RU2398359C2 - Method for transmission-reception of signal in multiuser system of radio communication with multiple transmitting and multiple receiving antennas - Google Patents
Method for transmission-reception of signal in multiuser system of radio communication with multiple transmitting and multiple receiving antennas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2398359C2 RU2398359C2 RU2008102584/09A RU2008102584A RU2398359C2 RU 2398359 C2 RU2398359 C2 RU 2398359C2 RU 2008102584/09 A RU2008102584/09 A RU 2008102584/09A RU 2008102584 A RU2008102584 A RU 2008102584A RU 2398359 C2 RU2398359 C2 RU 2398359C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vector
- signal
- signals
- receiving
- matrix
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 81
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 233
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 29
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 85
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 46
- 238000013139 quantization Methods 0.000 claims description 31
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 24
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 21
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 20
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 44
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 19
- 230000003094 perturbing effect Effects 0.000 description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 7
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 5
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 4
- 238000000750 constant-initial-state spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Radio Transmission System (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способу передачи-приема сигнала в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн.The invention relates to the field of radio engineering, in particular to a method for transmitting and receiving a signal in a multi-user radio communication system with multiple transmitting and multiple receiving antennas.
Технология использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн привлекает внимание как эффективный способ повышения пропускной способности канала связи, не требующий для этого дополнительных затрат радиочастотного спектра. В системах радиосвязи, использующих данную технологию, канал связи между передающей и приемной стороной имеет множество входов (multiple inputs) - передающих антенн, - и множество выходов (multiple outputs) - приемных антенн, вследствие чего технология получила название MIMO (multiple-input-multiple-output).The technology of using several transmitting and several receiving antennas attracts attention as an effective way to increase the bandwidth of the communication channel, which does not require additional costs of the radio frequency spectrum. In radio communication systems using this technology, the communication channel between the transmitting and receiving sides has multiple inputs — transmitting antennas — and multiple outputs — receiving antennas, as a result of which the technology is called MIMO (multiple-input-multiple -output).
Всю совокупность каналов распространения сигнала между передающими и приемными антеннами принято называть каналом MIMO. Один из способов увеличения пропускной способности состоит в одновременной передаче различных информационных потоков по различным пространственным подканалам канала MIMO. Данный способ известен как пространственное мультиплексирование (spatial multiplexing) [1] G.J.Foshini, G.D.Golden, R.A.Valenzuela, "Simplified processing for high spectral efficiency wireless communication employing multi-element arrays," IEEE Selected Areas Communication, vol.17, pp.1841-1852, November, 1999, [2] 802.16TM IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 1 October 2004.The whole set of signal propagation channels between transmitting and receiving antennas is called a MIMO channel. One way to increase throughput is to simultaneously transmit various information streams over different spatial subchannels of the MIMO channel. This method is known as spatial multiplexing [1] GJFoshini, GDGolden, RAValenzuela, "Simplified processing for high spectral efficiency wireless communication employing multi-element arrays," IEEE Selected Areas Communication, vol.17, pp. 1841 -1852, November, 1999, [2] 802.16TM IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, October 1, 2004.
При пространственном мультиплексировании независимые информационные потоки передают через различные передающие антенны. На приемной стороне оценивают коэффициенты передачи hj,i всех пространственных каналов связи, каждый из которых образован одной передающей и одной приемной антенной, где i,j - индексы передающей и приемной антенн соответственно. Из этих коэффициентов формируют канальную матрицу Н, которую используют при приеме сигнала.In spatial multiplexing, independent information streams are transmitted through various transmit antennas. On the receiving side, the transmission coefficients h j, i of all spatial communication channels are estimated, each of which is formed by one transmitting and one receiving antenna, where i, j are the indices of the transmitting and receiving antennas, respectively. Of these coefficients form a channel matrix H, which is used when receiving a signal.
До недавнего времени весьма интенсивно развивались методы передачи-приема для однопользовательских каналов MIMO, охватывающих один приемник и один передатчик (в терминах зарубежных публикаций - point-to-point - от точки к точке).Until recently, transmission-reception methods for single-user MIMO channels, covering one receiver and one transmitter (in terms of foreign publications, point-to-point, from point to point), have been very intensively developed.
Одним из наиболее серьезных препятствий на пути использования технологии MIMO в системе «от точки к точке» является необходимость размещения на абонентской станции (АС) нескольких антенн. Это довольно сложно реализовать, так как к абонентской станции, как правило, предъявляются требования малых габаритов и низкой стоимости.One of the most serious obstacles to using MIMO technology in a point-to-point system is the need to place several antennas at a subscriber station (AC). This is quite difficult to implement, since the requirements for small dimensions and low cost are usually imposed on the subscriber station.
Другая проблема использования однопользовательской технологии MIMO состоит в том, что увеличение пропускной способности зависит от рассеивающих свойств среды распространения сигнала. При этом для получения существенного выигрыша в пропускной способности требуется, чтобы среда распространения сигнала имела объекты рассеяния, а антенные системы имели антенны, удаленные друг от друга на большое расстояние.Another problem with using single-user MIMO technology is that the increase in throughput depends on the scattering properties of the signal propagation medium. Moreover, to obtain a significant gain in throughput, it is necessary that the signal propagation medium has scattering objects, and the antenna systems have antennas that are distant from each other over a large distance.
Вариант решения данных проблем представляет многопользовательская технология MIMO. В данной технологии в качестве канала MIMO рассматривается канал, образованный несколькими антеннами базовой станции (БС) с одной стороны и антеннами нескольких абонентских станций (АС) с другой стороны. При этом каждая абонентская станция может иметь как несколько, так и только одну антенну.An option to solve these problems is the multi-user MIMO technology. In this technology, the channel formed by several antennas of a base station (BS) on the one hand and antennas of several subscriber stations (AS) on the other hand is considered as a MIMO channel. At the same time, each subscriber station can have both several and only one antenna.
Многопользовательские подходы дают возможность использовать дополнительные преимущества технологии MIMO.Multi-user approaches provide the opportunity to take advantage of the additional benefits of MIMO technology.
Во-первых, появляется возможность увеличения пропускной способности за счет пространственного разделения пользователей, когда несколько абонентских станций используют для связи с БС один и тот же физический канал.Firstly, it becomes possible to increase throughput due to the spatial separation of users when several subscriber stations use the same physical channel to communicate with the BS.
Во-вторых, многопользовательский канал MIMO имеет относительно низкую корреляцию между пространственными подканалами, за счет того, что они принадлежат различным абонентским терминалам. Это обеспечивает выигрыш в пропускной способности даже в среде с низким рассеянием.Secondly, the multi-user MIMO channel has a relatively low correlation between spatial subchannels, due to the fact that they belong to different user terminals. This provides bandwidth gains even in low dispersion environments.
В-третьих, появляется возможность реализовывать алгоритмы MIMO в случае, когда абонентское оборудование имеет одну или небольшое количество антенн.Thirdly, it becomes possible to implement MIMO algorithms when the subscriber equipment has one or a small number of antennas.
К настоящему моменту имеется достаточно практичное решение для многопользовательского алгоритма MIMO в обратном канале системы связи (от абонентских станций к базовой). Это способ совместного пространственного мультиплексирования (collaborative spatial multiplexing), используемый для передачи сигналов от нескольких абонентских терминалов на базовую станцию. Данное решение предусмотрено современными стандартами связи, например [2] 802.16ТМ IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 1 October 2004.To date, there is a fairly practical solution for the multi-user MIMO algorithm in the return channel of the communication system (from subscriber stations to the base). This is a collaborative spatial multiplexing method used to transmit signals from several subscriber terminals to the base station. This solution is provided by modern communication standards, for example [2] 802.16ТМ IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, October 1, 2004.
Однако проблема увеличения емкости наиболее актуальна для прямого канала - от базовой станции к абонентским терминалам, по которому передаются наиболее объемные и высокоскоростные потоки данных. В то же время пока не разработано простого и эффективного многопользовательского алгоритма для прямого канала системы связи MIMO. Реализация многопользовательских подходов MIMO в прямом канале сталкивается с двумя основными проблемами. Прежде всего, это необходимость обеспечивать передатчик информацией о канале связи. Другая проблема состоит в том, что в отличие от однопользовательского канала MIMO в многопользовательском канале практически невозможна совместная обработка сигналов различных абонентских терминалов.However, the problem of increasing capacity is most relevant for the direct channel - from the base station to the subscriber terminals, through which the most voluminous and high-speed data streams are transmitted. At the same time, a simple and effective multi-user algorithm for the direct channel of the MIMO communication system has not yet been developed. The implementation of multi-user MIMO approaches in the direct channel faces two main problems. First of all, it is the need to provide the transmitter with information about the communication channel. Another problem is that, unlike a single-user MIMO channel, in a multi-user channel it is practically impossible to jointly process signals from different user terminals.
Таким образом, весьма актуальной является задача разработки многопользовательского алгоритма передачи-приема сигнала в прямом канале системы связи MIMO.Thus, the task of developing a multi-user signal transmission-reception algorithm in the direct channel of the MIMO communication system is very urgent.
Известно несколько многопользовательских подходов MIMO в прямом канале. К ним относятся «кодирование грязной страницы» (dirty paper coding) [3] M.Airy, A.Forenza, R.W.Heath, Jr.S.Shakkottai, "Practical Costa preceding for the multiple antenna broadcast channel," IEEE Global Telecommunications Conference, GLOBECOM, 29 Nov.-3 Dec. 2004, Volume 6, Page(s): 3942-3946, блочная диагонализация (block diagonalization) [4] Q.H.Spencer, and M.Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel," Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference, Volume 2, Issue, 3-6 Nov. 2002 Page(s): 1384-1388 vol.2, и различные методы линейного многопользовательского предварительного кодирования (multiuser precoding) [5] J.C.Mundarath, J.H.Kotecha, "Zero-Forcing Beamfbrming for Non-Collaborative Space Division Multiple Access," Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP, 14-19 May 2006, Volume: 4, page(s): IV-IV. [6] A Wiesel, Y.C.Eldar, and Sh.Shamai, "Optimal Generalized Inverses for Zero Forcing Preceding," 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, CISS'07, 14-16 March 2007, pages: 130-134.There are several multi-user MIMO approaches in the forward channel. These include “dirty paper coding” [3] M.Airy, A. Forenza, RWHeath, Jr.S.Shakkottai, "Practical Costa preceding for the multiple antenna broadcast channel," IEEE Global Telecommunications Conference, GLOBECOM, 29 Nov.-3 Dec. 2004,
Большинство из этих методов обладает высокой сложностью реализации и требует серьезных исследований, направленных на их практическое применение.Most of these methods have a high implementation complexity and require serious research aimed at their practical application.
Известен, например, алгоритм блочной диагонализации (block diagonalization), который теоретически является весьма эффективным способом реализации многопользовательской технологии MIMO [4] Q.Н.Spencer, and M.Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel," Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference, Volume 2, Issue, 3-6 Nov. 2002 Page(s): 1384-1388 vol.2. В этом алгоритме многопользовательское предварительное преобразование (кодирование) сигнала выполняют таким образом, что канал MIMO трансформируется в ортогональные пространственные подканалы, соответствующие различным пользовательским терминалам. При этом данные каналы не создают взаимных помех. Прием-передачу сигналов для каждого абонентского терминала выполняют в соответствующем пространственном подканале с использованием какого-либо из известных однопользовательских алгоритмов MIMO.Known, for example, is the block diagonalization algorithm, which theoretically is a very effective way to implement the MIMO multi-user technology [4] Q. H. Spencer, and M. Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel, "Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference,
Для реализации этого подхода необходимо оценить коэффициенты передачи всех пространственных каналов связи и сформировать канальную матрицу. Информация о канальной матрице является вспомогательной контрольной информацией, которую тем или иным способом необходимо передать на базовую станцию. После этого базовая станция должна выполнить декомпозицию канальной матрицы по сингулярным значениям. Полученную в результате информацию о правых сингулярных векторах БС использует в процессе передачи сигналов. При этом информацию о левых сингулярных векторах базовая станция должна передать абонентским терминалам с тем, чтобы они могли выполнить прием сигнала.To implement this approach, it is necessary to evaluate the transmission coefficients of all spatial communication channels and form a channel matrix. Information about the channel matrix is an auxiliary control information, which in one way or another must be transmitted to the base station. After that, the base station must decompose the channel matrix into singular values. The resulting information about the right singular vectors BS uses in the process of signal transmission. In this case, the base station must transmit information about the left singular vectors to the subscriber terminals so that they can receive the signal.
Такой алгоритм сложен для практической реализации, так как требует двусторонней передачи весьма объемных контрольных данных с высокой скоростью. Другим недостатком этого алгоритма является то, что он применим лишь для случая, когда абонентские терминалы имеют по две и более приемных антенн.Such an algorithm is difficult for practical implementation, since it requires two-way transmission of very voluminous control data at high speed. Another disadvantage of this algorithm is that it is applicable only for the case when subscriber terminals have two or more receiving antennas.
Известны более простые - линейные способы многопользовательского предварительного кодирования, к которым относятся способ минимума среднеквадратичной ошибки (minimum mean squared error - MMSE) и способ обращения в нуль (zero forcing - ZF) [5] J.C.Mundarath, J.H.Kotecha, "Zero-Forcing Beamforming for Non-Collaborative Space Division Multiple Access," Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP, 14-19 May 2006, Volume: 4, page(s): IV-IV, [6] A Wiesel, Y.C.Eldar, and Sh.Shamai, "Optimal Generalized Inverses for Zero Forcing Preceding," 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, CISS'07, 14-16 March 2007, pages: 130-134.Simpler linear methods of multi-user precoding are known, which include the minimum mean squared error (MMSE) method and the zero forcing (ZF) method [5] JCMundarath, JHKotecha, "Zero-Forcing Beamforming for Non-Collaborative Space Division Multiple Access, "Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP, 14-19 May 2006, Volume: 4, page (s): IV-IV, [6] A Wiesel, YCEldar, and Sh.Shamai, "Optimal Generalized Inverses for Zero Forcing Preceding," 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, CISS'07, March 14-16, 2007, pages: 130-134.
В этих алгоритмах предшествующая передаче обработка сигнала (предварительное кодирование) выполняется путем линейного преобразования, матрица которого формируется на основе инверсии или псевдоинверсии канальной матрицы Н. В результате такой предварительной обработки в каждой приемной антенне каждой из АС формируется только предназначенный данной антенне полезный сигнал без помех, создаваемых сигналами других приемных антенн. Способы ZF и MMSE применимы для терминалов, оборудованных как одной, так и несколькими антеннами.In these algorithms, the signal processing (precoding) preceding the transmission is performed by linear transformation, the matrix of which is formed on the basis of the inverse or pseudo-inversion of the channel matrix H. As a result of such preliminary processing, only a useful signal intended for this antenna is generated without interference from each antenna, generated by signals from other receiving antennas. The ZF and MMSE methods are applicable to terminals equipped with one or several antennas.
Один из наиболее простых методов многопользовательского предварительного кодирования - это метод инверсии канала или обращения в нуль (ZF).One of the simplest methods of multi-user precoding is the channel inversion or zeroing (ZF) method.
