ES2490817T3

ES2490817T3 - Procedimiento y transmisor para la transmisión difundida con ensanchamiento espacial en un sistema de comunicación de múltiples antenas

Info

Publication number: ES2490817T3
Application number: ES08153985.0T
Authority: ES
Inventors: Jay Walton; John W. Ketchum; Mark S. Wallace; Steven J. Howard
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2024-12-13
Also published as: EP2257008A3; EP1695500B1; CN1985484A; US20080031374A1; JP4668925B2; TW200541243A; JP2007527150A; TWI392259B; PT2257008T; ES2305902T3; DK1933513T3; US7899131B2; HUE033252T2; US7302009B2; PT1933513E; US20050157806A1; CN1985484B; ES2633309T3; EP2257008A2; CA2549100A1

Abstract

Un procedimiento de difusión de datos desde un transmisor inalámbrico de múltiples antenas, que comprende: seleccionar al menos dos matrices guía para la transmisión de al menos un bloque de símbolos de datos obtenidos desde al menos un bloque de datos, en en el que dichas al menos dos matrices guía se proporcionan para aleatorizar un canal efectivo observado por cada una entre una pluralidad de entidades receptoras para dicho al menos un bloque de símbolos de datos; realizar procesamiento espacial sobre dicho al menos un bloque de símbolos de datos con cada una de dichas al menos dos matrices guía, para obtener una pluralidad de secuencias de símbolos de transmisión; y difundir una o más señales que comprenden la pluralidad de secuencias de símbolos de transmisión desde una pluralidad de antenas de transmisión.

Description

imagen1

imagen2

imagen3

imagen4

5

10

15

20

25

30

35

40

E08153985

08-08-2014

Para un sistema de MIMO de portadora única, un canal de MIMO formado por las Nap antenas en el punto de acceso y las Nut antenas en un terminal u de usuario dado puede ser caracterizado por una matriz Hu de respuesta de canal, de dimensiones Nut x Nap, que puede ser expresada como:

imagen5

Ec. (1)

donde la entrada hij, para i = 1 ... Nut y j = 1 ... Nap, indica el acoplamiento o ganancia compleja entre la antena j del punto de acceso y la antena i del terminal de usuario. Según se muestra en la FIG. 1, los terminales de usuario pueden estar distribuidos por toda el área de cobertura del punto de acceso. Un canal de MIMO distinto está formado por las Nap antenas en el punto de acceso y las Nut antenas en cada terminal de usuario.

Los datos pueden ser transmitidos de diversas maneras en el sistema de MIMO de portadora única. En una esquema sencillo de transmisión, un flujo de símbolos de datos es transmitido desde cada antena del punto de acceso, y NS flujos de símbolos de datos son transmitidos simultáneamente desde NS de las Nap antenas del punto de acceso, donde NS es el número de canales espaciales y NS < min Nap, Nut}. Los símbolos recibidos en el terminal u de usuario para este esquema de transmisión pueden ser expresados como:

ru = Hus + nu, Ec. (2)

donde s es un vector de dimensiones Nap x 1 con NS entradas no nulas para NS símbolos de datos a transmitir simultáneamente por el punto de acceso;

ru es un vector de dimensiones Nut x 1 con entradas para Nut símbolos recibidos, obtenidos mediante las Nut antenas en el terminal u de usuario; y

nu es un vector de ruido observado en el terminal u de usuario.

Para mayor simplicidad, se supone que el ruido es ruido Gaussiano blanco aditivo (AWGN) con un vector de media

cero y una matriz de covarianza de imagen6, donde imagen6es la varianza del ruido observado por el terminal u de usuario e I es la matriz identidad.

Los NS flujos de símbolos de datos transmitidos desde las Nap antenas del punto de acceso interfieren entre sí en el terminal u de usuario. Un flujo dado de símbolos de datos, transmitido desde una antena del punto de acceso, puede ser recibido por todas las Nut antenas del terminal de usuario en distintas amplitudes y fases. Cada flujo de símbolos recibido incluye un componente de cada uno de los NS flujos de símbolos de datos transmitidos. Los Nut flujos de símbolos recibidos incluirían colectivamente todos los NS flujos de símbolos de datos. Sin embargo, estos NS flujos de símbolos de datos están dispersos entre los Nut flujos de símbolos recibidos. El terminal u de usuario realiza el procesamiento espacial del receptor sobre los Nut flujos de símbolos recibidos, para recuperar los NS flujos de símbolos de datos transmitidos por el punto de acceso.

