ES2922102T3

ES2922102T3 - Método y sistema para la asociación dinámica de capas espaciales con haces en redes de acceso inalámbrico fijo de ondas milimétricas

Info

Publication number: ES2922102T3
Application number: ES18382719T
Authority: ES
Inventors: Hernando Javier Lorca; Santiago Elena Serna
Original assignee: Telefonica SA
Current assignee: Telefonica SA
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: US20200119776A1; EP3637839B1; BR102019021059A2; EP3637839A1; US11128352B2

Abstract

Método y sistema para asociar dinámicamente capas espaciales a vigas en una red FWA que opera en el rango de frecuencia de onda milímetro. Una estación base (101) y un CPE (102) están dispuestos a transmitir y recibir datos de forma inalámbrica a través de un canal inalámbrico de dicha red FWA, dicha estación base (101) que tiene capacidades de formación de haz de ahora en adelante generando múltiples vigas inalámbricas (103). La estación base (101) realiza todas las funciones inalámbricas de banda base relacionadas para crear, mantener y administrar las conexiones entre la estación base (101) y el CPE (102) a nivel de banda base, en el que se maneja la información en forma de capa espacial de hasta M Señales, y sin capacidades incorporadas para la creación, detección o gestión de las vigas (103). La estación base (101) también realiza todas las funciones de RF necesarias en frecuencias de onda milímetro, incluida la formación de vigas y la conversión de señales de banda base compleja a señales de RF y viceversa, y también combina las señales de RF a dicho canal inalámbrico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método y sistema para la asociación dinámica de capas espaciales con haces en redes de acceso inalámbrico fijo de ondas milimétricas

Campo técnico

La presente invención se refiere, en general, al campo de las comunicaciones inalámbricas. En particular, la invención se refiere a un método, y a un sistema correspondiente, para la asociación dinámica de capas espaciales con haces, y también con usuarios, en redes de Acceso Inalámbrico Fijo que funcionan en el rango de frecuencia de ondas milimétricas.

Antecedentes de la invención

Las técnicas de Múltiples Entradas - Múltiples Salidas Masiva (MIMO Masiva) están alcanzando un nivel considerable de madurez como una de las alternativas más prometedoras para aumentar la eficiencia espectral por unidad de área en las redes celulares. MIMO Masiva se caracteriza por el uso de cantidades masivas de antenas de transmisión y de recepción en el lado de la estación base para mejorar el desempeño de algunas técnicas de múltiples antenas, en concreto, la formación de haces digital/analógica y la multiplexación espacial.

La región de frecuencia de ondas milimétricas (mmWave) comprende radiofrecuencias en el rango de 30 GHz a 300 GHz, aunque, en algunas aplicaciones prácticas, las frecuencias por encima de 6 GHz también se consideran ondas milimétricas. MIMO Masiva en esta región de frecuencia se basa en el uso de mecanismos de formación de haces adecuados para superar la pérdida de trayectoria aumentada que es característica de estas frecuencias en escenarios de propagación prácticos. La disponibilidad de anchos de banda grandes, junto con el potencial para asignar servicios celulares, hace que estas frecuencias sean muy adecuadas para las aplicaciones de Acceso Inalámbrico Fijo (FWA).

Las técnicas de formación de haces digitales hacen uso de múltiples cadenas de transceptores independientes con un control de amplitud/fase completo de las señales en cada antena. Aunque es factible integrar números grandes de cadenas de radiofrecuencia (RF) de transmisión/recepción en frecuencias por debajo de 6 GHz, las ondas milimétricas imponen muchos desafíos en términos de integración, miniaturización, eficiencia energética y complejidad de diseño con un número creciente de antenas. Por esta razón, las aplicaciones prácticas pueden hacer uso de técnicas de formación de haces híbridas, en donde una primera fase digital realiza un control completo de la señal a través de un número limitado de transceptores, y una segunda fase realiza un control de fase analógico de las señales que llegan a/desde cada antena.

La carencia de un control digital completo en las técnicas de formación de haces híbridas impone la necesidad de incorporar capacidades de orientación de haces al sistema inalámbrico, tanto en la fase de acceso/descubrimiento inicial como en modo conectado. Aunque tales técnicas se incluyen a veces como parte de la capacidad de procesamiento de banda base de algunos sistemas (como Nueva Radio, NR, de 3GPP u 802.11ad de IEEE, WiGig), otros sistemas como 802.11ac de IEEE u 802.11 ax de IEEE carecen de tales capacidades.

La incorporación de capacidades de formación de haces híbridas sin soporte de banda base para la orientación de haces impone unas restricciones significativas al uso de técnicas de múltiples antenas en las ondas milimétricas.

En algunas soluciones, como en el documento US 20170215192A1, se propone una asociación estática de capas espaciales con haces (también denominados sectores) en las ondas milimétricas para FWA, en donde los usuarios son atendidos por uno de entre múltiples haces de acuerdo con la ubicación espacial de cada usuario. Sin embargo, en esta solicitud de patente no se divulga una asociación dinámica de capas con usuarios. Por ejemplo, en caso de que un único usuario esté transmitiendo o recibiendo en un instante dado a través de uno de los haces, sin que ningún otro usuario esté activo al mismo tiempo, es esencial permitir la asociación de los haces (no transmisores) restantes con un único usuario para una diversidad y/o multiplexación espacial aumentada, hasta la capacidad del subsistema de procesador de banda base.

En otra arquitectura descrita en los documentos US 947924B2 y US 20130202054A1, los diferentes haces son atendidos por múltiples subsistemas de procesador de banda base, de tal forma que los usuarios atendidos por diferentes haces se pueden beneficiar de la capacidad de procesamiento de banda base máxima asignada por el sistema a cada haz. Esta arquitectura puede proporcionar la capacidad completa a los usuarios, sin embargo, a costa de la complejidad adicional derivada de integrar subsistemas de procesador de banda base independientes en cada haz.