Согласно методу инверсии канала из символов модуляции α1, …, αM, предназначенных для одновременной передачи К абонентским терминалам, формируют пакет или вектор символов модуляции a=[α1, … αM]T, в котором количество символов, передаваемых каждой АС, равно количеству приемных антенн данной АС, где М - суммарное количество приемных антенн абонентских станций. Из данного вектора формируют вектор передаваемых сигналов s путем умножения вектора а на инверсию канальной матрицы или псевдоинверсию, если матрица Н не квадратная. В дальнейшем для простоты будем рассматривать случай M=N, когда матрица Н квадратная. ТогдаAccording to the channel inversion method, from the modulation symbols α 1 , ..., α M intended for simultaneous transmission to the subscriber terminals, a packet or vector of modulation symbols a = [α 1 , ... α M ] T is formed in which the number of symbols transmitted by each speaker, equal to the number of receiving antennas of this AS, where M is the total number of receiving antennas of subscriber stations. A vector of transmitted signals s is formed from this vector by multiplying the vector a by the inverse of the channel matrix or pseudo-inversion if the matrix H is not square. Below, for simplicity, we consider the case M = N, when the matrix H is square. Then
Множество сигналов, принимаемых абонентскими станциями, могут быть представлены как элементы вектора у, который, в свою очередь, может быть выражен какMany signals received by subscriber stations can be represented as elements of the vector y, which, in turn, can be expressed as
где n - вектор шумовых составляющих приемных антенн, которые хорошо аппроксимируются, как независимые Гауссовские случайные величины, x - нормированный вектор передаваемых сигналов, полученный следующим преобразованием вектора s:where n is the vector of noise components of the receiving antennas, which are well approximated as independent Gaussian random variables, x is the normalized vector of transmitted signals obtained by the following transformation of the vector s:
- мощность сигнала, E[γ] - матожидание γ. is the signal power, E [γ] is the expectation of γ.
Подстановкой (1) и (3) в (2) можно получить, чтоSubstituting (1) and (3) into (2), we can obtain
где n - вектор шумовых составляющих приемников AC, IM - единичная диагональная матрица размерности М×М.where n is the vector of noise components of the receivers AC, I M is the unit diagonal matrix of dimension M × M.
Из формулы (4) видно, что принимаемые сигналы пользователей являются взаимно независимыми и не создают взаимных помех. Однако нормировка (3) приводит к тому, что коэффициент передачи сигнала равен From the formula (4) it is seen that the received user signals are mutually independent and do not create mutual interference. However, normalization (3) leads to the fact that the signal transmission coefficient is
Величина в знаменателе этого выражения зависит от инверсии канальной матрицы Н и может быть весьма значительной, особенно при плохо обусловленной канальной матрице. Наличие этого коэффициента является основной причиной снижения относительной полезной мощности в точке приема и, вместе с этим, помехоустойчивости приема.Value in the denominator of this expression depends on the inversion of the channel matrix H and can be very significant, especially with a poorly conditioned channel matrix. The presence of this coefficient is the main reason for the decrease in the relative net power at the receiving point and, along with this, the noise immunity of the reception.
Таким образом, значительное увеличение мощности сигнала s за счет многопользовательской предварительной обработки является основным недостатком методов ZF и MMSE. Поскольку в системе связи существует ограничение на мощность передачи, то амплитуду сигнала линейно снижают (в соответствии с (3)), однако это приводит к значительному снижению полезной мощности сигнала относительно шума в точке приема. В результате помехоустойчивость приема становится низкой.Thus, a significant increase in signal power s due to multi-user pre-processing is the main disadvantage of ZF and MMSE methods. Since there is a limitation on the transmission power in the communication system, the signal amplitude is linearly reduced (in accordance with (3)), however, this leads to a significant decrease in the useful signal power relative to the noise at the receiving point. As a result, reception noise immunity becomes low.
Существует и другой способ ограничения мощности передачи, который позволяет избежать значительного снижения относительной полезной мощности в точке приема. В основе данного способа лежит операция нелинейного модульного редуцирования, которая применяется, например, в [7] R.F.H.Fischer, C.Windpassinger, A.Lampe, J.B.Huber, "Space-Time Transmission using Tomlinson-Harashima Preceding," In Proc. 4th Int. ITG Conf., pp.139-147, Berlin, Jan. 2002.There is another way to limit the transmit power, which avoids a significant reduction in the relative net power at the receiving point. The method is based on the operation of nonlinear modular reduction, which is used, for example, in [7] R.F.H. Fischer, C. Windpassinger, A. Lampe, J.B. Huber, "Space-Time Transmission using Tomlinson-Harashima Preceding," In Proc. 4th Int. ITG Conf., Pp. 139-147, Berlin, Jan. 2002.
Входной величиной для данной операции является комплексное число, отражающее преобразованный сигнал. Операция модульного редуцирования (modulo reducing) состоит в добавлении к действительной и мнимой части входного числа величин, кратных действительной величине А, называемой модулем.The input quantity for this operation is a complex number that reflects the converted signal. The operation of modular reduction (modulo reducing) consists in adding to the real and imaginary parts of the input number of quantities that are multiples of the real value A, called the module.
Добавляемые значения выбираются так, что суммарное комплексное число оказывается в центральной области комплексной плоскости, в которой располагаются все комплексные символы используемого созвездия модуляции. Величина модуля известна как передающей, так и приемной стороне, что позволяет восстановить редуцированный сигнал в процессе приема.The added values are selected so that the total complex number appears in the central region of the complex plane, in which all the complex symbols of the modulation constellation used are located. The magnitude of the module is known to both the transmitting and receiving sides, which allows you to restore the reduced signal during reception.
Наиболее эффективный способ использования нелинейного модульного редуцирования представляет собой алгоритм векторного возмущения (vector perturbation) [8] Christoph Windpassinger, Robert F.H.Fischer, and Johannes B.Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Precoding," IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL.52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060.The most efficient way to use nonlinear modular reduction is the vector perturbation algorithm [8] Christoph Windpassinger, Robert FH Fischer, and Johannes B. Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Precoding," IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52 , NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060.
Векторное возмущение состоит в том, что к вектору информационных символов а прибавляют некоторый возмущающий вектор р. В результате сигнал после многопользовательского преобразования может быть представлен какThe vector perturbation consists in adding to the vector of information symbols a some perturbing vector p. As a result, the signal after multi-user conversion can be represented as
Действительные и мнимые части элементов вектора р определяют кратными величине модуля А, выбираемой таким образом, чтоThe real and imaginary parts of the elements of the vector p are determined in multiples of the value of the module A, chosen in such a way that
где Reα, Imα - действительная и соответственно мнимая части любого комплексного символа используемого созвездия модуляции.where Reα, Imα are the real and accordingly imaginary parts of any complex symbol of the modulation constellation used.
Сигнал γ, принимаемый в канале каждой приемной антенны каждой абонентской станции, подвергают операции нелинейного модульного редуцированияThe signal γ received in the channel of each receiving antenna of each subscriber station is subjected to non-linear modular reduction operations
где Where
[x] - максимальное целое число, не превышающее х.[x] is the maximum integer not exceeding x.
Основным свойством этой операции является то, что она инвариантна к добавлению величин, кратных A:The main property of this operation is that it is invariant to the addition of quantities that are multiples of A:
где r - любое целое число.where r is any integer.
В силу этого свойства, после выполнения модульного редуцирования сигналы приемных антенн всех АС могут быть представлены векторомDue to this property, after modular reduction, the signals of the receiving antennas of all speakers can be represented by a vector
где IM - единичная диагональная матрица размерности М×М.where I M is the unit diagonal matrix of dimension M × M.
Данное равенство показывает, что векторы передаваемых и принимаемых сигналов связаны линейно с помощью диагональной матрицы IM. То есть в результате предшествующего передаче многопользовательского преобразования в каждой из приемных антенн сформирован соответствующий ей передаваемый сигнал без помех, создаваемых сигналами, передаваемыми для других приемных антенн.This equality shows that the vectors of the transmitted and received signals are connected linearly using the diagonal matrix I M. That is, as a result of the previous transmission of the multi-user transform, a corresponding transmitted signal is generated in each of the receiving antennas without interference caused by signals transmitted to other receiving antennas.
Равенство (10) получено в предположении, что искаженные шумом символы созвездия модуляции не выходят за пределы квадрата комплексной плоскости, ограниченной значениями Equality (10) is obtained under the assumption that the noise-distorted symbols of the modulation constellation do not go beyond the square of the complex plane, limited by the values
то есть:i.e:
где Ren, Imn - действительная и соответственно мнимая части шумовой составляющей сигнала приемной антенны.where Ren, Imn is the real and, accordingly, imaginary parts of the noise component of the signal of the receiving antenna.
В случаях, когда условие (11) не выполняется, нелинейное модульное редуцирование (10) вызывает искажение сигнала, что, в свою очередь, приводит к потере помехоустойчивости и соответственно емкости канала связи. Поэтому желательно в максимальной степени снизить мощность передаваемого сигнала х=Н-1·(а+р). Для этого необходимо определить оптимальный вектор возмущений popt таким образом, что добавление его к вектору информационных символов а обеспечит минимум мощности сигнала после предварительного многопользовательского кодирования:In cases where condition (11) is not fulfilled, nonlinear modular reduction (10) causes signal distortion, which, in turn, leads to a loss of noise immunity and, accordingly, communication channel capacity. Therefore, it is desirable to minimize the transmitted signal power x = H -1 · (a + p). For this, it is necessary to determine the optimal disturbance vector p opt in such a way that adding it to the vector of information symbols a will provide a minimum signal power after preliminary multi-user encoding:
где - множество М-мерных векторов, элементы которых имеют целочисленные действительную и мнимую часть.Where - a set of M-dimensional vectors whose elements have integer real and imaginary parts.
Решение оптимизационной задачи (12) затрудняется тем, что множество целых чисел не ограничено, в силу чего множество бесконечно. Поэтому поиск решения методом перебора всех значений множества невозможен. Даже если ограничить множество рассматриваемых целых чисел несколькими наиболее близкими к нулю значениями, например {-2, -1, 0, 1, 2}, то и в этом случае множество поиска может быть весьма велико. Например, это множество состоит из (52)M=625 векторов при М=2, и (52)M=390625 векторов при М=4.The solution to the optimization problem (12) is complicated by the fact that the set of integers is unbounded, and therefore the set infinitely. Therefore, finding a solution by enumerating all the values of the set impossible. Even if we limit the set of integers under consideration to several values closest to zero, for example {-2, -1, 0, 1, 2}, then in this case the search set can be very large. For example, this set consists of (5 2 ) M = 625 vectors at M = 2, and (5 2 ) M = 390625 vectors at M = 4.
Поэтому метод перебора для решения (12) приводит к значительному увеличению сложности реализации.Therefore, the enumeration method for solving (12) leads to a significant increase in the complexity of implementation.
Один из подходов к решению оптимизационной задачи (12) состоит в использовании редукции базиса решетки [8] Christoph Windpassinger, Robert F.H.Fischer, and Johannes B.Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Preceding," IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060. Данный способ является наиболее близким к способу заявляемого изобретения. Способ-прототип заключается в следующем.One approach to solving optimization problem (12) is to use lattice basis reduction [8] Christoph Windpassinger, Robert F.H. Fischer, and Johannes B. Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Preceding," IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060. This method is the closest to the method of the claimed invention. The prototype method is as follows.
Способ передачи-приема сигнала в системе радиосвязи, включающей передающую станцию, оборудованную N передающими антеннами, и К приемных станций, где К≥2, причем каждая приемная станция оборудована, по меньшей мере, одной приемной антенной, а суммарное количество приемных антенн приемных станций М удовлетворяет условию 1<M≤N, заключающийся в том, чтоA method of transmitting and receiving a signal in a radio communication system including a transmitting station equipped with N transmitting antennas and K receiving stations, where K≥2, with each receiving station equipped with at least one receiving antenna, and the total number of receiving antennas of receiving stations M satisfies the
оценивают параметры совокупности пространственных каналов связи, каждый из которых образован одной передающей антенной передающей станции и одной приемной антенной приемной станции,evaluate the parameters of the set of spatial communication channels, each of which is formed by one transmitting antenna of the transmitting station and one receiving antenna of the receiving station,
в качестве оцениваемых параметров используют коэффициенты передачи канала связи;as the estimated parameters using the transmission coefficients of the communication channel;
осуществляют передачу-прием сигналов между передающей станцией и приемными станциями, для чего:transmit-receive signals between the transmitting station and the receiving stations, for which:
- на передающей станции формируют К множеств символов модуляции, предназначенных для передачи К приемным станциям, соответственно,- At the transmitting station, K sets of modulation symbols are formed for transmission to the receiving stations, respectively,
- из К сформированных множеств символов модуляции формируют пакеты по М символов модуляции в каждом, по одному символу пакета на каждую из приемных антенн приемных станций,- from K formed sets of modulation symbols form packets of M modulation symbols in each, one packet symbol for each of the receiving antennas of the receiving stations,
- пакет символов модуляции представляют в виде вектора передаваемых символов модуляции a=[α1 … αM]T,- the modulation symbol packet is represented as a vector of transmitted modulation symbols a = [α 1 ... α M ] T ,
- выполняют многопользовательское преобразование вектора передаваемых символов модуляции а в вектор передаваемых сигналов х таким образом, чтобы передаваемые сигналы не создавали взаимных помех в М приемных антеннах приемных станций, для чего- perform multi-user conversion of the vector of transmitted modulation symbols a into a vector of transmitted signals x so that the transmitted signals do not cause mutual interference in the M receiving antennas of the receiving stations, for which
формируют канальную матрицу Н, используя коэффициенты передачи пространственных каналов связи,form the channel matrix H using the transmission coefficients of the spatial communication channels,
из вектора передаваемых символов модуляции а и канальной матрицы Н формируют реально-значные вектор ar и матрицу Hr в соответствии с формуламиfrom the vector of transmitted modulation symbols a and the channel matrix H, real-valued vector a r and matrix H r are formed in accordance with the formulas
где ReY, ImY - матрицы, составленные из действительных и соответственно мнимых частей соответствующих элементов матрицы Y,where ReY, ImY are matrices composed of real and respectively imaginary parts of the corresponding elements of the matrix Y,
из реально-значной канальной матрицы Hr формируют матрицу Wr предварительного преобразования сигнала,from a real-valued channel matrix H r form a matrix W r preliminary signal conversion,
путем редукции базиса решетки матрицы Wr формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, умножение на которую преобразует матрицу предварительного преобразования в матрицу Z=WrT, имеющую заведомо низкое число обусловленности,by reducing the lattice basis of the matrix W r , an integer matrix T with a determinant of ± 1 is formed, multiplication by which converts the preliminary transformation matrix into the matrix Z = W r T, which has a knowingly low condition number,
используя матрицу Т, определяют возмущающий вектор по формулеusing the matrix T, the perturbing vector is determined by the formula
где Q(х) - вектор, полученный из вектора х округлением его элементов до ближайших целых чисел,where Q (x) is the vector obtained from the vector x by rounding its elements to the nearest integers,
А - действительное число, такое, что действительная Reα и мнимая Imα части любого символа модуляции по абсолютной величине строго меньше A/2:A is a real number such that the real Reα and imaginary Imα parts of any modulation symbol in absolute value are strictly less than A / 2:
формируют возмущенный реально-значный вектор передаваемых символов модуляции путем суммирования реально-значного вектора передаваемых символов модуляции и возмущающего вектора ar+p0, и выполняют предварительное линейное преобразование полученного возмущенного реально-значного вектора символов модуляции, формируя, таким образом, реально-значный вектор передаваемых сигналов:form a perturbed real-valued vector of the transmitted modulation symbols by summing the real-valued vector of the transmitted modulation symbols and the perturbing vector a r + p 0 , and perform preliminary linear conversion of the resulting perturbed real-valued vector of the modulation symbols, thus forming a real-valued vector transmitted signals:
из полученного реально-значного вектора передаваемых сигналов xr формируют вектор передаваемых сигналовfrom the obtained real-valued vector of transmitted signals x r form a vector of transmitted signals
где j - мнимая единица, а через xr(n:m) обозначен вектор, составленный из последовательности элементов вектора xr с n-го по m-й;where j is the imaginary unit, and x r (n: m) denotes a vector composed of a sequence of elements of the vector x r from the n-th to the m-th;
- совокупность сигналов, соответствующих элементам вектора передаваемых сигналов x, передают через все передающие антенны - по одному сигналу через антенну;- the set of signals corresponding to the elements of the vector of transmitted signals x is transmitted through all transmitting antennas - one signal through the antenna;
- принимают сигналы на каждой из К приемных станций, причем прием осуществляют в канале каждой приемной антенны, и в процессе приема- receive signals at each of the K receiving stations, and the reception is carried out in the channel of each receiving antenna, and in the process of reception
формируют сигнал у, как комплексное число с модулем и аргументом, отражающими соответственно амплитуду и фазу сигнала, принимаемого каналом данной антенны;generating a signal y as a complex number with a module and an argument reflecting, respectively, the amplitude and phase of the signal received by the channel of a given antenna;
определяют реальную и мнимую части нормированного сигнала ydetermine the real and imaginary parts of the normalized signal y
с полученными сигналами z и с выполняют операцию модульного редуцирования с модулем, равным А:with the received signals z and c perform the operation of modular reduction with a module equal to A:
где [x] - целая часть х, то есть максимальное целое число, не превышающее x,where [x] is the integer part of x, that is, the maximum integer not exceeding x,
из сигналов и формируют комплексный сигналfrom signals and form a complex signal
используя значения комплексного сигнала сформированные таким образом в каждом физическом канале каждой приемной антенны, выполняют демодуляцию и декодирование принятого сигнала.using complex signal values thus formed in each physical channel of each receiving antenna, demodulate and decode the received signal.
