RU2278471C2 - Method for directional transmission with check connection - Google Patents
Method for directional transmission with check connection Download PDFInfo
- Publication number
- RU2278471C2 RU2278471C2 RU2004116222/09A RU2004116222A RU2278471C2 RU 2278471 C2 RU2278471 C2 RU 2278471C2 RU 2004116222/09 A RU2004116222/09 A RU 2004116222/09A RU 2004116222 A RU2004116222 A RU 2004116222A RU 2278471 C2 RU2278471 C2 RU 2278471C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- base station
- dominant
- directions
- subscriber station
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам передачи и приема радиосигнала с применением адаптивной антенной решетки, и может использоваться в сотовых системах связи.The invention relates to the field of radio engineering, in particular to methods for transmitting and receiving a radio signal using an adaptive antenna array, and can be used in cellular communication systems.
Необходимость повышения емкости является одной из наиболее актуальных проблем современных сотовых систем связи. В значительной степени это относится к емкости прямого канала - от базовой станции к пользователю, - по которому передаются большие объемы данных с высокой скоростью. Одним из наиболее эффективных способов повышения емкости прямого канала является использование многоэлементной передающей антенны или антенной решетки (АР).The need to increase capacity is one of the most pressing problems of modern cellular communication systems. To a large extent, this relates to the capacity of the direct channel — from the base station to the user — through which large amounts of data are transmitted at high speed. One of the most effective ways to increase the capacity of the forward channel is to use a multi-element transmit antenna or antenna array (AR).
Известны два основных способа передачи сигнала с помощью антенной решетки: способ направленной передачи и способ разнесенной передачи. Способ направленной передачи основан на использовании конфигурации антенной решетки с расстоянием между антенными элементами, примерно равным половине длины волны (d≈λ/2). Этот способ описан в статьях "Downlink Beamforming Concepts in UTRA FDD", Mirko Schacht, Armin Dekorsy, Peter Jung, Lucent Technologies, 5th November 2002 [1]; "Transformation Based Downlink Beamforming Techniques For Frequency Division Duplex Systems", Klaus Hugl, Juha Laurila, Ernst Bonek, Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik, Technische Universität, Wien, Austria [2]; "Downlink Beamforming Avoiding DOA Estimation For Cellular Mobile Communications", T.Aste, P.Forster, L.Fety, S.Mayrargue, Laboratoire Electronique & Communication, CNAM, France [3]; "Downlink Beamforming for DS-CDMA Mobile Radio with Multimedia Services Ying-Chang Liang", Senior Member, IEEE, Francois P.S.Chin, and K.J.Ray Liu, IEEE Transactions on Communications, Vol.49, No.7, July 2001 [4].Two main methods of signal transmission using an antenna array are known: a directional transmission method and a diversity transmission method. The directional transmission method is based on the use of an antenna array configuration with a distance between antenna elements approximately equal to half the wavelength (d≈λ / 2). This method is described in Downlink Beamforming Concepts in UTRA FDD, Mirko Schacht, Armin Dekorsy, Peter Jung, Lucent Technologies, 5th November 2002 [1]; "Transformation Based Downlink Beamforming Techniques For Frequency Division Duplex Systems", Klaus Hugl, Juha Laurila, Ernst Bonek, Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik, Technische Universität, Wien, Austria [2]; "Downlink Beamforming Avoiding DOA Estimation For Cellular Mobile Communications", T.Aste, P.Forster, L. Fety, S. Mayrargue, Laboratoire Electronique & Communication, CNAM, France [3]; "Downlink Beamforming for DS-CDMA Mobile Radio with Multimedia Services Ying-Chang Liang", Senior Member, IEEE, Francois PSChin, and KJRay Liu, IEEE Transactions on Communications, Vol.49, No.7, July 2001 [4] .
Способ разнесенной передачи использует антенные конфигурации с далеко разнесенными элементами (d значительно больше λ). Потенциально наиболее эффективным методом разнесенной передачи является так называемая когерентная разнесенная передача, при которой амплитуды и фазы сигнала в различных антеннах устанавливают таким образом, чтобы обеспечить максимальное отношение сигнал-шум в точке приема для данной реализации канала распространения. Однако практическая реализация когерентной разнесенной передачи подразумевает знание параметров канала распространения на передающей стороне. В системах связи с частотным дуплексом это подразумевает использование обратной связи с абонентской станции. Принципы разнесенной передачи описаны в "Transmission diversity with limited feedback information in fading channels". Chau, Y.A.; Shi-Hong Yu. Vehicular Technology Conference Proceedings. 2000, VTC 2000-Spring Tokyo. 2000 IEEE 51st, Volume: 2, 2000 [5]; "Physical layer procedures (FDD). 3GPP TS 25.214" [6].The diversity transmission method uses antenna configurations with far-spaced elements (d is much greater than λ). The potentially most effective diversity transmission method is the so-called coherent diversity transmission, in which the amplitudes and phases of the signal in different antennas are set so as to provide the maximum signal-to-noise ratio at the receiving point for a given distribution channel implementation. However, the practical implementation of coherent diversity transmission involves knowing the parameters of the propagation channel on the transmitting side. In communication systems with frequency duplex, this implies the use of feedback from the subscriber station. The principles of diversity transmission are described in "Transmission diversity with limited feedback information in fading channels". Chau, Y.A .; Shi-Hong Yu. Vehicular Technology Conference Proceedings. 2000, VTC 2000-Spring Tokyo. 2000 IEEE 51st, Volume: 2, 2000 [5]; "Physical layer procedures (FDD). 3GPP TS 25.214" [6].
При разнесенной передаче на приемном конце формируется сигнал, представляющий собой сумму сигналов, прошедших по независимым каналам распространения. За счет этого снижается фединг сигнала, увеличивается помехоустойчивость приема и, соответственно, емкость канала связи.With diversity transmission, a signal is formed at the receiving end, which is the sum of the signals transmitted through the independent propagation channels. Due to this, the signal fading is reduced, the noise immunity of the reception and, accordingly, the capacity of the communication channel are increased.
Один из эффективных методов использования двух далеко разнесенных передающих антенн представлен в стандарте 3GPP как разнесенная передача с замкнутой петлей [6]. При этом мобильная (абонентская) станция принимает пилот-сигналы, переданные с различных антенн, оценивает разность фаз между ними, квантует эту разность на два значения и передает по каналу обратной связи с помощью однобитной команды. Базовая станция получает эту команду и передает сигнал, предназначенный для данной абонентной станции, через обе антенны, устанавливая разность фаз в соответствии с полученной командой (разность фаз сигналов в передающих антеннах должна примерно компенсировать разность фаз сигналов, возникающую в канале распространения).One of the effective methods of using two far-spaced transmit antennas is presented in the 3GPP standard as closed-loop diversity transmission [6]. In this case, the mobile (subscriber) station receives the pilot signals transmitted from various antennas, estimates the phase difference between them, quantizes this difference by two values and transmits it via the feedback channel using a one-bit command. The base station receives this command and transmits the signal intended for the given subscriber station through both antennas, setting the phase difference in accordance with the received command (the phase difference of the signals in the transmitting antennas should approximately compensate for the phase difference of the signals arising in the propagation channel).
Данный способ является одним из наиболее эффективных способов использования двух передающих антенн с точки зрения сложности реализации и помехоустойчивости. Однако растущие потребности увеличения емкости прямого канала диктуют необходимость увеличения количества антенн. В случае разнесенной передачи это ведет, с одной стороны, к увеличению объема контрольных данных, передаваемых по каналу обратной связи, и необходимости модификации существующего стандарта, а с другой стороны, к значительному увеличению габаритов антенной системы, что признается разработчиками систем весьма нежелательным.This method is one of the most effective ways to use two transmitting antennas in terms of implementation complexity and noise immunity. However, the growing need to increase direct channel capacitance dictates the need to increase the number of antennas. In the case of diversity transmission, this leads, on the one hand, to an increase in the amount of control data transmitted via the feedback channel and the need to modify the existing standard, and, on the other hand, to a significant increase in the dimensions of the antenna system, which is recognized by system designers as highly undesirable.
Поэтому внимание исследователей привлекает направленная передача, которая использует антенную решетку с близко расположенными элементами и повышает емкость прямого канала за счет ограничения пространственной области излучения сигнала. Преимуществом направленной передачи является значительное снижение уровня внутрисистемных помех, высокая помехоустойчивость в области низких значений отношения сигнал-шум, а также малые габариты антенной системы, см. например, [1] и "Advanced closed loop Tx diversity concept (eigenbeamformer)". Siemens. TSGR1#14(00)0853; "Description of the eigenbeamformer concept (update) and performance evaluation". Siemens. TSGR1#19 R1-01-0203 [7].Therefore, the attention of researchers is attracted by directional transmission, which uses an antenna array with closely spaced elements and increases the capacity of the direct channel by limiting the spatial area of the signal radiation. The advantage of directional transmission is a significant reduction in the level of intra-system interference, high noise immunity in the region of low signal-to-noise ratios, and also the small dimensions of the antenna system, see, for example, [1] and "Advanced closed loop Tx diversity concept (eigenbeamformer)". Siemens TSGR1 # 14 (00) 0853; "Description of the eigenbeamformer concept (update) and performance evaluation". Siemens TSGR1 # 19 R1-01-0203 [7].
Для осуществления направленной передачи передатчик должен располагать информацией о канале связи. В системах связи с частотным дуплексом мгновенные характеристики прямого и обратного каналов связи различаются, и поэтому передатчик не имеет такой информации. Один из относительно простых способов направленной передачи основан на том, что некоторые усредненные характеристики прямого и обратного каналов одинаковы, например пространственное направление распространения сигнала. При данном подходе БС принимает сигнал пользователя, оценивает угол его прихода и при передаче сигнала прямого канала для данного пользователя формирует максимум диаграммы направленности в этом направлении (см. "Smart antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications", J.C.Liberti, JR.T.S.Rappaport./ Prentice Hall PTR. 1999 [8]). Недостаток данного способа заключается в том, что его эффективность значительно снижается в многолучевой ситуации. Вследствие многолучевости, как правило, существует несколько пространственных направлений, по которым переданный с базовой станции сигнал достигает абонентской станции. При этом сигналы, распространяющиеся по указанным направлениям, подвержены независимым замираниям. В системе связи с частотным дуплексом направления наилучшего распространения сигналов прямого и обратного каналов на текущем временном интервале могут не совпадать. Соответственно сигнал может быть передан в неоптимальном направлении и вследствие этого отношение сигнал-шум в точке приема будет низким. В связи с этим эффективность направленной передачи, основанной на оценке угла прихода сигнала в обратном канале, значительно ниже потенциально достижимого уровня.For directional transmission, the transmitter must have information about the communication channel. In communication systems with frequency duplex, the instantaneous characteristics of the forward and reverse communication channels are different, and therefore the transmitter does not have such information. One of the relatively simple methods of directional transmission is based on the fact that some averaged characteristics of the forward and reverse channels are the same, for example, the spatial direction of signal propagation. With this approach, a BS receives a user signal, estimates the angle of its arrival, and when transmitting a direct channel signal for a given user, generates a maximum radiation pattern in this direction (see "Smart antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications", JCLiberti , JR.TSRappaport./ Prentice Hall PTR. 1999 [8]). The disadvantage of this method is that its effectiveness is significantly reduced in a multipath situation. Due to the multipath, as a rule, there are several spatial directions along which the signal transmitted from the base station reaches the subscriber station. In this case, signals propagating in these directions are subject to independent fading. In a communication system with a frequency duplex, the directions of the best propagation of the signals of the forward and reverse channels at the current time interval may not coincide. Accordingly, the signal may be transmitted in a non-optimal direction and, as a result, the signal-to-noise ratio at the receiving point will be low. In this regard, the efficiency of directional transmission based on an estimate of the angle of arrival of the signal in the return channel is significantly lower than the potentially achievable level.
Решение данной проблемы возможно за счет оценки необходимых параметров канала связи на абонентской станции и передачи указанной оценки на базовую станцию с помощью канала обратной связи. При этом в условиях быстро изменяющегося канала распространения требуется передавать по каналу обратной связи значительные объемы контрольных данных с высокой скоростью. Однако пропускная способность канала обратной связи является, как правило, ограниченной. Например, канал обратной связи, предусмотренный в 3GPP, имеет пропускную способность всего лишь 1500 бит в секунду. Данное обстоятельство является серьезным препятствием для реализации потенциально высокой эффективности направленной передачи в прямом канале.The solution to this problem is possible by evaluating the necessary parameters of the communication channel at the subscriber station and transmitting the indicated estimate to the base station using the feedback channel. Moreover, under the conditions of a rapidly changing distribution channel, it is required to transmit significant amounts of control data at a high speed via the feedback channel. However, the feedback channel capacity is typically limited. For example, the feedback channel provided by 3GPP has a throughput of only 1,500 bits per second. This circumstance is a serious obstacle to the implementation of the potentially high efficiency of directional transmission in the forward channel.
Один из способов решения этой проблемы предложен компанией Siemens [7] как концепция формирования собственных лучей. При этом параметры канала связи делятся на медленно (long-term) и быстро меняющиеся (short-term). Это позволяет использовать большой временной промежуток для передачи наиболее объемной информации - медленно меняющихся параметрах. Слежение за быстро меняющимися параметрами канала выполняется с помощью менее объемной информации, которая передается на более коротком временном интервале. Этот способ наиболее близок по технической сущности к предлагаемому и принят за прототип.One of the ways to solve this problem was proposed by Siemens [7] as a concept of the formation of its own rays. At the same time, the parameters of the communication channel are divided into slow (long-term) and rapidly changing (short-term). This allows you to use a large time period for the transfer of the most voluminous information - slowly changing parameters. Tracking rapidly changing channel parameters is performed using less voluminous information that is transmitted over a shorter time interval. This method is the closest in technical essence to the proposed and adopted as a prototype.
Способ-прототип заключается в том, чтоThe prototype method is that
- с базовой станции посредством передатчика передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности на основе контрольной информации, получаемой от абонентской станции по каналу обратной связи,- from the base station through the transmitter transmit the information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern based on the control information received from the subscriber station via the feedback channel,
- при этом на базовой и абонентской станциях осуществляют медленную и быструю обработку сигнала, причем медленную обработку сигнала выполняют периодически с периодом T1, а быструю обработку сигнала выполняют периодически с периодом Т2, при этом Т2 меньше T1.- while at the base and subscriber stations carry out slow and fast signal processing, and the slow signal processing is performed periodically with a period of T 1 and fast signal processing is performed periodically with a period of T 2 , while T 2 is less than T 1 .
