ES2336115T3 - Metodo y aparato en un sistema de comunicacion basado en mimo (entrada multiple salida multiple. - Google Patents
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Abstract
Un método de comunicación para usar en una red de comunicación basada en MIMO que implica varios terminales de usuario (R41,..., R4K; R51,..., R5K) que comunican con al menos un nodo transmisor (T4; T5), dicho nodo transmisor que comprende una pluralidad de antenas, cada uno de dichos terminales de usuario que comprende al menos una antena, dicho método que se caracteriza por: seleccionar un primer conjunto (R41; R51, R52) de terminales de usuario que comprende al menos un terminal de usuario, seleccionar un segundo conjunto (R42,..., R4K; R53,..., R5K) de terminales de usuario no comprendidos en el primer conjunto, adaptar los primeros parámetros de comunicación para el primer conjunto (R41; R51, R52) de terminales de usuario de acuerdo con un primer principio adecuable para optimizar la comunicación con el primer conjunto de terminales de usuario, adaptar los segundos parámetros de comunicación del segundo conjunto (R42,..., R4K; R53,..., R5K) de terminales de usuario de acuerdo con un segundo principio que es distinto del primer principio, en respuesta a los parámetros de comunicación seleccionados por el primer conjunto, transmitir al primer conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los primeros parámetros de comunicación y al segundo conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los segundos parámetros de comunicación.
Description
Método y aparato en un sistema de comunicación
basado en MIMO (Entrada Múltiple Salida Múltiple).
La presente invención se refiere a un método de
comunicación para uso en una red de comunicación basada en MIMO que
implica varios terminales de usuario que comunican con al menos un
nodo transmisor, dicho nodo transmisor que comprende una pluralidad
de antenas, cada uno de dichos terminales de usuario que comprende
al menos una antena. La invención también se refiere a un nodo
transmisor como se define en el preámbulo de la reivindicación 8 y
a una red de comunicación basada en MIMO como se define en el
preámbulo de la reivindicación 15.
Las soluciones que implican configuraciones de
antena de Entrada Múltiple Salida Múltiple (MIMO), en las que tanto
el transmisor como los receptores tienen múltiples antenas, están
siendo consideradas para usar en redes de comunicaciones
inalámbricas para mejorar el rendimiento del sistema en términos de
tasa de transmisión de datos de pico, cobertura y capacidad.
En el caso general, en tal sistema, tanto el
transmisor como los receptores tienen múltiples antenas. Esto
provoca una serie de posibles canales de radio, entre cada antena
transmisora y receptora. Se puede definir una matriz de canales H
para caracterizar todos los canales. Si se usan N antenas de
transmisión y M antenas de recepción el tamaño de la matriz de
canales H será M x N. H generalmente varía con el tiempo.
En el caso cuando el canal es conocido para el
receptor pero no para el transmisor, los datos se transmiten
uniformemente en todas las direcciones, y la capacidad del canal se
puede expresar como
donde N es el número de antenas en
el transmisor, p es la potencia de transmisión recibida total
dividida por la potencia de ruido en el lado de recepción, I es la
matriz de identidad, y * es el operador
Hermítico.
Se conoce bien que en condiciones de
desvanecimiento con el canal de propagación no correlado
estadísticamente, la capacidad del canal medida en bits por canal
usa escalas (desde un punto de vista de teoría de la información
con la potencia media de transmisión fija) en media como
donde C_{SISO} es la capacidad
del canal para comunicación de antena de transmisión única recepción
única (Entrada Única Salida Única) (tradicional), es
decir
donde SNR_{SISD} es la relación
señal ruido SISO y C_{MIMO} es la capacidad del canal MIMO
resultante. Cuando M=N la capacidad del canal es N veces la
capacidad del canal SISO, es
decir
Cabe señalar que la comunicación SISO tiene una
relación logarítmica para la capacidad del canal con respecto a la
SNR (ver la ec.(3)). El beneficio de la transmisión MIMO con
múltiples secuencias de datos es que en lugar de usar toda la
potencia en una secuencia, se usan secuencias paralelas múltiples
con la SNR ligeramente inferior en su lugar. De esta forma se
obtiene una multiplicación de la capacidad en lugar de un incremento
logarítmico en capacidad.
Hasta ahora, la discusión ha sido afectada con
el caso de que el transmisor no sabe nada sobre la matriz de canal
H. En el caso cuando el transmisor tiene conocimiento sobre el
canal, el rendimiento se puede mejorar además transmitiendo
secuencias de datos con distintas potencias en los distintos modos
del canal. Además, el conocimiento del canal también se puede usar
para reducir la complejidad del terminal cuando se desmodulan y
descodifican las señales recibidas.
Una descripción extensa de MIMO se encuentra en
A. Goldsmith, S. A. Jafar, N. Jindal, S. Vishwanath, "Límites de
Capacidad de Canales MIMO", Diario del IEEE en Áreas
Seleccionadas de Com., VOL. 21, NO. 5 de Junio de 2003.