Данный способ передачи-приема сигнала в многопользовательской системе связи MIMO использует предварительное линейное преобразование сигнала, основанное на инверсии (или псевдоинверсии) канальной матрицы.This method of transmitting and receiving a signal in a multi-user communication system MIMO uses preliminary linear signal conversion based on the inverse (or pseudo-inversion) of the channel matrix.
Это весьма эффективный способ многопользовательского предварительного кодирования, так как, во-первых, в результате такого линейного преобразования подавляются взаимные помехи сигналов в приемных антеннах. Во-вторых, приемной стороне не требуется никакой дополнительной служебной информации для демодуляции сигнала, вследствие чего возможна относительно простая реализация приемного устройства.This is a very effective method of multi-user precoding, since, firstly, as a result of such a linear conversion, the mutual interference of signals in the receiving antennas is suppressed. Secondly, the receiving side does not require any additional overhead information to demodulate the signal, as a result of which a relatively simple implementation of the receiving device is possible.
Однако за счет умножения сигнала на инверсию (или псевдоинверсию) канальной матрицы значительно увеличивается мощность сигнала. Как в заявляемом способе, так и в способе-прототипе для снижения мощности используется процедура векторного возмущения. Данная процедура состоит в том, что к сигналу прибавляют некоторый возмущающий вектор.However, by multiplying the signal by the inversion (or pseudo-inversion) of the channel matrix, the signal power is significantly increased. Both in the claimed method and in the prototype method, a vector disturbance procedure is used to reduce power. This procedure consists in adding a certain disturbing vector to the signal.
Элементы возмущающего вектора кратны величине А, которая известна как передатчику, так и приемнику. Величину А определяют в зависимости от используемого вида модуляции, таким образом, что можно восстановить исходный сигнал в приемнике, используя операцию модульного редуцирования.The elements of the perturbing vector are multiples of the quantity A, which is known to both the transmitter and the receiver. The value of A is determined depending on the type of modulation used, so that it is possible to restore the original signal in the receiver using the operation of modular reduction.
Оптимальный возмущающий вектор выбирают из множества векторов p=A·Z2M, где Z2M дискретное множество целочисленных векторов размерности 2М. Причем оптимальный возмущающий вектор определяют как вектор, минимизирующий величину Чем меньше величина тем меньше мощность передачи и, вместе с тем, меньше степень искажения сигнала за счет модульного редуцирования в приемнике.The optimal perturbing vector is selected from the set of vectors p = A · Z 2M , where Z 2M is a discrete set of integer vectors of dimension 2M. Moreover, the optimal disturbing vector is defined as a vector that minimizes the value Lower value the lower the transmit power and, at the same time, the less the degree of signal distortion due to modular reduction in the receiver.
Самый простой способ определения оптимального вектора возмущений состоит в том, чтобы сначала определить не квантованный возмущающий вектор pu, максимально близкий к ar The simplest way to determine the optimal perturbation vector is to first determine the non-quantized perturbation vector p u as close as possible to a r
а затем выполнить его квантованиеand then quantize it
где Q(х) - поэлементное округление до ближайшего целого числа.where Q (x) is the element-wise rounding to the nearest integer.
Однако при наличии даже небольших шумовых искажений в векторе ar операция округления приводит к еще большим искажениям вектора Wr·р. Это явление называется усилением шума за счет квантования. Это усиление шума зависит от степени ортогональности столбцов матрицы Wr. Чем выше степень ортогональности столбцов матрицы Wr, тем меньше шумовые искажения вектора Wr·р.However, in the presence of even small noise distortions in the vector a r, the rounding operation leads to even greater distortions of the vector W r · p. This phenomenon is called noise amplification due to quantization. This noise gain depends on the degree of orthogonality of the columns of the matrix W r . The higher the degree of orthogonality of the columns of the matrix W r , the less noise distortion of the vector W r · p.
Поэтому для снижения искажений используют метод редукции базиса решетки. При этом матрицу предварительного линейного преобразования Wr преобразуют в матрицу Z, имеющую заведомо низкое число обусловленности, и, следовательно, более высокую степень ортогональности столбцов. Такое преобразование выполняют путем редукции базиса решетки, то есть таким образом, что между исходной и преобразованной матрицей выполняется соотношение Z=WrT, где Т - целочисленная матрица с определителем, равным ±1.Therefore, to reduce distortion using the method of reduction of the basis of the lattice. In this case, the preliminary linear transformation matrix W r is transformed into the matrix Z, which has a knowingly low condition number and, therefore, a higher degree of orthogonality of the columns. Such a transformation is performed by reducing the lattice basis, that is, in such a way that the relation Z = W r T holds between the original and the transformed matrix, where T is an integer matrix with a determinant of ± 1.
После этого не квантованный вектор возмущений определяют в пространстве редуцированной матрицы Z, то естьAfter that, the non-quantized perturbation vector is determined in the space of the reduced matrix Z, i.e.
где Where
Оптимальный возмущающий вектор находят, путем квантования The optimal disturbing vector is found by quantization
и последующего преобразования, обратного редукции базиса решеткиand subsequent transformation, inverse reduction of the lattice basis
Данный возмущающий вектор обеспечивает меньшее значение величины чем вектор, полученный без редукции базиса решетки (22).This perturbing vector provides a smaller value than the vector obtained without reduction of the lattice basis (22).
Однако, несмотря на то, что преобразование редукции базиса решетки в среднем уменьшает число обусловленности матрицы и повышает степень ортогональности ее столбцов, оно не гарантирует идеальной ортогональности столбцов матрицы предварительного линейного преобразования. Вследствие этого выбранный таким образом возмущающий вектор не всегда обеспечивает минимум величины Это обусловливает, во-первых, увеличение диапазона значений передаваемой мощности сигнала и, во-вторых, увеличение искажений сигнала в приемнике в процессе нелинейного модульного редуцирования. Первый из этих аспектов приводит к тому что, увеличивается отношение пиковой мощности сигнала к средней, что повышает требования к линейности усилителя и затрудняет реализацию способа в аппаратуре связи. Второй аспект вызывает снижение пропускной способности канала.However, despite the fact that the transformation of the reduction of the lattice basis on average reduces the condition number of the matrix and increases the degree of orthogonality of its columns, it does not guarantee the ideal orthogonality of the columns of the matrix of the preliminary linear transformation. As a consequence, the perturbing vector chosen in this way does not always provide a minimum value This causes, firstly, an increase in the range of the transmitted signal power and, secondly, an increase in signal distortion in the receiver during non-linear modular reduction. The first of these aspects leads to the fact that the ratio of peak signal power to average increases, which increases the requirements for the linearity of the amplifier and complicates the implementation of the method in communication equipment. The second aspect causes a decrease in channel capacity.
Задача, которую решает заявляемое изобретение, - это повышение пропускной способности канала связи, которое достигается заявляемым способом путем использования новой последовательности взаимосвязанных действий, включающих процедуру векторного возмущения в сочетании с редукцией базиса решетки и многоальтернативное квантование.The problem that the claimed invention solves is to increase the throughput of the communication channel, which is achieved by the claimed method by using a new sequence of interrelated actions, including the vector perturbation procedure in combination with the reduction of the lattice basis and multi-alternative quantization.
Способ передачи-приема сигнала в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, при котором используют передающую станцию, оборудованную N передающими антеннами, и К приемных станций, где К≥2, причем каждая приемная станция оборудована, по меньшей мере, одной приемной антенной, а суммарное количество приемных антенн приемных станций М удовлетворяет условию 1<M≤N, при этом передача-прием сигналов между передающей и приемными станциями осуществляется посредством F физических каналов связи, где F≥1, заключающийся в том, чтоA method of transmitting and receiving a signal in a multi-user radio communication system with multiple transmitting and multiple receiving antennas, wherein a transmitting station equipped with N transmitting antennas and K receiving stations are used, where K≥2, wherein each receiving station is equipped with at least one receiving antenna, and the total number of receiving antennas of the receiving stations M satisfies the
для каждого из F физических каналов оценивают параметры совокупности пространственных каналов связи, каждый из которых образован одной передающей антенной передающей станции и одной приемной антенной приемной станции;for each of the F physical channels, the parameters of the set of spatial communication channels are evaluated, each of which is formed by one transmitting antenna of the transmitting station and one receiving antenna of the receiving station;
осуществляют передачу-прием сигналов между передающей станцией и приемными станциями, используя F физических каналов, для чего:transmit-receive signals between the transmitting station and the receiving stations using F physical channels, for which:
- на передающей станции формируют К множеств символов модуляции, предназначенных для передачи К приемным станциям, соответственно,- At the transmitting station, K sets of modulation symbols are formed for transmission to the receiving stations, respectively,
- из К сформированных множеств символов модуляции формируют F пакетов по М символов модуляции в каждом, включая в пакет по Mk символов модуляции для каждой k-й приемной станции, где Mk - количество приемных антенн k-й приемной станции,- from K generated sets of modulation symbols, F packets of M modulation symbols in each are formed, including in a packet of M k modulation symbols for each k-th receiving station, where M k is the number of receiving antennas of the k-th receiving station,
- осуществляют передачу каждого из F пакетов символов модуляции по соответствующему физическому каналу, при этом- carry out the transmission of each of the F packets of modulation symbols on the corresponding physical channel, while
пакет символов модуляции представляют в виде вектора передаваемых символов модуляции a=[α1, …, αM]T, каждый элемент которого представляет собой комплексное число, с модулем и аргументом, отражающими амплитуду, и соответственно фазу соответствующего символа модуляции,the modulation symbol packet is represented as a vector of transmitted modulation symbols a = [α 1 , ..., α M ] T , each element of which is a complex number, with a modulus and argument reflecting the amplitude, and accordingly the phase of the corresponding modulation symbol,
выполняют многопользовательское преобразование вектора передаваемых символов модуляции а в вектор передаваемых сигналов х таким образом, чтобы передаваемые сигналы не создавали взаимных помех в М приемных антеннах приемных станций, для чегоcarry out multi-user conversion of the vector of transmitted modulation symbols a into a vector of transmitted signals x so that the transmitted signals do not cause mutual interference in the M receiving antennas of the receiving stations, for which
формируют канальную матрицу Н для данного физического канала, используя коэффициенты передачи пространственных каналов связи,form a channel matrix H for a given physical channel using the transmission coefficients of the spatial communication channels,
из вектора передаваемых символов модуляции а и канальной матрицы Н формируют реально-значные вектор ar и матрицу Hr в соответствии с формуламиfrom the vector of transmitted modulation symbols a and the channel matrix H, real-valued vector a r and matrix H r are formed in accordance with the formulas
где ReY, ImY - матрицы, составленные из действительных и соответственно мнимых частей соответствующих элементов матрицы Y,where ReY, ImY are matrices composed of real and respectively imaginary parts of the corresponding elements of the matrix Y,
из реально-значной канальной матрицы Hr формируют матрицу Wr предварительного линейного преобразования сигнала,from a real-valued channel matrix H r form a matrix W r preliminary linear signal conversion,
путем редукции базиса решетки матрицы W формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, умножение на которую преобразует матрицу предварительного линейного преобразования в матрицу Z=WrT, имеющую заведомо низкое число обусловленности,by reducing the lattice basis of the matrix W, an integer matrix T is formed with a determinant of ± 1, multiplication by which converts the preliminary linear transformation matrix into a matrix Z = W r T having a knowingly low condition number,
используя матрицу Т, и реально-значный вектор передаваемых символов модуляции ar, определяют не квантованный вектор возмущений какusing the matrix T and the real-valued vector of the transmitted modulation symbols a r , determine the non-quantized perturbation vector as
где А - действительное число, причем такое, что действительная и мнимая часть любого символа модуляции по абсолютной величине меньше A/2,where A is a real number, and such that the real and imaginary part of any modulation symbol in absolute value is less than A / 2,
выполняют округление каждого из элементов полученного вектора z до ближайшего по величине целого числа, определяя, таким образом, первый квантованный вектор z1, и определяют вектор соответствующих значений ошибки квантования:rounding off each of the elements of the obtained vector z to the nearest integer in magnitude, thus determining the first quantized vector z 1 , and determining the vector of the corresponding quantization error values:
где Q(z) - вектор, полученный поэлементным округлением вектора z до ближайшего целого числа,where Q (z) is the vector obtained by elementwise rounding of the vector z to the nearest integer,
формируют второй квантованный вектор z2 путем определения для каждого элемента вектора z второго ближайшего по величине целого числа, с противоположным значением ошибки квантования, а также второй вектор соответствующих значений ошибки квантования,form the second quantized vector z 2 by determining for each element of the vector z the second closest integer with the opposite quantization error value, as well as a second vector of the corresponding quantization error values,
из элементов первого z1 и второго z2 квантованных векторов формируют R квантованных векторов u, имеющих наименьшие значения суммарной ошибки квантования вектора,from the elements of the first z 1 and second z 2 quantized vectors form R quantized vectors u having the smallest values of the total quantization error of the vector,
каждый из R квантованных векторов u преобразуют по формулеeach of R quantized vectors u is transformed by the formula
формируя, таким образом, множество кандидатских возмущающих векторов,thus forming many candidate disturbing vectors,
определяют оптимальный возмущающий вектор р0 как вектор из множества кандидатских возмущающих векторов, для которого решающая функция минимальна,determine the optimal disturbing vector p 0 as a vector from the set of candidate disturbing vectors for which the decisive function minimal
формируют возмущенный реально-значный вектор передаваемых символов модуляции путем суммирования реально-значного вектора передаваемых символов модуляции и оптимального возмущающего вектора, и выполняют предварительное линейное преобразование полученного возмущенного реально-значного вектора символов модуляции, формируя, таким образом, реально-значный вектор передаваемых сигналов:form a perturbed real-valued vector of the transmitted modulation symbols by summing the real-valued vector of the transmitted modulation symbols and the optimal perturbing vector, and perform preliminary linear transformation of the resulting perturbed real-valued vector of the modulation symbols, thus forming a real-valued vector of the transmitted signals:
из полученного реально-значного вектора передаваемых сигналов xr формируют ненормированный вектор передаваемых сигналовfrom the received real-valued vector of the transmitted signals x r form an unnormalized vector of transmitted signals
где j - мнимая единица,where j is the imaginary unit,
а через xr(n:m) обозначен вектор, составленный из последовательности элементов вектора xr с n-го по m-й;and x r (n: m) denotes a vector composed of a sequence of elements of the vector x r from n-th to m-th;
формируют вектор передаваемых сигналов х, умножая вектор ненормированных передаваемых сигналов на коэффициент нормирования CT,form a vector of transmitted signals x, multiplying the vector of unnormalized transmitted signals by a normalization coefficient C T ,
совокупность сигналов, соответствующих элементам полученного вектора x, передают в соответствующем физическом канале через все передающие антенны - по одному сигналу через антенну;the set of signals corresponding to the elements of the obtained vector x is transmitted in the corresponding physical channel through all the transmitting antennas - one signal through the antenna;
- принимают сигналы на каждой из К приемных станций, причем в каждом физическом канале каждой приемной антенны прием осуществляют таким образом, что- receive signals at each of the K receiving stations, and in each physical channel of each receiving antenna, the reception is carried out in such a way that
формируют сигнал у, как комплексное число с модулем и аргументом, соответствующими амплитуде и фазе принимаемого данным физическим каналом сигнала;generating a signal y as a complex number with a module and an argument corresponding to the amplitude and phase of a signal received by a given physical channel;
нормируют сигнал у, умножая его на коэффициент нормирования CR, формируя, таким образом, нормированный сигналnormalize the signal y, multiplying it by the normalization coefficient C R , thus forming a normalized signal
коэффициент нормирования CR устанавливают, например, равным обратной величине от коэффициента нормирования передачи: the coefficient of regulation C R set, for example, equal to the reciprocal of the coefficient of regulation of transmission:
определяют реальную и мнимую части нормированного сигнала ynorm determine the real and imaginary parts of the normalized signal y norm
с полученными сигналами z и с выполняют операцию модульного редуцирования по модулю А:with the received signals z and c perform the operation of modular reduction modulo A:
где [x] - целая часть x, то есть максимальное целое число, меньшее x,where [x] is the integer part of x, that is, the maximum integer less than x,
из сигналов и формируют комплексный сигналfrom signals and form a complex signal
используя значения комплексного сигнала , сформированные таким образом в каждом физическом канале каждой приемной антенны, выполняют демодуляцию и декодирование принятого сигнала.using complex signal values thus formed in each physical channel of each receiving antenna, demodulate and decode the received signal.