На абонентской станции периодически с периодом T1 медленной обработки сигналаAt the subscriber station periodically with a period T 1 of slow signal processing
- оценивают пространственный канал связи между базовой и абонентской станциями, причем данную оценку осуществляют с использованием пилот-сигналов, которые формируют посредством передатчика базовой станции и передают помимо информационного сигнала,- evaluate the spatial communication channel between the base and subscriber stations, and this assessment is carried out using pilot signals that are generated by the transmitter of the base station and transmit in addition to the information signal,
- оценивают ковариационную матрицу R пространственного канала связи,- evaluate the covariance matrix R of the spatial communication channel,
- определяют набор собственных векторов и собственных значений ковариационной матрицы R пространственного канала,- determine the set of eigenvectors and eigenvalues of the covariance matrix R of the spatial channel,
- определяют множество сигнальных собственных векторов пространственного канала как М собственных векторов, соответствующих М наибольшим собственным значениям ковариационной матрицы R,- determine the set of signal eigenvectors of the spatial channel as M eigenvectors corresponding to M the largest eigenvalues of the covariance matrix R,
- множество сигнальных собственных векторов упорядочивают, квантуют и передают на базовую станцию по каналу обратной связи в течение периода медленной обработки T1 в качестве долговременной контрольной информации,- a plurality of signal eigenvectors is ordered, quantized, and transmitted to the base station via a feedback channel during the period of slow processing T 1 as long-term control information,
- на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции упорядоченные квантованные значения сигнальных собственных векторов и запоминают их в том порядке, в котором они были приняты,- at the base station, on the return channel from the subscriber station, the ordered quantized values of the signal eigenvectors are received and stored in the order in which they were received,
- на каждом периоде быстрой обработки Т2 на абонентской станции оценивают энергию сигнала, соответствующую каждому из сигнальных собственных векторов, которые уже переданы на базовую станцию,- at each fast processing period T 2 at the subscriber station, the signal energy corresponding to each of the signal eigenvectors that are already transmitted to the base station is estimated,
- в течение периода быстрой обработки Т2 передают на базовую станцию порядковый номер доминантного собственного вектора, соответствующего максимальному значению энергии сигнала, в качестве кратковременной информации,- during the fast processing period T 2 transmit to the base station the serial number of the dominant eigenvector corresponding to the maximum value of the signal energy, as short-term information,
- на базовой станции принимают порядковый номер доминантного собственного вектора и при передаче информационного сигнала абонентской станции формируют диаграмму направленности в соответствии с доминантным собственным вектором.- at the base station, the serial number of the dominant eigenvector is received, and when transmitting the information signal of the subscriber station, a radiation pattern is generated in accordance with the dominant eigenvector.
Недостатком данного решения является очень большой объем передаваемой долговременной контрольной информации. В случае движения абонента с высокой скоростью обновление долговременной информации о параметрах канала связи может не успевать за действительным изменением этой информации. В результате эффективность направленной передачи будет заметно снижаться. Кроме того, канал обратной связи, не идеален, то есть имеет определенную вероятность ошибки при передаче по нему информации. Например, в литературе принято считать вероятность ошибки в канале обратной связи, равной 4% (см. «Recommended simulation parameters for Tx diversity simulations». Nokia. TSGR1#14(00)0867 [9]). При большом объеме передаваемой долговременной контрольной информации велика вероятность ее повреждения. Собственные векторы, передаваемые по обратной связи в прототипе, особенно чувствительны к ошибкам, и даже ошибка в одном бите способна полностью исказить передаваемую информацию. Этим фактором обусловлено значительное снижение эффективности направленной передачи, выполняемой способом прототипа на практике.The disadvantage of this solution is the very large amount of transmitted long-term control information. In the case of a subscriber moving at high speed, updating long-term information about the parameters of the communication channel may not keep up with the actual change in this information. As a result, directional transmission efficiency will noticeably decrease. In addition, the feedback channel is not ideal, that is, it has a certain probability of error when transmitting information through it. For example, in the literature it is customary to consider the probability of an error in the feedback channel equal to 4% (see "Recommended simulation parameters for Tx diversity simulations". Nokia. TSGR1 # 14 (00) 0867 [9]). With a large amount of transmitted long-term control information, it is likely to be damaged. Own vectors transmitted by feedback in the prototype are especially sensitive to errors, and even an error in one bit can completely distort the transmitted information. This factor leads to a significant decrease in the efficiency of directional transmission performed by the prototype method in practice.
Другой недостаток заключается в том, что использование в качестве весовых коэффициентов собственных векторов в многолучевом канале нередко приводит к формированию достаточно широких диаграмм направленности, что увеличивает область рассеяния и, соответственно, повышает уровень многолучевых помех прямого канала.Another disadvantage is that the use of eigenvectors in the multipath channel as weight coefficients often leads to the formation of sufficiently wide radiation patterns, which increases the scattering region and, accordingly, increases the level of multipath interference of the forward channel.
Задача, которую решает предлагаемый способ, - повышение пропускной способности системы связи за счет улучшения основных параметров направленной передачи с обратной связью: скорости слежения за изменениями пространственного канала связи и достоверности передачи контрольной информации.The problem that the proposed method solves is to increase the throughput of the communication system by improving the basic parameters of directional transmission with feedback: the speed of tracking changes in the spatial communication channel and the reliability of the transmission of control information.
Технический результат достигается двумя вариантами способа направленной передачи с обратной связью.The technical result is achieved by two variants of the directional transmission method with feedback.
В обоих вариантах абонентская станция оценивает доминантные (преобладающие основные) пространственные направления распространения сигнала в прямом канале связи (от базовой станции к абонентской станции), соответствующие наибольшим значениям коэффициента передачи мощности сигнала. Информацию о доминантных пространственных направлениях распространения сигнала абонентская станция передает на базовую станцию по обратному каналу.In both versions, the subscriber station estimates the dominant (prevailing main) spatial directions of signal propagation in the direct communication channel (from the base station to the subscriber station), corresponding to the highest values of the signal power transmission coefficient. The subscriber station transmits information about the dominant spatial directions of signal propagation to the base station via the reverse channel.
В первом варианте способа направленной передачи с обратной связью базовая станция передает сигнал абонентской станции, формируя по возможности узкую диаграмму направленности с максимумом в направлении, характеризующемся максимальным на текущий момент коэффициентом передачи.In the first version of the feedback directional transmission method, the base station transmits a signal to the subscriber station, forming as narrow a radiation pattern as possible with a maximum in the direction characterized by the currently maximum transmission coefficient.
В способе направленной передачи с обратной связью по первому варианту заключающийся в том, что с базовой станции посредством передатчика передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности на основе контрольной информации, получаемой от абонентской станции по каналу обратной связи, при этом на базовой и абонентской станциях осуществляют медленную и быструю обработку сигнала, причем медленную обработку сигнала выполняют периодически с периодом T1, а быструю обработку сигнала выполняют периодически с периодом T2, при этом T2 меньше T1, на абонентской станции периодически с периодом медленной обработки сигнала T1 оценивают пространственный канал связи между базовой и абонентской станциями, причем данную оценку осуществляют с использованием пилот-сигналов, которые формируют посредством передатчика базовой станции и передают помимо информационного сигнала, согласно изобретению введены следующие операции:In the directional feedback feedback method according to the first embodiment, the information signal of the subscriber station is transmitted from the base station via the transmitter, forming a radiation pattern based on the control information received from the subscriber station via the feedback channel, while at the base and subscriber stations performed slow and fast signal processing, and a slow processing is performed periodically with a period T 1, the signal processing is performed fast and periodic signal period T 2, wherein T 2 less than T 1, to the subscriber station periodically with a period of slow processing of the signal T 1 is evaluated spatial channel connection between the base and subscriber stations, wherein this assessment is performed using pilot signals which are formed by the base station transmitter and transmit in addition to the information signal, according to the invention, the following operations are introduced:
на каждом периоде T1 медленной обработки сигнала на абонентской станцииon each period T 1 slow signal processing at the subscriber station
- оценивают пространственные направления распространения сигнала от базовой станции к абонентской станции,- evaluate the spatial directions of signal propagation from the base station to the subscriber station,
- выбирают М доминантных направлений распространения сигнала из указанных оцененных пространственных направлений распространения сигнала, которые характеризуются наибольшей принимаемой энергией сигнала,- choose M dominant signal propagation directions from the indicated estimated spatial signal propagation directions, which are characterized by the highest received signal energy,
- полученные М оценок доминантных направлений распространения сигнала упорядочивают, квантуют, подвергают помехоустойчивому кодированию, формируя, таким образом, последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала,- the obtained M estimates of the dominant directions of signal propagation are ordered, quantized, subjected to error-correcting coding, thus forming a sequence of ordered estimates of M dominant directions of signal propagation,
- последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве долговременной контрольной информации,- a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is transmitted via a reverse channel from a subscriber to a base station as long-term control information,
на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала, декодируют их, и запоминают в том порядке, в котором они были приняты,at the base station, a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is obtained from the subscriber station on the return channel, decode them, and remember in the order in which they were received,
на каждом периоде быстрой обработки Т2 на абонентской станцииon each period of fast processing T 2 at the subscriber station
- оценивают энергию сигнала, соответствующую каждому из М доминантных направлений распространения сигнала, оценки которых уже переданы на базовую станцию,- evaluate the signal energy corresponding to each of the M dominant signal propagation directions, estimates of which have already been transmitted to the base station,
- оценивают значение энергии принимаемого сигнала на следующем периоде быстрой обработки для каждого из М доминантных направлений распространения сигнала, используя для этого оценки энергии сигнала, сформированные на нескольких предыдущих периодах быстрой обработки,- evaluate the energy value of the received signal in the next period of fast processing for each of the M dominant directions of signal propagation, using for this assessment of the signal energy generated on several previous periods of fast processing,
- определяют наилучшее направление для передачи сигнала как доминантное направление распространения сигнала, которому соответствует максимальное оцененное значение энергии сигнала, и номер этого направления в упорядоченной последовательности оценок М доминантных направлений распространения сигнала передают по обратному каналу на базовую станцию в качестве кратковременной контрольной информации,- determine the best direction for signal transmission as the dominant signal propagation direction, which corresponds to the maximum estimated value of the signal energy, and the number of this direction in an ordered sequence of estimates M of the dominant signal propagation directions is transmitted via the return channel to the base station as short-term control information,
- на базовой станции принимают порядковый номер наилучшего направления для передачи сигнала, и передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении.- at the base station, take the serial number of the best direction for signal transmission, and transmit the information signal to the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction.
Базовая станция может принимать порядковый номер наилучшего направления для передачи сигнала и передать информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении.The base station can receive the serial number of the best direction for signal transmission and transmit the information signal to the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction.
Базовая станция может принимать порядковый номер наилучшего направления для передачи сигнала и передавать основную часть мощности информационного сигнала абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении, а остальную часть мощности равномерно распределять для передачи в остальных М минус 1 доминантных направлениях.The base station can take the serial number of the best direction for transmitting the signal and transmit the bulk of the power of the information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction, and evenly distribute the rest of the power for transmission in the remaining M minus 1 dominant directions.
Оценку М доминантных направлений распространения сигнала от базовой к абонентской станции относительно антенной решетки базовой станции выполняют на абонентской станции, например, на основании приема пилот-сигналов, переданных с различных антенных элементов антенной решетки базовой станции и известной конфигурации антенной решетки, либо на основании приема К пилот-сигналов, передаваемых с базовой станции с различными диаграммами направленности.Evaluation of M dominant directions of signal propagation from the base station to the subscriber station relative to the antenna array of the base station is performed at the subscriber station, for example, based on the reception of pilot signals transmitted from various antenna elements of the antenna array of the base station and the known configuration of the antenna array, or based on reception K pilot signals transmitted from a base station with different radiation patterns.
При М равном 1 на мобильной станции полученную одну оценку доминантного направления распространения сигнала квантуют и передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве контрольной информации, на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции оценку доминантного направления распространения сигнала и передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении.When M is 1 at the mobile station, one obtained estimate of the dominant direction of signal propagation is quantized and transmitted over the return channel from the subscriber to the base station as control information, at the base station, an estimate of the dominant direction of signal propagation is received on the return channel from the subscriber station, and the subscriber information signal is transmitted stations, forming a radiation pattern with a maximum in a given direction.
Во втором варианте способа направленной передачи базовая станция передает сигнал абонентской станции одновременно во всех доминантных направлениях, устанавливая между ними амплитудно-фазовые соотношения, обеспечивающие максимальную мощность сигнала в точке приема.In the second variant of the directional transmission method, the base station transmits the signal to the subscriber station simultaneously in all dominant directions, establishing amplitude-phase relations between them, which ensure maximum signal power at the receiving point.
В способ направленной передачи с обратной связью по второму варианту, заключающийся в том, что с базовой станции посредством передатчика передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности на основе контрольной информации, получаемой от абонентской станции по каналу обратной связи, при этом на базовой и абонентской станциях осуществляют медленную и быструю обработку сигнала, причем медленную обработку сигнала выполняют периодически с периодом T1, а быструю обработку сигнала выполняют периодически с периодом T2, при этом Т2 меньше T1, на абонентской станции периодически с периодом медленной обработки сигнала T1 оценивают пространственный канал связи между базовой и абонентской станциями, причем данную оценку осуществляют с использованием пилот-сигналов, которые формируют посредством передатчика базовой станции и передают помимо информационного сигнала, согласно изобретению введены следующие операции:In the directional feedback feedback method according to the second embodiment, the information signal of the subscriber station is transmitted from the base station via the transmitter, forming a radiation pattern based on the control information received from the subscriber station via the feedback channel, while on the base and subscriber stations carry out slow and fast signal processing, and slow signal processing is performed periodically with a period of T 1 , and fast signal processing is performed periodically with period T 2 , with T 2 less than T 1 , at the subscriber station periodically with a period of slow signal processing T 1 evaluate the spatial communication channel between the base and subscriber stations, and this assessment is carried out using pilot signals that are generated by the transmitter of the base station and transmit in addition to the information signal, according to the invention, the following operations are introduced:
на каждом периоде T1 медленной обработки сигнала на абонентской станцииon each period T 1 slow signal processing at the subscriber station
- оценивают пространственные направления распространения сигнала от базовой станции к абонентской станции,- evaluate the spatial directions of signal propagation from the base station to the subscriber station,
- выбирают М доминантных направлений распространения сигнала из указанных оцененных пространственных направлений, которые характеризуются наибольшей принимаемой энергией сигнала,- choose M dominant signal propagation directions from the indicated estimated spatial directions, which are characterized by the highest received signal energy,
- полученные М оценок доминантных направлений распространения сигнала упорядочивают, квантуют, подвергают помехоустойчивому кодированию, формируя, таким образом, последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала,- the obtained M estimates of the dominant directions of signal propagation are ordered, quantized, subjected to error-correcting coding, thus forming a sequence of ordered estimates of M dominant directions of signal propagation,
- последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве долговременной контрольной информации - на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала, декодируют их и запоминают в том порядке, в котором они были приняты,- a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is transmitted along the reverse channel from the subscriber station to the base station as long-term monitoring information - at the base station, a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is transmitted via the return channel from the subscriber station, decode them and store them in that order in which they were adopted,
на каждом периоде Т2 быстрой обработки сигнала на абонентской станцииon each period T 2 fast signal processing at the subscriber station
- оценивают значения отношений амплитуд и разностей фаз между компонентами сигнала, принятыми с различных доминантных направлений распространения сигнала,- evaluate the values of the relations of amplitudes and phase differences between the signal components, adopted from various dominant directions of signal propagation,
- полученные оценки квантуют и передают по обратному каналу на базовую станцию в качестве кратковременной контрольной информации,- the resulting estimates are quantized and transmitted over the reverse channel to the base station as short-term control information,
на базовой станцииat the base station
- получают оценки значений отношений амплитуд и разностей фаз и передают информационный сигнал абонентской станции в М доминантных направлениях распространения сигнала, устанавливая значения отношений амплитуд и разностей фаз между компонентами сигнала, передаваемыми в различных направлениях, в соответствии с полученными оценками таким образом, чтобы максимизировать мощность сигнала в точке приема.- get estimates of the values of the relations of amplitudes and phase differences and transmit the information signal of the subscriber station in the M dominant directions of signal propagation, setting the values of the relations of amplitudes and phase differences between the signal components transmitted in different directions, in accordance with the obtained estimates in such a way as to maximize the signal power at the point of reception.