La solución divulgada en el documento US 20050063340A1 tiene como objeto resolver los problemas mencionados anteriormente realizando, en primer lugar, una asociación estática de usuarios con haces basándose en su ID de Usuario y en la posición espacial dentro del sector y permitiendo, en segundo lugar, que una asociación dinámica potencie el desempeño de comunicación por medio de diversidad de transmisión. Sin embargo, la diversidad alcanzada por esta solución se basa en un control de conmutación temporal de la antena usada en la transmisión entre un par de mejores candidatos.

En otra arquitectura más descrita en el documento US 20160226570A1, una arquitectura de agrupación de antenas modulares presenta múltiples subagrupaciones capaces de orientar los haces en cualquier dirección deseada empleando desplazadores de fase adecuados. Esta arquitectura presenta la flexibilidad máxima, siempre que el sistema de procesamiento de banda base soporte procedimientos para la exploración y la orientación de haces tanto en el acceso inicial como en modo conectado. Este esquema es muy adecuado para las aplicaciones de movilidad de ondas milimétricas, sin embargo, el mismo requiere tantos desplazadores de fase como el producto del número de antenas por el número de capas, lo que aumenta significativamente la complejidad y presenta una aplicabilidad inferior a escenarios fijos como FWA.

Por lo tanto, se requieren estrategias inteligentes para generar múltiples haces en FWA para evitar una complejidad alta de banda base o restricciones adicionales impuestas por el uso de asociaciones estáticas de haces con usuarios.

El documento WO2014206461 proporciona un nodo de red de radio y un método en un nodo de red de radio para la comunicación inalámbrica con un UE en un sistema de comunicación inalámbrica en flujos de antena. El nodo de red de radio comprende una pluralidad de subagrupaciones de antenas, que forman una agrupación de múltiples antenas que está configurada para la formación de haces, la multiplexación espacial y la transmisión/recepción de Múltiples Entradas - Múltiples Salidas, MIMO, y que comprende además una unidad de procesamiento de banda base de antena y una unidad de procesamiento de banda base central. El nodo de red de radio comprende además una pluralidad de módulos de antena activos, en donde cada módulo de antena activo está conectado a una de las subagrupaciones de antenas comprendidas en la agrupación de múltiples antenas, y en donde cada módulo de antena activo está configurado para el preprocesamiento de señales a través de la subagrupación de antenas respectiva, antes de que se realice cualquier reenvío de señales a la unidad de procesamiento de banda base central.

El documento WO2016005003 se refiere a una Estación Transceptora Base, BTS, y a un método en la misma, para la comunicación inalámbrica con un Equipo de Usuario, UE, en un sistema de comunicación inalámbrica. La BTS comprende una agrupación de antenas de Múltiples Entradas - Múltiples Salidas, MIMO, configurada para la formación de haces y la transmisión de MIMO. La BTS comprende además un circuito de procesamiento, configurado para soportar la misma precodificación de enlace descendente, o una separada, para el plano de control y el plano de usuario, modificando la excitación de fase de la agrupación de antenas de MIMO y haciendo que un transceptor cree un haz de antena proporcionando una fase diferente para cada elemento de antena de la agrupación de antenas de MIMO; y un transceptor, configurado para transmitir una señal en el haz de antena a través de la agrupación de antenas de MIMO, para su recepción por el UE.

Sumario de la invención

La invención se define mediante las reivindicaciones adjuntas.

Las técnicas anteriores del estado de la técnica o bien asignan capas a haces de forma estática (careciendo, por lo tanto, de flexibilidad) o bien asignan de forma independiente múltiples capas por haz (aumentando, por lo tanto, la complejidad global). Otros diseños más avanzados implican capacidades de exploración de haces completa, comprendiendo tantos desplazadores de fase como es dado por el producto del número de capas y antenas, pero esto requiere una complejidad significativa, así como el soporte de técnicas de exploración de haces en el procesador de banda base. La invención propuesta puede superar las limitaciones de técnicas anteriores, o bien en flexibilidad o bien en complejidad, permitiendo una flexibilidad completa en la asociación de capas con haces en sistemas de múltiples antenas. Tal flexibilidad es esencial en las aplicaciones de FWA para ampliar la cobertura y mejorar la capacidad de proceso de usuario individual.

Breve descripción de los dibujos

Las ventajas y características previas, así como otras ventajas y características, se entenderán más completamente a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones, con referencia a las figuras adjuntas, que deben considerarse de una manera ilustrativa y no limitante, en las que:

La figura 1 muestra el escenario de base para la aplicabilidad de la presente invención. En particular, este escenario comprende al menos una estación base, equipada con uno o múltiples sectores, y un número dado de usuarios dispuestos a acceder a servicios de datos de banda ancha y ubicados en diferentes hogares bajo la cobertura de la estación base. Los servicios de banda ancha incluyen, pero sin limitación, Internet, voz sobre IP, vídeo a la carta, televisión de IP (IPTV) y otras aplicaciones multimedia similares. Tales servicios de banda ancha se proporcionan por medio de conexiones inalámbricas fijas adecuadas entre la estación base y el Equipo en las Instalaciones del Cliente (CPE). Cada sector en la estación base es capaz de generar múltiples haces inalámbricos que cubren el área prevista en el rango de frecuencia de ondas milimétricas. Los haces se generan por medio de técnicas de múltiples antenas de tal forma que la asociación de haces con capas espaciales se puede realizar dinámicamente de una forma flexible.

La figura 2 ilustra un ejemplo de un CPE, que comprende, en este caso, una unidad de exteriores y una de interiores.

La figura 3 ilustra la arquitectura de estación base de acuerdo con una realización de la presente invención. La figura 4 ilustra un ejemplo de la técnica anterior de la fase de descubrimiento entre una estación base y un CPE. La figura 5 ilustra un ejemplo del escenario de red.

La figura 6 ilustra una realización del proceso de determinación de haz durante la fase de descubrimiento.

La figura 7 ilustra una realización del proceso de conmutación de haz durante la transmisión de datos en el enlace descendente.

La figura 8 muestra un ejemplo de la asociación de haces con capas en el enlace descendente.

La figura 9 ilustra una arquitectura de la técnica anterior de la agrupación de antenas de múltiples haces.

La figura 10 ilustra una realización de la agrupación de múltiples haces de antena con división en subagrupaciones aplicable al modo conectado de enlace descendente.

