RU2350025C2 - Method of reception of multicomponent signal in radio communication system with n transmission channels and m channels of reception (versions) and device for its realisation (versions) - Google Patents
Method of reception of multicomponent signal in radio communication system with n transmission channels and m channels of reception (versions) and device for its realisation (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2350025C2 RU2350025C2 RU2006132156/09A RU2006132156A RU2350025C2 RU 2350025 C2 RU2350025 C2 RU 2350025C2 RU 2006132156/09 A RU2006132156/09 A RU 2006132156/09A RU 2006132156 A RU2006132156 A RU 2006132156A RU 2350025 C2 RU2350025 C2 RU 2350025C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vector
- output
- input
- estimates
- matrix
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radio Transmission System (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области радиотехники, в частности к способу (варианты) и устройству (варианты) приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема, и может быть использована в системе связи с многомерными сигналами, например в системе связи MIMO.The group of inventions relates to the field of radio engineering, in particular to a method (options) and a device (options) for receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels, and can be used in a communication system with multidimensional signals, for example, in a MIMO communication system .
Задача приема многокомпонентных сигналов возникает в большом числе областей телекоммуникаций, в том числе таких, как многопользовательское детектирование, прием с помощью адаптивных антенных решеток, технология Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO), далее по тексту MIMO. Заявляемое изобретение будет описано на примере системы связи MIMO.The problem of receiving multicomponent signals arises in a large number of telecommunications fields, including such as multi-user detection, reception using adaptive antenna arrays, Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) technology, hereinafter referred to as MIMO. The invention will be described by the example of a MIMO communication system.
Технология MIMO привлекает большое внимание разработчиков и исследователей систем беспроводной связи, благодаря возможности значительного повышения пропускной способности.MIMO technology attracts much attention from developers and researchers of wireless communication systems, due to the possibility of a significant increase in throughput.
В системах MIMO на передающей и приемной сторонах используется более одной антенны, вследствие чего пространственный канал связи между передатчиком и приемником имеет множество входов (multiple inputs) - каналов передачи сигнала, - и множество выходов (multiple outputs) - каналов приема сигнала. Всю совокупность каналов распространения сигнала между передающими и приемными антеннами принято называть каналом MIMO. Увеличение пропускной способности достигается за счет одновременной передачи различных информационных сигналов по различным пространственным подканалам канала MIMO.In MIMO systems, more than one antenna is used on the transmitting and receiving sides, as a result of which the spatial communication channel between the transmitter and the receiver has multiple inputs — signal transmission channels — and multiple outputs — signal reception channels. The whole set of signal propagation channels between transmitting and receiving antennas is called a MIMO channel. The increase in throughput is achieved due to the simultaneous transmission of various information signals on various spatial subchannels of the MIMO channel.
Мгновенную реализацию канала MIMO оценивают на приемной стороне и используют при приеме сигнала. Использование данной оценки при передаче сигнала дает большое преимущество системе MIMO в плане возможности минимизировать уровень взаимных помех в точке приема. Метод MIMO, использующий оценку канала при передаче сигнала, называют MIMO с обратной связью (closed loop MIMO). Однако более практичным подходом является MIMO без обратной связи (open loop MIMO), когда оценка канала не доступна передающей стороне.The instantaneous implementation of the MIMO channel is evaluated at the receiving side and used when receiving a signal. The use of this estimate in signal transmission gives a great advantage to the MIMO system in terms of the ability to minimize the level of mutual interference at the receiving point. The MIMO method, which uses channel estimation for signal transmission, is called closed-loop MIMO (MIMO). However, a more practical approach is open loop MIMO when channel estimation is not available to the transmitting side.
В системах MIMO без обратной связи из-за отсутствия информации о канале MIMO на передающей стороне нет возможности взаимно оптимизировать передачу информации по параллельным пространственным каналам, вследствие чего передаваемые через различные антенны сигналы создают взаимные помехи на приемной стороне. Наиболее распространенным способом передачи в системах MIMO без обратной связи является пространственное мультиплексирование (spatial multiplexing), впервые предложенное в рамках способа V-BLAST (см. 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. Foschini, G.D. Golden, "Wireless communications system having a space-time architecture employing multi-element antennas at both the transmitter and receiver (Patent style)," US patent: US 6317466 B1. Nov. 13, 2001 [2], G.J.Foschini, "Wireless communications system having a layered space-time architecture employing multi-element antennas," US Patent US#6097771, August 1, 2000 [3]).In feedbackless MIMO systems, due to the lack of information about the MIMO channel on the transmitting side, it is not possible to mutually optimize the transmission of information on parallel spatial channels, as a result of which the signals transmitted through various antennas create mutual interference on the receiving side. The most common transmission method in open loop MIMO systems is spatial multiplexing, first proposed as part of the V-BLAST method (see 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 [1], GJ Foschini, GD Golden," Wireless communications system having a space-time architecture employing multi-element antennas at both the transmitter and receiver (Patent style), "US patent: US 6317466 B1. Nov. 13, 2001 [2], GJFoschini," Wireless communications system having a layered space-time architecture employing multi-element antennas, "US Patent US # 6097771, August 1, 2000 [3]).
Согласно способу пространственного мультиплексирования V-BLAST в передатчике выполняют кодирование, перемежение и модуляцию потока двоичных символов исходного информационного сообщения, формируя таким образом поток символов модуляции, каждый из которых представляет L последовательных бит исходного потока и принадлежит множеству m=2L всевозможных значений.According to the V-BLAST spatial multiplexing method, the transmitter performs coding, interleaving, and modulation of the stream of binary symbols of the original information message, thereby forming a stream of modulation symbols, each of which represents L consecutive bits of the original stream and belongs to the set m = 2 L of all possible values.
Символы модуляции s обычно представляют комплексными числами, модуль и аргумент каждого из которых представляет собой амплитуду и, соответственно, фазу соответствующего символа модуляции. Действительная и мнимая часть данного комплексного числа являются квадратурными компонентами символа модуляции.The modulation symbols s are usually represented by complex numbers, the modulus and argument of each of which represents the amplitude and, accordingly, the phase of the corresponding modulation symbol. The real and imaginary parts of this complex number are the quadrature components of the modulation symbol.
Сформированный поток символов модуляции разбивают на пакеты, каждый из которых состоит из N символов, где N - число передающих антенн. Из символов каждого пакета формируют радиосигналы, образуя соответствующий пакет информационных сигналов, который передают одновременно - по одному сигналу через каждую антенну.The generated modulation symbol stream is divided into packets, each of which consists of N symbols, where N is the number of transmitting antennas. Radio symbols are formed from the symbols of each packet, forming the corresponding packet of information signals, which are transmitted simultaneously - one signal through each antenna.
Прием осуществляют с помощью M≥N приемных антенн. Сигнал каждой приемной антенны может быть представлен комплексным числом х, модуль которого соответствует амплитуде, а аргумент - фазе данного сигнала. Совокупность сигналов М приемных антенн обычно представляют М-мерным вектором комплексных чисел, который может быть выражен следующим образомReception is carried out using M≥N receive antennas. The signal of each receiving antenna can be represented by a complex number x, the module of which corresponds to the amplitude, and the argument to the phase of this signal. The set of signals M receiving antennas is usually represented by an M-dimensional vector of complex numbers, which can be expressed as follows
где х=[х1,…хM]T - вектор принятых сигналов, s=[s1,…sN]T - вектор символов модуляции, соответствующих передаваемому пакету информационных сигналов, Н - канальная матрица, каждый элемент hi,j, которой представляет собой нормированный коэффициент передачи сигнала от j-й передающей к i-й приемной антенне, n=[n1,…nM]T - вектор помех приемных антенн, которые обычно аппроксимируются, как независимые реализации аддитивного Гауссовского шума, [.]T - знак транспонирования.where x = [x 1 , ... x M ] T is the vector of received signals, s = [s 1 , ... s N ] T is the vector of modulation symbols corresponding to the transmitted packet of information signals, H is the channel matrix, each element h i, j , which is the normalized coefficient of signal transmission from the jth transmitting to the ith receiving antenna, n = [n 1 , ... n M ] T is the interference vector of the receiving antennas, which are usually approximated as independent implementations of additive Gaussian noise, [. ] T is the transpose sign.
При приеме такого многомерного сигнала сначала выполняют оценку канальной матрицы Н, а затем с использованием этой оценки выполняют демодуляцию символов вектора s.When receiving such a multidimensional signal, the channel matrix H is first estimated and then, using this estimate, the symbols of the vector s are demodulated.
Наиболее эффективным алгоритмом приема многомерных сигналов является алгоритм максимального правдоподобия (maximum likelihood algorithm - MLA), представленный, например, в J.Jalden, Bjorn Ottersten, "On the Complexity of Sphere Decoding in Digital Communication," IEEE TRANSACTION ON SIGNAL PROCESSING, Vol.53, No. 4, pp.1474-1484, April; 2005 [4]. Оценкой максимального правдоподобия вектора передаваемых информационных символов s является значение, обеспечивающее минимум функционала отношения правдоподобия. Оценка переданного информационного пакета выражается какThe most effective algorithm for receiving multidimensional signals is the maximum likelihood algorithm (MLA), presented, for example, in J. Jalden, Bjorn Ottersten, "On the Complexity of Sphere Decoding in Digital Communication," IEEE TRANSACTION ON SIGNAL PROCESSING, Vol. 53, No. 4, pp. 1474-1484, April; 2005 [4]. An estimate of the maximum likelihood of a vector of transmitted information symbols s is a value that provides a minimum of the likelihood ratio functional. The evaluation of the transmitted information packet is expressed as
где S - множество всевозможных значений вектора s. Следовательно, метод максимального правдоподобия предполагает поиск минимума решающей функции по множеству всевозможных значений вектора s. Сложность реализации данного метода зависит от объема множества поиска, который экспоненциально растет с увеличением количества передающих антенн и количества бит информации, передаваемых через каждую антенну. Поэтому даже при небольшом количестве передающих антенн алгоритм может оказаться весьма сложным при реализации в аппаратуре приемника.where S is the set of all possible values of the vector s . Therefore, the maximum likelihood method involves finding the minimum of the decisive function by the set of all possible values of the vector s . The complexity of the implementation of this method depends on the volume of the search set, which exponentially increases with the number of transmitting antennas and the number of bits of information transmitted through each antenna. Therefore, even with a small number of transmitting antennas, the algorithm can be very complicated when implemented in receiver equipment.
С практической точки зрения весьма привлекательными являются линейные методы приема, при которых оценка вектора s символов модуляции формируется линейным преобразованием (см. D. Gesbert, "Robust linear MIMO receivers: A minimum error-rate approach," IEEE Trans. Signal Processing, Special issue on MIMO, May 2, 2003 [5]):From a practical point of view, linear reception methods are very attractive in which the estimation of the vector s of the modulation symbols is formed by a linear transformation (see D. Gesbert, "Robust linear MIMO receivers: A minimum error-rate approach," IEEE Trans. Signal Processing, Special issue on MIMO, May 2, 2003 [5]):
где (.)t - символ транспонирования и комплексного сопряжения, W - матрица коэффициентов линейного преобразования, которую формируют таким образом, чтобы оптимизировать оценку в смысле некоторого критерия.where (.) t is the symbol of transposition and complex conjugation, W is the matrix of linear transformation coefficients, which is formed in such a way as to optimize the estimate in the sense of some criterion.
Наиболее эффективным из линейных методов является метод минимума среднеквадратичной ошибки оценки (minimum mean squared error - MMSE). При этом матрицу W формируют, какThe most effective of the linear methods is the minimum mean squared error (MMSE) method. In this case, the matrix W is formed as
где σ2 - дисперсия шума в каждой из приемных антенн, I - диагональная единичная матрица размерности М×М, (.)-1 - символ инверсии матрицы.where σ 2 is the noise variance in each of the receiving antennas, I is the diagonal unit matrix of dimension M × M, (.) -1 is the symbol of the inversion of the matrix.
Известен также алгоритм, обеспечивающий нулевое значение ошибки в отсутствие шума. В зарубежных публикациях данный линейный алгоритм называют методом обращения в нуль - zero forcing. При этом матрица W формируется, какAn algorithm is also known that provides zero error in the absence of noise. In foreign publications, this linear algorithm is called the method of zeroing - zero forcing. In this case, the matrix W is formed as
Метод обращения в нуль обладает более низкой помехоустойчивостью, чем MMSE, но он проще в реализации, так как не требует оценки дисперсии шума.The method of zeroing has a lower noise immunity than MMSE, but it is easier to implement, since it does not require noise dispersion estimation.
По характеристикам помехоустойчивости метод минимума среднеквадратичной ошибки оценки проигрывает методу максимального правдоподобия. В канале MIMO с низкой обусловленностью матрицы Н этот проигрыш незначителен. Однако использование данным методом операции инверсии матрицы приводит к тому, что в канале MIMO с высокообусловленной канальной матрицей этот проигрыш увеличивается и становится весьма значительным.According to the noise immunity characteristics, the minimum mean-square error of the estimation method loses to the maximum likelihood method. In the MIMO channel with low conditioning of the matrix H, this loss is negligible. However, the use of the matrix inversion operation by this method leads to the fact that in the MIMO channel with a highly conditioned channel matrix, this loss increases and becomes very significant.
Существенный прогресс в решении проблемы «плохой» обусловленности матрицы канала MIMO наметился при использовании подхода редукции базиса решетки (lattice basis reduction approach) (см. 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 [6], Christoph Windpassinger, Robert F.H. Fischer, "Low-Complexity Near-Maximum-Likelihood Detection and Precoding for MIMO Systems using Lattice Reduction," ITW2003, Paris, France, March 31-April 4, 2003 [7], Christoph Windpassinger, Robert F.H. Fischer, "From Lattice-Reduction-Aided Detection Towards Maximum-Likelihood Detection in MIMO Systems," IEEE Proc. Global Communications Con ference (GLOBECOM), Taipei, Taiwan, November 17-21 2002 [8], Huan Yao and Gregory W. Womell, "Lattice-Reduction-Aided Detectors for MIMO Communication Systems," in Proc. IEEE Globecom, Taipei, Taiwan, Nov., 2002 [9].Significant progress in solving the problem of the “bad” conditionality of the MIMO channel matrix was observed using the lattice basis reduction approach (see 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 [6], Christoph Windpassinger, Robert FH Fischer," Low-Complexity Near-Maximum-Likelihood Detection and Precoding for MIMO Systems using Lattice Reduction, "ITW2003, Paris, France, March 31-April 4, 2003 [7], Christoph Windpassinger, Robert FH Fischer," From Lattice-Reduction-Aided Detection Towards Maximum-Likelihood Detection in MIMO Systems, "IEEE Proc. Global Communications Conference (GLOBECOM), Taipei, Taiwan, November 17-21, 2002 [8 ], Huan Yao and Gregory W. Womell, "Lattice-Reduction-Aided Detectors for MIMO Communication Systems," in Proc. IEEE Globecom, Taipei, Taiwan, Nov., 2002 [9].
Идея данного подхода заключается в том, что канальную матрицу представляют в виде произведения хорошо обусловленной матрицы G и унимодулярной матрицы, то есть матрицы с целочисленными элементами и детерминантом ±1. Задачу демодуляции решают относительно модифицированного вектора переданных символов модуляции, который представляет собой произведение унимодулярной матрицы на исходный вектор s символов модуляции.The idea of this approach is that the channel matrix is represented as the product of a well-conditioned matrix G and a unimodular matrix, that is, a matrix with integer elements and a determinant of ± 1. The demodulation problem is solved with respect to the modified vector of transmitted modulation symbols, which is the product of a unimodular matrix by the initial vector s of modulation symbols.
Демодуляцию выполняют в два этапа. На первом этапе выполняют субоптимальную демодуляцию модифицированного вектора символов с использованием хорошо обусловленной канальной матрицы G. Методы, основанные на инверсии матрицы, дают на этом этапе высокую помехоустойчивость, поскольку обращается хорошо обусловленная матрица. Полученную оценку модифицированного сигнала квантуют, за счет чего происходит фильтрация шума. На втором этапе выполняют преобразование оценки модифицированного сигнала в оценку исходного информационного сигнала с использованием унимодулярной матрицы.Demodulation is performed in two stages. At the first stage, suboptimal demodulation of the modified symbol vector is performed using a well-conditioned channel matrix G. Methods based on matrix inversion give high noise immunity at this stage, since a well-conditioned matrix is reversed. The resulting estimate of the modified signal is quantized, due to which noise filtering occurs. At the second stage, the conversion of the modified signal estimate to the estimate of the initial information signal is performed using a unimodular matrix.
Процедура разложения канальной матрицы на хорошо обусловленную и унимодулярную матрицы выполняется с помощью редукции базиса решетки (см. [6]-[9]). Соответственно, такой подход к демодуляции многомерного сигнала называют методом редукции базиса решетки или редукции решетки (lattice reduction). Именно данный подход лежит в основе заявляемого изобретения.The procedure for decomposing a channel matrix into a well-conditioned and unimodular matrix is performed by reducing the lattice basis (see [6] - [9]). Accordingly, this approach to the demodulation of a multidimensional signal is called the lattice reduction method or lattice reduction. It is this approach that underlies the claimed invention.
Реализация потенциально высокой пропускной способности систем MIMO возможна лишь с использованием эффективного помехоустойчивого кодирования. Поэтому еще одним важным аспектом при проектировании алгоритмов приема сигнала MIMO является то, что они должны хорошо сочетаться с алгоритмом помехоустойчивого кодирования.The implementation of the potentially high throughput of MIMO systems is possible only with the use of efficient noise-resistant coding. Therefore, another important aspect in the design of MIMO signal reception algorithms is that they should be well combined with the error-correcting coding algorithm.
Обычно в процессе приема сформированные оценки символов преобразуют в двоичную форму, и подают на декодер для восстановления двоичных символов исходного информационного сообщения. Наиболее эффективным декодированием является мягкое декодирование. При этом на вход декодера поступают мягкие оценки (решения) бит - в виде {В -В}, где знак соответствует жесткой оценке переданного двоичного символа (или бита) 1 или -1, а абсолютная величина В является метрикой, отражающей вероятностную меру принятия битом данного жесткого значения.Typically, during reception, the generated symbol estimates are converted to binary form, and fed to a decoder to recover the binary symbols of the original information message. The most efficient decoding is soft decoding. At the same time, soft estimates (decisions) of bits are received at the decoder input - in the form {B-B}, where the sign corresponds to a hard estimate of the transmitted binary character (or bit) 1 or -1, and the absolute value of B is a metric that reflects the probability measure of acceptance by bit given hard value.
Метрикой мягкого декодирования (или мягким решением) некоторого бита bk служит логарифм отношения правдоподобия (log-likelihood ratio - LLR). В отсутствие априорной информации о значениях переданных бит и при взаимной независимости передаваемых бит, логарифм отношения правдоподобия для k-го бита, переданного с помощью вектора s символов модуляции, может быть выражен, как показано в статье Dominik Seethaler, Gerald Matz, and Franz Hlawatsch, "Low-Complexity Soft Demodulation of MIMO-BICM Using the Line-Search Detector," Institute of Communications and Radio-Frequency Engineering, Vienna University of Technology. /0-7803-8939-5/05/ (С) 2005 IEEE [10]The soft decoding metric (or soft decision) of some bit b k is the log-likelihood ratio (LLR). In the absence of a priori information about the values of the transmitted bits and the mutual independence of the transmitted bits, the logarithm of the likelihood ratio for the kth bit transmitted using the vector s of modulation symbols can be expressed as shown in Dominik Seethaler, Gerald Matz, and Franz Hlawatsch, "Low-Complexity Soft Demodulation of MIMO-BICM Using the Line-Search Detector," Institute of Communications and Radio-Frequency Engineering, Vienna University of Technology. / 0-7803-8939-5 / 05 / (C) 2005 IEEE [10]
где и - множества значений вектора s, для которых k-й бит принимает значение 1 и -1 соответственно, - норма вектора.Where and - the set of values of the vector s for which the kth bit takes the
Формирование метрик (6) требует вычисления функции для всех элементов множеств и . Это значительно усложняет алгоритм приема, так как суммарное количество элементов данных множеств соответствует 2LN и растет экспоненциально с увеличением числа передающих антенн N и L - количества бит, представляемых одним символом модуляции.The formation of metrics (6) requires the calculation of a function for all elements of sets and . This greatly complicates the reception algorithm, since the total number of elements of these sets corresponds to 2 LN and grows exponentially with increasing number of transmitting antennas N and L - the number of bits represented by one modulation symbol.
Линейные методы приема формируют мягкую (не квантованную) оценку каждого символа вектора s и допускают упрощенное формирование мягких решений, которое выполняют раздельно для каждого символа по полученной оценке данного символа и карте модуляции (см. Michael Мао Wang, Weimin Xiao, and Tyier Brown, "Soft Decision Metric Generation for QAM With Channel Estimation Error," IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 50, NO. 7, Pp.1058-1061, JULY 2002 [11]).Linear methods of reception form a soft (not quantized) estimate of each symbol of the vector s and allow simplified formation of soft decisions, which are performed separately for each symbol according to the received estimate of this symbol and the modulation map (see Michael Mao Wang, Weimin Xiao, and Tyier Brown, " Soft Decision Metric Generation for QAM With Channel Estimation Error, "IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 50, NO. 7, Pp.1058-1061, JULY 2002 [11]).
С использованием аппроксимации (см. [10]) можно записать следующее выражение для логарифма отношения правдоподобия k-го бита, передаваемого с помощью m-го модуляционного символа.Using the approximation (see [10]), we can write the following expression for the logarithm of the likelihood ratio of the kth bit transmitted using the mth modulation symbol.
где - линейная оценка передаваемого символа модуляции sm, and - множества значений символа модуляции sm, для которого k-й бит принимает значение +1 и -1 соответственно, βm - коэффициент преобразования символа sm за счет канала связи и линейного преобразования, формирующего оценку (3).Where - a linear estimate of the transmitted modulation symbol s m , and - the set of values of the modulation symbol s m , for which the kth bit takes the value +1 and -1, respectively, β m is the symbol conversion coefficient s m due to the communication channel and the linear transformation forming the estimate (3).
Такой метод формирования мягких решений значительно проще, чем метод, основанный на выражении (6), однако он имеет и существенно более низкую помехоустойчивость.This method of forming soft solutions is much simpler than the method based on expression (6), but it also has a significantly lower noise immunity.
Следовательно, другой серьезной проблемой приема сигнала MIMO, которая решается в способе заявляемого изобретения, является необходимость разработки эффективного алгоритма формирования мягких решений - метрик для мягкого декодирования.Therefore, another serious problem of receiving a MIMO signal, which is solved in the method of the claimed invention, is the need to develop an effective algorithm for generating soft decisions - metrics for soft decoding.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в [6].Closest to the claimed invention is a technical solution described in [6].
Способ-прототип заключается в следующем.The prototype method is as follows.
