada para esse fluxo. o(s) fluxo(s) de símbolos de dados graduado(s) é(são) multiplicado(s) por uma matriz base de transmissão, de modo a se obter uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão para a pluralidade de antenas. a matriz base de transmissão (uma matriz walsh-hadamard ou uma matriz transformada de fourier discreta (dft), por exemplo), é definida de modo que cada fluxo de símbolos de dados seja transmitido de todas as antenas e cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à (ou perto da) potência total para a antena associada.

Description

"ESQUEMA DE TRANSMISSÃO ADAPTATIVO EM TAXA PARA SISTEMAS MIMO" FUNDAMENTOS I. Campo da Invenção A presente invenção refere-se de maneira geral à Comunicação de dados e, mais especificamente, a um esquema de transmissão adaptativo em taxa para sistemas de comunicação de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). II. Fundamentos Um sistema MIMO emprega múltiplas (NT) antenas de transmissão e múltiplas (NR) antenas de recepção na transmissão de dados. Um canal MIMO formado pelas NT antenas de transmissão e pelas NR antenas de recepção pode ser decomposto em Ns canais independentes, onde Ns < min {NT, Nr) . Cada um dos Ns canais independentes corresponde a uma dimensão. 0 sistema MIMO pode apresentar um desempenho aperfeiçoado (como, por exemplo, capacidade de transmissão mais elevada e/ou maior segurança) se as dimensionalidades adicionais criadas pelas várias antenas de transmissão e recepção forem utilizadas.

Em um sistema de comunicação sem fio, os dados a serem transmitidos são tipicamente processados (codificados e modulados, por exemplo) para gerar símbolos de dados. Para um sistema MIMO, um ou vários fluxos de símbolos de dados podem ser enviados de um transmissor para um receptor. Vários fluxos de símbolos de dados podem ser transmitidos em paralelo de várias antenas de transmissão utilizando-se multiplexação espacial, que explora as dimensionalidades adicionais do canal MIMO. Para obter alta capacidade de transmissão, é desejável transmitir tantos fluxos de símbolos de dados em paralelo quanto possível.

Entretanto, o número de fluxos de símbolos de dados que podem ser transmitidos e as taxas que podem ser utilizadas para estes fluxos dependem tipicamente da condição de canal. Diversos esquemas de transmissão para multiplexação espacial estão atualmente disponíveis, inclusive (1) um esquema de "multiplexação de antena", que transmite um fluxo de símbolos de dados de cada antena, e (2) um esquema de "multiplexação de automodo", que transmite um fluxo de símbolos de dados em cada canal independente do canal MIMO.

Alternativamente, um único fluxo de símbolos de dados pode ser transmitido de múltiplas antenas de transmissão utilizando-se diversidade de transmissão para aumentar a segurança da transmissão de dados. A diversidade é obtida pela utilização de múltiplas antenas de transmissão, assim como múltiplas antenas de recepção, para obter um número de percursos de propagação para o fluxo de símbolos de dados. A diversidade de transmissão pode ser utilizada se for desejável maior segurança ou se a condição de canal for tão precária que seja melhor utilizar toda a potência de transmissão existente para um fluxo de símbolos de dados. Diversos esquemas de transmissão para diversidade de transmissão estão atualmente disponíveis, inclusive (1) o esquema de "diversidade de espaço-tempo" ("space-time diversity") descrito por S.M. Alamouti em um trabalho intitulado "A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications", IEEE JSAC, Out. 1998, e (2) o esquema de "diversidade de retardo" ("delay diversity") descrito por B. Raghothaman et al em um trabalho intitulado "Performance of Closed Loop Transmit Diversity with Feedback Delay", Thirty-Fourth Asilomar Conference on Signals, System and Computers, 2000 (Trigésima Quarta Conferência Asilomar sobre Sinais, Sistemas e Computadores, 2000).

Para obter desempenho elevado, um sistema MIMO pode ser projetado para sustentar um ou mais esquemas de transmissão para multiplexação espacial e um ou mais esquemas de transmissão para diversidade de transmissão. Para tal sistema MIMO, em qualquer dado intervalo de transmissão, pode ser selecionado para utilização um esquema de transmissão especifico, dependendo da condição de canal e do resultado desejado (como, por exemplo, capacidade de transmissão mais elevada ou maior segurança). Entretanto, os esquemas de transmissão convencionais para multiplexação espacial são freqüentemente bem diferentes em desenho dos esquemas de transmissão convencionais para diversidade de transmissão. Deste modo, a complexidade do transmissor e do receptor no sistema pode ser consideravelmente aumentada se for necessário que ele suporte vários (e diferentes) esquemas de transmissão para multiplexação espacial e diversidade de transmissão. Além do mais, para um desempenho elevado, é desejável utilizar completamente a potência de transmissão total disponível para o sistema e a potência total disponível para cada uma das NT antenas de transmissão na transmissão de dados, independentemente do número de fluxos de símbolos de dados que são transmitidos. Há portanto necessidade na técnica de um esquema de transmissão que possa suportar multiplexação espacial, prover diversidade de transmissão e utilizar completamente a potência de transmissão disponível em sistemas MIMO.

SUMÁRIO É apresentado aqui um esquema de transmissão adaptativo em taxa que suporta multiplexação espacial e provê diversidade de transmissão para sistemas MIMO. O esquema de transmissão adaptativo em taxa tem várias características desejáveis, que incluem: (1) dar suporte à transmissão de um número variável de fluxos de símbolos'de dados, tornando-o adequado para utilização em sistemas adaptativos em taxa, (2) prover diversidade de transmissão para cada fluxo de símbolos de dados e (3) permitir que toda a potência disponível para cada antena de transmissão seja utilizada na transmissão de dados independentemente do número de fluxos de símbolos de dados que são transmitidos, deste modo tornando-o eficaz em termos de potência. O esquema de transmissão adaptativo em taxa é bem adequado para sistemas MIMO de única portadora e pode ser também utilizado em sistemas MIMO de múltiplas portadoras.