La figura 11 ilustra una realización del subsistema de conmutación de haz aplicable al modo conectado de enlace descendente.

La figura 12 ilustra una realización del subsistema de conmutación de haz con división en subagrupaciones de antenas aplicable al modo conectado de enlace descendente.

La figura 13 es un ejemplo de la estructura de subsistema de conmutación de haz.

La figura 14 ilustra una realización de la detección de haz en el enlace ascendente sin soporte de programador de recursos de radio.

La figura 15 ilustra otra realización de la agrupación de antenas de múltiples haces con determinación de haz en el enlace ascendente.

La figura 16 ilustra una realización del subsistema de conmutación de haz para conexiones de enlace ascendente.

Descripción detallada de realizaciones preferidas

La figura 1 ilustra una realización del sistema propuesto. De acuerdo con esta realización particular, el sistema comprende una estación base 101 que realiza la transmisión y la recepción de señales inalámbricas adecuadas a/desde múltiples usuarios, usando un número B predeterminado de haces inalámbricos 103. La estación base 101 comprende al menos un subsistema de procesador de banda base 104 que realiza todas las tareas de banda base necesarias tras la transmisión y la recepción, y un subsistema de extremo frontal de RF 105 que tiene por objeto traducir las señales de banda base al rango de frecuencia deseado, así como acoplar el sistema al medio inalámbrico por medio de estructuras radiantes adecuadas, como antenas o agrupaciones de antenas. El procesador de banda base 104 es capaz de manejar hasta M señales diferentes correspondientes a capas espaciales, que se pueden asociar con uno o múltiples usuarios, a través de uno o múltiples haces 103. Cada haz 103 puede atender a uno o múltiples usuarios simultáneamente. Se supone que los usuarios están ubicados en posiciones estáticas, y las frecuencias de funcionamiento pertenecerán al rango de frecuencia de ondas milimétricas (en la práctica, por encima de 24 GHz para evitar conflictos con el ecosistema satelital). Se supone que en el subsistema de extremo frontal de RF hay presentes unas agrupaciones de antenas que comprenden N antenas, habilitando de este modo el uso de técnicas de formación de haces adecuadas para superar la pérdida de trayectoria.

Los usuarios son atendidos por medio de un CPE 102 adecuado, que es un dispositivo instalado en las instalaciones del usuario y habitualmente orientado hacia la estación base 101 para beneficiarse de unas condiciones de propagación de señal buenas (ideal, pero no necesariamente, línea de visión). Los CPE 102 pueden comprender o bien una única unidad de exteriores 201, instalada en un lugar conveniente en las instalaciones del usuario, o bien la combinación de una unidad de exteriores 201 y una unidad de interiores 202, como se muestra en la figura 2. Esta última, en este caso, se encargaría de distribuir la señal en interiores por medio de cualquier norma alámbrica o inalámbrica adecuada, como Ethernet (802.3 de IEEE), WiFi (802.11 de IEEE) o Bluetooth (802.15 de IEEE), entre otras. La unidad de exteriores 201 se encargaría de comunicarse con la estación base 101 por medio de cualquier norma inalámbrica adecuada que opere en ondas milimétricas, también con algunas capacidades de formación de haces a través del uso de múltiples (M) antenas.

Con referencia a la figura 3, en la misma se ilustra un diagrama de alto nivel de una estación base inalámbrica 101 adecuada para las aplicaciones de FWA. Para los fines de la presente invención, solo se describen los módulos que se consideran relevantes, y se resaltan sus elementos constituyentes. Para un funcionamiento correcto están implícitos más elementos, como filtros, amplificadores, diplexores, elementos pasivos o conmutadores de RF, entre otros.

El subsistema de procesador de banda base 301 realiza todas las funciones de banda base requeridas por la norma inalámbrica en uso por la estación base 101 en la transmisión y en la recepción. Este funciona a nivel digital de banda base con las muestras digitalizadas IQ complejas de las señales de banda base, que son convertidas posteriormente al dominio analógico y traducidas a la frecuencia de portadora deseada por el RFIC. Los datos se transfieren al resto de la red por medio de una conexión de retroceso 306 adecuada, como se muestra en la figura 3.

El RFIC 302 contiene todas las funciones de RF necesarias que tienen por objeto convertir las señales de banda base complejas en señales reales analógicas apropiadas a la frecuencia de portadora que alimentan la agrupación de antenas de múltiples haces 305. El subsistema de conmutación de haz 303 se puede considerar parte del RFIC (como en la figura 3) o comprender un submódulo independiente. Este controla la agrupación de antenas de múltiples haces 305 para generar múltiples haces y capas espaciales según sea permitido por la estación base 101. El módulo de determinación de haz 304 también se puede considerar parte del RFIC y detecta la presencia de señales de enlace ascendente por medio de detectores de energía adecuados. Este conecta las cadenas de RF del haz 103 con la recepción más fuerte al subsistema de procesador de banda base 301, apagando los otros haces 103 para evitar interferencias.

La agrupación de antenas de múltiples haces 305 acopla las señales de RF con el medio inalámbrico y comprende una colección de N antenas preparadas para transmitir y recibir en el rango de frecuencia de ondas milimétricas. Las antenas están dispuestas habitualmente en una agrupación plana rectangular, pero también pueden seguir otras formas geométricas según las necesidades de la estación base 101.

Acceso inicial de los usuarios.-

El procedimiento básico para conectar los CPE 102 a la estación base 101 en un escenario de FWA típico comprende las etapas representadas en la figura 4. El CPE 102 de un usuario descubre en primer lugar la presencia de una estación base 101 por medio de pilotos, o balizas, adecuados, que se supone que se pueden detectar periódicamente. El CPE 102 sincroniza su circuitería interna con la frecuencia real de funcionamiento y, entonces, transmite de vuelta una señal adecuada que indica lo dispuesto que está el usuario a conectarse a tal red. Esto se denominará "fase de descubrimiento". Los detalles cambian de acuerdo con la norma inalámbrica real en uso, pero la intención en todos ellos es permitir que la estación base 101 registre la presencia de un usuario dispuesto a acceder a la estación base 101, y el acuse de recibo apropiado.

