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EP1386439A2 - Method for transmitting data and transmitter and receiver device therefor - Google Patents

Method for transmitting data and transmitter and receiver device therefor

Info

Publication number
EP1386439A2
EP1386439A2 EP02769108A EP02769108A EP1386439A2 EP 1386439 A2 EP1386439 A2 EP 1386439A2 EP 02769108 A EP02769108 A EP 02769108A EP 02769108 A EP02769108 A EP 02769108A EP 1386439 A2 EP1386439 A2 EP 1386439A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
matrix
signal
modulation
channel
space
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02769108A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Harold Technische Universittät Wien ARTES
Franz Technische Universität Wien HLAWATSCH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innovationsagentur GmbH
Original Assignee
Innovationsagentur GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innovationsagentur GmbH filed Critical Innovationsagentur GmbH
Publication of EP1386439A2 publication Critical patent/EP1386439A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/02Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception
    • H04L1/06Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception using space diversity
    • H04L1/0618Space-time coding

Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting data streams via a channel with a plurality of inputs and outputs, the data streams at the channel inputs being modulated into transmit signals in a predetermined manner and corresponding data streams being derived from the received signals at the channel outputs by equalization.
  • a preferred application is in the field of mobile radio or mobile telephone systems.
  • the invention relates to a transmitting device and to a receiving device for carrying out this method.
  • One of the goals of third and fourth generation mobile radio systems is to provide broadband data services to users who may be moving at high speeds.
  • Real-time multimedia services such as Video conferencing requires data rates in the order of 2 to 20 Mb / s.
  • the spectral efficiency ie the data rate that can be transmitted per frequency bandwidth
  • the channels considered here, each with several inputs and outputs, are also called “multi-input / multi-output "channels or MIMO channels for short)
  • the spectral efficiency can be increased very strongly.
  • the spectral efficiency can be increased by using k antennas on the transmitter and receiver side by a factor that is greater than the number k.
  • the channel is memory-free (ie instantly mixing) and that the channel is perfectly known to the receiver.
  • the channel is not known a priori to the receiver, so that the channel can be estimated with the aid of so-called training symbols known from the receiver, which are transmitted, for example, in a middle, etc.
  • the number of training symbols that are used for channel estimation according to the prior art increases linearly with the number of transmit / receive antenna pairs. For example, in the GSM system that is widely used today, 26 training symbols (ie approximately 22%) of the data burst are used per data burst with a length of 142 symbols.
  • the currently known methods for transmission via MIMO channels can be roughly divided into three groups: (1) the group of the so-called space-time block codes (space-time block codes); see. e.g. S. M. Alamouti, "A simple trans it diversity technique for wireless communications", IEEE J. Sel.Areas Comm. , vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 1998; (2) the group of so-called space-time trellis codes (space-time trellis codes), cf. e.g. V. Tarokh et al. , "Space-time codes for high data rate wireless communications", IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 44, pp.
  • space-time block codes space-time block codes
  • space-time trellis codes space-time trellis codes
  • Space-time block codes (1st group) are easy to decode, but they have the major disadvantage that they can no longer reach the channel capacity for more than one receiving antenna. They also assume ideal channel knowledge on the receiver side.
  • Space-time trellis codes (2nd group) represent a direct extension of the known coding methods for a send / receive catch antenna pair on MIMO channels. In principle, they are suitable for making full use of the channel capacity of a MIMO channel, but have the disadvantage that the decoding complexity increases exponentially with the number of transmit antennas. For this reason, the literature mainly contains simulations for up to just three pairs of transmit / receive antennas. These methods also assume ideal channel knowledge at the receiver end, which, however, leads, as mentioned, to high training symbol portions in the data bursts.
  • the invention provides a method as defined in claim 1 and a transmitting device and a receiving device as defined in claims 11 and 15, respectively.
  • Advantageous refinements and developments are specified in the subclaims.
  • the technique according to the invention can also be used for MIMO channels with memory in addition to instantly mixing channels.
  • a channel "with memory” has an impulse response length ("memory length"), which is denoted by L, with such a channel causing a mixture of symbols, e.g. sent from time n-L to time n is received.
  • the symbols received at time n only depend on symbols sent at the same time n.
  • the physical cause of a channel's memory can e.g. Multipath propagation, i.e. the existence of several transmission paths of different lengths from sender to receiver.
  • the method according to the invention also enables relatively simple decoding and has no restriction with regard to the number of receiving antennas.
  • the method according to the invention is a matrix modulation method for MIMO channels, which is robust against unknown channels, i.e. the method works regardless of whether the channel is known or not.
  • the method can also be classified as blind and deterministic since, as just mentioned, the channel does not have to be known and no statistics need to be estimated for the purpose of demodulation or equalization.
  • the demodulation complexity only increases linearly with the number of transmit antennas.
  • the method is based on the fact that the signal to be transmitted is forced on the transmitter side by a known matrix structure chosen for the respective application, which can be shown to be strong enough to hold the data to reconstruct the recipient without errors, solely on the basis of the known structure. It is expedient if each data stream to be written as a diagonal data matrix is multiplied by its own predetermined modulation matrix, all modulation matrices preferably having full rank and the columns of the individual modulation matrices corresponding to one another being linearly independent. Furthermore, the conditions should be met that the number of channel inputs is greater than the number of data streams and that the length of the respective send or receive signal block of the condition
  • K is the number of data streams. If the minimum block length N given thereby falls below, the present method could break down.
  • an approximation method is advantageously used in which the equalization of the received signals is carried out in iterative form by alternately projecting transmit signal matrices onto two signal spaces, starting from a predetermined start value of which the one signal space represents the modulation structure property and the other signal space represents a subspace property according to the condition that the row space of the received signal matrix lies in the row space of the transmit signal matrix, where appropriate these row spaces are equal to one another, the sought transmission signal matrix is obtained as an intersection of the two signal spaces. If, then, when moving from one iteration step to the next, the difference between the transmission signals obtained, i.e. Transmission signal matrices, below a predetermined maximum value, the so-called convergence or stop criterion, the transmission signal is obtained with the desired accuracy.
  • nalblocks is taken as a basis. This takes into account the fact that in such a case more input symbols have an influence on the block of output symbols.
  • the transmission signal matrix can be derived in a uniform step from the line space of the received signal matrix, forcing a block-toeplitz structure and a matrix modulation structure.
  • 1 schematically shows a transmission device with a MIMO channel
  • FIG. 2 shows in a flowchart the determination of equalized signals in an iterative process
  • 3 and 3A and 4 and 4A in corresponding diagrams and associated detailed diagrams alternative equalization methods
  • FIGS. 5 and 6 in diagrams the received signal quality for an instantaneously mixing channel (FIG. 5) or for a MIMO channel with memory (FIG. 6) when using different parameters. *
  • a demodulator equalizer
  • [x ⁇ [n] • ' , % M n [ ⁇ l ⁇ '.
  • the unknown (ax ⁇ # ⁇ ) channel matrix H contains, as the (i, j) th entry hi, that channel coefficient which describes the transmission from the jth transmitting antenna 4 to the ith receiving antenna 5.
  • the receiver (5, 6) knows the forced structure, ie, all K modulation matrices Mj., But that both the channel H and the data sequences d k ⁇ n] are unknown.
  • K f ⁇ K ⁇ ang ⁇ H ⁇ is defined, where K * denotes the number of active data streams and K the maximum number of data streams (see (2)). It was found experimentally that if real-value data streams are used, the less restrictive condition K ' ⁇ K ⁇ 2R @ jttg ⁇ H ⁇ should be fulfilled. This is obvious since complex-valued vectors have twice as many degrees of freedom as real-valued ones.
  • N> 1 j T T f is to further the apply, and the modulation matrices ⁇ Lfc should fulfill the condition described in the following: With ⁇ [t], '• *, bM ⁇ -. K lMl i rd denotes an arbitrary base that spans that space that is orthogonal to that of the vectors ⁇ -Bi [i] j m 2 [i
  • the second (I M ⁇ - K * K) columns of the matrix W are formed by all possible combinations of m ⁇ S] ® b # [2].
  • MXN (K f M - K'K) matrix W It can be shown that the rank of W must be M ⁇ p - 1 in order to obtain a matrix modulation structure that is strong enough to To enable error-free reconstruction on the receiver side.
  • the rank of " depends only on the Tt matrices M ⁇ and on the parameters K * and ⁇ r . For example, you can see that the matrix must be horizontal to meet the rank requirement, which in turn means the one mentioned above inequality
  • the structure of 8 (see equation (2)) enforced on the transmit side in the matrix modulator 3 is in any case strong enough to enable a reconstruction (demodulation) of the data sequences that is unambiguous apart from a common constant factor to allow d ⁇ [n] from the reception matrix X.
  • H # H eI (here I denotes the unit matrix and H # the pseudo inverse of H; see also GH Golub et al., Matrix Computations. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 3 ed., 1996) and further cD ⁇ ,
  • H has full rank and that the same number or more receiving antennas as transmitting antennas are used, i.e. ⁇ '2.. Changes that are necessary for a singular channel matrix H or -ig ⁇ d are noted separately.
  • This set of ⁇ T linear equations can be used as a matrix vector product
  • the matrix is of size MN x (M T M ⁇ «J-KN) by .PJ .P4
  • equation (7) only applies to the noise-free case. However, since noise is always present in practice, equation (7) can only be solved approximately, for example with the method of minimum squares (LS).
  • the LS solution of (7) namely yLg , as known per se, is given by the right singular vector for the smallest singular value of the matrix.
  • the transmission signal matrix S ⁇ * 1 M ⁇ D ⁇ and thus also the K data matrices D & are uniquely determined (apart from a scalar factor). It can be shown that for a given receive signal block X, the matrix S has already been reconstructed unambiguously (except for an unknown factor) if one finds a matrix that simultaneously fulfills the following two properties:
  • the reconstruction can also be formulated as follows: You are looking for a matrix S that fits both in a space ⁇ according to the modulation structure property and in a space B according to the subspace property (property no . 2) lies. So you're looking for S € «AnB. Since both ⁇ and S are linear subspaces of C ⁇ xJ * ( ie the set of all complex-valued matrices with M ⁇ rows and N columns) and therefore also convex, the algorithm of continuous projections onto convex sets (projections onto convex sets, so-called POCS method, see PLCombettes, "The foundations of set theoretic estimation", Proc.IEEE, vol. 81, pp. 181-208, Feb. 1993) an element of the intersection S 6 * . (1 and thus calculate the desired S.
  • a computationally efficient iterative method is used for the calculation, which, starting from a starting value S (0), projects alternately onto the two spaces ⁇ and ß (see blocks 10 and 11 in FIG. 2) until it is clear a further projection no longer results in a significant change, ie until the estimated value converges, s.
  • Query step 12 in Figure 2 the convergence is checked with a so-called stop criterion: if the change in another iteration is smaller than the stop criterion, the process is terminated.
  • This mathematical projection method is inherently teratur (see above) under the name "projections onto convex sets", also known as POCS.
  • the value of the stop criterion should be determined according to the circumstances and objectives. The detailed procedure is as follows.
  • the rate of convergence depends on the starting point S ⁇ of the iterations.
  • An advantage The method is that in the semi-blind case, ie in the event that a certain number of the transmitted data is known (see, for example, the midamble for existing standards such as GSM or UMTS), the data known a priori can be used to calculate a good starting value and thus to accelerated convergence and higher computing efficiency can be used.
  • Another method to increase the convergence speed of the method is the so-called relaxation, cf. the PLCombettes document mentioned above.
  • knowledge of the broadcast symbol alphabet used can be used to accelerate convergence, especially towards the end of the iteration; see. e.g. S. Talwar et al.
  • the matrix modulation method described can also be used without changes in order to transmit the FC-independent data streams ⁇ 4-M ⁇ via a MIMO channel 2 with memory. In this case, however, some additions are necessary for demodulation and equalization, which are described below.
  • the transmitter-side matrix modulation is still in shape
  • the transmission signal block length (with the reception block length N remaining the same) is increased to N + Ll in order to take into account the memory of channel 2.
  • the send matrix S [s [-, £ + l]> " s [A r > ⁇ l]] now has the size ⁇ f ⁇ x (N + L - 1) and accordingly the diagonal data matrices D ife ⁇ s dia ⁇ dA [-L + l], '", rfft [JV-l] ⁇ have the size (N + i ⁇ l) x ⁇ N + -l).
  • X is the output matrix that is created from the received signals; Kanal the channel matrix obtained from the channel impulse responses; and $ the input matrix containing the transmitted signals to be determined.
  • the arrangement is chosen so that the individual matrices have the block-toeplitz structure or block-Hankel structure desired for blind equalization.
  • this step is illustrated the formation of the receiving or from ⁇ transition matrix X at block 16 in FIG. 3, with the results shown in Fig. 2 Detail steps according to Fig. It then follows three-stage method for demodulation, wherein according to block 17 the row space of the reception matrix X is first calculated.
  • the sizes of the individual matrices depend on parameters such as the channel impulse response length L, the number of transmit and receive antennas 4, 5, the block length N and the smoothing factor p.
  • the input matrix S is a horizontal block toeplitz matrix which, as mentioned, is determined by the generating matrix S.
  • the given equalization problem can therefore also be formulated as the calculation of the generating matrix S from the reception matrix X.
  • the ambiguity can be resolved with the demodulation methods for the instantaneously mixing channel, which were described above, in order to obtain the data dJ- + 1], ⁇ [- £ + 2], • ••, ⁇ [ ⁇ r —1] ki s a ⁇ -f to reconstruct an unknown common constant factor. Accordingly, the resolution of the matrix ambiguity (block 19 in FIG. 3) is drawn out in detail in FIG. 3A with blocks 10, 11 and 12 which correspond to those of FIG. 2.
  • a direct factorization can also be used for demodulation (equalization), as shown schematically in FIG. 4, which is also based on the aforementioned POCS method, but which calculates the generating matrix S and resolves the matrix ambiguity in a step 20 (FIG 4) united and therefore more computationally efficient than the above procedure.
  • this modified method retains the advantages of the first method, such as semi-blind initialization options, possible relaxation, possible use of a priori knowledge, the possibility of subchannels of different lengths, etc.
  • the advantages just mentioned are not only limited in their impact on direct factorization the resolution of the matrix limited, but advantageous for the entire step 20.