Una forma reciente, alternativa, de manejar la
comunicación en sistemas MIMO es la MIMO oportunista, que también
se llama algunas veces MIMO de diversidad multiusuario. La idea es
que uno puede enviar, para cada uno de los potencialmente muchos
canales, no todas las secuencias MIMO (de aquí en adelante llamadas
subcanales MIMO) a un usuario único, pero en su lugar distribuir
los subcanales MIMO sobre varios usuarios. Esto se puede consumar
de una manera oportunista seleccionando los usuarios en base a la
realimentación de la información de la Relación Portadora a
Interferencia (CIR) de los usuarios que reciben. En MIMO, la
información de la CIR se realimenta para cada subcanal MIMO.
Cuantos más receptores presentes, más probable será que uno
encuentre "buenos" canales, y esto se garantiza en un sentido
estadístico. La arquitectura MIMO oportunista se ilustra, por
ejemplo, en W. Rhee, W. Yu y J.M. Cioffi: "Utilizando Diversidad
Multiusuario para el Sistema de Antenas Múltiples," Actas de la
Conferencia de Interconexión y Comunicación Inalámbrica del IEEE
(WCNC), páginas 420-425, Septiembre de 2000,
Chicago, USA.
La MIMO oportunista hace uso del hecho de que
con un gran número de usuarios, es probable que los canales MIMO
puedan tener realizaciones en las que se pueden recibir una o varias
secuencias MIMO con alta calidad por uno o más usuarios a pesar del
hecho de que no se usa la CSI para predecir las señales en el
transmisor. Esto se logra incluso cuando se usan métodos simples de
demodulación no óptima tales como forzar a cero. Al final, es la
estación base la que determina qué subcanal de MIMO usar para qué
usuario. Además de forzar a cero, se pueden usar otros métodos de
demodulación bien conocidos tales como MMSE, Cancelación Sucesiva de
Interferencia (SIC), Cancelación Paralela de Interferencia (PIC), u
otros esquemas de detección Multiusuario (MUD).
La MIMO oportunista es factible en situaciones
donde está implicado un gran número de usuarios y los datos están
pendientes de transmisión a ellos. El rendimiento en situaciones
donde solamente están implicados unos pocos usuarios es menor.
Es un objetivo de la presente invención
optimizar el uso global de los recursos de la red en una red de
comunicación multiantena, multiusuario.
Este objetivo se logra de acuerdo con la
invención por medio de un método de comunicación para usar en una
red de comunicación basada en MIMO que implica varios terminales de
usuario que comunican con al menos un nodo de transmisión, dicho
nodo de transmisión que comprende una pluralidad de antenas, cada
uno de dichos terminales de usuario que comprende al menos una
antena, dicho método que se caracteriza por:
- seleccionar un primer conjunto de usuarios que comprende al menos un usuario,
- seleccionar un segundo conjunto de usuarios no comprendidos en el primer conjunto,
- adaptar los parámetros de comunicación para el primer conjunto de usuarios de acuerdo con un primer principio adaptable para optimizar la comunicación con el primer conjunto de usuarios,
- adaptar los parámetros de comunicación para el segundo conjunto de usuarios de acuerdo con un segundo principio que es distinto del primer principio, en respuesta a los parámetros de comunicación seleccionados por el primer conjunto,
- transmitir al primer conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los primeros parámetros de comunicación y al segundo conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los segundos parámetros de comunicación.
El objetivo también se logra por medio de un
nodo transmisor para usar en una red de comunicación basada en MIMO
que implica varios terminales de usuario que comunican con el nodo
transmisor, en donde cada uno de dichos terminales de usuario
comprende al menos una antena, dicho nodo transmisor que comprende
una pluralidad de antenas de transmisión dispuestas a transmitir
información a una pluralidad de nodos receptores, dicho nodo
transmisor que comprende:
- medios de selección para seleccionar un primer conjunto de terminales de usuario que comprende al menos un terminal de usuario y un segundo conjunto de terminales de usuario no comprendidos en el primer conjunto
- los primeros medios de adaptación para adaptar los primeros parámetros de comunicación para el primer conjunto de terminales de usuario de acuerdo con un primer principio adaptable para optimizar la comunicación con el primer conjunto de terminales de usuario,
- los segundos medios de adaptación para adaptar los segundos parámetros de comunicación para el segundo conjunto de terminales de usuario de acuerdo con un segundo principio que es distinto del primer principio, en respuesta a los parámetros de comunicación seleccionados por el primer conjunto, los medios de transmisión para transmitir al primer conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los primeros parámetros de comunicación y con el segundo conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los segundos parámetros de comunicación.
