JP2019198082A - Systems and methods which compensate for doppler effects in distributed-input distributed-output wireless systems - Google Patents

Systems and methods which compensate for doppler effects in distributed-input distributed-output wireless systems Download PDF

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Abstract

To provide systems and methods which compensate for adverse effect of Doppler on performance of distributed-input distributed-output (DIDO) systems.SOLUTION: Systems and methods are described which compensate for adverse effect of Doppler on performance of DIDO systems. One embodiment of such a system employs different selection algorithms to adaptively adjust active BTSs to different UEs on the basis of tracking changing channel conditions. Another embodiment utilizes channel prediction to estimate future CSI or DIDO precoding weights, thereby eliminating errors due to outdated CSI.SELECTED DRAWING: Figure 53

Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、以下の同時係属の米国特許出願の一部継続出願である。
米国特許出願第12/917,257号(2010年11月1日出願、名称「Systems And Methods To Coordinate Transmissions In Distributed Wireless Systems Via User Clustering」、同第12/802,988号(2010年6月16日出願、名称「Interference Management,Handoff,Power Control And Link Adaptation In Distributed−Input Distributed−Output(DIDO)Communication Systems」、同第12/802,976号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Adjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal Strength Measurements」、現米国発行済み特許第8,170,081号(2012年5月1日発行))、米国特許出願第12/802,974号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Managing Inter−Cluster Handoff Of Clients Which Traverse Multiple DIDO Clusters」)、同第12/802,989号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Managing Handoff Of A Client Between Different Distributed−Input−Distributed−Output(DIDO)Networks Based On Detected Velocity Of The Client」)、同第12/802,958号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Power Control And Antenna Grouping In A Distributed−Input−Distributed−Output(DIDO)Network」)、同第12/802,975号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Link adaptation In DIDO Multicarrier Systems」)、同第12/802,938号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For DIDO Precoding Interpolation In Multicarrier Systems」)、同第12/630,627号(2009年12月3日出願、名称「System and Method For Distributed Antenna Wireless Communications」)、同第12/143,503号(2008年6月20日出願、名称「System and Method For Distributed Input−Distributed Output Wireless Communications」、現米国発行済み特許第8,160,121号(2009年4月17日発行))、米国特許出願第11/894,394号(2007年8月20日出願、名称「System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communications」、現米国発行済み特許第7,599,420号(2009年10月6日発行))、米国特許出願第11/894,362号(2007年8月20日、名称「System and method for Distributed Input−Distributed Wireless Communications」、現米国発行済み特許第7,633,994号(2009年12月15日発行))、米国特許出願第11/894,540号(2007年8月20日出願、名称「System and Method For Distributed Input−Distributed Output Wireless Communications、現米国発行済み特許第7,636,381号(2009年12月22日発行))、米国特許出願第11/256,478号(2005年10月21日出願、名称「System and Method For Spatial−Multiplexed Tropospheric Scatter Communications」、現米国発行済み特許第7,711,030号(2010年5月4日発行))、米国特許出願第10/817,731号(2004年4月2日出願、名称「System and Method For Enhancing Near Vertical Incidence Skywave(「NVIS」)Communication Using Space−Time Coding」、現米国発行済み特許第7,885,354号(2011年2月28日発行)。
(Cross-reference of related applications)
This application is a continuation-in-part of the following co-pending US patent applications:
US patent application Ser. No. 12 / 917,257 (filed Nov. 1, 2010, entitled “Systems And Methods To Coordinated Transmissions In Distributed Systems Via User Cluster 10, 10/2008, 8/2008, 10/2008, 8/2016, 12/98. Application, name “Interference Management, Handoff, Power Control And Link Adaptation In Distributed-Input Distributed-Output (DIDO) Communication Systems”, No. 16 / 20th Method F r Adjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal Strength Measurements, currently issued US Patent No. 8,170,081 (issued May 1, 2012), US Patent Application No. 12 / 802,974 (June 2010) 16th filing, name “System And Method For Managination Inter-Cluster Handoff Of Clients Witch Traverse Multiple DIDO Clusters”, No. 12/802, 989 (Fed. Of A Client Between Different Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Networks Based On Detected the Client, the 12th 802 in 958, filed on June 16, 2010, named “System and the Adon A Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Network "), No. 12 / 802,975 (filed on June 16, 2010, name" System And Method For Link adaptation In DIDOM "). / 802,938 ( Application on June 16, 2010, “System And Method For DIDO Precoding Interpolation In Multicarrier Systems”, No. 12 / 630,627 (Application on December 3, 2009, Name “System and MetDrMetDr. No. 12 / 143,503 (filed Jun. 20, 2008, entitled “System and Method For Distributed Input-Distributed Output Wireless Communications”), currently issued US Patent No. 8,160,121 (2009). Issued on April 17)), US Patent Application No. 1 No. 894,394 (filed Aug. 20, 2007, name “System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communications”), currently issued US Patent No. 7,599,420 (October 6, 2009) U.S. Patent Application No. 11 / 894,362 (August 20, 2007, name "System and method for Distributed Input-Distributed Wireless Communications"), currently issued U.S. Patent No. 7,633,994 (December 2009). Issued on the 15th)), U.S. Patent Application No. 11 / 894,540 (filed on August 20, 2007, entitled "System and Metho"). For Distributed Input-Distributed Output Wireless Communications, currently issued US Patent No. 7,636,381 (issued December 22, 2009)), US Patent Application No. 11 / 256,478 (filed October 21, 2005) , “System and Method for Spatial-Multiplexed Tropostic Scatter Communications”, currently US Patent No. 7,711,030 (issued May 4, 2010), US Patent Application No. 10 / 817,731 (2004) Filed April 2, 1980, entitled “System and Method for Enhancing Near Vertical Incident Skyw” ave (“NVIS”) Communication Usage Space-Time Coding ”, currently issued US Pat. No. 7,885,354 (issued February 28, 2011).

従来技術のマルチユーザ無線システムは、単一の基地局のみ又はいくつかの基地局を含むことができる。   Prior art multi-user radio systems can include only a single base station or several base stations.

他に全くWiFiアクセスポイント(例えば、田舎の一般家庭のDSLに取り付けられたWiFiアクセスポイント)がないエリア内の広帯域有線インターネット接続部に付設された単一のWiFi基地局(例えば、2.4GHz 802.11b、g、又はnプロトコルを利用する)は、その送信範囲にいる1人又はそれよりも多くのユーザによって共用される単一の基地局である比較的単一のマルチユーザ無線システムの例である。ユーザが無線アクセスポイントと同じ部屋にいる場合に、ユーザが受けるのは、典型的には、殆ど通信途絶がない高速リンクである(例えば、電子レンジと同様に、2.4GHz干渉からであるが他のWiFiデバイスと共用するスペクトルからではないパケット損失がある場合がある)。ユーザが中程度の距離を隔てている場合に、又はいくつかの障害物がユーザとWiFiアクセスポイント間の経路内にあると、ユーザが受けるのは、恐らく中速度のリンクになる。ユーザがWiFiアクセスポイント範囲の端に接近している場合に、ユーザが受けるのは、恐らく低速リンクになり、チャンネル変更により、結果として、信号SNRが使用可能なレベルを下回れば周期的なドロップアウトを受けやすくなる場合がある。最後に、ユーザがWiFi基地局の範囲を超えている場合に、ユーザには全くリンクがなくなる。   A single WiFi base station (eg, 2.4 GHz 802) attached to a broadband wired Internet connection in an area where there is no other WiFi access point (eg, a WiFi access point attached to a rural home DSL) .11b, g, or n protocol) is an example of a relatively single multi-user radio system that is a single base station shared by one or more users in its transmission range It is. When a user is in the same room as a wireless access point, the user typically receives a high-speed link with little disruption of communication (eg, from 2.4 GHz interference, similar to a microwave oven). There may be packet loss not from the spectrum shared with other WiFi devices). If the user is at a medium distance, or if some obstacle is in the path between the user and the WiFi access point, the user will probably receive a medium speed link. If the user is approaching the end of the WiFi access point range, the user will probably receive a slow link and the channel change will result in periodic dropouts if the signal SNR falls below the usable level. It may be easy to receive. Finally, if the user is out of range of the WiFi base station, the user has no link at all.

複数のユーザが同時にWiFi基地局にアクセスした時に、利用可能なデータ収量は、複数のユーザ間で共用される。ユーザが異なれば、典型的には、所定の時間に異なる収量要求をWiFi基地局にすることになるが、総収量要求がWiFi基地局からユーザまでの利用可能な収量を上回った時に、一部又は全てのユーザは、受けるデータ収量が求めているものよりも少なくなる。WiFiアクセスポイントが非常に多くのユーザ間で共用される極端な状況では、各ユーザへの収量は、速度が遅くなる可能性もあり、更に悪いことに、各ユーザへのデータ収量は、全て、データ収量がない長い期間により分離された短時間バーストで到着する場合があり、その間は、他のユーザへの対応は行われている。媒体ストリーミングと同様に、この「途切れ途切れの」データ配信は、ある一定の用途を損なう場合がある。   When multiple users access the WiFi base station simultaneously, the available data yield is shared among the multiple users. Different users typically have different yield requirements for a WiFi base station at a given time, but some when the total yield requirement exceeds the available yield from the WiFi base station to the user. Or all users will receive less data yield than they want. In extreme situations where WiFi access points are shared among a very large number of users, the yield to each user can be slow, and worse, the data yield to each user is all In some cases, short bursts separated by a long period without data yield may arrive, and during that time, other users are being dealt with. Similar to media streaming, this “discontinuous” data delivery may detract from certain applications.

多くのユーザがいる状況でWiFi基地局を更に増設しても、その効果は、単にある一定の点までのものになることになる。米国の2.4GHz ISM帯域内では、WiFiに使用することができる非干渉チャンネルが3つあり、同じカバレージエリア内の3つのWiFi基地局が各々異なる非干渉チャンネルを使用するように構成された場合に、複数のユーザ間のカバレージエリアの総収量は、最大3倍まで増大することになる。しかし、それよりも大きいと、同じカバレージエリアでWiFi基地局を増設しても、総収量は増大しない。これは、「交替で」スペクトルを使用することによって時分割多重アクセス(TDMA)を利用し、同じ利用可能なスペクトルをWiFi基地局間で共用し始めることになるからである。この状況は、集合住宅内のような人口密度が高いカバレージエリアで見られることが多い。例えば、たとえユーザのアクセスポイントが基地局にアクセスしているクライアントデバイスと同じ部屋にあったとしても、WiFiアダプタがある大きいアパートにいるユーザは、同じカバレージエリア内にいる他のユーザにサービスを提供する何十もの他の干渉中のWiFiネットワーク(例えば、他のアパート)のために非常に不良な収量を受ける恐れが十分にある。リンク品質はその状況では良好である可能性が高いが、ユーザは、同じ周波数帯域内で作動している隣接WiFiアダプタからの干渉を受けることになり、ユーザへの有効収量が低減する。   Even if more WiFi base stations are added in a situation where there are many users, the effect is only to a certain point. In the US 2.4 GHz ISM band, there are three non-interfering channels that can be used for WiFi, and three WiFi base stations in the same coverage area are each configured to use different non-interfering channels In addition, the total yield of the coverage area among multiple users will increase up to three times. However, if it is larger than that, the total yield will not increase even if WiFi base stations are added in the same coverage area. This is because the use of spectrum “in turn” makes use of time division multiple access (TDMA) and begins to share the same available spectrum between WiFi base stations. This situation is often seen in coverage areas with high population density, such as in apartment buildings. For example, users in large apartments with WiFi adapters serve other users in the same coverage area, even if the user's access point is in the same room as the client device accessing the base station There is plenty of risk of receiving very poor yields due to dozens of other interfering WiFi networks (eg, other apartments). The link quality is likely to be good in that situation, but the user will be subject to interference from neighboring WiFi adapters operating in the same frequency band, reducing the effective yield to the user.

