НЕЛИНЕЙНЫЙ СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ ДЛЯ ЦИФРОВОГО ВЕЩАТЕЛЬНОГО КАНАЛА

Изобретение относится к нелинейному способу предварительного кодирования на основе арифметики по модулю для предварительной компенсации искажений на передающей стороне синхронно и с совпадением по частоте К пользовательских сигналов, подлежащих передаче в цифровом вещательном канале с известной характеристикой передачи, установленном между центральной передающей станцией и К децентрализованными не связанными друг с другом приемными станциями, и состоящих из символов а_k при k, изменяющемся от 1 до К, из M_k-ступенчатой, имеющей расстояние A_k между сигнальными точками совокупности сигналов с периодическим многократным представлением передаваемых без помех символов a_k данных с интервалами между символами данных, конгруэнтными для К блоков решения по модулю на приемной стороне, с выбором, осуществляемым для достижения минимальной мощности передачи, представителей v_k из запаса значений a_k+A_k·M_k ·z_kk, причем z_kk - элемент множества целых чисел, и с линейной предварительной компенсацией искажений выбранных представителей v_k при формировании подлежащих передаче сигналов x_k.

В вещательном канале осуществляется цифровая передача множества пользовательских сигналов, которые имеются в общем центральном передатчике (например, базовой станции), к множеству децентрализованных, то есть распределенных в области обслуживания приемников (например, мобильных станций). Передача сигналов по принципу «пользовательский сигнал → принимаемый сигнал» осуществляется однонаправленным образом в направлении нисходящей передачи (нисходящая линия связи). Особенность передачи сигналов в вещательном канале заключается в отсутствии возможности взаимодействия между отдельными приемниками. Ни в одном приемнике не известны сигналы других приемников, информационный обмен между отдельными приемниками не возможен. Таким образом, не может осуществляться совместная обработка данных для принимаемых сигналов в центральном приемнике. Таким образом, подготовка сигналов, улучшающая передачу, может осуществляться только на передающей стороне в общем передатчике. Передача сигналов может осуществляться и, как правило, осуществляется в привязке к каналам. Принципиально необходимое, однако не совершенное различение сигналов для корректного соотнесения каждого пользовательского сигнала с соответствующим приемником может осуществляться либо посредством кодового мультиплексирования (множественный доступ с кодовым разделением каналов - CDMA), либо посредством разнесенного по пространству излучения (множественный доступ с пространственным разделением каналов - SDMA). Структура, содержащая множество сигнальных входов (пользовательских сигналов) и множество сигнальных выходов (принимаемых сигналов) определяется как система с множеством входов и множеством выходов (MIMO). При передаче сигналов, не связанной с каналами (в случае радиопередачи), широко используются системы с множеством антенн, в которых сигналы передаются через множество передающих антенн на множество приемных антенн, причем количества антенн могут быть одинаковыми или различными и могут оказывать влияние на обработку сигналов. В принципе, в системе MIMO предпочтительным образом может использоваться разнесение по времени и по пространству.

Проблема, которая возникает при обслуживании множества приемников общим передатчиком, состоит в том, что отдельные пользователи снабжаются не только их собственными полезными сигналами, но на эти сигналы накладываются сигналы других пользователей, в результате чего возникают сигналы взаимных помех. Возникновение перекрестных искажений, так называемой интерференции, имеет то же значение, что и потеря ортогональности, которая имелась бы при идеальном способе передачи при развязке частичных каналов. Поэтому на передающей стороне пытаются в условиях знания пользовательских сигналов и имеющих место в текущий момент условий передачи в вещательном канале, то есть индивидуальных коэффициентов перекрестных искажений между отдельными пользователями, сформировать подходящий совместный передаваемый сигнал таким образом, чтобы каждый пользователь получал свой полезный сигнал и при этом не испытывал помех со стороны других сигналов. В противоположность дуальной задаче, множественному доступу распределенных передатчиков к общему приемнику (восходящая линия связи), для которого также известно множество предложенных решений, из публикаций известно лишь несколько методов решения описанной проблемы обслуживания пространственно распределенных, не взаимодействующих друг с другом приемников общим передатчиком. Описанный сценарий передачи можно математически компактно и обобщенно представить в виде следующего уравнения канала:

y=Hx+n

При необходимости уже предварительно обработанные символы передачи К пользователей представлены в виде вектора x=[x₁, x₂,...,x_K]^T (векторные и матричные величины обозначены жирным шрифтом). Комплексные элементы h_kl канальной матрицы Н описывают связи между трассами передачи l→k. Идеальная канальная матрица Н без связей является диагональной матрицей, предпочтительно единичной матрицей (со значениями 1 на главных диагоналях). Канальная матрица Н может оцениваться различными известными способами с обратным каналом или, в случае дуплексного способа, без обратного канала, и в центральном передатчике принимается в качестве известной (получаемой из так называемой информации состояния канала - CSI). В векторе n отражено неизбежное влияние шумов (аддитивные шумы) используемых электронных компонентов и другие внешние помехи, а элементы вектора y=[y₁, y₂,...,y_K]^T являются принимаемыми символами в отдельных приемниках. В первом известном решении для вещательного канала речь идет о линейном предыскажении пользовательских сигналов (линейная инверсия канала - LCI или линейное предыскажение). Из имеющихся символов a_k данных пользователей, содержащихся в векторе а, формируются передаваемые символы x_k (под термином «символ» понимается действительное или комплексное число, представляющее информацию) в соответствии с выражением:

Х=Н^-1а

причем Н^-1представляет матрицу, инверсную матрице Н, которая, однако, может быть сформирована, только если матрица передачи не является сингулярной (детерминант матрицы не равен нулю). За счет этих мер достигается то, что в приемниках не возникают сигналы взаимных помех, а появляются непосредственно символы a_k данных (только с наложенными аддитивными шумами). Таким образом, обеспечивается полная развязка отдельных трасс передачи k→k (ортогональность). Недостатком этого способа является, однако, связанное с ним, иногда очень сильное, повышение требуемой средней мощности передачи. Этот эффект тем больше, чем значительнее матрица Н^-1стремится к сингулярной матрице.

Сильного повышения средней передаваемой мощности можно избежать, если вместо линейной предварительной обработки пользовательских сигналов использовать общую нелинейную предварительную компенсацию искажений (способ предварительного кодирования). Однако в известных способах предварительного кодирования сигналы взаимных помех полностью подавляются, так что не может использоваться никакой разнесенный прием. Способы предварительного кодирования могут разрабатываться исходя из дуальной постановки задачи для рассматриваемой ситуации, то есть сценария множественного доступа (например, в направлении передачи восходящей линии связи, при которой множество распределенных пользователей получают доступ к общему приемнику). В этом случае, для нелинейной компенсации искажений может осуществляться последовательное исключение сигналов взаимных помех, которое реализовано, например, посредством известного способа V-BLAST и может определяться как компенсация искажений, полностью исключающая (сводящая к нулю - ZF) сигналы взаимных помех, на основе решения с обратной связью (ZF-DFE). Известный способ предварительного кодирования ТНР (предварительное кодирование Томлинсона-Харашима), названный по именам его авторов Tomlinson, Harashima, основывается на применении арифметики по модулю. Впервые этот способ был описан в публикации [I] M. Tomlinson, "New Automatic Equaliser Employing Modulo Arithmetic" (Electronic Letters, vol. 7, Nos. 5/6, pp. 138-139, March 1971), а также в публикации [II] H.Harashima, H.Miyakawa "Matched Transmission Technique for Channel with Intersymbol Interference" (IEEE Transactions on Communications, Vol. com. 20, No. 4, pp. 774-780, August 1972). Первоначально нелинейные способы предварительного кодирования разрабатывались только для каналов с одним входом и одним выходом, однако с возникающими межсимвольными помехами (ISI). Позже было найдено, что они также применимы к каналам с множеством входов и множеством выходов (MIMO), чтобы подавлять межканальные помехи (ICI) или комбинации помех типа ISI и ICI. Такая передача под определением «MIMO-предкодирование» подробно описана в публикации [IV]: R.Fischer et al., "Space-time Transmission using Tomlinson-Harashima-precoding" (Proceedings of 4.ITG Conference on Source and Channel Coding, pp. 139-147, Berlin, January 2002).