De acuerdo con la invención, primero se aplica
un algoritmo a un primer usuario, o grupo de usuarios, que optimiza
la comunicación con ese grupo de usuarios. El primer conjunto de
usuarios normalmente es un pequeño grupo de usuarios respecto al
número total de usuarios. Entonces, siempre que sea posible o
deseable, la comunicación se inicia con otros usuarios usando un
principio o algoritmo de optimización distinto. De esta forma se
puede optimizar la comunicación con uno o unos pocos usuarios
mientras que los recursos se pueden usar de una manera eficiente
también por otros usuarios.
En una realización preferente el primer
principio implica optimización con respecto a la Información de
Estado del Canal (CSI), por ejemplo con una Descomposición de Valor
Singular (SVD) de la matriz de canal. Se usan entonces matrices de
formación de haz unitario obtenidas de la SVD tanto en el transmisor
como en un receptor único (en el primer conjunto de terminales de
usuario) para crear un conjunto de múltiples subcanales de MIMO no
interferentes ortogonales.
Para el segundo grupo la realimentación se
transmite, en base a la transmisión basada en la SVD, desde el
segundo grupo al transmisor. El receptor en el segundo grupo al que
el transmisor va a transmitir en un momento dado, y la subsecuencia
a ser transmitida a este receptor, se determinan de una manera
oportunista.
Adaptando el transmisor y posiblemente la
asignación de potencia a las distintas secuencias basadas en la CSI
de un usuario, pero entonces teniendo la posibilidad de transmitir
las secuencias a otros usuarios se mejora el rendimiento en
comparación a transmitir los datos solamente al usuario para el que
se optimiza la comunicación. El rendimiento es siempre mejor que
aquél ofrecido por el método SVD-MIMO en solitario
(es decir, cuando se optimiza un enlace de usuarios único. Para
enlaces de usuario múltiples que se optimizan con respecto a la
CSI, el rendimiento agregado es incluso mejor pero supone por contra
incremento de complejidad).
Una SVD de la matriz de canal H se define como
sigue:
donde U y V son matrices unitarias,
* es el operador Hermítico y S es una matriz con valores singulares
ordenados en la diagonal principal. Asumamos ahora que se envían
concurrentemente M secuencias de datos independientes multiplicando
cada secuencia saliente con una columna de la matriz V en el
transmisor y que la matriz U* se usa en el receptor. De esta forma,
se crean una serie de secuencias no interferentes, paralelas, y el
canal resultante visto por cada secuencia será entonces el elemento
correspondiente de la matriz diagonal S. La capacidad óptima
entonces se puede determinar a través de aplicar el teorema de
llenado de agua, que supone que las potencias de transmisión de
cada secuencia se seleccionan como una función del elemento diagonal
en S, los niveles de ruido del receptor, y la potencia de
transmisión total intentada. También es posible usar, por supuesto,
la misma potencia en todas las secuencias, solamente con una pequeña
pérdida en SNR alta. La relación, es decir un modo de enlace que
comprende una combinación de esquema de codificación y modulación,
se aplica en cada subcanal de MIMO en respuesta a la relación señal
ruido u otra medida de
calidad.
Este tipo de transmisión con una SVD optimiza la
comunicación para un usuario único, pero el planteamiento SVD no se
puede usar directamente para receptores múltiples. Otro
inconveniente es que la MIMO basada en SVD requiere que sea
conocida la CSI completa en el transmisor. La CSI consecuentemente
debe ser comunicada de alguna manera al transmisor. Si se
selecciona un usuario con la CSI que varía lentamente como el primer
conjunto de usuarios de acuerdo con la invención, se reduce la
cantidad de datos de la CSI, mientras que los usuarios con canales
que varían rápido solamente reportan información de la CIR para los
subcanales de MIMO.
Como se explicó arriba, la SVD se puede usar
para optimizar la comunicación con un usuario único, mientras que
la comunicación MIMO oportunista es particularmente ventajosa para
la comunicación con varios usuarios a la vez. Cuando estos dos
algoritmos se combinan en la forma inventiva, el resultado global es
un uso más eficiente de los recursos de la red que con cualquier
otro de los algoritmos en su propia forma.
Se pueden usar otros métodos en lugar de la SVD
para precodificar la transmisión para el primer conjunto de
usuarios, tales como otros parámetros de ponderación de antena o una
precodificación no lineal, como se describe, por ejemplo, en
Fischer, Windpassinger, Lamp, Huber, "Transmisión Espacio Tiempo
usando precodificación Tomlinson Harashima", Actas de 4.
Conferencia ITG sobre Codificación de Canal y Fuente, Berlín, Enero
de 2002, páginas 139-147, adaptadas para los
canales del primer conjunto de usuarios. Para un receptor único con
antenas múltiples, o varios usuarios cada uno que tiene una antena,
se puede usar forzar a cero. Se puede hacer también una denominada
factorización QR de la matriz de canal. En este caso, la matriz Q
unitaria se puede usar en el transmisor, posiblemente combinada con
alguna forma de codificación para reducir la interferencia
experimentada por un receptor.