Известный способ приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема (прототип), в которомA known method of receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels (prototype), in which
каждая из М компонент многокомпонентного сигнала, принимаемая по соответствующему ей каналу приема, представляет собой аддитивную смесь N информационных сигналов, каждый из которых передан по соответствующему ему каналу передачи, и помехи,each of the M components of the multicomponent signal received on the corresponding receive channel is an additive mixture of N information signals, each of which is transmitted on the corresponding transmission channel, and interference,
при этом каждый из N информационных сигналов соответствует L двоичным символам передаваемого информационного сообщения, принимает одно из m=2L значений, соответствующих m символам модуляции, иwherein each of the N information signals corresponds to L binary symbols of the transmitted information message, takes one of m = 2 L values corresponding to m modulation symbols, and
входит в каждую из М компонент многокомпонентного сигнала с весовым коэффициентом, отражающим коэффициент передачи пространственного канала, образованного каналом передачи этого информационного сигнала и каналом приема данной компоненты многокомпонентного сигнала, причем считают, что коэффициенты передачи пространственных каналов и значения дисперсии помех М каналов приема известны или предварительно оценены, заключается в том, чтоis included in each of the M components of a multicomponent signal with a weight coefficient reflecting the transmission coefficient of the spatial channel formed by the transmission channel of this information signal and the reception channel of this component of the multicomponent signal, and it is believed that the transmission coefficients of spatial channels and interference dispersion values of the M reception channels are known or previously evaluated, is that
формируют вектор принимаемого сигнала, таким образом, чтоform a vector received signal in such a way that
принимают каждую из М компонент сигнала, определяя для каждой из них комплексное число х, модуль которого отражает амплитуду, а аргумент - фазу данной компоненты многокомпонентного сигнала, формируя из данных комплексных чисел М-мерный комплексный вектор х принятого сигнала, и преобразуют данный вектор к вектору принятого сигнала по формулеeach of the M components of the signal is received, determining for each of them a complex number x , the module of which reflects the amplitude, and the argument is the phase of this component of the multicomponent signal, forming the M-dimensional complex vector x of the received signal from these complex numbers, and transform this vector to vector received signal according to the formula
формируют канальную матрицу используя коэффициенты передачи пространственных каналов, таким образом, что между вектором принимаемого многокомпонентного сигнала и сформированной канальной матрицей выполняется соотношениеform a channel matrix using spatial channel transmission coefficients in such a way that between the vector of the received multicomponent signal and the generated channel matrix, the relation
где - вектор символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, - вектор помех М каналов приема,Where is a vector of modulation symbols corresponding to N information signals, - interference vector M receiving channels,
с этой целью из коэффициентов hi,j, передачи пространственных каналов, каждый из которых представляет собой комплексное число, с модулем и аргументом, отражающими изменение соответственно амплитуды и фазы j-го информационного сигнала, принимаемого в i-м канале приема, при его распространении по соответствующему пространственному каналу, формируют комплексную канальную матрицу Н, которую преобразуют в матрицу Н r по формулеfor this purpose, from the coefficients h i, j , the transmission of spatial channels, each of which is a complex number, with a module and an argument reflecting the change in the amplitude and phase of the j-th information signal received in the i-th reception channel, respectively, during its distribution the corresponding spatial channel, form a complex channel matrix H , which is converted into a matrix H r according to the formula
где ReH и ImH - матрицы соответственно действительных и мнимых частей элементов матрицы Н, матрицу Н r расширяют, дополняя снизу матрицей σI, где σ2 - дисперсия помехи каждого из М каналов приема, I - единичная диагональная матрица размерности 2N×2Nwhere Re H and Im H are the matrices of the real and imaginary parts of the elements of the matrix H , respectively, the matrix H r is expanded by supplementing the matrix σ I from below, where σ 2 is the interference variance of each of the M receiving channels, I is the unit diagonal matrix of dimension 2N × 2N
формируя, таким образом, канальную матрицу thus forming a channel matrix
преобразуют канальную матрицу в матрицу G, характеризующуюся заведомо низким числом обусловленности, для чегоtransform the channel matrix into the matrix G , characterized by a knowingly low condition number, for which
путем редукции базиса решетки матрицы формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, и формируют модифицированную канальную матрицу G, как произведение by reducing the matrix lattice basis form an integer matrix T with a determinant equal to ± 1, and form a modified channel matrix G , as the product
определяют вектор z модифицированных символов модуляции как вектор символов модуляции умноженный слева на инверсию матрицы Т, то есть и оценивают его, используя канальную матрицу G и вектор принимаемого сигнала, формируя таким образом вектор оценок модифицированных символов модуляции по формулеdefine a vector z of modified modulation symbols as a vector of modulation symbols multiplied on the left by the inverse of the matrix T , i.e. and evaluate it using the channel matrix G and the vector received signal, thus forming a vector estimates of modified modulation symbols according to the formula
где (.)', (.)-1 символы транспонирования и инверсии матрицы, соответственно, - вектор принимаемого сигнала, расширенный снизу 2М-мерным вектором нулей 0;where (.) ', (.) -1 symbols of transposition and inversion of the matrix, respectively, - vector of the received signal, expanded from below by a 2M-dimensional vector of
квантуют вектор оценок модифицированных символов 5 модуляции, определяя для каждого элемента данного вектора квантованное значение, как модифицированный символ модуляции, обеспечивающий наименьшую ошибку квантования, и формируют таким образом вектор u, элементы которого являются квантованными оценками модифицированных символов модуляции;quantize vector estimates of the modified
преобразуют вектор u, умножая слева на матрицу Т transform the vector u by multiplying on the left by the matrix T
формируя таким образом вектор r, элементы которого являются действительными оценками символов модуляции, соответствующих N передаваемым информационным сигналам;thus forming a vector r , the elements of which are real estimates of the modulation symbols corresponding to N transmitted information signals;
используя вектор r, формируют вектор оценок символов модуляции, соответствующих N передаваемым информационным сигналам, по формулеusing the vector r , form the vector estimates of modulation symbols corresponding to N transmitted information signals according to the formula
где r1, r2 - N-мерные векторы, составленные из первой и второй половины элементов вектора r соответственно, - мнимая единица, и,where
используя вектор принимают решение о передаваемом информационном сообщении.using vector decide on the transmitted information message.
Реализация способа-прототипа представлена в статье [6] на примере системы связи MIMO, структурная схема которой выполнена на фиг.1.The implementation of the prototype method is presented in article [6] on the example of a MIMO communication system, the structural diagram of which is made in figure 1.
Система связи (MIMO) в соответствии с фиг.1 содержит устройство 1 передачи многокомпонентного сигнала (передатчик) и устройство 2 приема многокомпонентного сигнала (приемник). При этом устройство 1 передачи многокомпонентного сигнала содержит блок 3 кодирования, блок 4 демультиплексирования, N блоков 5-1 - 5-N модуляции, N каналов 6-1 - 6-N передачи многокомпонентного сигнала и соответственно N передающих антенн 7-1 - 7-N. Устройство 2 приема многокомпонентного сигнала содержит М антенн 8-1 - 8-М для приема многокомпонентного сигнала, соответственно М каналов 9-1 - 9-М приема, блок оценки канала, блок 11 демодуляции и блок 12 принятия решения.The communication system (MIMO) in accordance with figure 1 contains a
Прототипом для заявляемого устройства является устройство приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи (MIMO), структурная схема которого выполнена на фиг.2, на нем реализуют способ-прототип.The prototype for the claimed device is a device for receiving a multi-component signal in a radio communication system (MIMO), the structural diagram of which is made in figure 2, it implements the prototype method.
Устройство-прототип (фиг.2) содержит М антенн 8 - 1-8-М для приема многокомпонентного сигнала, соответственно, М каналов 9-1-9-М приема, блок 10 оценки канала, блок 11 демодуляции и блок 12 принятия решения, при этом выходы М антенн 8-1 - 8-М для приема многокомпонентного сигнала соединены соответственно с входами М каналов 9-1 - 9-М приема, выходы которых соединены через шину данных с входом блока 10 оценки канала и первым входом блока 11 демодуляции, вход блока оценки канала и первый вход блока демодуляции являются сигнальными входами, второй и третий входы блока демодуляции соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 10 оценки канала, формирующего на первом выходе оценки комплексных коэффициентов передачи сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн, а на втором выходе - оценки значений дисперсии шума каналов приема, выход 11 блока демодуляции соединен со входом блока 12 принятия решения, выход которого является выходом устройства, блок 11 демодуляции содержит узел 13 формирования вектора принимаемого сигнала, узел 14 преобразования канальной матрицы, узел 15 оценки модифицированных символов модуляции, узел 16 квантования, узел 17 оценки символов модуляции и узел 18 оценки двоичных символов, при этом вход узла 13 формирования вектора принимаемого сигнала является первым входом блока 11 демодуляции, первый и второй входы узла 14 преобразования канальной матрицы являются соответственно вторым и третьим входами блока 11 демодуляции, выход узла 13 формирования вектора принимаемого сигнала соединен с первым входом узла 15 оценки модифицированных символов модуляции, второй вход которого соединен с первым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, выход узла 15 оценки модифицированных символов модуляции соединен с первым входом узла 16 квантования, второй вход которого объединен с первым входом узла 17 оценки символов модуляции и соединен со вторым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, второй вход узла 17 оценки символов модуляции соединен с выходом узла 16 квантования, выход узла 17 оценки символов модуляции соединен с входом узла 18 оценки двоичных символов, выход которого является выходом блока 11 демодуляции.The prototype device (figure 2) contains M antennas 8 - 1-8-M for receiving a multi-component signal, respectively, M channels 9-1-9-M reception, block 10 channel estimation, block 11 demodulation and block 12 decision, the outputs of the M antennas 8-1 to 8-M for receiving a multi-component signal are connected respectively to the inputs of the M channels 9-1 to 9-M of the reception, the outputs of which are connected via a data bus to the input of the channel estimator 10 and the first input of the demodulation unit 11, the input of the channel estimation block and the first input of the demodulation block are signal inputs, the second and third inputs the demodulation unit are connected respectively to the first and second outputs of the channel estimator 10, which forms at the first output an estimate of the complex transmission coefficients of the signal during propagation from each of the transmitting antennas to each of the receiving antennas, and at the second output, estimates of the noise variance of the receive channels, output 11 the demodulation unit is connected to the input of the decision block 12, the output of which is the output of the device, the demodulation block 11 contains a node 13 for generating a vector of the received signal, a node for converting the channel m tritsy, node 15 for evaluating modified modulation symbols, node 16 for quantization, node 17 for estimating modulation symbols and node 18 for evaluating binary symbols, while the input of node 13 for generating a vector of the received signal is the first input of block 11 of the demodulation, the first and second inputs of node 14 for transforming the channel matrix are respectively the second and third inputs of the demodulation unit 11, the output of the received signal vector forming unit 13 is connected to the first input of the modified modulation symbol evaluation unit 15, the second input of which is is dined with the first output of the channel matrix transform node 14, the output of the modified modulation symbol estimation node 15 is connected to the first input of the quantization node 16, the second input of which is combined with the first input of the modulation symbol estimation node 17 and connected to the second output of the channel matrix transform node 14, the second input the modulation symbol estimator 17 is connected to the output of the quantization node 16, the output of the modulation symbol estimator 17 is connected to the input of the binary symbol estimator 18, the output of which is the output of the demodulation block 11.
Осуществляют способ-прототип на устройстве (фиг.2) следующим образом.Carry out the prototype method on the device (figure 2) as follows.
В устройстве приема многокомпонентного сигнала принимают входной сигнал посредством М антенн 8-1 - 8-М, выход каждой из которых соединен с входом соответствующего канала 9-1 - 9-М приема.In the device for receiving a multi-component signal, an input signal is received via M antennas 8-1 to 8-M, the output of each of which is connected to the input of the corresponding reception channel 9-1 to 9-M.
В каждом из М каналов 9-1 - 9-М приема выполняют функции обработки сигнала на радиочастоте, синхронизации, а также перенос в область видеочастоты и преобразование в цифровую форму.In each of the M channels 9-1 - 9-M receive perform the functions of signal processing at the radio frequency, synchronization, as well as transfer to the region of the video frequency and conversion to digital form.
На выходе каждого из М каналов 9-1 - 9-М приема формируется принимаемый сигнал, как комплексное число, модуль которого отражает амплитуду, а аргумент - фазу данного сигнала.At the output of each of the M channels 9-1 - 9-M reception, a received signal is formed as a complex number, the module of which reflects the amplitude, and the argument reflects the phase of this signal.
В процессе дальнейшей обработки сигнала совокупность принимаемых сигналов М каналов 9-1 - 9-М приема рассматривается, как М-мерный комплексный вектор принимаемого сигнала x=[x1,…xN]T.In the process of further signal processing, the set of received signals of the M channels 9-1 - 9-M reception is considered as an M-dimensional complex vector of the received signal x = [x 1 , ... x N ] T.
Сформированный таким образом вектор х принимаемого сигнала поступает (по шине) на сигнальные входы - первый вход блока 11 демодуляции и вход блока 10 оценки канала.The vector x of the received signal generated in this way is fed (via the bus) to the signal inputs — the first input of the
В блоке 10 оценки канала выполняют оценку канальной матрицы Н и оценку дисперсии шума каналов приема σ2. На первом выходе блок 10 оценки канала формирует оценки комплексных коэффициентов передачи сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн, а на втором выходе - оценки значений дисперсии шума каналов приема.In
Выходные сигналы с первого и второго выходов блока 10 оценки канала поступают соответственно на второй и третий входы блока 11 демодуляции.The output signals from the first and second outputs of the
С первого входа блока 11 демодуляции сигнал поступает на входы узла 13 формирования вектора принимаемого сигнала. Со второго входа блока демодуляции сигнал поступает на первый вход узла 14 преобразования канальной матрицы. С третьего входа блока 11 демодуляции сигнал поступает на второй вход узла 14 преобразования канальной матрицы.From the first input of the
В узле 13 формирования вектора принимаемого сигнала М-мерный вектор x преобразуется к 2М-мерному действительному вектору в соответствии с формулой (8).In the node 13 of the formation of the vector of the received signal, the M-dimensional vector x is converted to a 2M-dimensional real vector in accordance with formula (8).
В узле 14 преобразования канальной матрицы комплексно-значную канальную матрицу Н преобразуют к реально-значной матрице Н r по формулеIn the node 14 of the channel matrix transformation, the complex-valued channel matrix H is converted to a real-valued matrix H r according to the formula
где ReH и ImH - матрицы, соответственно, действительных и мнимых частей элементов матрицы Н, матрицу Н r расширяют, дополняя снизу матрицей σI,where Re H and Im H are the matrices, respectively, of the real and imaginary parts of the elements of the matrix H , the matrix H r is expanded, supplementing from below with the matrix σ I ,
где σ2 - дисперсия помехи каждого из М каналов приема, I - единичная диагональная матрица размерности 2N×2N, формируя таким образом канальную матрицу .where σ 2 is the interference variance of each of the M reception channels, I is the unit diagonal matrix of dimension 2N × 2N, thus forming a channel matrix .
По матрице формируют матрицу Т редукции базиса решетки. При этом используют, например, известный алгоритм Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) (см. [6] и А.К. Lenstra, H.W. Lenstra, and L. Lovasz, "Factoring polynomials with rational coefficients," Mathematische Annalen, vol.261, pp.515-534, 1982 [12]). С использованием матриц и Т формируют модифицированную канальную матрицу .By matrix form the matrix T of the reduction of the basis of the lattice. They use, for example, the well-known Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) algorithm (see [6] and A.K. Lenstra, HW Lenstra, and L. Lovasz, "Factoring polynomials with rational coefficients," Mathematische Annalen, vol. 261, pp. 515-534, 1982 [12]). Using matrices and T form a modified channel matrix .
В узле 15 оценки модифицированных символов модуляции, на первый вход которого с выхода узла 13 формирования вектора принимаемого сигнала поступает вектор принимаемого сигнала, а на второй его вход с первого выхода узла 14 преобразования канальной 5 матрицы поступает модифицированная канальная матрица G, формируют вектор оценок модифицированных символов модуляции. При этом используют, например, формулу (12).In the
Сформированный вектор оценок модифицированных символов модуляции с выхода узла 15 оценки модифицированных символов модуляции поступает на первый вход узла 16 квантования, в котором выполняют квантование вектора оценок модифицированных символов модуляции. При этом по матрице Т редукции базиса решетки и символам выбранного вида модуляции определяют модифицированные символы модуляции. Для каждого элемента вектора определяют квантованное значение как модифицированный символ модуляции, обеспечивающий наименьшую ошибку квантования, и формируют, таким образом, вектор u, элементами которого являются квантованные оценки модифицированных символов модуляции. Ошибку квантования определяют, например, как абсолютную величину разности между квантованным и не квантованным значением оценки.Formed Vector estimates of the modified modulation symbols from the output of the
Сформированный вектор u с выхода узла 16 квантования поступает на второй вход узла 17 оценки символов модуляции, в котором формируют вектор оценок символов модуляции, для чего вектор u преобразуют в вектор r действительных оценок модифицированных символов модуляции по формуле r=Tu. А затем, используя вектор r, формируют вектор оценок символов модуляции, соответствующих N передаваемым информационным сигналам, по формуле где r1, r2 - N-мерные векторы, составленные из первой и второй половины элементов вектора r соответственно, - мнимая единица.The generated vector u from the output of the quantization node 16 is fed to the second input of the modulation symbol estimation node 17, in which the vector estimates of modulation symbols, for which the vector u is converted into the vector r of real estimates of the modified modulation symbols by the formula r = Tu . And then, using the vector r , form a vector estimates of modulation symbols corresponding to N transmitted information signals according to the formula where
Вектор оценок символов модуляции с выхода узла 17 оценки символов модуляции поступает на вход узла 18 оценки двоичных символов. В узле 18 оценки двоичных символов формируется последовательность двоичных символов, соответствующих вектору . Полученная последовательность двоичных символов поступает на выход 11 блока демодуляции, а с выхода блока 11 демодуляции на вход блока 12 принятия решения. В блоке 12 принимают решение, например, путем декодирования последовательности двоичных символов. Выходной сигнал с блока 12 принятия решения поступает на выход устройства.Vector modulation symbol estimates from the output of the modulation symbol estimation node 17 is input to the binary
Описанный способ-прототип и устройство для его осуществления используют линейный метод детектирования сигнала в совокупности с редукцией базиса решетки канальной матрицы. Методика редукции базиса решетки позволяет снизить обусловленность канальной матрицы и, вследствие этого, получить улучшение характеристик помехоустойчивости относительно исходного субоптимального линейного метода. Однако данное улучшение наблюдается в диапазоне относительно высоких значений отношения сигнал-шум (ОСШ). Вместе с тем, способ-прототип и устройство для его осуществления все-таки существенно уступают по помехоустойчивости методу максимального правдоподобия, а в области низких значений ОСШ они проигрывает также и исходному линейному методу.The described prototype method and device for its implementation use the linear method of signal detection in conjunction with the reduction of the lattice basis of the channel matrix. The technique of reducing the lattice basis allows one to reduce the conditionality of the channel matrix and, as a result, to obtain improved noise immunity characteristics relative to the initial suboptimal linear method. However, this improvement is observed in the range of relatively high signal to noise ratio (SNR). At the same time, the prototype method and the device for its implementation are still significantly inferior in noise immunity to the maximum likelihood method, and in the region of low SNR values they also lose to the original linear method.
Данный факт объясняется тем, что важной операцией данного подхода является квантование, цель которого отфильтровать шум оценки перед выполнением преобразования, обратного редукции базиса решетки. Однако квантование, являясь нелинейной операцией, эффективно лишь тогда, когда шумовые отклонения невелики. В области же высокого относительного уровня шума квантование приводит к ошибкам детектирования и характеристики приема ухудшаются.This fact is explained by the fact that an important operation of this approach is quantization, the purpose of which is to filter the estimation noise before performing the transformation, the inverse reduction of the lattice basis. However, quantization, being a nonlinear operation, is effective only when the noise deviations are small. In the region of high relative noise level, quantization leads to detection errors and reception characteristics deteriorate.
Другим существенным недостатком способа-прототипа и устройства для его осуществления является низкая эффективность при использовании мягкого декодирования. Мягкое декодирование предполагает получение информации, как о значениях двоичных символов информационного сообщения, так и о надежности оценки данных значений. Квантование приводит к формированию жестких - квантованных оценок, из которых достаточно трудно извлечь информацию о надежности оценки. Вследствие этого при мягком декодировании проигрыш способа- и устройства-прототипа относительно оптимального метода увеличивается.Another significant disadvantage of the prototype method and device for its implementation is low efficiency when using soft decoding. Soft decoding involves obtaining information about both the binary symbol values of the information message and the reliability of the evaluation of these values. Quantization leads to the formation of hard - quantized estimates, from which it is difficult to extract information about the reliability of the estimate. As a result, with soft decoding, the loss of the method and prototype device relative to the optimal method increases.
Задача изобретения - повышение помехоустойчивости приема многокомпонентного сигнала, как в системе радиосвязи без кодирования, так и в системе радиосвязи с кодированием при мягком и жестком декодировании.The objective of the invention is to increase the noise immunity of receiving a multicomponent signal, both in a radio communication system without coding, and in a radio communication system with coding for soft and hard decoding.
Задача решается заявляемыми способом приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема (варианты) и устройством для его осуществления (варианты), алгоритм которых разработан с приемлемой для практики сложностью реализации и высокой помехоустойчивостью приема, как в системах связи без кодирования, так и в системах связи с кодированием при мягком и жестком декодировании.The problem is solved by the claimed method of receiving a multicomponent signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels (options) and a device for its implementation (options), the algorithm of which is developed with practical implementation complexity and high noise immunity of reception, as in communication systems without coding , and in communication systems with coding for soft and hard decoding.