Оценку М доминантных направлений распространения сигнала от базовой к абонентской станции выполняют на основании приема пилот-сигналов, переданных с различных антенных элементов антенной решетки базовой станции, и известной конфигурации антенной решетки, либо на основании приема К пилот-сигналов, передаваемых с базовой станции с различными диаграммами направленности.Evaluation of the M dominant directions of signal propagation from the base station to the subscriber station is performed based on the reception of pilot signals transmitted from various antenna elements of the antenna array of the base station and the known configuration of the antenna array, or based on the reception of K pilot signals transmitted from the base station with various radiation patterns.
При М, равном 1, на мобильной станции полученную одну оценку доминантного направления распространения сигнала квантуют и передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве контрольной информации, на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции оценку доминантного направления распространения сигнала и передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении.When M is 1, at the mobile station, one obtained estimate of the dominant direction of signal propagation is quantized and transmitted over the return channel from the subscriber to the base station as control information, at the base station, an estimate of the dominant direction of signal propagation is received on the return channel from the subscriber station, and information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction.
На каждом периоде быстрой обработки сигнала Т2 на абонентской станции возможна оценка только значения разности фаз между компонентами сигнала, принятыми с различных доминантных направлений распространения сигнала, полученные оценки квантуют и передают по обратному каналу на базовую станцию в качестве кратковременной контрольной информации, при этом на базовой станции получают оценки разности фаз и передают информационный сигнал абонентской станции в М доминантных направлениях распространения сигнала, устанавливая значения разности фаз между компонентами сигнала, передаваемыми в различных направлениях, в соответствии с полученными оценками, таким образом, чтобы максимизировать мощность сигнала в точке приема.At each period of fast processing of the T 2 signal at the subscriber station, only the phase difference between the signal components received from different dominant signal propagation directions can be estimated, the obtained estimates are quantized and transmitted along the reverse channel to the base station as short-term control information, while on the base stations receive phase difference estimates and transmit the information signal of the subscriber station in M dominant signal propagation directions, setting the separation values and phase between the signal components transmitted in different directions in accordance with the estimates obtained, so as to maximize the signal power at the receiving point.
Сопоставительный анализ первого и второго вариантов способа направленной передачи с обратной связью с прототипом показывает, что предлагаемые решения существенно отличаются от прототипа, так как позволяет повысить пропускную способность системы связи за счет улучшения основных параметров направленной передачи: скорости слежения за изменениями пространственного канала связи и достоверности передачи контрольной информации.A comparative analysis of the first and second variants of the directional transmission method with feedback from the prototype shows that the proposed solutions differ significantly from the prototype, as it allows to increase the throughput of the communication system by improving the main parameters of the directional transmission: the tracking speed of changes in the spatial communication channel and the reliability of transmission control information.
Сопоставительный анализ заявляемых первого и второго вариантов способа с другими техническими решениями в данной области техники не позволил выявить признаки, заявленные в отличительной части формулы изобретения. Следовательно, заявляемый способ направленной передачи с обратной связью отвечает критериям "новизна", "техническое решение задачи", "существенные отличия" и обладает неочевидностью решения.A comparative analysis of the claimed first and second variants of the method with other technical solutions in the art did not reveal the features claimed in the characterizing part of the claims. Therefore, the claimed method of directional transmission with feedback meets the criteria of "novelty", "technical solution of the problem", "significant differences" and has a non-obvious solution.
Для пояснения сущности предлагаемого решения приводятся следующие графические материалы:To clarify the essence of the proposed solution, the following graphic materials are given:
Фиг.1,а - иллюстрация предлагаемого способа направленной передачи.Figure 1, a is an illustration of the proposed method of directional transmission.
Фиг.1,b - иллюстрация соотношения между длинным и коротким временными интервалами.Figure 1, b is an illustration of the relationship between long and short time intervals.
Фиг.2 - структура передатчика базовой станции при первом варианте оценки доминантных направлений.Figure 2 - structure of the transmitter of the base station in the first embodiment of the assessment of dominant directions.
Фиг.3 - структура приемника абонентской станции.Figure 3 - structure of the receiver of the subscriber station.
Фиг.4 - функциональная схема блока медленной обработки сигнала при первом способе оценки доминантных направлений.4 is a functional diagram of a block of slow signal processing in the first method for assessing dominant directions.
Фиг.5 - функциональная схема узла оценки канала связи.Figure 5 is a functional diagram of a communication channel estimation node.
Фиг.6 - иллюстрация процесса оценивания (предсказания) по первому варианту быстрой обработки сигнала.6 is an illustration of the estimation (prediction) process of the first embodiment of fast signal processing.
Фиг.7 - пример диаграмм направленности пилот-сигналов.7 is an example of the radiation patterns of the pilot signals.
Фиг.8 - структура передатчика базовой станции при втором варианте оценки доминантных направлений.Fig - the structure of the transmitter of the base station in the second version of the assessment of dominant directions.
Фиг.9 - функциональная схема блока медленной обработки сигнала при втором способе оценки доминантных направлений.Fig.9 is a functional block diagram of the slow signal processing in the second method for assessing dominant directions.
Фиг.10 - характеристики помехоустойчивости.Figure 10 - noise immunity characteristics.
Фиг.11 - результаты моделирования в условиях неидеального канала обратной связи.11 - simulation results in a non-ideal feedback channel.
Фиг.12 - результаты моделирования в условиях, максимально приближенных к реальным условиям сотовой системы связи 3GPP.Fig - simulation results in conditions as close as possible to the real conditions of the cellular communication system 3GPP.
Фиг.13 - вариант временной диаграммы работы предлагаемого способа.Fig is a variant of the timing diagram of the proposed method.
Фиг.14 - конвейерная организация алгоритма медленной обработки.Fig - conveyor organization of the algorithm for slow processing.
Фиг.15 - способ снижения необходимого количества ненаправленных пилот-сигналов.Fig - a method of reducing the required number of omnidirectional pilots.
Предлагаемый способ состоит в том, что абонентская станция оценивает доминантные (преобладающие) пространственные направления прямого канала связи (от базовой станции к абонентской), соответствующие наибольшим значениям коэффициента передачи мощности сигнала. Полученную информацию о доминантных пространственных направлениях абонентская станция передает на базовую станцию.The proposed method consists in the fact that the subscriber station estimates the dominant (prevailing) spatial directions of the direct communication channel (from the base station to the subscriber), corresponding to the highest values of the signal power transmission coefficient. The subscriber station transmits the received information about the dominant spatial directions to the base station.
В первом варианте способа направленной передачи с обратной связью базовая станция передает сигнал абонентской станции, переключая направление передачи сигнала между доминантными направлениями, выбирая направление с максимальным на текущий момент коэффициентом передачи.In the first version of the feedback directional transmission method, the base station transmits a signal to the subscriber station, switching the direction of signal transmission between the dominant directions, choosing the direction with the maximum transmission coefficient at the moment.
Способ направленной передачи с обратной связью по первому варианту заключается в том, чтоThe directional feedback feedback method of the first embodiment is that
- с базовой станции посредством передатчика передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности на основе контрольной информации, получаемой от абонентской станции по каналу обратной связи,- from the base station through the transmitter transmit the information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern based on the control information received from the subscriber station via the feedback channel,
- при этом на базовой и абонентской станциях осуществляют медленную и быструю обработку сигнала, причем медленную обработку сигнала выполняют периодически с периодом T1, а быструю обработку сигнала выполняют периодически с периодом T2, при этом T2 меньше T1,- while at the base and subscriber stations carry out slow and fast signal processing, and the slow signal processing is performed periodically with a period of T 1 and fast signal processing is performed periodically with a period of T 2 , while T 2 is less than T 1 ,
- периодически с периодом медленной обработки сигнала T1 на абонентской станции оценивают пространственный канал связи между базовой и абонентской станциями, причем данную оценку осуществляют с использованием пилот-сигналов, которые формируют посредством передатчика базовой станции и передают помимо информационного сигнала,- periodically with a period of slow signal processing T 1 at the subscriber station, the spatial communication channel between the base and subscriber stations is evaluated, and this assessment is carried out using pilot signals that are generated by the base station transmitter and transmitted in addition to the information signal,
- оценивают пространственные направления распространения сигнала от базовой станции к абонентской станции,- evaluate the spatial directions of signal propagation from the base station to the subscriber station,
- выбирают М доминантных направлений распространения сигнала из указанных оцененных пространственных направлений, которые характеризуются наибольшей принимаемой энергией сигнала,- choose M dominant signal propagation directions from the indicated estimated spatial directions, which are characterized by the highest received signal energy,
- полученные М оценок доминантных направлений распространения сигнала упорядочивают, квантуют, подвергают помехоустойчивому кодированию, формируя, таким образом, последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала,- the obtained M estimates of the dominant directions of signal propagation are ordered, quantized, subjected to error-correcting coding, thus forming a sequence of ordered estimates of M dominant directions of signal propagation,
- последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве долговременной контрольной информации,- a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is transmitted via a reverse channel from a subscriber to a base station as long-term control information,
- на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала, декодируют их и запоминают в том порядке, в котором они были приняты,- at the base station, a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is received on the return channel from the subscriber station, they are decoded and stored in the order in which they were received,
на каждом периоде быстрой обработки сигнала T2 на абонентской станцииat each period of fast signal processing T 2 at the subscriber station
- оценивают энергию сигнала, соответствующую каждому из М доминантных направлений распространения сигнала, оценки которых уже переданы на базовую станцию,- evaluate the signal energy corresponding to each of the M dominant signal propagation directions, estimates of which have already been transmitted to the base station,
- оценивают значение энергии принимаемого сигнала на следующем периоде быстрой обработки для каждого из М доминантных направлений распространения сигнала, используя для этого оценки энергии сигнала, сформированные на нескольких предыдущих периодах быстрой обработки,- evaluate the energy value of the received signal in the next period of fast processing for each of the M dominant directions of signal propagation, using for this assessment of the signal energy generated on several previous periods of fast processing,
- определяют наилучшее направление для передачи сигнала как доминантное направление распространения сигнала, которому соответствует максимальное оцененное значение энергии сигнала, и номер этого направления в упорядоченной последовательности оценок М доминантных направлений распространения сигнала передают по обратному каналу на базовую станцию в качестве кратковременной контрольной информации - на базовой станции принимают порядковый номер наилучшего направления для передачи сигнала и передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении.- determine the best direction for signal transmission as the dominant signal propagation direction, which corresponds to the maximum estimated signal energy value, and the number of this direction in an ordered sequence of estimates of M dominant signal propagation directions is transmitted via the reverse channel to the base station as a short-term control information - at the base station receive the serial number of the best direction for transmitting the signal and transmit the information signal to the subscribers second station to form a radiation pattern with a maximum in this direction.
При этом базовая станция может либо принимать порядковый номер наилучшего направления для передачи сигнала и передать информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении, либо базовая станция может принимать порядковый номер наилучшего направления для передачи сигнала и передавать основную часть мощности информационного сигнала абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении, а остальную часть мощности равномерно распределять для передачи в остальных М минус 1 доминантных направлениях.In this case, the base station can either receive the serial number of the best direction for transmitting the signal and transmit the information signal to the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction, or the base station can receive the serial number of the best direction for transmitting the signal and transmit the bulk of the power of the subscriber information signal stations, forming a radiation pattern with a maximum in this direction, and evenly distribute the rest of the power for transfers in the remaining M minus 1 dominant directions.
Оценку М доминантных направлений распространения сигнала от базовой к абонентской станции относительно антенной решетки базовой станции выполняют на абонентской станции, например, на основании приема пилот-сигналов, переданных с различных антенных элементов антенной решетки базовой станции и известной конфигурации антенной решетки, либо на основании приема К пилот-сигналов, передаваемых с базовой станции с различными диаграммами направленности.Evaluation of M dominant directions of signal propagation from the base station to the subscriber station relative to the antenna array of the base station is performed at the subscriber station, for example, based on the reception of pilot signals transmitted from various antenna elements of the antenna array of the base station and the known configuration of the antenna array, or based on reception K pilot signals transmitted from a base station with different radiation patterns.
При М, равном 1, на мобильной станции полученную одну оценку доминантного направления распространения сигнала квантуют и передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве контрольной информации, на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции оценку доминантного направления распространения сигнала и передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении.When M is 1, at the mobile station, one obtained estimate of the dominant direction of signal propagation is quantized and transmitted over the return channel from the subscriber to the base station as control information, at the base station, an estimate of the dominant direction of signal propagation is received on the return channel from the subscriber station, and information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction.
Во втором варианте способа направленной передачи базовая станция передает сигнал абонентской станции одновременно во всех доминантных направлениях, устанавливая разность фаз между ними, обеспечивающую когерентное сложение соответствующих компонент сигнала в точке приема.In the second variant of the directional transmission method, the base station transmits a signal to the subscriber station simultaneously in all dominant directions, setting the phase difference between them, ensuring coherent addition of the corresponding signal components at the receiving point.