Em uma modalidade, é apresentado um método para processar dados para transmissão em um sistema MIMO. De acordo com o método, pelo menos um fluxo de símbolos de dados é recebido para transmissão de uma pluralidade de antenas de transmissão. Cada fluxo de símbolos de dados é escalonado (ponderado) com um respectivo peso correspondente à quantidade de potência de transmissão alocada para esse fluxo de símbolos de dados. A quantidade total de potência de transmissão alocada para todos dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados é menor ou igual à potência de transmissão total disponível para o sistema. 0(s) fluxo(s) de símbolos de dados escalonado(s) é(são) multiplicado(s) por uma matriz base de transmissão para gerar uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão, um fluxo de símbolos de transmissão para cada antena de transmissão. A matriz base de transmissão é definida de modo que (1) cada fluxo de símbolos de dados seja transmitido da pluralidade de antenas de transmissão e (2) cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à (ou próximo da) potência total disponível para a antena associada. A matriz base de transmissão pode ser uma matriz Walsh-Hadamard, uma matriz transformada de Fourier discreta (DFT - Discrete Fourier Transform), ou alguma outra matriz.

Diversos aspectos e modalidades da invenção são descritos mais detalhadamente a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Os recursos, a natureza e as vantagens da presente invenção se tornarão mais evidentes com a descrição detalhada apresentada a seguir, quando considerada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais as mesmas referências identificam os mesmos elementos por toda parte e nos quais: A figura 1 mostra um diagrama de fluxo de um processo para transmitir ND fluxos de símbolos de dados de NT antenas utilizando-se. o esquema de transmissão adaptativo em taxa; Ά figura 2 mostra um diagrama de blocos de um sistema transmissor e de um sistema receptor em um sistema MIMO; A figura 3 mostra o processamento espacial nos sistemas transmissor e receptor para o esquema de transmissão adaptativo em taxa; e A figura 4 mostra um diagrama de blocos de um processador espacial de transmissão (TX) dentro do sistema transmissor.

DESCRIÇÃO DETALHADA É descrito aqui um esquema de transmissão adaptativo em taxa para sistemas MIMO. Para um sistema MIMO de múltiplas portadoras, o esquema de transmissão pode ser utilizado para cada uma das múltiplas portadoras disponíveis para a transmissão de dados. Por razões de clareza, o esquema de transmissão adaptativo em taxa é descrito a seguir para um sistema MIMO de única portadora.

Para um sistema MIMO de única portadora, o canal MIMO formado pelas NT antenas de transmissão e pelas NR antenas de recepção pode ser - decomposto em Ns canais independentes, com Ns < min {NTr NR} . 0 número de canais independentes é determinado pelo número de automodos para o canal MIMO, que por sua vez depende de uma matriz de resposta de canal, H, que descreve a resposta entre as NT antenas de transmissão e as NR antenas de recepção. Por simplicidade, a descrição a seguir supõe que NT á NR e que a matriz de resposta de canal H é de classificação total (isto é, Ns = NT < Nr) . Com estas suposições, para cada período de símbolos, até Nr símbolos podem ser transmitidos em paralelo das NT antenas de transmissão. O modelo para um sistema MIMO de portadora única pode ser expresso assim: Eq (1) onde x é um {jVrxl} vetor de "dados" com NT entradas para os símbolos de dados a serem transmitidos das NT antenas de transmissão; γ é um {//Λχΐ} vetor de "recepção" com NR entradas para os símbolos recebidos por meio das NR antenas de recepção; H é a {NrxNt} matriz resposta de canal; e n é um vetor de ruído gaussiano branco aditivo (AWGN). Supõe-se que o vetor de dados x é tal que ^[xx^j = I, onde E é a operação de expectância, "H" é a transposta conjugada e I é a matriz identidade com uns ao longo da diagonal e zeros em todas as outras partes. Supõe-se que o vetor n tenha média zero e uma matriz de covariância de Λη = σ2!, onde σ2 é a variância do ruído.

Em um sistema típico, há restrições (1) à potência de transmissão total, Ptot, que pode ser utilizada para todas as NT antenas de transmissão e (2) à potência máxima ou total, Pantr para cada antena de transmissão. Tipicamente, a potência por antena Pant é dada como Pant = Ptot/Nf Estas restrições podem ser impostas (1) pela limitação do amplificador de potência utilizado para acionar cada antena de transmissão, (2) pelas exigências reguladoras e (3) possivelmente por outros fatores. 0 modelo para um sistema MIMO com estas restrições de potência pode ser então expresso assim: Eq(2) onde yjPM /Nt é um fator de escala de dá conta das restrições de potência total e por antena.