Las prestaciones que pueden ser logradas para el terminal u de usuario dependen (en gran medida) de su matriz Hu de respuesta de canal. Si existe un alto grado de correlación dentro de Hu, entonces cada flujo de símbolos de datos observaría una gran cantidad de interferencia desde los otros flujos, que no puede ser eliminada por el procesamiento espacial del receptor en el terminal de usuario. El alto nivel de interferencia degrada la SNR de cada flujo de símbolos de datos afectado, posiblemente hasta un punto en donde el flujo de símbolos de datos no puede ser descodificado correctamente por el terminal de usuario.

Para una transmisión de datos a un terminal de usuario específico, mediante un canal dado de MIMO, puede alcanzarse la capacidad de sistema si el punto de acceso está dotado de suficiente información de estado de canal con respecto al canal de MIMO. El punto de acceso puede luego usar esta información para procesar datos de una manera como para maximizar el rendimiento para el terminal de usuario (p. ej., seleccionar la velocidad adecuada para cada flujo de datos). Dado que distintos terminales de usuario observan distintos canales de MIMO, el punto de acceso necesitaría habitualmente procesar datos de distinta manera para cada terminal de usuario, para maximizar el

6 5

10

15

20

25

30

35

40

45

E08153985

08-08-2014

rendimiento para ese terminal de usuario.

Para una transmisión difundida, el punto de acceso transmite los mismos datos a un cierto número de terminales de usuario dentro de un área de cobertura de difusión. Para la difusión, el punto de acceso, habitualmente, no tiene información de estado de canal para los terminales de usuario. Además, habitualmente no es práctico procesar datos concebidos para múltiples terminales de usuario en base a información de estado de canal para un terminal específico de usuario.

La transmisión difundida desde el punto de acceso observa un conjunto de canales de MIMO para distintos terminales de usuario en el área de cobertura de difusión. Un cierto porcentaje de los canales de MIMO pueden ser considerados como “malos”. Por ejemplo, un canal malo puede aparecer cuando la matriz H de respuesta de canal exhibe un alto grado de correlación, o cuando hay insuficiente dispersión, multitrayecto (ancho de banda de gran coherencia) o desvanecimiento temporal (tiempo de gran coherencia) en el canal. La aparición de canales “malos” es aleatoria, y es deseable minimizar el porcentaje de tiempo en que esto puede ocurrir para cada terminal de usuario.

Para la difusión, el punto de acceso necesita transmitir cada flujo de símbolos de datos a una velocidad suficientemente baja, de modo que el flujo pueda ser recuperado por los terminales de usuario incluso en la condición de canal del peor caso. Las prestaciones de difusión están luego dictadas por la condición esperada de canal del peor caso, para todos los terminales de usuario en el área de cobertura.

A. Transmisión difundida de MIMO

El ensanchamiento espacial puede ser usado para aleatorizar un canal de MIMO efectivo observado por cada terminal de usuario, de modo que las prestaciones de difusión no estén dictadas por una realización de canal único sobre un bloque de código. Con el ensanchamiento espacial, el punto de acceso realiza el procesamiento espacial sobre cada bloque de código, con múltiples matrices guía para aleatorizar efectivamente el canal de MIMO para cada terminal de usuario. En consecuencia, cada terminal de usuario observa un conjunto de canales en la extensión de cada bloque de código y no se atasca en un único canal para una parte extendida del bloque de código.

El procesamiento espacial en el punto de acceso para el ensanchamiento espacial en el sistema de MIMO puede ser expresado como:

xmimo(m)= V(m)· s(m), Ec. (3)

donde

s(m) es un vector de dimensiones NS x 1 con NS símbolos de datos a enviar en el tramo m de transmisión;

V(m) es una matriz guía de dimensiones Nap x NS para el tramo m de transmisión; y

xmimo(m) es un vector de dimensiones Nap x 1 con Nap símbolos de transmisión a enviar desde las Nap antenas del punto de acceso en el tramo m de transmisión.