Задача решается разработкой заявляемого способа приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема по первому варианту реализации, в которомThe problem is solved by the development of the proposed method for receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels according to the first embodiment, in which
каждая из М компонент многокомпонентного сигнала, принимаемая по соответствующему ей каналу приема, представляет собой аддитивную смесь N информационных сигналов, каждый из которых передан по соответствующему ему каналу передачи, и помехи,each of the M components of the multicomponent signal received on the corresponding receive channel is an additive mixture of N information signals, each of which is transmitted on the corresponding transmission channel, and interference,
при этом каждый из N информационных сигналов соответствует L двоичным символам переданного информационного сообщения, принимает одно из m=2L значений, соответствующих m символам выбранного вида модуляции, и входит в каждую из М компонент многокомпонентного сигнала с весовым коэффициентом, отражающим коэффициент передачи пространственного канала, образованного каналом передачи этого информационного сигнала и каналом приема данной компоненты многокомпонентного сигнала, причем считают, что коэффициенты передачи пространственных каналов и значения дисперсии помех М каналов приема известны или предварительно оценены, заключающийся в том, чтоwherein each of the N information signals corresponds to L binary symbols of the transmitted information message, takes one of m = 2 L values corresponding to m symbols of the selected type of modulation, and is included in each of the M components of a multicomponent signal with a weight coefficient reflecting the transmission coefficient of the spatial channel, formed by the transmission channel of this information signal and the reception channel of this component of a multicomponent signal, and it is believed that the transmission coefficients of the spatial channel in and the dispersion values of the interference M of the reception channels are known or pre-estimated, namely, that
формируют вектор принимаемого многокомпонентного сигнала;form a vector a received multicomponent signal;
формируют канальную матрицу используя коэффициенты передачи пространственных каналов, таким образом, что между вектором принимаемого многокомпонентного сигнала и канальной матрицей выполняется соотношениеform a channel matrix using the transmission coefficients of the spatial channels, so that between the vector the received multicomponent signal and the channel matrix, the relation
где - вектор символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам,Where is a vector of modulation symbols corresponding to N information signals,
- вектор помех М каналов приема; - interference vector M receiving channels;
преобразуют канальную матрицу в матрицу G, характеризующуюся заведомо низким числом обусловленности, для чегоtransform the channel matrix into the matrix G , characterized by a knowingly low condition number, for which
путем редукции базиса решетки матрицы формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, и формируют модифицированную канальную матрицу G, как произведение by reducing the matrix lattice basis form an integer matrix T with a determinant equal to ± 1, and form a modified channel matrix G , as the product
определяют вектор z модифицированных символов модуляции как и оценивают его, используя канальную матрицу G и вектор принимаемого сигнала, формируя таким образом вектор оценок модифицированных символов модуляции,define the vector z of modified modulation symbols as and evaluate it using the channel matrix G and the vector received signal, thus forming a vector estimates of modified modulation symbols,
используя вектор оценок модифицированных символов модуляции и матрицу Т, формируют К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, где К≤mN,using vector estimates of the modified modulation symbols and the matrix T , form K candidate vectors, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signals, where K≤m N ,
для чегоfor what
выполняют квантование вектора оценок модифицированных символов модуляции, определяя для каждого элемента этого вектора квантованные значения, как модифицированные символы модуляции, формируя из этих квантованных значений векторы u, каждый из которых представляет собой совокупность квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и определяют К векторов u с наименьшими значениями погрешности квантования,quantize the vector estimates of modified modulation symbols, defining quantized values for each element of this vector as modified modulation symbols, forming vectors u from these quantized values, each of which is a set of quantized estimates of modified modulation symbols, and determine K vectors u with the smallest quantization error values,
каждый из К векторов u умножают слева на матрицу Т, формируя вектор r each of the K vectors u is multiplied on the left by the matrix T , forming the vector r
r=Tu, r = Tu
элементы полученных векторов r, которые не принадлежат множеству всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции, заменяют наиболее близким по величине значением из данного множества,the elements of the obtained vectors r that do not belong to the set of all possible values of the quadrature components of the symbols of the selected type of modulation are replaced by the closest value from the given set,
формируя, таким образом, К действительных кандидатских векторов r;thus forming K real candidate vectors r ;
каждый из сформированных К действительных кандидатских векторов преобразуют в кандидатский вектор по формулеeach of the generated K valid candidate vectors is converted into a candidate vector according to the formula
v=r1+j·r2, v =
где r1, r2 - N-мерные векторы, составленные из первой и второй половины элементов кандидатского вектора r соответственно, - мнимая единица.where
используя К сформированных кандидатских векторов, оценивают последовательность двоичных символов, и по результатам оценки принимают решение о переданном информационном сообщении.using K formed candidate vectors, the sequence of binary symbols is evaluated, and the decision on the transmitted information message is made based on the results of the evaluation.
Задача также решается заявляемым способом приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема по второму варианту реализации, в которомThe problem is also solved by the claimed method of receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels according to the second embodiment, in which
каждая из М компонент многокомпонентного сигнала, принимаемая по соответствующему ей каналу приема, представляет собой аддитивную смесь N информационных сигналов, каждый из которых передан по соответствующему ему каналу передачи, и помехи,each of the M components of the multicomponent signal received on the corresponding receive channel is an additive mixture of N information signals, each of which is transmitted on the corresponding transmission channel, and interference,
при этом каждый из N информационных сигналов соответствует L двоичным символам переданного информационного сообщения, принимает одно из m=2L значений, соответствующих m символам выбранного вида модуляции, и входит в каждую из М компонент многокомпонентного сигнала с весовым коэффициентом, отражающим коэффициент передачи пространственного канала, образованного каналом передачи этого информационного сигнала и каналом приема данной компоненты многокомпонентного сигнала, причем считают, что коэффициенты передачи пространственных каналов и значения дисперсии помех М каналов приема известны или предварительно оценены, заключающийся в том, чтоwherein each of the N information signals corresponds to L binary symbols of the transmitted information message, takes one of m = 2 L values corresponding to m symbols of the selected type of modulation, and is included in each of the M components of a multicomponent signal with a weight coefficient reflecting the transmission coefficient of the spatial channel, formed by the transmission channel of this information signal and the reception channel of this component of a multicomponent signal, and it is believed that the transmission coefficients of the spatial channel in and the dispersion values of the interference M of the reception channels are known or pre-estimated, namely, that
формируют вектор принимаемого многокомпонентного сигнала;form a vector a received multicomponent signal;
формируют канальную матрицу используя коэффициенты передачи пространственных каналов, таким образом, что между вектором принимаемого многокомпонентного сигнала и канальной матрицей выполняется соотношениеform a channel matrix using the transmission coefficients of the spatial channels, so that between the vector the received multicomponent signal and the channel matrix, the relation
где - вектор символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, - вектор помех М каналов приема;Where is a vector of modulation symbols corresponding to N information signals, - interference vector M receiving channels;
преобразуют канальную матрицу , в матрицу G, характеризующуюся заведомо низким числом обусловленности, для чегоtransform the channel matrix into the matrix G , characterized by a knowingly low condition number, for which
путем редукции базиса решетки матрицы формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, и формируют модифицированную канальную матрицу G, как произведение by reducing the matrix lattice basis form an integer matrix T with a determinant equal to ± 1, and form a modified channel matrix G , as the product
определяют вектор z модифицированных символов модуляции как , и оценивают его, используя канальную матрицу G и вектор принимаемого сигнала, формируя, таким образом, вектор оценок модифицированных символов модуляции;define the vector z of modified modulation symbols as , and evaluate it using the channel matrix G and the vector received signal, thus forming a vector estimates of modified modulation symbols;
используя вектор оценок модифицированных символов модуляции и матрицу Т, формируют К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, где K≤mN, для чегоusing vector estimates of the modified modulation symbols and the matrix T , form K candidate vectors, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signals, where K≤m N , for which
определяют множество всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции и для этого множества определяют коэффициент масштабирования α и величину сдвига β таким образом, чтобы в результате линейного преобразования a'=αa+β каждого элемента а этого множества множество преобразованных значений a' представляло последовательность целых чисел, в которой каждое последующее целое число на единицу больше, чем предыдущее;determine the set of all possible values of the quadrature components of the symbols of the selected type of modulation and for this set determine the scaling coefficient α and the shift value β so that as a result of the linear transformation a '= αa + β of each element a of this set, the set of converted values a' represents a sequence of integers , in which each subsequent integer is one more than the previous one;
вычисляют вектор сдвига для вектора оценок модифицированных символов модуляции по формулеcalculate the shift vector for the vector estimates of modified modulation symbols according to the formula
b=T -1βl b = T -1 β l
где l - 2N-мерный вектор единиц;where l is a 2N-dimensional unit vector;
используя коэффициент масштабирования α и вектор сдвига b, выполняют линейное преобразование вектора оценок модифицированных символов модуляции по формулеusing the scaling factor α and the shift vector b , linear transformation of the vector is performed estimates of modified modulation symbols according to the formula
получая вектор у;getting the vector y ;
выполняют округление каждого из элементов полученного вектора у до ближайшего целого числа, определяя, таким образом, вектор первых квантованных значенийrounding off each of the elements of the obtained vector y to the nearest integer, thus determining the vector of the first quantized values
у Q1=round(y), y Q1 = round (y),
и определяют вектор соответствующих значений ошибки квантованияand determining a vector of corresponding quantization error values
d 1=y Q1-y; d 1 = y Q1 - y ;
определяют второй вектор квантованных значений,determine the second vector of quantized values,
y Q2=y Q1-sign(d 1), y Q2 = y Q1 -sign ( d 1 ),
а также второй вектор соответствующих значений ошибки квантования, по формулеand also the second vector of the corresponding quantization error values, according to the formula
d 2=y Q2-y d 2 = y Q2 - y
где ;Where ;
используя векторы квантованных значений у Q1, у Q2 и векторы d 1, d 2 соответствующих ошибок квантования, формируют различные векторы u, каждый из которых представляет собой совокупность квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и определяют К векторов u, имеющих наименьшие значения суммарной погрешности квантования;Using the vectors of quantized values from Q1, in Q2 and vectors d 1, d 2 corresponding to the quantization errors, form different vectors u, each of which represents a set of quantized estimates modified modulation symbols, and determine the K vectors u, having the smallest value of the total quantization errors;
каждый из К векторов u преобразуют по формулеeach of the K vectors u is transformed by the formula
элементы полученных векторов r, которые не принадлежат множеству всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции, заменяют наиболее близким по величине значением из данного множества,the elements of the obtained vectors r that do not belong to the set of all possible values of the quadrature components of the symbols of the selected type of modulation are replaced by the closest value from the given set
формируя, таким образом, К действительных кандидатских векторов r;thus forming K real candidate vectors r ;
каждый из сформированных К действительных кандидатских векторов r преобразуют в кандидатский вектор по формулеeach of the generated K valid candidate vectors r is converted into a candidate vector by the formula
v=r1+j·r2, v =
где r1, r2 - N-мерные векторы, составленные из первой и второй половины элементов вектора r, - мнимая единица,where
используя K сформированных кандидатских векторов, оценивают последовательность двоичных символов, и по результатам оценки принимают решение о переданном информационном сообщении.using K formed candidate vectors, the sequence of binary symbols is evaluated, and the decision on the transmitted information message is made based on the results of the evaluation.
Далее приведены примеры выполнения последовательности действий заявляемого способа по первому и/или второму вариантам реализации, т.е. те примеры выполнения, которые являются общими для обоих вариантов способа.The following are examples of the sequence of actions of the proposed method according to the first and / or second implementation options, i.e. those examples of execution that are common to both variants of the method.
Например, для способа по первому и второму вариантам реализации вектор принимаемого сигнала формируют, принимая каждую из М компонент многокомпонентного сигнала, определяя для каждой из них комплексное число, модуль которого отражает амплитуду, а аргумент - фазу данной компоненты, формируя из данных комплексных чисел М-мерный комплексный вектор х принимаемого сигнала и преобразуя данный вектор к 2М-мерному вектору принимаемого сигнала по формулеFor example, for the method according to the first and second embodiments, the vector the received signal is formed by taking each of the M components of the multicomponent signal, determining for each of them a complex number whose module reflects the amplitude, and the argument is the phase of this component, forming the M-dimensional complex vector x of the received signal from these complex numbers and transforming this vector to 2M-dimensional vector of the received signal according to the formula
где Rex, Imx - векторы, образованные из действительных и мнимых частей элементов вектора х соответственно.where Re x , Im x are vectors formed from the real and imaginary parts of the elements of the vector x, respectively.
Канальную матрицу формируют таким образом, что из коэффициентов hi,j передачи пространственных каналов, каждый из которых представляет собой комплексное число, с модулем и аргументом, отражающими изменение, соответственно, амплитуды и фазы j-го информационного сигнала, принимаемого в i-м канале приема, при его распространении по соответствующему пространственному каналу, формируют комплексную канальную матрицу Н, которую преобразуют в канальную матрицу по формулеChannel matrix form in such a way that from the coefficients h i, j the transmission of spatial channels, each of which is a complex number, with a module and an argument reflecting the change, respectively, in the amplitude and phase of the j-th information signal received in the i-th reception channel, when it propagates through the corresponding spatial channel, a complex channel matrix H is formed , which is converted into a channel matrix according to the formula
где ReH и ImH - матрицы, образованные соответственно из действительных и мнимых частей элементов матрицы Н.where Re H and Im H are matrices formed respectively from the real and imaginary parts of the elements of the matrix H.
При преобразовании канальной матрицы в матрицу G перед редукцией базиса решетки матрицу расширяют, дополняя снизу матрицей σI, где σ2 - дисперсия помехи каждого из М каналов приема, I - единичная диагональная матрица размерности 2N×2N.When transforming the channel matrix to the matrix G before the reduction of the basis of the lattice matrix expand, supplementing the bottom with the matrix σ I , where σ 2 is the variance of the interference of each of the M reception channels, I is the unit diagonal matrix of dimension 2N × 2N.
Вектор оценок модифицированных символов модуляции формируют по формулеVector estimates of the modified modulation symbols are formed by the formula
где (.)-1 - символ инверсии матрицы, (.)' - символ транспонирования.where (.) -1 is the matrix inversion symbol, (.) 'is the transpose symbol.
Вектор оценок модифицированных символов модуляции формируют по формулеVector estimates of the modified modulation symbols are formed by the formula
где (.)-1 - символ инверсии матрицы, (.)' - символ транспонирования,where (.) -1 is the matrix inversion symbol, (.) 'is the transpose symbol,
- вектор принимаемого сигнала, расширенный снизу 2М-мерным вектором нулей 0. is the vector of the received signal, extended from below by a 2M-dimensional vector of
При формировании K кандидатских векторов погрешность квантования вектора оценок модифицированных символов модуляции определяют как эвклидово расстояние между векторами квантованных и неквантованных оценок.During the formation of K candidate vectors, the quantization error of the vector estimates of modified modulation symbols are defined as the Euclidean distance between the vectors of quantized and non-quantized estimates.
Последовательность двоичных символов информационного сообщения оценивают таким образом, что формируют вектор оценок N символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, как вектор v из К кандидатских векторов, для которого решающая функция минимальна, то естьThe sequence of binary symbols of the information message is evaluated in such a way that a vector is formed estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals, as a vector v from K candidate vectors, for which the decisive function minimal, i.e.
где - норма вектора,Where is the norm of the vector,
выполняют демодуляцию вектора оценок N символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, в соответствии с заданным видом модуляции, формируя таким образом оценки двоичных символов передаваемого информационного сообщения.perform vector demodulation estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals in accordance with a predetermined type of modulation, thereby forming binary symbol estimates of the transmitted information message.
Последовательность двоичных символов передаваемого информационного сообщения оценивают таким образом, чтоThe binary symbol sequence of the transmitted informational message is evaluated in such a way that
формируют мягкие оценки двоичных символов информационного сообщения, причем мягкую оценку Bn,i i-го двоичного символа, передаваемого с помощью n-го информационного сигнала, формируют, как:form soft estimates of the binary symbols of the information message, moreover, a soft estimate of B n, i of the i-th binary symbol transmitted using the nth information signal is formed as:
где х - комплексный вектор принимаемого сигнала, s - символ модуляции, νk,j - j-й элемент k-го кандидатского вектора v k, , - взаимоисключающие подмножества множества символов модуляции, которым соответствует i-й двоичный символ, равный +1 и -1 соответственно, σ2 - дисперсия помехи каждой из М компонент многокомпонентного сигнала, h n - n-й столбец комплексной канальной матрицы Н;where x is the complex vector of the received signal, s is the modulation symbol, ν k, j is the jth element of the kth candidate vector v k , , - mutually exclusive subsets of the set of modulation symbols that correspond to the i-th binary symbol equal to +1 and -1, respectively, σ 2 is the interference variance of each of the M components of the multicomponent signal, h n is the nth column of the complex channel matrix H ;
формируют жесткие оценки двоичных символов информационного сообщения, причем жесткую оценку b каждого двоичного символа формируют по мягкой оценке В данного символа по формулеform strict estimates of the binary symbols of the information message, moreover, a hard estimate b of each binary symbol is formed by a soft estimate of a given symbol in the formula
сформированные мягкие и жесткие оценки двоичных символов информационного сообщения используют как результат оценки.the generated soft and hard estimates of the binary symbols of the information message are used as the result of the evaluation.
Решение о переданном информационном сообщении принимают путем деперемежения и декодирования потока двоичных символов с использованием полученных жестких и мягких оценок двоичных символов, восстанавливая, таким образом, поток двоичных символов переданного сообщения.The decision about the transmitted information message is made by deinterleaving and decoding the binary symbol stream using the obtained hard and soft binary symbol estimates, thus restoring the binary symbol stream of the transmitted message.