Em um esquema de transmissão convencional, ND fluxos de símbolos de dados são transmitidos concomitantemente das NT antenas de transmissão utilizando-se multiplexação de antena, onde ND pode ser qualquer número inteiro de 1 a NT (isto é, NT > ND > 1) . Para este esquema de transmissão convencional, em qualquer dado período de símbolos, ND símbolos de dados são transmitidos simultaneamente de ND antenas, e as (NT - ND) antenas restantes não são utilizadas. Se a potência de transmissão total e a potência por antena forem limitadas conforme descrito acima, então este esquema de transmissão apresentará uma perda de potência se um número menor que NT antenas for utilizado na transmissão de dados, que é o caso se Nd < NT. Por causa da restrição à potência por antena, mais da potência de transmissão total Ptot não pode ser alocado para as N0 antenas utilizadas na transmissão de dados quando ND < NT. Além do mais, se os ND fluxos de símbolos de dados forem fluxos redundantes {isto é, os mesmos), então há risco de cancelamento destes fluxos no receptor. 0 número específico de fluxos de símbolos de dados a serem transmitidos pode depender de diversos fatores, tais como, por exemplo, a condição de canal, a quantidade de dados a ser transmitida e assim por diante. Conforme observados acima, canais independentes diferentes podem experimentar condições de canal diferentes e obter relações sinal/ruído (SNRs) diferentes. Para um canal MIMO de classificação deficiente, a estratégia ótima é a de transmitir menos que NT fluxos de símbolos de dados, porém alocar mais da potência de transmissão total Ptot para os fluxos de símbolos de dados que obtenham SNRs mais elevadas. Entretanto, para o esquema de transmissão por multiplexação de antena descrito acima, pelo qual cada fluxo de símbolos de dados é transmitido a partir de uma antena, a alocação ótima da potência de transmissão total não pode ser conseguida por causa da restrição à potência por antena. Consequentemente, alguma perda no desempenho ocorrerá. 0 esquema de transmissão adaptativo em taxa descrito aqui suporta multiplexação espacial, provê diversidade de transmissão e tem os aspectos vantajosos seguintes: • Suporta a transmissão de um número de fluxos de símbolos de dados (de um a NT) utilizando o mesmo processamento espacial de transmissão e recepção ao mesmo tempo em que retém características chave. • Apresenta melhor desempenho que o do esquema de diversidade espaço-tempo para um único fluxo de símbolos de dados por meio da transmissão a partir de todas as NT antenas de transmissão. • Permite que a potência total Pant de cada uma das NT antenas de transmissão seja utilizada na transmissão de dados, independentemente do número de fluxos de símbolos de dados que são transmitidos, o que o torna eficaz em termos de potência, com nenhuma perda de potência quando menos que NT fluxos de símbolos de dados estiverem sendo transmitidos. • Provê alocação flexível da potência de transmissão total Ptot entre os fluxos de símbolos de dados que são transmitidos. 0 esquema de transmissão adaptativo em taxa e seus aspectos vantajosos são descritos mais detalhadamente a seguir. O modelo geral para um sistema MIMO de única portadora e aplicável ao esquema de transmissão adaptativo em taxa pode ser expresso da seguinte maneira: Eq<3) onde M é uma {NTxNT} matriz base de transmissão, que é uma matriz unitária; Λ é uma {NTxNT} matriz diagonal; x é um {jVj-xl} vetor de "transmissão" com NT. {7) entradas para NT símbolos de transmissão enviados das Nr antenas de transmissão; e íieff é uma matriz de resposta de canal "efetiva", que é definida como H^ = HM.

Uma matriz unitária ü é caracterizada pela propriedade üH U = I, que indica que cada coluna da matriz unitária é ortogonal a todas as demais colunas da matriz, e cada linha da matriz unitária é também ortogonal a todas as demais linhas. A matriz diagonal Λ contém valores reais não negativos ao longo da diagonal e zeros em todas as outras partes. Estas entradas diagonais indicam a quantidade de potência de transmissão alocada para os ND fluxos de símbolos de dados que são transmitidos.

Conforme descrito mais detalhadamente a seguir, a matriz diagonal Λ pode ser utilizada para alocar potências de transmissão diferentes aos ND fluxos de símbolos de dados embora conformando-se à restrição à potência de transmissão total de Ptot- A matriz base de transmissão M permite que cada fluxo de símbolos de dados seja enviado de NT antenas de transmissão e permite também que a potência total Pm, de cada antena de transmissão seja utilizada na transmissão de dados. A partir da equação (3), o vetor de transmissão x pode ser expresso da seguinte maneira: Eq(4) 0 símbolo de transmissão xk para a k-ésima antena de transmissão (isto é, o k-ésimo elemento do vetor de transmissão x) pode ser expresso da seguinte maneira: Eq(5) onde Mk,i é o elemento na k-ésima linha e na i-ésima coluna da matriz base de transmissão M;

Xifi é o i-ésimo elemento diagonal da matriz Λ; xi é o i-ésimo elemento do vetor de dados x; xk é o k-ésimo elemento do vetor de transmissão x ; e K é o conjunto de todas as antenas de transmissão (isto é, K = (1, 2,..., NT}) . A equação (3) representa o modo geral que cobre tanto a equação (1) quanto a equação (2) . Isto é obtido definindo-se apropriadamente a matriz base de transmissão M e a matriz diagonal Λ. Por exemplo, a equação (3) pode se tornar igual à equação (2) (1) pela definição da matriz base de transmissão M como M = [mi, m2 · · ■ »νγ] , onde np é um vetor "índice" {jVrxl} para a i-ésima coluna de M e é definido como "1" na i-ésima posição e "0" em todas as demais partes, e (2) pela definição da matriz diagonal Λ como Entretanto, outras características vantajosas podem ser obtidas pela definição da matriz base de transmissão M e da matriz diagonal Λ de alguma outra maneira, conforme descrito a seguir.