  • the calculation of the generating matrix A except for an ambiguity is computationally complex. This step can be avoided if one recognizes that the input matrix S is uniquely determined except for a scalar factor by the following two properties:
  • S is a Block-Toeplitz matrix, and its generator has a modulation structure, ie, S ⁇ T ⁇ M f cD f c with diagonal matrices D & ;
  • the row space of the matrix S is equal to the row space of X.
  • Projection onto ⁇ (see block 21 in FIG. 4A): since a so-called linearly structured matrix (cf. JACadzow, "Signal enhancement - A composite property mapping algorithm", IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. 36, pp. 49-62, Jan. 1988), it can be shown that the projection onto ⁇ can be accomplished by the following two steps:
  • the block Toeplitz structure is enforced: Let S ⁇ "" ⁇ be the result of the previous iteration (ie the projection onto B). From the matrix 5 "" 1) , which has no block Toeplitz structure, a K x (N + L - l) "pseudo-generating matrix" S ⁇ " ⁇ is calculated as follows. The first of the Mi lines from S " * 1 ⁇ is calculated by averaging correspondingly shifted and padded versions of the first, ( ⁇ + l) -th, (2M ⁇ -l ⁇ -th, etc. lines of S ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the second line of S ⁇ " " 1) is calculated in a similar way, whereby now the second, (r + 2) -th, (2 r + 2) -th, etc. line of S ⁇ " 1) are used. All M rows of S ⁇ " 1 ⁇ are calculated in this way.
  • the modulation structure is enforced. Doing so formed, it can be shown that the diagonal elements of the diagonal matrix DW by
  • Block-Toeplitz matrix ß® is formed, which is generated by S ⁇ .
  • MSE normalized mean square error
  • SNR Signal-to-noise ratio
  • This poorer performance of the multi-step method should be due to the fact that in the second step an assignment of singular vectors to a useful signal or Noise signal space is required, in which errors easily occur, especially in the case of low SNR. This assignment is not necessary for direct factorization.
  • the technology according to the invention is thus suitable for transmitting large amounts of data with low transmission power without loss of capacity through training symbols via MIMO channels. It has the advantage of being robust against an unknown MIMO channel thanks to a matrix modulation structure that was deliberately introduced on the transmitter side, and furthermore to separate the MIMO channel into several "virtual" channels with one input and one output that can be used independently of one another.
  • this method can be combined with conventional channel coding (for each virtual channel separately), which is to be decoded much more computationally efficiently than channel codes designed for MIMO systems, which also means the use of a large number of transmitting and receiving antennas 4, 5, at relative low computing effort compared to a system designed according to the state of the art, allowed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)

Abstract

In order to transmit data flows via channels which respectively have several inputs and outputs, said data flows (d[n]) are respectively modulated at the channel inputs in a given manner to form transmission signals (s[n]), and corresponding data flows (d[n]) are derived at the channel outputs from the reception signals (x[n]) by equalization of distortion. A given matrix modulation structure (Mk) is imposed upon the data flows (d[n]) at the channel inputs and the equalization of distortion is carried out for the reception signals (x[n]) at the channel outputs on the basis of said known given matrix modulation.

Description

Verfahren zum Übertragen von Datenströmen sowie Sende- und Empfangseinrichtung hiefür Method for transmitting data streams and transmitting and receiving device therefor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Datenströmen über einen Kanal mit mehreren Ein- und Ausgängen, wobei die Datenströme an den Kanal-Eingängen in vorgegebener Weise zu Sendesignalen moduliert werden und an den Kanal-Ausgängen aus den Empfangssignalen durch Entzerrung entsprechende Datenströme hergeleitet werden. Eine bevorzugte Anwendung liegt dabei im Bereich von Mobilfunk- bzw. Mobiltelefonsystemen.The invention relates to a method for transmitting data streams via a channel with a plurality of inputs and outputs, the data streams at the channel inputs being modulated into transmit signals in a predetermined manner and corresponding data streams being derived from the received signals at the channel outputs by equalization. A preferred application is in the field of mobile radio or mobile telephone systems.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Sendeeinrichtung sowie auf eine Empfangseinrichtung zur Durchführung dieses Verf hrens .Furthermore, the invention relates to a transmitting device and to a receiving device for carrying out this method.
Eines der Ziele von Mobilfunksystemen der dritten und vierten Generation liegt darin, Benutzern, die sich möglicherweise mit hoher Geschwindigkeit bewegen, breitbandige Datendienste zur Verfügung zu stellen. Echtzeit-Multimediadienste, wie z.B. Videokonferenzen, benötigen Datenraten in der Größenordnung von 2 bis 20 Mb/s. Derzeitig existierende Standards, wie z.B. GSM, unterstützen jedoch nur Datenraten, die um zwei bis drei Größenordnungen geringer sind.One of the goals of third and fourth generation mobile radio systems is to provide broadband data services to users who may be moving at high speeds. Real-time multimedia services, such as Video conferencing requires data rates in the order of 2 to 20 Mb / s. Current standards, such as GSM, however, only support data rates that are two to three orders of magnitude lower.
Andere Anwendnungen, die auf hohe Datenraten angewiesen sind, sind moderne Büroanwendungen. So benötigen z.B. drahtlose Netzwerksanbindungen von tragbaren Rechnern (Laptops) Datenraten in der Größenordnung von 10 bis 100 Mb/s.Other applications that rely on high data rates are modern office applications. For example, Wireless network connections from portable computers (laptops) Data rates in the order of 10 to 100 Mb / s.
Bei tragbaren Geräten ist jedoch nicht nur die benötigte Datenrate von wesentlicher Bedeutung, sondern auch der Leistungsverbrauch, welcher sich in der Batterielebensdauer niederschlägt.With portable devices, however, not only is the required data rate essential, but also the power consumption, which is reflected in the battery life.
Es ist bekannt, dass die spektrale Effizienz (d.i. die Datenrate, die pro Frequenzbandbreite übertragen werden kann) bei gleichbleibender Sendeleistung durch Verwendung von mehreren Sende- und Empfangsantennen (die hier betrachteten Kanäle mit jeweils mehreren Ein- und Ausgängen werden auch "multi- input/multi-output" -Kanäle oder kurz MIMO-Kanäle genannt) sehr stark erhöht werden kann. So kann z.B. die spektrale Effizienz durch Verwendung von k Antennen sender- und empfängerseitig um einen Paktor, der größer als die Anzahl k ist, erhöht werden.It is known that the spectral efficiency (ie the data rate that can be transmitted per frequency bandwidth) while the transmission power remains the same by using several transmit and receive antennas (the channels considered here, each with several inputs and outputs, are also called "multi-input / multi-output "channels or MIMO channels for short) can be increased very strongly. For example, the spectral efficiency can be increased by using k antennas on the transmitter and receiver side by a factor that is greater than the number k.
Der Großteil der derzeit bekannten Verfahren geht nun davon aus, dass der Kanal gedächtnisfrei (d.h. instantan mischend) ist, und dass der Kanal dem Empfänger in perfekter Weise bekannt ist. In der Praxis ist der Kanal dem Empfänger a priori aber nicht bekannt, so dass der Kanal mit Hilfe von dem Empfänger bekannten sog. Trainingssymbolen, die z.B. in einer Mitta bel gesendet werden, geschätzt werden uss. In der Regel steigt aber die Anzahl der Trainingssymbole, die nach dem Stand der Technik zur KanalSchätzung gebraucht werden, linear mit der Anzahl der Sende/Empfangsantennen-Paare. So werden z.B. beim heute weit verbreiteten GSM-System pro Datenburst mit einer Länge von 142 Symbolen 26 Trainingssymbole (also ca. 22 %) des Datenburεts verwendet. Nun ist aber das GSM-System für bloß ein Sende/Empfangsantennen-Paar entworfen worden, und es ist einleuchtend, dass es dann bei den komplexen MIMO-Kanal-Systemen zu Situationen kommen kann, in denen die Hälfte des Datenbursts mit Trainingssymbolen belegt werden muss. Überlegungen hierzu finden sich beispielsweise in T. Marzetta, "BLAST training: Estimating Channel characteristics for high-capacity space-time wireless", Proc.7th Allerton Conf . Commun. , Contr., Conαput., Sept. 1999.The majority of the currently known methods now assume this that the channel is memory-free (ie instantly mixing) and that the channel is perfectly known to the receiver. In practice, however, the channel is not known a priori to the receiver, so that the channel can be estimated with the aid of so-called training symbols known from the receiver, which are transmitted, for example, in a middle, etc. As a rule, however, the number of training symbols that are used for channel estimation according to the prior art increases linearly with the number of transmit / receive antenna pairs. For example, in the GSM system that is widely used today, 26 training symbols (ie approximately 22%) of the data burst are used per data burst with a length of 142 symbols. Now, however, the GSM system has been designed for just one pair of transmit / receive antennas, and it is obvious that complex MIMO channel systems can then lead to situations in which half of the data burst has to be assigned training symbols , Considerations for this can be found, for example, in T. Marzetta, "BLAST training: Estimating Channel characteristics for high-capacity space-time wireless", Proc.7th Allerton Conf. Commun. , Contr., Conαput., Sept. 1999.
Die momentan bekannten Verfahren zur Übertragung über MIMO- Kanäle lassen sich grob in drei Gruppen untergliedern: (1) die Gruppe der sog. Space-time-block-codes (Raum-Zeit-Block-Codes) - Verfahren; vgl. z.B. S.M. Alamouti, "A simple trans it diversity technique for wireless Communications", IEEE J.Sel.Areas Comm. , vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 1998; (2) die Gruppe der sog. Space- time-trellis-codes (Raum-Zeit-Trellis-Codes) -Verfahren, vgl. z.B. V. Tarokh et al . , "Space-time codes for high data rate wireless Communications", IEEE Trans . Inf .Theory, vol. 44, pp. 744-765, March 1998; und (3) eine Gruppe von Verfahren, die nicht in die zwei vorgenannten Gruppen passen, wie insbesondere Verfahren der sog. unitären space-time codes, vgl. z.B. B. Hochwald et al . , "Systematic design of unitary space-time constellations " , IEEE Trans. Infor . heory, vol. 46, no. 6, pp. 1962-1973, 2000.The currently known methods for transmission via MIMO channels can be roughly divided into three groups: (1) the group of the so-called space-time block codes (space-time block codes); see. e.g. S. M. Alamouti, "A simple trans it diversity technique for wireless communications", IEEE J. Sel.Areas Comm. , vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 1998; (2) the group of so-called space-time trellis codes (space-time trellis codes), cf. e.g. V. Tarokh et al. , "Space-time codes for high data rate wireless communications", IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 44, pp. 744-765, March 1998; and (3) a group of methods which do not fit into the two aforementioned groups, such as methods of the so-called unitary space-time codes, cf. e.g. B. Hochwald et al. , "Systematic design of unitary space-time constellations", IEEE Trans. Infor. heory, vol. 46, no. 6, pp. 1962-1973, 2000.
Space-time-block-codes (1. Gruppe) sind einfach zu dekodieren, haben aber den großen Nachteil, dass sie für mehr als eine Empfangsantenne nicht mehr die Kanalkapazität erreichen können. Außerdem gehen sie empfängerseitig von idealer Kanalkenntnis aus.Space-time block codes (1st group) are easy to decode, but they have the major disadvantage that they can no longer reach the channel capacity for more than one receiving antenna. They also assume ideal channel knowledge on the receiver side.
Space-time-trellis-codes (2. Gruppe) stellen eine direkte Erweiterung der bekannten Kodierungsverfahren für ein Sende/Emp- fangsantennen-Paar auf MIMO-Kanäle dar. Sie sind prinzipiell geeignet, die Kanalkapazität eines MIMO-Kanales voll auszunützen, haben jedoch den Nachteil, dass die Dekodierungskomplexität ex- ponentiell mit der Anzahl der Sendeantennen steigt. Deshalb findet man in der Literatur hauptsächlich Simulationen für bis zu bloß drei Sende/Ξmpfangsantennen-Paare. Auch diese Verfahren gehen empfängerseitig von idealer Kanalkenntnis aus, was aber wie erwähnt zu hohen Trainingssymbol-Anteilen in den Datenbursts führt .Space-time trellis codes (2nd group) represent a direct extension of the known coding methods for a send / receive catch antenna pair on MIMO channels. In principle, they are suitable for making full use of the channel capacity of a MIMO channel, but have the disadvantage that the decoding complexity increases exponentially with the number of transmit antennas. For this reason, the literature mainly contains simulations for up to just three pairs of transmit / receive antennas. These methods also assume ideal channel knowledge at the receiver end, which, however, leads, as mentioned, to high training symbol portions in the data bursts.
Die Verfahren der dritten Gruppe sind naturgemäß schwer zusammenzufassen. Interessant sind hier vor allem jene Verfahren, welche Empfänger-seitig keine Kanalkenntnis voraussetzen. Die Methode der unitären space-time codes (s. Hochwald et al.) sowie die dazu ähnliche dif erentielle space-ti e-Modulation (vgl. z.B. B.L.Hughes, "Differential space-time modulation", IEEE Trans. Inf .Theory, vol. 46, pp. 2567-2578, Nov. 2000) gehören zu diesen Verfahren. Bei dieser unitären space-time Modulation bzw. der differentiellen Form davon werden die Daten allein durch ihre Zugehörigkeit zu einem gewissen Unterraum charakterisiert. Diese Verfahren haben jedoch beide den Nachteil, dass sie eine mit der Anzahl der Sendeantennen sowie mit der Übertragungsrate exponen- tiell ansteigende Dekodierkomplexität haben. Außerdem ist die Anwendung dieser Verfahren auf instantan mischende Kanäle beschränkt .The procedures of the third group are naturally difficult to summarize. Of particular interest here are those methods that do not require any channel knowledge on the receiver side. The method of unitary space-time codes (see Hochwald et al.) And the similar differential space-time modulation (see e.g. BLHughes, "Differential space-time modulation", IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 46, pp. 2567-2578, Nov. 2000) belong to these processes. With this unitary space-time modulation or the differential form of it, the data are characterized solely by their belonging to a certain subspace. However, both of these methods have the disadvantage that they have a decoding complexity that increases exponentially with the number of transmitting antennas and with the transmission rate. In addition, the application of these methods is limited to instantly mixing channels.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs angeführten Art sowie eine Sende- und eine Empfangseinrichtung hiefür vorzusehen, wobei es nicht notwendig ist, den Kanal explizit zu schätzen, und bei dem wegen des Nichtbekanntseins des Kanals trotzdem nur wenig Bandbreite verloren geht.It is an object of the invention to provide a method of the type mentioned at the outset, and a transmitting and receiving device therefor, it not being necessary to explicitly estimate the channel and in which only little bandwidth is lost because the channel is not known.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren wie in Anspruch 1 definiert sowie eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung wie in den Ansprüchen 11 bzw. 15 definiert vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben .To achieve this object, the invention provides a method as defined in claim 1 and a transmitting device and a receiving device as defined in claims 11 and 15, respectively. Advantageous refinements and developments are specified in the subclaims.