Вместо компенсации искажения, вводимой на приемной стороне посредством обратной связи, которая возможна только при использовании одного центрального приемника, в центральном передатчике может использоваться такая предварительная коррекция искажения. Для того чтобы при этом средняя мощность передачи не очень сильно повышалась, способ ТНР работает в нелинейном режиме. При этом приведение по модулю с использованием пилообразной характеристики ограничивает передаваемый сигнал x_k при числе M_k ступеней выбранной для соответствующего символа a_k данных совокупности сигналов и выбранном расстоянии A_k между сигнальными точками, равном 1, диапазоном [-M_k/2, + M_k/2]. При этом следует отметить, что принципиально для каждого подлежащего передаче потока данных может выбираться собственное число ступеней M_k и собственное расстояние A_k между сигнальными точками. Но, как правило, эти параметры для упрощения выбираются одинаковыми для всех подлежащих передаче пользовательских сигналов. При любых сигналах данных выходной сигнал всегда поддерживается посредством простой инструкции суммирования в пределах между заданными границами по модулю, за счет чего мощность передачи может быть заметно снижена по сравнению с линейным способом. Это ограничение осуществляется без запоминания на посимвольной основе и эквивалентным образом может быть представлено как добавление корректирующего символа, который может быть представлен как целое кратное A_k·M_k. Предыскажение, проявляющееся при таком способе действия как линейное, полностью устраняет искажения в канале. Принципиально, в способе ТНР за счет многократного представления символа a_k данных и выбора подходящих представителей v_k, которые затем подвергаются линейным предыскажениям, передаваемый сигнал формируется в виде х=Н^-1v, так что можно избежать заметного повышения средней передаваемой мощности. За счет многократного представления и выбора подходящих представителей v_k, тем самым при обработке сигналов обеспечивается большая степень свободы. При двоичной передаче двоичные символы «0» и «1» могут представляться, например, посредством амплитудных значений +0,5 и -0,5 (расстояние A_k между сигнальными точками равно 1), что соответствует двухступенчатой совокупности сигналов с M_k=2. Исходя из выбранных амплитудных значений, при использовании предварительного кодирования можно тогда двоичный символ «0» представить как ...-3,5; -1,5; +0,5; +2,5; +4,5;..., а двоичный символ «1» можно представить как ...-2,5; -0,5; +1,5; +3,5; +5,5;... при любом добавлении целого числа (кратного M_k=2). Зная все символы a_k пользовательских данных (с значениями +0.5 и -0.5) представители v_k (из запаса значений (+0.5+2z) с z в виде положительного или отрицательного целого числа) выбираются таким образом, что после линейной предварительной компенсации искажений канала передаваемый сигнал х=Н^-1v имеет малую среднюю мощность или минимальную возможную амплитуду.

Уровень техники, из которого исходит настоящее изобретение, раскрыт в публикации [IV]: R.Fischer et al.: "MIMO-Precoding for Decentralized Receivers" (Proceedings of International Symposium on Information Theory - ISIT 02, Lausanne, Switzerland, June/July 2002, p. 496). В продолжение публикации [III] описывается модифицированный способ ТНР с применением нелинейной арифметики по модулю, который описывается для вещательного канала в связи со сценарием нисходящей линии связи, при котором децентрализованные приемники не имеют контакта друг с другом. Осуществляемая на передающей стороне нелинейная предварительная обработка может производиться на основе DFE (решения с обратной связью) и математически имеет в своем распоряжении используемую в прямом направлении унитарную матрицу F, задачей которой является трансформация канальной матрицы в треугольную форму, и имеющуюся в нелинейно действующем контуре обратной связи матрицу B в форме нижней треугольной матрицы с единичными главными диагоналями. Если общая канальная матрица имеет для режима передачи треугольную форму, то появляющиеся сигналы взаимных помех могут поэтапным образом предварительно компенсироваться в ветви обратной связи центрального передатчика с использованием арифметики по модулю. В отдельных приемниках данные получаются тогда таким образом, как будто другие пользователи (с параллельными трассами передачи к другим приемникам) не существуют.

Так как при использовании нелинейного способа предварительного кодирования можно полностью исключить сигналы взаимных помех, то в каждом приемнике, посредством порогового решения, которое принимает во внимание периодическое изменение амплитудных значений или расстояний между сигнальными точками (блок решения по модулю), переданные символы a_k данных восстанавливаются или для них формируются оценочные значения. Недостаток этого способа предварительного кодирования состоит, однако, в том, что на основе полного исключения сигналов взаимных помех не достигается никакой выигрыш от разнесения. Каждая частичная передающая система (пользовательский сигнал для соответствующего приемника) действует таким образом, как будто она используется посредством собственного канала (с входом и выходом). Поэтому, в особенности в случае каналов с замираниями, в моменты времени неудовлетворительных условий передачи, приходится считаться с высокими вероятностями ошибок. Если, однако, сигналы совместно обрабатываются и передаются, то в принципе можно получить выигрыш за счет разнесения. Если в случае двух трасс передачи для одной из них имеют место плохие условия передачи, то с высокой вероятностью можно с выгодой использовать другую трассу передачи.