Техническая задача решается также заявляемым устройством приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема по первому варианту, содержащим М антенн и, соответственно, М каналов приема для приема многокомпонентного сигнала, блок оценки канала, блок демодуляции и блок принятия решения, при этом входы М антенн являются сигнальными входами устройства, а выходы соединены соответственно с входами М каналов приема, выходы которых соединены через шину данных с входом блока оценки канала и первым входом блока демодуляции, входы которых являются сигнальными входами, второй и третий входы блока демодуляции соединены соответственно с первым и вторым выходами блока оценки канала, формирующего на первом выходе сигнал оценки комплексных коэффициентов передачи многокомпонентного сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн, а на втором выходе - сигнал оценки значений дисперсии шума каналов приема, первый выход блока демодуляции, формирующего на первом выходе жесткую оценку двоичных символов информационного сообщения, соединен с первым входом блока принятия решения, выход которого является выходом устройства,The technical problem is also solved by the claimed device for receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M receiving channels according to the first embodiment, containing M antennas and, accordingly, M receiving channels for receiving a multi-component signal, a channel estimator, a demodulation unit and a decision block, the inputs of the M antennas are the signal inputs of the device, and the outputs are connected respectively to the inputs of the M receiving channels, the outputs of which are connected via a data bus to the input of the channel estimator and the first input the demodulation unit, the inputs of which are signal inputs, the second and third inputs of the demodulation unit are connected respectively to the first and second outputs of the channel estimator, which generates at the first output an estimate signal of the complex transmission coefficients of the multicomponent signal during propagation from each of the transmitting antennas to each of the receiving antennas, and at the second output, a signal for estimating the noise variance of the reception channels, the first output of the demodulation unit, which forms a hard estimate of the binary symbols of information onnogo messages, connected to the first input of the decision, the output of which is an output device,
блок демодуляции содержит узел формирования вектора принимаемого сигнала, узел преобразования канальной матрицы, узел оценки модифицированных символов модуляции, узел квантования, осуществляющий квантование элементов вектора оценок модифицированных символов модуляции и формирующий на первом выходе первый вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и узел оценки двоичных символов, при этом вход узла формирования вектора принимаемого сигнала является первым входом блока демодуляции, первый и второй входы узла преобразования канальной матрицы являются соответственно вторым и третьим входами блока демодуляции, выход узла формирования вектора принимаемого сигнала соединен с первым входом узла оценки модифицированных символов модуляции, второй вход которого соединен с первым выходом узла преобразования канальной матрицы, выход узла оценки модифицированных символов модуляции соединен с первым входом узла квантования, второй вход которого соединен со вторым выходом узла преобразования канальной матрицы, первый выход узла оценки двоичных символов является первым выходом блока демодуляции,the demodulation block contains a node for generating a vector of the received signal, a node for converting the channel matrix, a node for evaluating the modified modulation symbols, a quantization node quantizing the elements of the vector estimates of the modified modulation symbols and generating at the first output a first vector of quantized estimates of the modified modulation symbols and a binary symbol estimation node, wherein the input of the received signal vector generation section is the first input of the demodulation block, the first and second inputs of the channel matrix transform node are second and third, respectively the inputs of the demodulation unit, the output of the received signal vector forming unit is connected to the first input of the modified modulation symbol evaluation unit the second input of which is connected to the first output of the channel matrix transform node, the output of the modified modulation symbol estimation node is connected to the first input of the quantization node, the second input of which is connected to the second output of the channel matrix transform node, the first output of the binary symbol estimation node is the first output of the demodulation block,
согласно изобретениюaccording to the invention
узел квантования содержит элемент инверсии матрицы, элемент памяти, умножитель, формирователь допустимых квантованных значений и элемент квантования, при этом первый вход элемента квантования является первым входом узла квантования, вход элемента инверсии матрицы является вторым входом узла квантования, выход элемента инверсии матрицы соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом элемента памяти, выход умножителя соединен с входом формирователя допустимых квантованных значений, выходы которого соединены со вторыми входами элемента квантования, первый, второй, третий и четвертый выходы которого образуют соответственно первый, второй, третий и четвертый выходы узла квантования, формирующего на втором выходе второй вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, причем первый и второй векторы имеют наименьшие значения погрешности квантования, а на третьем и четвертом выходах формирующий соответственно, два вектора значений погрешностей квантования, второй, третий и четвертый выходы элемента квантования образуют соответственно второй, третий и четвертый выходы узла квантования,the quantization node contains a matrix inversion element, a memory element, a multiplier, a generator of valid quantized values and a quantization element, the first input of the quantization element being the first input of the quantization node, the input of the matrix inversion element is the second input of the quantization node, the output of the matrix inversion element is connected to the first input a multiplier, the second input of which is connected to the output of the memory element, the output of the multiplier is connected to the input of the generator of permissible quantized values, the outputs of which are connected with the second inputs of the quantization element, the first, second, third and fourth outputs of which form the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, respectively, which forms the second vector of quantized estimates of the modified modulation symbols at the second output, the first and second vectors having the smallest error values quantization, and at the third and fourth outputs, respectively, forming two vectors of values of quantization errors, the second, third and fourth outputs of the quantization element form respectively second, third and fourth quantizing unit outputs,
в блок демодуляции введен узел формирования кандидатских векторов, первый вход которого соединен со вторым выходом узла преобразования канальной матрицы, второй, третий, четвертый и пятый входы узла формирования кандидатских векторов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами узла квантования, выход узла формирования кандидатских векторов, формирующего на выходе К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, соединен с первым входом узла оценки двоичных символов, второй вход которого присоединен к первому входу блока демодуляции, третий и четвертый входы узла оценки двоичных символов присоединены соответственно ко второму и третьему входам блока демодуляции, второй выход узла оценки двоичных символов, формирующего на втором выходе мягкие оценки двоичных символов информационного сообщения, каждая из которых представляет меру достоверности оценки соответствующего двоичного символа, является вторым выходом блока демодуляции, который соединен со вторым входом блока принятия решения. Техническая задача решается также заявляемым устройством приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема по второму варианту, содержащим М антенн и соответственно М каналов приема для приема многокомпонентного сигнала, блок оценки канала, блок демодуляции и блок принятия решения, при этом входы М антенн являются сигнальными входами устройства, а выходы соединены соответственно со входами М каналов приема, выходы которых соединены через шину данных с входом блока оценки канала и первым входом блока демодуляции, входы которых являются сигнальными входами, второй и третий входы блока демодуляции соединены соответственно с первым и вторым выходами блока оценки канала, формирующего на первом выходе сигнал оценки комплексных коэффициентов передачи многокомпонентного сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн, а на втором выходе - сигнал оценки значений дисперсии шума каналов приема, первый выход блока демодуляции, формирующего на первом выходе жесткую оценку двоичных символов информационного сообщения, соединен с первым входом блока блок принятия решения, выход которого является выходом устройства,a candidate vector forming unit is introduced into the demodulation unit, the first input of which is connected to the second output of the channel matrix conversion unit, the second, third, fourth and fifth inputs of the candidate vector forming unit are connected to the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, the output of the forming unit candidate vectors, forming at the output of K candidate vectors, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signal, connected to the first input of the binary character evaluation unit, the second input of which is connected to the first input of the demodulation unit, the third and fourth inputs of the binary character evaluation unit are connected to the second and third inputs of the demodulation unit, the second output of the binary character evaluation unit, forming on the second the output is soft estimates of the binary symbols of the information message, each of which represents a measure of the reliability of the evaluation of the corresponding binary symbol, is the second output of the demodulation block, which is connected to the second input of the decision block. The technical problem is also solved by the inventive device for receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels according to the second embodiment, containing M antennas and respectively M reception channels for receiving a multi-component signal, a channel estimation unit, a demodulation unit and a decision making unit, the inputs of the M antennas are the signal inputs of the device, and the outputs are connected respectively to the inputs of the M reception channels, the outputs of which are connected via the data bus to the input of the channel estimator and the first input the demodulation unit, the inputs of which are signal inputs, the second and third inputs of the demodulation unit are connected respectively to the first and second outputs of the channel estimator, which generates at the first output an estimate signal of the complex transmission coefficients of the multicomponent signal during propagation from each of the transmitting antennas to each of the receiving antennas, and at the second output, a signal for estimating the noise variance of the reception channels, the first output of the demodulation unit, which forms a hard estimate of the binary symbols of information at the first output onnogo messages, connected to the first input of the decision block, whose output is the output of the apparatus,
блок демодуляции содержит узел формирования вектора принимаемого сигнала, узел преобразования канальной матрицы, узел оценки модифицированных символов модуляции, узел квантования, осуществляющий квантование элементов вектора оценок модифицированных символов модуляции и формирующий на первом выходе первый вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и узел оценки двоичных символов, при этом вход узла формирования вектора принимаемого сигнала является первым входом блока демодуляции, первый и второй входы узла преобразования канальной матрицы являются соответственно вторым и третьим входами блока демодуляции, выход узла формирования вектора принимаемого сигнала соединен с первым входом узла оценки модифицированных символов модуляции, второй вход которого соединен с первым выходом узла преобразования канальной матрицы, выход узла оценки модифицированных символов модуляции соединен с первым входом узла квантования, второй вход которого соединен со вторым выходом узла преобразования канальной матрицы, первый выход узла оценки двоичных символов является первым выходом блока демодуляции,the demodulation block contains a node for generating a vector of the received signal, a node for converting the channel matrix, a node for evaluating the modified modulation symbols, a quantization node quantizing the elements of the vector estimates of the modified modulation symbols and generating at the first output a first vector of quantized estimates of the modified modulation symbols and a binary symbol estimation node, wherein the input of the received signal vector generation section is the first input of the demodulation block, the first and second inputs of the channel matrix transform node are second and third, respectively the inputs of the demodulation unit, the output of the received signal vector forming unit is connected to the first input of the modified modulation symbol evaluation unit the second input of which is connected to the first output of the channel matrix transform node, the output of the modified modulation symbol estimation node is connected to the first input of the quantization node, the second input of which is connected to the second output of the channel matrix transform node, the first output of the binary symbol estimation node is the first output of the demodulation block,
согласно изобретениюaccording to the invention
узел квантования содержит элемент памяти, формирователь вектора сдвига, элемент линейного преобразования и элемент округления, при этом первый вход формирователя вектора сдвига является вторым входом узла квантования, второй вход формирователя вектора сдвига соединен с первым выходом элемента памяти, второй выход которого соединен с первым входом элемента линейного преобразования, второй вход которого соединен с выходом формирователя вектора сдвига, третий вход элемента линейного преобразования является первым входом узла квантования, выход элемента линейного преобразования соединен с входом элемента округления, первый, второй, третий и четвертый выходы элемента округления образуют соответственно первый, второй, третий и четвертый выходы узла квантования, формирующего на втором выходе второй вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, причем первый и второй векторы имеют наименьшие значения погрешности квантования, а на третьем и четвертом выходах формирующий соответственно два вектора значений погрешностей квантования,the quantization unit contains a memory element, a shear vector generator, a linear transformation element and a rounding element, the first input of the shear vector generator is the second input of the quantization node, the second input of the shear vector generator is connected to the first output of the memory element, the second output of which is connected to the first input of the element linear transformation, the second input of which is connected to the output of the shear vector shaper, the third input of the linear transformation element is the first input of the quantum node the output of the linear transformation element is connected to the input of the rounding element, the first, second, third and fourth outputs of the rounding element respectively form the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, which forms the second vector of quantized estimates of the modified modulation symbols at the second output, the first and the second vectors have the smallest quantization error values, and at the third and fourth outputs, respectively forming two quantization error vector values,
в блок демодуляции введен узел формирования кандидатских векторов, первый вход которого соединен со вторым выходом узла преобразования канальной матрицы, второй, третий, четвертый и пятый входы узла формирования кандидатских векторов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами узла квантования, выход узла формирования кандидатских векторов, формирующего на выходе К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, соединен с первым входом узла оценки двоичных символов, второй вход которого присоединен к первому входу блока демодуляции, третий и четвертый входы узла оценки двоичных символов присоединены соответственно ко второму и третьему входам блока демодуляции, второй выход узла оценки двоичных символов, формирующего на втором выходе мягкую оценку двоичных символов информационного сообщения, каждая из которых представляет меру достоверности оценки соответствующего двоичного символа, является вторым выходом блока демодуляции, который соединен со вторым входом блока принятия решения.a candidate vector forming unit is introduced into the demodulation unit, the first input of which is connected to the second output of the channel matrix conversion unit, the second, third, fourth and fifth inputs of the candidate vector forming unit are connected to the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, the output of the forming unit candidate vectors, forming at the output of K candidate vectors, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signal, connected to the first input of the binary character evaluation unit, the second input of which is connected to the first input of the demodulation unit, the third and fourth inputs of the binary character evaluation unit are connected to the second and third inputs of the demodulation unit, the second output of the binary character evaluation unit, forming on the second the output is a soft estimate of the binary symbols of the information message, each of which represents a measure of the reliability of the evaluation of the corresponding binary symbol, is the second output of the demodulation block, which is connected to the second input of the decision block.
Таким образом, заявляемая группа изобретений - способ и устройство (варианты) отличается от описанного выше способа и устройства-прототипа и известного уровня техники тем, что вместо традиционного (известного) квантования и формирования оценок символов модуляции из полученных квантованных оценок выполняют многоальтернативное квантование и формирование множества кандидатских векторов. Кандидатский вектор представляет собой совокупность символов модуляции, являющихся квантованными (жесткими) оценками N передаваемых информационных сигналов. Множество кандидатских векторов составляется из нескольких наиболее вероятных квантованных оценок каждого из передаваемых символов модуляции. Кандидатские векторы формируются в пространстве модифицированных сигналов, а затем преобразуются к пространству исходных сигналов.Thus, the claimed group of inventions - the method and device (s) differs from the above method and prototype device and prior art in that instead of the traditional (known) quantization and generation of estimates of modulation symbols from the obtained quantized estimates, multi-alternative quantization and the formation of a plurality candidate vectors. The candidate vector is a set of modulation symbols that are quantized (hard) estimates of N transmitted information signals. The set of candidate vectors is composed of several of the most likely quantized estimates of each of the transmitted modulation symbols. Candidate vectors are formed in the space of modified signals, and then converted to the space of the original signals.
Полученный набор кандидатских векторов используется для поиска решения, минимизирующего решающую функцию максимального правдоподобия, или для формирования метрик для мягкого декодирования.The resulting set of candidate vectors is used to find a solution that minimizes the decisive maximum likelihood function, or to form metrics for soft decoding.
Такой подход позволяет, во-первых, повысить помехоустойчивость приема, так как выбор нескольких векторов квантованных оценок позволяет компенсировать ошибки детектирования, связанные с квантованием при высоком уровне шума.This approach allows, firstly, to increase the noise immunity of the reception, since the choice of several vectors of quantized estimates can compensate for the detection errors associated with quantization at a high noise level.
Во-вторых, это дает возможность сформировать метрики для эффективного мягкого декодирования двоичных символов передаваемого сообщения.Secondly, this makes it possible to form metrics for effective soft decoding of binary symbols of the transmitted message.
Для осуществления отличительных признаков способа (варианты) в устройство приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема (варианты) дополнительно введен узел формирования кандидатских векторов и соответственно для каждого варианта квантования предложена структурная схема узла квантования, которые в совокупности с новыми соединениями (связями) обеспечивают выполнение отличительных признаков заявляемого способа и позволяют получить лучший технический эффект по сравнению с известными техническими решениями в данной области техники.To implement the distinguishing features of the method (options), a multicomponent signal receiving device in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels (options) is additionally introduced with a candidate vector generation unit and, accordingly, a quantization block diagram is proposed for each quantization option, which together with new compounds (bonds) ensure the implementation of the distinguishing features of the proposed method and allow you to get a better technical effect compared to known technical solutions in the art.
Таким образом, заявляемая группа изобретений, созданных в едином изобретательском замысле, позволяет повысить помехоустойчивость приема многокомпонентного сигнала, как в системе радиосвязи без кодирования, так и в системе радиосвязи с кодированием при мягком и жестком декодировании.Thus, the claimed group of inventions created in a single inventive concept, allows to increase the noise immunity of receiving a multi-component signal, both in a radio communication system without encoding, and in a radio communication system with encoding for soft and hard decoding.
Проведенный поиск по известному уровню техники не выявил технические решения с заявленными отличительными признаками изобретения.The search in the prior art did not reveal technical solutions with the claimed distinguishing features of the invention.
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 системы MIMO (системы радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема многокомпонентного сигнала), показана для реализации способа-прототипа.Figure 1 is a structural diagram of a MIMO system (radio communication system with N transmission channels and M channels for receiving a multi-component signal), shown for implementing the prototype method.
На фиг.2 - структурная схема устройства приема многокомпонентного сигнала в системе MIMO (прототип).Figure 2 is a structural diagram of a device for receiving a multi-component signal in a MIMO system (prototype).
На фиг.3 - структурная схема системы MIMO (система радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема), показана для реализации заявляемого изобретения.Figure 3 is a structural diagram of a MIMO system (radio communication system with N transmission channels and M reception channels), shown for implementing the claimed invention.
На фиг.4 - структурная схема заявляемого устройства приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема.Figure 4 is a structural diagram of the inventive device for receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels.
На фиг.5 - структурная схема узла квантования для заявляемого устройства, выполненного по первому варианту реализации.Figure 5 is a structural diagram of a quantization node for the inventive device, made according to the first embodiment.
На фиг.6 - структурная схема узла квантования для заявляемого устройства, выполненного по второму варианту реализации.Figure 6 is a structural diagram of a quantization node for the inventive device, made according to the second embodiment.
На фиг.7 - структурная схема блока оценки канала, приведена в качестве примера реализации.7 is a block diagram of a channel estimator, shown as an example implementation.
На фиг.8 приведен пример временной диаграммы передачи и приема пилот-сигналов в системе MIMO с N=4 передающими и М приемными антеннами.On Fig shows an example of a timing diagram of the transmission and reception of pilot signals in a MIMO system with N = 4 transmitting and M receiving antennas.
На фиг.9 показаны сравнительные характеристики помехоустойчивости заявляемого способа приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема (MIMO), способа прототипа, алгоритма максимального правдоподобия (MLA) и алгоритма минимума среднеквадратической ошибки (MMSE), полученные по результатам компьютерного моделирования.Figure 9 shows the comparative noise immunity of the proposed method of receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels (MIMO), a prototype method, a maximum likelihood algorithm (MLA) and a minimum mean square error (MMSE) algorithm, obtained by computer modeling.
Устройство приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема по первому варианту осуществления (фиг.4 и 5) содержит М антенн 8-1 - 8-М и соответственно М каналов 9-1 - 9-М приема для приема многокомпонентного сигнала, блок 10 оценки канала, блок 11 демодуляции и блок 12 принятия решения, при этом входы М антенн 8-1 - 8-М являются сигнальными входами устройства, а выходы соединены соответственно с входами М каналов 9-1 - 9-М приема, выходы которых соединены через шину данных с входами блока 10 оценки канала и первыми входами блока 11 демодуляции, входы которых являются сигнальными входами, второй и третий входы блока демодуляции соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 10 оценки канала, формирующего на первом выходе сигнал оценки комплексных коэффициентов передачи сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн, а на втором выходе - сигнал оценки значений дисперсии шума каналов приема, первый выход блока 11 демодуляции, формирующего на первом выходе жесткие оценки двоичных символов, соединен с первым входом блока 12 принятия решения, выход которого является выходом устройства, блок 11 демодуляции содержит узел 13 формирования вектора принимаемого сигнала, узел 14 преобразования канальной матрицы, узел 15 оценки модифицированных символов модуляции, узел 16 квантования, осуществляющий квантование элементов вектора оценок модифицированных символов модуляции и формирующий на первом выходе первый вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и узел 18 оценки двоичных символов, при этом вход узла формирования вектора принимаемого сигнала является первым входом блока 11 демодуляции, первый и второй входы узла 14 преобразования канальной матрицы являются соответственно вторым и третьим входами блока 11 демодуляции, выход узла 13 формирования вектора принимаемого сигнала соединен с первым входом узла 15 оценки модифицированных символов модуляции, второй вход которого соединен с первым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, выход узла 15 оценки модифицированных символов модуляции соединен с первым входом узла квантования 16, второй вход узла 16 квантования соединен со вторым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, первый выход узла 18 оценки двоичных символов является первым выходом блока 11 демодуляции, согласно изобретению, узел 16 квантования содержит элемент 20 инверсии матрицы, элемент 21 памяти, умножитель 22, формирователь 23 допустимых квантованных значений и элемент 24 квантования, при этом первый вход элемента 24 квантования является первым входом узла 16 квантования, вход элемента инверсии матрицы является вторым входом узла 16 квантования, выход элемента 20 инверсии матрицы соединен с первым входом умножителя 22, второй вход которого соединен с выходом элемента 21 памяти, выход умножителя 22 соединен со входом формирователя 23 допустимых квантованных значений, выходы которого соединены со вторыми входами элемента 24 квантования, первый, второй, третий и четвертый выходы которого являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами узла квантования, формирующего на втором выходе второй вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, причем первый и второй векторы имеют наименьшие значения погрешности квантования, а на третьем и четвертом выходах формирующий соответственно два вектора значений погрешностей квантования, второй, третий и четвертый выходы элемента 24 квантования образуют соответственно второй, третий и четвертый выходы узла 16 квантования, в блок 11 демодуляции введен узел 19 формирования кандидатских векторов, первый вход которого соединен со вторым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, второй, третий, четвертый и пятый входы узла формирования кандидатских векторов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами узла квантования, выход узла 19 формирования кандидатских векторов, формирующего на выходе К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, соединен с первым входом узла 18 оценки двоичных символов, второй вход которого присоединен к первому входу блока демодуляции, третий и четвертый входы узла 18 оценки двоичных символов присоединены соответственно ко второму и третьему входам блока 11 демодуляции, второй выход узла 18 оценки двоичных символов, формирующего на втором выходе мягкие оценки двоичных символов, каждая из которых представляет меру достоверности оценки соответствующего двоичного символа, является вторым выходом блока 11 демодуляции, который соединен со вторым входом блока 12 принятия решения.A multi-component signal receiving device in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels according to the first embodiment (Figs. 4 and 5) comprises M antennas 8-1 to 8-M and, accordingly, M reception channels 9-1 to 9-M for reception a multicomponent signal, a channel estimator 10, a demodulation unit 11, and a decision unit 12, wherein the inputs of the M antennas 8-1 to 8-M are the signal inputs of the device, and the outputs are connected respectively to the inputs of the M channels 9-1 to 9-M of the reception the outputs of which are connected via a data bus to the inputs of the channel estimation unit 10 and the first the inputs of the demodulation unit 11, the inputs of which are signal inputs, the second and third inputs of the demodulation unit are connected respectively to the first and second outputs of the channel estimator 10, which generates at the first output an evaluation signal of the complex signal transmission coefficients during propagation from each of the transmitting to each of the receiving antennas, and at the second output, a signal for estimating the noise variance of the reception channels, the first output of the demodulation unit 11, forming hard estimates of binary symbols at the first output, is connected to the first the input of the decision block 12, the output of which is the output of the device, the demodulation block 11 contains a node 13 for generating a vector of the received signal, a node 14 for converting the channel matrix, a node 15 for evaluating the modified modulation symbols, a quantization node 16 that quantizes the vector elements estimates of the modified modulation symbols and generating at the first output a first vector of quantized estimates of the modified modulation symbols and a binary symbol estimation section 18, the input of the received signal vector forming section is the first input of the demodulation block 11, the first and second inputs of the channel matrix transform section 14 are respectively the second and third inputs of the block 11 demodulation, the output node 13 of the formation of the vector of the received signal is connected to the first input of the node 15 assessment of the modified symbols modulation, the second input of which is connected to the first output of the channel matrix transform node 14, the output of the modified modulation symbol estimator 15 is connected to the first input of the quantization node 16, the second input of the quantization node 16 is connected to the second output of the channel matrix transform node 14, the first output of the estimation node 18 binary symbols is the first output of the demodulation block 11, according to the invention, the quantization node 16 contains a matrix inversion element 20, a memory element 21, a multiplier 22, a generator 23 of valid quantized values values and quantization element 24, wherein the first input of quantization element 24 is the first input of quantization node 16, the input of the matrix inversion element is the second input of quantization node 16, the output of matrix inversion element 20 is connected to the first input of multiplier 22, the second input of which is connected to the output of the element 21 of the memory, the output of the multiplier 22 is connected to the input of the shaper 23 of the allowable quantized values, the outputs of which are connected to the second inputs of the quantization element 24, the first, second, third and fourth outputs of which are Accordingly, the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, which forms the second vector of quantized estimates of the modified modulation symbols on the second output, the first and second vectors have the smallest quantization error values, and at the third and fourth outputs, respectively, generating two quantization error vectors, the second , the third and fourth outputs of the quantization element 24 form, respectively, the second, third and fourth outputs of the quantization unit 16, a node 19 f is introduced into the demodulation unit 11 candidate vector vectors, the first input of which is connected to the second output of the channel matrix transformation unit 14, the second, third, fourth and fifth inputs of the candidate vector generation unit are connected respectively to the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, the output of the candidate vector generation unit 19, generating candidate vectors at the output K, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signals, connected to the first the input of the binary symbol estimation node 18, the second input of which is connected to the first input of the demodulation block, the third and fourth inputs of the binary symbol estimation node 18 are connected to the second and third inputs of the demodulation block 11, the second output of the binary symbol estimation node 18, forming the second output soft estimates of binary symbols, each of which represents a measure of the reliability of the evaluation of the corresponding binary symbol, is the second output of the demodulation block 11, which is connected to the second input of the block 12 tiya solutions.