Bei der erfindungsgemäßen Technik ist keine explizite Schätzung des Kanals erforderlich, da sie einem unbekannten Kanal gegenüber robust ist; implizit geht auch bei der erfindungsgemäßen Technik etwas Bandbreite wegen des unbekannten Kanals verlo- ren, da nämlich die Sender-seitig eingefügte Matrixmodulations- Struktur eine gewisse Redundanz enthalten muss. Das Ausmaß dieser Redundanz kann jedoch auch im laufenden Betrieb sehr leicht den Erfordernissen angepasst werden.In the technique according to the invention, no explicit estimation of the channel is necessary, since it is robust to an unknown channel; implicitly some bandwidth is lost due to the unknown channel also in the technique according to the invention ren, because the matrix modulation structure inserted on the transmitter side must contain a certain redundancy. The extent of this redundancy can, however, be easily adapted to requirements during operation.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Technik außer für instantan mischende Kanäle auch für MIMO-Kanäle mit Gedächtnis verwendet werden. Ein Kanal "mit Gedächtnis" hat eine Impulsantwortlänge ( "Gedächtnislänge" ) , die mit L bezeichnet wird, wobei bei einem solchen Kanal bewirkt wird, dass zu einem Zeitpunkt n ein Gemisch von Symbolen, welche z.B. vom Zeitpunkt n-L bis zum Zeitpunkt n gesendet wurden, empfangen wird. Im Gegensatz dazu hängen bei einem Kanal ohne Gedächtnis (der im MIMO-Fall auch als instantan mischender Kanal bezeichnet wird) die zum Zeitpunkt n empfangenen Symbole nur von zum gleichen Zeitpunkt n gesendeten Symbolen ab. Die physikalische Ursache für ein Gedächtnis eines Kanals kann z.B. Mehrwegeausbreitung, also das Vorhandensein mehrerer unterschiedlich langer Übertragungswege von Sender zu Empfänger, sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner eine verhältnismäßig einfache Dekodierung und hat keine Einschränkung bezüglich der Anzahl der Empfangsantennen.Furthermore, the technique according to the invention can also be used for MIMO channels with memory in addition to instantly mixing channels. A channel "with memory" has an impulse response length ("memory length"), which is denoted by L, with such a channel causing a mixture of symbols, e.g. sent from time n-L to time n is received. In contrast, in the case of a channel without memory (which in the MIMO case is also referred to as an instantly mixing channel), the symbols received at time n only depend on symbols sent at the same time n. The physical cause of a channel's memory can e.g. Multipath propagation, i.e. the existence of several transmission paths of different lengths from sender to receiver. The method according to the invention also enables relatively simple decoding and has no restriction with regard to the number of receiving antennas.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Matrixmodulationsverfahren für MIMO-Kanäle, welches gegenüber unbekannten Kanälen robust ist, d.h. das Verfahren funktioniert unabhängig davon, ob der Kanal bekannt ist oder nicht. Gleichzeitig kann das Verfahren aber auch als blind und deterministisch eingestuft werden, da wie gerade erwähnt der Kanal nicht bekannt sein muss und auch zum Zwecke der Demodulation bzw. Entzerrung keine Statistiken geschätzt werden müssen. Mit der erfindungsgemäßen Technik kann auch erreicht werden, dass die Demodulationskomplexität lediglich linear mit der Anzahl der Sendeantennen steigt.The method according to the invention is a matrix modulation method for MIMO channels, which is robust against unknown channels, i.e. the method works regardless of whether the channel is known or not. At the same time, the method can also be classified as blind and deterministic since, as just mentioned, the channel does not have to be known and no statistics need to be estimated for the purpose of demodulation or equalization. With the technology according to the invention it can also be achieved that the demodulation complexity only increases linearly with the number of transmit antennas.
Nachfolgend wird, wie auch in der Literatur zu deterministischen blinden Verfahren üblich, das Rauschen vernachlässigt. Simulationen zeigten jedoch, dass das vorliegende Verfahren äußerst robust gegen additives Kanalrauschen ist.In the following, as is common in the literature on deterministic blind methods, the noise is neglected. However, simulations showed that the present method is extremely robust against additive channel noise.
Das Verfahren beruht auf der Tatsache, dass dem zu übertragenden Signal Sender-seitig eine bekannte, zum jeweiligen Anwendungsfall passend gewählte Matrixstruktur aufgezwungen wird, von der gezeigt werden kann, dass sie stark genug ist, um die Daten beim Empfänger, allein aufgrund der bekannten Struktur, fehlerfrei zu rekonstruieren. Dabei ist es zweckmäßig, wenn jeder als diagonale Datenmatrix anzuschreibende Datenstrom mit einer eigenen vorgegebenen Modulationsmatrix multipliziert wird, wobei alle Modulationsmatrizen vorzugsweise vollen Rang haben und die jeweils einander entsprechenden Spalten der einzelnen Modulationsmatrizen linear unabhängig sind. Weiters sollten die Bedingungen erfüllt sein, dass die Anzahl der Kanäleingänge größer als die Anzahl der Datenströme ist und dass die Länge des jeweiligen Sende- bzw. Empfangssignalblocks der BedingungThe method is based on the fact that the signal to be transmitted is forced on the transmitter side by a known matrix structure chosen for the respective application, which can be shown to be strong enough to hold the data to reconstruct the recipient without errors, solely on the basis of the known structure. It is expedient if each data stream to be written as a diagonal data matrix is multiplied by its own predetermined modulation matrix, all modulation matrices preferably having full rank and the columns of the individual modulation matrices corresponding to one another being linearly independent. Furthermore, the conditions should be met that the number of channel inputs is greater than the number of data streams and that the length of the respective send or receive signal block of the condition
N > J- -: genügt,N> J- -: is enough
wobei Mτ die Anzahl der Kanaleingänge undwhere M τ is the number of channel inputs and
K die Anzahl der Datenströme ist. Wenn die dadurch gegebene Mindestblocklänge N unterschritten wird, könnte das vorliegende Verfahren zusammenbrechen.K is the number of data streams. If the minimum block length N given thereby falls below, the present method could break down.
Im Hinblick auf eine zusätzliche Reduzierung des Rechenaufwandes bei der Empfangssignal-Demodulation (-Entzerrung) wird vorteilhaft ein Näherungsverfahren angewandt, bei dem die Entzerrung der Empfangssignale in iterativer Form durch abwechselnde Projektion von Sendesignal-Matrizen, ausgehend von einem vorgegebenen Startwert, auf zwei Signalräume durchgeführt wird, von denen der eine Signalraum die Modulationsstruktur-Eigenschaft repräsentiert und der andere Signalraum eine Unterraum-Eigenschaft entsprechend der Bedingung repräsentiert, dass der Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix im Zeilenraum der Sendesignal- Matrix liegt, wobei gegebenenfalls diese Zeilenräume einander gleich sind, wobei die gesuchte Sendesignal-Matrix als Schnittmenge der beiden Signalräume erhalten wird. Wenn dann bei Übergang von einem Iterationsschritt zum nächsten der Unterschied zwischen den erhaltenen Sendesignalen, d.h. Sendesignal-Matrizen, unter einem vorgegebenen Maximalwert, dem sog. Konvergenz- oder Stoppkriterium, liegt, ist das Sendesignal mit der gewünschten Genauigkeit erhalten.With a view to an additional reduction in the computing effort in the case of received signal demodulation (equalization), an approximation method is advantageously used in which the equalization of the received signals is carried out in iterative form by alternately projecting transmit signal matrices onto two signal spaces, starting from a predetermined start value of which the one signal space represents the modulation structure property and the other signal space represents a subspace property according to the condition that the row space of the received signal matrix lies in the row space of the transmit signal matrix, where appropriate these row spaces are equal to one another, the sought transmission signal matrix is obtained as an intersection of the two signal spaces. If, then, when moving from one iteration step to the next, the difference between the transmission signals obtained, i.e. Transmission signal matrices, below a predetermined maximum value, the so-called convergence or stop criterion, the transmission signal is obtained with the desired accuracy.
Von Vorteil ist es auch, wenn zur Berücksichtigung eines Gedächtnisses des jeweiligen Übertragungskanals eine gegenüber der Länge des Empfangssignalblocks erhöhte Länge des Sendesig- nalblocks zu Grunde gelegt wird. Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass in einem solchen Fall mehr Eingangssymbole auf den Block von AusgangsSymbolen Einfluss haben.It is also advantageous if, in order to take into account a memory of the respective transmission channel, a length of the transmit signal length that is longer than the length of the received signal block. nalblocks is taken as a basis. This takes into account the fact that in such a case more input symbols have an influence on the block of output symbols.
Für die Berechnungen ist es im Fall eines Kanals mit Gedächtnis ferner günstig, wenn die einzelnen Matrizen als Matrizen mit Block-Toeplitz-Struktur bzw. Block-Hankel-Struktur zu Grunde gelegt werden.In the case of a channel with memory, it is also advantageous for the calculations if the individual matrices are used as matrices with a block-toeplitz structure or block-Hankel structure.
Zur Sendesignal-Ermittlung kann dabei auch derart vorgegangen werden, dass der Zeilenraum der EmpfangsSignal-Matrix berechnet und aus diesem der Zeilenraum der Sendesignal-Matrix, z.B. durch SingulärwertZerlegung, berechnet wird. Dabei wird zweckmäßig die generierende Matrix der Sendesignal-Matrix aus deren Zeilenraum unter Auflösung der Matrixambiguität ermittelt. Andererseits kann in Hinblick auf eine hohe Recheneffizienz auch so vorgegangen werden, dass die Sendesignal-Matrix unter Erzwingen einer Block-Toeplitz-Struktur sowie einer Matrixmodulations- Struktur in einem einheitlichen Schritt aus dem Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix hergeleitet wird.To determine the transmission signal, it is also possible to proceed in such a way that the line space of the received signal matrix is calculated and from this the line space of the transmission signal matrix, e.g. by singular value decomposition. The generating matrix of the transmission signal matrix is expediently determined from its line space with resolution of the matrix ambiguity. On the other hand, with a view to high computing efficiency, the transmission signal matrix can be derived in a uniform step from the line space of the received signal matrix, forcing a block-toeplitz structure and a matrix modulation structure.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen noch weiter erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 schematisch eine Übertragungs-Einrichtung mit einem MIMO-Kanal ;1 schematically shows a transmission device with a MIMO channel;
Fig. 2 in einem Ablaufdiagramm die Ermittlung von entzerrten Signalen in einem iterativen Verfahren; die Fig. 3 sowie 3A und 4 sowie 4A in entsprechenden Diagrammen und zugehörigen Detail-Diagrammen alternative Entzerrungsverfahren; und die Fig. 5 und 6 in Diagrammen die Empfangssignalqualität für einen instantan mischenden Kanal (Fig. 5) bzw. für einen MIMO-Kanal mit Gedächtnis (Fig. 6) bei Anwendung verschiedener Parameter . *2 shows in a flowchart the determination of equalized signals in an iterative process; 3 and 3A and 4 and 4A in corresponding diagrams and associated detailed diagrams alternative equalization methods; and FIGS. 5 and 6 in diagrams the received signal quality for an instantaneously mixing channel (FIG. 5) or for a MIMO channel with memory (FIG. 6) when using different parameters. *
In Fig. 1 ist schematisch eine Übertragungseinrichtung 1 mit einem MIMO-Kanal 2 dargestellt, wobei • K parallel zu übertragenden Datenströmen h[ ] , mit & = 1,"*,ÜT, zugeführt werden; diesen Datenströmen dk[n] wird in einem Modulator 3 entsprechend einem Matrixmodulationsverfahren die gewünschte Matrixmodulations- Struktur aufgeprägt, wodurch an Mτ Sendeantennen 4 M Antenneneingangssignale Sjfc[«j (mit k = 1, ", Mη ) entstehen. Diese Signale Sk[n] werden über den MIMO-Kanal 2 (mit der Übertragungsmatrix H ) übertragen und Empfänger-seitig von Λ Antennen 5 empfangen. Die Empfangssignale [ϊ] (mit M% ) werden sodann in einem Demodulator (Entzerrer) 6 zu Schätzwerten d^[rύ äer Datensignale äk[ ] verarbeitet.1 schematically shows a transmission device 1 with a MIMO channel 2, where • K data streams h [] to be transmitted in parallel are supplied with & = 1, " *, ÜT; these data streams d k [n] are shown in FIG a modulator 3 according to a matrix modulation method the desired matrix modulation Structure imprinted, resulting in 4 M antenna input signals S jf c [«j (with k = 1, " , Mη) on M τ transmit antennas. These signals Sk [n] are transmitted via MIMO channel 2 (with the transmission matrix H) and Received on the receiver side by Λ antennas 5. The receive signals [ϊ] (with M % ) are then processed in a demodulator (equalizer) 6 to estimated values d ^ [rύ äer data signals ä k [].
Als erstes soll der Fall der sog. instantan mischenden MIMO- Kanäle, d.h. MIMO-Kanäle ohne Gedächtnis, betrachtet werden. (Diese Einschränkung wird aber später fallengelasen werden.) Es ist möglich, durch Anordnung der einzelnen Empfangswerte und Sendewerte zu einem Zeitpunkt « eine Vektor/Matrixwertige Ein/Ausgangsbeziehung x[n] =Hs[n] (DFirst, the case of so-called instantly mixing MIMO channels, ie MIMO channels without memory, should be considered. (However, this restriction will be dropped later.) It is possible to arrange a vector / matrix value input / output relationship x [n] = Hs [n] ( D
anzugeben. Darin ist der Sendevektor als s[n] = [sι[»]»"S τlijfr und der Empfangsvektor als x[»| = [xι[n] • ' ,%Mn[ϊlψ' gegeben. Die unbekannte ( a x Λ#τ) -Kanalmatrix H enthält als (i,j)-ten Eintrag hi, jenen Kanalkoeffizienten, der die Übertragung von der j-ten Sendeantenne 4 zur i-ten Empfangsantenne 5 beschreibt.specify. The transmit vector is given as s [n] = [sι [»]» "S τ lijf r and the receive vector as x [» | = [xι [n] • ' , % M n [ϊlψ'. The unknown (ax Λ # τ) channel matrix H contains, as the (i, j) th entry hi, that channel coefficient which describes the transmission from the jth transmitting antenna 4 to the ith receiving antenna 5.