Исходя из публикации [VI] задачей настоящего изобретения является таким образом усовершенствовать нелинейный способ предварительного кодирования вышеуказанного типа для вещательного канала с децентрализованными приемниками, чтобы можно было использовать имеющееся для них разнесение, обусловленное возникающими сигналами взаимных помех. При этом способ должен быть простым по своему выполнению и обеспечивать высокое качество передачи. Соответствующее изобретению решение этой задачи содержится в независимом пункте формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Они рассмотрены ниже в связи с изобретением более подробно.

Соответствующий изобретению способ предварительного кодирования для осуществляемой на передающей стороне общей предварительной обработки пользовательских сигналов основывается на вышеописанном способе ТНР и развивает идею периодического продолжения возможных представителей для отдельных символов a_k данных. При этом накладывающиеся сигналы взаимных помех уже не подавляются до нуля, а используются в совместной предварительной обработке, при которой этим сигналам взаимных помех ставятся в соответствие значения из точно определенного запаса значений. При этом значения, допустимые для характеристики сигналов взаимных помех, выбираются таким образом, что блоки принятия решения по модулю на приемной стороне и при наличии сигналов взаимных помех все еще могут надежным образом принять решение относительно переданного символа a_k данных. Так как при использовании метода ТНР блоки принятия решения по модулю на приемной стороне и так учитывают периодическую многозначность символа a_k данных, сигналы взаимных помех могут принимать значения, которые ведут к тому, что в приемнике возникает другой представитель v_k из возможного количества представителей, который, однако, представляет тот же символ a_k данных. При этом запас значений (a_k+A_k·M_k ·z_kk, причем z_kk - целое положительное или отрицательное число, включая нуль) для символов данных, передаваемых без помех от пользователя k к приемнику k, отличается от запаса значений (A_k·M_k ·z_lk, причем z_lk - целое положительное или отрицательное число, включая нуль) для накладывающихся символов взаимных помех от пользователей l на приемник k, причем пользователь k исключен, точно на первоначальный символ данных a_k. Тем самым, сигналы взаимных помех, возникающие при соответствующем изобретению способе предварительного кодирования, учитываются и совместно обрабатываются таким образом, что они приводят к допустимому сдвигу кодированных по модулю пользовательских сигналов на интервале принятия решения для тех же символов данных. За счет периодического сдвига интервалы принятия решения хотя и являются разными, однако результат решения и его надежность идентичны.

В вышеприведенном числовом примере для двоичной передачи данных сигналы взаимных помех могут, таким образом, принимать значения -4; -2; 0; +2; +4... (четные числа) и тем самым являться множеством четных чисел. Набор значений сигналов взаимных помех, соответствующих кратным значениям целых чисел, справедлив и для любого другого выбора возможных М_k-ступенчатых совокупностей сигналов. Соответствующее изобретению предварительное кодирование также применимо для использующего пространство комплексных чисел способа квадратурной амплитудной модуляции (например, 4QAM или 16QAM). Вектор а данных состоит, в случае этой модуляции, из символов a_k данных (также обозначаемых как сигнальные точки) из QAM-алфавита комплексных значений. В этом случае осуществляется передача действительных частей символов, модулированных косинусным колебанием, и мнимых частей - синусным колебанием (квадратурное смешивание). При применении описаний каналов комплексными значениями (комплексные матричные записи) целесообразно эти записи сначала разделить на компоненты действительных значений действительной и мнимой частей и представить в виде действительной передачи с удвоенным количеством частичных сигналов. Тем самым канальная матрица H_r получает двойную размерность (2К). На приемной стороне предусмотрены демодуляторы, которые распознают значения напряжения с корректной фазой и вновь соотносят действительную и мнимую часть с действительными компонентами. Наконец, вновь осуществляется обратное преобразование в пространство комплексных значений. Справедливо равенство

При этом символами Re и Im обозначены действительная и мнимая части соответствующих величин, которые могут быть определены в соответствии с выбранными определениями эквивалентной 2K-мерной модели канала (MIMO) с действительными значениями согласно выражению