При этом, например, для каждого из F физических каналов в качестве оцениваемых параметров используют коэффициент передачи канала связи и отношение сигнала к шуму в канале.Moreover, for example, for each of the F physical channels, the transmission coefficient of the communication channel and the signal-to-noise ratio in the channel are used as estimated parameters.
На передающей станции каждое из К информационных сообщений, предназначенных для передачи К приемным станциям, например, представляют соответственно в виде последовательности двоичных символов, а затем выполняют кодирование, перемежение и модуляцию двоичных символов данной последовательности.At the transmitting station, each of the K information messages intended for transmission to the receiving stations, for example, is represented respectively as a sequence of binary symbols, and then the coding, interleaving and modulation of the binary symbols of this sequence are performed.
Матрицу Wr предварительного линейного преобразования сигнала формируют, например, какThe matrix W r preliminary linear signal conversion form, for example, as
где Hr - реально-значная канальная матрица для данного физического канала.where H r is a real-valued channel matrix for a given physical channel.
Второй квантованный вектор z2 и второй вектор соответствующих значений ошибки квантования формируют по формулам:The second quantized vector z 2 and the second vector of the corresponding quantization error values are formed by the formulas:
где через sign(a) обозначен вектор, полученный из вектора а, применением к каждому его элементу операции:where sign (a) denotes the vector obtained from the vector a by applying the operation to each of its elements:
Суммарную ошибку квантования вектора определяют, например, как сумму или сумму квадратов абсолютных ошибок квантования всех элементов вектора.The total quantization error of a vector is determined, for example, as the sum or sum of squares of the absolute quantization errors of all elements of the vector.
При формировании вектора передаваемых сигналов коэффициент нормирования CT выбирают таким образом, что средняя мощность передачи сигналов сформированного вектора х равна мощности сигналов, передаваемых приемным станциям без многопользовательского преобразования. Причем это могут быть, например, пилот-сигналы, используемые для оценки канала на приемной стороне.When forming the vector of the transmitted signals, the normalization coefficient C T is chosen so that the average transmit power of the signals of the generated vector x is equal to the power of the signals transmitted to the receiving stations without multi-user conversion. Moreover, these may be, for example, pilot signals used for channel estimation at the receiving side.
Заявляемый способ передачи-приема сигнала в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн по сравнению с известным уровнем техники обладает новизной. Отличительными признаками изобретения являются следующие признаки:The inventive method of transmitting and receiving a signal in a multi-user radio communication system with multiple transmitting and multiple receiving antennas in comparison with the prior art has novelty. Distinctive features of the invention are the following features:
передача-прием сигналов между передающей и приемными станциями осуществляется посредством F физических каналов связи, где F≥1,transmission-reception of signals between transmitting and receiving stations is carried out by means of F physical communication channels, where F≥1,
для каждого из F физических каналов оценивают параметры совокупности пространственных каналов связи,for each of the F physical channels, the parameters of the set of spatial communication channels are estimated,
осуществляют передачу-прием сигналов между передающей станцией и приемными станциями, используя F физических каналов,transmitting and receiving signals between the transmitting station and the receiving stations using F physical channels,
из К сформированных множеств символов модуляции формируют F пакетов по М символов модуляции в каждом,from K formed sets of modulation symbols form F packets of M modulation symbols in each,
осуществляют передачу каждого из F пакетов символов модуляции по соответствующему физическому каналу,transmit each of the F modulation symbol packets on a respective physical channel,
определяя не квантованный вектор возмущений. используют реально-значный вектор передаваемых символов модуляции ar, при этомdefining a non-quantized perturbation vector. use a real-valued vector of transmitted modulation symbols a r , while
не квантованный вектор возмущений определяют какthe non-quantized perturbation vector is defined as
где А - действительное число, причем такое, что действительная и мнимая часть любого символа модуляции по абсолютной величине меньше A/2,where A is a real number, and such that the real and imaginary part of any modulation symbol in absolute value is less than A / 2,
выполняют округление каждого из элементов полученного вектора z до ближайшего по величине целого числа, определяя, таким образом, первый квантованный вектор z1, и определяют вектор соответствующих значений ошибки квантования:rounding off each of the elements of the obtained vector z to the nearest integer in magnitude, thus determining the first quantized vector z 1 , and determining the vector of the corresponding quantization error values:
где Q(z) - вектор, полученный поэлементным округлением вектора z до ближайшего целого числа,where Q (z) is the vector obtained by elementwise rounding of the vector z to the nearest integer,
формируют второй квантованный вектор z2 путем определения для каждого элемента вектора z второго ближайшего по величине целого числа, с противоположным значением ошибки квантования, а также второй вектор соответствующих значений ошибки квантования,form the second quantized vector z 2 by determining for each element of the vector z the second closest integer with the opposite quantization error value, as well as a second vector of the corresponding quantization error values,
из элементов первого z1 и второго z2 квантованных векторов формируют R квантованных векторов u, имеющих наименьшие значения суммарной ошибки квантования вектора,from the elements of the first z 1 and second z 2 quantized vectors form R quantized vectors u having the smallest values of the total quantization error of the vector,
суммарную ошибку квантования вектора определяют, например, как сумму или сумму квадратов абсолютных ошибок квантования всех элементов вектора,the total quantization error of the vector is determined, for example, as the sum or sum of squares of the absolute quantization errors of all elements of the vector,
каждый из R квантованных векторов u преобразуют по формулеeach of R quantized vectors u is transformed by the formula
формируя, таким образом, множество кандидатских возмущающих векторов,thus forming many candidate disturbing vectors,
определяют оптимальный возмущающий вектор р0 как вектор из множества кандидатских возмущающих векторов, для которого решающая функция минимальна,determine the optimal disturbing vector p 0 as a vector from the set of candidate disturbing vectors for which the decisive function minimal
формируют возмущенный реально-значный вектор передаваемых символов модуляции путем суммирования реально-значного вектора передаваемых символов модуляции и оптимального возмущающего вектора, и выполняют предварительное линейное преобразование полученного возмущенного реально-значного вектора символов модуляции, формируя, таким образом, реально-значный вектор передаваемых сигналов,form a perturbed real-valued vector of the transmitted modulation symbols by summing the real-valued vector of the transmitted modulation symbols and the optimal perturbing vector, and perform preliminary linear transformation of the resulting perturbed real-valued vector of the modulation symbols, thus forming a real-valued vector of the transmitted signals,
формируют вектор передаваемых сигналов, умножая вектор ненормированных передаваемых сигналов на коэффициент нормирования CT,form a vector of transmitted signals, multiplying the vector of unnormalized transmitted signals by a normalization coefficient C T ,
принимая сигналы на каждой из К приемных станций, в каждом физическом канале каждой приемной антенны прием осуществляют таким образом, что сформированный сигнал нормируют, умножая его на коэффициент нормирования CR, формируя, таким образом, нормированный сигналreceiving signals at each of the K receiving stations, in each physical channel of each receiving antenna, the reception is carried out in such a way that the generated signal is normalized, multiplying it by the normalization coefficient C R , thus forming a normalized signal
коэффициент нормирования CR устанавливают, например, равным обратной величине от коэффициента нормирования передачи: the coefficient of regulation C R set, for example, equal to the reciprocal of the coefficient of regulation of transmission:
Перечисленные выше существенные отличительные признаки позволяют получить лучший технический эффект, а именно:The essential distinguishing features listed above allow you to get the best technical effect, namely:
- существенно повысить пропускную способность многопользовательской системы связи MIMO, так как выполняется одновременное обслуживание группы из нескольких абонентских станций в одном и том же физическом канале;- significantly increase the throughput of the multi-user MIMO communication system, since a simultaneous service of a group of several subscriber stations in the same physical channel is performed;
- превзойти по помехоустойчивости известные многопользовательские алгоритмы MIMO [4] Q.H.Spencer, and M.Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel," Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference, Volume 2, Issue, 3-6 Nov. 2002 Page(s): 1384-1388 vol.2, [5] J.C.Mundarath, J.H.Kotecha, "Zero-Forcing Beamforming for Non-Collaborative Space Division Multiple Access," Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP, 14-19 May 2006, Volume: 4, page(s): IV-IV, [6] A Wiesel, Y.C.Eldar, and Sh.Shamai, "Optimal Generalized Inverses for Zero Forcing Preceding," 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, CISS '07, 14-16 March 2007, pages: 130-134, а также алгоритм, послуживший прототипом заявляемому способу [8] Christoph Windpassinger, Robert F.H.Fischer, and Johannes B.Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Preceding," IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060.- surpass the well-known multi-user MIMO algorithms [4] QHSpencer, and M.Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel," Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference,
Данное преимущество заявляемого способа достигается путем использования новой последовательности взаимосвязанных действий, включающих процедуру векторного возмущения в сочетании с редукцией базиса решетки и многоальтернативное квантование.This advantage of the proposed method is achieved by using a new sequence of interrelated actions, including the vector perturbation procedure in combination with the reduction of the lattice basis and multi-alternative quantization.
Кроме того, преимуществом способа согласно заявляемому изобретению является возможность относительно несложной его реализации в передатчике и, особенно, простой реализации в приемнике абонентской станции.In addition, the advantage of the method according to the claimed invention is the possibility of its relatively simple implementation in the transmitter and, especially, simple implementation in the receiver of the subscriber station.
Существенным достоинством данного изобретения является и то, что возможна его реализация при наличии только одной приемной антенны у каждой из абонентских станций системы связи.A significant advantage of this invention is that it is possible to implement if there is only one receiving antenna at each of the subscriber stations of the communication system.
Еще одним важным достоинством заявляемого изобретения является возможность его реализации практически в любой среде распространения. Поясним, что для реализации традиционных однопользовательских способов MIMO необходима среда распространения с большим количеством объектов рассеяния, что не всегда реализуется на практике. В то же время способ согласно заявляемому изобретению обеспечивает выигрыш в пропускной способности даже в среде с относительно низким рассеянием, так как антенны приемной стороны принадлежат различным абонентским терминалам, вследствие чего их сигналы имеют низкую корреляцию независимо от свойств среды распространения сигнала.Another important advantage of the claimed invention is the possibility of its implementation in almost any distribution environment. Let us explain that for the implementation of traditional single-user MIMO methods, a propagation medium with a large number of scattering objects is necessary, which is not always implemented in practice. At the same time, the method according to the claimed invention provides a gain in throughput even in a relatively low scattering environment, since the receiving side antennas belong to different user terminals, as a result of which their signals have a low correlation regardless of the properties of the signal propagation medium.
Далее описание изобретения поясняется примерами выполнения и чертежами.Further, the description of the invention is illustrated by examples and drawings.
На фиг.1 выполнена структурная схема многопользовательской системы радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, в которой осуществляют заявляемый способ.Figure 1 is a structural diagram of a multi-user radio communication system with multiple transmitting and multiple receiving antennas, in which the inventive method is carried out.
На фиг.2 выполнена структурная схема передатчика многопользовательской системы радиосвязи MIMO-OFDM.Figure 2 is a structural diagram of the transmitter of a multi-user radio communication system MIMO-OFDM.
На фиг.3 - структурная схема формирователя сигналов группы АС совместного обслуживания, используемого в передатчике.Figure 3 is a structural diagram of a signal shaper of a group of AC joint service used in the transmitter.
На фиг.4 - структурная схема узла формирования информационных пакетов, используемого в формирователе сигналов группы АС совместного обслуживания.Figure 4 - structural diagram of the node forming the information packets used in the shaper of the signal group AC joint service.
На фиг.5 - структурная схема узла многопользовательской обработки, используемого в формирователе сигналов группы АС совместного обслуживания.Figure 5 is a structural diagram of a multi-user processing node used in the signal shaper of the joint service group AS.
На фиг.6 - структурная схема приемника АС.Figure 6 is a structural diagram of a speaker receiver.
На фиг.7 - структурная схема блока обработки сигнала приемной антенны, используемого в приемнике АС.7 is a structural diagram of a signal processing unit of a receiving antenna used in the receiver of the speaker.
На фиг.8 - характеристики помехоустойчивости многопользовательских алгоритмов MIMO.On Fig - noise immunity characteristics of multi-user MIMO algorithms.
Структурные схемы устройств и входящих в них блоков, выполненные на фиг.1-7, приведены как примеры выполнения для реализации заявляемого способа. Однако использование заявляемого изобретения не ограничивается реализацией его только посредством приведенных устройств.Structural diagrams of devices and their constituent blocks, made in figure 1-7, are shown as examples for the implementation of the proposed method. However, the use of the claimed invention is not limited to its implementation only through the above devices.
Способ передачи-приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн согласно заявляемому изобретению реализуют в системе, которая содержит базовую станцию (БС) и, по меньшей мере, две абонентские станции (АС). Структура такой системы радиосвязи, состоящей из одной БС 1 и L абонентских станций 6.1-6.L, показана на фиг.1. В состав оборудования базовой станции 1 входит, по меньшей мере, передатчик 2, приемник 3 и блок управления 4, причем первые вход и выход блока управления 4 соединены соответственно с выходом и входом передатчика 2, вторые вход и выход блока управления 4 соединены соответственно с выходом и входом приемника 3. В состав оборудования каждой абонентской станции 6.1-6.L входит также, по меньшей мере, приемник соответственно 8.1-8.L, передатчик 9.1-9.L и блок управления 10.1-10.L, причем первые вход и выход блоков управления 10.1-10.L соединены соответственно с выходом и входом приемников 8.1 - 8.L, вторые вход и выход блоков управления 10.1-10.L соединены соответственно с выходом и входом передатчиков 9.1-9.L.The method of transmitting and receiving signals in a multi-user radio communication system with multiple transmitting and multiple receiving antennas according to the claimed invention is implemented in a system that contains a base station (BS) and at least two subscriber stations (AS). The structure of such a radio communication system consisting of one
Канал связи от передатчика 2 БС 1 к приемникам 8.1-8.L АС 6.1-6.L обычно называют прямым каналом системы связи, а канал связи от передатчиков 8.1-8.L АС 6.1-6.L к приемнику 3 БС 1 - обратным.The communication channel from
БС 1 оборудована N антеннами 5.1-5.N, входы и выходы которых соединены со входами и выходами передатчика 2 и приемника 3, и которые используются для передачи сигнала в прямом канале. Эти же N антенн 5.1-5.N могут быть использованы и для приема сигнала обратного канала, при этом N>1.