Un tramo de transmisión puede abarcar dimensiones de tiempo y / o frecuencia. Por ejemplo, en un sistema de MIMO de portadora única, un tramo de transmisión puede corresponder a un periodo de símbolos, que es la duración temporal para transmitir un símbolo de datos. Como otro ejemplo, en un sistema de MIMO de múltiples portadoras, tal como un sistema de MIMO que utiliza el OFDM, un tramo de transmisión puede corresponder a una sub-banda en un periodo de símbolos de OFDM. Un tramo de transmisión también puede abarcar múltiples periodos de símbolos y / o múltiples sub-bandas. De tal modo, m puede ser un índice para el tiempo y / o la frecuencia. Un tramo de transmisión también puede ser denominado un intervalo de transmisión, un intervalo de señalización, una ranura, etc.

Un conjunto de L matrices guía puede ser generado según se describe más adelante, y usado para el ensanchamiento espacial. Este conjunto de matrices guía se indica como {V}, o V(i), para i = 1 ... L, donde L puede ser cualquier entero mayor que uno. Una matriz guía en el conjunto puede ser seleccionada para cada tramo m de transmisión, y usada para el procesamiento espacial por el punto de acceso, para ese tramo de transmisión. Los resultados del procesamiento espacial son Nap flujos de símbolos de transmisión para su difusión desde las Nap antenas del punto de acceso.

Los símbolos recibidos en cada terminal de usuario con ensanchamiento espacial pueden ser expresados como:

r(m)= H(m)· V(m)· s(m)+ n(m)= Heff(m)· s(m)+ n(m), Ec. (4)

donde

r(m) es un vector de dimensiones Nut x 1 con Nut símbolos recibidos para el tramo m de transmisión;

7 5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

E08153985

08-08-2014

H(m) es una matriz de respuesta de canal de dimensiones Nut x Nap para el tramo m de transmisión;

Heff(m) es una matriz de respuesta efectiva de canal, de dimensiones Nut x NS, para el tramo m de transmisión, que es Heff(m)= H(m)· V(m); y

n(m) es un vector de ruido para el tramo m de transmisión.

Para mayor simplicidad, se supone que la respuesta H(m) de canal sea constante sobre cada tramo de transmisión. Las cantidades H(m), Heff(m), rimagen7(m)y n(m) son distintas para distintos terminales de usuario, mientras que las cantidades V(m)y s(m) son las mismas para todos los terminales de usuario. Para simplificar la notación, se omite el subíndice “u” para el terminal u de usuario, en las cantidades específicas del usuario en la ecuación (4) y en la siguiente descripción.

Como se muestra en la ecuación (4), debido al ensanchamiento espacial realizado por el punto de acceso, los NS flujos de símbolos de datos observan la respuesta efectiva de canal Heff(m) en lugar de la respuesta real de canal H(m) para cada terminal de usuario. Si se usan múltiples matrices guía para la transmisión difundida, entonces cada flujo de símbolos de datos efectivamente observa un conjunto de canales espaciales de H(m). Además, si se usan múltiples matrices guía en la extensión de un bloque de código, entonces los símbolos de datos en el bloque de código observarían distintos canales en la extensión del bloque de código.

En general, el punto de acceso puede difundir cualquier número de (ND) flujos de datos simultáneamente a los terminales de usuario, donde NS > ND > 1. Por ejemplo, si ND = NS, entonces el punto de acceso puede difundir un flujo de datos por cada canal espacial de Heff(m). El número máximo de flujos de datos que pueden ser difundidos simultáneamente está determinado por el número de canales espaciales para todos los terminales de usuario, el cual, a su vez, está determinado por (1) el número de antenas en el punto de acceso y (2) el número mínimo de antenas en todos los terminales de usuario. Si todos los terminales de usuario están equipados con el mismo número de antenas, entonces min {Nap, Nut} > NS > ND. Si ND = 1, entonces el punto de acceso puede difundir un flujo de datos desde sus Nap antenas.

La FIG. 2 muestra un proceso 200 para difundir datos con ensanchamiento espacial. Inicialmente, el punto de acceso procesa datos para ND flujos de datos, para obtener un conjunto de ND bloques de símbolos de datos, un bloque para cada flujo de datos (bloque 212). Cada bloque de símbolos de datos contiene símbolos de datos generados a partir de un bloque de datos codificados, que puede ser llamado un bloque de código o un paquete de datos codificados. El procesamiento de datos puede ser realizado según se describe más adelante. El punto de acceso divide luego los ND bloques de símbolos de datos en NM sub-bloques de símbolos de datos a difundir en NM tramos de transmisión, un subbloque en cada tramo de transmisión (bloque 214). NM también se denomina la longitud del bloque y es mayor que uno,

o NM > 1. Cada sub-bloque puede contener uno o más símbolos de datos de cada uno de los ND bloques. Por ejemplo, si ND = NS, entonces cada sub-bloque puede contener NS símbolos de datos procedentes de NS bloques para NS flujos de datos. Como otro ejemplo, si ND = 1, entonces cada sub-bloque puede contener NS símbolos de datos procedentes de un bloque para un flujo de datos. El índice m usado para indicar el tramo de transmisión para el conjunto actual de bloques de símbolos de datos se fija en 1 (bloque 216).