WiFiのような未認可スペクトル及び認可スペクトルを含む現在のマルチユーザ無線システムには、いくつかの制限がある。これらには、カバレージエリア、ダウンリンク(DL)データ転送速度、及びアップリンク(UL)データ転送速度がある。(WiMaX及びLTEのような)次世代無線システムの重要な目標は、多重入力多重出力(MIMO)技術を通じてカバレージエリア、DLデータ転送速度、及びULデータ転送速度を改善することである。MIMOでは、リンク品質(結果として受信可能範囲の拡大)又はデータ転送速度(あらゆるユーザに複数の非干渉空間チャンネルを作成することにより)を改善するために複数のアンテナを無線リンクの送信側及び受信側で使用する。十分なデータ転送速度があらゆるユーザに利用可能な場合(注:「ユーザ」及び「クライアント」という用語を本明細書では交換可能に使用する)、マルチユーザMIMO(MU−MIMO)法に従って複数のユーザ(単一のユーザではなく)に非干渉チャンネルを作成するためにチャンネル空間ダイバーシティを利用することが望ましいであろう。例えば、以下の参考文献を参照されたい。
G.Caire and S.Shamai,「On the achievable throughput of a multiantenna Gaussian broadcast channel」,IEEE Trans.Info.Th.,vol.49,pp.1691〜1706,July 2003。
There are some limitations in current multi-user wireless systems that include unlicensed and licensed spectrum such as WiFi. These include coverage area, downlink (DL) data rate, and uplink (UL) data rate. An important goal of next generation wireless systems (such as WiMaX and LTE) is to improve coverage area, DL data rate, and UL data rate through multiple input multiple output (MIMO) technology. In MIMO, multiple antennas are used on the transmit and receive sides of a radio link to improve link quality (resulting in increased coverage) or data rate (by creating multiple non-interfering spatial channels for every user). Use on the side. If sufficient data rates are available to all users (Note: the terms “user” and “client” are used interchangeably herein), multiple users according to the multi-user MIMO (MU-MIMO) method It would be desirable to utilize channel space diversity to create a non-interfering channel (rather than a single user). For example, see the following references:
G. Caire and S.M. Shamai, “On the achable throughput of a multitenna Gaussian broadcast channel”, IEEE Trans. Info. Th. , Vol. 49, pp. 1691-1706, July 2003.

P.Viswanath and D.Tse,「Sum capacity of the vector Gaussian broadcast channel and uplink−downlink duality」,IEEE Trans.Info.Th.,vol.49,pp.1912〜1921,Aug.2003。   P. Viswanath and D.W. Tse, “Sum capacity of the vector Gaussian broadcast channel and uplink-downlink duality”, IEEE Trans. Info. Th. , Vol. 49, pp. 1912-1921, Aug. 2003.

S.Vishwanath,N.Jindal,and A.Goldsmith,「Duality,achievable rates,and sum−rate capacity of Gaussian MIMO broadcast channels」,IEEE Trans.Info.Th.,vol.49,pp.2658〜2668,Oct.2003。   S. Vishwanath, N.M. Jindal, and A.J. Goldsmith, “Duality, achievable rates, and sum-rate capacity of Gaussian MIMO broadcast channels”, IEEE Trans. Info. Th. , Vol. 49, pp. 2658-2668, Oct. 2003.

W.Yu and J.Cioffi,「Sum capacity of Gaussian vector broadcast channels」,IEEE Trans.Info.Th.,vol.50,pp.1875〜1892,Sep.2004。   W. Yu and J.H. Cioffi, “Sum capacity of Gaussian vector broadcast channels”, IEEE Trans. Info. Th. , Vol. 50, pp. 1875-1892, Sep. 2004.

M.Costa,「Writing on dirty paper」,IEEE Transactions on Information Theory,vol.29,pp.439〜441,May 1983。   M.M. Costa, “Writing on Dirty Paper”, IEEE Transactions on Information Theory, vol. 29, pp. 439-441, May 1983.

M.Bengtsson,「A pragmatic approach to multi−user spatial multiplexing」,Proc.of Sensor Array and Multichannel Sign.Proc.Workshop,pp.130〜134,Aug.2002。   M.M. Bengtsson, “A programmatic approach to multi-user spatial multiplexing”, Proc. of Sensor Array and Multichannel Sign. Proc. Works, pp. 130-134, Aug. 2002.

K.−K.Wong,R.D.Murch,and K.B.Letaief,「Performance enhancement of multiuser MIMO wireless communication systems」,IEEE Trans.Comm.,vol.50,pp.1960〜1970,Dec.2002。   K. -K. Wong, R.A. D. Murch, and K.M. B. Leteief, “Performance enhancement of multiuser MIMO wireless communication systems”, IEEE Trans. Comm. , Vol. 50, pp. 1960-1970, Dec. 2002.

M.Sharif and B.Hassibi,「On the capacity of MIMO broadcast channel with partial side information」,IEEE Trans.Info.Th.,vol.51,pp.506〜522,Feb.2005。   M.M. Sharif and B.M. Hassibi, “On the capacity of MIMO broadcast channel with partial side information”, IEEE Trans. Info. Th. , Vol. 51, pp. 506-522, Feb. 2005.

例えば、MIMO 4×4システム(すなわち、4つの送信アンテナ及び4つの受信アンテナ)、10MHz帯域幅、16−QAM変調、及び速度3/4(3bps/Hzのスペクトル効率が得られる)による及び前進型誤信号訂正(FEC)符号化)では、あらゆるユーザに対して物理層で達成可能な理想的なピークデータ転送速度は、4×30Mbps=120Mbpsであり、これは、高解像度映像コンテンツ(〜10Mbpsのみを必要とすると考えられる)を配信するのに必要とされるピークデータ転送速度より遥かに高い。理想的なシナリオ(すなわち、独立同分布、i.i.d.チャンネル)において4つの送信アンテナ、4人のユーザ、及びユーザ当たりに単一のアンテナを有するMU−MIMOシステムでは、ダウンリンクデータ転送速度は、4人のユーザにわたって共用することができ、チャンネル空間ダイバーシティを利用してユーザに4つの並行した30Mbpsのデータリンクを作成することができる。   For example, with a MIMO 4 × 4 system (ie, 4 transmit antennas and 4 receive antennas), 10 MHz bandwidth, 16-QAM modulation, and rate 3/4 (obtains 3 bps / Hz spectral efficiency) and forward For false signal correction (FEC) coding), the ideal peak data rate achievable at the physical layer for any user is 4 × 30 Mbps = 120 Mbps, which means high resolution video content (only 10 Mbps) Is much higher than the peak data rate required to deliver. For an MU-MIMO system with 4 transmit antennas, 4 users, and a single antenna per user in an ideal scenario (ie independent codistribution, iid channel), downlink data transfer The speed can be shared across four users and channel space diversity can be used to create four parallel 30 Mbps data links to the user.

例えば、3GPP,「Multiple Input Multiple Output in UTRA」,3GPP TR 25.876 V7.0.0,Mar.2007、3GPP,「Base Physical channels and modulation」,TS 36.211,V8.7.0,May 2009、及び3GPP,「Multiplexing and channel coding」,TS 36.212,V8.7.0,May 2009に説明されているように、異なるMU−MIMO方式が、LTE規格の一部として提案されている。しかし、これらの方式は、DLにおいて、4つの送信アンテナでデータ転送速度は最大2倍までの改善しか得ることができない。ArrayCommなどの企業による標準的かつ固有開発のセルラーシステム内のMU−MIMO法の実際的な例(例えば、ArrayComm,「Field−proven results」,http://www.arraycomm.com/serve.php?page=proofを参照)では、空間分割多重アクセス(SDMA)を通じてDLデータ転送速度は(4つの送信アンテナで)最大3倍までの増大が得られている。携帯電話ネットワークにおけるMU−MIMO方式の重要な限界は、送信側での空間ダイバーシティの欠如である。空間ダイバーシティは、アンテナ間隔の関数及び無線リンクにおける多経路角度広がりである。MU−MIMO法を使用するセルラーシステムでは、基地局での送信アンテナは、典型的には、共にクラスター化され、かつアンテナ支持物構造体(物理的に高いか否かに関わらず、本明細書では「塔」と呼ぶ)上の限られた土地建物のために、及び塔を位置付けることができる場所に関する制限のために1つ又は2つの波長のみを隔てて設けられる。更に、多経路角度広がりは低い。これは、携帯電波塔が、典型的には、受信可能範囲の拡大が得られるように障害物よりもかなり高い所(10メートル以上)で設けられているからである。   For example, 3GPP, “Multiple Input Multiple Output in UTRA”, 3GPP TR 25.876 V7.0.0, Mar. 2007, 3GPP, “Base Physical channels and modulation”, TS 36.211, V8.7.0, May 2009, and 3GPP, “Multiplexing and channel coding”, TS 36.212, V8.7.0, May 200. As explained, different MU-MIMO schemes have been proposed as part of the LTE standard. However, in these systems, in DL, the data transfer rate can be improved up to twice as much with four transmission antennas. Practical examples of MU-MIMO methods in standard and proprietary cellular systems by companies such as ArrayComm (eg, ArrayComm, “Field-proven results”, http://www.arraycom.com/server.php? In the case of page = prof), the DL data rate is increased up to 3 times (with four transmission antennas) through space division multiple access (SDMA). An important limitation of the MU-MIMO scheme in mobile phone networks is the lack of spatial diversity at the transmission side. Spatial diversity is a function of antenna spacing and multipath angular spread in the radio link. In cellular systems using the MU-MIMO method, the transmit antennas at the base station are typically clustered together and the antenna support structure (whether physically higher or lower). (Referred to as “towers”) for limited land and buildings on top, and for restrictions on where the tower can be located, only one or two wavelengths apart. Furthermore, the multipath angular spread is low. This is because the portable radio tower is typically provided at a position (10 meters or higher) that is considerably higher than the obstacle so that the coverage can be expanded.

セルラーシステム配置による他の実際的な問題には、セルラーアンテナロケーションに関するロケーションの過剰な経費及び限られた利用可能性(例えば、アンテナ配置、土地建物費、物理的障害物などに関する地方自治体の制限のため)、並びに送信機とのネットワーク接続性(「バックホール」と本明細書で呼ぶ)のコスト及び/又は利用可能性がある。更に、セルラーシステムは、壁、天井、床、備品、及び他の妨害物による損失のために建物の奥にあるクライアントに到達することが困難であることが多い。   Other practical issues with cellular system deployment include location over-cost and limited availability with respect to cellular antenna location (eg local government restrictions on antenna placement, land and building costs, physical obstacles, etc.). As well as the cost and / or availability of network connectivity (referred to herein as “backhaul”) with the transmitter. In addition, cellular systems are often difficult to reach clients at the back of buildings due to losses from walls, ceilings, floors, fixtures, and other obstructions.