Para a análise seguinte, considere-se uma matriz base de transmissão arbitrária M e uma matriz diagonal arbitrária A com entradas diagonais não negativas. A potência de transmissão para o vetor x é igual à soma do quadrado dos elementos diagonais de Λ. A restrição à potência de transmissão total pode ser então expressa assim: Eq (6) A partir da equação (5), a potência de transmissão para cada uma das NT antenas de transmissão pode ser expressa assim: Eq(7) onde denota o conjugado complexo. A restrição à potência por antena pode ser então expressa assim: Eq(8) Uma vez que trace (A2)< Ptotr conforme mostrado na equação (6), a restrição à potência por antena na equação (8) pode ser satisfeita pela matriz de classificação total M, cujos elementos satisfazem o seguinte: Eq(9) A equação (9) indica que os elementos de uma matriz M válida têm magnitude igual a . A equação (9) representa uma condição suficiente (mas não uma condição necessária) essencial para satisfazer a restrição à potência por antena. A matriz M pode ser definida de diversas maneiras, ao mesmo tempo satisfazendo a restrição à potência por antena. Em uma modalidade, a matriz M é definida como: Eq (10) onde W é uma matriz Walsh-Hadamard. Como ilustração, para NT = 4, a matriz Walsh-Hadamard W4x4 pode ser expressa como: Eq (ii) Uma matriz Walsh-Hadamard de tamanho maior, W2nx2n> pode ser definida como: Eq (12) Em outra modalidade, a matriz M é definida como: Eq (13) onde Q é uma matriz de transformada de Fourier discreta (DFT). Como ilustração, para NT = 4, a matriz DFT Q4x4 pode ser expressa como: Eq(14) Em geral, uma NxN matriz DFT Q pode ser definida de modo que a (Jc, i)-ésima entrada, , seja dada como: Eq(15) onde k é o índice de linha e i é o índice de coluna para a matriz Qx, „. A matriz M pode ser também definida com diversas outras matrizes, e isto está dentro do escopo da invenção.

Pela utilização da matriz base de transmissão M apropriada e de uma matriz diagonal Λ apropriada, a restrição à potência de transmissão total e a restrição à potência por antena podem ser ambas satisfeitas. Em particular, a restrição à potência de transmissão total pode ser satisfeita definindo-se os elementos diagonais de Λ de modo que a equação (6) seja satisfeita. A restrição à potência por antena pode ser então satisfeita definindo-se os elementos de M de modo que a equação (9) seja satisfeita. Cada elemento diagonal em Λ indica a quantidade de potência de transmissão a ser utilizada para um fluxo de símbolos de dados associado x±. Uma vez que não há restrição ao valor de qualquer elemento diagonal individual de Λ, exceto que A2/,,· < Pt0,, a potência de transmissão total Ptot pode ser alocada para os ND fluxos de símbolos de dados de diversas maneiras, ao mesmo tempo satisfazendo as restrições à potência de transmissão total e à potência por antena. Isto provê então grande flexibilidade na alocação da potência de transmissão disponível entre os ND fluxos de símbolos de dados. 0 esquema de transmissão adaptativo em taxa pode ser utilizado para transmitir qualquer número de fluxos de símbolos de dados (isto é, ND pode ser qualquer valor de 1 a NT). 0 transmissor efetua o processamento espacial mostrado pela equação (4), independentemente do número de fluxos de símbolos de dados que são transmitidos. O vetor de dados x inclui ND entradas não zero para os ND fluxos de símbolos de dados e NT - ND entradas zero. Cada um dos ND fluxos de símbolos de dados está associado a um respectivo elemento diagonal não zero na matriz Λ. Cada um dos ND fluxos de símbolos de dados é também processados utilizando-se uma respectiva linha da matriz base de transmissão M para transmissão em um respectivo canal espacial que é definido por uma coluna específica ou autovetor da matriz resposta de canal efetiva Eeff.

Pode-se mostrar que o esquema de transmissão adaptativo em taxa pode apresentar um desempenho aperfeiçoado em comparação com esquemas com diversidade de transmissão convencionais. Por exemplo, o esquema com diversidade espaço-tempo descrito por S.M. Alamouti é freqüentemente utilizado para transmitir um único fluxo de símbolos de dados de um único par de antenas de transmissão para obter diversidade de transmissão. Entretanto, pode-se mostrar que o esquema de transmissão adaptativo em taxa pode apresentar um desempenho aperfeiçoado para a transmissão do único fluxo de símbolos de dados. A SNR recebida, SNRra, para o fluxo de símbolos de dados transmitido utilizando-se o esquema de transmissão adaptativo em taxa com a melhor coluna de Heff pode ser expressa da seguinte maneira: Eq (16) onde "<x" denota proporcionalidade; e líie#,i||2 é a norma 2 de h^, que é a i-ésima coluna ou autovetor da matriz de resposta de canal efetiva Beff. A equação (16) indica que a SNR do único fluxo de símbolos de dados, utilizando-se o esquema de transmissão adaptativo em taxa, é proporcional à norma 2 do melhor autovetor de YLejf. Para obter a SNR da equação (16) , não seria necessário que o receptor enviasse de volta informações indicando a melhor coluna de H^para utilização do transmissor. A SNR recebida, SNRst, para o único fluxo de símbolos de dados transmitidos, utilizando-se o esquema com diversidade espaço-tempo, pode ser expressa como: Eq (17) A equação (17) indica que a SNR do único fluxo de símbolos de dados, utilizando-se o esquema com diversidade espaço-tempo, é proporcional à média das normas 2 dos NT autovetores de Beff. As equações (16) e (17) supõem ambas a transmissão à taxa total (isto é, sem perda de taxa) . Entretanto, uma vez que o esquema com diversidade espaço-tempo utilizam apenas duas antenas para transmitir o único fluxo de símbolos de dados, se NT > 2, então haverá uma perda de taxa. É notoriamente conhecida que é sempre verdadeira a expressão seguinte: Eq (18a) e portanto, Eq(18b) As equações (18a) e (18b) indicam que o esquema de transmissão adaptativo em taxa pode apresentar o mesmo ou um desempenho melhor que o do esquema com diversidade espaço-tempo. Além do mais, o esquema de transmissão adaptativo em taxa pode prover maior diversidade de transmissão, uma vez que o fluxo de símbolos de dados é transmitido de todas as NT antenas. Em contraste, o esquema de transmissão com diversidade espaço-tempo transmitem o único fluxo de símbolos de dados de um único par de antenas de transmissão. A transmissão do único fluxo de símbolos de dados através de vários pares de antenas pode ser possível para o esquema com diversidade espaço-tempo, mas pode resultar em uma perda de taxa ou alguma outra penalidade no desempenho.

