DE10025517A1

DE10025517A1 - Verfahren zur parallelen Interferenzeliminierung reduzierter Komplexität bei Systemen mit codegeteiltem Mehrfachzugriff

Info

Publication number: DE10025517A1
Application number: DE2000125517
Authority: DE
Inventors: Achim Nahler; Ralf Irmer
Original assignee: Systemonic AG
Current assignee: NXP Semiconductors Germany GmbH
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2001-12-20
Also published as: AU2001267313A1; EP1410520A1; WO2001089106A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur parallelen Interferenzeliminierung bei Systemen mit codegeteiltem Mehrfachzugriff mit U gleichzeitig aktiven Nutzern, wobei die Kanalimpulsantwort von jedem dieser aktiven Nutzer durch F Pfade beschreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei der parallelen Interferenzeliminierung anstatt alle F·2·(U - 1) Störterme, die auf jeden der U gleichzeitig aktiven Nutzer einwirken, nur 1 i¶s¶ < F·2·(U - 1) Störterme bei jedem der U gleichzeitig aktiven Nutzer bei der parallelen Interferenzeliminierung berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur parallelen Interferenzeliminierung mit reduzierter Komplexität bei Spreizspektrum-Systemen mit codegeteiltem Mehrfachzugriff.

Im Gegensatz zu Zeitmultiplex-Systemen, bei denen jedem Teilnehmer ein bestimmter teilnehmerspezifischer Zeitschlitz zugewiesen wird, und Frequenzmultiplex-Systemen, bei denen jedem Teilnehmer eine bestimmte teilnehmerspezifische Sendefrequenz zugewiesen wird, senden bei codegeteiltem Mehrfachzugriff (engl.: code division multiple access (CDMA)) alle Teilnehmer zur selben Zeit und auf derselben Frequenz und unterscheiden sich durch teilnehmerspezifische Codes, mit denen die Datensignale multipliziert werden. Da diese teilnehmerspezifischen Codes wesentlich höherratiger als die Datensignale sind, ist CDMA eng mit den Prinzipien der Spreizspektrum-Technik verbunden.

Der sogenannte RAKE-Empfänger, der für Spreizspektrum-Systeme mit einem Nutzer ein geeigneter Empfänger ist, wie in Proakis, J.: "Digital Communications", McGraw-Hill, 3^rd ed., 1995 beschrieben, ist für Spreizspektrum CDMA Systeme mit mehreren Nutzern im Falle von Mehrwegeausbreitung und/oder nichtorthogonalen Spreizsequenzen oftmals nicht geeignet, da die Bitfehlerrate durch den Einfluß der Kreuzkorrelationen zwischen den einzelnen Nutzer stark angehoben wird und ein gewisses Qualitätsmaß bezüglich der Bitfehlerrate überschritten werden kann, siehe auch Verdu, S.: "Multiuser Detection", Cambridge University Press, 1^st ed., 1998. Die Ursache der drastischen Verschlechterung der Leistungsfähigkeit eines RAKE-Empfängers liegt daran, daß durch diesen Empfängertyp die in diesen Fällen (Mehrwegeausbreitung und/oder nichtorthogonale Spreizsequenzen) auftretenden CDMA-inhärenten Störungen nicht berücksichtigt und damit auch nicht unterdrückt werden. In Verdu, S.: "Minimum Probability of Error for Asynchronous Gaussian Multiple-Access Channels", IEEE Trans. on Inform. Theory (1986, IT 32, 85-96) ist ein nichtlineares Verfahren beschrieben, das die Daten aller Nutzer optimal bezüglich der Bitfehlerrate detektieren kann. Allerdings hat dieses Verfahren den Nachteil, daß der Aufwand exponentiell mit der Anzahl der zu detektierenden Nutzer ansteigt und somit aufgrund des enormen Rechenaufwands noch nicht anwendbar ist. Unter anderem in Varanasi, M. K.; Aazhang B.: "Multistage Detection in Asynchronous Code-Division Multiple- Access Communications", IEEE Trans. on Commun. (1990, COM38, 509-519) und in US Pat. no. 6014373 wird ein suboptimales Verfahren, die sogenannte parallele Interferenzeliminierung (engl.: parallel interference cancellation (PIC)), vorgeschlagen. Obwohl der Rechenaufwand der parallelen Interferenzeliminierung nur noch linear mit der Anzahl der zu detektierenden Nutzer steigt, ist dieser Aufwand für realistische Szenarien bezüglich Datenrate, Spreizfaktor, Anzahl der Nutzer und Mehrwegeprofil immer noch extrem hoch.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Aufwand für das Verfahren der parallelen Interferenzeliminierung gegenüber den bekannten Verfahren zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung, dargelegt im Anspruch 1, dadurch gelöst, daß für jeden Nutzer nicht alle auf ihn einwirkenden Störterme eliminiert werden, sondern nur ein Teil der auf ihn einwirkenden Störterme eliminiert werden. Dadurch kann erfindungsgemäß der für die parallele Interferenzeliminierung notwendige Rechenaufwand drastisch gesenkt werden, wobei die Verschlechterung der Bitfehlerrate aufgrund dessen, daß nur ein Teil der Gesamtinterferenz eliminiert wird, als gering anzusehen ist.

Ausführungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Vorteilhafte Möglichkeiten der Analyse der Zusammensetzung der Gesamtstörung und damit Varianten zur Auswahl der zu berücksichtigenden Störterme sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Verschiedene Varianten der Übertragungsstrecken (Aufwärts- bzw. Abwärtsstrecke) sind in den Unteransprüchen 6 und 7 angegeben. Verschiedene Varianten der dem System zugrundeliegenden nutzerspezifischen Spreizcodes sind in den Ansprüchen 8 bis 11 angegeben, wobei in den Anprüchen 10 und 11 für die Erfindung aufgrund des speziellen Kreuzkorrelationsverhaltens vorteilhafte Ausführungen der Spreizcodes angegeben sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen anhand von schematisch dargestellten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Modell einer Übertragungsstrecke

Fig. 2 ein Prinzip einer ersten Stufe einer parallelen Interferenzeliminierung

Fig. 3 ein Prinzip einer L-stufigen parallelen Interferenzeliminierung

Fig. 4 eine Darstellung der SNR-Degradation gegenüber einem PIC mit voller Komplexität bei einer Zielbitfehlerrate P_B = 10^-2

Fig. 5 eine Darstellung der Komplexität des Verfahrens gemäß der Erfindung im Vergleich zu den bekannten Verfahren.

In Fig. 1 ist die dem Modell zugrundeliegende Übertragungsstrecke dargestellt. Es wird burstweise Übertragung vorausgesetzt. Die Daten d_u[n] ∈ {-1, 1 (n = 0,1, . . ., N - 1) eines Bursts mit N Symbolen des u ten Nutzers (u = 0, 1, . . ., U - 1) werden gespreizt, wobei die Rate eines gespreizten Symbols 1/T_S und die Bandbreite des gespreizten Symbols 1/T_C mit T_C = T_S/K und dem Spreizfaktor K << 1 betragen, und durch einen Mehrwegekanal mit endlicher Kanalimpulsantwort gefiltert

Dabei wird angenommen, daß die Kanalimpulsantworten der einzelnen Nutzer für die Dauer der Übertragung von einem Burst zeitinvariant sind. Dies ist durch Dimensionierung der Burstdauer unter Berücksichtigung der Kohärenzzeit der Kanalimpulsantwort möglich. Weiterhin wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, daß das maximale Delay der Kanalimpulsantwort kürzer als eine Symboldauer ist. Am Empfänger liegt dann unter Berücksichtigung von zusätzlichem additiven weißen Gaußschen Rauschen w(t) das Signal

an. Dieses Signal wird dann einer Bank von RAKE-Empfängern zugeführt. Dieser Bank von RAKE-Empfängern sind die Kanalimpulsantworten der einzelnen Nutzer durch Kanalschätzung bekannt. Am Ausgang dieser Bank von RAKE-Empfängern liegen dann die Datenhypothesen

an, wobei die partiellen Korrelationsfunktionen

sind. Diese Datenhypothesen setzen sich aus mehreren Anteilen zusammen. Der erste Summand beschreibt die Anteile des gewünschten Signals, die sich aus dem maximum ratio combining der Mehrwegekomponenten ergeben. Der zweite Summand beschreibt die Anteile, die aufgrund der nichtidealen Autokorrelationsfunktionen entstehen. Dieser Störanteil kann meistens vernachlässigt werden, da sein Beitrag zur Degradation der Bitfehlerrate meistens sehr gering ist. Der dritte Summand beschreibt den Anteil, der durch die Mehrnutzerstörungen auftritt. Diese Störungen sind für die signifikante Verschlechterung der Bitfehlerrate verantwortlich. Der vierte Summand beschreibt den Einfluß des gefilterten additiven weißen Gaußschen Rauschens.

In Fig. 2 ist das Prinzip der ersten Stufe der PIC dargestellt. In der ersten Stufe der PIC werden die am Ausgang der Bank von RAKE-Empfängern anliegenden Datenhypothesen (0)|u[n] durch eine vorläufige Entscheidungsfunktion bewertet. Diese bewerteten Datenhypothesen (1)|u[n] der einzelnen Nutzer werden mit dem dazugehörigen nutzerspezifischen Code erneut gespreizt und mit der dem Empfänger durch Kanalschätzung bekannten dazugehörigen Kanalimpulsantwort gefaltet. Am Ausgang dieser Filter liegen dann die geschätzten Empfangssignale der einzelnen Nutzer:

Diese geschätzten Empfangssignale werden dann zusammenaddiert

und von dem ursprünglichen Empfangssignal abgezogen:

⁽¹⁾(t) = r(t) - ⁽¹⁾(t).