Para cada tramo m de transmisión, el punto de acceso selecciona una matriz guía, que es indicada como V(m), p. ej., a partir del conjunto de L matrices guía (bloque 218). El punto de acceso realiza luego el procesamiento espacial sobre el sub-bloque m de símbolos de datos con la matriz guía V(m), para obtener símbolos de transmisión (bloque 220). Si el tramo m de transmisión abarca un vector de símbolos de datos, entonces el punto de acceso forma un vector s(m) con hasta NS símbolos de datos, a partir del sub-bloque m de símbolos de datos, y procesa espacialmente el vector s(m) con la matriz V(m), para obtener el vector xmimo(m), según se muestra en la ecuación (3). Si el tramo m de transmisión abarca múltiples (NV) vectores de símbolos de datos, entonces el punto de acceso forma NV vectores sl(m), para l = 1 ... NV, a partir del sub-bloque m de símbolos de datos, y procesa espacialmente cada vector sl(m) con la misma matriz guía V(m), para obtener un correspondiente vector xmimo,l(m) de símbolos de transmisión. En cualquier caso, el punto de acceso usa la misma matriz guía V(m) para el procesamiento espacial, para todos los vectores de símbolos de datos en el tramo m de transmisión. El punto de acceso, además, procesa y difunde los vectores resultantes de símbolos de transmisión mediante las Nap antenas de transmisión en el tramo m de transmisión (bloque 222).

Se toma luego una determinación en cuanto a si todos los NM sub-bloques de símbolos de datos han sido o no procesados y transmitidos (es decir, si m = NM) (bloque 224). Si la respuesta es “No”, entonces el índice m es incrementado para el siguiente sub-bloque, o tramo de transmisión (bloque 226), y el proceso vuelve al bloque 218. Si la respuesta es “Sí” para el bloque 224, entonces se toma una determinación en cuanto a si hay o no más datos para difundir (bloque 228). Si la respuesta es “Sí”, entonces el proceso vuelve al bloque 212 para iniciar el procesamiento para el siguiente conjunto de bloques de símbolos. En caso contrario, el proceso termina.

Cada conjunto de bloques de símbolos de datos es, por tanto, procesado espacialmente con NM matrices guía, para obtener Nap secuencias de símbolos de transmisión. Cada secuencia de símbolos de transmisión es difundida desde

8

imagen8

imagen9

imagen10

imagen11

imagen12

imagen13

imagen14

imagen15

imagen16

imagen17

imagen18

imagen19

E08153985

08-08-2014

y

imagen20

donde es una estimación de heff,i(m), para i = 1, 2; y

imagen21son ruido pos-procesado, respectivamente, para los símbolos detectados

imagen22yimagen6.

imagen6

Si el terminal de usuario está equipado con múltiples antenas, entonces los símbolos recibidos pueden ser expresados como:

imagen23

donde ri(m) es un vector de dimensiones Nut x 1 con Nut símbolos recibidos para el periodo i de símbolos del tramo m de transmisión; 10 H(m) es una matriz de respuesta de canal, de dimensiones Nut x Nap, para el tramo m de transmisión;

Heff,sttd(m) es una matriz de respuesta efectiva de canal, de dimensiones Nut x 2, para el tramo m de transmisión, que es Heff,sttd(m) = H(m)· Vsttd(m) =[heff,1(m) heff,2(m)]; y ni(m) es un vector de ruido para el periodo i de símbolos del tramo m de transmisión. Se supone que la respuesta H(m) de canal es constante sobre los dos periodos de símbolos del tramo m de

15 transmisión. El terminal de usuario de múltiples antenas puede obtener estimaciones de los dos símbolos de datos, sa(m) y sb(m), de la siguiente manera:

imagen24

y

imagen25

20 donde

imagen6

es una estimación de heff,i(m), para i = 1, 2; y

imagen6y

imagen6son ruido pos-procesado, respectivamente, para los símbolos detectados

imagen6yimagen6.