y_r=H_rx_r+n_r

Чтобы упростить компенсацию искажений и с выгодой использовать возможное разнесение, в соответствующем изобретению способе предварительного кодирования имеющийся вещательный канал мысленно подразделяется на две части. Для первой части за счет предварительного кодирования производится полная компенсация искажений, тем самым осуществляется развязка пользовательских сигналов, однако возникает периодическое продолжение символов данных. Текущий представитель v_k для символа a_k данных выбирается в текущий момент из возможных значений, которые различаются на целое кратное первоначального числа М_k ступеней, так что после линейного предыскажения выбранных представителей v_k требуемая мощность передачи является минимальной. Вторая часть канала не подвергается компенсации искажений, тем самым формируя остаточные взаимные помехи между пользовательскими сигналами. За счет подходящего выбора этой части можно добиться того, что, с одной стороны, остаточные взаимные помехи обеспечиваются таким образом, что они не оказывают мешающего влияния при нахождении решения в приемниках, а с другой стороны, коррекция искажений первой части канала становится возможной при меньшем усилении на приемной стороне и, следовательно, меньшем усилении шумов, или, по меньшей мере, частично может быть использовано разнесение канала. Так как при применении способа предварительного кодирования пользовательские сигналы и без того в приемниках возникают с периодическим продолжением, остаточные взаимные помехи могут принимать значения, которые согласованы с промежутками между возможными представителями; взаимные помехи таким образом отражаются только на (виртуальном) выборе другого представителя и тем самым их влияние в имеющемся блоке решения по модулю полностью исключается. Решающее преимущество изобретения заключается в заметном повышении эффективности передачи сигналов. Посредством заявленного способа предварительного кодирования можно при одинаковой средней мощности передачи, как и при известных способах предварительного кодирования, обеспечить сниженную частоту ошибок в битах, то есть более надежный прием. В частности, посредством заявленного способа предварительного кодирования обеспечивается выигрыш за счет разнесения, что позитивно проявляется в быстром спадании частоты ошибок в битах при улучшении качества передачи вещательного канала.

Частичная компенсация искажений канала передачи соответствует применению измененного описания канала, математически задаваемого сведением канальной матрицы H_rк приведенной канальной матрице H_red. Ее перемножение с соответствующей матрицей R остаточных взаимных помех, которая описывает оставшиеся взаимные связи, дает затем вновь канальную матрицу H_rсогласно разложению

H_r= R H_red

Матрица R остаточных взаимных помех зависит только от текущего состояния передачи канала. Если канальная матрица H (или H_r) не изменяется (импульсная передача), то также не изменяется и матрица R остаточных взаимных помех. Главная диагональ матрицы R остаточных взаимных помех состоит из единиц (прямая трасса передачи сигналов), все другие элементы построчно принимают только целочисленные (положительные или отрицательные) кратные значения числа М_k ступеней. При двоичной передаче каждой компоненты эти элементы равны только четным (положительным или отрицательным) числам:

Для подходящего разложения канальной матрицы H могут применяться различные методы. За счет применения метода Монте-Карло можно, например, подходящие коэффициенты определять эмпирически. Оптимальные методы разложения следует выбирать по их затратам, которые должны поддерживаться по возможности минимальными и в соответствии с минимально возможным требуемым на приемной стороне усилением (например, реализуемым с помощью автоматической регулировки усиления - АРУ).

Другой метод приведения матрицы для MIMO-каналов известен из предшествующего уровня техники как решеточная редукция. В публикации [V] H.Yao et al., "Lattice-Reduction-Aided Detectors For MIMO-Communication Systems" (Proceedings of IEEE Globecom 2002, Taipei, Taiwan, November 2002) описан самый благоприятный по затратам способ обнаружения в случае каналов с множеством входов и выходов. Основная идея состоит в применении математических методов, которые известны из теории регулярных решеток. При этом для MIMO-канала линейная компенсация искажений осуществляется не полностью, а исходя из другого подходящего представления (редуцированной базы), канал подвергается только частичной компенсации искажений, так что становится возможным простое покомпонентное (то есть по отдельным пользовательским сигналам) пороговое решение. Только после дальнейшей дополнительной обработки получают желательные оценочные значения для переданных символов данных. Однако известные методы, специально рассматривающие случай двух передающих и двух приемных антенн, отличаются принципиальным образом от изобретения тем, что в системе с множеством антенн на приемной стороне известны все пользовательские принимаемые сигналы и возможна совместная обработка сигналов. В противоположность этому, способ предварительного кодирования согласно изобретению относится к проблеме в многопользовательской системе с исключительным нисходящим направлением передачи (прямая линия связи). Здесь имеется общий передатчик, в котором известны все пользовательские сигналы, которые могут обрабатываться. В противоположность этому, приемники, которые распределены по области обслуживания, не взаимодействуют, то есть каждый приемник «видит» только свой собственный принимаемый сигнал (т.е. совместная обработка не возможна). Известная (частичная) компенсация искажений осуществляется исключительно на приемной стороне и исключительно линейным образом, т.е. для сокращенной части канала выполняется компенсация искажений с помощью инверсной канальной матрицы. Изобретение действует исключительно на передающей стороне нелинейным образом на основе метода ТНР.