Каждая i-я AC (i=1, … L) из L AC 6.1-6.L оборудована приемопередающими антеннами 7.1-7.Mi, выходы и входы которых соединены соответственно с входами и выходами соответствующих им передатчиков 9.1-9.L и приемником 8.1-8.L. Количество антенн Мi у различных АС (i=1, … L) может быть различным. При этом в состав системы могут входить как АС, оборудованные одной антенной, так и АС, оборудованные несколькими антеннами, то есть N≥Mi≥1. В частном случае все абонентские станции могут иметь по одной антенне.Each i-th AC (i = 1, ... L) from L AC 6.1-6.L is equipped with 7.1-7.M i transceiver antennas, the outputs and inputs of which are connected to the inputs and outputs of the corresponding transmitters 9.1-9.L and receiver 8.1-8.L. The number of antennas M i for different speakers (i = 1, ... L) can be different. In this case, the system can include both speakers equipped with one antenna and speakers equipped with several antennas, that is, N≥M i ≥1. In the particular case, all subscriber stations can have one antenna.
Заявляемое изобретение осуществляют, например, в прямом канале представленной на фиг.1 системы связи с целью увеличения ее пропускной способности.The claimed invention is carried out, for example, in a direct channel of the communication system shown in FIG. 1 in order to increase its throughput.
В системах с высокой скоростью передачи данных, как правило, используют весьма широкую полосу частот. В этих условиях канал MIMO испытывает искажения частотной селективности, которые во временной области проявляются как многолучевость. Эффективным методом борьбы с многолучевостью является ортогональное частотное разделение каналов - orthogonal frequency division multiplexing - (OFDM), которое эквивалентно представлению одного частотно-селективного канала множеством частотных подканалов, в которых частотная селективность отсутствует. Данный факт нашел отражение в развивающихся стандартах современных систем связи таких, как IEEE 802.16, 802.20, где предусмотрены все основные механизмы использования технологии MIMO-OFDM.In systems with a high data rate, as a rule, they use a very wide frequency band. Under these conditions, the MIMO channel experiences distortions of frequency selectivity, which in the time domain appear as multipath. An effective method of combating multipath is orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), which is equivalent to representing a single frequency-selective channel by a plurality of frequency subchannels in which frequency selectivity is absent. This fact is reflected in the developing standards of modern communication systems such as IEEE 802.16, 802.20, which provides all the basic mechanisms for using MIMO-OFDM technology.
Реализацию способа заявляемого изобретения рассмотрим ниже на примере системы связи MIMO-OFDM.The implementation of the method of the claimed invention will be discussed below on the example of a MIMO-OFDM communication system.
В системах OFDM передача-прием сигналов между передающей и приемными станциями осуществляется посредством множества физических каналов связи. В качестве данных физических каналов используют ортогональные частотные подканалы, соответствующие различным поднесущим сигнала OFDM.In OFDM systems, the transmission-reception of signals between transmitting and receiving stations is carried out through many physical communication channels. Orthogonal frequency subchannels corresponding to different OFDM signal subcarriers are used as physical channel data.
Увеличение пропускной способности способом заявляемого изобретения реализуется за счет совместного обслуживания нескольких абонентских станций посредством одних и тех же физических каналов.The increase in throughput by the method of the claimed invention is realized due to the joint servicing of several subscriber stations via the same physical channels.
Для того чтобы при этом сигналы не создавали взаимных помех в точках приема, на БС непосредственно перед передачей выполняют совместную обработку сигналов данных АС. При этом используют информацию о канале связи.In order for the signals to not cause mutual interference at the receiving points, joint processing of the AC data signals is performed on the BS immediately before transmission. In this case, information about the communication channel is used.
Для реализации этого способа необходимо, чтобы суммарное количество антенн абонентских станций не превышало количество антенн базовой станции. Если, например, БС оборудована 4 антеннами, N=4, то одновременно можно обслужить 4 АС, имеющих по одной антенне или 2 АС, каждая из которых имеет по две антенны, или одну АС с одной и одну AC - с тремя антеннами.To implement this method, it is necessary that the total number of antennas of subscriber stations does not exceed the number of antennas of the base station. If, for example, a BS is equipped with 4 antennas, N = 4, then at the same time it is possible to serve 4 speakers with one antenna or 2 speakers, each of which has two antennas, or one speaker with one and one AC with three antennas.
Данное требование ограничивает количество одновременно обслуживаемых абонентов. Однако в системе связи может быть довольно большое число пользователей. Поэтому в блоке управления 4 базовой станции 1 выполняют организацию АС 6.1-6.L, путем объединения их в группы. В процессе организации определяют группы АС совместного и индивидуального обслуживания. В каждой группе совместного обслуживания все АС обслуживают совместно в частотных подканалах, общих для АС данной группы. В группе АС индивидуального обслуживания каждую АС обслуживают индивидуально посредством частотных подканалов, выделенных только данной АС. В процессе группировки используют различные параметры, например количество антенн, степень загрузки базовой станции, долговременную информацию о канале связи, индикатор качества канала каждой АС и др.This requirement limits the number of simultaneously served subscribers. However, there can be a fairly large number of users in a communication system. Therefore, in the
Способ заявляемого изобретения может быть использован в группе совместного обслуживания АС, а также для индивидуального обслуживания тех АС, которые имеют более чем одну антенну.The method of the claimed invention can be used in a joint service group of speakers, as well as for individual service of those speakers that have more than one antenna.
Рассмотрим подробнее реализацию заявляемого изобретения со ссылкой на фиг.2-7.Consider in more detail the implementation of the claimed invention with reference to Fig.2-7.
В структурных схемах (фиг.2-7) не показаны устройства и сигналы синхронизации, хотя подразумевается, что они необходимы и обязательно присутствуют при реализации блоков, входящих в состав структурных схем устройств, на которых осуществляют заявляемый способ. Синхронизация сигналов в устройствах выполняется любым известным способом (традиционно) для данных систем связи и не изменяется применительно к алгоритму согласно заявляемому способу, поэтому для простоты изложения описание сигналов синхронизации и соответственно устройств, которые выполняют эти функции, опущено.In the structural diagrams (Fig.2-7) devices and synchronization signals are not shown, although it is understood that they are necessary and must be present when implementing the blocks that are part of the structural diagrams of devices on which the inventive method is carried out. The synchronization of signals in devices is performed by any known method (traditionally) for these communication systems and does not change with respect to the algorithm according to the claimed method, therefore, for simplicity of presentation, the description of synchronization signals and, accordingly, devices that perform these functions is omitted.
Также для простоты все соединения (связи) на структурных схемах показаны линиями одной толщины (шины), несмотря на то, что некоторые соединения отражают передачу одиночных цифровых и аналоговых сигналов, а другие - передачу массивов сигналов - матриц, поскольку все эти сигналы имеют сложную структуру.Also, for simplicity, all connections (connections) in the structural diagrams are shown by lines of the same thickness (bus), despite the fact that some connections reflect the transmission of single digital and analog signals, while others reflect the transmission of arrays of signal-matrices, since all these signals have a complex structure .
На фиг.2 выполнена структурная схема передатчика 2 системы связи MIMO-OFDM, на котором осуществляют способ согласно заявляемому изобретению.Figure 2 is a structural diagram of the
Передатчик 2 (фиг.2) содержит:The transmitter 2 (figure 2) contains:
формирователи сигналов для групп АС совместного обслуживания 11.1-11.U, где U - максимальное количество групп АС совместного обслуживания,signal conditioners for joint service groups 11.1-11.U, where U is the maximum number of joint service groups,
формирователь сигналов для АС индивидуального обслуживания 12,signal shaper for
формирователь служебных сигналов 13,overhead driver 13,
модуляторы OFDM 14.1-14.N.OFDM modulators 14.1-14.N.
На первые К входов каждого из формирователей 11.1-11.U поступают информационные сообщения, предназначенные для передачи абонентским станциям соответствующей группы. На вторые F входов каждого из формирователей 11.1-11.U поступают оценки канальных матриц для тех поднесущих, которые используются для обслуживания АС соответствующей группы. На каждом из N выходов каждого из U формирователей формируются сигналы F поднесущих, предназначенные для передачи через соответствующую передающую антенну.The first K inputs of each of the formers 11.1-11.U receive information messages intended for transmission to subscriber stations of the corresponding group. The second F inputs of each of the formers 11.1-11.U receive channel matrix estimates for those subcarriers that are used to serve the speakers of the corresponding group. At each of the N outputs of each of the U shapers, F subcarrier signals are generated for transmission through a respective transmit antenna.
Количество и номера используемых поднесущих поступают как управляющие сигналы из блока управления БС через управляющие входы формирователей 11.1-11.U.The number and numbers of used subcarriers come as control signals from the BS control unit through the control inputs of the shapers 11.1-11.U.
Из соображений удобства чтения в структурных схемах (фиг.2-5) не показаны сигналы управления, хотя подразумевается, что они поступают из блока управления БС на управляющие входы блоков, входящих в состав структурных схем устройств, на которых осуществляют заявляемый способ.For reasons of readability, the control signals are not shown in the structural diagrams (Figs. 2-5), although it is understood that they come from the BS control unit to the control inputs of the blocks included in the structural diagrams of devices on which the inventive method is implemented.
Предназначенные для передачи сигналы, сформированные на выходах формирователей 11.1-11.U, поступают на входы модуляторов OFDM 14.1-14.N.The signals intended for transmission formed at the outputs of the shapers 11.1-11.U are fed to the inputs of OFDM modulators 14.1-14.N.
Сигналы для АС индивидуального обслуживания формируют в формирователе 12. При этом в блоке управления БС 4 определяют частотные каналы (поднесущие) для связи с каждой из АС данной группы. При формировании сигналов учитывают данные поднесущие, а также виды модуляции, способы кодирования и способы передачи-приема, предусмотренные используемым стандартом связи (см., например, [2]) и определенные в системе для абонентских станций индивидуального обслуживания.The signals for the individual service ACs are generated in the
Сигналы, предназначенные для передачи АС индивидуального обслуживания, сформированные на выходах формирователя 12, поступают на другие входы модуляторов OFDM 14.1-14.N.The signals intended for transmitting personal service speakers generated at the outputs of the
В формирователе служебных сигналов 13 формируют служебные сигналы, необходимые для реализации связи в системе MIMO-OFDM, такие как пилотные сигналы (pilot signals), сигналы нулевых несущих (null carrier), защитных полос (guard bands), несущих постоянного тока (DC carrier), [2] 802.16ТМ IEEE Standard for tocal and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 1 October 2004.In the service signal generator 13, service signals necessary for implementing communication in the MIMO-OFDM system are generated, such as pilot signals, null carrier signals, guard bands, DC carriers , [2] 802.16TM IEEE Standard for tocal and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, October 1, 2004.
Сигналы, сформированные в формирователях 12 и 13, поступают на другие входы модуляторов OFDM. Таким образом, на входы каждого из модуляторов OFDM 14.1-14.N поступают сигналы всех частотных подканалов, используемых в системе, предназначенные для передачи через передающую антенну, соединенную с выходом данного модулятора OFDM. В модуляторах OFDM 14.1-14.N выполняют типовые операции по формированию OFDM сигнала (обратное дискретное преобразование Фурье, добавление циклического префикса - см., например, [9] John G.Proakis, "Digital Communication," McGrow-Hill, Third Edition), а также преобразование в аналоговую форму, перенос в область радиочастоты и обработку сигнала на радиочастоте. После этого сформированные радиосигналы передают через передающие антенны 15.1-15.N.The signals generated in the
Для лучшего понимания реализации изобретения рассмотрим подробнее работу формирователя сигналов группы АС совместного обслуживания 11.1-11.U, структурная схема одного из которых выполнена на фиг.3 и показана как пример реализации. Каждый формирователь сигналов группы АС совместного обслуживания 11.1-11.U состоит из узла формирования информационных пакетов 16 и F узлов многопользовательской обработки 17.1-17.F, где F - максимальное количество частотных подканалов, выделяемых для связи с абонентами группы АС совместного обслуживания.For a better understanding of the implementation of the invention, let us consider in more detail the operation of the signal shaper of the joint service group AC 11.1-11.U, the structural diagram of one of which is made in Fig. 3 and shown as an example of implementation. Each signal shaper of the joint service group AS 11.1-11.U consists of a node for generating
С первых К входов формирователя сигналов группы АС совместного обслуживания 11 на входы узла формирования информационных пакетов 16 поступают К информационных сообщений, предназначенных для передачи соответственно К абонентским станциям данной группы абонентов. В узле 16 из этих сообщений формируют F последовательностей пакетов символов модуляции. Последовательность, сформированная на отдельном выходе узла 16, предназначена для передачи в соответствующем частотном подканале.From the first To the inputs of the signal shaper of the joint service group AC 11, the informational messages intended for transmission to the subscriber stations of this subscriber group are respectively sent to the inputs of the information
С каждого из F выходов узла формирования информационных пакетов 16 последовательность пакетов символов модуляции поступает на первый вход соответствующего узла многопользовательской обработки 17.1-17.F. На второй вход каждого узла многопользовательской обработки поступает оценка канальной матрицы соответствующего частотного подканала со вторых входов формирователя сигналов группы АС совместного обслуживания 11.From each of the F outputs of the information
На каждом n-м выходе (n=1, … N) каждого f-го узла (f=1, … F) многопользовательской обработки формируется сигнал, предназначенный для передачи через n-ю передающую антенну в f-м частотном подканале.At each nth output (n = 1, ... N) of each f-th node (f = 1, ... F) of multi-user processing, a signal is generated for transmission through the nth transmit antenna in the f-th frequency subchannel.
Совокупность сигналов, сформированных таким образом на выходах узлов многопользовательской обработки 17.1-17.F, поступает на выходы формирователя сигналов группы АС совместного обслуживания 11. С выходов формирователей 11.1-11.U данная совокупность сигналов поступает на соответствующие входы соответствующих им модуляторов OFDM 14.1-14.N (фиг.2).The set of signals generated in this way at the outputs of the multi-user processing nodes 17.1-17.F is fed to the outputs of the shaper of the joint-service AC group 11. From the outputs of the shapers 11.1-11.U, this set of signals is fed to the corresponding inputs of the corresponding OFDM modulators 14.1-14 .N (figure 2).
Рассмотрим подробнее процедуру формирования информационных пакетов. На фиг.4 в качестве примера осуществления заявляемого способа представлена структурная схема выполнения узла формирования информационных пакетов 16. Узел формирования информационных пакетов состоит из К параллельных каналов обработки сигнала. Каждый канал осуществляет обработку сигнала одной из К абонентских станций группы АС совместного обслуживания. Канал обработки сигнала отдельной АС образован последовательно соединенными подузлом кодирования 18, модулятором 19 и подузлом распределения по подканалам 20.Let us consider in more detail the procedure for generating information packets. Figure 4, as an example of the proposed method, presents a structural diagram of the implementation of the node forming
Входы подузлов кодирования 18.1-18.К являются К входами узла формирования информационных пакетов 16.The inputs of the encoding subnodes 18.1-18. K are the inputs of the node forming
На К входов узла формирования информационных пакетов 16 поступают соответственно К последовательностей двоичных символов. Данные последовательности поступают из блока управления БС 4 (фиг.1), где формируются из информационных сообщений, предназначенных для передачи К абонентским станциям соответственно.To the inputs of the node forming the
В подузле кодирования 18 каждого из К каналов обработки выполняют кодирование и перемежение входной последовательности двоичных символов. В модуляторе 19 выполняют модуляцию полученной кодированной последовательности двоичных символов. Операции кодирования, перемежения и модуляции выполняют в соответствии с выбранными видами кодирования и модуляции, а также алгоритмами перемежения, предусмотренными используемым стандартом связи (см., например, [2] 802.16ТМ IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 1 October 2004).In the coding subassembly 18 of each of the K processing channels, coding and interleaving of the input binary symbol sequence are performed. In the modulator 19, modulation of the obtained coded sequence of binary symbols is performed. Coding, interleaving and modulation operations are performed in accordance with the selected coding and modulation types, as well as interleaving algorithms provided for by the communication standard used (see, for example, [2] 802.16ТМ IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, October 1, 2004).