Способ направленной передачи с обратной связью по второму варианту заключается в том, чтоThe feedback directional transmission method of the second embodiment is that
- с базовой станции посредством передатчика передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности на основе контрольной информации, получаемой от абонентской станции по каналу обратной связи,- from the base station through the transmitter transmit the information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern based on the control information received from the subscriber station via the feedback channel,
- при этом на базовой и абонентской станциях осуществляют медленную и быструю обработку сигнала, причем медленную обработку сигнала выполняют периодически с периодом T1, а быструю обработку сигнала выполняют периодически с периодом T2, при этом T2 меньше T1,- while at the base and subscriber stations carry out slow and fast signal processing, and the slow signal processing is performed periodically with a period of T 1 and fast signal processing is performed periodically with a period of T 2 , while T 2 is less than T 1 ,
- периодически с периодом медленной обработки сигнала Т1 на абонентской станции,- periodically with a period of slow processing of the signal T 1 at the subscriber station,
- оценивают пространственный канал связи между базовой и абонентской станциями, причем данную оценку осуществляют с использованием пилот-сигналов, которые формируют посредством передатчика базовой станции и передают помимо информационного сигнала,- evaluate the spatial communication channel between the base and subscriber stations, and this assessment is carried out using pilot signals that are generated by the transmitter of the base station and transmit in addition to the information signal,
- оценивают пространственные направления распространения сигнала от базовой станции к абонентской станции,- evaluate the spatial directions of signal propagation from the base station to the subscriber station,
- выбирают М доминантных направлений распространения сигнала из указанных оцененных пространственных направлений, которые характеризуются наибольшей принимаемой энергией сигнала,- choose M dominant signal propagation directions from the indicated estimated spatial directions, which are characterized by the highest received signal energy,
- полученные М оценок доминантных направлений распространения сигнала упорядочивают, квантуют, подвергают помехоустойчивому кодированию, формируя таким образом последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала,- received M estimates of the dominant directions of signal propagation are ordered, quantized, subjected to noise-resistant coding, thereby forming a sequence of ordered estimates of M dominant directions of signal propagation,
- последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве долговременной контрольной информации,- a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is transmitted via a reverse channel from a subscriber to a base station as long-term control information,
- на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции последовательность упорядоченных оценок М доминантных направлений распространения сигнала, декодируют их и запоминают в том порядке, в котором они были приняты,- at the base station, a sequence of ordered estimates of M dominant signal propagation directions is received on the return channel from the subscriber station, they are decoded and stored in the order in which they were received,
на каждом периоде Т2 быстрой обработки сигнала на абонентской станцииon each period T 2 fast signal processing at the subscriber station
- оценивают значения отношений амплитуд и разностей фаз между компонентами сигнала, принятыми с различных доминантных направлений распространения сигнала,- evaluate the values of the relations of amplitudes and phase differences between the signal components, adopted from various dominant directions of signal propagation,
- полученные оценки квантуют и передают по обратному каналу на базовую станцию в качестве кратковременной контрольной информации,- the resulting estimates are quantized and transmitted over the reverse channel to the base station as short-term control information,
на базовой станции получают оценки значений отношений амплитуд и разностей фаз и передают информационный сигнал абонентской станции в М доминантных направлениях распространения сигнала, устанавливая значения отношений амплитуд и разностей фаз между компонентами сигнала, передаваемыми в различных направлениях, в соответствии с полученными оценками, таким образом, чтобы максимизировать мощность сигнала в точке приема.at the base station, estimates of the values of the ratios of the amplitudes and phase differences are obtained and the information signal of the subscriber station is transmitted in the M dominant directions of signal propagation, setting the values of the ratios of the amplitudes and phase differences between the signal components transmitted in different directions in accordance with the obtained estimates, so that Maximize signal strength at the receiving point.
Оценку М доминантных направлений распространения сигнала от базовой к абонентской станции относительно антенной решетки базовой станции выполняют на абонентской станции, например, на основании приема пилот-сигналов, переданных с различных антенных элементов антенной решетки базовой станции и известной конфигурации антенной решетки, или на основании приема К пилот-сигналов, передаваемых с базовой станции с различными диаграммами направленности.Evaluation of M dominant directions of signal propagation from the base station to the subscriber station relative to the antenna array of the base station is performed at the subscriber station, for example, based on the reception of pilot signals transmitted from various antenna elements of the antenna array of the base station and the known antenna array configuration, or based on reception K pilot signals transmitted from a base station with different radiation patterns.
При М, равном 1, на мобильной станции полученную одну оценку доминантного направления распространения сигнала квантуют и передают по обратному каналу от абонентской к базовой станции в качестве контрольной информации, на базовой станции получают по обратному каналу от абонентской станции оценку доминантного направления распространения сигнала и передают информационный сигнал абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении.When M is 1, at the mobile station, one obtained estimate of the dominant direction of signal propagation is quantized and transmitted over the return channel from the subscriber to the base station as control information, at the base station, an estimate of the dominant direction of signal propagation is received on the return channel from the subscriber station, and information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction.
На каждом периоде быстрой обработки сигнала Т2 на абонентской станции возможна оценка только значения разности фаз между компонентами сигнала, принятыми с различных доминантных направлений распространения сигнала, полученные оценки квантуют и передают по обратному каналу на базовую станцию в качестве кратковременной контрольной информации, при этом на базовой станции получают оценки разности фаз и передают информационный сигнал абонентской станции в М доминантных направлениях распространения сигнала, устанавливая значения разности фаз между компонентами сигнала, передаваемыми в различных направлениях, в соответствии с полученными оценками, таким образом, чтобы максимизировать мощность сигнала в точке приема.At each period of fast processing of the T 2 signal at the subscriber station, only the phase difference between the signal components received from different dominant signal propagation directions can be estimated, the obtained estimates are quantized and transmitted along the reverse channel to the base station as short-term control information, while on the base stations receive phase difference estimates and transmit the information signal of the subscriber station in M dominant signal propagation directions, setting the separation values and phase between the signal components transmitted in different directions in accordance with the estimates obtained, so as to maximize the signal power at the receiving point.
Заявляемый способ использует оценивание доминантных (преобладающих) пространственных направлений распространения сигнала от базовой станции к абонентской станции, соответствующих наибольшим значениям коэффициента передачи мощности сигнала.The inventive method uses the estimation of the dominant (prevailing) spatial directions of signal propagation from the base station to the subscriber station, corresponding to the highest values of the signal power transmission coefficient.
На Фиг.1,а проиллюстрирована ситуация, в которой сигнал распространяется от базовой станции к абонентской станции по двум лучам, обусловленным наличием двух отражающих объектов. Этим лучам соответствуют два доминантных угловых направления θ1 и θ2 распространения сигнала относительно антенной решетки базовой станции. Вследствие перемещения абонентской станции набор этих направлений изменяется в процессе сеанса связи. Вместе с тем вследствие замираний изменяются коэффициенты передачи сигнала связи в направлениях θ1 и θ2. Поэтому при направленной передаче необходимо следить как за набором доминантных направлений, так и за наилучшим на текущий момент направлением передачи из набора доминантных направлений.Figure 1, a illustrates the situation in which the signal propagates from the base station to the subscriber station in two beams, due to the presence of two reflective objects. Two dominant angular directions θ 1 and θ 2 of the signal propagation relative to the antenna array of the base station correspond to these rays. Due to the movement of the subscriber station, the set of these directions changes during the communication session. However, due to fading, the transmission coefficients of the communication signal in the directions θ 1 and θ 2 change. Therefore, with directional transmission, it is necessary to monitor both the set of dominant directions and the currently best transmission direction from the set of dominant directions.
Набор направлений θ1 и θ2 изменяется относительно медленно и может служить долговременной контрольной информацией о канале связи. Поэтому оценка и передача этой относительно стабильной информации на базовую станцию выполняются на относительно длинном временном интервале T1, который представляет собой период медленной обработки сигнала. Объем данной информации оказывается небольшим и, что существенно, не зависит от числа антенных элементов. Например, при представлении угла θ 5-ю битами и использовании двух доминантных направлений объем долговременных данных составляет лишь 10 бит.The set of directions θ 1 and θ 2 changes relatively slowly and can serve as long-term control information about the communication channel. Therefore, the evaluation and transmission of this relatively stable information to the base station is performed on a relatively long time interval T 1 , which is a period of slow signal processing. The volume of this information is small and, significantly, does not depend on the number of antenna elements. For example, when representing the angle θ with 5 bits and using two dominant directions, the amount of long-term data is only 10 bits.
Предлагаемое изобретение может использоваться в различных системах радиосвязи, но для удобства описания далее будем рассматривать его применение в системе связи по перспективному стандарту 3GPP.The present invention can be used in various radio communication systems, but for the convenience of description, we will further consider its use in a communication system according to the promising 3GPP standard.
В системе связи 3GPP данные передаются с использованием фреймового формата: 1 фрейм составляет 10 мс или 15 слотов по 0.6667 мс. Для передачи данных обратной связи в системе 3GPP выделен 1 бит в каждом слоте. В этих условиях при передаче долговременных данных со скоростью 1 бит/фрейм длительность длинного временного интервала составит T1=10 фреймов.In a 3GPP communication system, data is transmitted using a frame format: 1 frame is 10 ms or 15 slots of 0.6667 ms each. For the transmission of feedback data in the 3GPP system, 1 bit is allocated in each slot. Under these conditions, when transmitting long-term data at a speed of 1 bit / frame, the length of the long time interval will be T 1 = 10 frames.
После того, как набор доминантных направлений передан на базовую станцию, ей достаточно сообщить только номер наилучшего направления передачи на текущий момент времени, который служит кратковременной контрольной информацией о канале связи. Поэтому выбор наилучшего направления и передача соответствующего номера на базовую станцию выполняются на более коротком временном интервале T2, который представляет период быстрой обработки сигнала. При двух доминантных направлениях для передачи номера наилучшего направления требуется 1 бит. В системе 3GPP длительность короткого интервала составит Т2≈1 слот.After a set of dominant directions has been transmitted to the base station, it is enough to tell her only the number of the best transmission direction at the current time, which serves as a short-term control information about the communication channel. Therefore, the selection of the best direction and transmission of the corresponding number to the base station is performed on a shorter time interval T 2 , which represents a period of fast signal processing. With two dominant directions, 1 bit is required to transmit the best direction number. In the 3GPP system, the short interval duration will be T 2 ≈1 slot.
Фиг.1,b иллюстрирует соотношение между периодами медленной и быстрой обработки сигнала. При этом T1/T2=150.1b illustrates the relationship between periods of slow and fast signal processing. Moreover, T 1 / T 2 = 150.
Для повышения надежности передачи долговременных данных по обратному контрольному каналу можно их дополнительно закодировать с помощью помехоустойчивого кода. Например, для кодирования долговременной информации можно использовать известный блочный код БЧХ (см., например, Прокис Дж. «Цифровая связь», М., Радио и связь, 2000, стр. 372-375 [10]). Для того чтобы с помощью кода БЧХ можно было исправить, например, до трех ошибок в принятых данных, необходимо к 10 битам долговременных данных добавить 15 проверочных бит. То есть суммарный объем долговременной информации с учетом ее кодирования составит 25 бит. При этом длинный временной интервал составит T1=25 фреймов.To increase the reliability of the transmission of long-term data on the reverse control channel, they can be additionally encoded using an error-correcting code. For example, to encode long-term information, you can use the well-known block-frequency BCH code (see, for example, Prokis J. “Digital Communications”, M., Radio and Communications, 2000, pp. 372-375 [10]). In order to correct, for example, up to three errors in the received data using the BCH code, it is necessary to add 15 check bits to 10 bits of long-term data. That is, the total amount of long-term information, taking into account its encoding, will be 25 bits. In this case, the long time interval will be T 1 = 25 frames.
Временная диаграмма при наиболее простом последовательном выполнении функций предлагаемого алгоритма представлена на Фиг.13, где приняты обозначения: ДИ, КИ - долговременная и кратковременная контрольная информация, соответственно.The timing diagram for the simplest sequential execution of the functions of the proposed algorithm is presented in Fig. 13, where the notation is accepted: CI, CI - long-term and short-term control information, respectively.
Время, затрачиваемое на формирование долговременной информации на абонентской станции (МС) и на ее пересылку на БС, приводит к задержке между оценкой доминантных направлений и их использованием для направленной передачи. В частности, это приводит к начальной временной задержке, примерно равной Тнач=T1+Т1. Здесь первое слагаемое Т1 - длительность формирования ДИ (период медленной обработки сигнала). Второе слагаемое T1 соответствует времени передачи ДИ. В эту сумму не включено время распространения сигнала τ, которое мало по сравнению с остальными слагаемыми.The time spent on the formation of long-term information at a subscriber station (MS) and its transmission to the BS leads to a delay between the estimation of dominant directions and their use for directional transmission. In particular, this leads to an initial time delay of approximately equal to T beg = T 1 + T 1 . Here, the first term T 1 is the duration of the formation of CI (period of slow signal processing). The second term T 1 corresponds to the transmission time of the CI. This sum does not include the propagation time of the signal τ, which is small compared with the other terms.
Существенно, что начальная задержка Тнач имеет место только в начале алгоритма (см. Фиг.13). В течение этого периода информационный сигнал для данной МС может, например, передаваться равнонаправленно, то есть без использования направленной передачи.It is significant that the initial delay T beg takes place only at the beginning of the algorithm (see Fig.13). During this period, the information signal for a given MS can, for example, be transmitted uniformly, that is, without using directional transmission.
В одном из вариантов реализации прототипа величина задержки долговременной информации Тнач≈2·640=1280 фрейма. В упомянутом выше варианте реализации предлагаемого решения Тнач≈2·10=20 фреймов (или 200 мс), если не применяется кодирование долговременной контрольной информации, и Тнач≈2·25=50 фреймов (или 500 мс), если применяется кодирование долговременной контрольной информации.In one of the options for implementing the prototype, the delay value of long-term information T beg ≈2 · 640 = 1280 frames. In the aforementioned implementation option of the proposed solution, T beg ≈2 · 10 = 20 frames (or 200 ms) if the coding of long-term control information is not applied, and T beg ≈2 · 25 = 50 frames (or 500 ms) if the coding of long-term control information.
Поскольку пространственные направления распространения сигнала меняются относительно медленно (время жизни пространственных направлений распространения радиосигнала составляет, как правило, не менее 1 сек), задержка долговременной информации в установившемся режиме не приводит к ухудшению характеристик предлагаемого способа.Since the spatial directions of the propagation of the signal change relatively slowly (the lifetime of the spatial directions of the propagation of the radio signal is usually at least 1 second), the delay of long-term information in the steady state does not lead to a deterioration in the characteristics of the proposed method.