Im Folgenden wird angenommen, dass immer nur ein Sende- bzw. Empfangssignalblock der Länge N betrachtet wird. Diese Annahme ist an sich üblich und in keiner Weise einschränkend, da einerseits die Blocklänge N beliebig gewählt werden kann und andererseits Blöcke aneinandergereiht werden können.In the following it is assumed that only one transmit or receive signal block of length N is considered. This assumption is common and is in no way restrictive, since on the one hand the block length N can be chosen arbitrarily and on the other hand blocks can be strung together.
Der Sender-seitige Matrix-Modulator 3 (im Wesentlichen ein Rechner) erzeugt aus den K zu übertragenden Datenströmen d^«] einen Sendesignalblock (eine Sendesignalmatrix) S = [s[ü]>"«s[iV~"l]) der Größe M^ x N gemäß folgender Vorschrift:The transmitter-side matrix modulator 3 (essentially a computer) generates a transmission signal block (a transmission signal matrix) S = [s [ü]>" « s [iV ~ "l]) from the K data streams d ^«] to be transmitted Size M ^ x N according to the following regulation:
KK
S = ^MÄDA. (2)S = ^ M Ä D A. (2)
Darin sind die K Datenmatrizen D& diagonale JVxJV Matrizen der Form Dfc = diag{<έ*[0],•• ■, < {JV-3]} un M& die sog. Modulationsmatrizen der Größe Mi X N , von denen es ebenfalls K gibt.In it are the K data matrices D & diagonal JVxJV matrices of the form D fc = diag {<έ * [0], •• ■, <{JV-3]} and M & the so-called modulation matrices of size Mi XN, of which there are K also exists.
Analog werden N aufeinanderfolgende EmpfangsSignalvektoren zu einem Empfangssignalblock (einer Empfangssignalmatrix) X = [x[ö]"*x[JV-l]] zusammengefasst. Wenn nun die erzwungene Modulationsstruktur - gemäß der vorstehenden Beziehung (2) - mit der Ein/Ausgangsbeziehung (1) kombiniert wird, erhält man eine gemeinsame Matrix-Ein/Ausgangsbeziehung für den Modulator 3 und den Kanal 4 wie folgt:N successive receive signal vectors become analog combined into a received signal block (a received signal matrix) X = [x [ö] " * x [JV-l]]. If the forced modulation structure - according to the above relationship (2) - is combined with the input / output relationship (1), you get a common matrix input / output relationship for modulator 3 and channel 4 as follows:
K = HS = Hj MfeD&, (3) fe=lK = HS = Hj M fe D & , (3) fe = l
Im Folgenden wird angenommen, dass der Empfänger (5, 6) zwar die erzwungene Struktur, d.h., alle K Modulationsmatrizen Mj., kennt, dass aber sowohl der Kanal H als auch die Datensequenzen dk{n] unbekannt sind.In the following it is assumed that the receiver (5, 6) knows the forced structure, ie, all K modulation matrices Mj., But that both the channel H and the data sequences d k {n] are unknown.
Die nachfolgend im Einzelnen beschriebenen Verfahren setzen weiters voraus, dass jeweils die i-ten Spalten, (mit i= 13- ...j\f) aller Modulationsmatrizen M& ( k = 1,' «', K) linear unabhängig sind. Wenn also die £-te Spalte der fe-ten Modulationsmatrix mit ϊEig[$] bezeichnet wird, heißt das, dass • • * <]f]} für jedes beliebige ϊ £ -[1.2. ' » • jΛ"} ein Satz linear unabhängiger Vektoren sein muss .The methods described in detail below also assume that the i-th columns (with i = 1 3 - ... j \ f) of all modulation matrices M & (k = 1, ' « ' , K) are linearly independent , So if the £ th column of the fifth modulation matrix is called ϊEig [$], it means that • • * <] f]} for any ϊ £ - [1.2. ' »• j Λ " } must be a set of linearly independent vectors.
Außerdem wird Kf < K < ang{H} festgelegt, wobei K* die Anzahl der aktiven Datenströme und K die maximale Anzahl der Datenεtröme (s. (2)) bezeichnet. Experimentell wurde festgestellt, dass wenn reellwertige Datenströme verwendet werden, die weniger restriktive Bedingung K' < K < 2R@jttg{H} erfüllt sein soll. Dies ist einleuchtend, da komplexwertige Vektoren doppelt so viele Freiheitsgrade haben, wie reellwertige.In addition, K f <K <ang {H} is defined, where K * denotes the number of active data streams and K the maximum number of data streams (see (2)). It was found experimentally that if real-value data streams are used, the less restrictive condition K '<K <2R @ jttg {H} should be fulfilled. This is obvious since complex-valued vectors have twice as many degrees of freedom as real-valued ones.
Des Weiteren soll N > 1 j T-Tf gelten, und die Modulations¬ matrizen Lfc sollen die im Folgenden beschriebene Bedingung erfüllen: Mit { ι[t],' • * , bMτ-.KlMl ird eine beliebige Basis bezeichnet, die jenen Raum aufspannt, der orthogonal zu dem von den Vektoren {-B-i[i]j m2[i|'' g-jt] aufgespannten Raum ist. Nun wird eine Matrix W gebildet, deren erste (KfMγ — KfK) Spalten das sog. Kronecker-Produkt möglichen Kombinationen (r, hält. Die zweiten (I Mψ — K*K) Spalten der Matrix W werden durch alle möglichen Kombinationen von m^S] ® b#[2] gebildet. In der gleichen Weise bis zu den Kombinationen m^/f] Θ bsfiVj fort- fahrend, erhält man eine M X N(KfM — K'K) Matrix W. Es kann gezeigt werden, dass der Rang von W gleich Mηp — 1 sein muss, um eine Matrixmodulations-Struktur zu erhalten, die stark genug ist, um Empfänger-seitig eine fehlerfreie Rekonstruktion zu ermöglichen. Dabei hängt wiederum der Rang von " nur von den Tt Matrizen M^ und von den Parametern K* und Λr ab. So kann man z.B. erkennen, dass die Matrix liegend sein muss, um der Rang- Bedingung zu genügen, was wiederum die vorerwähnte UngleichungN> 1 j T T f is to further the apply, and the modulation matrices ¬ Lfc should fulfill the condition described in the following: With {ι [t], '• *, bMτ-. K lMl i rd denotes an arbitrary base that spans that space that is orthogonal to that of the vectors {-Bi [i] j m 2 [i | '' g-jt] is space. Now a matrix W is formed, the first (K f Mγ - K f K) columns of the so-called Kronecker product possible combinations (r, holds. The second (I Mψ - K * K) columns of the matrix W are formed by all possible combinations of m ^ S] ® b # [2]. Continue in the same way up to the combinations m ^ / f] Θ b s fiVj- driving, one obtains an MXN (K f M - K'K) matrix W. It can be shown that the rank of W must be M ηp - 1 in order to obtain a matrix modulation structure that is strong enough to To enable error-free reconstruction on the receiver side. The rank of " depends only on the Tt matrices M ^ and on the parameters K * and Λ r . For example, you can see that the matrix must be horizontal to meet the rank requirement, which in turn means the one mentioned above inequality
N > " M^ ~11 Af TK notwendig macht .N>" M ^ ~ 11 Af T - K.
Es wurde demgemäß für einige Fälle untersucht, wie man Mo- dulations atrizen systematisch generieren kann, die der gerade beschriebenen Rang-Bedingung genügen. Dies schadet der Anwendbarkeit des Verfahrens jedoch nicht. Es wurde experimentell festgestellt, dass zufällig gewählte Modulationsmatrizen, welche die oben angegebenen notwendigen Abmessungen besitzen, der Rang- Bedingung genügten und bei jeder durchgeführten Simulation die gewünschten Ergebnisse brachten.Accordingly, it was investigated for some cases how one can systematically generate modulation atrices that meet the ranking condition just described. However, this does not harm the applicability of the method. It was found experimentally that randomly chosen modulation matrices, which have the necessary dimensions given above, met the rank condition and brought the desired results with every simulation carried out.
Unter den oben beschriebenen Bedingungen ist die Sende-sei- tig im Matrix-Modulator 3 erzwungene Struktur von 8 (s. Gleichung (2)) jedenfalls stark genug, um eine bis auf einen gemeinsamen konstanten Faktor eindeutige Rekonstruktion (Demodu- lation) der Datensequenzen d^[n] aus der Empfangsmatrix X zu erlauben. Mathematisch ausgedrückt heißt das, dass die Empfangsmatrix (wobei K* < K wie erwähnt die Anzahl der aktiven Datenströme ist, d.h. es wird berücksichtigt, dass der Empfänger (5, 6) mehr Datenströme erwarten könnte, als er tatsächlich vom Sender (3, 4) erhält) nicht als dargestellt werden kann, wobei abgesehen von einem konstanten Faktor ΕL ≠ Η. ist und/oder DÄjέDA ist. Weiters heißt das, dass dann, wenn es dem Empfänger gelingt, Matrizen H undUnder the conditions described above, the structure of 8 (see equation (2)) enforced on the transmit side in the matrix modulator 3 is in any case strong enough to enable a reconstruction (demodulation) of the data sequences that is unambiguous apart from a common constant factor to allow d ^ [n] from the reception matrix X. Expressed mathematically, this means that the reception matrix (where K * <K, as mentioned, is the number of active data streams, ie it is taken into account that the receiver (5, 6) could expect more data streams than it actually receives from the transmitter (3, 4)) not as can be represented, with the exception of a constant factor ΕL ≠ Η. and / or D Ä jέD A is. This also means that if the recipient succeeds, matrices H and
Dß , mit fc = l,««*.If, zu finden, so dassD ß , with fc = l, «« *. If, so that
K κ> fi∑MÄ^ -H∑ fcD*, (4) fe=ι fc=ιK κ> fi∑MÄ ^ -H∑ f cD *, (4) fe = ι fc = ι
gilt, daraus folgt, dass H#H =eI (hierbei wird mit I die Einheitsmatrix und mit H# die Pseudo-Inverse von H bezeichnet; vgl. auch G.H. Golub et al . , Matrix Computations . Baltimore: Johns Hopkins University Press, 3 ed., 1996) sowie weiters cDΛ,it follows that H # H = eI (here I denotes the unit matrix and H # the pseudo inverse of H; see also GH Golub et al., Matrix Computations. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 3 ed., 1996) and further cD Λ ,
D& = { k ≤ K' (5) l o,D & = {k ≤ K '(5) l o,
wobei c€C (d.i. die Menge aller komplexen Zahlen) ein unbekannter konstanter Faktor ist. Hierbei ist die bei fast allen blinden Verfahren vorkommende Tatsache, dass nur bis auf einen unbekannten konstanten Faktor demoduliert (entzerrt) werden kann, keine Einschränkung, da der konstante Faktor entweder wie z.B. bei differentieller Modulation (vgl. J.G. Proakis, Digital Communications. New York: McGraw-Hill, 3rd ed., 1995) nicht gebraucht wird oder aber leicht mit Hilfe von zusätzlichem Wissen, wie z.B. mit dem Wissen um das verwendete Symbolalphabet, geschätzt werden kann.where c € C (di the set of all complex numbers) is an unknown constant factor. The fact that almost all blind methods can only be demodulated (equalized) down to an unknown constant factor is not a limitation, since the constant factor is either like differential modulation (see JG Proakis, Digital Communications. New York : McGraw-Hill, 3 rd ed., 1995) is not used or can easily be estimated with the help of additional knowledge, such as knowledge of the symbol alphabet used.
Nachfolgend werden nun zwei verschiedene Methoden zur Demo- dulation (Entzerrung) vorgestellt, u.zw. eine exakte Methode, welche allerdings den Nachteil hat, dass sie - besonders für große Werte von M, Mi und FC - relativ rechenaufwendig ist, und eine iterative Methode, welche wesentlich recheneffizienter als die exakte Methode ist.In the following, two different methods for demodulation (equalization) are presented, e.g. an exact method, which has the disadvantage, however, that it is relatively computationally complex - especially for large values of M, Mi and FC - and an iterative method, which is considerably more computationally efficient than the exact method.
Zur einfacheren Beschreibung der Verfahren wird zunächst angenommen, dass H vollen Rang hat und gleich viele oder mehr Empfangsantennen wie Sendeantennen verwendet werden, d.h. Λ' 2. . Abänderungen, welche für eine singuläre Kanalmatrix H oder -ig < d notwendig sind, werden separat angemerkt.To simplify the description of the methods, it is first assumed that H has full rank and that the same number or more receiving antennas as transmitting antennas are used, i.e. Λ '2.. Changes that are necessary for a singular channel matrix H or -ig <d are noted separately.
Für die exakte Demodulationsmethode wird die vorstehende Gleichung (3) zunächst Spalte für Spalte zuFor the exact demodulation method, the above equation (3) is first column by column
K x[»]=H$^<k[n]m*[nI, n = 0,--,-V-l, (6) K x [»] = H $ ^ <k [n] m * [nI, n = 0, -, - Vl, ( 6 )
umgeschrieben, wobei m*[ft] die n-te Spalte der Modulationsmatrix M& bezeichnet. Wird nun diese Gleichung (6) mit der Pseudoin- versen H* der Kanalmatrix H von links multipliziert, so ergibt sichrewritten, where m * [ft] denotes the nth column of the modulation matrix M & . If this equation (6) is multiplied by the pseudo inverse H * of the channel matrix H from the left, the result is
Dieser Satz von ΛT linearen Gleichungen kann als Matrix-Vektor- Produkt This set of ΛT linear equations can be used as a matrix vector product
Qy = 0 (7) Qy = 0 ( 7 )
zus ammenge fas st werden. Hierbei ist die Matrix der Größe M N x (MTMΑ «J- KN) durch .PJ .P4to sum up. Here the matrix is of size MN x (M T M Α «J-KN) by .PJ .P4
QQ
: 0 • " • : 0 • "•
gegeben, wobei die ( p x MιM ) -Matrix Xq [n] durchgiven, the (px MιM) matrix X q [n] by
Xfl[n]X fl [n]
0 xrM0 x r M
und die ( Mi x K) -Matrix Mq[n] durch Mg[κ] = [mi[»],-• •,mif[«]] gegeben ist. Des Weiteren ist der Vektor y, der insbesondere auch die gesuchten Datensignal-Größen enthält, durchand the (Mi x K) matrix Mq [n] is given by M g [κ] = [mi [»], - • •, m if [«]]. Furthermore, the vector y, which in particular also contains the data signal quantities sought, is through
gegeben, wobei d[n] = [ι[»],---Jώf[«] ' und © ist; mit dem Index "T" wird dabei der jeweilige transponierte Vektor bezeichnet; weiters wird durch (H#)<s5- das (i,j)-te Element der Pseudoinversen der Matrix H bezeichnet.given, where d [n] = [ι [»], --- J ώf [«] 'and © is; the respective transposed vector is designated with the index "T"; furthermore by (H #) <s5 - the (i, j) -th element of the pseudo inverses of the matrix H is designated.