Последовательность символов модуляции, сформированная на выходе модулятора 19, поступает на вход подузла распределения по подканалам 20, где данную последовательность распределяют между F частотными подканалами. Таким образом, на F выходах подузла 20 формируются подпоследовательности символов модуляции, предназначенные для передачи в соответствующих частотных подканалах.The sequence of modulation symbols generated at the output of the modulator 19, is fed to the input of the distribution subassembly for subchannels 20, where this sequence is distributed between F frequency subchannels. Thus, at the F outputs of the subassembly 20, subsequences of modulation symbols are formed for transmission in the respective frequency subchannels.
С выходов подузлов 20.1-20.К сформированные подпоследовательности поступают на входы F формирователей пакетов частотных подканалов 21.1-21.F, таким образом, что подпоследовательности различных абонентов, предназначенные для передачи в одном и том же частотном подканале, поступают на входы формирователя 21.1-21.F соответствующего частотного подканала.From the outputs of the subnodes 20.1-20. K, the generated subsequences are fed to the inputs F of the shapers of the frequency subchannel packets 21.1-21.F, so that the subsequences of different subscribers, intended for transmission in the same frequency subchannel, are fed to the inputs of the shaper 21.1-21 .F of the corresponding frequency subchannel.
В каждом из F формирователей 21.1-21.F формируют последовательность пакетов символов модуляции, предназначенных для передачи абонентским станциям обслуживаемой группы в соответствующем частотном подканале.In each of the F shapers 21.1-21.F, a sequence of modulation symbol packets is formed for transmission to subscriber stations of the served group in the corresponding frequency subchannel.
Данные пакеты формируют таким образом, что каждый пакет содержит М символов модуляции, где М - суммарное количество приемных антенн данной группы абонентских станций. Причем количество символов, предназначенных для передачи каждой АС, соответствует количеству ее приемных антенн. Каждый пакет, сформированный на выходе одного из формирователей 21.1-21.F, в процессе дальнейшей обработки представляют как М-мерный вектор передаваемых символов модуляции a=[а1, … aM]T.These packets are formed in such a way that each packet contains M modulation symbols, where M is the total number of receiving antennas of this group of subscriber stations. Moreover, the number of characters intended for transmission of each speaker corresponds to the number of its receiving antennas. Each packet generated at the output of one of the formers 21.1-21.F, in the course of further processing, is represented as an M-dimensional vector of transmitted modulation symbols a = [a 1 , ... a M ] T.
Сформированные последовательности пакетов символов модуляции, предназначенные для передачи абонентским станциям обслуживаемой группы в соответствующих частотных подканалах с выходов F формирователей 21.1-21.F, поступают на выходы узла формирования информационных пакетов 16.The generated sequence of modulation symbol packets intended for transmission to subscriber stations of the served group in the corresponding frequency subchannels from the outputs F of the shapers 21.1-21.F are supplied to the outputs of the information
Рассмотрим подробнее процедуру многопользовательской обработки, которую выполняют посредством узлов 17.1-17.F. Структурная схема узла 17, как пример реализации, представлена на фиг.5. Каждый из узлов многопользовательской обработки 17.1-17.F состоит из подузла преобразования вектора сигнала 22, подузла обработки канальной матрицы 23, подузла суммирования 24, подузла формирования возмущающего вектора 25, подузла линейного преобразования 26 и подузла нормирования 27, при этом первым входом узла многопользовательской обработки 17 является вход подузла преобразования вектора сигнала 22, а вторым входом - вход подузла формирования канальной матрицы 23, выход подузла преобразования вектора сигнала 22 соединен с первыми входами подузла суммирования 24 и подузла формирования возмущающего вектора 25, первый выход подузла обработки канальной матрицы 23 соединен со вторым входом подузла формирования возмущающего вектора 25, третий вход которого объединен со вторым входом подузла линейного преобразования 26 и соединен со вторым выходом подузла обработки канальной матрицы 23, выход подузла формирования возмущающего вектора 25 соединен со вторым входом подузла суммирования 24, выход которого соединен с первым входом подузла линейного преобразования 26, N выходов которого соединены с N входами подузла нормирования 27, N выходов которого являются выходами узла многопользовательской обработки 17.Let us consider in more detail the procedure of multi-user processing, which is performed by means of nodes 17.1-17.F. The structural diagram of the node 17, as an example implementation, is presented in figure 5. Each of the multi-user processing nodes 17.1-17.F consists of a signal
Узел многопользовательской обработки 17 работает следующим образом.The multi-user processing node 17 operates as follows.
С первого входа узла 17 на вход подузла преобразования вектора сигнала 22 поступает последовательность векторов передаваемых символов модуляции а одного из частотных подканалов, сформированная на соответствующем выходе узла формирования информационных пакетов. В подузле 22 М-мерный вектор передаваемых символов модуляции а преобразуют в 2М-мерный реально-значный вектор передаваемых символов модуляции ar в соответствии с формулойFrom the first input of the node 17 to the input of the signal
где Rea, Ima - векторы, составленные из действительных и соответственно мнимых частей соответствующих элементов вектора а. Сформированный таким образом реально-значный вектор ar с выхода подузла 22 поступает одновременно на первые входы подузлов суммирования 24 и формирования возмущающего вектора 25.where Rea, Ima are vectors composed of real and respectively imaginary parts of the corresponding elements of vector a. The real-valued vector a r thus formed from the output of the
На вход подузла обработки канальной матрицы 23 со второго входа узла 17 поступает канальная матрица Н соответствующего частотного подканала.The input channel processing node of the
Каждый элемент hj,i канальной матрицы представляет собой оценку коэффициента передачи сигнала по пространственному каналу, образованному i-й передающей антенной БС и j-й приемной антенной данной группы абонентских станций. Данный коэффициент передачи обычно представляют как комплексное число модуль которого отражает изменение амплитуды, а аргумент - изменение фазы сигнала при прохождении через соответствующий пространственный канал связи.Each element of the channel matrix h j, i is an estimate of the signal transmission coefficient over the spatial channel formed by the ith BS transmitting antenna and the jth receiving antenna of this group of subscriber stations. This transmission coefficient is usually represented as a complex number whose module reflects the change in amplitude, and the argument is the change in the phase of the signal when passing through the corresponding spatial communication channel.
Возможны различные способы получения оценок данных коэффициентов. Например, если система связи использует временное разделение прямого и обратного канала, то данные оценки формируют на базовой станции по сигналам обратного канала, принятым от абонентских станций. Если система связи использует частотное разделение прямого и обратного каналов, то оценки элементов канальной матрицы формируют в приемниках абонентских станций 8.1-8.L и передают на БС 1 по каналу обратной связи. Способы оценивания канала в системе MIMO-OFDM известны из литературы, например, [12] Z.Jane Wang, Zhu Han, and K.J.Ray Liu, "A MIMO-OFDM Channel Estimation Approach Using Time of Arrivals," IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 4, NO.3, MAY 2005, pp.1207-1213.There are various ways to obtain estimates of these coefficients. For example, if the communication system uses the time separation of the forward and reverse channels, then the estimation data is generated at the base station from the signals of the reverse channel received from subscriber stations. If the communication system uses the frequency separation of the forward and reverse channels, then the estimates of the channel matrix elements are generated in the receivers of the subscriber stations 8.1-8.L and transmitted to
В подузле преобразования канальной матрицы 23 реализуют следующий алгоритм.In the conversion node of the
1. Канальную матрицу Н, имеющую размерность M×N, преобразуют в реально-значную матрицу Hr размерности 2М×2N в соответствии с формулой1. The channel matrix H having the dimension M × N is converted into a real-valued matrix H r of dimension 2M × 2N in accordance with the formula
где ReH, ImH - матрицы, составленные из действительных и соответственно мнимых частей соответствующих элементов матрицы Н.where ReH, ImH are matrices composed of real and respectively imaginary parts of the corresponding elements of the matrix N.
2. Из реально-значной канальной матрицы Hr формируют матрицу предварительного линейного преобразования сигнала, по формуле2. From a real-valued channel matrix H r form a matrix of preliminary linear signal conversion, according to the formula
где (.)H - символ транспонирования и комплексного сопряжения, where (.) H is the symbol for transposition and complex conjugation,
(.)-1 - символ инверсии матрицы.(.) -1 - matrix inversion symbol.
Сформированная таким образом матрица Wr поступает на первый выход подузла 23 и далее на второй вход подузла линейного преобразования 26 и третий вход подузла формирования возмущающего вектора 25.The matrix W r thus formed is fed to the first output of the
3. Путем редукции базиса решетки матрицы Wr формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, умножение на которую преобразует матрицу предварительного линейного преобразования в матрицу Z=WrT, имеющую заведомо низкое число обусловленности.3. By reducing the lattice basis, the matrices W r form an integer matrix T with a determinant of ± 1, multiplication by which converts the preliminary linear transformation matrix into the matrix Z = W r T, which has a knowingly low condition number.
При этом используют, например, известный алгоритм редукции базиса решетки, названный по аббревиатуре имен авторов LLL (Lenstra-Lenstra-Lovasz) и представленный в [10] Dirk Wubben, Ronald Böhnke, Volker Kühn, and Karl-Dirk Kammeyer, "Near-Maximum-Likelihood Detection of MIMO Systems using MMSE-Based Lattice Reduction", IEEE Proc. International Conference on Communications (ICC), Paris, France, June 2004 и [11] A.K.Lenstra, H.W.Lenstra, and L.Lovasz, "Factoring potynomials with rational coefficients", Mathematische Annaten, vol. 261, pp.515-534, 1982.They use, for example, the well-known lattice-base reduction algorithm, named after the abbreviation of the authors' names LLL (Lenstra-Lenstra-Lovasz) and presented in [10] by Dirk Wubben, Ronald Böhnke, Volker Kühn, and Karl-Dirk Kammeyer, "Near-Maximum -Likelihood Detection of MIMO Systems using MMSE-Based Lattice Reduction ", IEEE Proc. International Conference on Communications (ICC), Paris, France, June 2004 and [11] A.K. Lenstra, H.W. Lenstra, and L. Lovasz, "Factoring potynomials with rational coefficients", Mathematische Annaten, vol. 261, pp. 515-534, 1982.
Сформированная, таким образом, матрица Т с выхода подузла 23 поступает на второй вход подузла формирования возмущающего вектора 25.Thus formed, the matrix T from the output of the
Подузел формирования возмущающего вектора 25 работает в соответствии со следующим алгоритмом.The subunit of the formation of the
1. Используя матрицу Т, и реально-значный вектор передаваемых символов модуляции ar, определяют не квантованный вектор возмущений как1. Using the matrix T, and a real-valued vector of the transmitted modulation symbols a r , determine the non-quantized perturbation vector as
где А - действительное число такое, что действительная и мнимая часть любого символа модуляции α по абсолютной величине строго меньше A/2, то естьwhere A is a real number such that the real and imaginary part of any modulation symbol α in absolute value is strictly less than A / 2, i.e.
2) выполняют округление каждого из элементов полученного вектора z до ближайшего по величине целого числа, определяя, таким образом, первый квантованный вектор z1, и, вместе с тем, определяют вектор d1 соответствующих значений ошибки квантования по формулам2) round off each of the elements of the resulting vector z to the nearest integer in magnitude, thus determining the first quantized vector z 1 , and at the same time, determine the vector d 1 of the corresponding quantization error values by the formulas
где Q(z) - операция поэлементного округления вектора z до ближайшего целого числа,where Q (z) is the operation of elementwise rounding of the vector z to the nearest integer,
3) формируют второй квантованный вектор z2 путем определения для каждого элемента вектора z второго ближайшего по величине целого числа, с противоположным значением ошибки квантования, а также второй вектор соответствующих значений ошибки квантования d2 по формулам3) form the second quantized vector z 2 by determining for each element of the vector z the second closest integer with the opposite value of the quantization error, as well as the second vector of the corresponding values of the quantization error d 2 according to the formulas
где через sign(а) обозначен вектор, полученный из вектора а применением к каждому его элементу операцииwhere sign (a) denotes the vector obtained from the vector a by applying the operation to each of its elements
4) из элементов первого z1 и второго z2 квантованных векторов формируют R квантованных векторов u, имеющих наименьшие значения суммарной ошибки квантования вектора, причем суммарную ошибку квантования вектора определяют как сумму (или сумму квадратов) абсолютных ошибок квантования всех элементов вектора,4) from the elements of the first z 1 and second z 2 quantized vectors, R quantized vectors u are formed having the smallest values of the total quantization error of the vector, and the total quantization error of the vector is defined as the sum (or sum of squares) of the absolute quantization errors of all elements of the vector,
5) каждый из R квантованных векторов u преобразуют по формуле5) each of R quantized vectors u is transformed by the formula
формируя, таким образом, множество кандидатских возмущающих векторов,thus forming many candidate disturbing vectors,
6) определяют оптимальный возмущающий вектор p0 как вектор из множества кандидатских возмущающих векторов, для которого решающая функция минимальна.6) determine the optimal perturbing vector p 0 as a vector from the set of candidate perturbing vectors for which the decisive function is minimal.
Сформированный таким образом оптимальный возмущающий вектор р0 с выхода подузла 25 поступает на второй вход подузла суммирования 24, где суммируют реально-значный вектор передаваемых символов и оптимальный возмущающий вектор, формируя, таким образом, возмущенный реально-значный вектор передаваемых символов (ar+p0).The optimal perturbing vector p 0 thus formed from the output of the
Возмущенный реально-значный вектор передаваемых символов (ar+р0) с выхода подузла 24 поступает на первый вход подузла линейного преобразования 26.The perturbed real-valued vector of the transmitted symbols (a r + p 0 ) from the output of the sub-node 24 is fed to the first input of the sub-node of the linear transformation 26.
В подузле 26 выполняют предварительное линейное преобразование полученного возмущенного реально-значного вектора символов модуляции, формируя реально-значный вектор передаваемых сигналов в соответствии с формулой:In subnode 26, a preliminary linear transformation of the resulting perturbed real-valued vector of modulation symbols is performed, forming a real-valued vector of transmitted signals in accordance with the formula:
Из полученного реально-значного вектора передаваемых сигналов xr в подузле 26 формируют ненормированный вектор передаваемых сигналовFrom the obtained real-valued vector of transmitted signals x r in subnode 26 form an unnormalized vector of transmitted signals
где j - мнимая единица, а через xr (n:m) обозначен вектор, составленный из последовательности элементов вектора xr с n-го по m-й.where j is the imaginary unit, and x r (n: m) denotes a vector composed of a sequence of elements of the vector x r from the n-th to the m-th.
Таким образом, на N выходах подузла линейного преобразования 26 формируют соответственно N элементов ненормированного вектора передаваемых сигналов х0. С выходов подузла 26 данные сигналы поступают на соответствующие им входы подузла нормирования 27, где формируют вектор передаваемых сигналов данного частотного подканала путем умножения ненормированных передаваемых сигналов на коэффициент нормирования CT,Thus, at the N outputs of the linear conversion subassembly 26, respectively, N elements of an irregularized vector of transmitted signals x 0 are formed . From the outputs of the subassembly 26, these signals are fed to the corresponding inputs of the
Коэффициент нормирования CT - это действительное число, которое выбирают таким образом, чтобы средняя мощность передачи сигналов сформированного вектора х была равна мощности сигналов, передаваемых приемным станциям без многопользовательского преобразования.The normalization coefficient C T is a real number, which is chosen so that the average transmit power of the signals of the generated vector x is equal to the power of the signals transmitted to the receiving stations without multi-user conversion.