Однако описанная выше реализация алгоритма медленной обработки является не единственно возможной. Возможны и другие ее варианты в рамках предлагаемого изобретения. Например, задержку долговременной информации в предлагаемом способе можно значительно уменьшить за счет применения конвейерной организации алгоритма медленной обработки. Реализация этого принципа на примере двух (М равно 2) доминантных направлений представлена на Фиг.14. Основная идея здесь заключается в том, что обновление долговременной контрольной информации происходит постепенно, т.е. вместо того, чтобы обновлять одновременно все М доминантных направлений с помощью одного большого блока ДИ (как в предыдущем случае), М доминантных направлений обновляют по очереди. Сначала обновляют 1-е доминантное направление, затем 2-е,..., М-е направление, затем снова 1-е направление и т.д. Для этого оценку М доминантных направлений осуществляют на перекрывающихся интервалах. При этом величина перекрытия соответствует длительности передачи по обратному каналу одного доминантного направления. Вновь получаемые оценки М доминантных направлений соотносят с М доминантными направлениями, которые уже переданы и хранятся на БС. В результате выбирают одно доминантное направление, которым замещают подлежащее обновлению доминантное направление, хранящееся на БС.However, the implementation of the slow processing algorithm described above is not the only possible one. Its other options are possible in the framework of the invention. For example, the delay of long-term information in the proposed method can be significantly reduced due to the application of the pipeline organization of the slow processing algorithm. The implementation of this principle on the example of two (M equals 2) dominant directions is presented in Fig. 14. The main idea here is that the updating of long-term control information occurs gradually, i.e. instead of updating simultaneously all M dominant directions using one large block of MDIs (as in the previous case), M dominant directions are updated in turn. First, the 1st dominant direction is updated, then the 2nd, ..., Mth direction, then again the 1st direction, etc. To do this, the assessment of M dominant directions is carried out at overlapping intervals. In this case, the overlap value corresponds to the duration of transmission on the return channel of one dominant direction. The newly obtained estimates of M dominant directions are correlated with M dominant directions that are already transmitted and stored on the BS. As a result, one dominant direction is selected, which replaces the dominant direction stored on the BS to be updated.
Пусть, например, интервал передачи каждого доминантного направления составляет 9 фреймов (5 бит полезной информации и 4 избыточных бита при использовании кодирования), т.е. 90 мс. Соответственно время оценивания набора доминантных направлений 2·90=180 мс и, соответственно, время задержки долговременной информации 2·90+90=270 мс. Таким образом, задержку долговременной информации удалось снизить почти в два раза по сравнению с первым способом реализации алгоритма медленной обработки.Let, for example, the transmission interval of each dominant direction be 9 frames (5 bits of useful information and 4 redundant bits when using encoding), i.e. 90 ms Accordingly, the estimation time for a set of dominant directions is 2 · 90 = 180 ms and, accordingly, the delay time of long-term information is 2 · 90 + 90 = 270 ms. Thus, the delay in long-term information was almost halved compared to the first method for implementing the slow processing algorithm.
Наиболее чувствительным к задержке является алгоритм кратковременной обработки. Из-за быстрых замираний сигнала коэффициент передачи сигнала в каждом из доминантных направлений (которые сами изменяются очень медленно) может быстро меняться. Поэтому для получения наибольшего выигрыша от применения предлагаемого способа направленной передачи нужно минимизировать задержку в слежении за наилучшим направлением передачи (интервал времени между моментами начала оценки наилучшего направления передачи и началом направленной передачи сигнала в этом направлении). В общем случае задержка алгоритма кратковременной обработки складывается из длительности короткого временного интервала Т2 и задержки на распространение сигнала от БС к МС. Ввиду относительной малости последней обычно можно пренебречь (Фиг.13). За время короткого временного интервала производятся оценка текущего наилучшего направления передачи, формирование и передача соответствующей кратковременной контрольной информации на БС. При М равном 2 в случае системы связи 3GPP интервал кратковременной информации равен длительности одного слота (0.667 ms) и является достаточно небольшим. Эффективность слежения за наилучшим пространственным направлением в предлагаемом изобретении дополнительно повышается за счет предсказания наилучшего направления передачи на основе предшествующих его оценок, которое в большинстве случаев позволяет практически полностью устранить задержку в алгоритме кратковременной обработки.The most sensitive to delay is the short-term processing algorithm. Due to the fast fading of the signal, the transmission coefficient of the signal in each of the dominant directions (which themselves change very slowly) can change rapidly. Therefore, to obtain the greatest gain from the application of the proposed method of directional transmission, it is necessary to minimize the delay in monitoring the best direction of transmission (the time interval between the moments of the beginning of the estimation of the best direction of transmission and the beginning of directional signal transmission in this direction). In the general case, the delay in the short-term processing algorithm is the sum of the duration of the short time interval T 2 and the delay in the propagation of the signal from the BS to the MS. Due to the relative smallness of the latter, one can usually neglect (Fig. 13). During a short time interval, the current best transmission direction is evaluated, and the corresponding short-term control information is generated and transmitted to the BS. When M is 2, in the case of the 3GPP communication system, the interval of short-term information is equal to the duration of one slot (0.667 ms) and is quite small. The efficiency of tracking the best spatial direction in the present invention is further enhanced by predicting the best transmission direction based on its previous estimates, which in most cases can almost completely eliminate the delay in the short-term processing algorithm.
Базовая станция принимает и запоминает набор доминантных направлений θ1 и θ2. При первом варианте алгоритма быстрой обработки на каждом из коротких временных интервалов T2 базовая станция получает номер наилучшего направления передачи и формирует информационный сигнал для данного пользователя в этом направлении. Фактически базовая станция передает сигнал абонентской станции, периодически переключая направление передачи сигнала между доминантными направлениями, выполняя, таким образом, слежение за предпочтительным направлением передачи сигнала.The base station receives and stores a set of dominant directions θ 1 and θ 2 . In the first version of the fast processing algorithm for each of the short time intervals T 2, the base station receives the number of the best transmission direction and generates an information signal for this user in this direction. In fact, the base station transmits a signal to the subscriber station, periodically switching the direction of signal transmission between the dominant directions, thereby monitoring the preferred direction of signal transmission.
Однако возможен и другой способ передачи сигнала базовой станции на каждом коротком временном интервале. Согласно этому способу на каждом из коротких временных интервалов T2 базовая станция получает номер наилучшего направления передачи и передает основную часть мощности информационного сигнала абонентской станции, формируя диаграмму направленности с максимумом в данном направлении, а остальную часть мощности передает, распределяя в остальных М минус 1 доминантных направлениях. Данный способ может иметь преимущество благодаря большей устойчивости к ошибкам определения доминантных направлений на мобильной станции и к ошибкам в канале обратной связи.However, another way is possible to transmit the signal to the base station at each short time interval. According to this method, at each of the short time intervals T 2, the base station receives the number of the best transmission direction and transmits the main part of the power of the information signal of the subscriber station, forming a radiation pattern with a maximum in this direction, and transfers the rest of the power, distributing the remaining M minus 1 dominant directions. This method may have an advantage due to its greater resistance to errors in determining dominant directions at a mobile station and to errors in a feedback channel.
Второй вариант алгоритма быстрой обработки сигнала заключается в том, что с БС передают сигнал одновременно по всем доминантным направлениям, устанавливая между амплитудами и фазами компонент сигнала, передаваемых в различных направлениях, соотношения, обеспечивающие максимальную мощность сигнала в точке приемаThe second variant of the fast signal processing algorithm is that BS transmits the signal simultaneously in all dominant directions, setting the ratios between the amplitudes and phases of the signal components transmitted in different directions, ensuring the maximum signal power at the receiving point
Второй вариант обеспечивает высокую эффективность направленной передачи в случае, когда многолучевые компоненты неразрешимы по времени, то есть имеют близкие значения временных задержек. В этом случае замирания в канале связи являются преимущественно плоскими.The second option provides high efficiency directional transmission in the case when the multipath components are insoluble in time, that is, they have close values of the time delays. In this case, fading in the communication channel is predominantly flat.
При реализации предлагаемого способа второй вариант быстрой обработки используют наряду с первым вариантом для повышения эффективности направленной передачи. Это осуществляют, например, следующим образом. В процессе оценивания канала связи на абонентской станции сравнивают значения мощностей многолучевых компонент. Если относительная доля мощности максимального луча не превышает некоторый порог, (например, 90%), то выполняют первый вариант алгоритма быстрой обработки. В противном случае выполняют второй вариант. При этом сообщают базовой станции о выбранном режиме, добавляя в каждый пакет с долговременной информацией один бит, значение которого соответствует одному из двух режимов передачи.When implementing the proposed method, the second fast processing option is used along with the first option to increase the efficiency of directional transmission. This is carried out, for example, as follows. In the process of evaluating the communication channel at the subscriber station, the power values of the multipath components are compared. If the relative fraction of the maximum beam power does not exceed a certain threshold (for example, 90%), then the first version of the fast processing algorithm is performed. Otherwise, perform the second option. At the same time, the base station is informed about the selected mode, adding one bit to each packet with long-term information, the value of which corresponds to one of two transmission modes.
Заявляемый способ предусматривает два варианта оценки доминантных направлений распространения сигнала: 1) на основании приема ненаправленных (передаваемых во всем рабочем угловом секторе) пилот-сигналов, передаваемых с различных антенных элементов антенной решетки базовой станции и известной конфигурации антенной решетки, и 2) на основании приема К пилот-сигналов, передаваемых с базовой станции с различными диаграммами направленности.The inventive method provides two options for assessing the dominant directions of signal propagation: 1) based on the reception of non-directional (transmitted throughout the working angular sector) pilot signals transmitted from various antenna elements of the antenna array of the base station and the known configuration of the antenna array, and 2) based on the reception K pilot signals transmitted from a base station with different radiation patterns.
Возможный способ реализации предполагаемого изобретения представлен применительно к системе стандарта 3GPP при использовании на базовой станции четырехэлементной антенной решетки.A possible way to implement the alleged invention is presented in relation to the 3GPP standard system when using a four-element antenna array at the base station.
Рассмотрим первый вариант оценки доминантных направлений (ненаправленные пилот-сигналы).Consider the first option for assessing dominant directions (non-directional pilot signals).
Обобщенная структура передатчика базовой станции при первом варианте оценки доминантных направлений представлена на Фиг.2.The generalized transmitter structure of the base station in the first version of the assessment of dominant directions is presented in Figure 2.
Передатчик базовой станции содержит блок формирования физического канала данных 1, перемножители 2-5, сумматоры 8-11, формирователь весов направленной передачи 6, генератор пилот-сигналов 12, блок приема обратного канала и выделения информации обратной связи 7. Выход блока формирования физического канала данных 1 соединен с первым входом каждого из перемножителей 2-5, второй вход каждого из перемножителей 2-5 соединен с соответствующим выходом формирователя весов направленной передачи 6. Выход каждого из перемножителей 2-5 соединен с первым входом соответствующего ему сумматора 8-11. Второй вход каждого из сумматоров 8-11 соединен с соответствующим выходом генератора пилот-сигналов 12. Выход каждого сумматора соединен с соответствующей ему антенной. Вход формирователя весов направленной передачи 6 соединен с выходом блока приема обратного канала и выделения информации обратной связи 7.The base station transmitter comprises a physical data
На Фиг.2 для простоты представлен канал формирования сигнала только одного пользователя. Для других пользователей используются идентичные каналы, каждый из которых состоит из блока формирования физического канала данных 1, четырех перемножителей 2-5 и формирователя весов направленной передачи 6.2, for simplicity, a signal conditioning channel of only one user is shown. For other users, identical channels are used, each of which consists of a block for the formation of a
Сигнал абонентской станции, передаваемый в выделенном для него физическом канале данных, формируется в соответствующем блоке формирования физического канала данных 1 и поступает одновременно на первый вход каждого из четырех перемножителей 2, 3, 4, 5. На второй вход каждого из перемножителей 2-5 поступает соответствующий весовой коэффициент направленной передачи, предварительно сформированный в формирователе весов направленной передачи 6. На вход формирователя весов направленной передачи 6 поступает информация о доминантных направлениях и наилучшем направлении передачи, сформированная в блоке приема обратного канала и выделения информации обратной связи 7. В формирователе весов направленной передачи 6 осуществляется медленная и быстрая обработка сигнала.The signal of the subscriber station transmitted in the physical data channel allocated for it is generated in the corresponding block for the formation of the
Сигнал с выхода каждого из перемножителей 2-5 подается на первый вход соответствующего сумматора 8-11. На второй вход каждого из сумматоров 8-11 поступает пилот-сигнал соответствующей передающей антенны с генератора пилот-сигналов 12. В стандарте 3GPP это сигнал одного из общих пилот-каналов. Выходной сигнал каждого из сумматоров 8-11 поступает в канал соответствующей передающей антенны А1,...,А4. На Фиг.2 не показаны блоки обработки сигнала на радиочастоте.The signal from the output of each of the multipliers 2-5 is fed to the first input of the corresponding adder 8-11. On the second input of each of the adders 8-11 receives the pilot signal of the corresponding transmitting antenna from the
На Фиг.3 представлен вариант структуры приемника абонентской станции. Приемник абонентской станции состоит из приемника информационного сигнала 13, блока медленной обработки сигнала 14, блока быстрой обработки сигнала 15 и формирователя сообщения обратной связи 16. Входной сигнал х поступает одновременно на вход приемника информационного сигнала 13, блока медленной обработки сигнала 14 и блока быстрой обработки сигнала 15. Выход блока медленной обработки сигнала соединен со вторым входом блока быстрой обработки сигнала 15 и первым входом формирователя сообщения обратной связи 16. Выход блока быстрой обработки сигнала 15 соединен со вторым входом формирователя сообщения обратной связи 16, с выхода которого сигнал поступает на передатчик абонентской станции.Figure 3 presents a variant of the receiver structure of the subscriber station. The receiver of the subscriber station consists of an
Приемник информационного сигнала 13 осуществляет обычные операции, необходимые для выделения информации, поступающей на абонентскую станцию в процессе сеанса связи. В блоке медленной обработки сигнала 14 формируются оценки доминантных направлений. Эти оценки поступают на второй вход блока быстрой обработки сигнала 14, а также на вход формирователя сообщения обратной связи 16. В блоке быстрой обработки сигнала 15 формируется оценка наилучшего направления направленной передачи, которая поступает на второй вход формирователя сообщения обратной связи 16. Формирователь сообщения обратной связи 16 формирует информационные символы сообщения обратной связи, которые поступают в передатчик абонентской станции для передачи их на базовую станцию по обратному каналу.The receiver of the
Вариант функциональной схемы блока медленной обработки сигнала 14 при первом способе оценки доминантных направлений представлен на Фиг.4. Блок медленной обработки сигнала 14 содержит узел оценки канала связи 17, узел оценки доминантных направлений распространения сигнала 18, узел памяти 19.A variant of the functional diagram of the slow
Блок медленной обработки сигнала 14 выполняет оценку канала связи с помощью узла оценки канала связи 17, вариант выполнения которого представлен на фиг.5. Узел оценки канала связи 17 состоит из набора квадратурных корреляторов 20-1-20-R, элемента формирования векторов оценок канала 21 и генератора копий пилот-сигналов 22. При этом сигналы с выходов корреляторов 20-1-20-R поступают на входы элемента формирования векторов оценок канала 21, а управляющий сигнал с выхода данного элемента формирования векторов оценок канала 21 поступает на вход генератора копий пилот-сигналов 22, сигналы с выхода генератора копий пилот-сигналов 22 поступают на опорные входы квадратурных корреляторов 20-1-20-R. Функциональная схема квадратурного коррелятора описана, например, в Andrew J.Viterbi "CDMA Principles of Spread Spectrum Communication". Addison-Wesley Wireless Communications Series, p.p.41-42 [11].The slow
В элементе формирования векторов оценок канала 21 обнаруживают L наиболее мощных многолучевых компонент (или лучей) входного сигнала и оценивают их временные задержки. Способы обнаружения сигнала и временной синхронизации описаны, например, в [11] на стр. 39-48. Максимальное число обнаруживаемых лучей часто определяется ограничениями на сложность приемника. Например, это может быть 4, то есть L меньше или равно 4. Затем с помощью квадратурных корреляторов 20-1-20-R и генератора копий пилот-сигналов 22 оценивают комплексную огибающую hl,n каждого из 4-х пилот-сигналов (n=1,...,4) для каждого временного луча (l=1,...,L):In the element of forming the vector of estimates of
где и - значения синфазной и квадратурной составляющих корреляции между входным сигналом и n-м опорным пилот-сигналом с l-м значением временной задержки, . Набор значений hl,n образует вектор оценок пространственного канала для l-го временного лучаWhere and - the values of the in-phase and quadrature components of the correlation between the input signal and the nth reference pilot signal with the l-th value of the time delay, . The set of values h l, n forms a vector of spatial channel estimates for the l-th time ray
Формирование вектора оценок пространственного канала повторяют на каждом из последовательных подынтервалов длинного временного интервала. Таким подынтервалом может быть, например, короткий временной интервал Т2. Сформированные векторы оценок пространственного канала h1,...,hL поступают на вход функционального узла оценки доминантных направлений 18.The formation of the vector of spatial channel estimates is repeated on each of the successive sub-intervals of a long time interval. Such a sub-interval may be, for example, a short time interval T 2 . The generated estimation channel vectors of the spatial channel h 1 , ..., h L go to the input of the functional unit for estimating
Работать узел оценки доминантных направлений 18 может по различным алгоритмам оценки угловых направлений распространения сигнала относительно антенной решетки базовой станции (см., например, [8]).The node for evaluating the
Рассмотрим способ, описанный в [8], который заключается в выполнении следующей последовательности операций.Consider the method described in [8], which consists in performing the following sequence of operations.