El algoritmo referenciado arriba como
comunicación MIMO oportunista es adecuado para usar como el segundo
principio, afectado para los parámetros de transmisión usados por
los usuarios seleccionados. Los parámetros de comunicación para el
segundo grupo de usuarios se deberían adaptar en este caso en base a
un indicador de la calidad de la secuencia, tal como la CIR.
Con la invención, ya es evidente una ganancia
MIMO oportunista en meramente dos usuarios presentes, mientras que
el beneficio real en MIMO oportunista tradicional normalmente
requiere más usuarios. La cantidad de realimentación del canal
permanece baja, y es casi comparable con una única realimentación de
usuarios SVD-MIMO.
Los primer y segundo grupos de usuarios se
pueden seleccionar de acuerdo con distintos criterios, por ejemplo,
una combinación de entradas que implican, por ejemplo, parámetros de
calidad de servicio y tráfico, conocimiento de la CSI, y/o
configuración de la antena de los terminales de usuario.
- MIMO
- Entrada Múltiple Salida Múltiple
- MISO
- Entrada Múltiple Salida Única
- SIMO
- Entrada Única Salida Múltiple
- SISO
- Entrada Única Salida Única
- SVD
- Descomposición del Valor Singular
- CSI
- Información de Estado del Canal
- CA
- Adaptación del Canal
- LA
- Adaptación del Enlace
- MCS
- Esquema de Codificación y Modulación
- OFDM
- Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal
- CIR
- Relación Portadora a Interferencia
- MMSE
- Error Cuadrático Medio Mínimo
- SIC
- Cancelación Sucesiva de Interferencia
- PIC
- Cancelación Paralelo de Interferencia
- MUD
- Detección Multiusuario
A continuación, la invención se describirá en
más detalle, con referencia a los dibujos anexos, en los que
La Figura 1 muestra un sistema MIMO simple
basado en la SVD que implica un transmisor y un receptor;
La Figura 2 muestra un sistema MIMO que implica
un transmisor y cuatro receptores, que usa comunicación
oportunista;
La Figura 3 muestra una configuración después de
programar los recursos de subcanal de MIMO a distintos usuarios;
La Figure 4 ilustra una primera realización de
un sistema en el que se combinan MIMO basada en la SVD y MIMO
oportunista;
La Figura 5 ilustra una segunda realización de
un sistema en el que se combinan MIMO basada en la SVD y MIMO
oportunista;
La Figura 6 muestra una simulación de la
capacidad de canal media como una función del número de receptores
disponibles usando MIMO basada en la SVD, MIMO oportunista y una
combinación de las dos, respectivamente;
La Figura 7 muestra un ejemplo de un protocolo
que se puede usar para la invención.
La Figura 1 ilustra la comunicación MIMO básica
entre un transmisor 1 que comprende cuatro antenas transmisoras
TX1, TX2, TX3, TX4 y un receptor 3 que comprende cuatro antenas
receptoras RX1, RX2, RX3, RX4. Se usa una SVD para optimizar la
comunicación entre el transmisor 1 y el receptor 3. Una matriz de
canal H representa todos los canales entre las antenas transmisoras
y las antenas receptoras. T= {T1, T2, T3, T4} es un vector de las
secuencias transmitidas que se ponderan por la matriz de formación
de haz V obtenida de una descomposición de H, y transmitida
entonces desde las antenas TX1, TX2, TX3, TX4. R={R1, R2, R3, R4} es
un vector de la señal reconstruida obtenido después de aplicar una
señal unitaria recibida en las antenas del receptor RX1, RX2, RX3,
RX4 y N={N1, N2, N3, N4} es un vector con Ruido Gaussiano añadido al
vector de la señal recibida R en las antenas del receptor RX1, RX2,
RX3 y RX4, respectivamente. Como se puede ver, cada una de las
antenas receptoras RX1, RX2, RX3, RX4 recibe señales de todas las
antenas transmisoras TX1, TX2, TX3, TX4. La información CSI se
transmite desde el receptor 3 al transmisor 1 en un canal de
realimentación 5 mostrado como una línea discontinua. U y V son las
matrices unitarias determinadas de la SVD de la matriz de canal H
(ver ec. (5)). Las señales reconstruidas en R se pueden
descodificar con los métodos de descodificación de las técnicas
actuales (no se muestran).
La Figura 2 ilustra una arquitectura MIMO
oportunista. Cabría señalar que cada terminal se puede equipar con
un número arbitrario de antenas. Un transmisor T2 que comprende
cuatro antenas transmisoras TX21-TX24 transmite
datos a los cuatro receptores R21, R22, R23, R24. Los primero y
cuarto receptores R21, R24 tienen cuatro antenas receptoras cada
uno, el segundo receptor R22 tiene tres antenas receptoras y el
tercer receptor R23 tiene una antena receptora. Se muestran los
canales de realimentación 7 desde cada receptor a una unidad de
programación y control 9 en el transmisor como líneas discontinuas.
