ES2360039B1 - Método de transmisión conjunta. - Google Patents

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Abstract

Un método de transmisión conjunta desde un lado transmisor, que comprende una pluralidad de antenas transmisoras de una o varias estaciones base (EB1, …, EBM), hacia un lado receptor de usuario, comprendiendo una antena receptora; incluye la recepción de información de un canal radio transmitido desde el receptor (13) hacia un nodo de acceso; la precodificación de bits de información, en un precodificador (11) del nodo de acceso, según un criterio de mínimo error cuadrático medio MMSE, y la asignación de un nivel de potencia para transmitir cada bit de información precodificado a través de una conjunto de antenas transmisoras, donde el nivel de potencia asignado a cada canal radio suma con la inversa de su SINR es una constante, siendo asignado a un canal radio más débil un nivel de potencia reducido y a un canal radio más fuerte se le asigna un nivel de potencia más elevado.

Description

Método de transmisión conjunta.
Objeto
La presente invención se refiere a un método de transmisión conjunta para enviar información desde un grupo de transmisores -que transmiten conjuntamente-hacia un lado receptor donde un receptor comprende una antena receptora en un sistema de comunicaciones sin hilos.
Estado de la técnica
En los sistemas de comunicación sin hilos actuales, es utilizada la técnica de multiplexación espacial para incrementar la capacidad de transmisión en proporción con el número de antenas en el lado transmisor, de manera que son transmitidos diferentes flujos de datos en paralelo desde una pluralidad de antenas transmisoras.
En el lado receptor existe una pluralidad de dispositivos receptores inalámbricos que poseen una o varias antenas para recibir los diferentes flujos de datos transmitidos. Por lo tanto, es utilizado un sistema de múltiples entradas y múltiples salidas MIMO que permite aumentar el número de flujos de datos transmitidos simultáneamente mediante la multiplexación espacial.
Para que la multiplexación espacial funcione, estos sistemas MIMO requieren altas relaciones señal a ruido, que no existen en despliegues reales. Una posible solución es la transmisión conjunta desde varias estaciones base. Más específicamente, los recursos radio pueden ser asignados de tal modo que se maximiza la relación señal a ruido SNR instantánea para minimizar la interferencia entre los diferentes flujos de datos transmitidos en el sentido descendente de la transmisión.
Consecuentemente, existe la necesidad de una técnica que resuelva la integración de la transmisión conjunta de manera que pueda ser integrada sin problemas, permitiendo flujos de datos con señalización de cabecera reducida y manteniendo un funcionamiento del sistema elevado.
En la actualidad existe un esquema de precodificación conjunta basado en la técnica de diagonalización por bloques (block diagonalization) que proporciona prestaciones muy inferiores a las alcanzables de forma teórica cuando la relación señal a ruido SNR es baja.
Es conocido que un diseño basado en minimizar el error cuadrático medio MMSE se acerca a las prestaciones óptimas en sistemas MIMO sin cooperación. El uso de un criterio similar para un sistema de transmisión conjunta requiere encontrar una forma de elegir la distribución de potencia a los diferentes usuarios que se acerque a las prestaciones óptimas con una complejidad reducida que permita su implementación.
Una técnica del tipo water-filling proporciona soluciones a problemas de distribución de potencia en los que los canales radio de los diferentes usuarios están desacoplados, es decir, no se interfieren.
Sin embargo, dicha técnica no aporta una solución a un diseño basado en MMSE, debido a la aparición de interferencias entre usuarios que es necesario considerar en la asignación de potencias.
Sumario
La presente invención busca resolver uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente mediante un método de transmisión conjunta como es reivindicado en las reivindicaciones.
Un objeto de un modo de realización es conseguir la mayor velocidad de transmisión utilizando todos los canales radio disponibles, aumentando en lo posible la relación señal a ruido.
Se ha de observar que si se utilizan varios canales radio independientes para transmitir información se gana en velocidad de transmisión, y si sólo se utiliza un canal radio se gana en calidad, se trata de alcanzar un compromiso entre ambas opciones.
Aún otro objeto del modo de realización es incrementar la complejidad en el lado transmisor, un nodo de acceso del tipo estación base admite más fácilmente incrementar una antena y cadena correspondiente, que añadir una antena más a cada receptor en el lado de recepción.
Breve enunciado de las figuras
Una explicación más detallada de la invención se da en la descripción que sigue y que se basa en las figuras adjuntas:
La figura 1 muestra, en un diagrama de bloques, un enlace descendente de un sistema de comunicaciones radio sin hilos, en el que se resaltan las operaciones que se deben realizar conjuntamente para la transmisión.