Формируют ковариационную матрицу канала связи для каждого из L лучей (l=1,...,L):The covariance matrix of the communication channel is formed for each of the L rays (l = 1, ..., L):
где hl(k) - вектор оценок пространственного канала, сформированный на k-м подынтервале длинного временного интервала;where h l (k) is the spatial channel estimation vector generated at the kth subinterval of a long time interval;
(.)H - знак комплексного сопряжения и транспонирования.(.) H is the sign of complex conjugation and transposition.
Формируют ковариационную матрицу канала связи, суммируя матрицы Rl:The covariance matrix of the communication channel is formed by summing the matrices R l :
Определяют N собственных векторов и соответствующих собственных значений ковариационной матрицы R.Define N eigenvectors and corresponding eigenvalues covariance matrix R.
Выбирают D сигнальных собственных векторов. При этом возможны два способа выбора:Select D signal eigenvectors. There are two possible ways of choosing:
1) Заранее определяют D, выбирают D наибольших собственных значений и соответствующие собственные векторы рассматривают, как сигнальные.1) D is determined in advance, D is selected with the largest eigenvalues, and the corresponding eigenvectors are considered as signal ones.
2) Все собственные значения сравнивают с порогом Thresh. Максимальное собственное значение и значения, превышающие порог, и соответствующие собственные векторы рассматривают как сигнальные. Порог формируют, например, по минимальному собственному значению: Thresh=αmin(λi), , где α - некоторое число.2) All eigenvalues are compared with the Thresh threshold. The maximum eigenvalue and values exceeding the threshold, and the corresponding eigenvectors are considered as signal ones. The threshold is formed, for example, by the minimum eigenvalue: Thresh = αmin (λ i ), , where α is a certain number.
Остальные N-D наименьших собственных чисел рассматривают как шумовые. Из соответствующих им шумовых собственных векторов формируют матрицуThe remaining N-D smallest eigenvalues are considered noise. A matrix is formed from the corresponding noise eigenvectors
Формируют решающую функцию в соответствии с выражениемThe crucial function is formed in accordance with the expression
где w(θ)=[w1(θ), w2(θ),..., w4(θ)]Т - вектор весовых коэффициентов антенной решетки базовой станции, соответствующий угловому направлению 9 распространения сигнала.where w (θ) = [w 1 (θ), w 2 (θ), ..., w 4 (θ)] T is the vector of weight coefficients of the antenna array of the base station, corresponding to the
Выбирают D локальных максимумов решающей функции Р(θ) и определяют соответствующие углы .D local maxima of the decision function P (θ) are selected and the corresponding angles are determined .
Выбирают М доминантных направлений распространения сигнала. Для этого для каждого из углов оценивают мощность сигнала, принятого с этого направления по формулеChoose M dominant signal propagation directions. For this, for each of the corners estimate the power of the signal received from this direction according to the formula
где hl(k) - вектор оценок пространственного канала для l-го временного луча на k-м подынтервале длинного временного интервала T1;where h l (k) is the vector of spatial channel estimates for the l-th time ray at the k-th subinterval of the long time interval T 1 ;
К - полное число подынтервалов в длинном временном интервале.K is the total number of sub-intervals in a long time interval.
Формируют оценки М доминантных направлений как углы θi, которым соответствует М наибольших оценок мощности pj.Estimates of M dominant directions are formed as angles θ i , to which corresponds M the largest estimates of power p j .
Если М больше D, то угол с наибольшей оценкой мощности используется повторно как недостающая оценка доминантного направления. Сформированные оценки доминантных направлений θ1,...,θM, квантуют.If M is greater than D, then the angle with the highest power rating is reused as the missing estimate of the dominant direction. The generated estimates of the dominant directions θ 1 , ..., θ M are quantized.
В случае реализации первого варианта быстрой обработки сигнала в блоке быстрой обработки сигнала 15 на каждом k-м подынтервале оценивают суммарную мощность всех L многолучевых компонент сигнала, принятую с каждого из М доминантных направлений, информация о которых уже передана на базовую станцию:In the case of the implementation of the first variant of fast signal processing in the block of fast signal processing 15 at each k-th sub-interval, the total power of all L multipath signal components received from each of the M dominant directions, information about which has already been transmitted to the base station, is estimated:
Используя оценки мощности m-го доминантного направления на S предыдущих подынтервалах pm(k-S+1),...,pm(k), оценивают (прогнозируют) значение для следующего k+1-го подынтервала методом экстраполяции (см. фиг.6). Данный процесс повторяют для всех углов θm, .Using estimates of the power of the mth dominant direction on the S previous subintervals p m (k-S + 1), ..., p m (k), the value for the next k + 1st subinterval is estimated (predicted) by extrapolation (see 6). This process is repeated for all angles θ m , .
Угол, соответствующий наибольшему прогнозируемому значению принимаемой мощности, принимают за оценку наилучшего направления для передачи сигнала.The angle corresponding to the largest predicted value of the received power is taken as an estimate of the best direction for signal transmission.
Для повышения эффективности направленной передачи наряду с первым может быть использован второй вариант быстрой обработки.To increase the efficiency of directional transmission, along with the first one, the second fast processing option can be used.
Это осуществляют, например, следующим образом. В процессе оценивания канала связи на абонентской станции оценивают значения мощностей L разрешимых по времени многолучевых компонент:This is carried out, for example, as follows. In the process of evaluating the communication channel at the subscriber station, the values of the power L of the time-resolved multipath components are evaluated:
Оценивают относительную часть мощности максимального лучаThe relative part of the maximum beam power is estimated
Определяют порог для относительной части мощности максимального луча, например δ0 равно 0.9, и сравнивают с ним величину δ.The threshold is determined for the relative part of the maximum beam power, for example, δ 0 is 0.9, and the value δ is compared with it.
Если δ меньше δ0, то выполняют первый вариант алгоритма быстрой обработки, если δ больше или равно δ0, то выполняют второй вариант алгоритма быстрой обработки.If δ is less than δ 0 , then the first version of the fast processing algorithm is executed, if δ is greater than or equal to δ 0 , then the second version of the fast processing algorithm is executed.
При этом один бит информации обратной связи используют для того, чтобы сообщить базовой станции о выбранном варианте. Этот бит передают, например, в начале каждого пакета с долговременной информацией.In this case, one bit of feedback information is used to inform the base station of the selected option. This bit is transmitted, for example, at the beginning of each packet with long-term information.
При выполнении второго варианта алгоритма быстрой обработки в блоке быстрой обработки 15 выполняют следующие операции.When the second variant of the fast processing algorithm is executed, the following operations are performed in the
Формируют вектор оценок пространственного канала h для наиболее сильного временного луча.A vector of spatial channel estimates h is formed for the strongest temporal ray.
Рассчитывают комплексные амплитуды сигналов уm, , соответствующие М доминантным направлениям распространения сигнала с помощью, например, следующих выражений:Calculate the complex amplitudes of the signals at m , corresponding to M dominant signal propagation directions using, for example, the following expressions:
Оценивают отношения амплитуд сигналов к наибольшей амплитуде сигналаEstimate the ratio of signal amplitudes to the largest signal amplitude
Оценивают значение разности фаз между каждым сигналом и сигналом, соответствующим первому доминантному направлениюThe value of the phase difference between each signal and the signal corresponding to the first dominant direction is estimated
где arg(х) - аргумент комплексного числа х;where arg (x) is the argument of a complex number x;
(х)* - число, комплексно сопряженное х.(x) * is the complex conjugate of x.
Значения Δm и/или Δφm поступают на выход блока быстрой обработки сигнала 15. С выхода блока быстрой обработки сигнала 15 полученные значения отношений амплитуд и разностей фаз поступают на вход формирователя сообщения обратной связи 16, где их квантуют и передают на базовую станцию.Δ m and / or Δφ m arrive at the output of the fast
На базовой станции передают сигнал одновременно в М доминантных направлениях, причем амплитуду передаваемого сигнала в каждом из М направлений устанавливают пропорционально полученным по обратному каналу соотношениям амплитуд. При этом наибольшая амплитуда сигнала передается в доминантном направлении с наибольшим коэффициентом передачи, а наименьшая - направлении с наименьшим коэффициентом передачи.At the base station, a signal is transmitted simultaneously in M dominant directions, and the amplitude of the transmitted signal in each of the M directions is set proportionally to the amplitude ratios obtained on the return channel. In this case, the largest signal amplitude is transmitted in the dominant direction with the highest transmission coefficient, and the smallest - in the direction with the lowest transmission coefficient.
Фазы сигналов, передаваемых в М доминантных направлениях кроме первого, поворачивают соответственно на величины -Δφm, , то есть таким образом, чтобы передаваемые сигналы в точке приема сложились по возможности синфазно.The phases of the signals transmitted in M dominant directions except the first, are rotated by -Δφ m , respectively , that is, in such a way that the transmitted signals at the receiving point are as common as possible.
Предпочтительный вариант реализации предлагаемого изобретения соответствует случаю М равно 2. При М, равном 2, алгоритм быстрой обработки по второму варианту предпочтительно выполнять в соответствии с алгоритмами разнесенной передачи с замкнутой петлей из стандарта 3GPP режима 1 и режима 2 (см. [6]). При этом в качестве входных сигналов для этих алгоритмов на мобильной станции должны использоваться сигналы у1 и у2, формируемые с помощью выражения (11). Т.е. указанные алгоритмы разнесенной передачи используются для максимизации суммы сигналов, пришедших в точку приема по различным доминантным направлениям распространения, вместо сигналов, переданных разнесенными антеннами, как в случае стандарта 3GPP.A preferred embodiment of the present invention corresponds to the case M is 2. When M is 2, the fast processing algorithm of the second embodiment is preferably performed in accordance with closed loop diversity transmission algorithms from the 3GPP
В алгоритме разнесенной передачи режима 1 на мобильной станции определяют только разность фаз между двумя входными сигналами. Эту разность фаз квантуют на два возможных значения. Поэтому для передачи кратковременной информации на базовую станцию требуется всего один бит. Соответственно кратковременный интервал составляет всего 1 слот прямого канала 3GPP.In the
В алгоритме разнесенной передачи режима 2 на мобильной станции разность фаз двух входных сигналов квантуется на большее число значений, а кроме того, рассчитывают и квантуют амплитудное соотношение между двумя сигналами. Поэтому для передачи кратковременной информации на базовую станцию используется 4 бита. Соответственно кратковременный интервал составляет 4 слота прямого канала 3GPP.In the
При реализации второго варианта оценки доминантных направлений базовая станция передает К пилот-сигналов, формируя для каждого из них диаграмму направленности с максимумом в соответствующем направлении и соответствующей угловой ширины, таким образом, чтобы "покрыть" всю область углового рабочего сектора базовой станции (см. Фиг.7).When implementing the second variant of the estimation of dominant directions, the base station transmits K pilot signals, forming for each of them a radiation pattern with a maximum in the corresponding direction and the corresponding angular width, so as to "cover" the entire area of the angular working sector of the base station (see Fig. .7).
Структура передатчика базовой станции при втором варианте оценки доминантных направлений распространения сигнала представлена на Фиг.8.The structure of the transmitter of the base station in the second version of the assessment of the dominant directions of signal propagation is presented in Fig. 8.