Los canales de realimentación 7 se usan para los parámetros de
transmisión tales como la adaptación de enlace y los datos de
programación para usar por el transmisor. Una serie de
almacenadores (no mostrados) comprenden la información a ser
transmitida a los receptores.
La unidad de programación y control 9 selecciona
el almacenador desde el que transmitir en cualquier momento dado, y
a quien enviar, en base a los datos de realimentación. También
selecciona el MCS a usar para la transmisión. La unidad de
programación y control 9 también puede tener en cuenta los
parámetros de calidad de servicio, tales como el tiempo de retardo
máximo para un paquete de datos, los requerimientos de equidad, etc.
Las matrices de ponderación W21 - W24 se usan para ajustar la
recepción en el receptor respectivo. Además de las matrices de
ponderación, se usan estructuras de receptor tradicionales después
de las matrices de ponderación, pero también pueden ser usadas
estructuras de receptor más avanzadas que incluyen
descodificación/detección multiusuario después de las matrices de
ponderación. En este caso, la unidad de programación y control se
dispone para identificar los receptores a los que es posible una
buena calidad de transmisión en un momento dado.
La Figura 3 muestra un sistema celular que
comprende un transmisor, en este caso una estación base 11 que
comunica con una serie de terminales de usuario 13, 15 que usan MIMO
multiusuario, por ejemplo, MIMO orientada a oportunista. La Figura
3 muestra la situación después de programar los recursos de subcanal
de MIMO a distintos usuarios 13 que han suministrado realimentación
de la CIR a la estación base en un caso. Con otros usuarios 15 no
hay comunicación actualmente. En sucesivos ejemplos, la
configuración del flujo de tráfico puede cambiar/cambiará en
respuesta a las variaciones del canal. También, algunos usuarios
pueden no recibir ningún dato, ya que sus condiciones de la CIR son
desfavorables o simplemente porque no hay datos a enviarles.
Las Figuras 4 y 5 muestran una descripción de la
idea básica, en donde están disponibles un transmisor y en total K
usuarios que reciben.
En la Figura 4, el transmisor T4 ha seleccionado
optimizar la transmisión al primer receptor R41 usando una SVD.
Para cada uno de los receptores, se aplica una matriz de canal
H_{k}, siendo k el número del receptor. En particular el primer
receptor R41 emplea una matriz de ponderación que es la Hermítica de
la matriz unitaria U_{1} derivada de la SVD del canal H41,
mientras que el transmisor usa la matriz SVD unitaria V4, derivada
de manera similar desde el canal H41. En un canal de realimentación
17, mostrado como una línea discontinua desde el primer receptor
R41 al transmisor T4, se transmite la información CSI que se
necesita para la MIMO basada en SVD al bloque de ponderación V4 en
el transmisor. La CSI también se puede determinar, si existe un
canal recíproco, por el R41 al canal de T4, por ejemplo enviando un
símbolo de estimación de canal de MIMO desde el R41 al T4 y
estimando consecutivamente el canal. En este caso, la característica
de Interferencia en R41 también se puede volver a señalizar al T4.
Con respecto a la adaptación de transmisión, se puede usar un
método alternativo para precodificar la transmisión al primer
receptor, tal como otros parámetros de ponderación de la antena o
una precodificación no lineal adaptada para el canal de un usuario.
En particular, el patrón de interferencia (caracterizado
estadísticamente o instantáneo) en el receptor se puede tener en
cuenta en la selección del parámetro de ponderación de la antena.
Para los restantes usuarios R42,..., R4K, se usa comunicación
oportunista. Desde cada uno de los restantes usuarios R42,..., R4K
un canal de realimentación 19 transmite la realimentación de la CIR
de MIMO u otro indicativo de realimentación del modo de enlace
preferente a usar, a la unidad de programación y control 9'.
En esta realización, la unidad de programación y
control 9' comprende una unidad de procesado previo 91 dispuesta
para recibir la información CSI transmitida en el canal de
realimentación 17, lo preprocesa si es aplicable y lo reenvía al
bloque de ponderación V4. La unidad de control determinará, en base
a la entrada de otras unidades, teniendo en cuenta por ejemplo los
requerimientos de QoS, el estado del almacenador y los criterios de
priorización, además de la posible realimentación de la CSI y las
propiedades del canal, tales como velocidad, qué
receptor(es) que señalará(n) la CSI y en qué momento. La
unidad de procesado previo 91 entonces se dispone para recibir la
CSI en los canales de realimentación desde el(los)
receptor(es) y optimizar la ponderación usada en el bloque
de ponderación
V4.