Dieses so entstandene Signal wird dann jeweils zu den geschätzten Empfangssignalen der einzelnen Nutzer dazuaddiert

Diese so entstandenen Signale sind dann von den geschätzten Interferenzen, hervorgerufen durch alle anderen Nutzer, bereinigt und werden dann erneut einer Bank von RAKE-Empfängern zugeführt. Die am Ausgang dieser Bank von RAKE-Empfängern anliegenden Datenhypothesen (1)|u[n] enthalten weniger Störungen durch Mehrnutzerinterferenzen und sind dann sicherer als vor der parallelen Interferenzeliminierung und die Bitfehlerrate ist damit niedriger als vor der PIC- Stufe. Dieses Verfahren der parallelen Interferenzeliminierung kann in mehreren Stufen wiederholt werden, wobei am Eingang einer PIC-Stufe immer die geschätzten Datenhypothesen der vorangehenden Stufe anliegen, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Neben der bis hierher beschriebenen Variante der parallelen Interferenzeliminierung existiert noch eine zweite Variante, die im folgenden beschrieben wird und bezüglich der Bitfehlerrate äquivalent zu der ersten Variante ist. Von den Datenhypothesen am Ausgang der Bank von RAKE-Empfängern werden für jeden der U gleichzeitig aktiven Nutzern direkt die durch nichtideale Kreuzkorrelationen zwischen den Codesignalen der einzelnen Nutzer entstandenen F²(U - 1) Störterme abgezogen. Für die i te Stufe der parallelen Interferenzeliminierung ergibt sich dann

Im Falle von BPSK-Modulation ergibt sich dann

wobei die datenabhängige Kreuzkorrelation

ϕ_l,u(mT_C, d₁, d₂) = ϕ (1)|l,u(mT_C)d₁ + ϕ (2)|l,u(mT_C)d₂

die gerade bzw. ungerade Kreuzkorrelation enthält.

Im folgenden soll auf die Komplexität der beiden eben vorgestellten Verfahren eingegangen werden. Das Maß für die Komplexität der Verfahren ist die Anzahl der notwendigen reellen Additionen und Multiplikationen, um bei U gleichzeitig aktiven Nutzern U Symbole zu detektieren. Für die bei beiden Verfahren notwendige Bank von RAKE-Empfängern werden

O_RAKE(F, K, U) = 8UF(K + 1)

reelle Additionen und Multiplikationen benötigt. Eine Stufe der parallelen Interferenzeliminierung gemäß Fig. 2 benötigt

O_WB1(F, K, U) = U(6K + 8KF + 4K + 8F(K + 1))

reelle Operationen, so daß sich für ein L-stufiges Verfahren der parallelen Interferenzeliminierung gemäß Fig. 2

O_WB(F, K, U, L) = O_RAKE(F, K, U) + L . O_WB1(F, K, U)

reellwertige Operationen ergeben. Für eine Stufe der parallelen Interferenzeliminierung gemäß Formel (*) ergeben sich

O_NB1(F, U) = U . (8F²(U - 1) + 8F)

reellwertige Additionen und Multiplikationen, so daß sich für ein L-stufiges Verfahren der parallelen Interferenzeliminierung gemäß Formel (*)

O_NB(F, K, U, L) = O_RAKE(F, K, U) + L . O_NB1(F, U)

reellwertige Operationen ergeben.

Erfindungsgemäß nach den Ansprüchen von bis ist die Komplexität einer Stufe der parallelen Interferenzeliminierung mit

O_NB1,RC(F, U, i_S) = 14U(U - 1)F²/N + U(U - 1)F²log₂((U - 1)F²)/N + U(8i_S + 8F)

reellwertigen Operationen gegeben, wobei der erste Summand die Komplexität für die Auswertung des Interferenzszenarios bei BPSK gemäß Anspruch, der zweite Summand die Komplexität zum Sortieren der Störterme gemäß Sortieralgorithmen beschrieben in Press, W. H.; Teukolsky, S. A.; Vetterling, W. T.; Flannery, B. P.: "Numerical Recipes in C", Cambridge University Press, 2^nd ed., 1992 und der dritte Summand die Komplexität zur Eliminierung der is Störterme repräsentiert. Ein L-stufiges Verfahren benötigt demzufolge

O_NB,RC(F, K, U, L, i_S) = O_RAKE(F, K, U) + L . O_NB1,RC(F, U, i_S)

reellwertige Operationen.