Die Gleichung (7) gilt wie erwähnt an sich nur für den rauschfreien Fall. Da aber in der Praxis immer Rauschen vorhanden ist, kann die Gleichung (7) nur näherungsweise, z.B. mit der Methode der minimalen Fehlerquadrate (least-squares, LS) , gelöst werden. Die LS-Lösung von (7), nämlich yLg , ist wie an sich bekannt durch den rechten Singulärvektor zum kleinsten Singulärwert der Matrix gegeben.As already mentioned, equation (7) only applies to the noise-free case. However, since noise is always present in practice, equation (7) can only be solved approximately, for example with the method of minimum squares (LS). The LS solution of (7), namely yLg , as known per se, is given by the right singular vector for the smallest singular value of the matrix.
Das Berechnen des gesuchten Singulärvektors ist jedoch für große τ oder N aufgrund der resultierenden großen Abmessungen der Matrix relativ rechenaufwendig. In diesen Fällen ist das nächste vorgestellte iterative Verfahren wesentlich recheneffi- zienter .However, the calculation of the singular vector sought is relatively computationally complex for large τ or N due to the resulting large dimensions of the matrix. In these cases, the next iterative procedure presented is significantly computationally efficient. more focused.
Für einen gegebenen Empfangssignalblock X = HS und für bekannte Modulationsmatrizen M^ sind wie erläutert die Sendesig- nalmatrix S = ^*1M^D^ und damit auch die K Datenmatrizen D& eindeutig (bis auf einen skalaren Faktor) bestimmt. Es kann gezeigt werden, dass für einen gegebenen Empfangssignalblock X die Matrix S auch schon eindeutig (bis auf einen unbekannten Faktor) rekonstruiert ist, wenn man eine Matrix findet, die gleichzeitig die beiden folgenden Eigenschaften erfüllt:As explained, for a given received signal block X = HS and for known modulation matrices M ^, the transmission signal matrix S = ^ * 1 M ^ D ^ and thus also the K data matrices D & are uniquely determined (apart from a scalar factor). It can be shown that for a given receive signal block X, the matrix S has already been reconstructed unambiguously (except for an unknown factor) if one finds a matrix that simultaneously fulfills the following two properties:
1. S besitzt die gewünschte Modulationsstruktur, d.h., S = ∑J ιMfcDft, mit diagonalen Matrizen D^; und1. S has the desired modulation structure, ie, S = ∑J ιMfcD f t, with diagonal matrices D ^; and
2. der Zeilenraum von S ist gleich dem Zeilenraum von X.2. the line space of S is equal to the line space of X.
Die zweite Eigenschaft folgt aus X = HS, da angenommen wird, dass die Kanalmatrix H vollen Rang hat.The second property follows from X = HS, since it is assumed that the channel matrix H has full rank.
Da beide der aufgezählten Eigenschaften implizit lineare Räume definieren, kann man die Rekonstruktion auch folgendermaßen formulieren: Man sucht eine Matrix S, welche sowohl in einem Raum Λ entsprechend der Modulationsstruktur-Eigenschaft als auch in einem Raum B entsprechend der Unterraum-Eigenscha t (Eigenschaft Nr. 2) liegt. Man sucht also S€«AnB. Da sowohl Λ als auch S lineare Unterräume von CτxJ* (d.i. die Menge aller ko - plexwertigen Matrizen mit Mτ Zeilen und N Spalten) und damit auch konvex sind, kann man durch den Algorithmus der fortlaufenden Projektionen auf konvexe Mengen (projections onto convex sets, sog. POCS-Methode, s. P.L.Combettes, "The foundations of set theoretic estimation" , Proc.IEEE, vol. 81, pp. 181-208, Feb. 1993) ein Element der Schnittmenge S 6*.(1 und somit das gewünschte S berechnen.Since both of the properties listed implicitly define linear spaces, the reconstruction can also be formulated as follows: You are looking for a matrix S that fits both in a space Λ according to the modulation structure property and in a space B according to the subspace property (property no . 2) lies. So you're looking for S € «AnB. Since both Λ and S are linear subspaces of C τxJ * ( ie the set of all complex-valued matrices with M τ rows and N columns) and therefore also convex, the algorithm of continuous projections onto convex sets (projections onto convex sets, so-called POCS method, see PLCombettes, "The foundations of set theoretic estimation", Proc.IEEE, vol. 81, pp. 181-208, Feb. 1993) an element of the intersection S 6 * . (1 and thus calculate the desired S.
Zur Berechnung wird gemäß Fig. 2 ein recheneffizientes iteratives Verfahren verwendet, welches ausgehend von einem Startwert S(0) abwechselnd solange auf die beiden Räume Λ und ß projiziert, (s. die Blöcke 10 und 11 in Fig. 2), bis sich durch eine weitere Projektion keine signifikante Änderung mehr ergibt, d.h. bis der Schätzwert konvergiert, s. Abfrage-Schritt 12 in Fig. 2); die Konvergenz wird dabei mit einem sog. Stopp-Kriterium überprüft: Wenn die Änderung bei einer weiteren Iteration kleiner ist als das Stopp-Kriterium, wird das Verfahren abgebrochen. Dieses mathematische Projektionsverfahren ist an sich in der Li- teratur (s. oben) unter dem Namen "projections onto convex sets", auch POCS genannt, bekannt. Der Wert des Stopp-Kriteriums ist je nach den Umständen und Zielvorstellungen festzulegen. Im Einzelnen wird dabei wie folgt vorgegangen.According to FIG. 2, a computationally efficient iterative method is used for the calculation, which, starting from a starting value S (0), projects alternately onto the two spaces Λ and ß (see blocks 10 and 11 in FIG. 2) until it is clear a further projection no longer results in a significant change, ie until the estimated value converges, s. Query step 12 in Figure 2); the convergence is checked with a so-called stop criterion: if the change in another iteration is smaller than the stop criterion, the process is terminated. This mathematical projection method is inherently teratur (see above) under the name "projections onto convex sets", also known as POCS. The value of the stop criterion should be determined according to the circumstances and objectives. The detailed procedure is as follows.
1. Projektion auf Λ-. Die Projektion auf Λ ergibt sich zu , wo];5ei gezeigt werden kann, dass die Diagonalelemente der Matrizen D/ durch1. Projection on Λ-. The projection on Λ results in , where ]; 5 e i can be shown that the diagonal elements of the matrices D / through
gegeben sind. Hierbei ist S^"*^ das Resultat der vorhergehenden Iteration (d.h. der vorhergehenden Projektion auf B) , und die Matrizen Mjjj" der Größe M x N sind in einer Weise definiert, dass (m^j»])2', also die Transponierte der n-ten Spalte von MjJ", gleich der fe-ten Zeile der ( K x Mi) -Matrix [ ι[»J• ••mjr[»J]* ist. (Mathe¬ matisch gesehen sind also {mι[n], und {m£Mj**'jmκM} reziproke Basen eines Ä"-dimensionalen Unterraums von & . ) Für den Fall, dass die Vektoren m1[n],-.«,mjg'J | orthonormal sind, gilt vereinfachend Mj = M , wobei M die komplex konjugierte von MÄ ist.given are. Here S ^ " * ^ is the result of the previous iteration (ie the previous projection on B), and the matrices Mjjj" of size M x N are defined in such a way that (m ^ j »]) 2 ', i.e. the transpose of the nth column of MJJ, "equal to the fe-th row of the (K x Mi) matrix [ι [» J • •• mjr [ 'Y] is *. (Math ¬ are seen matically so {mι [ n], and {m £ Mj ** 'jmκM} reciprocal bases of an Ä "-dimensional subspace of & .) In the event that the vectors m 1 [n], -.«, mjg'J | are orthonormal, Mj applies = M, where M is the complex conjugate of M Ä .
2. Projektion auf ß: Die Projektion auf S ergibt sich zu S(*1=BW , wobei gezeigt werden kann, dass die zur Projektion benötigte Matrix B(l1 2. Projection on ß: The projection on S results in S ( * 1 = BW, whereby it can be shown that the matrix B (l1
BW = SP-13X*BW = SP- 1 3X *
ist. Hierbei ist S^"1^ das Resultat aus der vorhergehenden Iteration (d.h. die Projektion auf -4.) und # ist die Pseudoinverse von X, welche nur ein einziges Mal vor Beginn des iterativen Verfahrens berechnet werden muss.is. Here S ^ " 1 ^ is the result of the previous iteration (ie the projection onto -4.) And # is the pseudo inverse of X, which only has to be calculated once before the iterative process begins.
Es kann gezeigt werden, dass im vorliegenden Fall die Konvergenz des Verfahrens gegeben ist. Damit ist sichergestellt, dass für einen gegebenen Empfangssignalblock X und für eine ge¬ gebene Modulationsstruktur (s. Gleichung 2) die Eingangsdaten- ströme d i] bis auf einen gemeinsamen skalaren Faktor bestimmt sind.It can be shown that the convergence of the method is given in the present case. This ensures that for a given received signal block X and a ge ¬ passed modulation structure (s. Equation 2) the input data streams di] are determined up to a common scalar factor.
Die Konvergenzgeschwindigkeit (aber nicht die Konvergenz selber) hängt vom Startpunkt S^ der Iterationen ab. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass im semiblinden Fall, d.h. im Fall dass eine gewisse Anzahl der gesendeten Daten bekannt ist (vgl. z.B. die Mittambel bei bestehenden Standards wie GSM oder UMTS) , können die a priori bekannten Daten zur Berechnung eines guten Startwerts und somit zur beschleunigten Konvergenz und höheren Recheneffizienz verwendet werden. Eine weitere Methode, um die Konvergenzgeschwindigkeit des Verfahrens zu erhöhen, ist die sog. Relaxation, vgl. das vorstehend erwähnte Dokument von P.L.Com- bettes . Des Weiteren kann auch das Wissen um das verwendete Sen- desymbolalphabet verwendet werden, um die Konvergenz, besonders gegen Ende der Iteration, zu beschleunigen; vgl. z.B. S.Talwar et al . "Blind Separation of synchronous co-channel digital Signals using an antenna array - Part I: Algorithms" ; IEEE Trans. Signal Processing,- vol. 44, pp. 1184-1197, May 1996 für Algorithmen, die ein finites Symbolalphabet ausnützen. Dieser letzte Ansatz zur Konvergenzbeschleunigung hat jedoch den Nachteil, dass die Konvergenz nicht mehr garantiert werden kann.The rate of convergence (but not the convergence itself) depends on the starting point S ^ of the iterations. An advantage The method is that in the semi-blind case, ie in the event that a certain number of the transmitted data is known (see, for example, the midamble for existing standards such as GSM or UMTS), the data known a priori can be used to calculate a good starting value and thus to accelerated convergence and higher computing efficiency can be used. Another method to increase the convergence speed of the method is the so-called relaxation, cf. the PLCombettes document mentioned above. Furthermore, knowledge of the broadcast symbol alphabet used can be used to accelerate convergence, especially towards the end of the iteration; see. e.g. S. Talwar et al. "Blind Separation of synchronous co-channel digital signals using an antenna array - Part I: Algorithms"; IEEE Trans. Signal Processing, - vol. 44, pp. 1184-1197, May 1996 for algorithms that use a finite symbol alphabet. However, this last approach to accelerating convergence has the disadvantage that convergence can no longer be guaranteed.
Für große Werte von N und/oder von Λ ist das vorstehend erläuterte, auf POCS basierende Verfahren wesentlich recheneffizienter als das davor vorgestellte Verfahren.For large values of N and / or Λ, the POCS-based method explained above is considerably more computationally efficient than the method presented before.
Wenn die Kanalmatrix H singulär wird oder M , Mrp ist, so sind die Matrizen Bflg" , welche die dualen Basen enthalten, in jedem Iterationsschritt neu zu berechnen, wobei nun statt der Spalten der Matrizen M^ die Spalten der Matrizen chnung zugrunde gelegt werden müssen, um im rauschfreien Fall die Daten exakt zu rekonstruieren. Simulationen haben jedoch gezeigt, dass insbesondere bei niedrigem SNR das ursprüngliche Verfahren ohne, die gerade genannten Änderungen nur geringfügig höhere Rekonstruktionsfehler verursacht als das abgeänderte Verfahren.If the channel matrix H becomes singular or M, Mrp, the matrices Bflg "which contain the dual bases must be recalculated in each iteration step, with the columns of the matrices now being replaced by the columns of the matrices M ^ calculation must be taken as a basis in order to reconstruct the data exactly in the case of noiselessness. However, simulations have shown that, in particular at low SNR, the original method without the changes just mentioned causes only slightly higher reconstruction errors than the modified method.
Das beschriebene Matrixmodulationsverfahren kann auch ohne Veränderungen verwendet werden, um die FC unabhängigen Datenströme <4-Mι über einen MIMO-Kanal 2 mit Gedächtnis zu übertragen. Es sind jedoch für diesen Fall zur Demodulation und Entzerrung einige Ergänzungen notwendig, welche im Folgenden beschrieben werden.The matrix modulation method described can also be used without changes in order to transmit the FC-independent data streams <4-Mι via a MIMO channel 2 with memory. In this case, however, some additions are necessary for demodulation and equalization, which are described below.
Für einen MIMO-Kanal 2 mit Gedächtnis lautet die Ein/Aus- gangsbeziehung For a MIMO channel 2 with memory, the input / output relationship is
wobei die ( R X Mp) -Matrizen H[m] die matrixwertige Impulsantwort des Kanals sind und (L—1) die maximale Verzögerung des Kanals darstellt .where the (R X Mp) matrices H [m] are the channel's matrix-valued impulse response and (L-1) represents the channel's maximum delay.