Устройство приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема по второму варианту осуществления (фиг.4 и 6) содержит М антенн 8-1 - 8-М и соответственно М каналов 9-1 - 9-М приема для приема многокомпонентного сигнала, блок 10 оценки канала, блок 11 демодуляции и блок 12 принятия решения, при этом входы М антенн 8-1 - 8-М являются сигнальными входами устройства, а выходы соединены соответственно с входами М каналов 9-1 - 9-М приема, выходы которых соединены через шину данных с входами блока 10 оценки канала и первыми входами блока 11 демодуляции, входы которых являются сигнальными входами, второй и третий входы блока демодуляции соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 10 оценки канала, формирующего на первом выходе сигнал оценки комплексных коэффициентов передачи сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн, а на втором выходе - сигнал оценки значений дисперсии шума каналов приема, четвертый вход блока демодуляции является вторым входом устройства, на который поступает сигнал синхронизации, первый выход блока 11 демодуляции, формирующего на первом выходе жесткие оценки двоичных символов информационного сообщения, соединен с первым входом блока блок 12 принятия решения, выход которого является выходом устройства, блок 11 демодуляции содержит узел 13 формирования вектора принимаемого сигнала, узел 14 преобразования канальной матрицы, узел 15 оценки модифицированных символов модуляции, узел 16 квантования, осуществляющий квантование элементов вектора оценок модифицированных символов модуляции и формирующий на первом выходе первый вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и узел 18 оценки двоичных символов, при этом вход узла формирования вектора принимаемого сигнала является первым входом блока 11 демодуляции, первый и второй входы узла 14 преобразования канальной матрицы являются соответственно вторым и третьим входами блока 11 демодуляции, выход узла 13 формирования вектора принимаемого сигнала соединен с первым входом узла 15 оценки модифицированных символов модуляции, второй вход которого соединен с первым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, выход узла 15 оценки модифицированных символов модуляции соединен с первым входом узла 16 квантования, второй вход которого является четвертым входом блока демодуляции, третий вход узла квантования соединен со вторым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, первый выход узла 18 оценки двоичных символов является первым выходом блока 11 демодуляции, согласно изобретению, узел 25 квантования содержит элемент памяти, формирователь 26 вектора сдвига, элемент 27 линейного преобразования и элемент 28 округления, при этом первый вход формирователя 26 вектора сдвига является вторым входом узла 16 квантования, второй вход формирователя 26 вектора сдвига соединен с первым выходом элемента 25 памяти, второй выход которого соединен с первым входом элемента 27 линейного преобразования, второй вход которого соединен с выходом формирователя 26 вектора сдвига, третий вход элемента 27 линейного преобразования является первым входом узла 16 квантования, выход элемента 27 линейного преобразования соединен с входом элемента 28 округления, первый, второй, третий и четвертый выходы элемента 28 округления образуют соответственно первый, второй, третий и четвертый выходы узла квантования, формирующего на втором выходе второй вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, причем первый и второй векторы имеют наименьшие значения погрешности квантования, а на третьем и четвертом выходах формирующий соответственно, два вектора с наименьшими значениями соответствующих погрешностей квантования, в блок 11 демодуляции введен узел 19 формирования кандидатских векторов, первый вход которого соединен со вторым выходом узла 14 преобразования канальной матрицы, второй, третий, четвертый и пятый входы узла формирования кандидатских векторов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами узла квантования, выход узла 19 формирования кандидатских векторов, формирующего на выходе К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, соединен с первым входом узла 18 оценки двоичных символов, второй вход которого присоединен к первому входу 11 блока демодуляции, третий и четвертый входы узла 18 оценки двоичных символов присоединены соответственно ко второму и третьему входам блока 11 демодуляции, второй выход узла 18 оценки двоичных символов, формирующего на втором выходе мягкие оценки двоичных символов информационного сообщения, каждая из которых представляет меру достоверности оценки соответствующего двоичного символа, является вторым выходом блока демодуляции, который соединен со вторым входом блока 12 принятия решения.A multi-component signal receiving device in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels according to the second embodiment (FIGS. 4 and 6) comprises M antennas 8-1 to 8-M and, accordingly, M reception channels 9-1 to 9-M for reception a multicomponent signal, a channel estimator 10, a demodulation unit 11, and a decision unit 12, wherein the inputs of the M antennas 8-1 to 8-M are the signal inputs of the device, and the outputs are connected respectively to the inputs of the M channels 9-1 to 9-M of the reception the outputs of which are connected via a data bus to the inputs of the channel estimation unit 10 and the first the inputs of the demodulation unit 11, the inputs of which are signal inputs, the second and third inputs of the demodulation unit are connected respectively to the first and second outputs of the channel estimator 10, which generates at the first output an evaluation signal of the complex signal transmission coefficients during propagation from each of the transmitting to each of the receiving antennas, and at the second output, a signal for estimating the noise variance of the reception channels, the fourth input of the demodulation block is the second input of the device to which the synchronization signal is supplied, the output of the demodulation block 11, which forms hard estimates of the binary symbols of the information message at the first output, is connected to the first input of the decision block 12, the output of which is the output of the device, the demodulation block 11 contains a received signal vector generation section 13, a channel matrix transformation section 14, a node 15 for evaluating the modified modulation symbols, a quantization node 16 that quantizes the elements of the vector estimates of the modified modulation symbols and generating at the first output a first vector of quantized estimates of the modified modulation symbols and a binary symbol estimation section 18, the input of the received signal vector forming section is the first input of the demodulation block 11, the first and second inputs of the channel matrix transform section 14 are respectively the second and third inputs of the block 11 demodulation, the output node 13 of the formation of the vector of the received signal is connected to the first input of the node 15 assessment of the modified symbols modulation, the second input of which is connected to the first output of the channel matrix conversion unit 14, the output of the modified modulation symbol estimation unit 15 is connected to the first input of the quantization unit 16, the second input of which is the fourth input of the demodulation unit, the third input of the quantization unit is connected to the second output of the conversion unit 14 channel matrix, the first output of the binary symbol estimation unit 18 is the first output of the demodulation unit 11, according to the invention, the quantization unit 25 contains a memory element, a vector shaper 26 a shear element, a linear transformation element 27 and a rounding element 28, wherein the first input of the shear vector generator 26 is the second input of the quantization unit 16, the second input of the shear vector generator 26 is connected to the first output of the memory element 25, the second output of which is connected to the first input of the element 27 linear transformation, the second input of which is connected to the output of the shear vector generator 26, the third input of the linear transformation element 27 is the first input of the quantization unit 16, the output of the linear transformation element 27 I am connected to the input of the rounding element 28, the first, second, third and fourth outputs of the rounding element 28 form the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, respectively, which forms the second vector of quantized estimates of the modified modulation symbols at the second output, the first and second vectors have the smallest values of the quantization error, and at the third and fourth outputs, respectively, forming two vectors with the smallest values of the corresponding quantization errors, in block 11 demodulation input there is a candidate vector generation unit 19, the first input of which is connected to the second output of the channel matrix conversion unit 14, the second, third, fourth and fifth inputs of the candidate vector generation unit are connected to the first, second, third and fourth outputs of the quantization node, the output of the forming unit 19 candidate vectors, forming at the output K candidate vectors, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signals, inen with the first input of the binary character evaluation unit 18, the second input of which is connected to the first input 11 of the demodulation unit, the third and fourth inputs of the binary character evaluation unit 18 are connected to the second and third inputs of the demodulation unit 11, the second output of the binary character evaluation unit 18 at the second output, soft estimates of the binary symbols of the information message, each of which represents a measure of the reliability of the evaluation of the corresponding binary symbol, is the second output of the demodulation block, which connected to the second input of decision block 12.
Блок 10 оценки канала на фиг.7 приведен, как пример выполнения для заявляемого устройства, и содержит узел 29 оценки канальной матрицы и узел 30 оценки дисперсии, при этом входы узла 29 оценки канальной матрицы и первые входы узла 30 оценки дисперсии объединены, образуя сигнальный вход блока 10 оценки канала, выход узла 29 оценки канальной матрицы является первым выходом блока 10 оценки и соединен со вторым входом узла 30 оценки дисперсии, выход которого является вторым выходом блока 10 оценки.The
На фиг.1-7 все соединения, показанные жирными линиями, представляют собой шины. Таким образом, показано, что данные соединения предназначены для передачи многокомпонентных (векторных) сигналов.1-7, all connections shown in bold lines are tires. Thus, it is shown that these compounds are designed to transmit multicomponent (vector) signals.
Далее рассмотрим реализацию заявляемого изобретения со ссылками на чертежи.Next, we consider the implementation of the claimed invention with reference to the drawings.
Заявляемый способ может быть реализован в системе связи с многомерными сигналами. В частности, он может быть реализован в системе связи MIMO, построенной по принципу пространственного мультиплексирования (или V-BLAST) (см. [1], [2] и [3]).The inventive method can be implemented in a communication system with multidimensional signals. In particular, it can be implemented in a MIMO communication system built on the principle of spatial multiplexing (or V-BLAST) (see [1], [2] and [3]).
Пример функциональной структуры передающего и приемного устройств такой системы представлен на фиг.3 (для заявляемого изобретения).An example of the functional structure of the transmitting and receiving devices of such a system is presented in figure 3 (for the claimed invention).
Весьма актуальной задачей систем связи MIMO является разработка простого в реализации алгоритма приема сигнала с характеристиками помехоустойчивости, близкими к оптимальным.A very urgent task of MIMO communication systems is to develop an easy-to-implement signal reception algorithm with noise immunity characteristics close to optimal.
Низкая эффективность простых линейных алгоритмов приема, основанных на инверсии канальной матрицы, объясняется случайным характером этой матрицы, из-за которого она часто является плохо обусловленной, и операция инверсии приводит к большой погрешности вычислений. Данную проблему позволяет решить подход, основанный на преобразовании канальной матрицы путем редукции базиса решетки. Данный подход использует следующую методику.The low efficiency of simple linear reception algorithms based on the inverse of the channel matrix is explained by the random nature of this matrix, because of which it is often poorly conditioned, and the inversion operation leads to a large calculation error. This problem can be solved by an approach based on the transformation of the channel matrix by reducing the basis of the lattice. This approach uses the following methodology.
Векторы х, s, n и матрица Н, связанные основным уравнением системы связи MIMO (1), являются комплексно-значными (имеют комплексные элементы). Они могут быть представлены в виде реально-значных векторов , , и матрицы с помощью преобразований:The vectors x , s , n and the matrix H , connected by the basic equation of the MIMO communication system (1), are complex-valued (have complex elements). They can be represented as real-valued vectors , , and matrices using transformations:
При этом соотношение (1) выполняется также и для реально-значных векторов и матриц, то естьMoreover, relation (1) also holds for real-valued vectors and matrices, i.e.
Элементы вектора принимают значения из дискретного множества всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции. Для многих цифровых видов модуляции эти значения являются целыми числами (или могут быть преобразованы к целым числам выбором масштабирующего коэффициента). Например, для модуляции QPSK множество возможных значений элементов реально-значного вектора {1, -1}. Соответственно, для модуляции 16QAM это множество {-3, -1, 1, 3}.Vector elements take values from a discrete set of all possible values of the quadrature components of the symbols of the selected type of modulation. For many digital modulations, these values are integers (or can be converted to integers by choosing a scaling factor). For example, for QPSK modulation, the set of possible values of elements of a real-valued vector {eleven}. Accordingly, for 16QAM modulation, this is the set {-3, -1, 1, 3}.
Следовательно, в отсутствие шума вектор (16) может быть представлен как целочисленная линейная комбинация векторов-столбцов канальной матрицы, то естьTherefore, in the absence of noise, the vector (16) can be represented as an integer linear combination of column vectors of the channel matrix, i.e.
где - i-й столбец канальной матрицы .Where - i-th column of the channel matrix .
В алгебре матриц множество таких комбинаций называют решеткой. Причем матрицу называют производящей, а совокупность ее векторов-столбцов - базисом решетки. Задача детектирования сигнала MIMO представляется, как задача поиска в решетке, то есть поиска такого вектора , который вместе с канальной матрицей формирует вектор решетки (17), наиболее близкий к искаженному шумом вектору принимаемого сигнала .In matrix algebra, many of these combinations are called lattices. Moreover, the matrix is called the producing one, and the set of its column vectors is called the basis of the lattice. The task of detecting a MIMO signal is presented as the task of searching in a lattice, that is, searching for such a vector which together with the channel matrix forms a lattice vector (17), closest to the noise-distorted received signal vector .
Детектирование передаваемых символов модуляции связано с разделением 2М-мерного пространства значений вектора на области принятия решения в пользу той или иной точки решетки . При одной и той же дисперсии шума достоверность решения зависит от формы этих областей, причем максимальная достоверность достигается при областях формы равностороннего параллелепипеда. Такая форма соответствует ортогональным и одинаковым по длине базисным векторам решетки. Степень приближения базиса к данному свойству можно оценить по числу обусловленности матрицы, которое определяется отношением максимального сингулярного значения данной матрицы к минимальному (см. G.H.Golub, С.F.Van Loan, "Matrix computation," Third edition. The John Hopkins University Press, Baltimore and London, 1996, 694 pp.[13]). Чем меньше число обусловленности матрицы, тем ближе ее базис к ортогональному и, соответственно, выше качество детектирования.Detection of transmitted modulation symbols is associated with the separation of a 2M-dimensional space of vector values in the field of decision-making in favor of a particular lattice point . With the same noise variance, the reliability of the solution depends on the shape of these regions, and the maximum reliability is achieved with the regions of the shape of an equilateral parallelepiped. Such a shape corresponds to the basis vectors of the lattice that are orthogonal and identical in length. The degree of approximation of the basis to this property can be estimated by the condition number of the matrix, which is determined by the ratio of the maximum singular value of this matrix to the minimum (see GHGolub, C.F. Van Loan, "Matrix computation," Third edition. The John Hopkins University Press, Baltimore and London, 1996, 694 pp. [13]). The smaller the condition number of the matrix, the closer its basis to the orthogonal and, correspondingly, higher detection quality.
Редукцией базиса решетки матрицы является линейное преобразование, которое приводит число обусловленности данной матрицы к заведомо низкому значению. Для сохранения решетки матрица линейного преобразования должна быть унимодулярной, то есть целочисленной с детерминантом ±1.The reduction of the matrix lattice basis is a linear transformation, which reduces the condition number of this matrix to a knowingly low value. To preserve the lattice, the linear transformation matrix must be unimodular, that is, integer with a determinant of ± 1.
При детектировании путем редукции базиса решетки по матрице формируют унимодулярную матрицу Т редукции базиса решетки. При этом может быть использован, например, известный алгоритм Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) (см. [6] и [12]).When detecting by reducing the lattice basis in the matrix form a unimodular matrix T reduction of the lattice basis. In this case, for example, the well-known Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) algorithm can be used (see [6] and [12]).
Затем матрицу преобразуют в матрицу G с помощью выражения После этого соотношение (16) может быть представлено, какThen the matrix convert to matrix G using the expression After that, relation (16) can be represented as
где - вектор модифицированных символов модуляции.Where is a vector of modified modulation symbols.
После этого задачу детектирования сигнала MIMO решают относительно вектора z модифицированных символов модуляции каким-либо субоптимальным методом.After that, the problem of detecting the MIMO signal is solved with respect to the vector z of modified modulation symbols by some suboptimal method.
При решении данной задачи хорошие результаты показал метод 10 минимума среднеквадратической ошибки (см. [6], [7], [8]).When solving this problem, good results were shown by
Метод минимума среднеквадратической ошибки реализуется с помощью формул (3), (4). В редуцированном пространстве, то есть в пространстве модифицированных векторов z, статистические свойства шумовых составляющих отличаются от свойств элементов вектора .The minimum root-mean-square error method is implemented using formulas (3), (4). In the reduced space, that is, in the space of modified vectors z , the statistical properties of the noise components differ from the properties of the elements of the vector .
Для учета данного фактора применяют реализацию метода минимума среднеквадратической ошибки с расширением канальной матрицы. Для этого перед формированием унимодулярной матрицы Т матрицу расширяют, дополняя снизу матрицей σI, где I единичная диагональная матрица размерности 2N×2N.To take this factor into account, the implementation of the minimum mean square error method with the expansion of the channel matrix is used. For this, before the formation of the unimodular matrix T, the matrix expand by supplementing the matrix σ I from below, where I is the identity diagonal matrix of dimension 2N × 2N.
Данную расширенную матрицу используют, при формировании матрицы Т, а затем матрицы G, то есть This Extended Matrix used in the formation of the matrix T , and then the matrix G , that is
С помощью матрицы G формируют вектор оценок модифицированных символов модуляции по формулеUsing the matrix G form a vector estimates of modified modulation symbols according to the formula
где - вектор принимаемого сигнала, расширенный снизу 2М-мерным вектором нулей 0.Where is the vector of the received signal, extended from below by a 2M-dimensional vector of
Сформированный таким образом вектор оценок модифицированных символов модуляции квантуют, определяя для каждого элемента данного вектора квантованное значение, как модифицированный символ модуляции, обеспечивающий наименьшую ошибку квантования, и формируют, таким образом, вектор u квантованных оценок модифицированных символов модуляции. Ошибку квантования определяют, например, как модуль разности квантованного и не квантованного значений.Thus formed vector estimates of the modified modulation symbols are quantized, defining a quantized value for each element of the given vector as a modified modulation symbol that provides the smallest quantization error, and thus, a vector u of quantized estimates of the modified modulation symbols is formed. The quantization error is defined, for example, as the modulus of the difference between the quantized and non-quantized values.
Вектор u преобразуют к вектору оценок символов модуляции, соответствующих N передаваемым информационным сигналам по формулам (13), (14).Vector u convert to vector estimates of modulation symbols corresponding to N transmitted information signals according to formulas (13), (14).
Представленный выше алгоритм квантования вектора является наиболее общим и подходит для любых видов модуляции. Первый вариант способа данного предполагаемого изобретения использует данный вариант квантования вектора . Однако при большом числе антенн и многопозиционных видах модуляции квантование по этому алгоритму может оказаться весьма сложным.The vector quantization algorithm presented above is the most common and suitable for all types of modulation. The first variant of the method of this alleged invention uses this variant of the quantization of the vector . However, with a large number of antennas and multi-position types of modulation, quantization by this algorithm can be very difficult.
С другой стороны, многие виды модуляции (с равномерной сеткой допустимых значений квадратурных компонент символов модуляции) допускают упрощенное квантование оценок. При этом квантование оценок заменяют округлением до ближайшего целого числа, но при этом применяют предварительное линейное преобразование оценок - масштабирование и сдвиг (см. [7]). Данное преобразование учитывают при последующем обратном преобразовании квантованных оценок модифицированных символов модуляции. Второй вариант способа заявляемого изобретения использует данное упрощенное квантование вектора .On the other hand, many types of modulation (with a uniform grid of admissible values of the quadrature components of modulation symbols) allow simplified quantization of estimates. In this case, the quantization of estimates is replaced by rounding to the nearest integer, but a preliminary linear transformation of estimates — scaling and shift — is used (see [7]). This transformation is taken into account in the subsequent inverse transformation of the quantized estimates of the modified modulation symbols. The second variant of the method of the claimed invention uses this simplified vector quantization .
Таким образом, редукция базиса решетки канальной матрицы переносит задачу детектирования в пространство модифицированных сигналов. Данным сигналам соответствует более "хорошая" канальная матрица, вследствие чего взаимные помехи между этими сигналами минимальны. Это является основным фактором повышения эффективности субоптимальных методов детектирования в пространстве модифицированных сигналов. Элементы полученного вектора модифицированных оценок квантуют, то есть заменяют наиболее близким по величине значением из множества всевозможных значений квадратурных компонент символов модуляции. Цель квантования - отфильтровать шумовые отклонения и сохранить качество полученной оценки при обратном преобразовании.Thus, the reduction of the lattice basis of the channel matrix transfers the detection problem into the space of modified signals. These signals correspond to a more “good” channel matrix, as a result of which mutual interference between these signals is minimal. This is the main factor in increasing the efficiency of suboptimal detection methods in the space of modified signals. Elements of the obtained vector of modified estimates are quantized, that is, replaced by the closest value in magnitude from the set of all possible values of the quadrature components of modulation symbols. The purpose of quantization is to filter out noise deviations and maintain the quality of the resulting estimate in the inverse transform.
Однако квантование, являясь нелинейной операцией, эффективно лишь тогда, когда шумовые отклонения невелики. В области же высокого относительного уровня шума квантование приводит к ошибкам детектирования и характеристики приема ухудшаются. Это является причиной недостаточно высокой помехоустойчивости способа-прототипа, особенно в области низких значений отношения сигнал - шум.However, quantization, being a nonlinear operation, is effective only when the noise deviations are small. In the region of high relative noise level, quantization leads to detection errors and reception characteristics deteriorate. This is the reason for the insufficiently high noise immunity of the prototype method, especially in the region of low signal-to-noise ratios.
Способ заявляемого изобретения (варианты) отличается от описанного выше способа-прототипа и известного уровня техники тем, что вместо традиционного квантования и формирования оценок символов модуляции из полученных квантованных оценок выполняют многоальтернативное (многовариантное) квантование и формирование множества кандидатских векторов. Кандидатский вектор представляет собой совокупность символов модуляции, являющихся квантованными (жесткими) оценками N передаваемых информационных сигналов. Множество кандидатских векторов составляется из нескольких наиболее вероятных квантованных оценок каждого из передаваемых символов модуляции. Кандидатские векторы формируются в пространстве модифицированных сигналов, а затем преобразуются к пространству исходных сигналов.The method of the claimed invention (options) differs from the prototype method described above and the prior art in that instead of the traditional quantization and generation of modulation symbol estimates from the obtained quantized estimates, multi-alternative (multivariant) quantization and the formation of multiple candidate vectors are performed. The candidate vector is a set of modulation symbols that are quantized (hard) estimates of N transmitted information signals. The set of candidate vectors is composed of several of the most likely quantized estimates of each of the transmitted modulation symbols. Candidate vectors are formed in the space of modified signals, and then converted to the space of the original signals.
Полученный набор кандидатских векторов используется для поиска решения, минимизирующего решающую функцию максимального правдоподобия, или для формирования метрик для мягкого декодирования.The resulting set of candidate vectors is used to find a solution that minimizes the decisive maximum likelihood function, or to form metrics for soft decoding.
Такой подход позволяет, во-первых, повысить помехоустойчивость приема, так как выбор решения из нескольких векторов квантованных оценок позволяет компенсировать ошибки детектирования, связанные с квантованием при высоком уровне шума.This approach allows, firstly, to increase the noise immunity of the reception, since the choice of a solution from several vectors of quantized estimates allows one to compensate for the detection errors associated with quantization at a high noise level.
Во-вторых, это дает возможность сформировать метрики для эффективного мягкого декодирования двоичных символов передаваемого сообщения.Secondly, this makes it possible to form metrics for effective soft decoding of binary symbols of the transmitted message.
Для лучшего понимания осуществления заявляемого способа приема многокомпонентного сигнала в системе радиосвязи с N каналами передачи и М каналами приема (MIMO) (фиг.3) коротко рассмотрим функциональную структуру устройства передачи многокомпонентного сигнала, подготовку и передачу многокомпонентного сигнала.For a better understanding of the implementation of the inventive method for receiving a multi-component signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels (MIMO) (Fig. 3), we briefly consider the functional structure of a multi-component signal transmission device, preparation and transmission of a multi-component signal.
На вход блока 3 кодирования, который одновременно является входом устройства передачи многокомпонентного сигнала, поступает предназначенное для передачи информационное сообщение в двоичной форме. Блок 3 кодирования выполняет операции помехоустойчивого кодирования, а также и перемежения последовательности двоичных символов. Последнее служит для повышения устойчивости связи к замираниям сигнала. Сформированный таким образом поток закодированных двоичных символов поступает на вход блока 4 демультиплексирования.The input of the
В блоке 4 демультиплексирования последовательный поток двоичных символов модуляции разбивают на N потоков, которые параллельно поступают на соответствующие выходы данного блока. С каждого из выходов блока 4 демультиплексирования поток двоичных символов поступает на вход соответствующего ему блока 5-1 - 5-N модуляции.In
Каждый из блоков 5-1 - 5-N модуляции содержит узел памяти, который хранит m символов модуляции в виде комплексных чисел s. Модулю каждого комплексного числа s соответствует амплитуда, а аргументу - фаза символа модуляции.Each of the blocks 5-1 to 5-N modulation contains a memory node that stores m modulation symbols in the form of complex numbers s. The modulus of each complex number s corresponds to the amplitude, and the argument is the phase of the modulation symbol.
В каждом блоке 5-1 - 5-N модуляции входной поток двоичных символов делят на пакеты по L=log2(m) двоичных символов. По данному пакету, представляющему собой L-разрядное двоичное число, из узла памяти считывается соответствующий ему символ модуляции и передается на выход блока модуляции. Способы модуляции (QPSK, М-QAM и другие) известны из различных источников, например, John G. Proakis, "Digital Communication," McGrow-Hill, Third Edition [14]|.In each block 5-1 - 5-N modulation, the input stream of binary symbols is divided into packets of L = log2 (m) binary symbols. According to this packet, which is an L-bit binary number, the corresponding modulation symbol is read from the memory node and transmitted to the output of the modulation block. Modulation methods (QPSK, M-QAM and others) are known from various sources, for example, John G. Proakis, "Digital Communication," McGrow-Hill, Third Edition [14] |.
С выхода каждого из блоков 5-1 - 5-N модуляции символы модуляции поступают на вход соответствующего канала 6-1 - 6-N передачи. Каждый канал 6-1 - 6-N передачи состоит из устройств, формирующих информационный радиосигнал несущей частоты с амплитудой и фазой, соответствующими поступившему на вход символу модуляции.From the output of each of the blocks 5-1 to 5-N modulation symbols of the modulation are fed to the input of the corresponding channel 6-1 - 6-N transmission. Each channel 6-1 - 6-N transmission consists of devices forming an information radio signal of a carrier frequency with amplitude and phase corresponding to the modulation symbol received at the input.
Информационные сигналы N каналов 6-1 - 6-N передачи вместе образуют пакет N информационных сигналов. N информационных сигналов каждого пакета передаются одновременно через N антенн 7-1 - 7-N передачи - по одному сигналу через антенну соответствующего канала передачи.Information signals of N channels 6-1 to 6-N transmission together form a packet of N information signals. N information signals of each packet are transmitted simultaneously through N antennas 7-1 - 7-N transmission - one signal through the antenna of the corresponding transmission channel.