Modo de realización
En relación ahora a la figura 1, se muestra un sistema de comunicaciones sin hilos operando en sentido descendente de la comunicación, es decir, el lado transmisor del sistema de comunicaciones incluye un conjunto de nodos de acceso o estaciones base EB1, ..., EBM, y cada una de ellas comprende una pluralidad de antenas transmisoras para transmitir diferentes flujos de datos de manera conjunta y coordinada hacia un lado receptor, el cual comprende una pluralidad de estaciones receptoras 13 y cada una de las mismas incluye una antena receptora para recibir flujos de datos transmitidos.
Por tanto, el número total de antenas transmisoras puede ser mayor que el número total de antenas receptoras y, además, cada antena receptora o estación receptora 13 móvil puede generar información de estado del canal radio para transmitirla a la estación base que coordina la transmisión hacia la misma de los diferentes flujos de datos.
Por lo tanto, cada antena transmisora, en el área de cooperación de una misma estación base EBM, puede ser vista como una cadena de transmisión independiente, al comprender un amplificador independiente, de un sistema distribuido de comunicaciones radio que coopera para transmitir flujos de datos independientes en el sentido descendente de la transmisión hacia una misma antena receptora de una estación receptora 13.
La señal a transmitir incluye un número de bits que son distribuidos entre la pluralidad de antenas transmisoras de manera que la señal recibida en la antena receptora incluye el conjunto de flujos de datos transmitidos más el ruido.
Cada estación base EBM incluye una pluralidad de antenas transmisoras, y comprende un precodificador 11 que recibe en una de sus entradas una señal o bits de información para transmitir hacia el receptor 13; el precodificador 11 precodifica los bits de información recibidos, de manera que la señal interferencia que cada estación base EBM y/o antena transmisora que puede provocar en el receptor 13 se elija por diseño del precodificador 11.
Una salida del precodificador 11 está conectada a una entrada de un asignador 12 de potencia que, a su vez, está conectado a la pluralidad de antenas transmisoras para repartir y/o asignar la potencia disponible por cada antena transmisora, en el caso de una estación base EBM con varias antenas, o por estación base, en el caso de una antena transmisora por estación base o una limitación conjunta de la potencia para todas las antenas de la misma; de manera que la estación base EBM transmite el conjunto de flujos de datos a transmitir distribuidos por el conjunto de antenas transmisoras, para que el receptor 13 recupere en recepción los bits transmitidos con la menor tasa de error.
Consecuentemente, en el escenario de una antena transmisora por estación base EBM, una de las antedichas estaciones base está configurada para coordinar la transmisión conjunta del flujo de datos distribuido por el conjunto de antenas transmisoras hacia una antena receptora de la estación receptora 13.
En el escenario de una estación base EBM que presenta un conjunto de antenas transmisoras, dicha estación base comprende un controlador de antenas transmisoras, que realiza tareas de coordinación de transmisión conjunta del flujo de datos distribuido por el conjunto de antenas transmisoras hacia una antena receptora de la estación receptora
13.
El precodificador 11 utiliza una técnica de precodificación basada en el criterio de mínimo error cuadrático medio MMSE para precodificar los bits de información a transmitir, de manera que suministra en sus salidas el número de bits de información precodificados que serán transmitidos desde cada antena transmisora y la amplitud y fase con que se transmitirá cada bit.
Denominando N al número de estaciones receptoras 13 de usuario que comparten las mismas frecuencias en un instante dado, M el número de estaciones base EBM que cooperanytal número de antenas transmisoras que tiene cada estación base, donde cada estación transmisora tiene el mismo número de antenas transmisoras por simplicidad de notación, los bits de información a transmitir por cada estación receptora 13 de usuario bi son previamente precodificados con un vector de pesos wi de dimensiones Mtx1.
Llamamos W a la matriz que agrupa todos los pesos, W=[w1,w2, ... wN]. El canal que experimenta la señal desde cada antena transmisora de cada estación base EBM a una antena receptora de cada estación receptora 13 de usuario se representa por la matriz H de dimensiones NxMt.
La variable ρ representa la relación señal a ruido promedio en los receptores 13.
La matriz de pesos se calcula como
donde IN es la matriz identidad de orden N y el superíndice H denota la operación de trasponer y conjugar una matriz.
La anterior matriz de precodificación o de pesos se genera de acuerdo a un criterio de maximización de la relación global señal a ruido e interferencia SINR en cada cadena receptora.