Публикация [VI] Ch. Windpassinger, R.Fischer "Low-Complexity Near-Maximum-Likelihood Detection and Precoding for MIMO System using Lattice Reduction"(Proceedings of IEEE Information Theory Workshop 2003, pp. 345-348, Paris, France, March/April 2003) основывается на публикации [V] и развивает ее далее. Самый благоприятный по затратам способ обнаружения в случае MIMO-каналов с множеством входов и выходов расширен исходя из сценария 2x2 на общий случай для К входов и выходов. Кроме того, линейная частичная компенсация искажений заменена на нелинейное предварительное кодирование. Решающее различие по отношению к изобретению заключается, однако, в том, что эти способы вновь относятся к системам с множеством антенн, в которых на приемной стороне известны все частичные принимаемые сигналы, и возможна совместная обработка. Заявленный в настоящем изобретении способ предыскажений предложен для децентрализованных приемников, которые не могут взаимодействовать. В этом заключается особая трудность для обработки сигналов, поскольку она может осуществляться только на передающей стороне.

Для компенсации искажений в части канала, описанной посредством приведенной канальной матрицы H_red, эта приведенная матрица подвергается аналитическому разложению на подходящие матрицы. Это разложение может иметь, например, следующий формат:

P^TH_red = 1/g B F^-1,

где F - матрица с ортогональными столбцами; B - нижняя треугольная матрица, P - матрица перестановок (каждая строка и каждый столбец содержат точно одну 1), и g - коэффициент усиления на приемной стороне (автоматическая регулировка усиления). Все три матрицы и скаляр можно однозначно определить при предварительно заданном критерии (предпочтительно, при минимальном g) из H_red.

При обычном выборе сигнальных точек из массива целых чисел, сдвинутого на 1/2 в вышеприведенном примере, на принимающей стороне возникает систематический сдвиг. Он может исключаться либо посредством соответственно модифицированного приемника, либо более просто, посредством компенсации сдвига на передающей стороне, для которой не требуется никакая дополнительная энергия передачи. Это осуществляется путем вычитания вектора о согласно выражению

O = P^T (R-1)[1/2... 1/2]^T.

Формы выполнения изобретения поясняются ниже со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - вещательный канал,

фиг.2 - развязка вещательного канала посредством способа предварительного кодирования согласно предшествующему уровню техники,

фиг.3 - перекрытие вещательного канала посредством способа предварительного кодирования согласно изобретению,

фиг.4 - блок-схема способа предварительного кодирования согласно изобретению,

фиг.5 - характеристики битовых ошибок для различных способов компенсации искажений и

фиг.6 - коэффициенты усиления для различных способов компенсации искажений.

Фиг.1 схематично показывает структуру вещательного канала ВС для цифровой передачи сообщений К пользовательских сигналов ST_k от общего центрального передатчика СТ (например, базовой станции) к К децентрализованным приемникам DR_k(например, мобильным станциям), которые соответственно должны принимать только свой принимаемый сигнал ST_k и не имеют никакого контакта с соседними приемниками DR_k. Передача осуществляется исключительно в направлении прямой линии связи, в показанном случае используется ориентированная на соединение радиопередача. Рассматриваемый в целом вещательный канал ВС имеет множество входов и выходов и поэтому может интерпретироваться как канал с множеством входов и выходов (MIMO-канал). Таким образом, в данном случае имеет место многопользовательская система, которую следует отличать от системы с множеством антенн, которая также определяет некоторый MIMO-канал.

На фиг.2 для выбранного примера выполнения при M_k =2, A_k=1 и k=1,...,K показан вещательный канал ВС с полной развязкой на основе применения известного нелинейного способа предварительного кодирования ТНР с применением арифметики по модулю, которая уже была рассмотрена выше. Принципиально, при этом с каждым (соотнесенным с пользовательскими сигналами ST_k) символом a_k данных суммируется целочисленное кратное произведения числа M_k ступеней и расстояния A_k между сигнальными точками сигнальной совокупности (A_k·M_k·z при z положительном или отрицательном целом числе, включая нуль), и выбирается наилучшее значение по отношению к минимальной мощности передачи, и в полученный таким образом представитель сигнала вносится линейное предыскажение. Метод ТНР применяется на передающей стороне, чтобы в центральном передатчике СТ сформировать такой совместный передаваемый сигнал, который содержит полезный принимаемый сигнал ST_k каждого децентрализованного приемника DR_k. Появляющиеся сигналы взаимных помех при этом способе предварительного кодирования ТНР полностью исключаются, так что режим разнесения в канале не может использоваться.