Deve-se notar que a utilização da matriz base de transmissão M pelo esquema de transmissão adaptativo em taxa permite a utilização total tanto da potência de transmissão total Ptot quanto da potência por antena Pant na transmissão de dados, independentemente do número de fluxos de símbolos de dados que são transmitidos. Se a matriz base de transmissão M não for utilizada (isto é, se Μ = I) e um único fluxo de símbolos de dados for transmitido da única melhor antena, utilizando-se multiplexação de antena, então a SNR recebida para este fluxo de símbolos de dados pode ser expressa assim: Eq (19) Pode-se mostrar também que é sempre verdadeira a expressão seguinte: Eq (20) Portanto, o esquema de transmissão adaptativo em taxa também supera em desempenho o esquema de transmissão por multiplexação de antena. A figura 1 mostra um fluxograma de uma modalidade de um processo 100 para transmitir ND fluxos de símbolos de dados de NT antenas utilizando-se o esquema de transmissão adaptativo em taxa. Conforme observado acima, ND pode ser qualquer valor de 1 a NT (isto é, NT> ND > 1) .

Inicialmente, a potência de transmissão total Ptot é alocada para os ND fluxos de símbolos de dados (denotados por x) (etapa 112). O número específico de fluxos de símbolos de dados a serem transmitidos e a quantidade de potência a ser alocada para cada fluxo de símbolos de dados podem ambos ser determinados com base na condição de canal. Por exemplo, um procedimento de "enchimento de água" ("water-filling") pode ser utilizado para determinar o número de fluxos de símbolos de dados a serem transmitidos e a quantidade de potência a ser utilizada para cada fluxo de símbolos de dados, de modo que a capacidade de transmissão total seja maximizada. O enchimento de água é descrito em detalhe no pedido de patente U.S, cedido ao cessionário do presente pedido, No. de Série 10/056 275, intitulado "Reallocation of Excess Power for Full Channel-State Information (CSI) Multiple-Input, Multiple-Output (MIMO) Systems", depositado a 23 de janeiro de 2002, e no trabalho de Robert G. Gallager "Information Theory and Reliable Communication", John Wiley and Sons, 1968, sendo ambos incorporados aqui à guisa de referência. A quantidade de potência de transmissão alocada para cada fluxo de símbolos de dados x± é denotada por um respectivo peso Ãirl. Os NT elementos diagonais da matriz A são compostos por ND pesos para os ND fluxos de símbolos de dados e (NT - ND) zeros. A quantidade total de potência de transmissão alocada para os ND fluxos de símbolos de dados é inferior ou igual à potência de transmissão total do Ã , sistema (isto é, 2^^1,1-^)-/=1 ’ Uma matriz base de transmissão M é em seguida selecionada para utilização (etapa 114). A matriz base de transmissão M pode ser definida de modo que cada fluxo de símbolos de dados seja transmitido de todas as NT antenas e a potência total de cada antena seja utilizada na transmissão de dados. A matriz base de transmissão M pode ser definida como (1) a matriz Walsh-Hadamard W descrita nas equações de (10) a (12), (2) a matriz DFT descrita nas equações de (13) a (15) ou (3) alguma outra matriz.

Cada fluxo de símbolos de dados x± é em seguida escalonado com seu peso associado λí,í na matriz diagonal Λ (etapa 116) . Este escalonamento resulta em que cada fluxo de símbolos de dados é transmitido com sua potência alocada. Os ND fluxos de símbolos de dados são então multiplicados pela matriz base de transmissão M para obter NT fluxos de símbolos de transmissão (denotados por x)) para as NT antenas de transmissão (etapa 118). O escalonamento dos ND fluxos de símbolos de dados com a matriz diagonal Λ e a multiplicação pela matriz base de transmissão M é mostrada na equação (4) . Cada fluxo de símbolos de dados xk é também processado e em seguida transmitido de uma antena associada (etapa 120). A figura 2 mostra um diagrama de blocos de uma modalidade de um sistema transmissor 210 e um sistema receptor 250 em um sistema MIMO 200. No sistema transmissor 210, os dados para os N0 fluxos são fornecidos por uma fonte de dados 212 e codificados e modulados por um processador de dados de transmissão (TX) 214, para obter símbolos de modulação, que são também referidos como símbolos de dados. A taxa de dados, a codificação e a modulação para fluxo podem ser determinadas por controles apresentados por um controlador 230. Os símbolos de dados são também escalonados com a matriz diagonal Λ e processados espacialmente com a matriz base de transmissão M por um processador espacial TX 220, para gerar símbolos de transmissão. Os símbolos-piloto, que podem ser utilizados na avaliação de canal, são multiplexados com os símbolos de transmissão. Um fluxo de símbolos de transmissão e piloto multiplexados é enviado a, e processado por, cada transmissor (TMTR) 222 para gerar um sinal modulado RF correspondente. Os NT sinais modulados dos transmissores de 222a a 222t são então transmitidos das NT antenas de 224a a 224t.