Передатчик базовой станции содержит блок формирования физического канала данных 1, перемножители 2-5, сумматоры 8-11, формирователь весов направленной передачи 6, генератор пилот-сигналов 12, блок приема обратного канала и выделения информации обратной связи 7, формирователь диаграмм направленности 23. Выход блока формирования физического канала данных 1 соединен с первым входом каждого из перемножителей 2-5, второй вход каждого из перемножителей 2-5 соединен с соответствующим выходом формирователя весов направленной передачи 6. Выход каждого из перемножителей 2-5 соединен с первым входом соответствующего ему сумматора 8-11. Второй вход каждого из сумматоров 8-11 соединен с соответствующим выходом формирователя диаграмм направленности 23, входы которого соединены с соответствующими выходами генератора пилот-сигналов 12. Выход каждого из сумматоров 8-11 соединен с соответствующей ему антенной А1-А4. Пятый выход формирователя весов направленной передачи 6 соединен с входом блока приема обратного канала и выделения информации 7.The base station transmitter comprises a physical data
На Фиг.8 для простоты представлен канал формирования сигнала только одного пользователя. Для других пользователей используются идентичные каналы, каждый из которых представлен блоком формирования физического канала данных 1, четырьмя перемножителями 2-5 и формирователем весов направленной передачи 6. Блоки обработки сигнала на радиочастоте также не показаны на Фиг.8 из соображений простоты.8, for simplicity, a signal conditioning channel of only one user is shown. For other users, identical channels are used, each of which is represented by a physical data
Пилот-сигналы, сформированные в генераторе пилот-сигналов 12, поступают на вход формирователя диаграмм направленности 23, где каждый из них в канале каждой антенны перемножается с соответствующим весовым коэффициентом, после чего результаты перемножения, соответствующие одной и той же антенне, суммируются и поступают на выход формирователя диаграмм направленности 23. Выходные сигналы формирователя диаграмм направленности 23 поступают на входы сумматоров соответствующих антенн.The pilot signals generated in the
Данный вариант оценки доминантных направлений распространения сигнала может быть реализован на базе той же структуры приемника абонентской станции (Фиг.3). Функциональная схема блока медленной обработки сигнала 14 в этом случае может быть выполнена так, как представлено на Фиг.9.This option for assessing the dominant directions of signal propagation can be implemented based on the same receiver structure of the subscriber station (Figure 3). The functional block circuit of the
Блок медленной обработки состоит из набора R квадратурных корреляторов, элемента оценки мощности пилот-сигналов 24, генератора копий пилот-сигналов 22 и элемента формирования оценок доминантных направлений 25. При этом сигналы с выходов корреляторов 20-1-20-R поступают на входы элемента оценки мощности пилот-сигналов 24, а с первого выхода данного элемента оценки мощности пилот-сигналов 24 управляющий сигнал поступает на вход генератора копий пилот-сигналов 22, с выхода которого сформированные копии пилот-сигналов поступают на опорные входы квадратурных корреляторов 20-1-20-R. Сигналы с выходов оценки мощности P(θ1),...,Р(θK) элемента оценки мощности пилот-сигналов 24 поступают на вход элемента формирования оценок доминантных направлений 25. Функциональную схему квадратурного коррелятора см., например, в Andrew J.Viterbi "CDMA Principles of Spread Spectrum Communication". Addison-Wesley Wireless Communications Series, p.p.41-42.The slow processing unit consists of a set of R quadrature correlators, an element for estimating the power of pilot signals 24, a generator of copies of the pilot signals 22, and an element for generating estimates of
В элементе оценки мощности пилот-сигналов 24 обнаруживают и оценивают задержки каждой из L наиболее мощных многолучевых компонент (или временных лучей) сигнала. Способы оценивания представлены, например, в [11] стр. 39-48. Максимальное число обнаруживаемых лучей определяется ограничениями на сложность приемника. Например, это может быть 4, то есть L меньше или равна 4. Затем оценивают мощность рl,k, каждого из К пилот-сигналов (k=1,...,К) для каждого временного луча (l=1,...,L):In the power estimation element of the pilot signals 24, delays of each of the L most powerful multipath components (or time beams) of the signal are detected and evaluated. Evaluation methods are presented, for example, in [11] p. 39-48. The maximum number of rays detected is determined by the restrictions on the complexity of the receiver. For example, it can be 4, that is, L is less than or equal to 4. Then, the power p l, k of each of the K pilot signals (k = 1, ..., K) is estimated for each time beam (l = 1 ,. .., L):
где и - синфазная и квадратурная составляющие корреляции между входным сигналом и k-м пилот-сигналом с l-м значением временной задержки, формируемые в квадратурном корреляторе 20. Мощность пилот-сигнала, принятого с направления θk, оценивается, какWhere and - in-phase and quadrature components of the correlation between the input signal and the k-th pilot signal with the l-th time delay value generated in the
В элементе формирования оценок доминантных направлений набор значений P(θk) рассматривают как функцию угла θk.In the element of forming estimates of dominant directions, the set of values of P (θ k ) is considered as a function of the angle θ k .
Определяют М доминантных направлений, например, как значения θk, соответствующие М локальным максимумам функции. Возможны и другие способы определения М доминантных направлений. Например, сначала определяют доминантное направление, которому соответствует максимум функции Р(θk). Затем модифицируют функцию Р(θk), исключая из нее найденный максимум и значения в некоторой окрестности найденного максимума. Ширина исключаемой области определяется угловой разрешающей способностью антенной решетки. Затем определяют максимум модифицированной функции и соответствующее ему направление распространения берут в качестве второго доминантного направления. Описанную процедуру повторяют до тех пор, пока не будут определены все М доминантных направлений.M dominant directions are determined, for example, as θ k values corresponding to M local function maxima. Other methods for determining M dominant directions are also possible. For example, first determine the dominant direction, which corresponds to the maximum of the function P (θ k ). Then modify the function P (θ k ), excluding from it the found maximum and values in some neighborhood of the found maximum. The width of the excluded region is determined by the angular resolution of the antenna array. Then, the maximum of the modified function is determined and the corresponding propagation direction is taken as the second dominant direction. The described procedure is repeated until all M dominant directions are determined.
На выход блока медленной обработки сигнала 14 поступают номера n1,...,nM соответствующих пилот-сигналов.The output of the slow
При реализации первого варианта быстрой обработки в блоке быстрой обработки 15 определяют наилучшее направление для передачи сигнала на каждом коротком временном интервале. Для этого оценивают значения мощности пилот-сигналов, соответствующих доминантным направлениям, информация о которых уже передана на БС:When implementing the first fast processing option, the
Выбирают пилот-сигнал с максимальной мощностью. Номер этого пилот-сигнала в последовательности М пилот-сигналов, уже переданных на базовой станции, передают на базовую станцию в течение короткого временного интервала T2.Select a pilot signal with maximum power. The number of this pilot in the sequence of M pilot signals already transmitted at the base station is transmitted to the base station for a short time interval T 2 .
Для повышения эффективности направленной передачи наряду с первым может быть использован второй вариант быстрой обработки.To increase the efficiency of directional transmission, along with the first one, the second fast processing option can be used.
Это осуществляют, например, следующим образом. В процессе оценивания канала связи на абонентской станции определяют суммарную мощность пилот-сигналов, соответствующую каждому из L временных лучей.This is carried out, for example, as follows. In the process of evaluating the communication channel at the subscriber station, the total power of the pilot signals corresponding to each of the L time beams is determined.
Сравнивают мощности . Оценивают относительную часть мощности наиболее сильного лучаCompare power . The relative part of the power of the strongest beam is estimated
Определяют порог для относительной части мощности наиболее сильного луча, например δ0 равно 0.9, и сравнивают с ним величину δ.A threshold is determined for the relative part of the power of the strongest beam, for example, δ 0 is 0.9, and the quantity δ is compared with it.
Если δ больше или равно δ0, то выполняют второй вариант алгоритма быстрой обработки, если δ меньше δ0, то выполняют первый вариант алгоритма быстрой обработки.If δ is greater than or equal to δ 0 , then the second version of the fast processing algorithm is executed, if δ is less than δ 0 , then the first version of the fast processing algorithm is executed.
При этом один бит информации обратной связи используют для того, чтобы сообщить базовой станции о выбранном варианте. Например, один бит, представляющий номер варианта, добавляют в начале каждого пакета долговременной информации. В случае реализации второго варианта быстрой обработки в блоке быстрой обработки 15 выполняют следующие операции.In this case, one bit of feedback information is used to inform the base station of the selected option. For example, one bit representing the option number is added at the beginning of each packet of long-term information. In the case of the implementation of the second variant of fast processing in the
Рассчитывают комплексные амплитуды сигналов уm, , соответствующие М доминантным направлениям распространения сигнала, например, следующим образом:Calculate the complex amplitudes of the signals at m , corresponding to M dominant signal propagation directions, for example, as follows:
где и - синфазное и квадратурное значения корреляции между входным сигналом и копией n-го пилот-сигнала со значением временной задержки наиболее сильного луча.Where and - in-phase and quadrature correlation values between the input signal and the copy of the nth pilot signal with the time delay value of the strongest beam.
Оценивают отношения амплитуд сигналов к наибольшей амплитуде сигналаEstimate the ratio of signal amplitudes to the largest signal amplitude
Оценивают значение разности фаз между каждым сигналом и сигналом, соответствующим первому доминантному направлениюThe value of the phase difference between each signal and the signal corresponding to the first dominant direction is estimated
где arg(х) - аргумент комплексного числа х;where arg (x) is the argument of a complex number x;
(х)* - число, комплексно сопряженное х.(x) * is the complex conjugate of x.
Значения Δm и/или Δφm поступают на выход блока быстрой обработки сигнала 15. С выхода блока быстрой обработки сигнала 15 полученные значения отношений амплитуд и разностей фаз поступают на вход формирователя сообщения обратной связи 16, где их квантуют и передают на базовую станцию.Δ m and / or Δφ m arrive at the output of the fast
На базовой станции передают сигнал одновременно в М доминантных направлениях, при этом амплитуду передаваемого сигнала в каждом из М направлений устанавливают пропорционально полученным по обратному каналу соотношениям амплитуд. При этом наибольшая амплитуда сигнала передается в доминантном направлении с наибольшим коэффициентом передачи, а наименьшая - в направлении с наименьшим коэффициентом передачи.At the base station, a signal is transmitted simultaneously in M dominant directions, while the amplitude of the transmitted signal in each of the M directions is set proportionally to the amplitude ratios obtained on the return channel. In this case, the largest signal amplitude is transmitted in the dominant direction with the highest transmission coefficient, and the smallest - in the direction with the lowest transmission coefficient.
Фазы сигналов, передаваемых в М доминантных направлениях кроме первого, поворачивают соответственно на величины -Δφm, , то есть таким образом, чтобы передаваемые сигналы в точке приема сложились по возможности синфазно.The phases of the signals transmitted in M dominant directions except the first, are rotated by -Δφ m , respectively , that is, in such a way that the transmitted signals at the receiving point are as common as possible.
Предпочтительный вариант реализации предлагаемого изобретения соответствует случаю М равно 2. При М, равном 2, алгоритм быстрой обработки по второму варианту предпочтительно выполнять в соответствии с алгоритмами разнесенной передачи с замкнутой петлей из стандарта 3GPP режима 1 и режима 2 (см. [6]). При этом в качестве входных сигналов для этих алгоритмов на мобильной станции должны использоваться сигналы у1 и у2, формируемые с помощью выражения (11). Т.е. указанные алгоритмы разнесенной передачи используются для максимизации суммы сигналов, пришедших в точку приема по различным доминантным направлениям распространения, вместо сигналов, переданных разнесенными антеннами, как в случае стандарта 3GPP.A preferred embodiment of the present invention corresponds to the case M is 2. When M is 2, the fast processing algorithm of the second embodiment is preferably performed in accordance with closed loop diversity transmission algorithms from the 3GPP
В алгоритме разнесенной передачи режима 1 на мобильной станции определяют только разность фаз между двумя входными сигналами. Эту разность фаз квантуют на два возможных значения. Поэтому для передачи кратковременной информации на базовую станцию требуется всего один бит. Соответственно кратковременный интервал составляет всего 1 слот прямого канала 3GPP.In the
В алгоритме разнесенной передачи режима 2 на мобильной станции разность фаз двух входных сигналов квантуется на большее число значений, а кроме того, рассчитывают и квантуют амплитудное соотношение между двумя сигналами. Поэтому для передачи кратковременной информации на базовую станцию используются 4 бита. Соответственно кратковременный интервал составляет 4 слота прямого канала 3GPP.In the
Для повышения точности оценивания количество пилот-сигналов необходимо увеличивать. Однако ресурсы пилот каналов в любой системе, в том числе и 3GPP, являются ограниченными.To increase the accuracy of estimation, the number of pilot signals must be increased. However, the resources of the pilot channels in any system, including 3GPP, are limited.
При использовании направленных пилот-сигналов для решения этой проблемы может быть использовано временное мультиплексирование направления, в котором передается каждый пилот-сигнал. Например, можно передать К пилот-сигналов в 2*К-направлениях путем изменения направления передачи каждого пилот-сигнала в двух последовательных слотах. При этом на абонентской станции должен быть известен способ мультиплексирования.When using directional pilots to solve this problem, temporary multiplexing of the direction in which each pilot signal is transmitted can be used. For example, it is possible to transmit K pilot signals in 2 * K directions by changing the transmission direction of each pilot signal in two consecutive slots. In this case, the method of multiplexing should be known at the subscriber station.
В случае использования ненаправленных пилот-сигналов проблема их ограниченного количества может быть также решена, например, следующим образом.In the case of using non-directional pilot signals, the problem of their limited number can also be solved, for example, as follows.
В общем случае для оценивания канала связи с каждой антенны должен передаваться соответствующий пилот-сигнал. Однако предлагаемое изобретение отличается тем, что использует только наиболее важную информацию о канале распространения - доминантные направления распространения сигнала.In the general case, to evaluate the communication channel, an appropriate pilot signal should be transmitted from each antenna. However, the present invention is characterized in that it uses only the most important information about the distribution channel — the dominant signal propagation directions.
Для оценивания доминантных направлений распространения сигнала можно использовать антенную решетку с меньшим количеством антенных элементов. Это означает, что БС может передавать пилот-сигналы не с каждого антенного элемента, а, например, только с нескольких центральных антенных элементов. Благодаря использованию на МС алгоритма оценивания угла прихода с высокой разрешающей способностью (например, MUSIC) точность оценки доминантных направлений распространения сигнала даже при использовании антенной решетки с меньшим количеством антенных элементов будет достаточно высокой.To assess the dominant directions of signal propagation, you can use an antenna array with fewer antenna elements. This means that the BS can transmit pilot signals not from each antenna element, but, for example, only from a few central antenna elements. Due to the use on the MS of an algorithm for estimating the angle of arrival with high resolution (for example, MUSIC), the accuracy of estimating the dominant directions of signal propagation even when using an antenna array with a smaller number of antenna elements will be quite high.
Рассмотрим описанный выше принцип применительно к восьмиэлементной антенной решетке. При этом для оценивания доминантных направлений можно использовать четыре центральных элемента решетки, то есть пилот-сигналы передавать с четырех центральных антенных элементов (см. Фиг.15). Направленная передача сигнала на БС осуществляется с использованием всех восьми элементов для того, чтобы сформировать наиболее узкий луч диаграммы направленности.Consider the principle described above with reference to an eight-element antenna array. At the same time, four central elements of the array can be used to evaluate dominant directions, that is, pilot signals can be transmitted from four central antenna elements (see Fig. 15). The directional signal transmission to the BS is carried out using all eight elements in order to form the narrowest beam of the radiation pattern.