実際、広域ネットワーク無線のためのセル構造の全体的な概念は、携帯電波塔のかなり強固な配置、隣接したセル間の周波数の交替、及び同じ周波数を使用している送信機(基地局又はユーザのいずれか)間の干渉を回避するように頻繁なセクター化を前提とする。その結果、所定のセルの所定のセクターは、セルセクター内のユーザの全ての間のULスペクトル及びDLスペクトルのブロックの共用に終わり、セルセクターは、次に、主として時間領域においてこれらのユーザ間で共用される。例えば、時分割多重アクセス(TDMA)及び符号分割多重アクセス(CDMA)に基づくセルラーシステムは、両方とも、時間領域においてユーザ間にスペクトルを共用する。セクター化でこのようなセルラーシステムを重ね合わせることにより、恐らくは、2〜3倍の空間領域利点をもたらすことができる。次に、上述したようなMU−MIMOシステムとこのようなセルラーシステムを重ね合わせることにより、恐らくは、更に2〜3倍の時空間領域の利点をもたらすことができる。しかし、セルラーシステムのセル及びセクターが典型的には塔をどこに設けることができるかにより指定されることが多い固定ロケーションにあることを考慮すると、このような限られた利点でさえも所定の時間のユーザ密度(又はデータ転送速度要求)は、塔/セクター配置に良好に適合しなかった場合は利用し難くなる。携帯スマートフォンユーザは、今日、この影響力を受けることが多く、ユーザは、全くトラブルなく電話で話しているか、又はウェブページをダウンロードしている可能性があり、次に、新しいロケーションに車で(又は歩いて)移動した後に声質が落ちたり、又はウェブページの速度が落ちたり、又は完全に接続を失うことさえ突然に目の当たりにすることになる。しかし、日が変わると、ユーザは、各々のロケーションで正反対のことが発生する可能性がある。環境条件が同じであると仮定し、ユーザが恐らく体験しているのは、ユーザ密度(又はデータ転送速度要求)が非常に変化することである。しかし、所定のロケーションでユーザ間で共用すべき利用可能な全スペクトル(及びそれによって従来技術を使用して全データ転送速度)は、主に固定である。   In fact, the overall concept of a cell structure for wide area network radios is that a fairly robust arrangement of mobile towers, frequency shifts between adjacent cells, and transmitters (base stations or users using the same frequency) Assuming frequent sectorization to avoid interference between any of the above. As a result, a given sector of a given cell ends up sharing a block of UL and DL spectra among all of the users in the cell sector, and the cell sector is then between these users primarily in the time domain. Shared. For example, cellular systems based on time division multiple access (TDMA) and code division multiple access (CDMA) both share spectrum between users in the time domain. Overlapping such cellular systems with sectorization can probably provide a space area advantage of 2-3 times. Next, by superimposing such a cellular system with a MU-MIMO system as described above, it may possibly provide a further 2 to 3 times space-time domain advantage. However, even with this limited advantage given a fixed time, given that the cells and sectors of a cellular system are typically in a fixed location, often specified by where the tower can be installed The user density (or data transfer rate requirement) of this is difficult to use if it does not fit well in the tower / sector arrangement. Mobile smartphone users are often affected today, who may be talking on the phone or downloading a web page without any trouble and then driving to a new location ( You will suddenly witness the voice quality after moving (or walking), or the web page slows down or even loses connectivity completely. However, as the day changes, the user may experience the exact opposite at each location. Assuming that the environmental conditions are the same, the user is probably experiencing that the user density (or data rate requirement) varies greatly. However, the total available spectrum to be shared between users at a given location (and thereby the total data transfer rate using the prior art) is mainly fixed.

更に、従来技術のセルラーシステムは、異なる隣接したセルにおいて異なる周波数、典型的には3つの異なる周波数を使用することに依存する。所定の量のスペクトルに対して、それによって利用可能なデータ転送速度が3倍低減される。   Furthermore, prior art cellular systems rely on using different frequencies, typically three different frequencies, in different adjacent cells. For a given amount of spectrum, this reduces the available data rate by a factor of three.

したがって、要約すると、従来技術のセルラーシステムは、セル化のためにスペクトル利用の恐らく3倍を失う可能性があり、かつセクター化を通じて恐らく3倍、MU−MIMO法を通じて恐らく更に3倍スペクトル利用を改善することができ、結果として正味3*3/3=3倍の潜在的なスペクトル利用になる。次に、その帯域幅は、ユーザが所定の時間にどのセルのどのセクターに該当するかに基づいて典型的には時間領域においてユーザ間に分割される。所定のユーザのデータ転送速度要求が典型的にユーザのロケーションとは独立しているために生じる更に別の非効率さえ存在するが、利用可能なデータ転送速度は、ユーザと基地局の間のリンク品質に基づいて変動する。例えば、セルラー基地局から遠いユーザは、典型的に、利用可能なデータ転送速度が基地局に近いユーザよりも少なくなる。データ転送速度は、典型的に所定のセルラーセクター内のユーザの全ての間で共用されるので、この結果、全てのユーザは、不良なリンク品質(例えば、セルの端での)で遠くのユーザからの高いデータ転送速度要求の影響を受ける。これは、このようなユーザが、依然として同量のデータ転送速度を要求することになり、しかも、同量のデータ転送速度を得るために共用スペクトルのより多くの量を消費しているからである。 Thus, in summary, prior art cellular systems may lose 3x spectrum utilization due to cellularization, and possibly 3x through sectorization, and perhaps 3x more through MU-MIMO methods. Can be improved, resulting in a net spectral utilization of 3 * 3/3 = 3 times. The bandwidth is then divided among the users, typically in the time domain, based on which sector of which cell the user falls into at a given time. There is even another inefficiency that arises because a given user's data rate requirement is typically independent of the user's location, but the available data rate is the link between the user and the base station. Varies based on quality. For example, users far from cellular base stations typically have less available data rates than users near the base station. As data rates are typically shared among all users within a given cellular sector, this results in all users being distant users with poor link quality (eg, at the edge of a cell). Affected by high data transfer rate requirements. This is because such users still require the same amount of data transfer rate and consume more of the shared spectrum to get the same amount of data transfer rate. .

ユーザの範囲で基地局による同時送信により結果として干渉が発生し、したがって、システムが衝突防止及び共用プロトコルを利用するため、WiFi(例えば、802.11b、g、及びn)によって使用されるもの及びホワイトスペース連合により提案されたもののような他の提案されたスペクトル共用システムは、スペクトル共用が非常に非効率的である。これらのスペクトル共用プロトコルは、時間領域内にあり、したがって、多くの干渉中の基地局及びユーザが存在する時に、各基地局自体のスペクトル利用がどのように効率的であろうとも、集合的に、基地局は、互いの間のスペクトルの時間領域共用に限定される。他の従来技術のスペクトル共用システムも、同様に、基地局間の干渉を緩和する類似の方法に依存する(塔上のアンテナを有するセルラー基地局又は小規模基地局(WiFiアクセスポイント(AP)のような)である場合)。これらの方法には、干渉の範囲を制限するように行う基地局からの送信電力の制限、干渉エリアを狭域化するビームフォーミング(合成又は物理手段を通じて)、スペクトルの時間領域多重化、及び/又はユーザデバイス、基地局、若しくは両方の上の複数のクラスター化されたアンテナによるMU−MIMO法がある。そして、すでにあるか又は今日計画されている高度の携帯電話ネットワークの場合には、これらの技術の多くは、一度に使用されることが多い。   What is used by WiFi (eg, 802.11b, g, and n) because the simultaneous transmission by the base station in the user's range results in interference, and therefore the system utilizes collision prevention and shared protocols, and Other proposed spectrum sharing systems, such as those proposed by the White Space Federation, are very inefficient in spectrum sharing. These spectrum sharing protocols are in the time domain and therefore collectively no matter how efficient each base station's own spectrum utilization is when there are many interfering base stations and users. Base stations are limited to time domain sharing of spectrum between each other. Other prior art spectrum sharing systems also rely on similar methods to mitigate interference between base stations (cellular base stations with tower antennas or small base stations (WiFi access points (AP) Like)). These methods include limiting transmit power from the base station to limit the range of interference, beamforming (through synthesis or physical means) to narrow the interference area, time domain multiplexing of the spectrum, and / or Or there is a MU-MIMO method with multiple clustered antennas on the user device, base station, or both. And in the case of advanced mobile phone networks already existing or planned today, many of these technologies are often used at once.

しかし、高度のセルラーシステムでさえも、スペクトルを利用する単一のユーザと比較するとスペクトル利用を約3倍しか増加させることはできないことによって明らかであることは、これらの技術の全ては、受信可能範囲の所定のエリアに向けて共用ユーザ間に総データ転送速度を増大させるのに殆ど役に立っていないという点である。特に、所定のカバレージエリアがユーザの観点から拡大する時に、ユーザの成長と足並みをそろえるために、所定の量のスペクトル内の利用可能なデータ転送速度を拡大することが益々困難になる。例えば、セルラーシステムに関して所定のエリア内の総データ転送速度を増大させるために、典型的には、セルは、より小さいセル(ナノセル又はフェムトセルということが多い)に小分けされる。このような小セルは、「不感帯」が最小限の受信可能範囲をもたらし、更には、同じ周波数を使用する近くのセル間の干渉を回避するように塔を設定することができるロケーションに関する制限、及び塔を公平に構成されたパターンで配置すべきである要件を考慮すると極めて高価になる可能性がある。本質的に、カバレージエリアを細かく計画しなければならず、塔又は基地局を設ける利用可能なロケーションを識別しなければならず、次に、これらの制約を前提として、セルラーシステムの設計者は、自分たちが可能な最良のもので間に合わせなければならない。そして、当然のことながら、ユーザデータ転送速度要求が時間と共に増大するのであれば、セルラーシステムの設計者は、カバレージエリアを再びリマップし、塔又は基地局のロケーションを見つけるように努め、かつもう一度状況の制約に対処すべきである。また、非常に多くの場合に、単に良好な解決法がなく、結果として、不感帯が発生するか、又はカバレージエリア内の総データ転送速度容量が不適切になる。換言すると、同じ周波数を利用する塔又は基地局間の干渉を回避するセルラーシステムの強固な物理配置要件により、セルラーシステム設計において有意な問題点及び制約が生じ、これらの要件は、多くの場合にユーザデータ転送速度及び受信可能範囲要件を満たすことができない。   However, it is clear that all of these technologies are receivable, even in advanced cellular systems, which is evident by the fact that spectrum utilization can only be increased by a factor of about three compared to a single user utilizing spectrum. It is of little use to increase the total data transfer rate between shared users towards a given area of the range. In particular, as a given coverage area expands from the user's perspective, it becomes increasingly difficult to increase the available data transfer rate within a given amount of spectrum in order to keep pace with the user's growth. For example, to increase the total data transfer rate within a given area for a cellular system, cells are typically subdivided into smaller cells (often referred to as nanocells or femtocells). Such small cells have a “dead band” that provides minimal coverage, and further limits on where the tower can be set to avoid interference between nearby cells using the same frequency, And the requirement that the towers should be arranged in a fairly structured pattern can be very expensive. In essence, the coverage area must be carefully planned, the available locations where towers or base stations are to be identified, and then given these constraints, the designer of the cellular system can: We must make it in time for the best possible. And, of course, if user data rate requirements increase over time, the cellular system designer will try to remap the coverage area, find the location of the tower or base station, and once again the situation Should be addressed. Also, in very many cases, there is simply no good solution, resulting in a dead band or inadequate total data rate capacity in the coverage area. In other words, the robust physical deployment requirements of cellular systems that avoid interference between towers or base stations that use the same frequency create significant problems and constraints in cellular system design, which often are User data rate and coverage requirements cannot be met.

いわゆる従来技術の「協調」無線システム及び「認識」無線システムは、互いの干渉を最小にすることができるように、及び/又はチャンネルが空くまで待つように、他のスペクトルの使用がないか潜在的に「聴取する」ことができるように無線内で知的アルゴリズムを使用することによって所定のエリア内のスペクトル利用を増大しようとする。このようなスペクトルのスペクトル利用を増大させるように未認可スペクトルで特に使用されるようなシステムが提案されている。   So-called prior art “cooperative” radio systems and “cognitive” radio systems have no or potential use of other spectra so that they can minimize interference with each other and / or wait until the channel is free. Trying to increase spectrum utilization within a given area by using intelligent algorithms in the air so that they can be “listened” to the target. Systems have been proposed that are specifically used in unlicensed spectrum to increase the spectral utilization of such spectra.