Para el esquema SFTD, los dos vectores s1(m)y s2(m) son difundidos por dos sub-bandas distintas en el mismo periodo de símbolos. El mismo procesamiento de transmisión y recepción descrito anteriormente puede ser realizado

25 para el esquema SFTD, donde el índice i indica ahora sub-banda en lugar de periodo de símbolos. Dado que se supone que la respuesta de canal sea aproximadamente constante sobre el tramo de transmisión, pueden ser usadas dos sub-bandas adyacentes k y k + 1 para difundir los dos vectores s1(m)y s2(m).

21

imagen26

imagen27

imagen28

5

10

15

20

25

30

35

E08153985

08-08-2014

entre sí. Esta condición asegura que los NS símbolos de datos difundidos simultáneamente, usando la matriz guía V(i), tienen la misma potencia y son ortogonales entre sí antes de la transmisión.

Algunas de las matrices guía también pueden estar no correlacionadas, de modo que la correlación entre dos matrices guía no correlacionadas cualesquiera sea cero, o un valor bajo. Esta condición puede ser expresada como:

imagen29para i = 1 ... L, j = 1 ... L e i ≠ j, Ec. (24)

donde C(ij) es la matriz de correlación para V(i) y V(j), y 0 es una matriz de todos ceros. La condición en la ecuación

(24) puede mejorar las prestaciones para algunas aplicaciones, pero no es necesaria para la mayoría de las aplicaciones.

Un conjunto de L matrices guía {V} puede ser generado usando diversos esquemas. En un primer esquema, las L matrices guía son generadas en base a matrices de variables aleatorias. Una matriz G de dimensiones NS x Nap, con elementos que son variables aleatorias Gaussianas complejas, independientes e idénticamente distribuidas (IID), teniendo cada una media cero y varianza unitaria, es generada inicialmente. Una matriz de correlación de G, de dimensiones Nap x Nap, es calculada como R = GH .G y descompuesta usando la descomposición en autovalores, como:

R = E · D · EH , Ec. (25)

donde

E es una matriz unitaria, de dimensiones Nap x NS, de autovectores de R;y

D es una matriz diagonal, de dimensiones NS x NS, de autovalores de R.

La matriz diagonal D contiene autovalores de R, que representan las ganancias de potencia para las NS automodalidades de G. La matriz E se usa como una matriz guía V(i) y se añade al conjunto. La matriz guía V(i) es una matriz unitaria porque la matriz E se obtiene mediante la descomposición en autovalores. El proceso se repite hasta que todas las L matrices guía sean generadas.

En un segundo esquema, las L matrices guía son generadas en base a un conjunto de (log2L)+1 matrices unitarias independientes, distribuidas isotrópicamente. Una matriz unitaria aleatoria está isotrópicamente distribuida si su densidad de probabilidad queda sin cambios por la pre-multiplicación por cualquier matriz unitaria determinística de

dimensiones Nap x Nap. El índice i para las matrices guía en el conjunto puede ser indicado como imagen6i = imagen6, donde Q

= log2 L,

imagen6es el primer bit del índice i, es el último bit del índice i, y cada bit puede tomar un valor de 0 o 1. Las L matrices guía pueden luego ser generadas de la siguiente manera:

imagen30

donde V0 es una matriz unitaria independiente isotrópicamente distribuida, de dimensiones Nap x NS; y

imagen6

, para j = 1 ... Q, es una matriz unitaria independiente isotrópicamente distribuida, de dimensiones Nap x Nap.

La matriz V0 puede ser definida, por ejemplo, como imagen6, donde INS es una matriz identidad de dimensiones NS x NS. El segundo esquema está descrito por T. L. Marzetta en “Constelaciones estructuradas de autocodificación unitaria del espacio-tiempo”, Transacción del IEEE sobre Teoría de la Información, Vol. 48, Nº 4, abril de 2002.

En un tercer esquema, las L matrices guía son generadas rotando sucesivamente una matriz guía V(1) inicial unitaria en un espacio complejo Nap-dimensional, según lo siguiente:

imagen31para i =1...L–1, Ec.(27)

donde

imagen6es una matriz unitaria diagonal de dimensiones Nap x Nap, que puede ser definida como:

25

imagen32

imagen33

imagen34

Claims

imagen1

imagen2

imagen3