Die Sender-seitige Matrixmodulation ist nach wie vor von der FormThe transmitter-side matrix modulation is still in shape
KK
k=& ,k = &,
jedoch wird die Sendesignalblocklänge (bei gleichbleibender Empfangsblocklänge N) auf N+L-l erhöht, um dem Gedächtnis des Kanals 2 Rechnung zu tragen. Daraus folgt, dass die Sendematrix S = [s[-,£+l]>"s[Ar>~l]] nunmehr die Größe Λfτ x (N+ L - 1) hat und dementsprechend die diagonalen Datenmatrizen Difeϊ sdia{dA[-L + l],'",rfft[JV-l]} die Größe (N + i~l) x {N + -l) haben.however, the transmission signal block length (with the reception block length N remaining the same) is increased to N + Ll in order to take into account the memory of channel 2. It follows that the send matrix S = [s [-, £ + l]>" s [A r > ~ l]] now has the size Λf τ x (N + L - 1) and accordingly the diagonal data matrices D ifeϊ s dia {dA [-L + l], '", rfft [JV-l]} have the size (N + i ~ l) x {N + -l).
Es ist wiederum möglich, die Ein/Ausgangsbeziehung (s. Gleichung 9) durch Anordnen der Empfangsvektoren x[n], der Kanalimpulsantwort Η.[m) und der Sendevektoren sj»} in Matrizen zu einer einzigen matrixwertigen Ein/AusgangsbeziehungIt is again possible to matrice the input / output relationship (see equation 9) by arranging the receive vectors x [n], the channel impulse response Η. [M) and the transmit vectors sj »} into a single matrix-valued input / output relationship
X = HS (10) X = HS (10)
zusammenzufassen. Darin ist X die Ausgangsmatrix, die aus den empfangenen Signalen erstellt wird; Η die Kanalmatrix, die aus den Kanalimpulsantworten erhalten wird; und $ die Eingangsmatrix, die die zu ermittelnden gesendeten Signale enthält. Die Anordnung wird hier so gewählt, dass die einzelnen Matrizen die für eine blinde Entzerrung gewünschte Block-Toeplitz-Struktur bzw. Block-Hankel-Struktur besitzen.summarize. Here X is the output matrix that is created from the received signals; Kanal the channel matrix obtained from the channel impulse responses; and $ the input matrix containing the transmitted signals to be determined. The arrangement is chosen so that the individual matrices have the block-toeplitz structure or block-Hankel structure desired for blind equalization.
Eine mögliche Anordnung, von der im Weiteren ausgegangen wird, ist beispielsweise die Folgende: Die gesamte matrixwertige Impulsantwort wird zu H' = [H[ö] • • •H[L— 1]] zusammengefasst, womit schließlich eine Kanal-Block-Matrix Η der GrößeA possible arrangement that is assumed in the following is, for example, the following: The entire matrix-valued impulse response is combined to H '= [H [ö] • • • H [L— 1]], which ultimately results in a channel block matrix Η the size
Mjp M (L +p — 1), in der H' p-mal, jeweils um Positionen verschoben, gestapelt wird (der Stapelparameter p wird in der Literatur auch als Glättungsparameter bezeichnet) , alsMjp M (L + p - 1), in which H 'p times, shifted by positions, is stacked (the stacking parameter p is in the Literature also referred to as smoothing parameters), as
0 H' n H'0 H 'n H'
H' 0H '0
definiert werden kann, vgl. auch z.B. A.J.van der Veen et al . , ' 'A supspace approach to blind space-time signal processing for wireless communication Systems", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 45, pp. 173-190, Jan. 1997; und H.Liu et al . , "Closed form blind εymbol estimation in digital Communications", IEEE Trans. Signal Processing, vol .43 , pp. 2714-2723, Nov. 1995. Es sind aber auch andere Anordnungen denkbar, die z.B. durch Vertauschen der Reihenfolge der Zeilen bzw. Spalten der einzelnen Matrizen entstehen, aber zur vorstehenden Anordnung äquivalent sind.can be defined, cf. also e.g. A.J. van der Veen et al. , '' A supspace approach to blind space-time signal processing for wireless communication Systems ", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 45, pp. 173-190, Jan. 1997; and H.Liu et al.," Closed form blind "symbol estimation in digital communications", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43, pp. 2714-2723, Nov. 1995. Other arrangements are also conceivable, for example, by interchanging the order of the rows or columns of the individual matrices arise, but are equivalent to the above arrangement.
Als nächstes wird eine Sende-Block-Matrix der Größe τ(£ +$> — 1) X (N - p + 1) , nämlichNext, a transmit block matrix of size τ (£ + $> - 1) X (N - p + 1), namely
S[ΛΓ-I] -2] -1] N-2]S [ΛΓ-I] -2] -1] N-2]
L shL+1] st-ü+2] .. , s[JV-X-p+l]L shL + 1] st-ü + 2] .. , s [JV-X-p + l]
definiert . Diese Block-Matrix S hat eine Block-Toeplitz-Struktur und wird von den Spalten der Matrix S = [s[— L + 1] « «< s[N - 1]] gene¬ riert , weshalb diese Matrix S als die generierende Matrix von S bezeichnet wird. Schließlich wird mit dem Ausgangsvektor x[«] die folgende Empfangs-Block-Toeplitz-Matrix der Größe Mjφ X (N — p + 1) , nämlich x[2] x(jV _ p] x jv - p + 1]Are defined . These block matrix S has a block Toeplitz structure and is of the columns of the matrix S = [s [- 1] - L + 1] ""<s [N] riert gene ¬ why this matrix S-generating than the Matrix of S is called. Finally, with the output vector x [«] the following receive block Toeplitz matrix of size Mjφ X (N - p + 1), namely x [2] x (jV _ p] x jv - p + 1]
X xfr - 1] ] x[JV - 2] xfJV - 1] definiert .X xfr - 1]] x [JV - 2] xfJV - 1].
In Fig. 3, mit den in Fig. 2 gezeigten Detailschritten gemäß Fig. 3A, ist dieser Schritt der Bildung der Empfangs- oder Aus¬ gangsmatrix X bei Block 16 veranschaulicht. Es folgt dann ein drei-stufiges Verfahren zur Demodulation, wobei gemäß Block 17 zunächst die Berechnung des Zeilenraums der Empfangsmatrix X durchgeführt wird. Die Größen der einzelnen Matrizen hängen von Parametern wie der Kanalimpulsantwortlänge L, der Anzahl der Sende- und Empfangsantennen 4, 5, der Blocklänge N und dem Glät- tungsfaktor p ab. Unter der Bedingung, dass diese Parameter in einer solchen Weise gewählt werden, dass stehend und S liegend ist (formal muss also ff > ^ ^ > m t M» > M und' N > ML +(JW"τ+l){p—1) gelten), und dass Η zusätzlich vollen Rang hat, ist jener Raum, der von den Zeilen der Empfangsmatrix X aufgespannt wird (der Zeilenraum von X) , gleich dem Zeilenraum von S . Es kann also der Zeilenraum der Sende-Block-Matrix S z.B. mittels einer Singulärwertzerlegung der Empfangmatrix X berechnet werden. Dieser Schritt könnte aber auch durch andere, an sich bekannte Methoden, die weniger rechenaufwendig sind als die Singulärwertzerlegung, approximiert werden. (Eine Singulärwertzerlegung zerlegt eine Matrix A in drei Matrizen TJ,D und V gemäß der Beziehung A = TJDV, wobei U und V orthogonale Spalten bzw. Zeilen besitzen, d.h. TJffU = I und VHV = I, wobei I die Einheitsmatrix entsprechender Dimension ist, und D eine Diagonalmatrix ist.) Nach der Berechnung des Zeilenraums der Empfangsmatrix X erfolgt gemäß Block 18 in Fig. 3 die Berechnung der generierenden Matrix von S -. Es ist bekannt, dass allein vom Zeilenraum einer liegenden Toeplitz-Matrix bzw. Hankel-Matrix die Matrix selbst bis auf einen multiplikativen Faktor rekonstruiert werden kann. Ist die Matrix jedoch eine Block-Toeplitz-Matrix, so kann von ihrem Zeilenraum die Matrix selbst im Allgemeinen nur bis auf eine Matrixambiguität bestimmt werden, da die Block-Zeilen im Allgemeinen keine Struktur besitzen.. 3A, this step is illustrated the formation of the receiving or from ¬ transition matrix X at block 16 in FIG. 3, with the results shown in Fig. 2 Detail steps according to Fig. It then follows three-stage method for demodulation, wherein according to block 17 the row space of the reception matrix X is first calculated. The sizes of the individual matrices depend on parameters such as the channel impulse response length L, the number of transmit and receive antennas 4, 5, the block length N and the smoothing factor p. Under the condition that these parameters are chosen in such a way that standing and S is lying (formally, ff> ^ ^ > m t M »> M and ' N> M L + (JW " τ + l) {p — 1) apply), and that Η also has full rank is the space that is spanned by the rows of the receive matrix X (the row space of X), equal to the row space of S. So the row space of the send- Block matrix S can be calculated, for example, by means of a singular value decomposition of the reception matrix X. This step could, however, also be approximated by other methods known per se, which are less computationally expensive than the singular value decomposition. D and V according to the relationship A = TJDV, where U and V have orthogonal columns or rows, ie TJ ff U = I and V H V = I, where I is the unit matrix of the corresponding dimension and D is a diagonal matrix.) the calculation of the line space of the reception matrix x X takes place according to block 18 in FIG. 3, the calculation of the generating matrix of S -. It is known that the matrix itself can be reconstructed from the row space of a lying Toeplitz matrix or Hankel matrix down to a multiplicative factor. However, if the matrix is a block Toeplitz matrix, the matrix itself can generally only be determined from its row space except for one matrix ambiguity, since the block rows generally have no structure.
Die Eingangsmatrix S ist eine liegende Block-Toeplitz-Matrix, welche wie erwähnt durch die generierende Matrix S bestimmt ist. Das gegebene Entzerrungsproblem kann also auch als die Berechnung der generierenden Matrix S aus der Empfangsmatrix X formuliert werden.The input matrix S is a horizontal block toeplitz matrix which, as mentioned, is determined by the generating matrix S. The given equalization problem can therefore also be formulated as the calculation of the generating matrix S from the reception matrix X.
In H.Liu et al., "Multiuser blind Channel estimation and εpatial Channel pre-equalization" , Proc . IEEE ICASSP-95, (Detroit (MI)), pp. 1756-1759, May 1995; sowie im vorerwähnten Dokument von A.J.van der Veen et al . sind zwei Verfahren beschrieben, wie S -bis auf eine Matrixambiguität (also SA = AS mit unbekannter invertierbarer p x T Matrix H) von einer Block-Toeplitz-Matrix berechnet werden kann. Des Weiteren könnte auch das aus E.Moulines et al . , "Subspace methods for the blind identification of multichannel FIR filters", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 32, no . 2, pp. 516-525, 1995 bekannte Verfahren zur Lösung des vorliegenden Problems entsprechend eingesetzt werden. Allen Verfahren ist jedoch gemeinsam, dass entweder die Matrix X oder eine Matrix, deren Zeilenraum den Raum orthogonal zum Zeilenraum von X aufspannt, in eine "Supermatrix" gestapelt werden muss, um dann durch eine Singulärwertzerlegung von dieser Supermatrix auf SA schließen zu können. Da der Rechenaufwand einer Singulärwertzerlegung aber mit der dritten Potenz der Abmessungen der zu zerlegenden Matrix steigt, sind diese Verfahren doch ziemlich rechenaufwendig, weshalb weiter unten eine Alternative (nämlich die sog. direkte Faktorisierung, vgl. Fig. 4) vorgeschlagen wird.In H.Liu et al., "Multiuser blind channel estimation and εpatial channel pre-equalization", Proc. IEEE ICASSP-95, (Detroit (MI)), pp. 1756-1759, May 1995; as well as in the aforementioned document by AJvan der Veen et al. two methods are described, such as S-up to a matrix ambiguity (i.e. SA = AS with unknown invertible px T matrix H) can be calculated from a block Toeplitz matrix. Furthermore, the one from E. Moulines et al. , "Subspace methods for the blind identification of multichannel FIR filters", IEEE Trans. Signal Processing, vol. 32, no. 2, pp. 516-525, 1995 known methods can be used accordingly to solve the present problem. Common to all methods, however, is that either the matrix X or a matrix whose row space spans the space orthogonal to the row space of X must be stacked in a "supermatrix" in order to be able to conclude from this supermatrix by a singular value decomposition. However, since the computational complexity of a singular value decomposition increases with the third power of the dimensions of the matrix to be decomposed, these methods are rather computationally complex, which is why an alternative (namely the so-called direct factorization, see FIG. 4) is proposed below.
Im Schema gemäß Fig. 3 folgt nun gemäß Schritt 19 die Auflösung der Matrixambiguität, d.h. die Berechnung der generierenden Matrix S aus A - Da aber die verbleibende Matrixambiguität vollkommen analog zu einem instantan mischenden Kanal X = HS. In the scheme of Figure 3 now follows in accordance with step 19, the resolution of the Matrixambiguität, the calculation of the generating matrix S that is, from A - Since the remaining Matrixambiguität entirely analogous to an instantaneous mixing channel X = HS
(vgl. Gleichung (3)) ist, kann die Ambiguität mit den Demodula- tionsmethoden für den instantan mischenden Kanal, welche oben beschrieben wurden, aufgelöst werden, um die Daten dJ- + 1], < [—£ + 2],• ••, < [Λr—1] kis aυ-f einen unbekannten gemeinsamen konstanten Faktor zu rekonstruieren. Demgemäß ist in Fig. 3A die Auflösung der Matrixambiguität (Block 19 in Fig. 3) im Einzelnen mit Blöcken 10, 11 und 12 herausgezeichnet, die jenen von Fig. 2 entsprechen.(cf. equation (3)), the ambiguity can be resolved with the demodulation methods for the instantaneously mixing channel, which were described above, in order to obtain the data dJ- + 1], <[- £ + 2], • ••, <[Λ r —1] ki s aυ -f to reconstruct an unknown common constant factor. Accordingly, the resolution of the matrix ambiguity (block 19 in FIG. 3) is drawn out in detail in FIG. 3A with blocks 10, 11 and 12 which correspond to those of FIG. 2.