Заявляемое изобретение осуществляют на устройстве приема многокомпонентного сигнала с N каналами передачи и М каналами приема по первому варианту фиг.4, 5 и 7, по второму варианту - фиг.4, 6 и 7.The invention is carried out on a multi-component signal receiving device with N transmission channels and M reception channels according to the first embodiment of FIGS. 4, 5 and 7, and according to the second embodiment, FIGS. 4, 6 and 7.
Принимают сигнал (см. фиг.4) через М приемных антенн 8-1 - 8-М, каждая из которых является входом соответствующего канала 9-1 - 9-М приема. В каждом из М каналов 9-1 - 9-М приема выполняют функции обработки сигнала на радиочастоте, синхронизации, а также перенос в область видеочастот и преобразование в цифровую форму. При этом для простоты изложения в структурной схеме устройства сигналы синхронизации не показаны. Однако имеется в виду, что в заявляемом устройстве приема многокомпонентного сигнала синхронизацию выполняют по сигналам синхронизации, которые формируются в каналах приема по специально передаваемым для этой цели пилот-сигналам (преамбулам). Эти сигналы соответственно поступают на соответствующие входы блоков, узлов и элементов заявляемого устройства.A signal is received (see FIG. 4) through the M receiving antennas 8-1 to 8-M, each of which is an input of the corresponding channel 9-1 to 9-M receiving. In each of the M channels 9-1 - 9-M receive perform the functions of signal processing at the radio frequency, synchronization, as well as transfer to the field of video frequencies and conversion to digital form. For simplicity of presentation, synchronization signals are not shown in the block diagram of the device. However, it is understood that in the inventive device for receiving a multicomponent signal, synchronization is performed by synchronization signals, which are generated in the reception channels by pilot signals (preambles) specially transmitted for this purpose. These signals respectively arrive at the corresponding inputs of the blocks, nodes and elements of the claimed device.
На выходе каждого из М каналов 9-1 - 9-М приема формируется принимаемый сигнал, как комплексное число х, модуль которого отражает амплитуду, а аргумент - фазу данного сигнала.At the output of each of the M channels 9-1 - 9-M reception, a received signal is formed as a complex number x, the module of which reflects the amplitude, and the argument reflects the phase of this signal.
В процессе дальнейшей обработки сигнала совокупность принимаемых сигналов М каналов 9-1 - 9-М приема рассматривается, как М-мерный комплексный вектор принимаемого многокомпонентного сигнала x=[x1,…,xM]T.In the process of further processing the signal, the set of received signals of the M channels 9-1 - 9-M reception is considered as an M-dimensional complex vector of the received multicomponent signal x = [x 1 , ..., x M ] T.
Сформированный таким образом вектор х принимаемого многокомпонентного сигнала поступает по шине данных на первый вход блока 11 демодуляции и на вход блока 10 оценки канала.The vector x of the received multicomponent signal thus generated is fed via the data bus to the first input of the
На второй и третий входы блока 11 демодуляции многокомпонентного сигнала поступают, соответственно, оценки комплексных коэффициентов передачи сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн и оценки значений дисперсии шума каналов приема, сформированные в блоке 10 оценки канала.The second and third inputs of the multicomponent
Рассмотрим фиг.7, на которой выполнена структурная схема блока 10 оценки канала, она приведена как пример выполнения.Consider Fig. 7, in which the block diagram of the
В системе связи MIMO для оценки канала используют пилот-сигналы или преамбулы, которые используются также для синхронизации, когерентной демодуляции. На приемной стороне известны соответствующие символы модуляции, а также моменты времени и номера антенн, с которых они передаются.In the MIMO communication system, pilot signals or preambles are used for channel estimation, which are also used for synchronization, coherent demodulation. On the receiving side, corresponding modulation symbols are known, as well as time instants and antenna numbers from which they are transmitted.
Таким образом, используя пилот-сигналы или преамбулы, в узле 29 оценки канальной матрицы оценивают коэффициенты передачи hij сигнала при его распространении от j-й передающей к i-й приемной антенне В процессе дальнейшей обработки многокомпонентного сигнала совокупность коэффициентов передачи пространственных каналов hi,j рассматривается, как комплексная канальная матрица Н.Thus, using the pilot signals or preambles, the channel matrix estimation unit 29 estimates the transmission coefficients h ij of the signal as it propagates from the jth transmitting antenna to the ith receiving antenna In the process of further processing of the multicomponent signal, the set of transmission coefficients of the spatial channels h i, j is considered as a complex channel matrix H.
Способы оценки канальной матрицы известны из литературы (см., например, Jiun Siew, Robert Piechocki, Andrew Nix, and Simon Armour, "A Channel Estimation Method for MIMO-OFDM Systems," Centre for Communications Research, University of Bristol [15]; Y. Li, "Simplified 5 channel estimation for OFDM systems with multiple transmit antennas," IEEE Trans. Wireless Comm., vol.1, no.1, pp.67-75, Jan. 2002 [16]; Torbjorn Ekman, "Analysis of the LS Estimation Error on a Rayleigh Fading Channel," Signals and Systems, Uppsala University, PO Box 528, SE-751 20 Uppsala, Sweden, te@signal.uu.se [17]).Methods for estimating a channel matrix are known from the literature (see, for example, Jiun Siew, Robert Piechocki, Andrew Nix, and Simon Armor, "A Channel Estimation Method for MIMO-OFDM Systems," Center for Communications Research, University of Bristol [15]; Y. Li, "Simplified 5 channel estimation for OFDM systems with multiple transmit antennas," IEEE Trans. Wireless Comm., Vol.1, no.1, pp.67-75, Jan. 2002 [16]; Torbjorn Ekman, " Analysis of the LS Estimation Error on a Rayleigh Fading Channel, "Signals and Systems, Uppsala University, PO Box 528, SE-751 20 Uppsala, Sweden, te@signal.uu.se [17]).
В узле 30 оценки дисперсии выполняют оценку дисперсии шума каналов приема известными методами оценивания статистических параметров случайных процессов.In the variance estimation unit 30, the noise variance of the reception channels is estimated by known methods for estimating the statistical parameters of random processes.
Например, в системе MIMO с N=4 передающими и М приемными антеннами возможен вариант передачи пилот-сигналов, представленный временной диаграммой фиг.8. При этом пилот-сигналы Pn(k) - известные приемной стороне символы модуляции, передаваемые с каждой из N передающих антенн на конечных временных интервалах, где n - номер антенны, k - номер дискретного временного интервала. С целью исключения взаимных помех пилот-сигналы различных передающих антенн разделены во времени. Для этого случая оценку дисперсии шума для k-й приемной антенны формируют, какFor example, in a MIMO system with N = 4 transmit and M receive antennas, a pilot transmission option is possible, represented by the timing diagram of FIG. In this case, the pilot signals P n (k) are modulation symbols known to the receiving side transmitted from each of the N transmitting antennas at finite time intervals, where n is the antenna number and k is the number of the discrete time interval. In order to avoid mutual interference, the pilot signals of various transmit antennas are separated in time. For this case, the estimate of the noise variance for the k-th receiving antenna is formed as
где nk - номер антенны, с которой передается пилот-сигнал на k-м дискретном временном интервале,where n k is the number of the antenna with which the pilot signal is transmitted on the k-th discrete time interval,
xm(k)- сигнал, принятый m-й приемной антенной на k-м дискретном временном интервале,x m (k) is the signal received by the mth receiving antenna at the kth discrete time interval,
hm,n(k) - оценка коэффициента передачи канала распространения между n-й передающей и m-й приемной антеннами на k-м временном интервале,h m, n (k) is an estimate of the transmission coefficient of the propagation channel between the nth transmitting and mth receiving antennas at the kth time interval,
K - количество дискретных интервалов на периоде оценивания.K is the number of discrete intervals in the evaluation period.
Обычно приемные антенны находятся примерно в одинаковых условиях относительно шума и помех. Поэтому в большинстве случаев значения дисперсии шума всех М каналов приема одинаковы, и при дальнейшем рассмотрении будем полагатьUsually receiving antennas are in approximately the same conditions with respect to noise and interference. Therefore, in most cases, the noise variance values of all M reception channels are the same, and upon further consideration, we will assume
Таким образом, на выходе узла 29 оценки канальной матрицы и соответственно первом выходе блока 10 оценки канала формируется сигнал оценки комплексных коэффициентов передачи сигнала при распространении от каждой из передающих к каждой из приемных антенн.Thus, at the output of the channel matrix estimation unit 29 and, accordingly, the first output of the
На выходе узла 30 оценки дисперсии и, соответственно, втором выходе блока 10 оценки канала формируется сигнал оценки значений дисперсии шума каналов приема.At the output of the variance estimation unit 30 and, accordingly, the second output of the
В блоке 11 демодуляции (фиг.4), в узле 13 формирования вектора принимаемого сигнала М-мерный вектор х, поступивший с первого (сигнального) входа блока 11 демодуляции, преобразуется к 2М-мерному действительному вектору в соответствии с формулой (8). То есть действительные части элементов х образуют М первых элементов, а соответственно, мнимые части элементов х образуют М последних элементов вектора . Выходной сигнал узла 13 формирования вектора принимаемого сигнала поступает на первый вход узла 15 оценки модифицированных символов модуляции.In
Узел 14 преобразования канальной матрицы может быть выполнен в 2 вариантах - оценивания мо минимуму среднеквадратической ошибки и оценивания методом обращения в нуль (zero forcing). В узле 14 преобразования канальной матрицы выполняют следующую последовательность операций.The node 14 of the channel matrix transformation can be performed in 2 versions - estimating the minimum mean-square error and estimating using the zero forcing method. In node 14 transform channel channel perform the following sequence of operations.
1) Комплексно-значную канальную матрицу Н преобразуют к реально-значной матрице Н r. по формуле (10).1) The complex-valued channel matrix H is converted to a real-valued matrix H r . by the formula (10).
2а) При оценивании методом минимума среднеквадратической ошибки полученную матрицу Н r расширяют в соответствии с формулой (11), получая канальную матрицу 2a) When estimating the minimum standard error by the minimum method, the resulting matrix H r is expanded in accordance with formula (11) to obtain a channel matrix
2b) При оценивании методом обращения в нуль (zero forcing) в дальнейших операциях используют нерасширенную матрицу, то есть2b) When evaluating by the method of zeroing for zero, further operations use an unexpanded matrix, i.e.
3) По матрице формируют матрицу Т редукции базиса решетки. При этом может быть использован, например, известный алгоритм Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) [6], [12].3) According to the matrix form the matrix T of the reduction of the basis of the lattice. In this case, for example, the well-known Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) algorithm [6], [12] can be used.
4) С использованием матриц и Т формируют модифицированную канальную матрицу 4) Using matrices and T form a modified channel matrix
Таким образом, узел 14 преобразования канальной матрицы формирует на первом выходе модифицированную канальную матрицу G, которая поступает на второй вход узла 15 оценки модифицированных символов модуляции, а на втором выходе формирует матрицу Т, которая поступает на второй вход узла 16 квантования и первый вход узла 19 формирования кандидатских векторов.Thus, the channel matrix transformation unit 14 forms at the first output a modified channel matrix G , which is fed to the second input of the modified modulation
В узле 15 оценки модифицированных символов модуляции, на первый вход которого поступает вектор принимаемого сигнала, а на второй вход - модифицированная канальная матрица G, формируют вектор оценок модифицированных символов модуляции.In
При этом используют формулу (12), если оценивают методом минимума среднеквадратической ошибки. При оценивании методом обращения в нуль (zero forcing) используют формулуIn this case, use the formula (12), if estimated by the method of minimum mean square error. When evaluating by zero forcing, use the formula
Сформированный вектор оценок модифицированных символов модуляции с выхода узла 15 поступает на первый вход узла 16 квантования, на второй вход которого поступила матрица Т редукции базиса решетки.Formed Vector estimates of the modified modulation symbols from the output of the
В узле 16 квантования выполняют квантование элементов вектора . В отличие от способа-прототипа используется многовариантное квантование, то есть в процессе квантования для каждого элемента вектора выбирается не одна, а несколько квантованных значений (в представленном здесь варианте реализации, по меньшей мере, два квантованных значения). На первом выходе узел 16 квантования формирует вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, на втором выходе - по меньшей мере, еще один (второй) вектор квантованных оценок модифицированных символов модуляции, а на третьем и четвертом выходах - соответственно, по меньшей мере, два вектора со значениями соответствующих погрешностей квантования, второй, третий и четвертый выходы элемента 24 квантования являются соответственно вторым, третьим и четвертым выходами узла 16 квантования.In the node 16 quantization perform quantization of the elements of the vector . In contrast to the prototype method, multivariant quantization is used, i.e., in the quantization process for each element of the vector not one, but several quantized values are selected (in the embodiment presented here, at least two quantized values). At the first output, the quantization unit 16 forms a vector of quantized estimates of the modified modulation symbols, at the second output, at least one more (second) vector of quantized estimates of the modified modulation symbols, and at the third and fourth outputs, respectively, at least two vectors with the values of the corresponding quantization errors, the second, third and fourth outputs of the
Из полученных квантованных значений в узле 19 формирования кандидатских векторов формируют K (множество) кандидатских векторов. При этом сначала формируют кандидатские векторы в пространстве модифицированных символов модуляции, а затем их преобразуют к пространству исходных символов модуляции.From the obtained quantized values in the node 19 of the formation of candidate vectors form K (set) of candidate vectors. In this case, candidate vectors are first formed in the space of modified modulation symbols, and then they are converted to the space of the original modulation symbols.
Поскольку заявляемое изобретение (варианты) предусматривает два варианта выполнения квантования, рассмотрим их подробнее, при этом рассмотрим в сочетании с операцией формирования кандидатских векторов.Since the claimed invention (options) provides two options for performing quantization, we will consider them in more detail, while we consider in combination with the operation of forming candidate vectors.
Квантование элементов вектора по первому варианту и формирование кандидатских векторов осуществляют следующим образом (фиг.4 и 5).Quantization of vector elements according to the first embodiment, the formation of candidate vectors is as follows (Figs. 4 and 5).
Элемент 21 памяти (фиг.5) содержит множество реально-значных векторов символов модуляции. Данные векторы формируют в соответствии с выбранным видом модуляции, следующим образом.The memory element 21 (figure 5) contains many real-valued vectors modulation characters. These vectors are formed in accordance with the selected type of modulation, as follows.
Из символов s выбранного вида модуляции формируют всевозможные сочетания по N символов модуляции, как векторы si(i=1,…,mN). Например, при модуляции QPSK (m=4) символы модуляции принимают значения из множества {-1+1j, -1-1j, 1+1j, 1-1j}.All sorts of combinations of N modulation symbols are formed from the symbols s of the selected type of modulation, as the vectors s i (i = 1, ..., m N ). For example, in QPSK modulation (m = 4), the modulation symbols take values from the set {-1 + 1j, -1-1j, 1 + 1j, 1-1j}.
При N=2 передающих антеннах элемент памяти содержит mN=16 всевозможных 2-мерных векторов With N = 2 transmit antennas, a memory element contains m N = 16 all kinds of 2-dimensional vectors
Каждый вектор s из данного множества преобразуют к реально-значному вектору по формуле формируя таким образом множество реально-значных векторов символов модуляции, которое обозначим, как . Векторы данного множества записывают заранее в элемент 21 памяти. Поэтому сигнал записи векторов символов модуляции на вход элемента памяти показан на фиг.5 как внутренний сигнал узла квантования (т.е. сигнал предварительной записи). Однако возможно периодическое обновление записи векторов символов модуляции по сигналам синхронизации, которые, безусловно, в устройстве приема присутствуют. Но для концентрации внимания на изложении сути изобретения (основных соединений между блоками, узлами и элементами, непосредственно касающихся изобретения), с целью разгрузки иллюстрирующих изобретение фигур, соединения сигналов синхронизации не показаны на чертежах.Each vector s from a given set is converted to a real-valued vector by the formula thus forming a set of real-valued modulation symbol vectors, which we denote by . The vectors of this set are recorded in advance in the
Со второго входа узла квантования сигнал (матрица Т) поступает на вход элемента 20 инверсии матрицы, который осуществляет инверсию Т -1 матрицы редукции базиса решетки.From the second input of the quantization node, the signal (matrix T ) is fed to the input of the matrix inversion element 20, which performs the inversion T -1 of the matrix of the reduction of the lattice basis.
Выходной сигнал элемента 20 инверсии матрицы поступает на второй вход умножителя 22. По этому сигналу умножитель 22 считывает из элемента памяти векторы символов модуляции, которые поступают на его первый вход. В умножителе 22 каждый вектор из множества символов модуляции умножают слева на инверсию матрицы T -1 редукции базиса решетки: и таким образом формируют множество всевозможных векторов модифицированных символов модуляции (обозначенное далее как Z). Векторы множества Z с выхода умножителя 22 поступают на вход формирователя 23 квантованных значений.The output signal of the matrix inversion element 20 is supplied to the second input of the multiplier 22. According to this signal, the multiplier 22 reads vectors from the memory element modulation symbols that arrive at its first input. In the multiplier 22, each vector from the set modulation symbols are multiplied on the left by the inverse of the matrix T -1 of the reduction of the lattice basis: and in this way a variety of all kinds of vectors of modified modulation symbols (indicated below as Z) are formed. The vectors of the set Z from the output of the multiplier 22 are fed to the input of the shaper 23 of the quantized values.
В формирователе 23 квантованных значений из первых элементов всех векторов множества Z формируют Y1 - 1-е множество допустимых квантованных значений модифицированных символов модуляции, включая в это множество по одному экземпляру каждого из различных значений первых элементов векторов z∈Z.In the shaper 23 of the quantized values, from the first elements of all the vectors of the set Z, Y 1 - the 1st set of valid quantized values of the modified modulation symbols is formed, including in this set one copy of each of the different values of the first elements of the vectors z ∈ Z.
Аналогично формируют Y2 - 2-е множество допустимых квантованных значений модифицированных символов модуляции из вторых элементов всех векторов множества Z, и так далее. То есть, таким образом, формируют каждое n-е множество Yn допустимых квантованных значений модифицированных символов модуляции из n-х элементов всех векторов множества Z при n=1,…2N.Similarly form Y 2 - the 2nd set of valid quantized values of the modified modulation symbols from the second elements of all vectors of the set Z, and so on. That is, in this way, each nth set Y n of admissible quantized values of the modified modulation symbols is formed from n-elements of all vectors of the set Z with n = 1, ... 2N.
Сформированные множества Y1,…Y2N с выходов формирователя 23 допустимых квантованных значений поступают на вторые входы элемента 24 квантования, на первый вход которого поступает вектор оценок модифицированных символов модуляции.The generated sets Y 1 , ... Y 2N from the outputs of the shaper 23 of the admissible quantized values are supplied to the second inputs of the
В элементе 24 квантования для каждого n-го элемента , вектора определяют, по меньшей мере, по два квантованных значения (yQ1)n и (yQ2)n, как два значения из множества Yn, обеспечивающие наименьшие значения абсолютной погрешности квантования, определяемой как разность между квантованным и неквантованным значением, то естьIn
где Y'n множество Yn после исключения из него значения (yQ1)n,where Y ' n is the set Y n after excluding from it the value (y Q1 ) n ,
- значения абсолютной погрешности квантования, соответствующие квантованным значениям (yQ1)n и (yQ2)n.are the values of the absolute quantization error corresponding to the quantized values (y Q1 ) n and (y Q2 ) n .
Таким образом, определяют два вектора квантованных значенийThus, two vectors of quantized values are determined
y Q1=[(yQ1)1,…(yQ1)2N]T и y Q2=[(yQ2)1,…(yQ2)2N]T y Q1 = [(y Q1 ) 1 , ... (y Q1 ) 2N ] T and y Q2 = [(y Q2 ) 1 , ... (y Q2 ) 2N ] T
и два соответствующих вектора погрешностей квантования:d 1=[d1,1,…d1,2N]T и d 2=[d2,1,…d2,2N]T.and two corresponding quantization error vector: d 1 = [d 1,1 , ... d 1,2N ] T and d 2 = [d 2,1 , ... d 2,2N ] T.
Данные векторы квантованных значений и соответствующих погрешностей квантования являются результатом операции квантования.These vectors of quantized values and corresponding quantization errors are the result of a quantization operation.
Векторы y Q1, у Q2 квантованных значений и векторы соответствующих погрешностей квантования d 1, d 2 поступают, соответственно, на первый, второй, третий и четвертый выходы элемента 24 квантования, которые одновременно являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами узла 16 квантования.The vectors y Q1, at Q2 of quantized values and the vectors corresponding to the error quantizing d 1, d 2 received respectively at the first, second, third and
С выхода узла 16 векторы квантованных значений и векторы соответствующих погрешностей квантования поступают соответственно на второй, третий, четвертый и пятый входы узла 19 формирования кандидатских векторов.From the output of node 16, the vectors of quantized values and the vectors of the corresponding quantization errors are received respectively at the second, third, fourth, and fifth inputs of the node 19 for forming candidate vectors.
В узле 19 формирования кандидатских векторов определяют К векторов u с наименьшими значениями погрешности квантования. Это выполняют, например, следующим образом.In the node 19 of the formation of candidate vectors determine K vectors u with the smallest values of the quantization error. This is done, for example, as follows.
Из векторов у Q1, и у Q2 квантованных значений формируют всевозможные векторы u, у которых каждый n-й элемент un принимает одно из двух значений {(уQ1)n, (уQ2)n}, где (уQ1), (yQ2) - n-е элементы векторов у Q1 и y Q2 соответственно.From the vectors in Q1, and Q2 quantized values form all possible vectors u, where each n-th u n element adopts one of two values {(at Q1) n, (at Q2) n}, where (in Q1), ( y Q2 ) are the nth elements of the vectors of Q1 and y Q2, respectively.
Для каждого из сформированных таким образом векторов u формируют соответствующее значение погрешности квантования D(u). Причем погрешность квантования определяют, как любую монотонную функцию (например, квадрат) от эвклидова расстояния между вектором вектором u.For each of the vectors u thus formed, a corresponding quantization error value D ( u ) is generated. Moreover, the quantization error is determined as any monotonic function (for example, a square) from the Euclidean distance between the vector vector u .
Возможны и другие варианты определения погрешности квантования, например, как суммарной абсолютной погрешности:There are other options for determining the quantization error, for example, as the total absolute error:
Из векторов u выбирают К<=mN векторов, для которых значения погрешности квантования D(u) минимальны.From the vectors u choose K <= m N vectors for which the values of the quantization error D ( u ) are minimal.
Каждый из К полученных векторов u умножают слева на матрицу Т, то есть r=Tu.Each of the K vectors u obtained is multiplied on the left by the matrix T , that is, r = Tu .