Совокупность сигналов, соответствующих элементам полученного вектора х, поступает на выходы подузла нормирования 27 и соответственно на выходы узла многопользовательской обработки 17. Совокупность сигналов, соответствующих элементам полученного вектора х, передают в соответствующем частотном подканале через все передающие антенны - по одному сигналу через антенну. С этой целью сигналы, предназначенные для одновременной передачи через каждую n-ю антенну (n=1, … N) в частотных подканалах, выделенных для передачи сигналов группам АС совместного обслуживания, поступают на соответствующие входы n-го модулятора OFDM.The set of signals corresponding to the elements of the received vector x is fed to the outputs of the
Функции модуляторов OFDM 14.1-14.N представлены выше при описании работы передатчика 2.The functions of OFDM modulators 14.1-14.N are presented above when describing the operation of
Рассмотрим подробнее реализацию заявляемого изобретения в приемнике АС, структурная схема которого выполнена на фиг.6.Let us consider in more detail the implementation of the claimed invention in the receiver of the speaker, the structural diagram of which is made in Fig.6.
Приемник абонентской станции содержит Mk приемных антенн 7.1-7.Mk и такое же количество блоков обработки сигналов приемных антенн 28.1-28.Mk и блок декодирования 29, где k - индекс абонентской станции.The receiver of the subscriber station contains M k receiving antennas 7.1-7.M k and the same number of signal processing blocks of the receiving antennas 28.1-28.M k and the
Сигнал с каждой приемной антенны 7.1-7.Mk поступает на вход соответствующего блока обработки сигнала 28.1-28.Mk. В каждом из блоков 28.1-28.Mk выполняют обработку сигнала, результатом которой являются F последовательностей двоичных символов, принятых соответствующей приемной антенной в F частотных подканалах.The signal from each receiving antenna 7.1-7.M k is fed to the input of the corresponding signal processing unit 28.1-28.M k . In each of the blocks 28.1-28.M k , signal processing is performed, the result of which is F sequences of binary symbols received by the corresponding receiving antenna in F frequency subchannels.
Каждый блок обработки сигнала приемной антенны 28.1-28.Mk (структурная схема как пример реализации выполнена на фиг.7) содержит демодулятор OFDM 30, F узлов нормирования 31.1-31.F и такое же количество узлов модульного редуцирования 32.1-32.F и демодуляторов 33.1-33.F.Each signal processing unit of the receiving antenna 28.1-28.M k (a block diagram as an example of implementation is performed in Fig. 7) contains an
Вход демодулятора OFDM является входом блока обработки сигнала приемной антенны 28.F. Выходы F демодуляторов 33.1-33.F являются одновременно F выходами блока обработки сигнала приемной антенны.The input of the OFDM demodulator is the input of the signal processing unit of the receiving antenna 28.F. The outputs F of demodulators 33.1-33.F are simultaneously F outputs of the signal processing unit of the receiving antenna.
В демодуляторе OFDM 30 выполняют обработку сигнала на радиочастоте, синхронизацию OFDM сигнала, удаление циклического префикса и дискретное преобразование Фурье, результатом которого являются сигналы F частотных подканалов. Операции по демодуляции сигнала OFDM представлены, например, в [9] John G.Proakis, "Digital Communication", McGrow-Hill, Third Edition.The
Таким образом, на каждом из F выходов демодулятора OFDM 30 формируют сигнал y, который представляет собой комплексное число с модулем и аргументом, соответствующими амплитуде и фазе сигнала, принимаемого в данном частотном подканале.Thus, on each of the F outputs of the
Сигнал каждого из F частотных подканалов обрабатывают независимо в соответствующем подканале обработки, образованном последовательно соединенными узлом нормирования 31, узлом модульного редуцирования 32 и демодулятором 33.The signal of each of the F frequency subchannels is processed independently in the corresponding processing subchannel formed by series-connected normalization unit 31, modular reduction unit 32, and demodulator 33.
В каждом подканале обработки каждой приемной антенны осуществляют следующие операции.In each processing sub-channel of each receiving antenna, the following operations are performed.
В узле нормирования 31 нормируют сигнал y, умножая его на коэффициент нормирования CR, формируя, таким образом, нормированный сигналIn the normalization unit 31, the signal y is normalized, multiplying it by the normalization coefficient C R , thus forming a normalized signal
где коэффициент нормирования CR устанавливают, например, равным обратной величине от коэффициента нормирования передачи: where the normalization coefficient C R is set, for example, equal to the reciprocal of the normalization coefficient of the transmission:
В узле модульного редуцирования 32 определяют реальную и мнимую части нормированного сигнала ynorm In the node modular reduction 32 determine the real and imaginary parts of the normalized signal y norm
С полученными сигналами z и с в узле 32 выполняют операцию нелинейного модульного редуцирования по модулю А:With the received signals z and c in node 32, the operation of nonlinear modular reduction modulo A is performed:
где [x] - целая часть x, то есть максимальное целое число, меньшее х.where [x] is the integer part of x, that is, the maximum integer less than x.
Из сигналов и формируют комплексный сигнал который поступает на выход узла модульного редуцирования 32 и далее на вход демодулятора 33.From signals and form a complex signal which is fed to the output of the modular reduction unit 32 and then to the input of the demodulator 33.
В демодуляторе 33 выполняют демодуляцию комплексного сигнала обычным способом, формируя последовательность оценок принятых двоичных символов.In demodulator 33, complex signal demodulation is performed in the usual way, forming a sequence of estimates of the received binary characters.
Сформированные таким образом последовательности оценок двоичных символов, принятые в F частотных подканалах, с выходов демодуляторов 33.1-33.F поступают на выходы блока обработки сигнала приемной антенны 28 и далее на соответствующие им входы блока декодирования 29.The thus formed sequences of estimates of binary symbols adopted in the F frequency subchannels from the outputs of the demodulators 33.1-33.F are fed to the outputs of the signal processing unit of the receiving antenna 28 and then to the corresponding inputs of the
Таким образом (см. фиг.6), сформированные последовательности с F выходов каждого из блоков 28.1-28.Mk поступают на соответствующие им входы блока декодирования 29, где F последовательностей оценок двоичных символов объединяют и выполняют операции деперемежения и декодирования, обратные тем, которые использовались в одном из подузлов кодирования 18.1-18.К передатчика БС (фиг.4), соответствующем данной k-й абонентской станции.Thus (see Fig. 6), the generated sequences with F outputs of each of the blocks 28.1-28.M k are supplied to the corresponding inputs of the
Таким образом, на выходе блока декодирования 29 приемника абонентской станции 8 формируют последовательность двоичных символов принятого сообщения.Thus, at the output of the
Для оценки характеристик помехоустойчивости алгоритма передачи-приема сигнала, разработанного в соответствии со способом согласно заявляемому изобретению, было выполнено компьютерное моделирование.To assess the noise immunity characteristics of the signal transmission-reception algorithm developed in accordance with the method according to the claimed invention, computer simulation was performed.
Для моделирования была разработана программная модель передатчика с N=4 антеннами и 4 приемников абонентских станций, каждая из которых оборудована одной приемной антенной.For simulation, a software model of the transmitter was developed with N = 4 antennas and 4 receivers of subscriber stations, each of which is equipped with one receiving antenna.
Разработанная модель соответствует одной группе АС совместного обслуживания. Структура такой модели описана выше и показана на фиг.1-7.The developed model corresponds to one group of joint service stations. The structure of such a model is described above and shown in figures 1-7.
Для простоты в программной модели был использован только один физический (частотный) канал для передачи-приема сигнала в многопользовательской системе связи MIMO.For simplicity, only one physical (frequency) channel was used in the program model for transmitting and receiving a signal in a multi-user MIMO communication system.
Результаты моделирования многопользовательских алгоритмов MIMO при суммарной спектральной эффективности 8 бит/сек/Гц приведены на фиг.8. Кривые на этом чертеже отражают зависимость BER от EB/N0, где BER - (bit error rate) вероятность ошибки приема бита сигнала, усредненная по всем абонентским станциям, EB/N0 - среднее отношение энергии бита сигнала EB к спектральной плотности мощности шума N0 в точке приема. При этом предполагается, что условия приема и скорости передачи данных одинаковы для всех АС.The simulation results of multi-user MIMO algorithms with a total spectral efficiency of 8 bits / sec / Hz are shown in Fig. 8. The curves in this drawing reflect the dependence of BER on E B / N 0 , where BER is (bit error rate) the probability of receiving a signal bit averaged over all subscriber stations, E B / N 0 is the average ratio of the energy of the signal bit E B to spectral density noise power N 0 at the receiving point. It is assumed that the reception conditions and data rates are the same for all speakers.
При моделировании алгоритмов использовалось сверточное кодирование со скоростью 1/2 и размером исходного блока не кодированных двоичных символов 192 бита. Использовалась модель канала с блочным федингом и аддитивным Гауссовским шумом.When modeling the algorithms, convolutional coding was used with a rate of 1/2 and the size of the original block of uncoded binary characters of 192 bits. A channel model with block fading and additive Gaussian noise was used.
Моделирование алгоритмовAlgorithm Modeling
- предварительного кодирования MMSE,- pre-coding MMSE,
- алгоритма прототипа и- prototype algorithm and
- алгоритма заявляемого решения- algorithm of the proposed solution
выполнено для 4 абонентских станций, каждая из которых имеет по 1 приемной антенне. Для передачи сигнала каждой АС использовалась модуляция 16QAM.made for 4 subscriber stations, each of which has 1 receiving antenna. To transmit the signal of each speaker, 16QAM modulation was used.
Моделирование алгоритма прекодинга с блочной диагонализацией выполнено для 2 абонентских станций, каждая из которых имеет по 2 приемные антенны. Передача и прием в сформированных ортогональных каналах MIMO каждой АС был выполнен по методу собственных подканалов. При этом использовались 2 собственных подканала с модуляцией 64QAM и BPSK соответственно.The modeling of the precoding algorithm with block diagonalization was performed for 2 subscriber stations, each of which has 2 receiving antennas. Transmission and reception in the generated orthogonal MIMO channels of each speaker was performed according to the method of its own subchannels. In this case, 2 own subchannels with modulation 64QAM and BPSK were used, respectively.
Представленные характеристики свидетельствуют о том, что в рабочей области значений BER (BER<=0.05) алгоритм, реализующий заявляемый способ, имеет максимальную помехоустойчивость относительно других рассматриваемых алгоритмов.The characteristics presented indicate that in the working range of BER values (BER <= 0.05), an algorithm that implements the inventive method has maximum noise immunity relative to other considered algorithms.
Таким образом, заявляемый способ передачи-приема сигнала в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн позволяет существенно повысить пропускную способность многопользовательской системы связи MIMO, так как выполняет одновременное обслуживание группы из нескольких абонентских станций в одном и том же физическом канале.Thus, the inventive method of transmitting and receiving a signal in a multi-user radio communication system with multiple transmitting and multiple receiving antennas can significantly increase the throughput of the multi-user MIMO communication system, since it performs simultaneous servicing of a group of several subscriber stations in the same physical channel.
По помехоустойчивости алгоритм, реализующий заявляемый способ, превосходит известные многопользовательские алгоритмы MIMO [4] Q.H.Spencer, and M.Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel", Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference, Volume 2, Issue, 3-6 Nov. 2002 Page(s): 1384-1388 vol.2, [5] J.C.Mundarath, J.H.Kotecha, "Zero-Forcing Beamforming for Non-Collaborative Space Division Multiple Access", Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP, 14-19 May 2006, Volume: 4, page(s): IV-IV, [6] A Wicsel, Y.C.Etdar, and Sh.Shamai, "Optimal Generalized Inverses for Zero Forcing Preceding", 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, CISS' 07, 14-16 March 2007, pages: 130-134, а также алгоритм, послуживший прототипом заявляемому способу [8] Christoph Windpassinger, Robert F.H.Fischer, and Johannes B.Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Preceding", IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060.In terms of noise immunity, the algorithm that implements the claimed method surpasses the well-known multi-user MIMO algorithms [4] QHSpencer, and M.Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel", Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference,
Данное преимущество заявляемого способа достигается путем использования новой последовательности взаимосвязанных действий, включающих процедуру векторного возмущения в сочетании с редукцией базиса решетки и многоальтернативное квантование.This advantage of the proposed method is achieved by using a new sequence of interrelated actions, including the vector perturbation procedure in combination with the reduction of the lattice basis and multi-alternative quantization.
Кроме того, преимуществом способа согласно заявляемому изобретению является возможность относительно несложной реализации в передатчике и, особенно, простой реализации приемника абонентской станции. При этом приемник АС реализуют в виде независимых каналов обработки сигналов различных приемных антенн.In addition, an advantage of the method according to the claimed invention is the possibility of a relatively simple implementation in the transmitter and, especially, a simple implementation of the receiver of the subscriber station. In this case, the AS receiver is implemented as independent channels for processing signals of various receiving antennas.
Существенным достоинством данного изобретения является и то, что возможна его реализация при наличии только одной приемной антенны у каждой из абонентских станций системы связи.A significant advantage of this invention is that it is possible to implement if there is only one receiving antenna at each of the subscriber stations of the communication system.
Еще одним важным достоинством заявляемого изобретения является возможность его реализации практически в любой среде распространения. Поясним, что для реализации традиционных однопользовательских способов MIMO необходима среда распространения с большим количеством объектов рассеяния, что не всегда реализуется на практике. В то же время, способ согласно заявляемому изобретению обеспечивает выигрыш в пропускной способности даже в среде с относительно низким рассеянием, так как антенны приемной стороны принадлежат различным абонентским терминалам, вследствие чего их сигналы имеют низкую корреляцию независимо от свойств среды распространения сигнала.Another important advantage of the claimed invention is the possibility of its implementation in almost any distribution environment. Let us explain that for the implementation of traditional single-user MIMO methods, a propagation medium with a large number of scattering objects is necessary, which is not always implemented in practice. At the same time, the method according to the claimed invention provides a gain in throughput even in a relatively low scattering environment, since the receiving side antennas belong to different user terminals, as a result of which their signals have a low correlation regardless of the properties of the signal propagation medium.
ЛитератураLiterature
1. G.J.Foshini, G.D.Golden, R.A.Valenzuela, "Simplified processing for high spectral efficiency wireless communication employing multi-element arrays", IEEE Selected Areas Communication, vol. 17, pp.1841-1852, November, 1999.1. G.J. Foshini, G. D. Golden, R.A. Valenzuela, "Simplified processing for high spectral efficiency wireless communication employing multi-element arrays", IEEE Selected Areas Communication, vol. 17, pp. 1841-1852, November, 1999.
2. 802.16TM IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 1 October 2004.2. 802.16TM IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, October 1, 2004.
3. M.Airy, A.Forenza, R.W.Heath, Jr.S.Shakkottai, "Practical Costa precoding for the multiple antenna broadcast channel", IEEE Global Telecommunications Conference, GLOBECOM, 29 Nov.-3 Dec. 2004, Volume 6, Page(s): 3942-3946.3. M. Airy, A. Forestnza, R. W. Heath, Jr. S. Shakkottai, "Practical Costa precoding for the multiple antenna broadcast channel", IEEE Global Telecommunications Conference, GLOBECOM, 29 Nov.-3 Dec. 2004,
4. Q.H.Spencer, and M.Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel", Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference, Volume 2, Issue, 3-6 Nov. 2002 Page(s): 1384-1388 vol.2.4. QHSpencer, and M. Haardt, "Capacity and Downlink Transmission Algorithms for a Multi-user MIMO Channel", Signals, Systems and Computers, 2002. Conference Record of the Thirty-Sixth Asilomar Conference,
5. J.C.Mundarath, J.H.Kotecha, "Zero-Forcing Beamforming for Non-Collaborative Space Division Multiple Access", Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP, 14-19 May 2006, Volume: 4, page(s): IV-IV.5. JC Mundarath, JHKotecha, "Zero-Forcing Beamforming for Non-Collaborative Space Division Multiple Access", Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP, 14-19 May 2006, Volume: 4, page ( s): IV-IV.
6. A Wiesel, Y.C.Eldar, and Sh.Shamai, "Optimal Generalized Inverses for Zero Forcing Preceding", 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, CISS' 07, 14-16 March 2007, pages: 130-134.6. A Wiesel, Y. C. Eldar, and Sh. Shamai, "Optimal Generalized Inverses for Zero Forcing Preceding," 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, CISS '07, March 14-16, 2007, pages: 130-134.