V4.
La unidad de programación y control 9' también
comprende una unidad de información CQI 93 dispuesta para recibir
la información de la calidad del canal desde todos los usuarios y
controlar la transmisión desde los almacenadores a los receptores
no incluidos en el primer subconjunto.
En el transmisor T4 una serie de almacenadores
en una unidad almacenadora B4 comprenden la información que va a
ser transmitida a los receptores.
La unidad de programación y control 9'
selecciona a quién enviar los datos en cualquier momento dado en
base a la realimentación y selecciona el almacenador
correspondiente desde el que se toman los datos. También selecciona
el MCS a usar para la transmisión. La unidad de programación y
control 9' también puede tener en cuenta los parámetros de calidad
de servicio, tales como el tiempo de retardo máximo para un paquete
de datos, los requerimientos de equidad, etc.
También se pueden incluir una o más de las otras
unidades 95, para proporcionar información a la unidad de
programación y control 9' para usar cuando se controla la
comunicación. Esta información puede ser, por ejemplo, información
de la calidad de servicio y/o información relacionada con el
terminal. La unidad de programación y control 9' también puede
recibir información de cola desde los almacenadores.
En la Figura 5 el transmisor ha decidido que los
parámetros de transmisión (que supone por ejemplo las potencias de
transmisión y las ponderaciones de antenas) se deberían adaptar al
estado del canal al primer subconjunto de usuarios que consta de
los primeros y segundos usuarios que reciben R51, R52, mientras que
los restantes usuarios R53,.., R5K funcionan en modo oportunista,
en virtud de la restricción de que la transmisión global se
optimiza para el primer subconjunto de usuarios. La información CSI
desde los usuarios R51 y R52 en el primer subconjunto se transmite
en los respectivos canales de realimentación 21, 22 a la matriz V,
V5 en el transmisor T5. (O como previamente se describió en la
Figura 4, la reciprocidad del canal se puede explotar para
determinar los estados del canal enviando símbolos de estimación de
canal desde X51 así como de X52 a T5) Desde los otros usuarios
R53,..., R5K solamente es necesaria la realimentación en cuanto a la
calidad de la secuencia en los canales de realimentación
respectivos 23, 24. El primer subconjunto puede implicar más de dos
usuarios.
En este caso, en general no se puede usar
directamente una SVD normal de cada canal a los usuarios R51 y R52
para determinar las matrices de transmisión y recepción. No
obstante, en base a los canales H51 y H52, el transmisor puede usar
una matriz de ponderación Y_{1,2} y el usuario una y dos matrices
de ponderación X51 y X52. Aquellas matrices de ponderación se
pueden optimizar para maximizar la capacidad agregada en ambos
enlaces (o más si se consideran más de dos usuarios para la
transmisión adaptada de la CSI) o se pueden aplicar otros criterios
que implican maximizar la capacidad con las limitaciones de
equidad.
Los almacenadores y la unidad de programación y
control de la Figura 5 son similares a aquéllos de la Figura 4,
excepto que en la Figura 5 se incluyen dos usuarios en el primer
subconjunto de usuarios.
Este párrafo y el siguiente se refieren a la
adaptación del usuario o usuarios en el primer subconjunto. El
usuario (o usuarios) desde el que se optimiza(n) la(s)
transmisión(es), se puede seleccionar de varias formas. El
transmisor puede usar una combinación de entradas que implican, el
conocimiento de los parámetros de QoS y tráfico, el conocimiento de
la CSI, el conocimiento de la configuración de la antena de los
terminales de usuario, el conocimiento de la capacidad de
descodificación de los terminales de usuario. Con respecto a la
QoS, puede ser apropiado adaptar los parámetros de transmisión al
usuario con los requerimientos de tráfico más estrictos, por
ejemplo que transporta tráfico de vídeo o voz en tiempo real,
mientras que el requerimiento de QoS menos exigente tal como el
mejor esfuerzo se puede soportar por los enlaces de comunicación
oportunistas. La selección también se puede basar en los parámetros
del canal, tales como la ganancia media de trayecto. Puede ser
factible adaptar para comenzar con un usuario con calidad de
recepción pobre debida a altas pérdidas de trayecto. Los usuarios
con pérdidas de trayecto más bajas (o mejor SNR media) entonces
pueden emplear comunicación oportunista.