La precodificación basada en la técnica MMSE incrementa las prestaciones de funcionamiento de un precodificador basado en la técnica de diagonalización por bloques (block diagonalization) cuando la relación señal a ruido SNR es baja y las mantiene cuando la relación SNR es elevada.
El precodificador comprende tantas entradas como cadenas de transmisión de información se quieran destinar al conjunto de usuarios y, a su vez, comprende un número de salidas igual al número de antenas transmisoras de cada estación base EBM.
Las salidas del precodificador 11 están conectadas a un número igual de entradas del asignador de potencia que, a su vez, comprende un número de salidas igual al número de antenas transmisoras.
El asignador de potencia para asignar la potencia con que se transmite cada bit de información a cada antena receptora tiene que tener en cuenta la restricción de potencia máxima de transmisión por antena transmisora de cada estación base o total por estación base.
Es decir, si una primera antena transmisora transmite un bit de información hacia un primer receptor 13 con una potencia determinada inferior a la potencia máxima de transmisión, la diferencia entre la potencia máxima y la potencia con que transmite el bit de información, será la potencia que puede ser asignada a un bit de información transmitido hacia una segunda antena receptora.
Por lo tanto, se utilizan todos los canales radio disponibles para los bits de información a transmitir a cada receptor
13.
El nivel de potencia asignado a cada canal radio suma con la inversa de su SINR una constante, de manera que al canal radio más débil se le inyecta menos potencia y se inyecta una potencia mayor a aquel canal que está mejor.
Esta técnica es conocida como water-filling, ya que, dibujada la inversa de la respuesta del canal radio dividida por la potencia de ruido más interferencia, la energía de cada canal se obtiene rellenando la forma inversa de la respuesta del canal radio con ruido e interferencia.
Lo mencionado anteriormente, de disponer de una potencia más elevada en unos canales radio que en otros, implica una relación señal a ruido resultante mayor.
Se ha de observar que al disponer de más potencia pueden usarse constelaciones de mayor eficiencia espectral en las portadoras correspondientes. Al aumentar la eficiencia espectral, las frecuencias sobrantes se invierten en aumentar la velocidad de transmisión, todo lo antedicho contribuye al incremento de la capacidad del enlace descendente.
El asignador 12 de potencias realiza la asignación de potencias según el siguiente criterio:
Una vez hecha la precodificación, si llamamos A=HW, se elige la potencia con que se transmite la información de cada usuario Pi.
La relación señal a interferencia para la antena receptora del usuario i es
siendo σ2 la potencia de ruido en el receptor 13. Definimos para cada receptor 13 el parámetro Ωi:
para el caso de restringir la potencia máxima por estación base.
O bien
para el caso de restringir la potencia máxima por cada antena de cada estación base. Entonces las potencias Pi se obtienen como
Donde αi es la prioridad asignada al usuarioiyKesuna constante que hay que determinar. [x]+ es igual al valor de x si éste es mayor que cero o bien cero en caso contrario. Las potencias Pi corresponden a una distribución water-filling con el nivel K modificado por la prioridad del receptor 13 y el parámetro Ωi. Dado que las potencias Pi están interrelacionadas, se van evaluando por orden ascendente de i hasta encontrar la potencia destinada a todos los receptores 13 y se repite este proceso iterativo hasta que los valores de Pi convergen.
Se ha de observar que la asignación de potencia water-filling se realiza sobre el número de antenas receptoras, de manera que es independiente del número de antenas transmisoras.
Consecuentemente, la complejidad no es incrementada con el número de antenas transmisoras por estaciones transmisoras.
La utilización de la técnica de water-filling a cambio de reducir la complejidad lleva aparejada una degradación del funcionamiento del enlace descendente con respecto a una selección óptima de las potencias.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un método de transmisión conjunta para transmisión desde un lado transmisor, que comprende una pluralidad de antenas transmisoras conectadas a un nodo de acceso, hacia un lado receptor de usuario, donde el receptor (13) de usuario comprende una antena receptora, en un sistema de comunicaciones sin hilos; caracterizado por que el procedimiento incluye los pasos de:
    -
    recepción de información de un canal radio transmitido desde el receptor (13) hacia el nodo de acceso,
    -
    precodificación de bits de información, en un precodificador del nodo de acceso, a transmitir al receptor (13), según un criterio de mínimo error cuadrático medio MMSE,
    -
    asignación de un nivel de potencia para transmitir cada bit de información precodificado a través de múltiples antenas transmisoras, donde el nivel de potencia asignado a cada canal radio sumado con la inversa de su relación global señal a ruido e interferencia SINR es una constante que se obtiene en un proceso iterativo, siendo asignado a un canal radio más débil un nivel de potencia reducidoyaun canal radio más fuerte se le asigna un nivel de potencia más elevado.