7. R.F.H.Fischer, C.Windpassinger, A.Lampe, J.B.Huber, "Space-Time Transmission using Tomlinson-Harashima Precoding", In Proc. 4th Int. ITG Conf., pp.139-147, Berlin, Jan. 2002.7. R.F.H. Fischer, C. Windpassinger, A. Lampe, J.B. Huber, "Space-Time Transmission using Tomlinson-Harashima Precoding", In Proc. 4th Int. ITG Conf., Pp. 139-147, Berlin, Jan. 2002.
8. Christoph Windpassinger, Robert F.H. Fischer, and Johannes B. Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Precoding", IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060.8. Christoph Windpassinger, Robert F.H. Fischer, and Johannes B. Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Precoding", IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060.
9. John G. Proakis, "Digital Communication", McGrow-Hill, Third Edition.9. John G. Proakis, "Digital Communication," McGrow-Hill, Third Edition.
10. Dirk Wubben, Ronald Böhnke, Volker Kühn, and Karl-Dirk Kammeyer, "Near-Maximum-Likelihood Detection of MIMO Systems using MMSE-Based Lattice Reduction", IEEE Proc. International Conference on Communications (ICC), Paris, France, June 2004.10. Dirk Wubben, Ronald Böhnke, Volker Kühn, and Karl-Dirk Kammeyer, "Near-Maximum-Likelihood Detection of MIMO Systems using MMSE-Based Lattice Reduction", IEEE Proc. International Conference on Communications (ICC), Paris, France, June 2004.
11. A.K.Lenstra, H.W.Lenstra, and L.Lovasz, "Factoring potynomials with rational coefficients", Mathematische Annalen, vol. 261, pp.515-534, 1982.11. A.K. Lenstra, H.W. Lenstra, and L. Lovasz, "Factoring potynomials with rational coefficients", Mathematische Annalen, vol. 261, pp. 515-534, 1982.
12. Z. Jane Wang, Zhu Han, and K.J.Ray Liu, "A MIMO-OFDM Channel Estimation Approach Using Time of Arrivals", IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 4, NO.3, MAY 2005, pp.1207-1213.12. Z. Jane Wang, Zhu Han, and K.J. Ray Liu, "A MIMO-OFDM Channel Estimation Approach Using Time of Arrivals", IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 4, NO.3, MAY 2005, pp. 1207-1213.
Claims (6)
где ReY, ImY - матрицы, составленные из действительных и соответственно мнимых частей соответствующих элементов матрицы Y,
из реально-значной канальной матрицы Hr формируют матрицу Wr предварительного линейного преобразования сигнала, путем редукции базиса решетки матрицы Wr формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, умножение на которую преобразует матрицу предварительного линейного преобразования в матрицу Z=WrT, имеющую заведомо низкое число обусловленности, используя матрицу Т, и реально-значный вектор передаваемых символов модуляции ar, определяют не квантованный вектор возмущений, как
где А - действительное число, причем такое, что действительная и мнимая часть любого символа модуляции по абсолютной величине меньше А/2, выполняют округление каждого из элементов полученного вектора z до ближайшего по величине целого числа, определяя, таким образом, первый квантованный вектор z1, и определяют вектор соответствующих значений ошибки квантования
z1=Q(z), d1=z1-z,
где Q(z) - вектор, полученный поэлементным округлением вектора z до ближайшего целого числа,
формируют второй квантованный вектор z2 путем определения для каждого элемента вектора z второго ближайшего по величине целого числа с противоположным значением ошибки квантования, а также второй вектор соответствующих значений ошибки квантования, из элементов первого z1 и второго z2 квантованных векторов формируют К квантованных векторов и, имеющих наименьшие значения суммарной ошибки квантования вектора, суммарную ошибку квантования вектора определяют, например, как сумму или сумму квадратов абсолютных ошибок квантования всех элементов вектора, каждый из R квантованных векторов u преобразуют по формуле
p=-A·Т·u,
формируя, таким образом, множество кандидатских возмущающих векторов, определяют оптимальный возмущающий вектор p0, как вектор из множества кандидатских возмущающих векторов, для которого решающая функция F(p)=||Wr·ar-p||2 минимальна, формируют возмущенный реально-значный вектор передаваемых символов модуляции путем суммирования реально-значного вектора передаваемых символов модуляции и оптимального возмущающего вектора и выполняют предварительное линейное преобразование полученного возмущенного реально-значного вектора символов модуляции, формируя, таким образом, реально-значный вектор передаваемых сигналов,
xr=Wr(ar+p0),
из полученного реально-значного вектора передаваемых сигналов xr формируют ненормированный вектор передаваемых сигналов
x0=xr(1:N)+j·xr(N+1:2N),
где j - мнимая единица,
а через xr(n:m) обозначен вектор, составленный из последовательности элементов вектора xr с n-го по m-й;
формируют вектор передаваемых сигналов, умножая вектор ненормированных передаваемых сигналов на коэффициент нормирования CT,
x=x0·CT
совокупность сигналов, соответствующих элементам полученного вектора х, передают в соответствующем физическом канале через все передающие антенны - по одному сигналу через антенну; принимают сигналы на каждой из К приемных станций, причем в каждом физическом канале каждой приемной антенны прием осуществляют таким образом, что формируют сигнал у, как комплексное число с модулем и аргументом, соответствующими амплитуде и фазе принимаемого данным физическим каналом сигнала, нормируют сигнал у, умножая его на коэффициент нормирования CR, формируя, таким образом, нормированный сигнал
уnorm=y·CR,
определяют реальную и мнимую части нормированного сигнала уnorm
z=Reynorm, c=Imynorm, полученными сигналами z и c выполняют операцию модульного редуцирования по модулю А:
где - целая часть x, то есть максимальное целое число, меньшее x,
из сигналов и формируют комплексный сигнал
используя значения комплексного сигнала , сформированные таким образом в каждом физическом канале каждой приемной антенны, выполняют демодуляцию и декодирование принятого сигнала.1. The method of transmission-reception of a signal in a multi-user radio communication system with multiple transmitting and multiple receiving antennas, which use a transmitting station equipped with N transmitting antennas, and K receiving stations, where K≥2, and each receiving station is equipped with at least one receiving antenna, and the total number of receiving antennas of the receiving stations M satisfies the condition 1 <M≤N, while the transmission-reception of signals between the transmitting and receiving stations is carried out through F physical communication channels Where F≥1, consists in the fact that for each of the physical channels F estimate spatial parameters plurality of communication channels, each of which is formed by one transmit antenna of a transmitting station and a receiving antenna of the receiving station; transmit and receive signals between the transmitting station and receiving stations using F physical channels, for which K sets of modulation symbols are formed at the transmitting station for transmission to K receiving stations, respectively, F packets of M modulation symbols are formed from K formed sets of modulation symbols each, including in a packet of M k modulation symbols for each k-th receiving station, where M k is the number of receiving antennas of the k-th receiving station; each of the F modulation symbol packets is transmitted over the corresponding physical channel, wherein the modulation symbol packet is represented as a vector of transmitted modulation symbols a = [α 1 ... α M ] T , each element of which is a complex number, with a module and an argument that reflect the amplitude, and accordingly the phase of the corresponding modulation symbol, perform multi-user conversion of the vector of transmitted modulation symbols a into the vector of transmitted signals x so that the transmitted signals ala do not cause interference in the M receiving antennas of receiving stations, which form the channel matrix H for the physical channel using spatial transmission channels coupling coefficients of the vector of transmitted modulation symbols a and a channel matrix H formed real-valued vector a r, and the matrix H r in accordance with the formulas
where ReY, ImY are matrices composed of real and respectively imaginary parts of the corresponding elements of the matrix Y,
from a real-valued channel matrix H r form a matrix W r of preliminary linear signal transformation, by reducing the basis of the lattice matrix W r form an integer matrix T with a determinant of ± 1, multiplication by which converts the matrix of preliminary linear transformation into a matrix Z = W r T having a knowingly low condition number using the matrix T and a real-valued vector of transmitted modulation symbols a r , determine the non-quantized perturbation vector, as
where A is a real number, and such that the real and imaginary part of any modulation symbol in absolute value is less than A / 2, round off each of the elements of the resulting vector z to the nearest integer in magnitude, thus determining the first quantized vector z 1 , and determine the vector of the corresponding values of the quantization error
z 1 = Q (z), d 1 = z 1 -z,
where Q (z) is the vector obtained by elementwise rounding of the vector z to the nearest integer,
form the second quantized vector z 2 by determining for each element of the vector z the second closest integer with the opposite quantization error value, as well as the second vector of the corresponding quantization error values, from the elements of the first z 1 and second z 2 quantized vectors form K quantized vectors and having the smallest values of the total quantization error of the vector, the total quantization error of the vector is determined, for example, as the sum or the sum of the squares of the absolute quantization errors of all elements ntov vector, each of R u quantized vectors converted by the formula
p = -A · T · u,
thus forming the set of candidate disturbing vectors, the optimal disturbing vector p 0 is determined as the vector from the set of candidate disturbing vectors for which the decisive function F (p) = || W r · a r -p || 2 is minimal, they form a perturbed real-valued vector of transmitted modulation symbols by summing the real-valued vector of transmitted modulation symbols and the optimal perturbation vector and perform preliminary linear transformation of the resulting perturbed real-valued vector of modulation symbols, thus forming a real-valued vector of transmitted signals ,
x r = W r (a r + p 0 ),
from the received real-valued vector of the transmitted signals x r form an unnormalized vector of transmitted signals
x 0 = x r (1: N) + j · x r (N + 1: 2N),
where j is the imaginary unit,
and x r (n: m) denotes a vector composed of a sequence of elements of the vector x r from n-th to m-th;
form a vector of transmitted signals, multiplying the vector of unnormalized transmitted signals by a normalization coefficient C T ,
x = x 0 · C T
the set of signals corresponding to the elements of the obtained vector x is transmitted in the corresponding physical channel through all the transmitting antennas - one signal through the antenna; receive signals at each of the K receiving stations, and in each physical channel of each receiving antenna, the reception is carried out in such a way that they form the signal y, as a complex number with the module and argument corresponding to the amplitude and phase of the signal received by this physical channel, normalize the signal y, multiplying its normalization coefficient C R , thus forming a normalized signal
at norm = y · C R ,
determine the real and imaginary parts of the normalized signal in norm
z = Rey norm , c = Imy norm , the received signals z and c perform the operation of modular reduction modulo A:
Where is the integer part of x, that is, the maximum integer less than x,
from signals and form a complex signal
using complex signal values thus formed in each physical channel of each receiving antenna, demodulate and decode the received signal.
где Hr - реально-значная канальная матрица для данного физического канала.4. The method according to claim 1, characterized in that the matrix W r preliminary linear signal conversion form as
where H r is a real-valued channel matrix for a given physical channel.
z2=z1-sign(d1), d2=z2-z,
где через sign(a) обозначен вектор, полученный из вектора a,
применением к каждому его элементу операции.5. The method according to claim 1, characterized in that the second quantized vector z 2 and the second vector of the corresponding quantization error values are formed by the formulas
z 2 = z 1 -sign (d 1 ), d 2 = z 2 -z,
where sign (a) denotes the vector obtained from the vector a,
applying operations to each of its elements.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008102584/09A RU2398359C2 (en) | 2008-01-28 | 2008-01-28 | Method for transmission-reception of signal in multiuser system of radio communication with multiple transmitting and multiple receiving antennas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008102584/09A RU2398359C2 (en) | 2008-01-28 | 2008-01-28 | Method for transmission-reception of signal in multiuser system of radio communication with multiple transmitting and multiple receiving antennas |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008102584A RU2008102584A (en) | 2009-08-10 |
| RU2398359C2 true RU2398359C2 (en) | 2010-08-27 |
Family
ID=41048861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008102584/09A RU2398359C2 (en) | 2008-01-28 | 2008-01-28 | Method for transmission-reception of signal in multiuser system of radio communication with multiple transmitting and multiple receiving antennas |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2398359C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2782542C2 (en) * | 2020-11-17 | 2022-10-31 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций | Method for signal transmission and reception in multiuser radio communication system with multiple input and multiple output antennas |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2303330C1 (en) * | 2006-02-13 | 2007-07-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Method for receiving signal in communication system with several channels for transmitting and receiving |
-
2008
- 2008-01-28 RU RU2008102584/09A patent/RU2398359C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2303330C1 (en) * | 2006-02-13 | 2007-07-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Method for receiving signal in communication system with several channels for transmitting and receiving |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Z.Jane Wang, Zhu Han, K.J.Ray Liu, "A MIMO-OFDM Channel Estimation Approach Using Time of Arrivals", IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL.4, NO.3, MAY 2005, pp.1207-1213. Christoph Windpassinger, Robert F.H.Fischer, and Johannes B.Huber, "Lattice-Reduction-Aided Broadcast Precoding," IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL.52, NO.12, DECEMBER 2004, pp.2057-2060. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2782542C2 (en) * | 2020-11-17 | 2022-10-31 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций | Method for signal transmission and reception in multiuser radio communication system with multiple input and multiple output antennas |
| RU229481U1 (en) * | 2024-07-01 | 2024-10-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) | A device for representing data by elements of a predetermined basis |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008102584A (en) | 2009-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2405252C2 (en) | Signal receiving/transmitting method in multiple-user radio communication system with many transmitting and receiving antennae | |
| US8619892B2 (en) | Wireless communication method and apparatus | |
| Mendonça et al. | Antenna selection in massive MIMO based on greedy algorithms | |
| CN105610477B (en) | Multiple-input multiple-output system enhancing method of signal multiplexing based on compressed sensing | |
| CN101378280B (en) | Multi-input multi-output system based on antenna selection and signal processing method thereof | |
| CN110785975A (en) | Subband compressed domain processing for uplink MIMO systems | |
| CN101321009B (en) | Self-adapting MIMO system and its signal processing method | |
| Mecklenbräuker et al. | Generalized Alamouti codes for trading quality of service against data rate in MIMO UMTS | |
| Iserte et al. | Joint beamforming strategies in OFDM-MIMO systems | |
| Jamali et al. | A low-complexity recursive approach toward code-domain NOMA for massive communications | |
| JP4966190B2 (en) | Method and apparatus for transmitting a signal in a multi-antenna system, signal and method for estimating a corresponding transmission channel | |
| CN114337750B (en) | One-bit Quantized Output Large-Scale Antenna System Realization Method and System Device | |
| JP5859913B2 (en) | Wireless receiver, wireless transmitter, wireless communication system, program, and integrated circuit | |
| Prashar et al. | Performance analysis of mimo-noma and siso-noma in downlink communication systems | |
| Zheng et al. | Linear processing for intercarrier interference in OFDM index modulation based on capacity maximization | |
| CN112821928B (en) | Rate splitting precoding method of multi-user MIMO system | |
| Pereira et al. | Iterative MRC and EGC receivers for MIMO-OFDM systems | |
| CN101176320A (en) | Data processing method, equalizer, receiver, communication system, network element and terminal using simplified channel matrix inversion | |
| Qin et al. | Symbol-level precoding for PAPR reduction in multi-user MISO-OFDM systems | |
| RU2398359C2 (en) | Method for transmission-reception of signal in multiuser system of radio communication with multiple transmitting and multiple receiving antennas | |
| Felix et al. | On the detection of MIMO signals with strong nonlinear distortion effects | |
| Suzuki et al. | Complexity-reduced algorithm for adaptive PAPR reduction method using null space in MIMO channel for MIMO-OFDM signals | |
| Chen et al. | Blockwise-lattice-reduction-aided Tomlinson–Harashima precoder designs for MU-MIMO downlink communications with clusters of correlated users | |
| Djemamar et al. | Space-time block coding techniques for MIMO 2× 2 system using walsh-hadamard codes | |
| KR101497156B1 (en) | Apparatus and method for transmitting data using precoding scheme in multiple antenna system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA94 | Acknowledgement of application withdrawn (non-payment of fees) |
Effective date: 20100120 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20100211 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120129 |