Zur Demodulation (Entzerrung) kann auch eine direkte Faktorisierung verwendet werden, wie in Fig. 4 schematiεch gezeigt, die ebenfalls auf der erwähnten POCS-Methode beruht, die aber die Berechnung der generierenden Matrix S und das Auflösen der Matrixambiguität in einem Schritt 20 (Fig. 4) vereint und dadurch recheneffizienter ist als die vorstehende Vorgangsweise. Gleichzeitig behält diese modifizierte Methode jedoch die Vorteile der ersten Methode, wie semiblinde Initialisierungsmöglichkeit, mögliche Relaxation, mögliches Verwenden von a priori-Wissen, die Möglichkeit unterschiedlich langer Subkanäle etc. Zusätzlich sind die gerade genannten Vorteile in ihrer Auswirkung bei der direkten Faktorisierung nicht nur auf die Auflösung der Matrixambi- guität beschränkt, sondern für den gesammten Schritt 20 von Vorteil .A direct factorization can also be used for demodulation (equalization), as shown schematically in FIG. 4, which is also based on the aforementioned POCS method, but which calculates the generating matrix S and resolves the matrix ambiguity in a step 20 (FIG 4) united and therefore more computationally efficient than the above procedure. At the same time, however, this modified method retains the advantages of the first method, such as semi-blind initialization options, possible relaxation, possible use of a priori knowledge, the possibility of subchannels of different lengths, etc. In addition, the advantages just mentioned are not only limited in their impact on direct factorization the resolution of the matrix limited, but advantageous for the entire step 20.
Die Berechnung der generierenden Matrix A bis auf eine Am- biguität ist, wie erwähnt, rechenaufwendig. Dieser Schritt kann vermieden werden, wenn man erkennt, dass die Eingangsmatrix S bis auf einen skalaren Faktor eindeutig durch die folgenden zwei Eigenschaften bestimmt ist:As mentioned, the calculation of the generating matrix A except for an ambiguity is computationally complex. This step can be avoided if one recognizes that the input matrix S is uniquely determined except for a scalar factor by the following two properties:
1. S ist eine Block-Toeplitz-Matrix, und ihre Generierende hat eine Modulationsstruktur, i.e., S~ T^MfcDfc mit diagonalen Matrizen D&;1. S is a Block-Toeplitz matrix, and its generator has a modulation structure, ie, S ~ T ^ M f cD f c with diagonal matrices D & ;
2. der Zeilenraum der Matrix S gleicht dem Zeilenraum von X .2. the row space of the matrix S is equal to the row space of X.
Anders ausgedrückt ist S € Äfl B , worin Λ den linearen Unterraum aller Block-Toeplitz-Matrizen mit der generierenden Matrix S (wobei die Matrizen M* gegeben sind und die Matrizen Ok diagonal sind) bezeichnet. Weiters bezeichnet B den linearen Unterraum aller Matrizen, deren Zeilenraum im Zeilenraum von X liegt (d.h. aller Matrizen der Form mit beliebiger Mι{L -jr — 1) x p-Matrix B) . Diese Formulierung führt wieder zu einer POCS-Methode zum Berechnen von S, bei der die iterierte Version von S alternierend auf Λ und B projiziert wird:In other words, S € Äfl B, where Λ is the linear subspace of all Block-Toeplitz matrices with the generating matrix S (where the matrices M * are given and the matrices O k are diagonal). Furthermore, B denotes the linear subspace of all matrices whose row space lies in the row space of X (ie all matrices of the form with any Mι {L -jr - 1) x p-matrix B). This formulation again leads to a POCS method for calculating S, in which the iterated version of S is alternately projected onto Λ and B:
1. Projektion auf Λ: (s. Block 21 in Fig. 4A) : da eine sog. linear strukturierte Matrix (vgl. J.A.Cadzow, "Signal enhancement - A composite property mapping algorithm" , IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. 36, pp. 49-62, Jan. 1988) ist, kann gezeigt werden, dass die Projektion auf Λ durch die folgenden zwei Schritte bewerkstelligt werden kann:1. Projection onto Λ: (see block 21 in FIG. 4A): since a so-called linearly structured matrix (cf. JACadzow, "Signal enhancement - A composite property mapping algorithm", IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. 36, pp. 49-62, Jan. 1988), it can be shown that the projection onto Λ can be accomplished by the following two steps:
Im ersten Schritt (Block 24 in Fig. 4A) wird die Block-Toeplitz-Struktur erzwungen: Es sei S^""^ das Resultat der vorhergehenden Iteration (also der Projektion auf B) . Von der Matrix 5""1) , welche keine Block-Toeplitz-Struktur besitzt, wird eine K x (N + L — l)-"pseudo-generierende Matrix" S^"^ wie folgt berechnet. Die erste der Mi Zeilen von S "*1^ wird berechnet, indem man entsprechend verschobene und mit Nullen aufgefüllte Versionen der ersten, ( τ + l)-ten, (2Mτ -l}-ten, etc. Zeilen von S^~^ mit- telt. Man nimmt also die erste Reihe von S^"^ , schiebt sie um eine Position nach rechts und addiert sie dann zur (Mτ + l)~ten Zeile von «SC""1) , wobei wenn nötig Nullen angefügt werden. Das Resultat wird wieder um eine Position nach rechts verschoben und zur (2 τ + l)-ten Zeile von S^"^ addiert, etc. Schließlich wird das j-te Element des resultierenden Zeilenvektors der Länge N+L-l durch das j-te Element von {1, , •• -, τ, Mτ,• > '3Mτ, p-l,'««,l) dividiert, um die erste Zeile von S^™1^ zu erhalten. Die zweite Zeile vo S^""1) wird auf ähnliche Weise errechnet, wobei nun die zweite, ( r + 2)-te, (2 r + 2)-te, etc. Zeile von S^"1) verwendet werden. In dieser Art und Weise werden alle M Zeilen von S^"1^ berechnet.In the first step (block 24 in FIG. 4A) the block Toeplitz structure is enforced: Let S ^ "" ^ be the result of the previous iteration (ie the projection onto B). From the matrix 5 "" 1) , which has no block Toeplitz structure, a K x (N + L - l) "pseudo-generating matrix" S ^ "^ is calculated as follows. The first of the Mi lines from S " * 1 ^ is calculated by averaging correspondingly shifted and padded versions of the first, ( τ + l) -th, (2M τ -l} -th, etc. lines of S ^ ~ ^. Man So take the first row of S ^ "^, move it one position to the right and then add it to the (Mτ + 1) ~ line of« SC "" 1) , adding zeros if necessary. The result will be again shifted one position to the right and added to the (2 τ + l) th line of S ^ "^, etc. Finally, the jth element of the resulting line vector of length N + Ll is replaced by the jth element of {1,, •• -, τ , M τ , •>'3 M τ , pl, ' ««, l) divided to get the first line of S ^ ™ 1 ^. The second line of S ^ " " 1) is calculated in a similar way, whereby now the second, (r + 2) -th, (2 r + 2) -th, etc. line of S ^ " 1) are used. All M rows of S ^ " 1 ^ are calculated in this way.
Im zweiten Schritt (vgl. Block 25 in Fig. 4A) wird die Modulationsstruktur erzwungen. Dabei wird gebildet, wobei gezeigt werden kann, dass die Diagonalelemente der Diagonalmatrix DW durchIn the second step (cf. block 25 in FIG. 4A), the modulation structure is enforced. Doing so formed, it can be shown that the diagonal elements of the diagonal matrix DW by
gegeben sind. Schließlich wird die Block-Toeplitz-Matrix ß® geformt, welche von S^ generiert wird.given are. Finally, the Block-Toeplitz matrix ß® is formed, which is generated by S ^.
2. Projektion auf ß (s. Block 22 in Fig. 4A) : Die Projektion auf B kann durch tS" s= B^'-Y angeschrieben werden, wobei gezeigt werden kann, dass2. Projection onto β (see block 22 in FIG. 4A): The projection onto B can be written by tS "s = B ^ '- Y, it being possible to show that
Hier ist S^~1^ das Resultat der vorhergehenden Iteration (also der Projektion auf A) . Es ist anzumerken, dass die Pseu- doinverse X nur einmal zu Beginn der iterativen Prozedur berechnet werden muss.Here S ^ ~ 1 ^ is the result of the previous iteration (i.e. the projection onto A). It should be noted that the pseudo inverse X only has to be calculated once at the beginning of the iterative procedure.
Wieder ist die Konvergenz (s. Block 23 in Fig. 4A, entsprechend Block 12 in Fig. 2) des POCS-Algorithmus zu einem Schnittpunkt der beiden Räume garantiert, d.h. S^ € Af . Es kann gezeigt werden, dass daher S^ = cS, mit e€<C, ist.Again, the convergence (see block 23 in Fig. 4A, corresponding to block 12 in Fig. 2) of the POCS algorithm to an intersection of the two spaces is guaranteed, i.e. S ^ € Af. It can be shown that S ^ = cS with e € <C.
Die Geschwindigkeit der Konvergenz und damit die Recheneffizienz des Verfahrens hängt stark von der Initialisierung S®> ab. Im semiblinden Fall könnten bekannte Eingangsdaten <4D*I]J* "3< a] verwendet werden, um eine Matrix S^ mit generieren gen, wobeiThe speed of convergence and thus the computational efficiency of the process strongly depends on the initialization S®>. In the semi-blind case, known input data <4D * I ] J * " 3 <a] could be used to generate a matrix S ^, where
Dα5 POCS-Algorithmus würde dann mit B^ = XS * initialisiert werden. Des Weiteren kann die Konvergenz wieder mit den oben beschriebenen Methoden beschleunigt werden.D α5 POCS algorithm would then be initialized with B ^ = XS *. Furthermore, the convergence can be accelerated again using the methods described above.
Abschließend sollen noch einige praktische Untersuchungen bzw. Simulationsergebnissse betreffend die Erfindung anhand der Fig. 5 und 6 vorgestellt werden.Finally, some practical studies or simulation results relating to the invention will be presented with reference to FIGS. 5 and 6.
Es wurde eine Anzahl von Mj = 4 Sendeantennen gewählt, und es wurden JFf = 3 uncodierte QPSK-Datensignale dfcjn] zu Grunde gelegt. Die Modulationsmatrizen Mk mit der Blocklänge N=200 wurden folgendermaßen konstruiert: Es wurden alle Matrixeinträge zufällig als Realisierung von unabhängig identisch verteilten Gauss' sehen Zufallsvariablen gewählt, und danach wurden die entsprechenden Spalten aller M^. orthonormalisiert (es wurden also zufällige Modulationsmatrizen gewählt, deren entsprechende Spalten intermatriziell orthonormal waren) . Die Kanalimpulsantworten wurden für jeden Simulationsdurchlauf zufällig generiert, und die EmpfangsSignale x[n] wurden durch weißes Gauss 'sches Rauschen mit Varianz Λ3 gestört und über ein Intervall der Länge N=200 beobachtet.A number of Mj = 4 transmit antennas was chosen, and JFf = 3 uncoded QPSK data signals d f cjn] were used as a basis. The modulation matrices M k with the block length N = 200 were constructed as follows: All matrix entries were chosen randomly as a realization of Gauss' independently distributed identically random variables, and then the corresponding columns of all M ^. orthonormalized (that is, random modulation matrices were chosen whose corresponding columns were orthonormal intermatricially). The channel impulse responses were generated randomly for each simulation run, and the received signals x [n] were disturbed by white Gaussian noise with variance Λ 3 and observed over an interval of length N = 200.
Zunächst wurden beispielhaft drei instantan mischende MIMO- Kanäle mit R = 4, MR=6 und MR=8 Empfangsantennen betrachtet, s. die Kurven 30, 31 und 32 in Fig. 5; Fig. 5 zeigt dabei den normalisierten mittleren quadratischen Fehler (MSE) als Funktion des Signal-Rausch-Abstandes (SNR) . Dabei wurde der MSE-Wert als ∑ ∑ W-a Wl ∑L∑ 4WP gemittelt über alle Si ulations- laufe definiert, wobei < [n] der Schätzwert von « M ist, der mit der entsprechenden Methode erzielt wurde, und wobei c der "least- squares"-Schätzwert für den unbekannten Faktor c ist. Die Anzahl der Simulationsläufe, über die gemittelt wurde, variierte je nach SNR zwischen 200 und 10000. Das SNR wurde alsFirst, three instantly mixing MIMO channels with R = 4, M R = 6 and M R = 8 receiving antennas were considered as an example, see. curves 30, 31 and 32 in Fig. 5; 5 shows the normalized mean square error (MSE) as a function of the signal-to-noise ratio (SNR). The MSE value was defined as ∑ ∑ Wa Wl ∑L∑ 4WP averaged over all isolation runs, where <[n] is the estimated value of «M that was achieved with the corresponding method, and where c is the least - squares "estimate for the unknown factor c. The number of simulation runs over which averaging varied between 200 and 10,000, depending on the SNR. The SNR was as
J ü Εik i ∑S definiert und war für jeden Simulationslauf, über den gemittelt wurde, gleich. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine zunehmende Anzahl von Empfangsantennen, entsprechend einer höheren Empfangsdiversität , bessere Ergebnisse erzielt .J ü Εi k i ∑S was defined and was the same for every simulation run that was averaged. The simulation results show that an increasing number of receiving antennas, corresponding to a higher reception diversity, achieves better results.
Sodann wurde ein MIMO-Kanal mit Gedächtnis (mit MR = 6 Em- fangsantennen und mit einer Impulsantwor länge von L=3 ) untersucht, s. Fig. 2. Fig. 6 zeigt dabei jenen normalisierten mittleren quadratischen Fehler (MSE) , als Funktion des Signal- Rausch-Abstandes (SNR), der mit der Mehrsehrittmethode (Kurve 33) ermittelt wurde, sowie jenen (s. Kurve 34), der mit der direkten Faktorisierung erzielt wurde (Glättungsfaktor p = 5). Die Simulationsergebnisse zeigen, dass speziell für niedrige SNR-Werte die direkte Faktorisierung wesentlich bessere Ergebnisse erzielt als das Mehrschritt-Verfahren. Dieses schlechtere Abschneiden des Mehrschritt-Verfahrens dürfte daran liegen, dass im zweiten Schritt eine Zuordnung von Singulärvektoren zu einem Nutzsignalbzw. Rauschsignalraum erforderlich ist, bei welcher besonders im Fall von niedrigem SNR leicht Fehler auftreten. Diese Zuordnung ist bei der direkten Faktorisierung nicht erforderlich.A MIMO channel with memory (with M R = 6 receiving antennas and with an impulse response length of L = 3) was then examined, see. Fig. 2. Fig. 6 shows that normalized mean square error (MSE) as a function of the signal Signal-to-noise ratio (SNR), which was determined with the multi-step method (curve 33), and the one (see curve 34) that was achieved with direct factorization (smoothing factor p = 5). The simulation results show that, especially for low SNR values, the direct factorization achieves much better results than the multi-step method. This poorer performance of the multi-step method should be due to the fact that in the second step an assignment of singular vectors to a useful signal or Noise signal space is required, in which errors easily occur, especially in the case of low SNR. This assignment is not necessary for direct factorization.