  2. 2.
    Método de acuerdo a la reivindicación 1; caracterizado por que el método comprende también el paso de transmisión de los canales radio a través de las antenas transmisoras.
  3. 3.
    Método de acuerdo a la reivindicación 2; caracterizado por que el método comprende también el paso de recepción de los canales radio transmitidos por medio de la antena receptora.
  4. 4.
    Un nodo de acceso incluido en el lado transmisor de un sistema de comunicaciones sin hilos, que comprende una pluralidad de antenas transmisoras, para transmitir hacia un lado receptor de usuario, donde el receptor (13) de usuario comprende una antena receptora; caracterizado por que incluye medios adaptados para realizar el método de las reivindicaciones1a3.
  5. 5.
    Nodo de acceso de acuerdo a la reivindicación 4; caracterizado por que el nodo de acceso es una estación base que comprende un dispositivo coordinador para coordinar la transmisión conjunta de niveles de potencia asignados a bits de información precodificados a través de la pluralidad de antenas transmisoras.
  6. 6.
    Nodo de acceso de acuerdo a la reivindicación 4; caracterizado por que el nodo de acceso es una estación base que comprende una antena transmisora.
  7. 7.
    Nodo de acceso de acuerdo a la reivindicación 6; caracterizado por que una estación base está adaptada para coordinar la transmisión conjunta de niveles de potencia asignados a bits de información precodificados a través de una pluralidad de estaciones base que incluyen una o varias antenas transmisoras.
    ES 2 360 039 Bl
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201031785
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 01.12.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : H04B7/04 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A A A A
    US 2009197632 A1 (GHOSH DONNA et al.) 06.08.2009, párrafos [36-57]; figuras 2,4A. US 2003161282 A1 (MEDVEDEV IRINA et al.) 28.08.2003, párrafos [11,31,34,55,58]. US 2009117911 A1 (MOLISCH ANDREAS F et al.) 07.05.2009, párrafos [3,10,14,15,23]. US 2004013207 A1 (SARTORI PHILIPPE JEAN-MARC et al.) 22.01.2004, párrafos [40-60]. 1-7 1-7 1-7 1-7
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 17.05.2011
    Examinador B. Pérez García Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201031785
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H04B, H04M, H04Q, H04W Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, INSPEC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031785
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 17.05.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-7 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-7 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031785
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2009197632 A1 (GHOSH DONNA et al.) 06.08.2009
    D02
    US 2003161282 A1 (MEDVEDEV IRINA et al.) 28.08.2003
    D03
    US 2009117911 A1 (MOLISCH ANDREAS F et al.) 07.05.2009
    D04
    US 2004013207 A1 (SARTORI PHILIPPE JEAN-MARC et al.) 22.01.2004
  8. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    Se considera D01 el documento del estado de la técnica anterior más próximo al objeto de la invención. D01 describe un método de transmisión conjunta para transmisión desde un lado transmisor (MIMO), que comprende una pluralidad de antenas transmisoras (224a -224t) conectadas a un nodo de acceso (AP 210), hacia un lado receptor de usuario (250), donde el receptor de usuario comprende una antena receptora (252a -252r) en un sistema de comunicación sin hilos, caracterizado porque el procedimiento incluye los pasos de: -Recibir información de un canal radio transmitido desde el receptor hacia el nodo de acceso (reverse link message párrafos 44-45). -Precodificación de bits de información, en un precodificador del nodo de acceso a transmitir al receptor (matriz de precodificación con el procesador 230, párrafo 45) -Asignación de un nivel de potencia para transmitir cada bit de información precodificado a través de múltiples antes transmisoras, donde se asigna mayor nivel de potencia al canal con menor interferencia. No obstante, existe una diferencia entre ambos documentos. En D01, se asigna una potencia a cada canal y la potencia restante hasta la potencia máxima es la que se distribuye según la eficiencia de cada portadora; esto supone que se asigna más potencia al canal de datos con un menor nivel de interferencia, consiguiéndose una mayor eficiencia espectral. En la solicitud en cambio, se considera que el nivel de potencia de cada canal sumado con la inversa de su SINR es una constante, de forma que al canal más fuerte (con menor interferencia) se le asigna mayor potencia, y viceversa. A la luz de este razonamiento, ambos documentos consiguen un efecto similar, pero de forma diferente. Por tanto, se considera que la solicitud cumple los requisitos de novedad y actividad inventiva exigidos en los Arts. 6 y 8 de la Ley Española Patentes.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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