Se supondrá que los pilotos son visibles en todas partes en la estación base 101. En particular, se supone que el escenario de red comprende múltiples células, subdivididas adicionalmente en sectores, en donde la estación base 101 es capaz de atender a todos los CPE 102 en su interior (véase la figura 5). Por lo tanto, los pilotos se transmiten a través de múltiples haces 103 orientados en diferentes ángulos, o bien en azimut, o bien en elevación o bien en ambos. Sin embargo, la respuesta desde el CPE 102 llegará a la estación base 101 solo en una dirección definida en el espacio correspondiente a los ecos de señal reales que inciden sobre el receptor. Dada la presencia probable de condiciones de línea de vista entre la estación base 101 y el CPE 102 para superar la pérdida de trayectoria, y dado que la formación de haces reduce la dispersión angular de la señal en la transmisión y en la recepción, la estación base 101 recibirá probablemente el eco más fuerte en un haz 103 específico, posiblemente con ecos adicionales presentes en otros haces 103. En la figura 6, un módulo de determinación de haz 304 dentro del RFIC 302 discriminará entonces el haz 103 de la recepción más fuerte para la señal recibida (es decir, el haz preferido), encaminará la señal de RF a través de un subsistema de conmutación de haz 303 de vuelta al subsistema de procesador de banda base 301, y reenviará una indicación del haz preferido para su uso posterior.

Con esta información, el subsistema de procesador de banda base 301 detectará la presencia de la señal recibida e iniciará el procedimiento de acceso inicial de acuerdo con los detalles específicos de la norma inalámbrica en uso. Como resultado del acceso inicial, se almacena una identificación de usuario (ID de usuario) apropiada en una memoria del subsistema de banda base 301, por ejemplo, en forma de una tabla 601, para las comunicaciones subsiguientes hacia/desde el mismo en el estado conectado. Junto con tal identificación, también se le asociará un identificador de haz preferido de tal forma que el par (ID de usuario, haz preferido) identifica a los usuarios que están acampando (o registrados) en la célula y los enlaza con el haz real en uso. Esto completaría con éxito la fase de descubrimiento.

De acuerdo con la presente invención, la ID de usuario puede comprender una dirección de MAC, una Identificación Temporal de Red de Radio (RNTI), o cualquier otro identificador adecuado y no ambiguo. El alcance para la identificación del usuario se puede limitar a un sector o célula en donde los usuarios pueden ser direccionados sin ambigüedades con un haz específico.

Modo conectado en sentido de enlace descendente.-

Siempre que se vayan a transferir datos al CPE 102 procedentes de algún otro lugar en la red, el sistema entra en modo conectado. Los datos dirigidos a un CPE 102 específico pueden implicar una o varias capas espaciales (hasta M) de acuerdo con el orden de MIMO de la transmisión, que depende, a su vez, de las características de propagación y de las capacidades de MIMO del dispositivo de usuario 102.

En el sentido de enlace descendente, en una realización, el subsistema de procesador de banda base 301 comprueba en primer lugar el haz preferido correspondiente a la ID de usuario que se va a direccionar y reenvía una indicación de haz adecuada al subsistema de conmutación de haz 303 como se muestra en la figura 7. El subsistema de conmutación de haz 303 asocia entonces las señales correspondientes a las capas espaciales activas previstas para ese usuario con el haz 103 apropiado. Si se va a direccionar más de un usuario (el CPE 102) al mismo tiempo (con una o múltiples capas espaciales por usuario), se pueden aprovechar las técnicas de MU-MIMO. El procesador de banda base 301 comprueba los haces 103 preferidos correspondientes a los CPE 102 activos y envía indicaciones de haz al subsistema de conmutación de haz 303 para un enlazamiento eficaz de las capas espaciales con los haces 103 relevantes. Se puede asociar más de una capa espacial con un único haz 103 dirigido a uno o múltiples CPE 102, con la única restricción de no superar el número máximo de capas según sea determinado por las capacidades de MIMO de la estación base.

Los CPE 102 activos pueden pertenecer a los mismos o diferentes haces 103, y cada uno de estos se puede direccionar con una o múltiples capas espaciales, dependiendo de las capacidades del usuario y el número máximo de capas M soportado por la estación base. Como ejemplo, en un escenario hipotético ilustrado en la figura 8, dos CPE 102 están activos a la vez en diferentes haces 103 de una estación base 101 que soporta un máximo de cuatro haces 103 simultáneos y cuatro capas espaciales (B = 4 y M = 4). El primer CPE (el CPE n.° 1 en la figura), que se supone que soporta un máximo de una capa, recibe solo una capa espacial en uno de los haces 103. El otro usuario (el CPE n.° 2 en la figura), que se supone soporta hasta MIMO 3 x 3, recibe tres capas espaciales simultáneas en otro haz 103. Las tres capas del CPE n.° 2 pueden o bien mejorar la calidad de señal recibida a través de técnicas de formación de haces o de diversidad de transmisión, o bien aumentar la tasa de datos a través del uso de la multiplexación espacial. El uso de uno u otro método será una elección del subsistema de procesador de banda base 301 y dependerá de las condiciones de canal instantáneas.

Las señales correspondientes a los diferentes haces 103 se transmitirán realmente por medio de cualquier técnica de múltiples antenas adecuada. Las alternativas implican el uso de desplazadores de fase, lente de Rotman, lente de Luneburg, transformadores de guía de ondas u otros dispositivos de RF que tienen por objeto introducir fases progresivas en las señales que excitan los elementos de antena de la agrupación 305. Una restricción importante cuando se selecciona este tipo de dispositivo de RF es que debería permitir la combinación de hasta M señales (correspondientes a M capas espaciales) en un único haz, como sería el caso cuando todas las M capas tengan que transmitirse en un único haz (o bien hacia un único CPE 102 o bien hacia múltiples CPE 102).