Adaptar a un usuario con una antena única o
pocas antenas puede ser ventajoso, dado que otros terminales de
usuarios potencialmente con más antenas tienen mayor posibilidad de
explotar la MIMO oportunista. También si las capacidades de
descodificación se conocen para no ser las mejores entre un conjunto
de terminales de usuario, entonces se puede ser prudente
seleccionar el terminal de usuario que funciona de forma pobre, dado
que los otros terminales de usuarios todavía pueden ser capaces de
funcionar bien y descodificar las señales transmitidas con el
planteamiento oportunista. Alternativamente, pueden ser
seleccionados los usuarios con canales con tiempo de coherencia
largo. Para tales usuarios, las tasas de actualización de la CSI
pueden ser bastante lentas lo que es beneficioso dado que la CSI
generalmente transporta más información que simplemente presentar
informe de la CIR (u opcionalmente un modo de enlace preferente)
para subcanales de MIMO. Por último, se pueden ponderar varios
criterios de equidad para asegurar que todos, o casi todos, los
usuarios se seleccionan de tal forma que los parámetros de
transmisión se optimizan para su canal. Un ejemplo de tal
planteamiento puede ser emplear un método Rotativo Equilibrado,
donde cada usuario se selecciona de una forma regular.
Cabría señalar que todo lo que se ha tratado
hasta ahora se aplica a un canal único o a una subportadora única,
tal como en OFDM. Por lo tanto es posible usar un conjunto de
elecciones, por ejemplo, un usuario SVD-MIMO
seleccionado, en un conjunto de subportadoras y otro usuario
seleccionado en otra subportadora. Esta flexibilidad se puede usar
de distintas formas para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, los
usuarios con ciertas capacidades MIMO pueden usar ciertas partes de
los canales, tales como las suportadoras OFDM.
La Figura 6 muestra el resultado de una
simulación de la capacidad de canal en un sistema MIMO como una
función del número de usuarios disponibles, como una función de
cualquier SNR media de 0 o 10 dB, \Gamma. Se asumieron canales de
desvanecimiento de Rayleigh distribuidos idénticamente e
Independientes con la misma pérdida media de trayecto promedio. Se
muestran tres principios distintos: comunicación basada solamente en
la SVD, comunicación solamente oportunista y el algoritmo inventivo
que combina las dos. Como se puede ver, para un usuario el
algoritmo combinado es igual solamente a la SVD. Para cualquier
número de usuarios mayor que uno, el algoritmo combinado
proporciona una capacidad de canal más alta. Si se usa solamente
comunicación oportunista el rendimiento en este ejemplo es más bajo
que la SVD hasta un cierto número de usuarios y mejora cuando
aumenta el número de usuarios, pero es siempre más bajo que para el
algoritmo combinado.
La Figura 7 muestra una posible implementación
del protocolo, pero no la única, para usar en la invención. Una
estación base BS está comunicando con una serie de estaciones
móviles MS1, MS2,..., MSK. La MS_{1} se ha seleccionado para la
optimización SVD. Para las restantes estaciones móviles MS2,...MSK,
se usa la MIMO oportunista. De ahí, en el tiempo n, la MS_{1}
envía la información de realimentación CSI a la BS, indicada por un
cuadro sombreado diagonalmente. La información de realimentación
establece la matriz de ponderación de antena MIMO para una matriz
de canal V_{1}. En los siguientes intervalos de tiempo se
transmite la información CSI. La primera transmisión, es decir en
el tiempo n+1, de la BS se destina a la MS_{1} (en lugar de enviar
datos, se puede enviar un símbolo de estimación de canal que pasa a
través de la matriz V_{1}). En el tiempo n+1, las otras
estaciones móviles pueden determinar su calidad
MIMO-CIR respectiva (o modo de enlace preferente) y
realimentarla a la BS (indicado como cuadros grises). También, la
MS_{1} realimenta una actualización de la CSI. En el tiempo n+2,
la BS determina a qué usuario o usuarios enviar. Esa decisión se
basa en la CSI para la MS_{1} y la calidad
MIMO-CIR para las otras estaciones móviles. Este
procedimiento se repite para intervalos de tiempo consecutivos,
hasta que se determina seleccionar otro usuario para la comunicación
optimizada. En la Figura 6, esto ocurre en el intervalo
n+m-1, donde la estación móvil MS_{k} comienza
informando de la información CSI, es decir, el conocimiento
instantáneo y/o medio del canal y la interferencia, a la BS
(cuadros blancos o sombreados diagonalmente) y el otro informe de
información MIMO-CIR (indicado por cuadros
sombreados verticalmente o grises).
Claims (15)
1. Un método de comunicación para usar en una
red de comunicación basada en MIMO que implica varios terminales de
usuario (R41,..., R4K; R51,..., R5K) que comunican con al menos un
nodo transmisor (T4; T5), dicho nodo transmisor que comprende una
pluralidad de antenas, cada uno de dichos terminales de usuario que
comprende al menos una antena, dicho método que se
caracteriza por:
- seleccionar un primer conjunto (R41; R51, R52) de terminales de usuario que comprende al menos un terminal de usuario,
- seleccionar un segundo conjunto (R42,..., R4K; R53,..., R5K) de terminales de usuario no comprendidos en el primer conjunto,
- adaptar los primeros parámetros de comunicación para el primer conjunto (R41; R51, R52) de terminales de usuario de acuerdo con un primer principio adecuable para optimizar la comunicación con el primer conjunto de terminales de usuario,
- adaptar los segundos parámetros de comunicación del segundo conjunto (R42,..., R4K; R53,..., R5K) de terminales de usuario de acuerdo con un segundo principio que es distinto del primer principio, en respuesta a los parámetros de comunicación seleccionados por el primer conjunto,
- transmitir al primer conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los primeros parámetros de comunicación y al segundo conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los segundos parámetros de comunicación.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en donde el primer principio implica la optimización con respecto a
la Información de Estado de Canal (CSI) parcial o completa, por
ejemplo por medio de la Descomposición de Valor Singular (SVD).