Фиг.3 иллюстрирует применение нелинейного способа предварительного кодирования согласно изобретению с учетом сигналов взаимных помех. В этом способе сигналы взаимных помех, в случае двоичной передачи (в показанном примере выполнения при M_k=2, A_k=1 и k=1,...,K), многократно представляются четными целочисленными значениями между значениями для пользовательских сигналов ST_k. При этом символам взаимных помех между символом а_l данных, при l от 1 до К и неравном k, и символом а_k данных ставятся в соответствие периодические представители из запаса значений A_k·M_k·z_lk при z_lk из множества целых чисел. Заполнение сигналов взаимных помех четными целочисленными значениями (четные целочисленные взаимные помехи) может соответственно сокращенно обозначаться как EIIP (предварительное кодирование взаимных помех четными целыми числами). На фиг. 3 можно видеть лежащий в основе EIIP основной принцип частичной компенсации канала, при котором вещательный канал ВС виртуально отличается сокращенным каналом без связи (первые места суммирования), который подвергается нелинейному предварительному кодированию (представленному в линеаризованной форме) и наложением соответствующим образом сформированных сигналов взаимных помех (вторые места суммирования).

На фиг.4 (сверху) можно видеть всю систему передачи, которая соответствует предложенному способу предварительного кодирования EIIP с частичной компенсацией помех. Канальная матрица Н обозначает собственно канал передачи с К пользователями. На его входе можно получить доступ ко всем передаваемым сигналам, что обозначается широкой векторной стрелкой. На его выходе частичные сигналы y_k, при k от 1 до K могут обрабатываться только по отдельности, что здесь показано отдельными скалярными стрелками. На приемной стороне еще накладываются шумы n_k. В показанном обычном абстрактном представлении приемники предусматривают соответственно масштабирование (автоматическую регулировку усиления) и пороговое принятие решения (на фиг. 4 обозначено символом g в кружке и блоком с двойным обрамлением, причем двойное обрамление соответствует нелинейной операции). Передатчик состоит из первых трех функциональных блоков. При этом речь идет о матрице перестановок Р^Т, зависящей от имеющейся канальной матрицы H (или H_red), контуре обратной связи с нелинейной операций по модулю MOD, единичной матрицей I и нижней треугольной матрицей B, а также о матрице F с ортогональными столбцами. Подлежащие передаче символы данных (взятые из QAM-алфавита) упорядочиваются в К-мерный вектор а. Каждому приемнику желательно принимать свой символ а_k данных (и только этот символ). Этот вектор с комплексными элементами сначала переводится в действительный вектор (разделение комплексных компонентов на действительную и мнимую части описано выше), что символизируется записью a/a_r. Последующая обработка в передатчике производится с действительными значениями. Передатчик формирует передаваемые символы, скомпонованные в вектор x_r. Они затем преобразуются в комплексное представление (объединением действительной и мнимой частей в комплексное число посредством процедуры, обратной описанной выше), так как канал обрабатывает входные символы, представляющие собой комплексные значения.

Первый каскад передатчика соответствует перестановке (пересортировке) компонентов вектора а_r. Следующий функциональный блок представляет собой известный в способе предварительного кодирования нелинейно работающий контур обратной связи. Здесь сигналы взаимных помех, которые проявляются при передаче в канале, уже предварительно скомпенсированы. Чтобы мощность передачи не повышать чрезмерно, здесь применяется операция по модулю MOD, которая ограничивает выходные символы путем суммирования/вычитания соответствующего целочисленного значения (соответствует периодическому продолжению исходной совокупности сигналов) до жестко заданного интервала. Все сигнальные точки, для которых выполняется условие заданного расстояния A_k·M_k друг от друга, например, при двоичной передаче (M_k=2) и сигнальном расстоянии A_k=1 справедливо соотношение A_k·M_k=2, представляют одно и то же сообщение (битовую комбинацию). Наконец, применяется еще унитарная матрица F, которая переводит общую канальную матрицу без повышения мощности передачи в нижнюю треугольную матрицу. Таким образом, теперь можно желательным образом осуществить в передатчике последовательную обработку.