No sistema receptor 250, os NT sinais transmitidos são recebidos por NR antenas de 252a a 252r. Cada receptor (RCVR) 254 processa um sinal recebido de uma antena associada 252 para gerar um fluxo de símbolos recebido correspondente. Um processador espacial de recepção (RX) 260 em seguida processa os NR fluxos de símbolos recebidos dos NR receptores de 254a a 254r para gerar ND fluxos de símbolos "recuperados", que são estimativas dos ND fluxos de símbolos de dados transmitidos pelo sistema transmissor. Os ND fluxos de símbolos recuperados são também processados por um processador de dados RX 270 para obter dados decodificados, que são uma estimativa dos dados transmitidos pelo sistema transmissor. O processador espacial RX 260 pode também derivar uma estimativa da resposta de canal entre as NT antenas de transmissão e as NR antenas de recepção (como, por exemplo, com base nos símbolos-piloto). A estimativa de canal é descrita em detalhe no pedido de patente U.S. provisório No. de Série 60/438.601, intitulado "Pilot Transmission Schemes for Wireless Multi-Carrier Communication Systems", depositado a 7 de janeiro de 2003, cedido ao cessionário do presente pedido e incorporado aqui à guisa de referência. A estimativa de resposta de canal H pode ser utilizada para efetuar processamento espacial ou equalização no receptor. O processador espacial RX 260 pode também estimar as SNRs dos fluxos de símbolos recuperados e/ou os símbolos-piloto recebidos. O controlador 280 recebe a estimativa de resposta de canal H e as SNRs recebidas e fornece realimentação referente ao canal MIMO e/ou aos fluxos. Por exemplo, a realimentação pode indicar o número de fluxos de símbolos de dados a serem transmitidos, quais dos canais espaciais ou autovetores a serem utilizados na transmissão de dados e a SNR ou taxa recebida para cada fluxo. A realimentação é processada por um processador de dados TX 288, também processada por um processador espacial TX 290, condicionada pelos transmissores de 254a a 254r e enviada de volta ao sistema transmissor 210.

No sistema transmissor 210, os sinais modulados transmitidos do sistema receptor 250 são recebidos pelas antenas 224, condicionados pelos receptores de 222a a 222t, demodulados por um processador espacial RX 240 e processados por um processador de dados RX 242 para recuperar a realimentação enviada pelo sistema receptor. A realimentação é então enviada ao controlador 230 e pode ser utilizada para (1) determinar o número de fluxos de símbolos de dados a ser transmitido, (2) determinar a taxa e o esquema de codificação e modulação a ser utilizado para cada fluxo de símbolos de dados e (3) gerar diversos controles para o processador de dados TX 214 e o processador espacial TX 220.

Os controladores 230 e 280 orientam o funcionamento dos sistemas transmissor e receptor, respectivamente. As unidades de memória 232 e 282 provêem armazenamento para os códigos de programa e dados utilizados pelos controladores 230 e 280, respectivamente. A figura 3 mostra um diagrama de blocos do processamento espacial nos sistemas transmissor e receptor para o esquema de transmissão adaptativo em taxa. Dentro do processador espacial TX 220 no sistema transmissor 210, o vetor de dados x é primeiro multiplicado pela matriz diagonal Λ por uma unidade 310 e multiplicado adicionalmente pela matriz base de transmissão M por uma unidade 312 para obter o vetor de transmissão x . O vetor x é em seguida processador por um transmissor 314 e transmitido, através do canal MIMO, ao sistema receptor 250. A unidade 312 executa o processamento espacial para o sistema transmissor.

No sistema receptor 250, os sinais transmitidos são processados por um receptor 354 para obter o vetor de recepção χ. Dentro do processador espacial RX 260, o vetor A H de recepção γ é primeiro multiplicado por uma matriz H^ por uma unidade 356. Uma matriz de estimativa de resposta A H A Η A de canal efetiva pode ser obtida como H„? = HM, e a A Η A Η A H matriz é a transposta conjugada de He^· . A matriz H^· é também referida como a matriz de filtro casado para o esquema de transmissão adaptativo em taxa. O vetor resultante da unidade 356 é também escalonado por uma A -1 matriz diagonal inversa A pela unidade 358, para obter o vetor x, que é uma estimativa do vetor de dados x. As unidades 356 e 358 efetuam o processamento espacial (isto é, filtragem casada) para o sistema receptor. A figura 4 mostra um diagrama de blocos de um processador espacial 220x, que é uma modalidade do processador espacial TX 220 da figura 2. O processador espacial TX 220x inclui vários processadores espaciais de fluxos de símbolos de dados, de 410a a 410t, um processador para cada um dos ND fluxos de símbolos de dados a serem transmitidos. Cada processador 410 recebe um fluxo de símbolos de dados atribuído Xj, o peso λ±,±, para o fluxo atribuído e um vetor correspondente mi, da matriz base de transmissão M. ■ Dentro de cada processador 410, os símbolos de dados no fluxo atribuído x* são primeiro escalonados com o peso X±ri pelo multiplicador 412. Os símbolos de dados escalonados são também multiplicados por NT multiplicadores, de 414a a 414t com NT elementos, de Mit± a Mn ,., respectivamente, do vetor nii- Cada fluxo de símbolos de dados xi é assim transmitido de todas as NT antenas e representado por um vetor \i , que pode ser expresso como: Eq (21) Os símbolos de saída dos multiplicadores de 414a a 414t são em seguida enviados a NT somadores, de 420a a 420t, respectivamente, um somador para cada antena de transmissão. Cada somador 420 recebe os símbolos de saída para sua antena atribuída, que são dos ND multiplicadores 414 dentro dos ND processadores 410 atribuídos para processar os ND fluxos de símbolos de dados. Cada somador 420 em seguida soma os símbolos de saída e fornece os símbolos de transmissão para sua antena atribuída. A soma efetuada por cada somador 420 pode ser expressa da seguinte maneira: Eq (22) onde xkj é o ic-ésimo elemento do vetor % para o i-ésimo fluxo de símbolos de dados; e xk é o fluxo de símbolos de transmissão para a k-êsima antena de transmissão.