モバイルアドホックネットワーク(MANET)(http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_ad_hoc_networkを参照)は、ピアツーピア通信をもたらすことを目的とした協調自己構成型ネットワークの例であり、かつ携帯電話インフラなしで無線間の通信を確立するために使用することができ、十分に低電力の通信で、互いの範囲外にある同時送信間の干渉を潜在的に緩和することができる。非常に多くの経路指定プロトコルがMANETシステムに向けて提案されて実行されたが(広範囲にわたるクラスの何十もの経路指定プロトコルのリストに関しては、http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_ad−hoc_routing_protocolsを参照)、経路指定プロトコルに共通のテーマは、これらが所定の効率又は信頼性パラダイムという目標に向けて利用可能なスペクトル内の送信機干渉を最小にするように送信を経路指定する(例えば、繰り返す)全ての技術であることである。   Mobile ad hoc network (MANET) (see http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_ad_hoc_network) is an example of a collaborative self-configuring network aimed at providing peer-to-peer communication and without mobile phone infrastructure It can be used to establish communication between radios, and with sufficiently low power communication, it can potentially mitigate interference between simultaneous transmissions that are out of range of each other. A very large number of routing protocols have been proposed and implemented for MANET systems (for a list of dozens of routing protocols in a broad class, see http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_ad- hoc_routing_protocols), a common theme for routing protocols, is to route transmissions such that they minimize transmitter interference in the spectrum that is available towards the goal of a given efficiency or reliability paradigm (e.g. , Repeat) all technologies.

従来技術のマルチユーザ無線システムの全ては、基地局及び複数のユーザ間の同時のスペクトル利用を可能にする技術を利用することによって所定のカバレージエリア内のスペクトル利用を改善しようとする。特に、これらの場合の全てにおいて、基地局及び複数のユーザ間の同時のスペクトル利用に利用される技術は、複数のユーザに対する波形間の干渉を緩和することによって複数のユーザによる同時スペクトル使用をもたらす。例えば、3人のうちの1人に送信するために各々異なる周波数を使用する3つの基地局の場合には、干渉は、3つの送信が3つの異なる周波数であるので緩和される。3人の異なるユーザへの基地局からのセクター化の場合、ビームフォーミングにより、3つの送信がユーザで重なり合うのが防止されるために、基地局に対して各々180°間隔で干渉は緩和される。   All prior art multi-user wireless systems seek to improve spectrum utilization within a given coverage area by utilizing techniques that allow simultaneous spectrum utilization between a base station and multiple users. In particular, in all of these cases, techniques utilized for simultaneous spectrum utilization between the base station and multiple users result in simultaneous spectral usage by multiple users by mitigating inter-waveform interference for multiple users. . For example, in the case of three base stations, each using a different frequency to transmit to one of the three, the interference is mitigated because the three transmissions are at three different frequencies. In the case of sectorization from the base station to three different users, beamforming mitigates the interference at 180 ° intervals each to the base station to prevent the three transmissions from overlapping by the user. .

このような技術がMU−MIMOで増大され、かつ例えば各基地局が4つのアンテナを有する時に、これは、所定のカバレージエリア内のユーザに対して4つの非干渉空間チャンネルを作成することによってダウンリンク収量を4倍に増大させる可能性がある。しかしながら、依然として何らかの技術を利用し、異なるカバレージエリア内の複数のユーザに対する複数の同時送信間の干渉を緩和すべきである。   When such techniques are augmented with MU-MIMO and each base station has four antennas, for example, this can be reduced by creating four non-interfering spatial channels for users in a given coverage area. May increase link yield by a factor of four. However, some technology should still be used to mitigate interference between multiple simultaneous transmissions for multiple users in different coverage areas.

上述のように、このような従来技術(例えば、セル化、セクター化)には、典型的にマルチユーザ無線システムの経費及び/又は配置柔軟性の増大が問題点としてあるのみならず、典型的に所定のカバレージエリア内の総収量の物理的又は実際的な制限が問題点として存在する。例えば、セルラーシステムには、基地局の配置数を増加させて小セル化を行うために利用可能なロケーションが十分ない場合がある。また、MU−MIMOシステムでは、各基地局ロケーションでのクラスター化されたアンテナの間隔を考慮すると、限られた空間ダイバーシティにより、基地局に増設されるアンテナが増加する時に収量の収益が漸近的に減少する。   As noted above, such prior art (eg, cellularization, sectorization) is typically not only problematic in increasing the cost and / or deployment flexibility of multi-user radio systems, but is also typical. There are physical and practical limitations on the total yield within a given coverage area. For example, a cellular system may not have enough locations available to increase the number of base stations and make it smaller. Also, in the MU-MIMO system, when considering the spacing of clustered antennas at each base station location, yield profits are asymptotically as the number of antennas added to the base station increases due to limited space diversity. Decrease.

更に、ユーザロケーション及び密度を予想できないマルチユーザ無線システムの場合に、(周波数の急激な変化で)収量が予想できない。これは、ユーザには不便であり、一部の用途(例えば、予想可能な収量を必要とするサービスの配信)が非実用的又は低品質になる。したがって、従来技術のマルチユーザ無線システムには、ユーザに予想可能な及び/又は高品質のサービスを提供する機能の観点からまだ不満な点が多い。   Furthermore, yields are unpredictable (due to sudden changes in frequency) in the case of multi-user wireless systems where user location and density cannot be predicted. This is inconvenient for the user and makes some applications (eg, delivery of services that require predictable yield) impractical or of poor quality. Thus, the prior art multi-user wireless systems are still unsatisfactory in terms of their ability to provide predictable and / or high quality services to users.

時間をかけて従来技術のマルチユーザ無線システムに向けて開発された驚異的な高度化及び複雑性にも関わらず、送信が、異なる基地局(又はアドホック送受信機)に配信され、かつ異なる基地局及び/又は異なるアドホック送受信機からのRF波形伝送が特定のユーザの受信機で互いに干渉するのを回避するように構成及び/又は制御されるという共通のテーマが存在する。   Despite the tremendous sophistication and complexity developed over time for prior art multi-user radio systems, transmissions are delivered to different base stations (or ad hoc transceivers) and different base stations And / or there is a common theme that RF waveform transmissions from different ad hoc transceivers are configured and / or controlled to avoid interfering with each other at a particular user's receiver.

あるいは、別の言い方をすると、ユーザが偶然に同時に1つ以上の基地局又はアドホック送受信機から送信を受信したとすると、複数の同時送信からの干渉により、ユーザへの信号のSNR及び/又は帯域幅の低減が発生することになり、その結果、十分に厳しい場合には、十分に厳しくない場合にユーザによって受信されていたと思われる潜在的なデータ(又はアナログ情報)の全て又は一部の損失が発生することになる。   Or, in other words, if a user accidentally received a transmission from one or more base stations or ad hoc transceivers simultaneously, the SNR and / or bandwidth of the signal to the user due to interference from multiple simultaneous transmissions A reduction in width will occur and as a result, if sufficiently severe, all or some loss of potential data (or analog information) that would have been received by the user if not severe enough Will occur.

したがって、マルチユーザ無線システムは、1つ以上のスペクトル共用手法又は別のスペクトル共用手法を利用して同時に同じ周波数で送信する複数の基地局又はアドホック送受信機からのユーザへのこのような干渉を回避又は緩和することが必要である。基地局の物理的位置(例えば、セル化)の制御、基地局及び/又はアドホック送受信機の電力出力の制限(例えば、送信範囲の制限)、ビームフォーミング/セクター化、及び時間領域多重化を含むこのような干渉を回避する従来技術の手法は非常に多い。要するに、これらのスペクトル共用システムの全ては、同時に同じ周波数で送信する複数の基地局及び/又はアドホック送受信機が同じユーザによって受信された時に得られる干渉により影響を受けたユーザに対するデータ収量が低減又は破壊されるマルチユーザ無線システムの限界に対処しようとする。マルチユーザ無線システム内のユーザの殆ど又は全てが複数の基地局及び/又はアドホック送受信機からの干渉を受けた場合(例えば、マルチユーザ無線システムの構成要素の誤作動の場合)に、マルチユーザ無線システムの総収量が激減するか又は機能しなくなる状況が発生する可能性がある。   Thus, a multi-user radio system avoids such interference to users from multiple base stations or ad hoc transceivers that simultaneously transmit on the same frequency using one or more spectrum sharing techniques or another spectrum sharing technique. Or it needs to be mitigated. Includes control of base station physical location (eg, cellularization), base station and / or ad hoc transceiver power output limitations (eg, transmission range limitations), beamforming / sectorization, and time domain multiplexing There are numerous prior art techniques to avoid such interference. In short, all of these spectrum sharing systems have reduced data yields for users affected by interference obtained when multiple base stations and / or ad hoc transceivers simultaneously transmitting on the same frequency are received by the same user, or Attempts to address the limitations of multi-user radio systems being destroyed. Multi-user radio when most or all of the users in the multi-user radio system are subject to interference from multiple base stations and / or ad hoc transceivers (eg, in the event of malfunction of a component of the multi-user radio system) Situations can arise where the total yield of the system is drastically reduced or fails.

従来技術のマルチユーザ無線システムは、複雑性を追加し、かつ無線ネットワークへの制限を招き、したがって、多くの場合に、所定のユーザの体験(例えば、利用可能な帯域、待ち時間、予想性、信頼性)がエリア内の他のユーザによるスペクトルの利用により影響を受ける状況が発生する。複数のユーザによって共用される無線スペクトル内の総帯域幅に対する増加する要求、及び所定のユーザに向けてマルチユーザ無線ネットワークの信頼性、予想性、及び短い待ち時間に依存する可能性がある用途の更なる成長を考慮すると、従来技術のマルチユーザ無線技術には多くの制限が問題点としてあることが明らかである。実際、所定のタイプの(例えば、建物の壁を通過する際に効率的である波長での)無線通信に適するスペクトルの限られた利用可能性のために、従来技術の無線技術は、信頼性が高くて、予想可能で、待ち時間が短い帯域幅に対する需要の増大を満たすには不十分であることがある。   Prior art multi-user wireless systems add complexity and introduce limitations to the wireless network, and thus often a given user experience (eg, available bandwidth, latency, predictability, A situation occurs where reliability is affected by the use of spectrum by other users in the area. For increasing demands on total bandwidth in the radio spectrum shared by multiple users and applications that may depend on the reliability, predictability, and short latency of multi-user wireless networks for a given user In view of further growth, it is clear that there are many limitations in the prior art multi-user radio technology. Indeed, because of the limited availability of spectrum suitable for certain types of radio communications (eg, at wavelengths that are efficient when passing through building walls), prior art radio technologies are reliable. May be insufficient to meet the growing demand for bandwidth that is high, predictable, and has low latency.

