ES2643714T3

ES2643714T3 - Método para realizar acceso múltiple en sistemas celulares de OFDM inalámbricos a través de canales inalámbricos multitrayectoria considerando tanto los dominios de espacio como de frecuencia, estación base y programas informáticos de los mismos

Info

Publication number: ES2643714T3
Application number: ES14382559.4T
Authority: ES
Inventors: Javier LORCA HERNANDO
Original assignee: Telefonica SA
Current assignee: Telefonica SA
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: US9425870B2; EP3038270B1; US20160182196A1; EP3038270A1

Description

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5

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35

(k, l) los rayos 401, 402 de transmisión encontrarán varios obstáculos 403 en su camino. Los haces 404, 405 reflejados llegarán al receptor 106 con diferentes amplitudes y fases conduciendo de esta manera a diferentes

Hi [k, l, n, m, f ]

coeficientes de canal . Es importante destacar que (k, l) representa una dirección de transmisión (no una dirección recibida): una señal de transmisión dada en la dirección (k, l) puede sufrir eventualmente de múltiples reflexiones y se recibirá por lo tanto en múltiples direcciones de llegada.

Hi[k, l, n, m, f ]

La función de transferencia de canal angular sería muy difícil de medir en la práctica puesto que cada elemento de antena 103 radia en todas las direcciones en espacio y cada dirección debería aislarse idealmente antes de obtener los coeficientes de canal.

Puede definirse el perfil angular del usuario i, i , como el conjunto de direcciones de transmisión en la cuadrícula (u, v) que dan como resultado potencias recibidas distintas de cero en el usuario

(k , l ), j 0,..., NN 1de manera que se recibe señal no nula mediante el usuario i

i jj 12

i:

Al contrario de la técnica anterior, i contiene las direcciones en el lado de transmisión que conducen a señal apreciable en el lado de recepción. Los enfoques de la técnica anterior normalmente consideran el espectro angular en ambos lados de transmisión y de recepción cuando se caracteriza la respuesta de canal angular [8], y esto requiere capacidades de detección de canal precisas en el receptor que no son posibles con únicamente una antena. La presente invención simplifica este punto restringiendo la caracterización multitrayectoria en el lado de transmisión donde está disponible alta resolución angular.

AT [n, m, f ]

Bajo excitaciones de antena en el dominio de frecuencia , dadas por

N 1

c

1 2

AT [n,m, f ] 

imagen10AT [n,m,t]expj ft 



Nt0  Nc 

c

, la señal recibida en el usuario i comprenderá la suma de



todos los componentes multitrayectoria que corresponden a las direcciones contenidas en i , que se ven

Hi [k, l, n, m, f ]

afectadas adicionalmente mediante los coeficientes de canal :

N 1N 1

12

1  2 2

SR,i [ f ] 

imagen11 AT [n,m, f ]Hi [k,l,n,m, f ]expj nk expj ml



N1 N2(k,l)in0 m0  N1  N2 

.

Obtener las excitaciones de antena requeridas a partir de la ecuación anterior para unos datos de usuario dados no

Hi[k, l, n, m, f ]

es sencillo. Por otro lado, el conocimiento de los coeficientes de canal en el transmisor no sería fácil ya que los usuarios no pueden en principio discriminar las direcciones de transmisión que corresponden a cada uno de los componentes recibidos. Sin embargo, en el régimen de campo lejano, es razonable considerar que la señal combinada en una dirección dada del espacio experimente una respuesta de canal eficaz que es independiente de (n, m) e incluya los efectos de las reflexiones en los objetos circundantes, las diferentes distancias

Hi [k,l, n, m, f ] Hi [k,l, f ]

cubiertas mediante los rayos y los patrones de antena de receptor: . Esto se ilustra

(,)

en la Figura 5. Para cada dirección las ondas 501 planas procedentes del conjunto 103 de antenas se reflejan en los obstáculos 502, y la magnitud en cada rayo s se multiplica por diferentes coeficientes de canal H, H’, H’’… etc., conduciendo a múltiples rayos 503 reflejados que llegan al usuario 106. Estos componentes de canal “elementales” incluyen los efectos de las diferentes distancias de propagación y los múltiples fenómenos de reflexión, difracción y dispersión. La señal recibida comprenderá por lo tanto la superposición de múltiples

Hi[k, l, f ]

componentes que conducen a una respuesta de canal eficaz combinada , que únicamente depende de las direcciones angulares (k, l) y puede estimarse en el lado de transmisión. La expresión para la señal recibida se simplificará en este caso a:

N 1N 1

12

1  2 2

SR,i [ f ] 

imagen12 imagen13Hi[k,l, f ] AT [n,m, f ]expj nk expj ml N1 N2(k,l)in0 m0  N1  N2  1

 Hi[k,l, f ]DFT AT [n,m, f ]

n,m

(k,l)i DFT1 n,m

donde indica la Transformada de Fourier Discreta inversa en las coordenadas (n, m). La señal recibida comprende por lo tanto un número de componentes multitrayectoria en direcciones en el espacio

11 5

10

15

20

25

30

35

40

45

Hi[k, l, f ]

dadas, comprendiendo cada una un coeficiente de canal complejo veces una DFT inversa de las excitaciones de la antena en las coordenadas (n, m). Los coeficientes de canal representan una respuesta de canal eficaz que comprende las múltiples reflexiones, difracciones y desplazamientos de fase relativos experimentados mediante las señales de transmisión en la dirección (k, l) que conducen a múltiples trayectorias recibidas.

Estimación de los coeficientes de canal y perfiles angulares

El conocimiento de los coeficientes de canal en el lado de transmisión es ventajoso para la aplicación de técnicas de precodificación que intentan maximizar la SNR recibida en los usuarios 106. Los coeficientes de canal pueden estimarse en el lado de transmisión en modo de TDD (aprovechando la reciprocidad de canal) por medio de transmisión, mediante los usuarios 106, de señales de entrenamiento o piloto conocidas en el canal de enlace ascendente, y descomponiendo las señales recibidas mediante la estación 100 base en búsqueda de sus haces constituyentes. El número de componentes multitrayectoria no nulos experimentados mediante los usuarios 106 para cada dirección de transmisión será igual a las señales recibidas mediante la estación 100 base en (k, l) direcciones

Hi[k, l, f ]

con potencia distinta de cero. puede obtenerse por lo tanto a partir de la siguiente ecuación:

DFT1A [n, m, f ]H [k,l, f ]Piloto[ f ] N

R i i Pilotoi[ f ]

n,m , donde indica la señal piloto/de

Hi[k, l, f ]

entrenamiento conocida a priori transmitida mediante el usuario i; es la respuesta de frecuencia de

AR[n, m, f ]

canal asociada con el usuario i en la dirección (k, l); representa las señales recibidas en los elementos de antena (n, m) en el dominio de frecuencia; N es un componente de ruido aditivo complejo; y la DFT inversa se define mediante:

N 1N 1

11  2 2

DFT AR[n,m, f ] imagen1412 A [n,m, f ]exp j nk exp j ml

 R 

n,m

N1 N2 n0 m0  N1  N2 

.

Hi[k, l, f ]

La estimación de puede realizarse usando cualquier técnica de estimación adecuada (tal como, por ejemplo, filtrado de Wiener o Mínimo Error Cuadrático Medio Lineal (LMMSE), entre otros), sin alejarse de las ideas propuestas en esta invención. Como ejemplo, la estimación de LMMSE bajo el ruido Gaussiano complejo conduciría a la siguiente expresión:

Pilotoi[ f ] 1

Hˆ i[k,l, f ]  2 DFT AR[n,m, f ]

n,m

Pilotoi[ f ] 1/ SNR

.

Cada usuario 106 transmitiría una señal piloto/de entrenamiento diferente (idealmente ortogonal), de modo que la estación 100 base puede discriminar cada uno de los componentes de canal que corresponden a cada uno de los usuarios 106. Los factores de amplitud resultantes de la diferencia en potencias entre las señales transmitidas y

Hˆ i [k,l, f ] AR [n,m, f ]

recibidas deberían eliminarse antes de obtener , por ejemplo mediante normalización de .

i

Incluso si no puede suponerse la reciprocidad de canal (por ejemplo, en modo de FDD), los perfiles angulares

i

pueden estimarse en la transmisión por medio del mismo procedimiento. contiene las direcciones (k, l) que conducen a la magnitud de señal apreciable en el receptor y pueden por lo tanto estimarse en el transmisor a partir de las señales piloto/de entrenamiento de enlace ascendente. El espacio (u, v) en la dirección de enlace ascendente será ligeramente diferente que el del enlace descendente debido a las diferentes frecuencias centrales en el enlace

u,v

ascendente y enlace descendente, que conducen a diferentes valores de y por lo tanto a diferentes cuadrículas de haz. Esta diferencia debería tenerse en cuenta cuando se analizan las direcciones de llegada del enlace ascendente y se traducen de vuelta a las direcciones de salida del enlace descendente en modo de FDD. Los canales normales presentan un gran número de componentes multitrayectoria en todas las direcciones en espacio, pero únicamente unos pocos de ellos tienen influencia significativa. Para mantener los componentes más significativos es posible descartar aquellas direcciones para las que las potencias recibidas están por debajo de un umbral dado (absolutas o relativas a la trayectoria más intensa). Las trayectorias resultantes caracterizan el perfil angular del usuario i en el lado de transmisión, y a continuación pueden aprovecharse adicionalmente para evitar la interferencia inter-usuario.