Элементы полученных векторов r, которые не принадлежат множеству всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции, заменяют наиболее близким по величине значением из данного множества. Для многих видов модуляции, имеющих равномерную сетку допустимых значений квадратурных компонент символов модуляции, эта операция может быть выполнена, как операция ограничения в соответствии с формулойElements of the obtained vectors r , which do not belong to the set of all possible values of the quadrature components of the symbols of the selected type of modulation, are replaced by the closest value from the given set. For many types of modulation having a uniform grid of admissible values of the quadrature components of modulation symbols, this operation can be performed as a restriction operation in accordance with the formula
где i=1,…2N, amax и amax максимальное и, соответственно, минимальное значение из всевозможных значений a квадратурных компонент символов модуляции. Таким образом, формируют множество действительных (реально-значных) кандидатских векторов.where i = 1, ... 2N, a max and a max is the maximum and, accordingly, the minimum value from all possible values of a quadrature components of modulation symbols. Thus, many valid (real-valued) candidate vectors are formed.
Каждый из полученных таким образом действительных кандидатских векторов r преобразуют в кандидатский вектор по формулеEach of the valid candidate vectors r thus obtained is converted into a candidate vector according to the formula
где r1, r2 - N-мерные векторы, составленные из первой и второй половины элементов кандидатского вектора r соответственно, - мнимая единица.where
Сформированные, таким образом, К кандидатских векторов поступают на выход узла формирования кандидатских векторов 19.Thus formed, To the candidate vectors go to the output of the node forming the candidate vectors 19.
Квантование и формирование кандидатских векторов по второму варианту (фиг.4 и 6) осуществляют следующим образом.The quantization and formation of candidate vectors according to the second embodiment (Figs. 4 and 6) is carried out as follows.
Элемент 25 памяти (фиг.6) содержит предварительно записанные в него коэффициент масштабирования α и величину сдвига b символов модуляции. Поэтому сигнал записи на вход элемента 25 памяти показан на фиг.6 как внутренний сигнал узла квантования (т.е. сигнал предварительной записи). Однако возможно периодическое обновление записи по сигналам синхронизации, которые, безусловно, в устройстве приема присутствуют, но для простоты изложения не показаны на чертежах.The memory element 25 (Fig. 6) contains a scaling factor α and a shift amount b of modulation symbols previously recorded therein. Therefore, the write signal to the input of the
Значения α и b зависят от вида модуляции и определяются по множеству возможных значений квадратурных компонент символов модуляции а. Значения α и b выбираются таким образом, чтобы в результате линейного преобразования a'=αa+β множество преобразованных значений а' квадратурных компонент символов модуляции представляло последовательность целых чисел, в которой каждое последующее целое число на единицу больше, чем предыдущее.The values of α and b depend on the type of modulation and are determined by the set of possible values of the quadrature components of the modulation symbols a. The values of α and b are chosen so that, as a result of the linear transformation a '= αa + β, the set of converted values a' of the quadrature components of the modulation symbols represents a sequence of integers in which each subsequent integer is one more than the previous one.
Например, множество всевозможных значений квадратурных компонент а символов модуляции 16QAM представляет собой {-3, -1, 1, 3}. При α=0.5 и b=0.5 линейное преобразование a'=αa+β приводит данное множество к множеству: {-1, 0, 1, 2}. Такое преобразование позволяет квантование значений элементов вектора заменить округлением элементов преобразованного вектора у до ближайшего целого числа.For example, the set of all possible values of the quadrature components and 16QAM modulation symbols is {-3, -1, 1, 3}. For α = 0.5 and b = 0.5, the linear transformation a '= αa + β leads this set to the set: {-1, 0, 1, 2}. Such a transformation allows the quantization of the values of the elements of the vector replace by rounding the elements of the transformed vector y to the nearest integer.
В формирователе 26 вектора сдвига по сигналам, поступившим на его первый и второй входы (соответственно со второго входа узла квантования и первого выхода элемента 25 памяти), формируют вектор b сдвига по формуле b=βT -1 1, где 1 - это 2N-мерный вектор единиц. Сформированный вектор сдвига b с выхода формирователя 26 вектора сдвига поступает на второй вход элемента 27 линейного преобразования, на первый вход которого поступает коэффициент масштабирования α со второго выхода элемента 25 памяти, а на третий вход - значения элементов вектора с первого входа узла 16 квантования.In the
В элементе 27 линейного преобразования формируют преобразованный вектор у оценок модифицированных символов модуляции по формуле: у=α·z+b.In the element 27 of the linear transformation form the converted vector for the estimates of the modified modulation symbols according to the formula: y = α · z + b .
Преобразованный вектор у оценок модифицированных символов модуляции с выхода элемента 27 линейного преобразования поступает на вход элемента 28 округления.The transformed vector of the estimates of the modified modulation symbols from the output of the linear transformation element 27 is fed to the input of the rounding
В элементе 28 округленияIn rounding
- выполняют округление каждого из элементов полученного вектора у до ближайшего целого числа, определяя, таким образом, вектор у Q1 первых квантованных значений, и определяют вектор d 1 соответствующих значений ошибки квантования по формулам:- rounding operate each element of the resulting vector y to the nearest whole number, thereby determining the vector y of the first quantized value Q1, and determining the vector d 1 error values corresponding to the quantization by the formulas:
y Q1=round(y), y Q1 = round ( y ),
- определяют второй вектор квантованных значений у Q2, а также второй вектор d 2 соответствующих значений ошибки квантования, по формулам: y Q2=y Q1-sign(y Q1-y), - determine the second vector of quantized values of Q2 , as well as the second vector d 2 of the corresponding values of the quantization error, by the formulas: y Q2 = y Q1 -sign ( y Q1 - y ),
где .Where .
Векторы y Q1, y Q2, d 1, d 2 являются результатами операции квантования.The vectors y Q1 , y Q2 , d 1 , d 2 are the results of the quantization operation.
Векторы квантованных значений y Q1, y Q2 и векторы d 1, d 2 соответствующих погрешностей квантования поступают соответственно с первого, второго, третьего и четвертого выходов элемента 28 округления на первый, второй, третий и четвертый выходы узла 16 квантования.The vectors of the quantized values y Q1 , y Q2 and the vectors d 1 , d 2 of the corresponding quantization errors come respectively from the first, second, third and fourth outputs of the rounding
С первого, второго, третьего и четвертого выходов узла 16 квантования векторы квантованных значений y Q1, y Q2 и векторы d 1, d 2 соответствующих погрешностей квантования поступают соответственно на второй, третий, четвертый и пятый входы узла 19 формирования кандидатских векторов.From the first, second, third, and fourth outputs of the quantization unit 16, the vectors of quantized values y Q1 , y Q2 and the vectors d 1 , d 2 of the corresponding quantization errors are supplied to the second, third, fourth, and fifth inputs of the candidate vector generation unit 19, respectively.
В узле 19 формирования кандидатских векторов определяют К векторов u, имеющих наименьшие значения суммарной погрешности квантования. Это выполняют с использованием векторов квантованных значений y Q1, y Q2 и векторов d 1, d 2 соответствующих погрешностей квантования аналогично соответствующей процедуре, описанной для первого варианта способа. Из сформированных К векторов u формируют кандидатские векторы путем выполнения следующих операций.In the node 19 for the formation of candidate vectors, K vectors u are determined having the smallest values of the total quantization error. This is done using the vectors of quantized values of y Q1 , y Q2 and vectors d 1 , d 2 of the corresponding quantization errors, similarly to the corresponding procedure described for the first variant of the method. Candidate vectors are formed from the generated K vectors u by performing the following operations.
1) Каждый вектор u квантованных оценок модифицированных символов модуляции преобразуют по формуле1) Each vector u of quantized estimates of the modified modulation symbols is transformed by the formula
2) Выполняют операцию ограничения элементов каждого из полученных векторов r в соответствии с формулой (27) и формируют, таким образом, действительные кандидатские векторы r.2) The operation of restricting the elements of each of the obtained vectors r is performed in accordance with formula (27) and, thus, the real candidate vectors r are formed .
3) Каждый из полученных таким образом действительных кандидатских векторов r преобразуют в кандидатский вектор v по формуле (28).3) Each of the actual candidate vectors r obtained in this way is transformed into the candidate vector v by the formula (28).
Сформированные, таким образом, K кандидатских векторов поступают на выход узла 19 формирования кандидатских векторов, с выхода которого поступают соответственно на первый вход узла 18 оценки двоичных символов (фиг.4), на второй вход которого поступил сигнал с первого сигнального входа блока 11 демодуляции, на третий вход поступил сигнал оценки канальной матрицы, на четвертый вход - сигнал оценки значений дисперсии шума каналов приема.Thus formed, K candidate vectors are fed to the output of the candidate vector forming unit 19, the output of which is respectively sent to the first input of the binary symbol evaluation unit 18 (Fig. 4), the second input of which received a signal from the first signal input of the
В узле 18 оценки двоичных символов, используя K сформированных кандидатских векторов, оценивают последовательность двоичных символов информационного сообщения.At the
Возможны два варианта работы узла 18 оценки двоичных символов. Первый вариант аналогичен прототипу и состоит в формировании только жестких оценок двоичных символов. Он подходит для случаев жесткого декодирования или полного отсутствия кодирования в системе связи. Однако и в этом варианте заявляемый способ дает существенный выигрыш относительно прототипа.There are two options for the operation of the
Второй вариант включает формирование мягких оценок двоичных символов. Данный вариант позволяет получить наиболее высокую помехоустойчивость связи.The second option includes the formation of soft estimates of binary characters. This option allows you to get the highest noise immunity of the connection.
В первом варианте последовательность двоичных символов передаваемого информационного сообщения оценивают таким образом, что формируют вектор оценок N символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, как кандидатский вектор, для которого решающая функция минимальна, то естьIn the first embodiment, the sequence of binary symbols of the transmitted information message is evaluated in such a way that a vector is formed estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals, as a candidate vector for which the decisive function minimal, i.e.
где - норма вектора.Where is the norm of the vector.
После этого выполняют демодуляцию вектора оценок N символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, в соответствии с заданным видом модуляции, формируя, таким образом, оценки двоичных символов передаваемого информационного сообщения.After that, vector demodulation is performed. estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals in accordance with a predetermined type of modulation, thereby forming binary symbol estimates of the transmitted information message.
Во втором варианте последовательность двоичных символов передаваемого информационного сообщения оценивают таким образом, что формируют мягкие оценки двоичных символов информационного сообщения, причем мягкую оценку Bn,i i-го двоичного символа, передаваемого с помощью n-го информационного сигнала, формируют, как:In the second embodiment, the sequence of binary symbols of the transmitted informational message is evaluated in such a way that soft estimates of the binary symbols of the informational message are generated, and the soft estimate Bn, i of the i-th binary symbol transmitted by the nth information signal is formed as:
где х - комплексный вектор принимаемого сигнала, s - символ модуляции, vk,j - j-й элемент k-го кандидатского вектора v k, , - взаимоисключающие подмножества множества символов модуляции, которым соответствует i-й двоичный символ равный +1 и -1 соответственно, σ2 - дисперсия помехи каждой из М компонент многокомпонентного сигнала, h n - n-й столбец комплексной канальной матрицы Н,where x is the complex vector of the received signal, s is the modulation symbol, v k, j is the jth element of the kth candidate vector v k , , - mutually exclusive subsets of the set of modulation symbols that correspond to the i-th binary symbol equal to +1 and -1, respectively, σ 2 is the interference variance of each of the M components of the multicomponent signal, h n is the nth column of the complex channel matrix H ,
формируют жесткие оценки двоичных символов информационного сообщения, причем жесткую оценку b каждого двоичного символа формируют по мягкой оценке В данного символа по формулеform strict estimates of the binary symbols of the information message, moreover, a hard estimate b of each binary symbol is formed by a soft estimate of a given symbol in the formula
сформированные жесткие и мягкие оценки двоичных символов соответственно с первого и второго выходов узла оценки двоичных символов поступают соответственно на первый и второй выходы блока 11 демодуляции.the hard and soft binary symbol estimates generated, respectively, from the first and second outputs of the binary symbol evaluation node are received respectively at the first and second outputs of the
С первого и второго выходов блока 11 демодуляции жесткие и мягкие оценки двоичных символов поступают соответственно на первый и второй входы блока 12 принятия решения.From the first and second outputs of the
В блоке 12 принятия решения по сформированным жестким и мягким оценкам двоичных символов принимают решение о переданном информационном сообщении путем выполнения операций, обратных тем, что выполнялись в блоке кодирования передатчика. Например, если в блоке кодирования выполнялось кодирование и перемежение потока двоичных символов исходного сообщения, то в блоке принятия решения выполняют деперемежение и декодирование потока двоичных символов с использованием полученных жестких и мягких оценок двоичных символов, восстанавливая, таким образом, поток двоичных символов переданного сообщения. Выходной сигнал блока 12 принятия решения является выходным сигналом устройства.In
Для оценки характеристик помехоустойчивости приема способом заявляемого изобретения было выполнено компьютерное моделирование. При этом оценивалась зависимость частоты битовых ошибок BER (bit error rate) от EB/N0 - отношения энергии бита сигнала EB к спектральной плотности мощности шума N0. Данная зависимость оценивалась для способа заявляемого изобретения, способа прототипа, алгоритма максимального правдоподобия (MLA) и алгоритма минимума среднеквадратической ошибки (MMSE).To assess the noise immunity characteristics of the reception by the method of the claimed invention, computer simulation was performed. In this case, we evaluated the dependence of the bit error rate BER (bit error rate) on E B / N 0 - the ratio of the bit energy of the signal E B to the noise power spectral density N 0 . This dependence was evaluated for the method of the claimed invention, the prototype method, the maximum likelihood algorithm (MLA) and the minimum mean square error algorithm (MMSE).
Условия моделирования. Количество передающих и приемных антенн N=4, M=4. Вид модуляции QPSK. Сверточное кодирование с параметрами К=9, скорость кодирования 1/2, размер кодового блока 192 бит. Канал связи с белым Гауссовским шумом и Релеевским федингом, при этом канальная матрица Н представляет собой множество независимых комплексных случайных величин с Гауссовским распределением нулевым средним и единичной дисперсией.Simulation conditions. The number of transmitting and receiving antennas N = 4, M = 4. Type of QPSK modulation. Convolutional coding with parameters K = 9,
Результаты представлены графически на фиг.9. Из графиков видно, что прототип имеет преимущество по помехоустойчивости относительно MMSE только в области высоких значений отношения сигнала к шуму (ЕВ/N0>=6 дБ).The results are presented graphically in FIG. 9. From the graphs it can be seen that the prototype has an advantage in noise immunity relative to MMSE only in the region of high signal-to-noise ratios (Е В / N 0 > = 6 dB).
Видно также существенное преимущество по помехоустойчивости способа заявляемого изобретения. На уровне BER=0,001 энергетический выигрыш относительно прототипа составляет ≈6 дБ.You can also see a significant advantage in noise immunity of the method of the claimed invention. At the level of BER = 0.001, the energy gain relative to the prototype is ≈6 dB.
Данное преимущество достигается за счет многовариантного квантования и формирования нескольких кандидатских векторов, а также за счет мягкого декодирования, выполняемого с использованием сформированных метрик мягких решений.This advantage is achieved due to multivariate quantization and the formation of several candidate vectors, as well as due to soft decoding performed using the generated metrics of soft solutions.
Сравнение по сложности предложенного изобретения, прототипа и алгоритма максимального правдоподобия может быть сделано путем определения асимптотической оценки количества вычислительных операций, необходимых для приема одного пакета одновременно передаваемых информационных сигналов. С использованием результатов оценки сложности процедуры редукции базиса решетки (см. Wai Но Mow, "Universal Lattice Decoding: Principle and Recent Advances," Dept. of EEE, Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Hong Kong S.A.R., CHINA, available: http://www.ee.ust.hk/~eewhmow/download [18]), мы получили следующую оценку количества вычислительных операций, необходимых для реализации рассматриваемых алгоритмов.A comparison of the complexity of the proposed invention, prototype and maximum likelihood algorithm can be made by determining the asymptotic estimate of the number of computational operations necessary to receive one packet of simultaneously transmitted information signals. Using the results of complexity assessment of the lattice basis reduction procedure (see Wai No Mow, "Universal Lattice Decoding: Principle and Recent Advances," Dept. of EEE, Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Hong Kong SAR, CHINA, available: http://www.ee.ust.hk/~eewhmow/download [18]), we got the following estimate of the number of computational operations needed to implement the algorithms in question.
L·2LN·O(N3) - для алгоритма максимального правдоподобия,L · 2 LN · O (N 3 ) - for the maximum likelihood algorithm,
O(N3·M+N4)+K·2L·L·O(M·N2+M·N) - для предлагаемого способа,O (N 3 · M + N 4 ) + K · 2 L · L · O (M · N 2 + M · N) - for the proposed method,
О(N3·M+N4) - для прототипа,About (N 3 · M + N 4 ) - for the prototype,
где N, М - количество передающих и приемных антенн соответственно, К - количество кандидатских векторов заявляемого способа, L - количество бит на символ модуляции, выражение O(nkmp) обозначает полиномиальную функцию от n и m, причем nkmp определяет слагаемое полинома наивысшей степени.where N, M are the number of transmitting and receiving antennas, respectively, K is the number of candidate vectors of the proposed method, L is the number of bits per modulation symbol, the expression O (n k m p ) denotes a polynomial function of n and m, and n k m p defines term of the polynomial of the highest degree.
Из данных оценок видно, что алгоритм MLA имеет наиболее высокую - экспоненциальную относительно L и N - сложность. Предлагаемый алгоритм имеет более низкую сложность - полиномиальную относительно количества антенн.These estimates show that the MLA algorithm has the highest - exponential with respect to L and N - complexity. The proposed algorithm has a lower complexity - polynomial with respect to the number of antennas.
Количество кандидатских векторов К определяет качество демодуляции заявляемого способа, но при этом, как правило, выполняется условие К=2LN, где 2LN - множество векторов поиска решения методом MLA. Поэтому сложность предлагаемого алгоритма существенно ниже сложности MLA. Сложность предлагаемого алгоритма превышает вычислительную сложность прототипа на величину К·2L·L·O(M·N2+M·N), которая определяется операциями формирования кандидатских векторов и метрик мягких решений.The number of candidate vectors K determines the quality of demodulation of the proposed method, but, as a rule, the condition K = 2 LN is fulfilled, where 2 LN is the set of solution search vectors by the MLA method. Therefore, the complexity of the proposed algorithm is significantly lower than the complexity of the MLA. The complexity of the proposed algorithm exceeds the computational complexity of the prototype by the value of K · 2 L · L · O (M · N 2 + M · N), which is determined by the operations of generating candidate vectors and soft decision metrics.
Грубая оценка количества операций комплексного умножения, необходимых для демодуляции пакета одновременно передаваемых информационных сигналов, при NT=NR=4, L=4 (модуляция 16-QAM), К=12, дает следующий результат.A rough estimate of the number of complex multiplication operations needed to demodulate a packet of simultaneously transmitted information signals, with N T = N R = 4, L = 4 (16-QAM modulation), K = 12, gives the following result.
Данный пример показывает, что в системе с 4 приемными и передающими антеннами при использовании модуляции 16-QAM алгоритм MLA должен выполнить очень большое количество операций комплексного умножения: 5200000. В то же время, для реализации предлагаемого изобретения необходимое количество аналогичных операций существенно ниже 76000, что существенно снижает сложность реализации.This example shows that in a system with 4 receiving and transmitting antennas when using 16-QAM modulation, the MLA algorithm must perform a very large number of complex multiplication operations: 5200000. At the same time, for the implementation of the invention, the required number of similar operations is significantly lower than 76000, which significantly reduces implementation complexity.
Таким образом, способ и устройство заявляемого изобретения могут быть использованы в системе связи MIMO.Thus, the method and apparatus of the claimed invention can be used in a MIMO communication system.
Этим не ограничиваются возможности использования данного предлагаемого изобретения. Например, для каналов связи с широкой полосой, где возникает проблема частотной селективности, весьма переспективным является использование технологии MIMO в сочетании с ортогональным частотным разделением (OFDM - orthogonal frequency-division multiplexing) (см. стандарт для систем радиосвязи IEEE Р802.16-REVd/D5-2004 Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 2004 [19]). В этом случае алгоритм демодуляции, соответствующий представленному способу приема многокомпонентного сигнала, используется в каждом из ортогональных частотных подканалов. При этом в приемном устройстве блок 11 демодуляции (фиг.2) реализуется в канале каждой из поднесущих частот.This is not limited to the possibility of using the present invention. For example, for communication channels with a wide band where the problem of frequency selectivity arises, it is very promising to use MIMO technology in combination with orthogonal frequency division division (OFDM) (see IEEE P802.16-REVd / standard for radio communication systems D5-2004 Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 2004 [19]). In this case, the demodulation algorithm corresponding to the presented method for receiving a multi-component signal is used in each of the orthogonal frequency subchannels. Moreover, in the receiving device, the demodulation unit 11 (Fig. 2) is implemented in the channel of each of the subcarrier frequencies.
Таким образом, заявляемая группа изобретений - способ и устройство (варианты) позволяет,Thus, the claimed group of inventions - the method and device (options) allows
во-первых, повысить помехоустойчивость приема, так как выбор нескольких векторов квантованных оценок позволяет компенсировать ошибки детектирования, связанные с квантованием при высоком уровне шума;firstly, to increase the noise immunity of the reception, since the choice of several vectors of quantized estimates makes it possible to compensate for the detection errors associated with quantization at a high noise level;
во-вторых, дает возможность сформировать метрики для эффективного мягкого декодирования двоичных символов передаваемого сообщения и тем самым получить наиболее высокую помехоустойчивость. В целом, при относительно невысокой сложности реализации алгоритм позволяет реализовать помехоустойчивость, весьма близкую к помехоустойчивости оптимального алгоритма (алгоритма максимального правдоподобия).secondly, it makes it possible to form metrics for effective soft decoding of binary symbols of the transmitted message and thereby obtain the highest noise immunity. In general, with the relatively low complexity of the implementation, the algorithm allows one to realize noise immunity very close to the noise immunity of the optimal algorithm (maximum likelihood algorithm).
Поэтому заявляемая группа изобретений, созданных в едином изобретательском замысле, позволяет повысить помехоустойчивость приема многокомпонентного сигнала, как в системе радиосвязи без кодирования, так и в системе радиосвязи с кодированием при мягком и жестком декодировании.Therefore, the claimed group of inventions created in a single inventive concept, allows to increase the noise immunity of receiving a multi-component signal, both in a radio communication system without encoding and in a radio communication system with encoding with soft and hard decoding.