Die erfindungsgemäße Technik ist somit geeignet, große Datenmengen bei geringer Sendeleistung ohne Kapazitätsverluste durch TrainingsSymbole über MIMO-Kanäle zu übertragen. Sie hat den Vorteil, durch eine Sender-seitig bewusst eingeführte Matrixmodulations-Struktur robust gegen einen unbekannten MIMO Kanal zu sein und weiters den MIMO-Kanal in mehrere unabhängig voneinander benutzbare "virtuelle" Kanäle mit einem Eingang und einem Ausgang zu trennen. Dadurch kann dieses Verfahren mit herkömmlicher Kanalkodierung (für jeden virtuellen Kanal separat) , welche wesentlich recheneffizienter zu dekodieren ist als für MIMO-Systeme entworfene Kanalcodes, kombiniert werden, was auch die Benutzung einer großen Anzahl von Sende- und Empfangsantennen 4, 5, bei relativ geringem Rechenaufwand im Vergleich zu einem nach dem Stand der Technik entworfenem System, erlaubt. Weiters ist es denkbar, das Verfahren mit einem Codierungsverfahren zu kombinieren, welches Sender-seitig erzeugte, bekannte Abhängigkeiten zwischen den einzelnen virtuellen Kanälen bei der Deko- dierung ausnützt (sog. Turbodekodierung) . The technology according to the invention is thus suitable for transmitting large amounts of data with low transmission power without loss of capacity through training symbols via MIMO channels. It has the advantage of being robust against an unknown MIMO channel thanks to a matrix modulation structure that was deliberately introduced on the transmitter side, and furthermore to separate the MIMO channel into several "virtual" channels with one input and one output that can be used independently of one another. As a result, this method can be combined with conventional channel coding (for each virtual channel separately), which is to be decoded much more computationally efficiently than channel codes designed for MIMO systems, which also means the use of a large number of transmitting and receiving antennas 4, 5, at relative low computing effort compared to a system designed according to the state of the art, allowed. Furthermore, it is conceivable to combine the method with a coding method which uses known dependencies between the individual virtual channels generated on the transmitter side during decoding (so-called turbo decoding).

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Verfahren zum Übertragen von Datenströmen über Kanäle mit jeweils mehreren Ein- und Ausgängen, wobei die Datenströme (d[n] ) an den Kanal-Eingängen jeweils in vorgegebener Weise zu Sendesignalen (s[n]) moduliert werden und an den Kanal-Ausgängen aus den Empfangssignalen (x[n]) durch Entzerrung entsprechende Da- tenströme ( d [n] ) hergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kanal-Eingängen den Datenströmen (d[n]) eine vorgegebene Matrixmodulations-Struktur (Mk) aufgezwungen wird und an den Kanal-Ausgangen die Entzerrung der Empfangssignale (x[n]) auf Basis dieser bekannten vorgegebenen Matrixmodulation durchgeführt wird.1. Method for transmitting data streams via channels with several inputs and outputs each, the data streams (d [n]) at the channel inputs being modulated in a predetermined manner to transmit signals (s [n]) and at the channel Outputs are derived from the received signals (x [n]) by equalization corresponding data streams (d [n]), characterized in that a predetermined matrix modulation structure (Mk) at the channel inputs of the data streams (d [n]) is forced and the equalization of the received signals (x [n]) is carried out at the channel outputs on the basis of this known predetermined matrix modulation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder von K zu übertragenden Datenströmen d %] der Länge N als diagonale N x N Datenmatrix D& der Form Dfc = diag{fe[0],• • ■, d*[N—1]} angeschrieben und mit einer jeweiligen fe-ten Modulationsmatrix Mft der Größe τ x Ar multipliziert wird, wobei M die Anzahl der Kanaleingänge angibt .2. The method according to claim 1, characterized in that each of data streams to be transmitted d%] of length N as a diagonal N x N data matrix D & of the form D fc = diag {fe [0], • • ■, d * [ N — 1]} is written and multiplied by a respective modulation matrix M f t of size τ x A r , where M indicates the number of channel inputs.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder als diagonale Datenmatrix (Dk) anzuschreibende Datenstrom (d[n] ) mit einer eigenen vorgegebenen Modulationsmatrix (Mk) multipliziert wird, wobei die Modulationsmatrizen (Mk) vorzugsweise vollen Rang haben und die jeweils einander entsprechenden Spalten der einzelnen Modulationsmatrizen (Mk) linear unabhängig sind.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that each data stream (d [n]) to be written as a diagonal data matrix (D k ) is multiplied by its own predetermined modulation matrix (Mk), the modulation matrices (Mk) preferably having full rank and the corresponding columns of the individual modulation matrices (Mk) are linearly independent.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, das die Anzahl (MT) der Kanäleingänge größer als die Anzahl (K) der Datenströme (d[n] ) ist.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the number (MT) of the channel inputs is greater than the number (K) of the data streams (d [n]).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Länge (N) des jeweiligen Sende- bzw. Empfangssignalblocks (x[n]) der Bedingung5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized labeled in ¬ characterized in that the length (N) of the respective transmission and reception signal block (x [n]) of the condition
N > [||Ξ ] genügt, wobei MT die Anzahl der Kanaleingänge und K die Anzahl der Datenströme ist.N> [|| Ξ] is enough where MT is the number of channel inputs and K is the number of data streams.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entzerrung der EmpfangsSignale (x[n] ) in iterativer Form durch abwechselnde Projektion von Sendesignal- Matrizen (S) , ausgehend von einem vorgegebenen Startwert, auf zwei Signalräume ( A, B) durchgeführt wird, von denen der eine Signalraum ( A) die Modulationsstruktur-Eigenschaft repräsentiert und der andere Signalraum ( B) eine Unterraum-Eigenschaft entsprechend der Bedingung repräsentiert, dass der Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix (X) im Zeilenraum der Sendesignal-Matrix (S) liegt, wobei gegebenenfalls diese Zeilenräume einander gleich sind, wobei die gesuchte Sendesignal-Matrix (S) als Schnittmenge der beiden Signalräume ( A, B) erhalten wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the equalization of the received signals (x [n]) in iterative form by alternately projecting transmission signal matrices (S), starting from a predetermined starting value, onto two signal spaces (A , B) is carried out, of which one signal space (A) represents the modulation structure property and the other signal space (B) represents a subspace property according to the condition that the line space of the received signal matrix (X) in the line space of the transmission signal Matrix (S) lies, where appropriate these line spaces are identical to one another, the sought transmission signal matrix (S) being obtained as the intersection of the two signal spaces (A, B).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung eines Gedächtnisses des jeweiligen Übertragungskanals eine gegenüber der Länge (N) des Empfangssignalblocks erhöhte Länge (N+L-l) des Sendesignalblocks zu Grunde gelegt wird, wobei L die Impulsantwortlänge des Kanals ist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in order to take into account a memory of the respective transmission channel an increased length (N + Ll) of the transmission signal block is used as a basis, where L is the impulse response length of the Channel is.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Matrizen als Matrizen mit Block-Toeplitz-Struktur bzw. Block-Hankel-Struktur zu Grunde gelegt werden.8. The method according to claim 7, characterized in that the individual matrices are used as matrices with a block-toeplitz structure or block-Hankel structure.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix berechnet und aus diesem der Zeilenraum der Sendesignal-Matrix, z.B. durch SingulärwertZerlegung, berechnet wird.9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the row space of the received signal matrix is calculated and from this the row space of the transmit signal matrix, e.g. by singular value decomposition.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die generierende Matrix der Sendesignal-Matrix aus deren Zeilenraum unter Auflösung der Matrixambiguität ermittelt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the generating matrix of the transmission signal matrix is determined from its row space with resolution of the matrix ambiguity.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesignal-Matrix unter Erzwingen einer Block-Toeplitz-Struktur sowie einer Matrixmodulations-Struktur in einem einheitlichen Schritt aus dem Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix hergeleitet wird .11. The method according to claim 9, characterized in that the transmit signal matrix is derived from the line space of the received signal matrix in a uniform step by forcing a block toeplitz structure and a matrix modulation structure becomes .
12. Sendeeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem mehrere Datenstrom-Eingänge (dij * * * j diζ) sowie mehrere Sendesignal-Ausgänge {,§1, • • » . ) aufweisenden Modulator (3), der eingerichtet ist, zugeführten Datenströmen (d[n] ) die vorgegebene Matrixmodulations-Struktur (Mk) aufzuzwingen.12. Transmitting device for performing the method according to one of claims 1 to 11, with one of several data stream inputs (di j * * * j diζ) and several transmission signal outputs {, § 1 , • • ». ) having modulator (3), which is set up to force supplied data streams (d [n]) the predetermined matrix modulation structure (Mk).
13. Sendeeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (3) eingerichtet ist, jeden von K zu übertragenden Datenstromen dk[n] der Länge N als diagonale N x N Datenmatrix Dfc der Form Dft = iag{< [0],- • ., cfef-V—1]} anzuschreiben und mit einer jeweiligen fe-ten Modulationsmatrix M& der Größe M x N zu multiplizieren, wobei M die Anzahl der Kanaleingänge angibt .13. Transmitting device according to claim 12, characterized in that the modulator (3) is set up to transmit each data stream d k [n] of length N as a diagonal N x N data matrix D fc of the form D ft = iag {<[ 0] -. •, cfef-V-1]} to write, and with a respective fe-th modulation multiply matrix M of size M x N, wherein M Σ indicates the number of channel inputs.
14. Sendeeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (3) eingerichtet ist, jeden als diagonale Datenmatrix (Dk) anzuschreibenden Datenstrom (d[n]) mit einer eigenen vorgegebenen Modulationsmatrix (Mk) zu multiplizieren, wobei die Modulationsmatrizen (Mk) vorzugsweise vollen Rang haben und die jeweils einander entsprechenden Spalten der einzelnen Modulationsmatrizen (Mk) linear unabhängig sind.14. Transmitting device according to claim 12 or 13, characterized in that the modulator (3) is set up to multiply each data stream (d [n]) to be written as a diagonal data matrix (Dk) by its own predetermined modulation matrix (Mk), the modulation matrices (Mk) preferably have full rank and the corresponding columns of the individual modulation matrices (Mk) are linearly independent.
15. Sendeeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (Mτ) der Kanäleingänge größer als die Anzahl (K) der Datenströme (d[n] ) ist.15. Transmitting device according to claim 13 or 14, characterized in that the number (M τ ) of the channel inputs is greater than the number (K) of the data streams (d [n]).
16. Sendeeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (N) des jeweiligen Sende- bzw. Empfangssignalblocks (x[n]) der Bedingung16. Transmitting device according to one of claims 13 to 15, characterized in that the length (N) of the respective transmission or reception signal block (x [n]) of the condition
N > \ ^nügt,N> \ ^ is enough
wobei M die Anzahl der Kanaleingänge und K die Anzahl der Datenströme ist.where M is the number of channel inputs and K is the number of data streams.
17. Empfangseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei- ne der Ansprüche 1 bis 11, mit einem mehrere Empfangssignal- Eingänge (jp^..« « ? XM^) und mehrere Datensignal-Ausgänge ßt, " *, g*} aufweisenden Demodulator (6), der eingerichtet ist, eine Entzerrung von an seinen Eingängen zugeführten Empfangssignalen (x[n] ) auf Basis der vorgegebenen Matrixmodulation (Mk) durchzuführen.17. receiving device for carrying out the method according to ne of claims 1 to 11, with a multiple received signal inputs (jp ^ .. «« ? XM ^) and a plurality of data signal outputs ß, " *, g *} demodulator (6), which is set up, an equalization of to carry out received signals (x [n]) fed to its inputs on the basis of the predetermined matrix modulation (Mk).
18. Empfangseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Demodulator (6) eingerichtet ist, die Entzerrung der Empfangssignale (x[n]) in iterativer Form durch abwechselnde Projektion von Sendesignal-Matrizen (S) , ausgehend von einem vorgegebenen Startwert, auf zwei Signalräume ( A, B) durchzuführen, von denen der eine Signalraum { A) die ModulationsStruktur- Eigenschaft repräsentiert und der andere Signalraum { B) eine Unterraum-Eigenschaft entsprechend der Bedingung repräsentiert, dass der Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix (X) im Zeilenraum der Sendesignal-Matrix (S) liegt, wobei gegebenenfalls diese Zeilenräume einander gleich sind, wobei die gesuchte Sendesignal- Matrix (S) als Schnittmenge der beiden Signalräume { A, B) erhalten wird.18. Receiving device according to claim 17, characterized in that the demodulator (6) is set up to equalize the received signals (x [n]) in iterative form by alternating projection of transmit signal matrices (S), starting from a predetermined starting value perform two signal spaces (A, B), of which one signal space {A) represents the modulation structure property and the other signal space {B) represents a subspace property according to the condition that the line space of the received signal matrix (X) in the line space the transmit signal matrix (S), where appropriate these line spaces are identical to one another, the sought transmit signal matrix (S) being obtained as an intersection of the two signal spaces {A, B).
19. Empfangseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Demodulator (6) eingerichtet ist, den Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix zu berechnen und aus diesem der Zeilenraum der Sendesignal-Matrix, z.B. durch Singulärwertzerlegung, zu berechnen.19. Receiving device according to claim 17, characterized in that the demodulator (6) is set up to calculate the line space of the received signal matrix and from this the line space of the transmitted signal matrix, e.g. by singular value decomposition.
20. Empfangseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die generierende Matrix der Sendesignal-Matrix aus deren Zeilenraum unter Auflösung der Matrixambiguität ermittelt wird.20. Receiving device according to claim 19, characterized in that the generating matrix of the transmission signal matrix is determined from its row space with resolution of the matrix ambiguity.
21. Empfangseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesignal-Matrix unter Erzwingen einer Block-Toeplitz- Struktur sowie einer Matrixmodulations-Struktur in einem einheitlichen Schritt aus dem Zeilenraum der Empfangssignal-Matrix hergeleitet wird. 21. The receiving device as claimed in claim 19, characterized in that the transmit signal matrix is derived from the line space of the received signal matrix in a uniform step, forcing a block toeplitz structure and a matrix modulation structure.
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