Предложенный способ направленной передачи с обратной связью основан на непосредственном оценивании пространственного канала распространения сигнала и поэтому превосходит по эффективности аналогичные методы, основанные на оценивании угла прихода сигнала обратного канала (см., патент US#6347234. "Practical space-time radio method for CDMA communication capacity enhancement". Adaptive Telecom, Inc. (Campbell, CA), Metawave Communications Corporation (Redmond, WA). February 12, 2002 [12], а также [8]), так как гарантированно выбирает оптимальное направление распространения сигнала.The proposed feedback directional transmission method is based on direct estimation of the spatial signal propagation channel and therefore is superior in efficiency to similar methods based on estimating the angle of arrival of the return channel signal (see, US patent # 6347234. "Practical space-time radio method for CDMA communication capacity enhancement ". Adaptive Telecom, Inc. (Campbell, CA), Metawave Communications Corporation (Redmond, WA). February 12, 2002 [12], as well as [8]), as it is guaranteed to choose the optimal direction of signal propagation.
Предложенный способ эффективно ослабляет замирания сигнала, так как использует для передачи различные направления распространения, которые, как правило, соответствуют независимым путям распространения сигнала.The proposed method effectively reduces fading of the signal, as it uses various propagation directions for transmission, which, as a rule, correspond to independent signal propagation paths.
По сравнению с прототипом минимизируется уровень внутрисистемных помех, так как передача полезной мощности выполняется в узком пространственном направлении.Compared with the prototype, the level of intra-system interference is minimized, since the transfer of useful power is performed in a narrow spatial direction.
Предлагаемый способ может быть реализован в условиях канала обратной связи с низкой скоростью передачи, так как через него передается компактная и эффективная информация. Например, способ достаточно эффективен, если используются 2 доминантных направления, а угол θ представляется пятью битами. При этом объем медленно меняющихся данных составляет 10 бит, в то время как в прототипе для передачи двух собственных векторов требуется 54 бита при четырех передающих антеннах и представлении комплексного числа восемью битами.The proposed method can be implemented in the conditions of a feedback channel with a low transmission rate, since compact and efficient information is transmitted through it. For example, the method is quite effective if 2 dominant directions are used, and the angle θ is represented by five bits. The volume of slowly changing data is 10 bits, while the prototype requires 54 bits for transmitting two eigenvectors with four transmitting antennas and representing a complex number of eight bits.
При увеличении числа передающих антенн объем долговременной контрольной информации в прототипе увеличивается линейно, а для предлагаемого способа данный объем сохраняется либо увеличивается незначительно. Это свойство дает возможность увеличивать число передающих антенн без заметного увеличения объема данных, передаваемых по каналу обратной связи.With an increase in the number of transmitting antennas, the volume of long-term monitoring information in the prototype increases linearly, and for the proposed method, this volume is saved or increases slightly. This property makes it possible to increase the number of transmitting antennas without a noticeable increase in the amount of data transmitted over the feedback channel.
Малый объем долговременной контрольной информации позволяет передать ее с меньшей задержкой, вследствие чего предлагаемый способ обеспечивает быстрое слежение за параметрами канала распространения.A small amount of long-term control information allows you to transmit it with less delay, as a result of which the proposed method provides quick tracking of the parameters of the distribution channel.
Минимальный объем передаваемых данных дает преимущество в условиях неидеального канала обратной связи, который допускает определенную вероятность ошибки. Во-первых, при меньшем объеме блок передаваемых данных искажается с меньшей вероятностью. Во-вторых, небольшой объем позволяет применить кодирование медленно меняющихся данных и тем самым практически полностью исключить ошибки при передаче данных по каналу обратной связи.The minimum amount of transmitted data gives an advantage in conditions of an imperfect feedback channel, which allows a certain probability of error. Firstly, with a smaller volume, the block of transmitted data is less likely to be distorted. Secondly, a small amount allows you to apply the coding of slowly changing data and thereby almost completely eliminate errors when transmitting data via the feedback channel.
Предлагаемый алгоритм с периодичностью короткого временного интервала выполняет переключение между М доминантными направлениями. Для устранения влияния задержки обратной связи может быть использовано предсказание наилучшего направления передачи для следующего короткого временного интервала.The proposed algorithm with the frequency of a short time interval performs switching between M dominant directions. To eliminate the effect of feedback delay, prediction of the best transmission direction for the next short time interval can be used.
С целью оценки характеристик предлагаемого алгоритма было выполнено компьютерное моделирование. На Фиг.10 представлены зависимости битовой вероятности ошибки BER до декодера для следующих алгоритмов: для прототипа, по углу прихода обратного канала и предлагаемого решения. Условия моделирования: количество передающих антенн N равно 4, доплеровский сдвиг частоты - 50 Гц; канал распространения с двумя неразрешимыми по времени лучами, угловыми направлениями распространения сигнала -20 и +20 градусов и угловым расширением 3 градуса.In order to evaluate the characteristics of the proposed algorithm, computer simulation was performed. Figure 10 presents the dependencies of the bit probability of the BER error to the decoder for the following algorithms: for the prototype, the angle of return of the return channel and the proposed solution. Modeling conditions: the number of transmitting antennas N is 4, the Doppler frequency shift is 50 Hz; propagation channel with two time-insoluble rays, angular directions of signal propagation -20 and +20 degrees and angular expansion of 3 degrees.
Анализ представленной зависимости свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого способа в многолучевом канале. Например, на уровне BER 10% выигрыш предлагаемого способа относительно прототипа составляет примерно 2 дБ.Analysis of the presented dependence indicates the high efficiency of the proposed method in a multipath channel. For example, at the BER level of 10%, the gain of the proposed method relative to the prototype is approximately 2 dB.
Результаты моделирования в условиях неидеального канала обратной связи представлены на Фиг.11. Оцениваемым параметром здесь является мощность передачи базовой станции относительно уровня теплового шума. Кривые показывают, что при вероятности ошибки канала обратной связи более 4% выигрыш предлагаемого алгоритма относительно прототипа превышает 1.5 dB.The simulation results in a non-ideal feedback channel are presented in Fig.11. The estimated parameter here is the transmit power of the base station relative to the level of thermal noise. The curves show that when the probability of a feedback channel error of more than 4%, the gain of the proposed algorithm relative to the prototype exceeds 1.5 dB.
Сравнение эффективности предлагаемого способа и прототипа было также выполнено в условиях, максимально приближенных к реальным условиям прямого канала системы связи 3GPP. Моделировалось одно соединение (один сектор базовой станции и одна мобильная станция). В качестве помехи моделировался Гауссовский шум. Остальные параметры моделирования приведены в таблице.A comparison of the effectiveness of the proposed method and the prototype was also performed under conditions as close as possible to the real conditions of the direct channel of the 3GPP communication system. One connection was simulated (one sector of the base station and one mobile station). Gaussian noise was modeled as interference. The remaining simulation parameters are given in the table.
Параметры моделированияTable
Simulation parameters
Параметры предлагаемого способа при моделировании были следующими: М равно 2 (два доминантных направления), объем полезных долговременных данных равен 10 бит (5 бит на одно направление передачи), 15 избыточных бит (позволяет исправить до трех ошибок), общий объем долговременных данных (полезные данные плюс избыточные) равен 25 бит, интервал долговременно обработки равен 375 слотов, интервал кратковременной обработки равен 1 слоту (однобитная команда).The parameters of the proposed method during modeling were as follows: M is 2 (two dominant directions), the amount of useful long-term data is 10 bits (5 bits per transmission direction), 15 redundant bits (allows you to fix up to three errors), the total amount of long-term data (useful data plus redundant) is 25 bits, the long-term processing interval is 375 slots, the short-term processing interval is 1 slot (one-bit command).
Моделирование предлагаемого способа и прототипа было выполнено для четырехэлементной антенной решетки с расстоянием между элементами в половину длины волны.Modeling of the proposed method and prototype was performed for a four-element antenna array with a distance between the elements at half the wavelength.
Моделирование алгоритма разнесенной передачи с обратной связью (см. [6]) было выполнено для двух антенных элементов, разнесенных на десять длин волн.The simulation of the diversity transmission algorithm with feedback (see [6]) was performed for two antenna elements spaced at ten wavelengths.
В процессе моделирования оценивалось отношение суммарной (по всем антеннам) передаваемой мощности сигнала к дисперсии термального шума в канале связи. Это отношение обозначено как Тх ROT. Параметр Тх ROT является одной из наиболее важных характеристик способов передачи, поскольку через него непосредственно оценивается пропускная способность системы связи. Чем меньше значение Тх ROT, тем выше пропускная способность системы связи.During the simulation, the ratio of the total (over all antennas) transmitted signal power to the thermal noise dispersion in the communication channel was estimated. This ratio is designated as TX ROT. The TX ROT parameter is one of the most important characteristics of transmission methods, since through it the throughput of the communication system is directly estimated. The lower the TX ROT value, the higher the throughput of the communication system.
Параметр Тх ROT (дБ) был получен для 50 случайных реализаций канала распространения для каждой из трех возможных типов сред распространения (микросота, городская макросота, пригородная макросота) согласно модели пространственного канала распространения, разработанной группой стандартизации 3GPP/3GPP2.The Тх ROT parameter (dB) was obtained for 50 random implementations of the distribution channel for each of the three possible types of distribution media (microcell, urban macrocell, suburban macrocell) according to the spatial distribution channel model developed by the 3GPP / 3GPP2 standardization group.
На Фиг.12 приведена диаграмма, отображающая средние значения параметра Тх ROT рассматриваемых способов передачи, полученные для трех указанных выше типов среды распространения.12 is a diagram showing the average values of the TX ROT parameter of the transmission methods under consideration obtained for the three types of distribution medium indicated above.
Полученные результаты моделирования показывают, что предлагаемый способ обладает существенным выигрышем по параметру Тх ROT среди сравниваемых способов. Следовательно, за счет практической реализации предлагаемого способа пропускная способность системы связи будет существенно увеличена.The obtained simulation results show that the proposed method has a significant gain in the parameter Tx ROT among the compared methods. Therefore, due to the practical implementation of the proposed method, the throughput of the communication system will be significantly increased.
Полученная высокая эффективность предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом объясняется более полным использованием возможностей решетки с близкорасположенными элементами, направленной передачи с помощью таких решеток наиболее информативным параметром является направление передачи. Использование этого параметра позволяет значительно сократить объем передаваемых по обратному каналу контрольных данных. При этом антенная решетка реализует достаточно эффективное разнесение в многолучевом канале за счет адаптации направления передачи в соответствии с замираниями в канале связи.The obtained high efficiency of the invention in comparison with the prototype is explained by a more complete use of the capabilities of a lattice with closely spaced elements, directional transmission using such lattices, the most informative parameter is the direction of transmission. Using this parameter can significantly reduce the amount of control data transmitted on the return channel. In this case, the antenna array implements a fairly efficient diversity in the multipath channel by adapting the transmission direction in accordance with fading in the communication channel.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004116222/09A RU2278471C2 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | Method for directional transmission with check connection |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004116222/09A RU2278471C2 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | Method for directional transmission with check connection |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2278471C2 true RU2278471C2 (en) | 2006-06-20 |
Family
ID=36714295
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004116222/09A RU2278471C2 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | Method for directional transmission with check connection |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2278471C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460217C1 (en) * | 2011-07-26 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) | Method for synchronous data transmission with decision feedback and apparatus for realising said method |
RU2496231C1 (en) * | 2009-10-06 | 2013-10-20 | Интел Корпорейшн | Millimetre-wave communication station (versions) and method for multiple-access beamforming in communication network |
RU2570507C2 (en) * | 2009-12-24 | 2015-12-10 | Интел Корпорейшн | Method and system for improving stability of wireless link using spatial diversity |
RU2603969C2 (en) * | 2012-07-03 | 2016-12-10 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Device and method for random access in wireless communication system using beam formation |
-
2004
- 2004-05-31 RU RU2004116222/09A patent/RU2278471C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Advanced cloced loop Tx diversity concept (eigenbeamformer)". Siemens. TSGR#14(00)0853; "Description of the eigenbeamformer concept (update) and performance evaluation". Siemens. TSGR#19 R1-01-0203. * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2496231C1 (en) * | 2009-10-06 | 2013-10-20 | Интел Корпорейшн | Millimetre-wave communication station (versions) and method for multiple-access beamforming in communication network |
RU2570507C2 (en) * | 2009-12-24 | 2015-12-10 | Интел Корпорейшн | Method and system for improving stability of wireless link using spatial diversity |
RU2460217C1 (en) * | 2011-07-26 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) | Method for synchronous data transmission with decision feedback and apparatus for realising said method |
RU2603969C2 (en) * | 2012-07-03 | 2016-12-10 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Device and method for random access in wireless communication system using beam formation |
US10091820B2 (en) | 2012-07-03 | 2018-10-02 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for random access in wireless communication system using beamforming |
US10772131B2 (en) | 2012-07-03 | 2020-09-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for random access in wireless communication system using beamforming |
US11432336B2 (en) | 2012-07-03 | 2022-08-30 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for random access in wireless communication system using beamforming |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7359733B2 (en) | Beam synthesis method for downlink beamforming in FDD wireless communication system | |
US7949360B2 (en) | Method and apparatus for adaptively allocating transmission power for beam-forming combined with OSTBCs in a distributed wireless communication system | |
EP1366579B1 (en) | Method for controlling the weighting of a data signal in the at least two antenna elements of a radio connection unit, module and communications system | |
JP5432879B2 (en) | Method and apparatus for a multi-beam antenna system | |
EP0852407B1 (en) | Adaptive antenna | |
US7206607B2 (en) | Mobile communication apparatus and method including base station and mobile station having multi-antenna | |
JP4131702B2 (en) | Reduce interference using a simple antenna array | |
EP1087545A1 (en) | Downlink beamforming method | |
US7181246B2 (en) | Adaptive communications system and method | |
US7277730B2 (en) | Method of allocating radio resources in telecommunication system, and telecommunication system | |
JP2004501552A (en) | Beam forming method | |
US7403798B2 (en) | Wireless base system, and directivity control method | |
US7149547B2 (en) | Diversity transmission | |
WO2001069815A1 (en) | Method and apparatus for transmission, and method and system for communication | |
RU2278471C2 (en) | Method for directional transmission with check connection | |
Ogawa et al. | Advances in adaptive antenna technologies in Japan | |
Rao et al. | Channel Capacity with and without CSIT for different configurations of MIMO System | |
JP4260653B2 (en) | Transmitter for spatial multiplexing transmission | |
Roy et al. | Performance analysis of cellular CDMA in presence of beamforming and soft handoff | |
RU2262198C1 (en) | Signal transfer method and device for realization of said method | |
Friedlander et al. | Beamforming vs. transmit diversity in the downlink of a cellular communications system | |
Ozyildirim et al. | Performance of antenna arrays with joint fading reduction and interference suppression for CDMA mobile systems | |
RU2289203C2 (en) | Signal transfer method (variants) and device for realization thereof (variants) | |
Takatori et al. | Downlink Beam Forming Method for MIMO-SDMA Using STBC for Multipath Fading Environments | |
Koutalos et al. | Pilot signal effects on adaptive antenna arrays in FDD wideband CDMA |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180601 |