Con referencia a la figura 9, en la misma se ilustra una arquitectura de agrupación de antenas de múltiples haces 305 a partir de técnicas de la técnica anterior. La agrupación de antenas de múltiples haces 305 permite la combinación de múltiples capas espaciales en un único o múltiples haces 103. Suponiendo que un máximo de M capas van a ser transmitidas por la agrupación de antenas 904, y que se permite una formación de haces horizontal y vertical completa, se disponen N elementos de antena 903 (habitualmente en una configuración rectangular) junto con N x M desplazadores de fase programables 901. Los desplazadores de fase 901 realizan la tarea de desplazar las fases de los elementos de antena para orientar las direcciones de las M capas espaciales en uso. Cada elemento de antena 903 debe ser controlado entonces por M desplazadores de fase 901 diferentes, cuyas salidas se combinan 902 para permitir la transmisión/recepción simultánea en direcciones posiblemente diferentes. A veces, solo se permiten desplazamientos de fase 901 discretos para simplificar los elementos de desplazador de fase.

Aunque tiene la máxima flexibilidad, la limitación principal en esta arquitectura de la técnica anterior es la complejidad del diseño global. Los desplazadores de fase 901 introducen pérdidas de inserción y aumentan el coste y la complejidad globales, especialmente cuando se encapsulan estructuras de antena muy densas.

En la figura 10 se muestra una disposición alternativa más sencilla para la agrupación de antenas de múltiples haces 305. Esta implica una colección de B subagrupaciones 1001, en donde cada subagrupación de antenas 1001 contiene (N / B) elementos de antena 1002 y es adecuada para orientar la radiación estáticamente en una dirección específica en el espacio (o bien mecánica o bien eléctricamente). Cada subagrupación 1001 debería permitir la transmisión de hasta M capas espaciales, aunque de nuevo el número total de capas transmitidas en todos los haces 103 no debe superar M. A las diferentes capas espaciales se les tendrá que asignar diferentes grupos de antenas, para permitir la generación independiente de más de una capa espacial dentro de un haz 103 dado. Por lo tanto, se pueden incluir hasta M grupos de (N / B) / M antenas dentro de cada subagrupación 1001.

Con referencia a la figura 11, en la misma se ilustra una realización del subsistema de conmutación de haz 303 en relación con la agrupación de antenas 904 de la figura 9. En este caso, M puertos de entrada portan las señales de las diferentes capas espaciales según son entregadas por el subsistema de procesador de banda base 301. Las capas espaciales se encaminan a la estructura de desplazador de fase, en donde N x M salidas de control configuran los desplazamientos de los N x M desplazadores de fase 901 para orientar los haces 103 correspondientes a las M señales de capa espacial.

En otra realización, mostrada en la figura 12 con referencia a la figura 10, B x M puertos de salida a partir del subsistema de conmutación de haz 303 alcanzan B x M grupos diferentes de antenas 1002 a lo largo de todas las subagrupaciones 1001, para la excitación individual de las capas espaciales transmitidas en cada haz 103. Solo los grupos de antenas 1002 implicados realmente en la transmisión de las capas activas se excitan para cada haz 103. Uno o más haces 103 pueden estar activos en un instante dado (dependiendo de los CPE 102 que estén siendo atendidos a través de MU-MIMO), y el número total de capas transmitidas en todos los haces 103 no debe superar M. Un máximo de M grupos de antenas 1002 pueden estar simultáneamente activos a la vez (pertenecientes a los mismos o diferentes haces 103).

La figura 13 muestra una realización que ilustra una estructura posible del subsistema de conmutación de haz 303 con referencia a la figura 12. El subsistema de procesador de banda base 301 indica en primer lugar, de acuerdo con la asociación realizada durante el acceso inicial entre los CPE 102 y los haces 103, cuáles de los haces B 103 deben estar activos para cada capa espacial. Un número de conmutadores de RF 1301 conectan entonces las capas espaciales con el grupo de antenas 1002 en cada haz 103 que se encargan de la transmisión de esa capa. Hay un total de M conmutadores 1301, cada uno capaz de encaminar una señal de capa espacial hacia cualquiera de los haces 103. Cada conmutador de RF 1301 tiene un puerto de entrada (correspondiente a una capa de señal) y B salidas posibles (correspondientes a los diferentes haces 103), con una entrada de control que depende de los CPE 102 activos en cada instante y de la asociación (ID de usuario, haz preferido) realizada después del acceso inicial.

Modo conectado en sentido de enlace ascendente.-

Siempre que un usuario (el CPE 102) esté dispuesto a transmitir datos de cabida útil a la red, el dispositivo de usuario entrará en modo conectado (si no está aún en el mismo) y se iniciará la transmisión hacia la estación base 101.

En el sentido de enlace ascendente, uno o múltiples CPE 102 pueden estar activos a la vez y transmitir datos de cabida útil a la estación base 101. En un escenario de múltiples haces, la estación base 101 tendrá que estar preparada para recoger energía de los CPE 102 ubicados en cualquier dirección a través del haz 103 más apropiado.

Si la estación base 101 implementa un programador de recursos de radio, como, por ejemplo, en NR de 5G o IEEE 802.11ax, el subsistema de procesador de banda base 301 conocerá con antelación qué dispositivos van a estar activos en cada instante y preparará la agrupación de antenas de múltiples haces 305 y el subsistema de conmutación de haz 303 para ello. Como se muestra en la figura 7 para el sentido de enlace descendente, unos indicadores de haz adecuados pueden ser enviados por el subsistema de procesador de banda base 301 al subsistema de conmutación de haz 303 para activar los haces apropiados también para la recepción de enlace ascendente, y para encender solo los amplificadores de recepción implicados realmente. Si varios CPE 102 ubicados en diferentes haces 103 transmiten al mismo tiempo, y si la estación base 101 soporta MU-MIMO, será necesario activar más de un haz 103.