Для того чтобы принимаемые сигналы возникали в приемнике без сдвига о, последний предварительно уже скомпенсирован в передатчике. Вычисление матриц P, B и F осуществляется однозначным образом из приведенной формы канальной матрицы согласно приведенным выше выводам. Предварительное кодирование обеспечивает компенсацию искажений только для этой сокращенной части; сигналы взаимных помех сохраняются на основе матрицы R остаточных взаимных помех (см. выше).

Способ осуществления передачи представлен в средней и нижней частях на фиг.4. Прежде всего, контур предварительного кодирования заменяется его линеаризованным представлением. Операция по модулю заменяется суммированием корректирующего элемента d. Остальной линейный контур обратной связи (передача в прямом направлении - единица; обратная связь В-I) реализует затем точно матрицу В^-1(матрицу, инверсную матрице В). Канальная матрица представляется согласно вышеприведенным выводам как каскадное соединение приведенной канальной матрицы H_red и матрицы R остаточных взаимных помех. На основе специальной структуры матриц B и F, из H_red каскадное соединение B, F^-1и H_red дает точно матрицу P/g (вновь согласно приведенному выше уравнению), за счет чего получается структура, представленная в нижней строке. Матрицы перестановок Р^Ти Р компенсируются; в качестве матрицы передачи остается только матрица R остаточных взаимных помех. Она описывает взаимные помехи (связи) между пользовательскими сигналами. Так как главная диагональ содержит только единицы, полезные сигналы передаются идеальным образом. Элементы второстепенных диагоналей, которые описывают перекрестные связи между пользовательскими сигналами, при двоичной передаче выражаются четными числами; то есть возникают взаимные помехи, выражающиеся четными целыми числами. Однако они не оказывают негативного воздействия на принятие решения по модулю.

На фиг.5 представлены усредненные характеристики битовых ошибок пользователей для различных способов обработки сигналов. На графике представлены соответственно средние частоты битовых ошибок (BER) в зависимости от отношения (в дБ) средней передаваемой энергии E_b, приходящейся на бит информации, к спектральной плотности мощности N₀ аддитивной шумовой помехи. Рассмотрен случай двух пользователей (К=2), что имеет место относительно часто, когда, например, наряду с множеством пользователей с низкими скоростями передачи данных и мощностями передачи, появляются два пользователя с высокими скоростями передачи данных и мощностями передачи, которыми в таком случае ограничивается предварительная обработка. На основе выбранного способа, путем разложения приведенной канальной матрицы H_red на g, F, B и Р, для обоих пользователей получается одинаковая характеристика битовых ошибок. Наилучшая характеристика битовых ошибок соответствует совместной обработке сигналов в приемнике (совместная обработка в приемнике JPR, кривая a), самый неблагоприятный случай - чисто линейной канальной инверсии на передающей стороне (линейная предварительная коррекция LPE, кривая b). Все более улучшающуюся характеристику ошибок демонстрирует канал передачи при осуществляемом на передающей стороне нелинейном предварительном кодировании с использованием комплексных значений (предварительное кодирование комплексных значений CVR, кривая c) и предварительном кодировании с использованием действительных значений(предварительноекодирование действительных значений RVP, кривая d). Характеристика ошибок, наиболее приближающаяся к случаю совместной обработки сигналов на приемной стороне, реализуется при использовании способа предварительного кодирования согласно изобретению с коррекцией искажений части канала с учетом взаимных помех (EIIR, кривая e).

За счет заметно улучшенной характеристики ошибок при нелинейном способе предварительного кодирования согласно изобретению - EIIR, несмотря на сниженную мощность передачи, на приемной стороне требуются существенно меньшие коэффициенты усиления. На фиг. 6 для системы с двумя пользователями (К=2) приведены коэффициенты усиления g_EIIP-PREC при применении нелинейного предварительного кодирования согласно изобретению по отношению к коэффициентам усиления g_PREC, которые получаются в способе предварительного кодирования с использованием действительных значений и без учета взаимных помех (представление приведено в дБ как обратная величина квадрата, так как отношение сигнал/шум (SNR) пропорционально этому члену, и этот член непосредственно описывает производительность способа). Величина коэффициента усиления g_PREC нанесена на оси х и над прямой у=х распознается так же, как нижний конец штрихов. Соответствующие коэффициенты усиления g_EIIP-PREC представлены как верхние концы штрихов. Длина штрихов соответствует достижимому выигрышу. Особенно большой выигрыш можно видеть в ситуациях, когда известные способы обеспечивают весьма неблагоприятные результаты.

Перечень обозначений