本発明に関連する従来技術では、マルチユーザシナリオにおいてヌルステアリングのためのビームフォーミングシステム及び方法が説明されている。ビームフォーミングは、本来は、アレイのアンテナに供給される信号の位相及び/又は振幅を動的に調整することによって(すなわち、ビームフォーミング重み)、受信信号対ノイズ比(SNR)を最大にし、したがって、ユーザ方向に向けてエネルギが集中されるように考えられている。マルチユーザシナリオでは、ビームフォーミングを使用し、干渉発生源を抑止して信号対干渉ノイズ比(SINR)を最大にすることができる。例えば、ビームフォーミングが無線リンクの受信機に使用される時に、重みは、干渉発生源の方向にヌルを生じるように計算される。ビームフォーミングがマルチユーザダウンリンクシナリオで送信機に使用される時に、重みは、ユーザ間干渉を事前に相殺してあらゆるユーザに対してSINRを最大にするように計算される。BD事前符号化などマルチユーザシステムの代替技術では、事前符号化重みを計算してダウンリンクブロードキャストチャンネル内の収量を最大にする。参照することにより本明細書に組み込まれている同時係属出願は、上述の技術を説明している(特定の引用に対しては同時係属出願を参照)。
本発明は、発明を実施するための最良の形態の以下の説明を図面と併せ読むことにより、より良好に理解されると考えられる。
Prior art relating to the present invention describes a beamforming system and method for null steering in a multi-user scenario. Beamforming inherently maximizes the received signal-to-noise ratio (SNR) by dynamically adjusting the phase and / or amplitude of signals supplied to the antennas of the array (ie, beamforming weights), and thus It is considered that the energy is concentrated toward the user direction. In multi-user scenarios, beamforming can be used to suppress interference sources and maximize the signal to interference noise ratio (SINR). For example, when beamforming is used in a radio link receiver, the weight is calculated to produce a null in the direction of the interference source. When beamforming is used at the transmitter in a multi-user downlink scenario, the weights are calculated to pre-cancel inter-user interference and maximize SINR for all users. Alternative techniques for multi-user systems, such as BD precoding, calculate precoding weights to maximize yield in the downlink broadcast channel. The co-pending application, incorporated herein by reference, describes the techniques described above (see co-pending application for specific citations).
The invention will be better understood by reading the following description of the best mode for carrying out the invention in conjunction with the drawings.

本発明の一実施形態において近傍DIDOクラスターによって囲まれた主DIDOクラスターを示す。Fig. 4 shows a main DIDO cluster surrounded by neighboring DIDO clusters in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に使用される周波数分割多重アクセス(FDMA)法を示す。2 illustrates a frequency division multiple access (FDMA) method used in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に使用される時分割多重アクセス(TDMA)法を示す。2 illustrates a time division multiple access (TDMA) method used in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態において対処される異なるタイプの干渉ゾーンを示す。Fig. 4 illustrates different types of interference zones addressed in an embodiment of the invention. 本発明の一実施形態に使用されるフレームワークを示す。Figure 3 shows a framework used in one embodiment of the present invention. 干渉ゾーン内のターゲットクライアントに対してSIR=10dBを仮定したSNRの関数としてのSERを示すグラフを示す。FIG. 6 shows a graph showing SER as a function of SNR assuming SIR = 10 dB for a target client in the interference zone. 2つのIDCI事前符号化法から導出されたSERを示すグラフを示す。Figure 5 shows a graph showing SER derived from two IDCI precoding methods. ターゲットクライアントが主DIDOクラスターから干渉しているクラスターまで移動する例示的なシナリオを示す。FIG. 6 illustrates an exemplary scenario where a target client moves from a primary DIDO cluster to an interfering cluster. 距離(D)の関数としての信号対干渉ノイズ比(SINR)を示す。Fig. 4 shows the signal to interference noise ratio (SINR) as a function of distance (D). 平坦フェーディング狭帯域チャンネルにおける4−QAM変調の3つのシナリオの符号誤り率(SER)性能を示す。Figure 3 shows the code error rate (SER) performance of three scenarios of 4-QAM modulation in a flat fading narrowband channel. 本発明の一実施形態によるIDCI事前符号化の方法を示す。Fig. 4 illustrates a method of IDCI precoding according to an embodiment of the present invention. 一実施形態における主DIDOクラスターの中心からのクライアントの距離の関数としてのSINR変動を示す。FIG. 6 illustrates SINR variation as a function of client distance from the center of the main DIDO cluster in one embodiment. FIG. SERが4−QAM変調について導出される一実施形態を示す。Fig. 4 illustrates an embodiment in which the SER is derived for 4-QAM modulation. 有限状態の機械がハンドオフアルゴリズムを実行する本発明の一実施形態を示す。Fig. 4 illustrates an embodiment of the present invention in which a finite state machine executes a handoff algorithm. シャドーイングが存在する場合のハンドオフ戦略の一実施形態を示す。FIG. 4 illustrates one embodiment of a handoff strategy when shadowing is present. FIG. 図93においていずれか2つの状態間で切り換わる時のヒステリシスループ機構を示す。FIG. 93 shows a hysteresis loop mechanism when switching between any two states. 電力制御を伴うDIDOシステムの一実施形態を示す。1 illustrates one embodiment of a DIDO system with power control. 異なるシナリオにおいて4つのDIDO送信アンテナ及び4台のクライアントを仮定したSNR対SERを示す。Figure 5 shows SNR vs. SER assuming 4 DIDO transmit antennas and 4 clients in different scenarios. 本発明の一実施形態による送信電力の異なる値に対してRF放射線源からの距離の関数としてのMPE電力密度を示す。FIG. 6 shows MPE power density as a function of distance from an RF radiation source for different values of transmit power according to an embodiment of the present invention. 低電力及び高電力DIDO分散型アンテナの異なる分布を示す。2 shows different distributions of low power and high power DIDO distributed antennas. 低電力及び高電力DIDO分散型アンテナの異なる分布を示す。2 shows different distributions of low power and high power DIDO distributed antennas. 図20a及び20bの構成にそれぞれ対応する2つの電力分布を示す。Two power distributions respectively corresponding to the configurations of FIGS. 20a and 20b are shown. 図20a及び20bの構成にそれぞれ対応する2つの電力分布を示す。Two power distributions respectively corresponding to the configurations of FIGS. 20a and 20b are shown. 図99a及び99bにそれぞれ示すシナリオに関する速度分布を示す。99a and 99b show the velocity distribution for the scenario shown respectively. 図99a及び99bにそれぞれ示すシナリオに関する速度分布を示す。99a and 99b show the velocity distribution for the scenario shown respectively. 電力制御を伴うDIDOシステムの一実施形態を示す。1 illustrates one embodiment of a DIDO system with power control. データを送信するラウンドロビンスケジューリングポリシーに従って全てのアンテナ群にわたって反復する方法の実施形態を示す。FIG. 6 illustrates an embodiment of a method for iterating across all antenna groups according to a round robin scheduling policy for transmitting data. 米国特許第7,636,381号における従来の固有モード選択に対するアンテナグループ分けによる電力制御の未符号化SER性能の比較を示す。A comparison of uncoded SER performance of power control with antenna grouping for conventional eigenmode selection in US Pat. No. 7,636,381 is shown. BD事前符号化がDIDOアンテナとクライアントとの間の無線リンクにわたる異なる出力レベルに適合するように動的に事前符号化重みを調整するシナリオを示す。FIG. 6 illustrates a scenario where BD precoding dynamically adjusts precoding weights to adapt to different power levels across the radio link between a DIDO antenna and a client. BD事前符号化がDIDOアンテナとクライアントとの間の無線リンクにわたる異なる出力レベルに適合するように動的に事前符号化重みを調整するシナリオを示す。FIG. 6 illustrates a scenario where BD precoding dynamically adjusts precoding weights to adapt to different power levels across the radio link between a DIDO antenna and a client. BD事前符号化がDIDOアンテナとクライアントとの間の無線リンクにわたる異なる出力レベルに適合するように動的に事前符号化重みを調整するシナリオを示す。FIG. 6 illustrates a scenario where BD precoding dynamically adjusts precoding weights to adapt to different power levels across the radio link between a DIDO antenna and a client. DIDO 2×2システムに関する遅延領域又は瞬間的なPDP(上側プロット)及び周波数領域(下側プロット)にわたる低周波数選択チャンネル(β=1と仮定)の振幅を示す。The amplitude of the low frequency selection channel (assuming β = 1) over the delay domain or instantaneous PDP (upper plot) and frequency domain (lower plot) for the DIDO 2 × 2 system. クライアント当たり1つのアンテナによるDIDO 2×2に関するチャンネル行列周波数応答の一実施形態を示す。FIG. 4 illustrates one embodiment of a channel matrix frequency response for DIDO 2 × 2 with one antenna per client. 高い周波数選択度(例えば、β=0.1で)を特徴とするチャンネルのためのクライアント当たりに1つのアンテナによるDIDO 2×2に関するチャンネル行列周波数応答の一実施形態を示す。FIG. 6 illustrates one embodiment of a channel matrix frequency response for DIDO 2 × 2 with one antenna per client for a channel characterized by high frequency selectivity (eg, with β = 0.1). 異なるQAM方式(すなわち、4−QAM、16−QAM、64−QAM)の例示的なSERを示す。Fig. 3 shows exemplary SERs for different QAM schemes (i.e. 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM). リンクアダプテーション(LA)法を実行する方法の実施形態を示す。3 illustrates an embodiment of a method for performing a link adaptation (LA) method. リンクアダプテーション(LA)法の一実施形態のSER性能を示す。FIG. 5 illustrates SER performance of one embodiment of a link adaptation (LA) method. FIG. FFT=64及びL0=8でのDIDO 2×2システムに関するOFDMトーン指数の関数としての方程式(28)での行列の入力を示す。FIG. 6 shows the matrix input in equation (28) as a function of OFDM tone index for a DIDO 2 × 2 system with N FFT = 64 and L 0 = 8. 0=8、M=Nt=2送信アンテナ、及びPの可変的な数に対するSER対SNRを示す。FIG. 6 shows SER vs. SNR for L 0 = 8, M = N t = 2 transmit antennas, and a variable number of Ps. 異なるDIDOオーダー及びL0=16に対する補間法の一実施形態のSER性能を示す。FIG. 6 shows the SER performance of one embodiment of the interpolation method for different DIDO orders and L 0 = 16. スーパークラスター、DIDOクラスター、及びユーザクラスターを使用するシステムの一実施形態を示す。1 illustrates one embodiment of a system using a super cluster, a DIDO cluster, and a user cluster. 本発明の一実施形態によるユーザクラスターを有するシステムを示す。1 illustrates a system having a user cluster according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に使用されるリンク品質メトリック閾値を示す。Fig. 5 illustrates a link quality metric threshold used in an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に使用されるリンク品質メトリック閾値を示す。Fig. 5 illustrates a link quality metric threshold used in an embodiment of the present invention. ユーザクラスターを確立するリンク品質行列の例を示す。2 shows an example of a link quality matrix that establishes a user cluster. ユーザクラスターを確立するリンク品質行列の例を示す。2 shows an example of a link quality matrix that establishes a user cluster. ユーザクラスターを確立するリンク品質行列の例を示す。2 shows an example of a link quality matrix that establishes a user cluster. クライアントが異なるDIDOクラスターを横断する実施形態を示す。Fig. 4 illustrates an embodiment where a client traverses different DIDO clusters. 本発明の一実施形態において球形アレイの解像度とこれらのエリアAとの関係を示す。In one embodiment of the present invention, the relationship between the resolution of a spherical array and these areas A is shown. 本発明の一実施形態において球形アレイの解像度とこれらのエリアAとの関係を示す。In one embodiment of the present invention, the relationship between the resolution of a spherical array and these areas A is shown. 本発明の一実施形態において球形アレイの解像度とこれらのエリアAとの関係を示す。In one embodiment of the present invention, the relationship between the resolution of a spherical array and these areas A is shown. 本発明の一実施形態において球形アレイの解像度とこれらのエリアAとの関係を示す。In one embodiment of the present invention, the relationship between the resolution of a spherical array and these areas A is shown. 実際的な室内及び屋外伝播シナリオにおけるMIMOシステムの自由度を示す。The degree of freedom of the MIMO system in practical indoor and outdoor propagation scenarios is shown. アレイ直径の関数としてのDIDOシステムにおける自由度を示す。Fig. 4 shows the degrees of freedom in a DIDO system as a function of array diameter. 有線接続又は無線接続で通信する複数の集中型プロセッサ(CP)及び分散ノード(DN)を含む一実施形態を示す。1 illustrates one embodiment including a plurality of centralized processors (CPs) and distributed nodes (DNs) communicating over wired or wireless connections. CPが未認可DNと制御情報を交換し、認可使用向け周波数帯域を停止するようにこれらを再構成する一実施形態を示す。Fig. 4 illustrates an embodiment where a CP exchanges control information with an unauthorized DN and reconfigures them to stop the frequency band for authorized use. 全スペクトルが新サービスに割り当てられ、CPが制御情報を使用して全ての未認可DNを停止させ、認可DNとの干渉を回避する一実施形態を示す。FIG. 6 illustrates an embodiment where all spectrum is allocated to a new service and the CP uses control information to stop all unauthorized DNs and avoid interference with authorized DNs. 複数のCPと、分散ノードと、CPをDNに相互接続するネットワークと、を含むクラウド無線システムの一実施形態を示す。1 illustrates one embodiment of a cloud wireless system that includes a plurality of CPs, distributed nodes, and a network that interconnects the CPs to a DN. 適応的にパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)の実施形態を示す。1 illustrates an embodiment of a multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that adaptively reconfigures parameters to compensate for Doppler effects due to user mobility or propagation environment changes. 適応的にパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)の実施形態を示す。1 illustrates an embodiment of a multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that adaptively reconfigures parameters to compensate for Doppler effects due to user mobility or propagation environment changes. 適応的にパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)の実施形態を示す。1 illustrates an embodiment of a multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that adaptively reconfigures parameters to compensate for Doppler effects due to user mobility or propagation environment changes. 適応的にパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)の実施形態を示す。1 illustrates an embodiment of a multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that adaptively reconfigures parameters to compensate for Doppler effects due to user mobility or propagation environment changes. 適応的にパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)の実施形態を示す。1 illustrates an embodiment of a multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that adaptively reconfigures parameters to compensate for Doppler effects due to user mobility or propagation environment changes. 適応的にパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)の実施形態を示す。1 illustrates an embodiment of a multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that adaptively reconfigures parameters to compensate for Doppler effects due to user mobility or propagation environment changes. 適応的にパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)の実施形態を示す。1 illustrates an embodiment of a multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that adaptively reconfigures parameters to compensate for Doppler effects due to user mobility or propagation environment changes. 複数のBTSを示し、この一部は良好なSNRを有し、この一部はUEに対して低ドップラーを有する。Shows multiple BTSs, some with good SNR, some with low Doppler for the UE. 複数のBTS−UEリンクに関してCPによって記録されたSNR及びドップラーの値を含む行列の一実施形態を示す。FIG. 6 illustrates one embodiment of a matrix including SNR and Doppler values recorded by a CP for multiple BTS-UE links. FIG. 本発明の一実施形態による異なる時間におけるチャンネル利得(又はCSI)を示す。Fig. 5 shows channel gain (or CSI) at different times according to an embodiment of the invention.