Si la estación base no soporta un programador de recursos de radio, como, por ejemplo, en 802.11ac de IEEE, el sistema tendrá que hallar el haz 103 que mejor se ajuste a la ubicación física del CPE 102 (denominado haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente). El hallazgo de haces se puede realizar mediante diferentes métodos, incluyendo detectar la energía más fuerte 1401 en las salidas de los LNA 1402 de las diferentes capas espaciales, como se muestra en la figura 14. Una vez que se ha recibido la señal y se ha descodificado la ID de usuario, el haz detectado se puede comprobar doblemente contra el par (ID de usuario, haz preferido) almacenado previamente en la tabla 601 durante la fase de acceso inicial. Cualquier decisión discrepante puede conducir a descartar el paquete para evitar una recepción errónea a través de un haz incorrecto, lo que puede estar motivado por o bien el ruido de canal, o bien múltiples trayectorias de canal, o bien la interferencia o bien cualquier otra degradación de señal.

Las estructuras de la agrupación de antenas de múltiples haces 305 descritas anteriormente también se pueden analizar en el contexto del sentido de enlace ascendente. Haciendo referencia de nuevo a la figura 9, es necesario que el subsistema de procesador de banda base 301 conozca con antelación qué haz 103 es necesario activar en cada instante de tiempo para la recepción de una señal de enlace ascendente de un CPE 102 dado. Esto requiere la presencia de un programador de recursos de radio y el acceso a los pares (ID de usuario, haz preferido) según se descubren durante la fase de acceso inicial. Si no se implementa ningún programador de recursos de radio, la estación base 101 no tendrá conocimiento a priori de las señales de enlace ascendente que van a ser recibidas por los CPE 102. Si una o múltiples señales de enlace ascendente se reciben súbitamente en un instante de tiempo dado, la carencia de información acerca de los haces 103 esperados hace que sea muy difícil que el subsistema de conmutación de haz 303 active rápidamente los haces 103 correspondientes para una recepción correcta en los instantes de tiempo apropiados.

La disposición mostrada en la figura 15 ilustra una realización alternativa, en donde B subagrupaciones 1001 se asocian con los haces 103 orientados estáticamente hacia las diferentes direcciones en el espacio (o bien mecánica o bien eléctricamente). Cada subagrupación de antenas 1001 contiene (N / B) / M grupos de elementos de antena 1002, cada uno de los cuales es adecuado para recibir una capa espacial solo en una dirección específica en el espacio correspondiente a un haz 103. Cada subagrupación 1001 debería permitir la recepción simultánea de tantas capas espaciales como sea permitido por el sistema. Si no se soporta MU-MIMO en el enlace ascendente, entonces solo se tendrá que recibir un haz 103 a la vez. Incluso en este caso, se podrían recibir varias capas espaciales dentro de un haz 103 dado dependiendo de las capacidades de MIMO de enlace ascendente del CPE 102.

Independientemente de si una o múltiples capas espaciales son enviadas por un CPE 102, las señales de RF recibidas por todas las antenas 1002 en un grupo dentro de una subagrupación activa 1001 se pueden combinar y entregar al subsistema de procesador de banda base 301, que o bien combinará coherentemente las capas espaciales para reforzar la calidad de señal o bien realizará la desmultiplexación espacial de las capas. Lo primero se puede lograr a través de, por ejemplo, técnicas de Combinación de Relación Máxima (MRC) o Combinación de Rechazo de Interferencia (IRC).

Haciendo referencia de nuevo a la figura 11, esta figura muestra una realización para el subsistema de conmutación de haz 303 con referencia a la agrupación de antenas 904 de la figura 9, en donde se supone que un programador de recursos de radio es soportado por la estación base 101. Suponiendo que la agrupación de antenas de múltiples haces 305 conoce con antelación los N x M desplazamientos de fase 901 apropiados a aplicar para cada haz 103 y cada capa espacial, se entregarán M puertos de salida que portan las señales de las diferentes capas espaciales al subsistema de procesador de banda base 301.

En otra realización, mostrada en la figura 16 con referencia a la agrupación de antenas 904 en la figura 15, B x M puertos de salida a partir de los diferentes grupos de antenas 1002 dentro de cada subagrupación 1001 alcanzan el subsistema de conmutación de haz 303. Si se soporta MU-MIMO en el enlace ascendente, o se implementa un programador de recursos de radio, el sistema conoce con antelación qué capas espaciales y qué haces 103 se van a recibir. El subsistema de procesador de banda base 301 informa entonces al subsistema de conmutación de haz 303 acerca de qué haces 103 y capas espaciales preferidos deben estar activos en un instante dado. Con esta información, las señales recibidas desde los M grupos de antenas 1002 correspondientes a las capas espaciales implicadas dentro de los haces activos se entregan al subsistema de procesador de banda base 301. Si no se soporta MU-MIMO en el enlace ascendente y no se implementa ningún programador, solo un haz 103 está activo a la vez (aunque, posiblemente, con varias capas espaciales). El subsistema de conmutación de haz 303 halla entonces el haz 103 (el haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente) que mejor se ajusta a la orientación física del CPE 102 por medio de cualquier método adecuado.

Las diferentes realizaciones descritas en la invención propuesta se pueden implementar por medio de elementos de software, elementos de hardware, elementos de firmware o cualquier combinación adecuada de los mismos.

Medio legible por ordenador incluye medio de almacenamiento informático. El medio de almacenamiento puede ser cualquier medio disponible al que pueda accederse por un ordenador. A modo de ejemplo, y no como limitación, tal medio legible por ordenador puede comprender RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM o cualquier otro almacenamiento de disco óptico, almacenamiento de disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnético, o cualquier otro medio que pueda usarse para portar o almacenar código de programa deseado en forma de instrucciones o estructuras de datos y al que pueda accederse por un ordenador. Disco magnético y disco óptico, como se usan en el presente documento, incluyen disco compacto (CD), disco láser, disco óptico, disco versátil digital (DVD), disco flexible y disco Blu-ray, en donde los discos magnéticos habitualmente reproducen datos magnéticamente, mientras que los discos ópticos reproducen datos ópticamente con láseres. Las combinaciones de lo anterior deberían incluirse también dentro del alcance de medio legible por ordenador. Cualquier procesador y el medio de almacenamiento pueden residir en un ASIC. El ASIC puede residir en un terminal de usuario. Como alternativa, el procesador y el medio de almacenamiento pueden residir como componentes discretos en un terminal de usuario.