Os símbolos de transmissão de cada somador 420 sâo enviados a um respectivo multiplexador 430 e multiplexados com símbolos-piloto, para gerar um fluxo de símbolos de transmissão e piloto multiplexados para a antena associada. O esquema de transmissão adaptativo em taxa descrito aqui pode ser utilizado para sistemas MIMO de portadora única assim como para sistemas MIMO de múltiplas portadoras. Para um sistema MIMO de múltiplas portadoras, cada uma das múltiplas portadoras disponíveis para transmissão de dados pode ser vista como um sistema MIMO de única portadora. A potência de transmissão total Ptot e a potência por antena Pant podem ser divididas igualmente (ou possivelmente de maneira desigual) entre NF, de modo que Ptot__car = Ptot/Nf e Pant_car = Pant/Nf■ 0 esquema de transmissão adaptativo em taxa pode ser então aplicado a cada uma das Nf portadoras .com a restrição à potência total por portadora Ptot_car e com a restrição à potência por antena/portadora Pant car. O esquema de transmissão adaptativo em taxa descrito aqui pode ser implementado por diversos dispositivos no sistema transmissor e receptor. Por exemplo, o processamento para o esquema de transmissão adaptativo em taxa pode ser implementado em hardware, software ou uma combinação deles. Para uma implementação em hardware, os elementos utilizados para efetuar o processamento nos sistemas transmissor e receptor podem ser implementados dentro de um ou mais dispositivos de circuitos integrados de aplicação específica (ASICs), processadores de sinal digital (DSPs), dispositivos de processamento de sinais digitais (DSPDs), dispositivos lógicos programáveis (PLDs), arranjo de portas programável em campo (FPGAs), processadores, controladores, microcontroladores, microprocessadores, outras unidades eletrônicas projetadas para executar as funções descritas aqui, ou em uma combinação deles.

Para uma implementação em software, o processamento para o esquema de transmissão adaptativo em taxa pode ser implementado com módulos (como, por exemplo, procedimentos, funções e assim por diante) que executem as funções descritas aqui. Os códigos de software podem ser armazenados em uma unidade de memória (como, por exemplo, as unidades de memória 232 e 282 da figura 2) e executados por um processador (como, por exemplo, os controladores 230 e 280). Cada unidade de memória pode ser implementada dentro do processador ou fora do processador, e neste caso ela pode ser acoplada comunicativamente ao processador por diversos dispositivos, conforme é conhecido na técnica. A descrição anterior das modalidades reveladas é apresentada para permitir que qualquer pessoa versada na técnica fabrique ou utilize a presente invenção. Diversas modificações nestas modalidades estarão evidentes aos versados na técnica, e os princípios gerais definidos aqui podem ser aplicados a outras modalidades sem se afastar do espírito ou escopo da invenção.·Portanto, a presente invenção não se destina a ser limitada às modalidades mostradas aqui, mas deve receber o mais amplo escopo compatível com os princípios e aspectos novos descritos aqui.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Método para processar dados para transmissão em um sistema de comunicação de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: receber pelo menos um fluxo de símbolos de dados para transmissão a partir de uma pluralidade de antenas; ponderar cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com um respectivo peso correspondente a uma quantidade de potência de transmissão alocada para o fluxo de símbolos de dados, em que a quantidade total de potência de transmissão alocada para o pelo menos um fluxo de símbolos de dados é inferior ou igual a potência de transmissão total disponível para o sistema; e processar o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com uma matriz base de transmissão para prover uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão, um fluxo de símbolos de transmissão para cada uma dentre a pluralidade de antenas, em que a matriz base de transmissão é definida de modo que cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados seja transmitido a partir da pluralidade de antenas e cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à, ou próximo da, potência total disponível para a antena associada.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz base de transmissão é uma matriz Walsh-Hadamard.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz base de transmissão é uma matriz de transformada de Fourier discreta (DFT).

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: alocar a potência de transmissão total para o pelo menos um fluxo de símbolos de dados, e em que o peso para cada fluxo de símbolos de dados é determinado com base na quantidade de potência de transmissão alocada para o ifluxo de símbolos de dados.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a quantidade de potência de transmissão alocada para cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados é determinada com base na icondição do canal.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um único fluxo de símbolos de dados é transmitido a partir da pluralidade de antenas à, ou próximo da, potência total disponível para cada uma identre a pluralidade de antenas.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o único fluxo de símbolos de dados é transmitido em um canal espacial associado com a qualidade de sinal recebida mais elevada.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que NT fluxos de símbolos de dados são transmitidos a partir de NT antenas à, ou próximo da, potência total disponível para cada uma das WT antenas, onde NTé um número inteiro maior que um.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ND fluxos de símbolos de dados são transmitidos a partir de NT antenas à, ou próximo da, potência total disponível para cada uma das NT antenas, onde NT é um número inteiro maior que um e ND é um número linteiro menor ou igual a NT.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um número variável de fluxos de símbolos de dados é transmitido com base na condição do canal.