上記の従来技術の制限の多くを克服する1つの解決法は、分散入力分散出力(DIDO)技術の実施形態である。DIDO技術は、以下の特許及び特許出願に説明されており、その全ては、本特許の本出願人に譲渡され、かつ参照することにより組み込まれている。本出願は、これらの特許出願の一部継続(CIP)である。これらの特許及び出願は、本明細書において集合的に「関連特許及び出願」と呼ぶことがある。   One solution that overcomes many of the limitations of the prior art described above is an embodiment of a distributed input distributed output (DIDO) technique. DIDO technology is described in the following patents and patent applications, all of which are assigned to the assignee of this patent and incorporated by reference. This application is a continuation-in-part (CIP) of these patent applications. These patents and applications may be collectively referred to herein as “related patents and applications”.

米国特許出願第13/232,996号(2011年9月14日出願、名称「Systems And Methods To Exploit Areas of Coherence in Wirless Systems」)。   US Patent Application No. 13 / 232,996 (filed September 14, 2011, name “Systems and Methods To Exploit Area of Coherence in Wireless Systems”).

同第13/233,006号(2011年9月14日出願、名称「Systems and Methods for Planned Evoluation and Obsolescence of Multiuser Spectrum」)。   No. 13 / 233,006 (filed on Sep. 14, 2011, name “Systems and Methods for Planned Evolution and Obsolescence of Multiuser Spectrum”).

同第12/917,257号(2010年11月1日出願、名称「Systems And Methods To Coordinate Transmissions In Distributed Wireless Systems Via User Clustering」)。   No. 12 / 917,257 (filed on Nov. 1, 2010, name “Systems And Methods To Coordinated Transmissions In Distributed Wireless Systems Via User Clustering”).

同第12/802,988号(2010年6月16日出願、名称「Interference Management,Handoff,Power Control And Link Adaptation In Distributed−Input Distributed−Output(DIDO)Communication Systems」)。   No. 12 / 802,988 (filed Jun. 16, 2010, name "Interference Management, Handoff, Power Control And Link Adaptation-In-Distributed-Output Distributed-Output (DIDO) Coimulation)".

同第12/802,976号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Adjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal Strength Measurements」)。   No. 12 / 802,976 (filed on June 16, 2010, name “System And Method For Adjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal Strength Measurements”).

同第12/802,974号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Managing Inter−Cluster Handoff Of Clients Which Traverse Multiple DIDO Clusters」)。   No. 12 / 802,974 (filed Jun. 16, 2010, name “System And Method For Managing Inter-Cluster Handoff Of Clients Whitch Multiples DIDO Clusters”).

同第12/802,989号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Managing Handoff Of A Client Between Different Distributed−Input−Distributed−Output(DIDO)Networks Based On Detected Velocity Of The Client」)。   No. 12 / 802,989 (filed on June 16, 2010, name “System And Method For Managing Handoff Of A Client Between Differed-Input-DuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDoutedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDuttedDoutedD .

同第12/802,958号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Power Control And Antenna Grouping In A Distributed−Input−Distributed−Output(DIDO)Network」)。   No. 12 / 802,958 (filed Jun. 16, 2010, name “System And Method For Power Control And Antenna Grouping In A Distributed-Input-Distributed-OutputN”).

同第12/802,975号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For Link adaptation In DIDO Multicarrier Systems」)。   No. 12 / 802,975 (filed on June 16, 2010, name “System And Method For Link Adaptation In DIDO Multi-carrier System”).

同第12/802,938号(2010年6月16日出願、名称「System And Method For DIDO Precoding Interpolation In Multicarrier Systems」)。   No. 12 / 802,938 (filed on June 16, 2010, name “System And Method For DIDO Precoding Interpolation In Multicarrier Systems”).

同第12/630,627号(2009年12月2日出願、名称「System and Method For Distributed Antenna Wireless Communications」)。   No. 12 / 630,627 (filed on Dec. 2, 2009, name “System and Method For Distributed Antenna Wireless Communications”).

米国特許第7,599,420号(2007年8月20日出願、2009年10月6日発行、名称「System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication」)。   US Pat. No. 7,599,420 (filed Aug. 20, 2007, issued Oct. 6, 2009, name “System and Method for Distributed Input Distributed Output Communication Communication”).

同第7,633,994号(2007年8月20日出願、2009年12月15日発行、名称「System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication」)。   No. 7,633,994 (filed Aug. 20, 2007, issued Dec. 15, 2009, name “System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication”).

同第7,636,381号(2007年8月20日出願、2009年12月22日発行、名称「System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication」)。   No. 7,636,381 (filed Aug. 20, 2007, issued Dec. 22, 2009, name “System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication”).

米国特許出願第12/143,503号(2008年6月20日出願、名称「System and Method For Distributed Input−Distributed Output Wireless Communications」)。   US patent application Ser. No. 12 / 143,503 (filed Jun. 20, 2008, entitled “System and Method For Distributed Input-Distributed Output Wireless Communications”).

同第11/256,478号(2005年10月21日出願、名称「System and Method For Spatial−Multiplexed Tropospheric Scatter Communications」)。   No. 11 / 256,478 (filed Oct. 21, 2005, name “System and Method for Spatial-Multiplexed Tropological Scatter Communications”).

米国特許第7,418,053号(2004年7月30日出願、2008年8月26日発行、名称「System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication」)。   US Pat. No. 7,418,053 (filed July 30, 2004, issued August 26, 2008, name “System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication”).

米国特許出願第10/817,731号(2004年4月2日出願、名称「System and Method For Enhancing Near Vertical Incidence Skywave(「NVIS」)Communication Using Space−Time Coding」)。   US patent application Ser. No. 10 / 817,731 (filed Apr. 2, 2004, entitled “System and Method for Enhancing Near Vertical Indication Skywave (“ NVIS ”) Communication Usage Space-Time Coding).

本特許出願のサイズ及び複雑性を低減するために、関連特許及び出願の一部の開示を以下では明示的に説明してはいない。本開示の完全な詳細説明については関連特許及び出願を参照されたい。   In order to reduce the size and complexity of this patent application, some disclosures of related patents and applications are not explicitly described below. See the related patents and applications for a complete detailed description of the disclosure.

以下の節I(関連出願第12/802,988号からの開示)では、本出願の出願人に譲渡された従来技術の参考文献及び先行出願を指す固有の1組の巻末の注を利用していることに留意されたい。巻末の引用は、節Iの終わり(節IIの見出しの直前)に記載されている。節IIでの引用は、これらの数字による表記が異なる参考文献(節IIの終わりに記載)を識別するとしても、その引用に対して、節Iに使用された数字による表記と一致する数字による表記を有する場合がある。したがって、特定の数字により識別される参考文献を数字による表記が使用される節内で識別することができる。   Section I below (disclosure from related application No. 12 / 802,988) utilizes a prior art reference assigned to the applicant of this application and a unique set of endnotes pointing to the prior application. Please note that. The citation at the end of the book appears at the end of section I (just before the section II heading). A citation in Section II will be identified by a number that matches the numerical notation used in Section I for that citation, even though it identifies references that differ in their numerical notation (described at the end of Section II). May have a notation. Thus, a reference identified by a particular number can be identified within a section where a numerical notation is used.

I.関連出願第12/802,988号からの開示
1.クラスター間干渉を除去する方法
ゼロRFエネルギを有する空間にロケーションを作成するために複数の分散型送信アンテナを使用する無線高周波(RF)通信システム及び方法を以下に説明する。M個の送信アンテナを使用する時に、所定のロケーションにおいてゼロRFエネルギの(M−1)個までの点を作成することができる。本発明の一実施形態において、ゼロRFエネルギの点は、無線デバイスであり、送信アンテナは、送信機と受信機との間のチャンネル状態情報(CSI)を認識している。一実施形態において、CSIは、受信機で計算されて送信機にフィードバックされる。別の実施形態において、CSIは、チャンネル相互関係が利用されると仮定して受信機からトレーニングを通じて送信機で計算される。送信機は、CSIを利用して、同時に送信される干渉信号を決定することができる。一実施形態において、ブロック対角化(BD)事前符号化が、ゼロRFエネルギの点を生成するために送信アンテナにおいて使用される。
I. Disclosure from Related Application No. 12 / 802,988 Method for Eliminating Intercluster Interference A radio frequency (RF) communication system and method that uses multiple distributed transmit antennas to create locations in a space with zero RF energy is described below. When using M transmit antennas, up to (M-1) points of zero RF energy can be created at a given location. In one embodiment of the invention, the zero RF energy point is a wireless device and the transmit antenna is aware of channel state information (CSI) between the transmitter and the receiver. In one embodiment, the CSI is calculated at the receiver and fed back to the transmitter. In another embodiment, CSI is calculated at the transmitter through training from the receiver assuming channel correlation is utilized. The transmitter can use CSI to determine interference signals that are transmitted simultaneously. In one embodiment, block diagonalization (BD) precoding is used at the transmit antenna to generate zero RF energy points.