Como se usa en el presente documento, productos de programa informático que comprenden medio legible por ordenador incluyen todas las formas de medio legible por ordenador excepto en la medida en la que tales medios se consideren señales de propagación transitorias no reglamentarias.

Las descripciones anteriores son realizaciones meramente específicas de la presente invención, pero no pretenden limitar el alcance de protección de la presente invención. El alcance de protección de la presente invención deberá estar sujeto al alcance de protección de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para asociar dinámicamente capas espaciales con haces en una red de Acceso Inalámbrico Fijo, FWA, que funciona en el rango de frecuencia de ondas milimétricas, en donde al menos una estación base (101) y al menos un equipo en las instalaciones del cliente, CPE (102) están dispuestos a transmitir y recibir, de forma inalámbrica, datos a través de un canal inalámbrico de dicha red de FWA, teniendo dicha estación base (101) capacidades de formación de haces, generando en lo sucesivo múltiples haces inalámbricos (103) que tienen por objeto potenciar la detección de señales en el CPE (102), caracterizado por que el método comprende:

- realizar, por un subsistema de procesador de banda base (104, 301) de la estación base (101), todas las funciones inalámbricas de banda base relacionadas con la creación, el mantenimiento y la gestión de las conexiones entre la estación base (101) y el al menos un CPE (102), en donde la información se maneja en forma de hasta M señales de capa espacial que son transmitidas/recibidas por una agrupación de antenas de múltiples haces (305) de la estación base (101), y sin capacidades integradas para la creación, la detección o la gestión de los haces (103); - realizar, por un subsistema de extremo frontal de radiofrecuencia, RF (105, 302) de la estación base (101), todas las funciones de RF necesarias en frecuencias de ondas milimétricas, incluyendo la formación de haces y la conversión desde señales de banda base complejas a señales de RF y viceversa, de tal forma que es posible una asociación completamente flexible entre capas espaciales y haces por medio de un subsistema de conmutación de haz (303) del subsistema de extremo frontal de RF (105, 302) que conecta dinámicamente las señales de capa espacial a grupos de elementos de antena (1002) en el enlace ascendente y en el enlace descendente, de tal forma que solo los grupos de elementos de antena correspondientes al haz (103) en uso para el CPE (102) están implicados en la transmisión/recepción de las señales a/desde tal CPE (102); y

- acoplar, por la estación base (101), las señales de RF a dicho canal inalámbrico y viceversa.

2. El método de la reivindicación 1, en donde un acceso inicial del al menos un CPE (102) a la estación base (101) es manejado por el subsistema de procesador de banda base (104, 301) de la estación base (101) al:

- enviar, por la estación base (101), señales de baliza a través de todos los haces (103) disponibles;

- tras la detección de dichas señales de baliza, solicitar, por el CPE (102), una conexión a la estación base (101) a través de cualquiera de los haces (103) disponibles;

- estimar, por un módulo de determinación de haz (304) en la estación base (101), el haz (103) desde el cual se detecta la mayor cantidad de energía en el enlace ascendente, denominándose este último haz preferido, y conectar un grupo de elementos de antena (1002) implicado en la recepción de dicho haz preferido a una entrada de una capa espacial de dicho subsistema de procesador de banda base (104, 301); y

- detectar, por el subsistema de procesador de banda base (104, 301), una identificación de usuario, ID de usuario, correspondiente a datos de enlace ascendente recibidos, y asociar la ID de usuario con dicho haz preferido usando una tabla (601) que contiene una asociación entre los CPE (102) activos y los haces (103) a través de todo el tiempo de vida de la conexión.

3. El método de la reivindicación 2, en donde dicha ID de usuario es la dirección de Control de Acceso al Medio, MAC, del al menos un CPE (102).

4. El método de la reivindicación 2 o 3, en donde el subsistema de procesador de banda base (104, 301) maneja transmisiones de enlace descendente al al menos un CPE (102), estando este último en modo conectado, comprobando en primer lugar en la tabla (601) el haz preferido correspondiente a la ID de usuario que se va a direccionar, y reenviando entonces un indicador de haz al subsistema de conmutación de haz (303) en la estación base (101), conectando el subsistema de conmutación de haz (303), tras la recepción de dicho indicador de haz, las señales de capa espacial implicadas en la transmisión de enlace descendente con el grupo de elementos de antena (1002) correspondiente a dicho haz preferido.

5. El método de la reivindicación 2 o 3, en donde más de un CPE (102) está activo al mismo tiempo y en donde el subsistema de procesador de banda base (104, 301) maneja transmisiones de enlace descendente a los CPE (102) activos en modo conectado comprobando el haz preferido correspondiente a cada CPE (102) activo y reenviando un indicador de haz para cada CPE activo (103) al subsistema de conmutación de haz (303), conectando este último, tras la recepción de los indicadores de haz, las señales de capa espacial correspondientes implicadas en la transmisión de enlace descendente con el grupo de elementos de antena (1002) correspondiente a cada haz preferido.

6. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el subsistema de procesador de banda base (104, 301) maneja transmisiones de enlace ascendente desde el al menos un CPE (102), estando este último en modo conectado, al:

- si la estación base (101) comprende un programador de recursos de radio encargado de asignar recursos de radio al CPE (102), proporcionar, por dicho subsistema de procesador de banda base (104, 301), al menos un indicador de haz a un subsistema de conmutación de haz (303) en la estación base (101) para activar el haz preferido (103) para la recepción de enlace ascendente correspondiente a la ID de usuario incluida en la tabla (601), incluyendo la capacidad de activar más de un haz (103) si la estación base (101) soporta Múltiples Entradas - Múltiples Salidas de Múltiples Usuarios, MU-MIMO, y varios CPE (102) ubicados en diferentes haces (103) están transmitiendo al mismo tiempo;

- si la estación base (101) no comprende un programador de recursos de radio, detectar, por un módulo de determinación de haz (304) en la estación base (101), un haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente de acuerdo con una ubicación física del al menos un CPE (102), y proporcionar un indicador de haz al subsistema de conmutación de haz (303) para conectar las salidas desde los M grupos de antenas correspondientes a dicho haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente a las M señales de capa espacial que se introducen en el subsistema de procesador de banda base (104, 301).