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1
ó 2, en donde el segundo principio hace uso de la comunicación MIMO
oportunista.
4. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes en donde los primeros parámetros de
comunicación se refieren a la potencia de transmisión y la matriz de
formación de haz (V) en el lado transmisor.
5. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende el paso de seleccionar
el primer conjunto de terminales de usuario en dependencia de los
parámetros de calidad de servicio y tráfico.
6. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, que comprende el paso de
seleccionar el primer conjunto de terminales de usuario en
dependencia del conocimiento de la CSI.
7. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, que comprende el paso de
seleccionar el primer conjunto de terminales de usuario en
dependencia de la configuración de la antena del receptor.
8. Un nodo transmisor (T4; T5) para usar en una
red de comunicación basada en MIMO que implica varios terminales de
usuario (R41,..., R4K; R51,..., R5K) que comunican con el nodo
transmisor, en donde cada uno de dichos terminales de usuario
comprende al menos una antena, dicho nodo transmisor que comprende
una pluralidad de antenas de transmisión dispuestas a transmitir
información a una pluralidad de nodos receptores, dicho nodo
transmisor que comprende:
- medios de selección para seleccionar un primer conjunto (R41; R51, R52) de terminales de usuario que comprenden al menos un terminal de usuario y un segundo conjunto (R42,..., R4K; R53.....R5K) de terminales de usuario no comprendidos en el primer conjunto,
- los primeros medios de adaptación (91) para adaptar los primeros parámetros de comunicación para el primer conjunto (R41; R51, R52) de terminales de usuario de acuerdo con un primer principio adecuable para optimizar la comunicación con el primer conjunto de terminales de usuario,
- los segundos medios de adaptación (93) para adaptar los segundos parámetros de comunicación para el segundo conjunto (R42,..., R4K; R53,..., R5K) de terminales de usuario de acuerdo con un segundo principio que es distinto del primer principio, en respuesta a los parámetros de comunicación seleccionados por el primer conjunto,
- los medios de transmisión para transmitir al primer conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los primeros parámetros de comunicación, y al segundo conjunto de terminales de usuario de acuerdo con los segundos parámetros de comunicación.
9. Un nodo transmisor de acuerdo con la
reivindicación 8, en donde los primeros medios de adaptación (91)
se disponen para optimizar la comunicación con el primer conjunto
(R41; R51, R52) de terminales de usuario con respecto a la
Información de Estado del Canal (CSI) parcial o completa, por
ejemplo por medio de la Descomposición de Valor Singular (SVD).
10. Un nodo transmisor de acuerdo con la
reivindicación 8 ó 9, en donde los segundos medios de adaptación
(93) se disponen para optimizar la comunicación con el segundo
conjunto de terminales de usuario (R42,..., R4K; R53,..., R5K) de
acuerdo con la comunicación MIMO oportunista.
11. Un nodo transmisor de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 8-10, en donde los primeros
parámetros de comunicación se refieren a la potencia transmitida y
la matriz de formación de haz (V) en el lado transmisor.
12. Un nodo transmisor de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 8-11, que comprende en donde
los medios de selección se disponen a seleccionar el primer
conjunto (R41; R51, R52) de terminales de usuario en dependencia de
los parámetros de calidad de servicio y tráfico.
13. Un nodo transmisor de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 8-11, en donde los medios de
selección se disponen para seleccionar el primer conjunto (R41;
R51, R52) de los terminales de usuario en dependencia del
conocimiento de la CSI.
14. Un nodo transmisor de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 8-11, en donde los medios de
selección se disponen para seleccionar el primer conjunto (R41;
R51, R52) de terminales de usuario en dependencia de la
configuración de antena receptora.
15. Una red de comunicación basada en MIMO que
implica varios terminales de usuario (R41,..., R4K; R51,..., R5K)
que comunican con al menos un nodo transmisor (T4; T5), dicho nodo
transmisor que comprende una pluralidad de antenas, cada uno de
dichos terminales de usuario (R41,..., R4K; R51,..., R5K) que
comprende al menos una antena, caracterizada porque dicho al
menos un nodo transmisor (T4; T5) es un nodo transmisor de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones 8 - 14.
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