本明細書に説明するシステム及び方法は、上述の従来の受信/送信ビームフォーミング法と異なっている。実際には、受信ビームフォーミングでは、受信側で干渉を抑止するために重みを計算し(ヌルステアリングを通じて)、一方、本明細書に記載の本発明の一部の実施形態は、結果として「ゼロRFエネルギ」を有する空間内の1つ又は複数のロケーションが得られる干渉パターンを作成するために送信側で重みを適用する。それぞれ、あらゆるユーザに対する信号品質(又はSINR)又はダウンリンク収量を最大にするように設計された従来の送信ビームフォーミング又はBD事前符号化と異なり、本明細書に記載のシステム及び方法は、所定の状況下で及び/又は所定の送信機からの信号品質を最小にし、したがって、ゼロRFエネルギの点がクライアントデバイス(本明細書で「ユーザ」と呼ぶことがある)で作成される。更に、分散入力分散出力(DIDO)システム(本発明者らの関連特許及び出願に説明)という関連では、空間内に分散された送信アンテナにより、異なるユーザに対して複数のゼロRFエネルギの点及び/又は最大SINRを作成するために利用することができる自由度の拡大(すなわち、チャンネル空間ダイバーシティの拡大)が得られる。例えば、M個の送信アンテナでは、RFエネルギの(M−1)個までの点を作成することができる。これとは対照的に、実際的なビームフォーミング又はBDマルチユーザシステムは、典型的には送信側で、あらゆる数の送信アンテナMが得られるように、無線リンク上で対処することができる同時のユーザの数を制限する密集したアンテナで設計される。   The systems and methods described herein differ from the conventional receive / transmit beamforming methods described above. In practice, receive beamforming calculates weights (through null steering) to suppress interference at the receiver side, while some embodiments of the invention described herein result in a “zero” Weights are applied at the transmitter side to create an interference pattern that results in one or more locations in space having “RF energy”. Unlike conventional transmit beamforming or BD precoding, designed to maximize signal quality (or SINR) or downlink yield, respectively, for any user, the systems and methods described herein are Under circumstances and / or minimize signal quality from a given transmitter, a zero RF energy point is created at the client device (sometimes referred to herein as a “user”). Further, in the context of a distributed input distributed output (DIDO) system (as described in our related patents and applications), multiple zero RF energy points and An extension of the degrees of freedom that can be used to create the maximum SINR (ie, an increase in channel space diversity) is obtained. For example, with M transmit antennas, up to (M-1) points of RF energy can be created. In contrast, practical beamforming or BD multi-user systems are typically simultaneous, which can be addressed over the radio link so that any number of transmit antennas M can be obtained at the transmit side. Designed with a compact antenna that limits the number of users.

K<MでM個の送信アンテナ及びK人のユーザを有するシステムについて考える。送信機はM個の送信アンテナとKユーザとの間に   Consider a system with K <M and M transmit antennas and K users. The transmitter is between M transmit antennas and K users.

Figure 2019198082
を認識していると仮定する。簡潔さを期すために、あらゆるユーザには単一のアンテナが装備されていると仮定しているが、同じ方法をユーザ当たり複数の受信アンテナに拡張することができる。K人のユーザのロケーションでゼロRFエネルギを作成する事前符号化重み
Figure 2019198082
Is recognized. For simplicity, it is assumed that every user is equipped with a single antenna, but the same method can be extended to multiple receive antennas per user. Precoding weights to create zero RF energy at the location of K users

Figure 2019198082
を以下の条件を満たすために計算する。
Hw=0K×1
式中、0K×1は、全てのゼロ入力によるベクトルであり、Hは、M個の送信アンテナからK人のユーザまでチャンネルベクトル
Figure 2019198082
Is calculated to satisfy the following condition.
Hw = 0 K × 1
Where 0 K × 1 is a vector with all zero inputs and H is a channel vector from M transmit antennas to K users.

Figure 2019198082
を結合することによって
Figure 2019198082
By combining

Figure 2019198082
として得られるチャンネル行列である。
Figure 2019198082
As a channel matrix.

一実施形態において、チャンネル行列Hの特異値分解(SVD)を計算し、事前符号化重みwをHのヌル部分空間(0個の単数値により識別)に対応する右特異ベクトルとして定義する。   In one embodiment, the singular value decomposition (SVD) of the channel matrix H is calculated and the precoding weight w is defined as the right singular vector corresponding to the null subspace of H (identified by 0 single values).

送信アンテナは、k番目のユーザで受信される信号を以下の式で示すように、K人のユーザのロケーションでK個のゼロRFエネルギの点を作成しながら、RFエネルギを送信するために上記で定義した重みベクトルを使用する。   The transmit antenna is configured to transmit RF energy while creating K zero RF energy points at the location of K users, as shown in the following equation for the signal received by the k th user: Use the weight vector defined in.

Figure 2019198082
式中、
Figure 2019198082
Where

Figure 2019198082
は、k番目のユーザでの加法性白色ガウスノイズ(AWGN)である。
Figure 2019198082
Is additive white Gaussian noise (AWGN) at the kth user.

一実施形態において、チャンネル行列Hの特異値分解(SVD)を計算し、事前符号化重みWをHのヌル部分空間(0個の単数値により識別)に対応する右特異ベクトルとして定義する。   In one embodiment, the singular value decomposition (SVD) of the channel matrix H is calculated and the precoding weight W is defined as the right singular vector corresponding to the null subspace of H (identified by 0 single values).

別の実施形態において、無線システムは、DIDOシステムであって、ゼロRFエネルギの点は、異なるDIDOカバレージエリア間にクライアントへの干渉を事前に相殺するために作成される。米国特許出願第12/630,627号において、以下を含むDIDOシステムが説明されている。
・DIDOクライアント
・DIDO分散型アンテナ
・DIDO基地送受信機局(BTS)
・DIDO基地局ネットワーク(BSN)
In another embodiment, the wireless system is a DIDO system, where zero RF energy points are created to pre-cancele interference to clients between different DIDO coverage areas. In US patent application Ser. No. 12 / 630,627, a DIDO system is described that includes:
・ DIDO client ・ DIDO distributed antenna ・ DIDO base transceiver station (BTS)
・ DIDO Base Station Network (BSN)

どのBTSも、DIDOクラスターという所定のカバレージエリア対してサービスを提供する複数の分散型アンテナにBSNを通じて接続される。本特許出願では、隣接DIDOクラスター間の干渉を除去するためのシステム及び方法を説明する。図1に示すように、主DIDOクラスターは、近傍クラスターからの干渉による影響を受けるクライアント(すなわち、マルチユーザDIDOシステムによってサービスを提供されるユーザデバイス、つまりターゲットクライアント)にサービスを提供すると仮定する。   Every BTS is connected through a BSN to a plurality of distributed antennas that serve a given coverage area called a DIDO cluster. This patent application describes a system and method for eliminating interference between adjacent DIDO clusters. As shown in FIG. 1, it is assumed that the primary DIDO cluster serves clients that are affected by interference from neighboring clusters (ie, user devices served by the multi-user DIDO system, ie, target clients).

一実施形態において、近傍クラスターは、従来のセルラーシステムと類似の周波数分割多重アクセス(FDMA)法に従って異なる周波数で作動する。例えば、3の周波数再使用係数で、同じキャリア周波数は、図2に示すように3つのDIDOクラスター毎に繰り返される。図2では、異なるキャリア周波数は、F1、F2、及びF3として識別される。この実施形態は一部の例に使用することができるが、この解決法により、周波数利用効率の減量が発生する。これは、利用可能なスペクトルが複数のサブバンドに分割され、DIDOクラスターの部分集合のみが同じサブバンドにおいて作動するからである。更に、複雑なセル設計により異なる周波数に異なるDIDOクラスターを関連付ける必要があり、したがって、干渉が防止される。従来技術のセルラーシステムと同様に、このようなセル設計では、同じ周波数を使用するクラスター間の干渉を回避するためにアンテナの所定の配置及び送信電力の制限が必要である。 In one embodiment, neighboring clusters operate at different frequencies according to a frequency division multiple access (FDMA) method similar to conventional cellular systems. For example, with a frequency reuse factor of 3, the same carrier frequency is repeated for every three DIDO clusters as shown in FIG. In FIG. 2, the different carrier frequencies are identified as F 1 , F 2 , and F 3 . Although this embodiment can be used for some examples, this solution results in a reduction in frequency utilization efficiency. This is because the available spectrum is divided into multiple subbands, and only a subset of DIDO clusters operate in the same subband. In addition, complex cell designs require different DIDO clusters to be associated with different frequencies, thus preventing interference. Similar to prior art cellular systems, such cell designs require predetermined antenna placement and transmit power limitations to avoid interference between clusters using the same frequency.

別の実施形態において、近傍クラスターは、同じ周波数帯域ではあるが、時分割多重アクセス(TDMA)法に従って異なる時間スロットで作動する。例えば、図3に示すように、DIDO送信は、図示のように、所定のクラスターに対しては時間スロットT1、T2、及びT3においてのみ許可される。時間スロットは、異なるクラスターがラウンドロビンポリシーに従って予定されるように異なるクラスターに等しく割り当てられる。異なるクラスターが異なるデータ転送速度要件を特徴とする場合に(すなわち、受信可能範囲エリア当たりのクライアント数が少ない農村地帯内のクラスターに対して混雑した都市環境のクラスター)、異なる優先度が、データ転送速度要件が大きいほど多くの時間スロットが割り当てられているように異なるクラスターに割り当てられる。上述のようなTDMAを本発明の一実施形態に使用することができるが、TDMA手法では、異なるクラスターにわたって時間同期を必要とする場合があり、かつ結果として周波数利用効率低下になる場合がある。これは、干渉クラスターは、同時に同じ周波数を使用することができないからである。 In another embodiment, neighboring clusters operate in different time slots according to the time division multiple access (TDMA) method, but in the same frequency band. For example, as shown in FIG. 3, DIDO transmission is only allowed in time slots T 1 , T 2 , and T 3 for a given cluster, as shown. Time slots are equally assigned to different clusters so that different clusters are scheduled according to a round robin policy. When different clusters are characterized by different data transfer rate requirements (ie clusters in crowded urban environments versus clusters in rural areas with low number of clients per coverage area), different priorities are used for data transfer Larger speed requirements are assigned to different clusters as more time slots are assigned. Although TDMA as described above can be used in an embodiment of the present invention, the TDMA approach may require time synchronization across different clusters and may result in reduced frequency utilization efficiency. This is because interference clusters cannot use the same frequency at the same time.

一実施形態において、全ての近傍クラスターは、同じ周波数帯域において同時に送信し、干渉を回避するためにクラスターにわたって空間処理を使用する。この実施形態において、マルチクラスターDIDOシステムは、(i)複数のクライアントに同じ周波数帯域内で同時非干渉データストリームを送信するために主クラスター内で従来のDIDO事前符号化を使用し(例えば、米国特許第7,599,420号、同第7,633,994号、同第7,636,381号、及び米国特許出願第12/143,503号を含む関連特許及び出願明細書に記載)、(ii)ターゲットクライアントのロケーションでゼロ高周波(RF)エネルギの点を作成することにより、図4において干渉ゾーン8010内にあるクライアントに対する干渉を回避するために、近傍クラスターにおいて干渉相殺でDIDO事前符号化を使用する。ターゲットクライアントが干渉ゾーン410にある場合、主クラスター411から、データストリームを含むRFの合計を受け取り、干渉クラスター412〜413から単に主クラスターからのデータストリームを含むRFであることになるゼロRFエネルギを受け取る。したがって、近傍クラスターは、干渉ゾーン内のターゲットクライアントが干渉を受けることなく同時に同じ周波数を利用することができる。   In one embodiment, all neighboring clusters transmit simultaneously in the same frequency band and use spatial processing across the clusters to avoid interference. In this embodiment, the multi-cluster DIDO system uses (i) conventional DIDO pre-encoding within the main cluster to send simultaneous incoherent data streams to multiple clients within the same frequency band (eg, US (As described in related patents and application specifications including Patent Nos. 7,599,420, 7,633,994, 7,636,381, and U.S. Patent Application No. 12 / 143,503)), (Ii) DIDO precoding with interference cancellation in neighboring clusters to avoid interference for clients in interference zone 8010 in FIG. 4 by creating a point of zero radio frequency (RF) energy at the target client location. Is used. If the target client is in the interference zone 410, it receives the sum of the RFs that contain the data stream from the primary cluster 411 and zero RF energy from the interference clusters 412 to 413 that would simply be the RF that contains the data stream from the primary cluster. receive. Thus, neighboring clusters can utilize the same frequency at the same time without the target clients in the interference zone experiencing interference.