7. El método de la reivindicación 6, en donde dichas M señales de capa espacial o bien son combinadas coherentemente por el subsistema de procesador de banda base (104, 301) con Combinación de Relación Máxima, MRC, o Combinación de Rechazo de Interferencia, IRC, para reforzar la detección en el caso de una transmisión de una única capa por el CPE (102), o bien se descodifican conjuntamente para realizar la desmultiplexación espacial de las capas, en el caso de una transmisión de múltiples capas por el CPE (102).

8. El método de la reivindicación 6, en donde dicho haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente se detecta al:

- detectar, por un módulo de detección de energía (1401) del módulo de determinación de haz (304), la energía más fuerte en las salidas de una pluralidad de Amplificadores de Bajo Ruido, LNA (1402) de las señales de capa espacial, y asignar dicho haz detectado con la energía más fuerte al haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente;

- obtener, por el subsistema de procesador de banda base (104, 301), la ID de usuario después de descodificar un paquete de enlace ascendente, y comparar el haz preferido almacenado en la tabla (601) con el haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente; y

- descartar, por el subsistema de procesador de banda base (104, 301), dicho paquete de enlace ascendente en caso de discrepancia entre el haz preferido para el modo conectado de enlace ascendente y el haz preferido almacenado en la tabla (601) para esa ID de usuario.

9. El método de la reivindicación 8, en donde el subsistema de conmutación de haz (303), tras recibir el indicador de haz o bien desde el subsistema de procesador de banda base (104, 301) o bien desde el módulo de determinación de haz (304), conecta las salidas desde los M grupos de antenas correspondientes a dicho haz preferido con las M señales de capa espacial que se introducen en el subsistema de procesador de banda base (104, 301).

10. Un sistema para asociar dinámicamente capas espaciales con haces en una red de Acceso Inalámbrico Fijo, FWA, que funciona en el rango de frecuencia de ondas milimétricas, comprendiendo dicho sistema al menos una estación base (101) y al menos un equipo en las instalaciones del cliente, CPE (102) dispuestos a transmitir y recibir, de forma inalámbrica, datos a través de un canal inalámbrico de dicha red de FWA, teniendo dicha estación base (101) capacidades de formación de haces, generando en lo sucesivo múltiples haces inalámbricos (103) que tienen por objeto potenciar la detección de señales en el CPE (102), en donde el sistema está caracterizado por que dicha estación base (101) comprende:

- un subsistema de procesador de banda base (104, 301) adaptado y configurado para realizar todas las funciones inalámbricas de banda base relacionadas con la creación, el mantenimiento y la gestión de las conexiones entre la estación base (101) y el CPE (102) a nivel de banda base, en donde la información se maneja en forma de hasta M señales de capa espacial que son transmitidas/recibidas por una agrupación de antenas de múltiples haces (305) de la estación base (101), y sin capacidades integradas para la creación, la detección o la gestión de los haces (103), en donde la agrupación de antenas de múltiples haces (305) comprende una colección de B subagrupaciones (1001), teniendo cada subagrupación (1001) M grupos de (N / B) / M elementos de antena (1002) adaptados y configurados para ocuparse de la transmisión y/o recepción de las M señales de capa espacial; - un subsistema de extremo frontal de radiofrecuencia, RF (105, 302) adaptado y configurado para realizar todas las funciones de RF necesarias en frecuencias de ondas milimétricas, incluyendo la formación de haces y la conversión desde señales de banda base complejas a señales de RF y viceversa, de tal forma que es posible una asociación completamente flexible entre capas espaciales y haces, en donde el subsistema de extremo frontal de RF (105, 302) comprende un subsistema de conmutación de haz (303) para conectar dinámicamente dichas señales de capa espacial a dichos grupos de elementos de antena (1002) en el enlace ascendente o en el enlace descendente, de tal forma que solo los grupos de elementos de antena correspondientes al haz (103) en uso para el CPE (102) están implicados en la transmisión/recepción de las señales a/desde tal CPE (102);

- dicha agrupación de antenas de múltiples haces (305) adaptada y configurada para acoplar las señales de RF a dicho canal inalámbrico y viceversa, y comprendiendo una colección de N elementos de antena preparados para transmitir y recibir en el rango de frecuencia de ondas milimétricas; y

- una conexión de retroceso (306) adaptada y configurada para conectar la estación base (101) con el CPE (102).

11. El sistema de la reivindicación 10, en donde dicha red de FWA comprende múltiples células, que se subdividen en sectores, estando cubierto cada sector por al menos uno de dichos haces (103), y en donde cada haz (103) comprende una anchura de haz dada en un plano horizontal y/o vertical.

12. El sistema de la reivindicación 11, en donde dichos haces (103) se orientan estáticamente a lo largo de diferentes orientaciones para cubrir la totalidad del sector, usando desplazadores de fase, líneas de transmisión de microcinta o una técnica capaz de aplicar un desplazamiento de fase progresivo a las señales de RF que van a ser transmitidas por los N elementos de antena en dicha agrupación de antenas de múltiples haces (305).

13. El sistema de las reivindicaciones previas 10 a 12, en donde dicho subsistema de extremo frontal de RF (105, 302) comprende además un módulo de determinación de haz (304) para detectar señales de enlace ascendente desde el CPE (102) y para seleccionar cuáles de los grupos de elementos de antena (1002) correspondientes a los haces (103) disponibles se van a conectar a dicho subsistema de procesador de banda base (104, 301) para la recepción de enlace ascendente.

14. El sistema de la reivindicación 13, en donde dicho subsistema de conmutación de haz (303) comprende M conmutadores de RF adaptados y configurados para encaminar las señales de capa espacial hacia cualquiera de los haces (103) disponibles en el sentido de enlace descendente, en donde cada conmutador de RF tiene un puerto de entrada correspondiente a una señal de capa espacial y B salidas posibles, con una entrada de control que depende de la información almacenada en una tabla (601) que contiene una asociación entre los CPE (102) activos y los haces preferidos a través de todo el tiempo de vida de la conexión.