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados está associado com uma taxa específica determinada com base, pelo menos em parte, em uma qualidade de sinal recebida para o fluxo de símbolos de dados.

12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: multiplexar símbolos-piloto em cada uma dentre a pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão.

13. Método para processar símbolos para transmissão em um sistema de comunicação de múltiplas entradas, múltiplas saídas (MIMO) e única portadora, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: receber pelo menos um fluxo de símbolos de dados para transmissão a partir de uma pluralidade de antenas; alocar potência de transmissão total disponível para o sistema para o pelo menos um fluxo de símbolos de dados, em que a quantidade total de potência de transmissão alocada para o pelo menos um fluxo de símbolos de dados é menor ou igual a potência de transmissão total; ponderar cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com um respectivo peso correspondente a uma quantidade de potência de transmissão alocada para o fluxo de símbolos de dados; e processar o pelo menos um fluxo de símbolos de dados ponderados com uma matriz base de transmissão para prover uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão, um fluxo de símbolos de transmissão para cada uma dentre a pluralidade de antenas, em que a matriz base de transmissão é definida de modo que cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados seja transmitido a partir da pluralidade de antenas e cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à, ou próximo da, potência total disponível para a antena associada.

14. Método para processar símbolos recebidos em um sistema de comunicação de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: obter uma pluralidade de fluxos de símbolos recebidos para uma pluralidade de antenas de recepção, em que a pluralidade de fluxos de símbolos recebidos consiste de pelo menos um fluxo de símbolos de dados que foram processados com uma matriz base de transmissão para formar uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão para uma pluralidade de antenas de transmissão, em que a matriz base de transmissão é definida de modo que cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados seja transmitido a partir da pluralidade de antenas de transmissão e cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à, ou próximo da, potência total disponível para a antena de transmissão associada; e processar a pluralidade de fluxo de símbolos recebidos para recuperar o pelo menos um fluxo de símbolos de dados.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o processamento inclui: equalizar a pluralidade de fluxos de símbolos recebidos para obter uma estimativa do pelo menos um fluxo de símbolos de dados, e decodificar a estimativa do pelo menos um fluxo de símbolos de dados.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a equalização é efetuada com base em uma matriz de filtro casado que compreende a matriz base de transmissão.

17. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: estimar uma qualidade de sinal recebida para cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados; e determinar uma taxa para cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com base na qualidade de sinal recebida estimada.

18. Equipamento transmissor em um sistema de comunicação de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), caracterizado pelo fato de que compreende: dispositivos para receber pelo menos um fluxo de símbolos de dados para transmissão a partir de uma pluralidade de antenas; dispositivos para ponderar cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com um respectivo peso correspondente a uma quantidade de potência de transmissão alocada para o fluxo de símbolos de dados, em que a quantidade total de potência de transmissão alocada para o pelo menos um fluxo de símbolos de dados é menor ou igual a potência de transmissão total para o sistema; e dispositivos para processar o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com uma matriz base de transmissão de para prover uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão, um fluxo de símbolos de transmissão para cada uma dentre a pluralidade de antenas, em que a matriz base de transmissão é definida de modo que cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados seja transmitido a partir da pluralidade de antenas e cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à, ou próximo da, potência total disponível para a antena associada.

19. Equipamento transmissor, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a matriz base de transmissão é uma matriz Walsh-Hadamard ou uma matriz de transformada de Fourier discreta (DFT).

20. Unidade transmissora em um sistema de comunicação de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), caracterizada pelo fato de que compreende: um processador de dados de transmissão (TX) operativo para processar dados para prover pelo menos um fluxo de símbolos de dados para transmissão a partir de uma pluralidade de antenas; e um processador espacial TX operativo para ponderar cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com um respectivo peso correspondente a uma quantidade de potência de transmissão alocada para o fluxo de símbolos de dados, e para processar o pelo menos um fluxo de símbolos de dados com uma matriz base de transmissão para prover uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão, um fluxo de símbolos de transmissão para cada uma dentre a pluralidade de antenas, em que a matriz base de transmissão é definida de modo que cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados seja transmitido a partir da pluralidade de antenas e cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à, ou próximo da, potência total disponível para a antena associada.

21. Unidade transmissora, de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente: uma pluralidade de transmissores associados com a pluralidade de antenas, cada transmissor operativo para processar um respectivo fluxo de símbolos de transmissão para transmissão a partir da antena associada.

22. Equipamento receptor em um sistema de comunicação de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), caracterizado pelo fato de que compreende: um processador espacial de recepção (RX) operativo para processar uma pluralidade de fluxos de símbolos recebidos para prover uma estimativa de pelo menos um fluxo de símbolos de dados, em que o pelo menos um fluxo de símbolos de dados é processado com uma matriz base de transmissão para formar uma pluralidade de fluxos de símbolos de transmissão para uma pluralidade de antenas de transmissão, e em que a matriz base de transmissão é definida de modo que cada um dentre o pelo menos um fluxo de símbolos de dados seja transmitido a partir da pluralidade de antenas de transmissão e cada fluxo de símbolos de transmissão seja transmitido à, ou próximo da, potência total disponível para a antena de transmissão associada; e um processador de dados RX operativo para processar a estimativa de pelo menos um fluxo de símbolos de dados para prover dados decodificados.