Nun wird das konkrete Szenario vorgestellt, welches dem Ausführungsbeispiel zugrundeliegt. Die nutzerspezifischen Spreizcodes sind hier

und k = 0, 1, . . ., K - 1 sowie u = 0, 1, . . ., K - 1, wobei in diesem Fall der Spreizfaktor K = 16 ist. Das Kanalmodell ist gemäß der Beschreibung des Modells Pic2 des Reports R2020/TDE/PS/DS/P/040/a1 "Final Propagation Model", Commission of European Community, gegeben. Damit ist bei einer Symboldauer T_S = 2 µs der Kanal Pic2 mit maximal F = 4 Taps auflösbar. Die Burstdauer ist mit N = 100 Symbolen festgelegt. Im folgenden wird von U = 8 bzw. U = 16 gleichzeitig aktiven Nutzern ausgegangen. Dadurch wirken auf das Empfangssignal jedes Nutzers insgesamt F²(U - 1) = 112 bzw. 240 Störterme ein. Der hier verwendete PIC besteht aus L = 2 Stufen. In Fig. 4 ist zu sehen, wie die SNR-Verschlechterung (gegenüber einem PIC mit voller Komplexität) abhängt von der Anzahl der berücksichtigten Störterme. Dabei wird von einer Zielbitfehlerrate P_B = 10^-2 ausgegangen. Es ist zu beobachten, daß bereits die Berücksichtigung weniger starker Störterme ausreichend ist, um die Zielbitfehlerrate P_B = 10^-2 zu erreichen und die SNR- Degradation gegenüber einem PIC mit voller Komplexität sehr gering ist. Fig. 5 zeigt die Komplexität des Verfahrens gemäß der Erfindung im Vergleich zu der Komplexität der bisher bekannten Verfahren. In Auswertung von Fig. 4 und 5 ist zu sehen, daß wenn 6.25% der Störterme berücksichtigt werden, d. h. also 7 von 112 Störtermen bei 8 Nutzern bzw. 15 von 240 Störtermen bei 16 Nutzern, der zusätzliche PIC-Aufwand um 88% bei 8 Nutzern bzw. 83% bei 16 Nutzern reduziert werden kann bei einer SNR-Degradation von nur ca. 1.1 bzw. 1.3 dB bei 8 bzw. 16 Nutzern.

Claims

1. Verfahren zur parallelen Interferenzeliminierung bei Systemen mit codegeteiltem Mehrfachzugriff mit U gleichzeitig aktiven Nutzern, wobei die Kanalimpulsantwort von jedem dieser aktiven Nutzer durch F Pfade beschreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei der parallelen Interferenzeliminierung anstatt alle F²(U - 1) Störterme, die auf jeden der U gleichzeitig aktiven Nutzer einwirken, nur 1 ≦ i_S < F²(U - 1) Störterme bei jedem der U gleichzeitig aktiven Nutzer bei der parallelen Interferenzeliminierung berücksichtigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der U gleichzeitig aktiven Nutzern nur Störterme hervorgerufen durch 1 ≦ U₁ < U Nutzern bei der parallelen Interferenzeliminierung berücksichtigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der U gleichzeitig aktiven Nutzern nur die Störterme hervorgerufen durch die 1 ≦ U₁ < U leistungsstärksten Nutzern bei der parallelen Interferenzeliminierung berücksichtigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle auftretenden Störterme nach der Stärke der mittleren Störleistung, gegeben durch eine Mittelung über alle Varianten der datenabhängigen Kreuzkorrelation, sortiert werden und dann die i_S stärksten Störterme bei der parallelen Interferenzeliminierung berücksichtigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Störterme bei jedem der U gleichzeitig aktiven Nutzern bei der parallelen Interferenzeliminierung berücksichtigt werden, die auf den i_S stärksten Kreuzkorrelationswerten zwischen dem Signal des zu detektierenden Nutzers und allen anderen U - 1 gleichzeitig aktiven Nutzern basieren.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei den U gleichzeitig aktiven Nutzern die U Kanalimpulsantworten im allgemeinen unterschiedlich sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei den U gleichzeitig aktiven Nutzern die U Kanalimpulsantworten identisch sind.

8. Verfahren nach einem der Anprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei den U gleichzeitig aktiven Nutzern die U nutzerspezifischen Spreizcodes binäre Codes sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei den U gleichzeitig aktiven Nutzern die U nutzerspezifischen Spreizcodes nicht-binäre Codes sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei den U gleichzeitig aktiven Nutzern die U nutzerspezifischen Spreizcodes
und k = 0, 1, . . ., K - 1 sowie u = 0, 1, . . ., K - 1 sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei den U gleichzeitig aktiven Nutzern die U nutzerspezifischen Spreizcodes
und k = 0, 1, . . ., K - 1 sowie u = 0, 1, . . ., K - 1 sind.