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Claims

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(,)

estando caracterizado cada uno (UE1, UE2,…, UEM’) de dichos usuarios (106) por los ángulos en un

(u,v)

sistema de coordenadas esféricas discretizado a través de un espaciado de cuadrícula en el dominio (u,

u sen()cos() v sen()sen() dx /(N1u)

v) para conseguir ortogonalidad siendo , , ,

dy /(N2v) uk k u vl l vk 0,1,..., N1 1 l 0,1,..., N2 1

, y , para , , caracterizado por que la estación (100) base incluye:  una unidad (101) planificadora configurada para recibir, desde cada uno (UE1, UE2,…, UEM’) de los usuarios

(106) señales de entrenamiento o piloto conocidas, y para obtener las señales de entrenamiento o piloto conocidas recibidas en el dominio (u, v) por medio de:

N 1N 1N 1

c 12

1 2  2 2

SR [k,l, f ] 

imagen5A [n, m,t]exp j ft exp j nk exp j ml 

 R 

NcN1 N2 t0 n0 m0  Nc  N1  N2 

,

AR[n, m,t]

donde indica la señal de dominio de tiempo recibida mediante el elemento de antena (n, m), Nc indica

SR[k,l, f ]

el número de subportadoras en el dominio de frecuencia, y indica los componentes de frecuencia del haz recibido en la dirección (k, l); y  medios (102) de procesamiento configurados para:

i

 estimar un perfil angular que caracteriza cada uno (UE1, UE2,…, UEM’) de los usuarios (106), en el que si la estación (100) base tiene conocimiento completo de las características del canal (105) inalámbrico multitrayectoria entre ella y cada uno (UE1, UE2,…, UEM’) de dichos usuarios (106), comprendiendo dicho perfil

i

angular un conjunto de direcciones, o haces, (k, l) en el dominio (u, v) para el que los coeficientes de canal

Hˆ i[k,l, f]

angulares previamente estimados mediante la estación (100) base no son cero:

 (k ,l ),j 0,..., NN 1de maneraque Hˆ[k,l, f ] 0

i jj 12 i

; o en el que si la estación (100) base no tiene información de las características del canal (105) inalámbrico multitrayectoria entre ella y cada uno (UE1, UE2,…, UEM’) de dichos usuarios (106), comprendiendo dicho perfil

i

angular un conjunto de direcciones, o haces, (k, l) en el dominio (u, v) para el que las potencias recibidas desde cada uno de los usuarios no son cero:

 (k ,l ),j 0,..., NN 1de manera que se recibe señal no nula mediante el usuario i ;

i jj 12

i

 descartar de dichos perfiles angulares estimados aquellos perfiles que pertenecen a dos o más perfiles angulares diferentes ya que podrían producir interferencia inter-usuario, conduciendo de esta manera a nuevos

~

i

perfiles angulares dado por:

~

 (k ,l ) :(k ,l ) i'i,i 0,...,M'1

i jj ijj i' ,

donde M’ indica el número de diferentes perfiles angulares después de excluir los haces que producen interferencia inter-usuario, que coincide con el número de usuarios simultáneamente direccionables;

~

i

 asignar potencias a cada uno de los haces contenidos en dichos perfiles angulares , de tal manera que la suma de las potencias de los haces en un perfil angular no supere la potencia asignada al usuario correspondiente; y

 calcular coeficientes de excitación para cada una de dicho gran número de antenas, en el que si la estación (100) base tiene conocimiento completo de las características del canal (105) inalámbrico multitrayectoria entre ella y cada uno (UE1, UE2,…, UEM’) de dichos usuarios (106), por medio de:

 

AT [n, m, f ]  imagen61  PT [k,l] U[k,l, k',l', f ]ST [k',l', f ]

~ ~ 

N1N2(k,l) (k',l') 

22

exp j nk exp j ml



NN

 1  2 

AT[n,m, f ]

donde es el coeficiente de excitación de la antena (n, m) en el dominio de frecuencia,

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