Claims (21)
где - вектор символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам,
- -вектор помех М каналов приема,
преобразуют канальную матрицу в матрицу G, характеризующуюся заведомо низким числом обусловленности, для чего путем редукции базиса решетки матрицы формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, и формируют модифицированную канальную матрицу G, как произведение определяют вектор z модифицированных символов модуляции как и оценивают его, используя канальную матрицу G и вектор принимаемого сигнала, формируя таким образом вектор оценок модифицированных символов модуляции, используя вектор оценок модифицированных символов модуляции и матрицу Т, формируют К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, где K≤mN, для чего выполняют квантование вектора оценок модифицированных символов модуляции, определяя для каждого элемента этого вектора квантованные значения, как модифицированные символы модуляции, формируя из этих квантованных значений векторы u, каждый из которых представляет собой совокупность квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и определяют К векторов u с наименьшими значениями погрешности квантования, каждый из К векторов u умножают слева на матрицу Т, формируя вектор r
r=Tu,
элементы полученных векторов r, которые не принадлежат множеству всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции, заменяют наиболее близким по величине значением из данного множества, формируя, таким образом, К действительных кандидатских векторов r, каждый из полученных К действительных кандидатских векторов преобразуют в кандидатский вектор по формуле
v=r1+j·r2,
где r1, r2 - N-мерные векторы, составленные из первой и второй половины элементов кандидатского вектора r, соответственно, - мнимая единица, используя К сформированных кандидатских векторов, оценивают последовательность двоичных символов, и по результатам оценки принимают решение о переданном информационном сообщении.1. A method of receiving a multicomponent signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels, in which each of the M components of the multicomponent signal received on its corresponding reception channel is an additive mixture of N information signals, each of which is transmitted on its corresponding channel transmission, and interference, while each of the N information signals corresponds to L binary symbols of the transmitted information message, takes one of m = 2 L values corresponding to m symbols selected This type of modulation, and is included in each of the M components of a multicomponent signal with a weight coefficient reflecting the transmission coefficient of the spatial channel formed by the transmission channel of this information signal and the reception channel of this component of the multicomponent signal, and it is believed that the transmission coefficients of spatial channels and interference dispersion values are M the reception channels are known or pre-evaluated, namely, that form a vector the received multicomponent signal, form a channel matrix using the transmission coefficients of the spatial channels, so that between the vector the received multicomponent signal and the channel matrix, the relation
Where is a vector of modulation symbols corresponding to N information signals,
- - interference vector M reception channels,
transform the channel matrix into a matrix G , characterized by a knowingly low condition number, for which, by reducing the matrix lattice basis form an integer matrix T with a determinant equal to ± 1, and form a modified channel matrix G , as the product define the vector z of modified modulation symbols as and evaluate it using the channel matrix G and the vector received signal, thus forming a vector estimates of modified modulation symbols using a vector estimates of the modified modulation symbols and the matrix T , form K candidate vectors, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signals, where K≤m N , for which the vector is quantized estimates of modified modulation symbols, defining quantized values for each element of this vector as modified modulation symbols, forming vectors u from these quantized values, each of which is a set of quantized estimates of modified modulation symbols, and determine K vectors u with the smallest quantization error values, each of the K vectors u is multiplied on the left by the matrix T , forming the vector r
r = Tu
the elements of the obtained vectors r , which do not belong to the set of all possible values of the quadrature components of the symbols of the selected modulation type, are replaced by the closest value from the given set, thereby forming K real candidate vectors r , each of the received K real candidate vectors is converted into a candidate vector according to the formula
v = r 1 + j · r 2,
where r 1, r 2 - N-dimensional vectors composed of the first and second half of the elements of the candidate vector r , respectively, - an imaginary unit, using K generated candidate vectors, evaluate the sequence of binary characters, and according to the results of the assessment, they decide on the transmitted information message.
где Re х, Im х - векторы, образованные из действительных и мнимых частей элементов вектора х, соответственно.2. The method according to claim 1, characterized in that the vector the received signal is formed by taking each of the M components of the multicomponent signal, determining for each of them a complex number whose module reflects the amplitude, and the argument is the phase of this component, forming from the complex numbers M-dimensional complex vector x of the received signal, and transforming this vector to the 2M-dimensional vector of the received signal by the formula
where Re x , Im x are vectors formed from the real and imaginary parts of the elements of the vector x , respectively.
где ReH и ImH - матрицы, образованные, соответственно, из действительных и мнимых частей элементов матрицы Н.3. The method according to claim 1, characterized in that the channel matrix form in such a way that from the coefficients h i, j the transmission of spatial channels, each of which is a complex number, with a module and an argument reflecting the change, respectively, in the amplitude and phase of the j-th information signal received in the 1st reception channel, when it propagates through the corresponding spatial channel, a complex channel matrix H is formed , which is converted into a channel matrix according to the formula
where Re H and Im H are matrices formed, respectively, from the real and imaginary parts of the elements of the matrix H.
где(.)-1 - символ инверсии матрицы, (.)' - символ транспонирования.5. The method according to claim 1, characterized in that the vector estimates of the modified modulation symbols are formed by the formula
where (.) -1 is the matrix inversion symbol, (.) 'is the transpose symbol.
где (.)-1 - символ инверсии матрицы, (.)' - символ транспонирования, - вектор принимаемого сигнала, расширенный снизу 2М-мерным вектором нулей 0.6. The method according to claim 1, characterized in that the vector estimates of the modified modulation symbols are formed by the formula
where (.) -1 is the matrix inversion symbol, (.) 'is the transpose symbol, is the vector of the received signal, extended from below by a 2M-dimensional vector of zeros 0 .
где - норма вектора,
выполняют демодуляцию вектора оценок N символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, в соответствии с заданным видом модуляции, формируя таким образом оценки двоичных символов передаваемого информационного сообщения.8. The method according to claim 1, characterized in that the sequence of binary characters of the information message is evaluated in such a way that a vector is formed estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals, as a vector v from K candidate vectors, for which the decisive function minimal, i.e.
Where is the norm of the vector,
perform vector demodulation estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals in accordance with a predetermined type of modulation, thereby forming binary symbol estimates of the transmitted information message.
,
где x - комплексный вектор принимаемого сигнала, s - символ модуляции, νk,j - j-й элемент k-го кандидатского вектора ν k, , - взаимоисключающие подмножества множества символов модуляции, которым соответствует i-й двоичный символ равный +1 и -1, соответственно, σ2 - дисперсия помехи каждой из М компонент многокомпонентного сигнала, hn - n-й столбец комплексной канальной матрицы Н, формируют жесткие оценки двоичных символов информационного сообщения, причем жесткую оценку b каждого двоичного символа формируют по мягкой оценке В данного символа по формуле
сформированные мягкие и жесткие оценки двоичных символов, используют как результат оценки.9. The method according to claim 1, characterized in that the sequence of binary characters of the transmitted informational message is evaluated in such a way that they form soft estimates of the binary characters of the informational message, moreover, a soft estimate In n, i of the i-th binary character transmitted using the nth information signal, form how
,
where x is the complex vector of the received signal, s is the modulation symbol, ν k, j is the jth element of the kth candidate vector ν k , , - mutually exclusive subsets of the set of modulation symbols that correspond to the i-th binary symbol equal to +1 and -1, respectively, σ 2 is the interference variance of each of the M components of the multicomponent signal, h n is the nth column of the complex channel matrix H , form tight estimates binary symbols of the information message, moreover, a hard estimate b of each binary symbol is formed by a soft estimate B of this symbol by the formula
soft and hard binary symbol estimates formed are used as a result of the evaluation.
где - вектор символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, - вектор помех М каналов приема, преобразуют канальную матрицу , в матрицу G, характеризующуюся заведомо низким числом обусловленности, для чего путем редукции базиса решетки матрицы формируют целочисленную матрицу Т с определителем, равным ±1, и формируют модифицированную канальную матрицу G, как произведение определяют вектор z модифицированных символов модуляции как и оценивают его, используя канальную матрицу G и вектор принимаемого сигнала, формируя, таким образом, вектор оценок модифицированных символов модуляции, используя вектор оценок модифицированных символов модуляции и матрицу Т, формируют К кандидатских векторов, каждый из которых представляет собой совокупность оценок N символов модуляции, соответствующих N переданным информационным сигналам, где К≤mN, для чего определяют множество всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции и для них определяют коэффициент масштабирования α и величину сдвига β таким образом, чтобы в результате линейного преобразования каждого элемента а этого множества а'=αа+β множество преобразованных значений а' представляло последовательность целых чисел, в которой каждое последующее целое число на единицу больше, чем предыдущее, вычисляют вектор сдвига для вектора оценок модифицированных символов модуляции по формуле
b=T -1β1,
где 1 - 2N-мерный вектор единиц,
используя коэффициент масштабирования α и вектор сдвига b, выполняют линейное преобразование вектора оценок модифицированных символов модуляции по формуле
получая вектор у, выполняют округление каждого из элементов полученного вектора у до ближайшего целого числа, определяя, таким образом, вектор первых квантованных значений
y Q1=round(y),
и определяют вектор соответствующих значений ошибки квантования
d 1=y Q1-y,
определяют второй вектор квантованных значений,
y Q2=y Q1-sign(d 1),
а также второй вектор соответствующих значений ошибки квантования
d 2=y Q2-y,
используя векторы квантованных значений y q1, y Q2, и векторы d 1, d 2 соответствующих ошибок квантования, формируют различные векторы u, каждый из которых представляет собой совокупность квантованных оценок модифицированных символов модуляции, и определяют К векторов u, имеющих наименьшие значения суммарной погрешности квантования, каждый из К векторов и преобразуют по формуле
элементы полученных векторов r, которые не принадлежат множеству всевозможных значений квадратурных компонент символов выбранного вида модуляции, заменяют наиболее близким по величине значением из данного множества, формируя, таким образом, К действительных кандидатских векторов, каждый из полученных таким образом К действительных кандидатских векторов преобразуют в кандидатский вектор по формуле
v=r1+j·r2,
где r1, r2 - N-мерные векторы, составленные из первой и второй половины элементов вектора r, - мнимая единица, используя К сформированных кандидатских векторов, оценивают последовательность двоичных символов, и по результатам оценки принимают решение о переданном информационном сообщении.11. A method for receiving a multicomponent signal in a radio communication system with N transmission channels and M reception channels, in which each of the M components of the multicomponent signal received on its corresponding reception channel is an additive mixture of N information signals, each of which is transmitted on its corresponding channel transmission, and interference, wherein each of the N data signals corresponding to L symbols transmitted binary information message takes one of the m = 2 L values corresponding to the selected symbols m This type of modulation, and is included in each of the M components of a multicomponent signal with a weight coefficient reflecting the transmission coefficient of the spatial channel formed by the transmission channel of this information signal and the reception channel of this component of the multicomponent signal, and it is believed that the transmission coefficients of spatial channels and interference dispersion values are M the reception channels are known or pre-evaluated, namely, that form a vector the received multicomponent signal, form a channel matrix using the transmission coefficients of the spatial channels, so that between the vector the received multicomponent signal and the channel matrix, the relation
Where is a vector of modulation symbols corresponding to N information signals, - interference vector M receive channels, transform the channel matrix into the matrix G , which is characterized by a knowingly low condition number, for which, by reducing the lattice basis of the matrix form an integer matrix T with a determinant equal to ± 1, and form a modified channel matrix G , as the product define the vector z of modified modulation symbols as and evaluate it using the channel matrix G and the vector received signal, thus forming a vector estimates of modified modulation symbols using a vector of estimates of the modified modulation symbols and the matrix T , form K candidate vectors, each of which is a set of estimates of N modulation symbols corresponding to N transmitted information signals, where K≤m N , for which a set of all possible values of quadrature components of symbols of the selected type of modulation is determined and for they determine the scaling factor α and the shift value β so that, as a result of a linear transformation of each element a of this set a '= αa + β, the set of transforms Of the given values a 'was a sequence of integers in which each subsequent integer is one more than the previous one, the shift vector for the vector is calculated estimates of modified modulation symbols according to the formula
b = T -1 β 1 ,
where 1 - 2N-dimensional vector of units,
using the scaling factor α and the shift vector b , linear transformation of the vector is performed estimates of modified modulation symbols according to the formula
getting the vector y , rounding off each of the elements of the obtained vector y to the nearest integer, thus determining the vector of the first quantized values
y Q1 = round ( y ),
and determining a vector of corresponding quantization error values
d 1 = y Q1 - y ,
determine the second vector of quantized values,
y Q2 = y Q1 -sign ( d 1 ),
as well as a second vector of corresponding quantization error values
d 2 = y Q2 - y ,
using the vectors of quantized values y q1 , y Q2 , and vectors d 1 , d 2 of the corresponding quantization errors, form different vectors u , each of which is a set of quantized estimates of the modified modulation symbols, and determine K vectors u having the smallest values of the total quantization error , each of the K vectors and transform by the formula
the elements of the obtained vectors r , which do not belong to the set of all possible values of the quadrature components of the symbols of the selected type of modulation, are replaced by the closest value from the given set, thus forming K real candidate vectors, each of the K real candidate vectors thus obtained is converted into a candidate formula vector
v = r 1 + j · r 2,
where r 1, r 2 are N-dimensional vectors composed of the first and second half of the elements of the vector r , - an imaginary unit, using K generated candidate vectors, evaluate the sequence of binary characters, and according to the results of the assessment, they decide on the transmitted information message.
где Rex, Imx - векторы, образованные из действительных и мнимых частей элементов вектора х, соответственно.12. The method according to claim 11, characterized in that the vector the received signal is formed by taking each of the M components of the multicomponent signal, determining for each of them a complex number whose module reflects the amplitude, and the argument is the phase of this component, forming from the complex numbers M-dimensional complex vector x of the received signal, and transforming this vector to the 2M-dimensional vector of the received signal by the formula
where Re x , Im x are vectors formed from the real and imaginary parts of the elements of the vector x , respectively.
где ReH и ImH - матрицы, образованные, соответственно, из действительных и мнимых частей элементов матрицы Н.13. The method according to claim 11, characterized in that the channel matrix form in such a way that from the coefficients h i, j the transmission of spatial channels, each of which is a complex number, with a module and an argument reflecting the change, respectively, in the amplitude and phase of the j-th information signal received in the i-th reception channel, when it propagates through the corresponding spatial channel, a complex channel matrix H is formed , which is converted into a channel matrix according to the formula
where Re H and Im H are matrices formed, respectively, from the real and imaginary parts of the elements of the matrix H.
где (.)-1 - символ инверсии матрицы, (.)' - символ транспонирования,
- вектор принимаемого сигнала, расширенный снизу 2М-мерным вектором нулей 0.15. The method according to claim 11, characterized in that the vector estimates of the modified modulation symbols are formed by the formula
where (.) -1 is the matrix inversion symbol, (.) 'is the transpose symbol,
is the vector of the received signal, extended from below by a 2M-dimensional vector of zeros 0 .
где - норма вектора,
выполняют демодуляцию вектора оценок N символов модуляции, соответствующих N информационным сигналам, в соответствии с заданным видом модуляции, формируя, таким образом, оценки двоичных символов передаваемого информационного сообщения.17. The method according to claim 11, characterized in that the sequence of binary characters of the information message is evaluated in such a way that a vector is formed estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals, as a vector v from K candidate vectors, for which the decisive function - minimal, i.e.
Where is the norm of the vector,
perform vector demodulation estimates of N modulation symbols corresponding to N information signals in accordance with a predetermined type of modulation, thereby forming binary symbol estimates of the transmitted information message.
где х - комплексный вектор принимаемого сигнала, s - символ модуляции, νk,j - j-й элемент k-го кандидатского вектора v k, , - взаимоисключающие подмножества множества символов модуляции, которым соответствует i-й двоичный символ равный +1 и -1, соответственно, σ2 - дисперсия помехи каждой из М компонент многокомпонентного сигнала, hn, - n-й столбец комплексной канальной матрицы Н, формируют жесткие оценки двоичных символов информационного сообщения, причем жесткую оценку b каждого двоичного символа формируют по мягкой оценке В данного символа по формуле
сформированные мягкие и жесткие оценки двоичных символов, используют как результат оценки.18. The method according to claim 11, characterized in that the sequence of binary symbols of the transmitted informational message is evaluated in such a way that soft estimates of the binary symbols of the informational message are formed, moreover, the soft estimate Bn, i i-ro of the binary symbol transmitted by the nth information signal, form how
where x is the complex vector of the received signal, s is the modulation symbol, ν k, j is the jth element of the kth candidate vector v k , , are mutually exclusive subsets of the set of modulation symbols to which the ith binary symbol is equal to +1 and -1, respectively, σ 2 is the interference variance of each of the M components of the multicomponent signal, h n , is the nth column of the complex channel matrix H , form estimates of the binary symbols of the information message, and a hard estimate b of each binary symbol is formed by a soft estimate B of this symbol by the formula
soft and hard binary symbol estimates formed are used as a result of the evaluation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006132156/09A RU2350025C2 (en) | 2006-09-07 | 2006-09-07 | Method of reception of multicomponent signal in radio communication system with n transmission channels and m channels of reception (versions) and device for its realisation (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006132156/09A RU2350025C2 (en) | 2006-09-07 | 2006-09-07 | Method of reception of multicomponent signal in radio communication system with n transmission channels and m channels of reception (versions) and device for its realisation (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006132156A RU2006132156A (en) | 2008-03-20 |
| RU2350025C2 true RU2350025C2 (en) | 2009-03-20 |
Family
ID=39279349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006132156/09A RU2350025C2 (en) | 2006-09-07 | 2006-09-07 | Method of reception of multicomponent signal in radio communication system with n transmission channels and m channels of reception (versions) and device for its realisation (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2350025C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9461725B2 (en) | 2010-12-10 | 2016-10-04 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| RU2693272C1 (en) * | 2018-12-18 | 2019-07-02 | Открытое акционерное общество Омское производственное объединение "Радиозавод им. А.С. Попова" (РЕЛЕРО) | Device for high-order quadrature amplitude shift keying signal demodulator recovery |
| RU2766559C1 (en) * | 2018-08-10 | 2022-03-15 | Зте Корпорейшн | Method and apparatus for transmitting and receiving channel state information, communication unit and data medium |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2426255C2 (en) * | 2009-01-12 | 2011-08-10 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Improved decoding method in multiple transceiving antenna system and device for realising said method |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998009381A1 (en) * | 1996-08-29 | 1998-03-05 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | High capacity wireless communication using spatial subchannels |
| RU2137302C1 (en) * | 1994-08-02 | 1999-09-10 | Эрикссон Инк. | Method and device for interference suppression in multiple-antenna digital cellular communication systems |
| RU2145152C1 (en) * | 1998-10-08 | 2000-01-27 | Гармонов Александр Васильевич | Method for orthogonal distributed transmission- reception of signal in cellular communication network using code channel division |
| EP1117197A2 (en) * | 2000-01-13 | 2001-07-18 | Lucent Technologies Inc. | Space-time processing for multiple-input multiple-output wireless communication systems |
-
2006
- 2006-09-07 RU RU2006132156/09A patent/RU2350025C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2137302C1 (en) * | 1994-08-02 | 1999-09-10 | Эрикссон Инк. | Method and device for interference suppression in multiple-antenna digital cellular communication systems |
| WO1998009381A1 (en) * | 1996-08-29 | 1998-03-05 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | High capacity wireless communication using spatial subchannels |
| RU2145152C1 (en) * | 1998-10-08 | 2000-01-27 | Гармонов Александр Васильевич | Method for orthogonal distributed transmission- reception of signal in cellular communication network using code channel division |
| EP1117197A2 (en) * | 2000-01-13 | 2001-07-18 | Lucent Technologies Inc. | Space-time processing for multiple-input multiple-output wireless communication systems |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9461725B2 (en) | 2010-12-10 | 2016-10-04 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| US9882618B2 (en) | 2010-12-10 | 2018-01-30 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| US10038483B2 (en) | 2010-12-10 | 2018-07-31 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| EA030237B1 (en) * | 2010-12-10 | 2018-07-31 | Сан Пэтент Траст | Signal generation method and signal generation device |
| US10305556B2 (en) | 2010-12-10 | 2019-05-28 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| US10644768B2 (en) | 2010-12-10 | 2020-05-05 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| US11128355B2 (en) | 2010-12-10 | 2021-09-21 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| US11575412B2 (en) | 2010-12-10 | 2023-02-07 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| US11804880B2 (en) | 2010-12-10 | 2023-10-31 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device |
| US12166545B2 (en) | 2010-12-10 | 2024-12-10 | Sun Patent Trust | Signal generation method and signal generation device for receiving data from a first base station and a second base station in multiple communications modes |
| RU2766559C1 (en) * | 2018-08-10 | 2022-03-15 | Зте Корпорейшн | Method and apparatus for transmitting and receiving channel state information, communication unit and data medium |
| RU2693272C1 (en) * | 2018-12-18 | 2019-07-02 | Открытое акционерное общество Омское производственное объединение "Радиозавод им. А.С. Попова" (РЕЛЕРО) | Device for high-order quadrature amplitude shift keying signal demodulator recovery |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006132156A (en) | 2008-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nguyen et al. | SVM-based channel estimation and data detection for one-bit massive MIMO systems | |
| US11996899B2 (en) | Method of discrete digital signal recovery in noisy overloaded wireless communication systems in the presence of hardware impairments | |
| US8218671B2 (en) | Receiving apparatus, receiving method and communication system | |
| EP3058689B1 (en) | An improved lattice-reduction-aided k-best algorithm for low complexity and high performance communications | |
| Seethaler et al. | Low-complexity MIMO data detection using Seysen's lattice reduction algorithm | |
| CN107276716B (en) | Method and apparatus for decoding data signal | |
| Jeon et al. | Soft-output detection methods for sparse millimeter-wave MIMO systems with low-precision ADCs | |
| Bian et al. | Space-time design for deep joint source channel coding of images over MIMO channels | |
| CN108234072B (en) | Method and apparatus for sub-block decoding of a data signal | |
| Kulhandjian et al. | Design of permutation-based sparse code multiple access system | |
| US20240305509A1 (en) | Soft detection of integer-combination of multiple data streams | |
| CN105610484B (en) | Extensive MIMO Low-complexity iterative receiver methods | |
| JP2010193310A (en) | Space multiplex multicarrier reception device and space multiplex multicarrier reception method | |
| RU2350025C2 (en) | Method of reception of multicomponent signal in radio communication system with n transmission channels and m channels of reception (versions) and device for its realisation (versions) | |
| CN108365916B (en) | Method and apparatus for sub-block decoding data signal | |
| JP2009268077A (en) | System and device for transmitting data, and device for receiving vector of data | |
| Sellathurai et al. | Space-time layered information processing for wireless communications | |
| JP5121752B2 (en) | Spatial multiplexed multicarrier receiver and spatially multiplexed multicarrier receiving method | |
| Chiu et al. | Transmit beamforming with analog channel state information feedback | |
| US20220393726A1 (en) | M-mimo receiver | |
| Zhu et al. | Joint transceiver optimization for wireless communication PHY with convolutional neural network | |
| Fasano et al. | Trace-orthogonal space-time coding | |
| He et al. | Channel Estimation, Feedback, and Signal Detection | |
| Zhao et al. | Decoding-Aided Channel Tracking in Time-Varying MIMO Systems: Short or Long Codes? | |
| CN108900448B (en) | Low-complexity packet decoding method based on MIMO system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180908 |