実用システムでは、DIDO事前符号化の性能は、チャンネル推定誤差又はドップラー効果(DIDO分散型アンテナで古いチャンネル状態情報が発生する)、マルチキャリアDIDOシステム内の相互変調歪(IMD)、時間又は周波数オフセットのような異なるファクタによる影響を受けている場合がある。これらの影響の結果として、ゼロRFエネルギの点をもたらすことは非実用的である場合がある。しかし、干渉クラスターからのターゲットクライアントでのRFエネルギが主クラスターからのRFエネルギと比較して取るに足りない限り、ターゲットクライアントでの関連性能は、干渉による影響を受けない。例えば、10-6のターゲットビット誤り率(BER)をもたらすように前進型誤信号訂正(FEC)符号化を使用し、4−QAM衛星配置を復調するためにクライアントが20dBの信号対ノイズ比(SNR)を必要とすると仮定する。干渉クラスターから受け取られたターゲットクライアントでのRFエネルギが、主クラスターから受け取られたRFエネルギを20dB下回る場合、干渉は取るに足りないものであり、クライアントは、所定のBERターゲット内で無事にデータを復調することができる。したがって、本明細書で使用する時に「ゼロRFエネルギ」という用語は、必ずしも干渉RF信号からのRFエネルギがゼロであることを意味するわけではない。むしろ、RFエネルギは、望ましいRF信号が受信機で受信することができるように望ましいRF信号のRFエネルギに対して十分に低いことを意味する。更に、望ましいRFエネルギに対する干渉RFエネルギの所定の望ましい閾値を説明しているが、本発明の基本的な原理は、所定の閾値に限定されない。 In a practical system, the performance of DIDO pre-coding is the channel estimation error or Doppler effect (old channel state information is generated with DIDO distributed antennas), intermodulation distortion (IMD) in multi-carrier DIDO system, time or frequency offset. May be affected by different factors such as As a result of these effects, it may be impractical to provide zero RF energy points. However, as long as the RF energy at the target client from the interfering cluster is negligible compared to the RF energy from the main cluster, the associated performance at the target client is not affected by the interference. For example, using forward error signal correction (FEC) coding to yield a target bit error rate (BER) of 10 −6 , the client has a 20 dB signal-to-noise ratio (to demodulate the 4-QAM satellite constellation ( Assume that SNR) is required. If the RF energy at the target client received from the interfering cluster is 20 dB below the RF energy received from the main cluster, the interference is insignificant and the client can safely retrieve data within a given BER target. It can be demodulated. Thus, as used herein, the term “zero RF energy” does not necessarily mean that the RF energy from the interfering RF signal is zero. Rather, RF energy means that it is sufficiently low relative to the RF energy of the desired RF signal so that the desired RF signal can be received at the receiver. Furthermore, while a predetermined desired threshold of interference RF energy for the desired RF energy is described, the basic principles of the present invention are not limited to the predetermined threshold.

図4に示すように異なるタイプの干渉ゾーン8010がある。例えば、「タイプA」領域(図80では文字「A」で表示)は、1つの近傍クラスターのみからの干渉による影響を受けており、一方、「タイプB」領域(文字「B」で表示)は、2つ又は複数の近傍クラスターからの干渉に対応する。   There are different types of interference zones 8010 as shown in FIG. For example, the “type A” area (indicated by the letter “A” in FIG. 80) is affected by interference from only one neighboring cluster, while the “type B” area (indicated by the letter “B”). Corresponds to interference from two or more neighboring clusters.

図5は、本発明の一実施形態に使用されるフレームワークを示す。点はDIDO分散型アンテナを示し、十字記号はDIDOクライアントを指し、矢印はRFエネルギの伝播の方向を示す。主クラスター内のDIDOアンテナは、そのクラスター内のクライアントMC 501に事前符号化データ信号を送信する。同様に、干渉クラスター内のDIDOアンテナは、従来のDIDO事前符号化を通じてそのクラスター内のクライアントIC 502にサービスを提供する。緑色十字記号503は、干渉ゾーン内のターゲットクライアントTC 503を示す。主クラスター511内のDIDOアンテナは、従来のDIDO事前符号化を通じてターゲットクライアント(黒色矢印)に事前符号化データ信号を送信する。干渉クラスター512内のDIDOアンテナは、ターゲットクライアント503(緑色矢印)の方向に向けてゼロRFエネルギを作成するために事前符号化を使用する。   FIG. 5 illustrates the framework used in one embodiment of the present invention. The dots indicate DIDO distributed antennas, the cross symbol points to the DIDO client, and the arrows indicate the direction of RF energy propagation. The DIDO antenna in the main cluster transmits a pre-encoded data signal to the client MC 501 in that cluster. Similarly, DIDO antennas in an interference cluster serve client ICs 502 in that cluster through conventional DIDO precoding. A green cross symbol 503 indicates the target client TC 503 in the interference zone. The DIDO antenna in the main cluster 511 transmits a pre-encoded data signal to the target client (black arrow) through conventional DIDO pre-encoding. The DIDO antenna in interference cluster 512 uses precoding to create zero RF energy towards the target client 503 (green arrow).

いずれかの干渉ゾーン410A(図4のB)内のターゲットクライアントkでの受信信号は、以下の式によって示される。   The received signal at the target client k in any interference zone 410A (FIG. 4B) is given by:

Figure 2019198082
式中、k=1...K、Kは干渉ゾーン8010A、B内のクライアントの数であり、Uは主DIDOクラスター内のクライアントの数であり、Cは干渉DIDOクラスター412〜413の数であり、Icは干渉クラスターc内のクライアントの数である。更に、クライアントデバイスでのM個の送信DIDOアンテナ及びN個の受信アンテナを仮定し、
Figure 2019198082
Where k = 1. . . K and K are the number of clients in interference zones 8010A and B, U is the number of clients in the primary DIDO cluster, C is the number of interference DIDO clusters 412 to 413, and I c is in interference cluster c Is the number of clients. Further assume that there are M transmit DIDO antennas and N receive antennas at the client device,

Figure 2019198082
は、クライアントkでの受信データストリームを含むベクトルであり、
Figure 2019198082
Is a vector containing the received data stream at client k,

Figure 2019198082
は、主DIDOクラスター内のクライアントkへの送信データストリームのベクトルであり、
Figure 2019198082
Is a vector of outgoing data streams to client k in the main DIDO cluster,

Figure 2019198082
は、主DIDOクラスター内のクライアントuへの送信データストリームのベクトルであり、
Figure 2019198082
Is a vector of transmission data streams to client u in the main DIDO cluster,

Figure 2019198082
は、c番目の干渉DIDOクラスター内のクライアントiへの送信データストリームのベクトルであり、
Figure 2019198082
Is a vector of transmission data streams to client i in the c th interfering DIDO cluster,

Figure 2019198082
は、クライアントkのN個の受信アンテナでの加法性白色ガウスノイズ(AWGN)のベクトルであり、
Figure 2019198082
Is a vector of additive white Gaussian noise (AWGN) at the N receive antennas of client k,

Figure 2019198082
は、主DIDOクラスター内のクライアントkでのN個の受信アンテナへのM個の伝送DIDOアンテナからのDIDOチャンネル行列であり、
Figure 2019198082
Is the DIDO channel matrix from M transmit DIDO antennas to N receive antennas at client k in the main DIDO cluster;

Figure 2019198082
は、c番目の干渉DIDOクラスター内のクライアントkのN個の受信アンテナへのM個の伝送DIDOアンテナからのDIDOチャンネル行列であり、
Figure 2019198082
Is the DIDO channel matrix from M transmit DIDO antennas to N receive antennas for client k in the c th interfering DIDO cluster;

Figure 2019198082
は、主DIDOクラスター内のクライアントkに対するDIDO事前符号化重みの行列であり、
Figure 2019198082
Is a matrix of DIDO pre-encoding weights for client k in the main DIDO cluster,

Figure 2019198082
は、主DIDOクラスター内のクライアントuに対するDIDO事前符号化重みの行列であり、
Figure 2019198082
Is a matrix of DIDO pre-encoding weights for client u in the main DIDO cluster,

Figure 2019198082
は、c番目の干渉DIDOクラスター内のクライアントiに対するDIDO事前符号化重みの行列である。
Figure 2019198082
Is a matrix of DIDO pre-encoding weights for client i in the c th interfering DIDO cluster.

表記を簡素化し、かつ一般性を失わないようにするために、全てのクライアントがN個の受信アンテナを装備し、あらゆるDIDOクラスターにおいてM個のDIDO分散型アンテナがあり、   To simplify the notation and avoid loss of generality, all clients are equipped with N receive antennas, and there are M DIDO distributed antennas in every DIDO cluster,

Figure 2019198082
と仮定する。Mがクラスター内の受信アンテナの総数より大きい場合、追加の送信アンテナは、干渉ゾーン内のターゲットクライアントに対して干渉を事前に相殺するために、又は米国特許第7,599,420号、同第7,633,994号、同第7,636,381号、及び米国特許出願第12/143,503号を含む関連特許及び出願に記載されたダイバーシティ方式を通じて同じクラスター内のクライアントに対してリンク堅牢性を改善するために使用される。
Figure 2019198082
Assume that If M is greater than the total number of receive antennas in the cluster, an additional transmit antenna can be used to pre-empt interference to target clients in the interference zone, or US Pat. No. 7,599,420, ibid. Link robustness to clients in the same cluster through diversity schemes described in related patents and applications, including 7,633,994, 7,636,381, and US patent application Ser. No. 12 / 143,503 Used to improve sex.

DIDO事前符号化重みは、同じDIDOクラスター内のクライアント間干渉を事前に相殺するために計算される。例えば、米国特許第7,599,420号、同第7,633,994号、同第7,636,381号、及び米国特許出願第12/143,503号明細書、及び[7]を含む関連特許及び出願に説明されたブロック対角化(BD)事前符号化を使用し、以下の条件が主クラスターにおいて満たされるようにクライアント間干渉を除去することができる。   DIDO pre-encoding weights are calculated to pre-cancel inter-client interference within the same DIDO cluster. For example, U.S. Patent Nos. 7,599,420, 7,633,994, 7,636,381, and U.S. Patent Application No. 12 / 143,503, and [7] Using block diagonalization (BD) precoding as described in related patents and applications, inter-client interference can be eliminated so that the following conditions are met in the main cluster.

Figure 2019198082
Figure 2019198082

近傍DIDOクラスター内の事前符号化重み行列は、以下の条件が満たされるように設計される。   The pre-encoding weight matrix in the neighborhood DIDO cluster is designed so that the following conditions are met:

Figure 2019198082
Figure 2019198082

事前符号化行列Wc,iを計算するには、M個の送信アンテナから干渉クラスター内のlcクライアントまで並びに干渉ゾーン内のクライアントkまでのダウンリンクチャンネルが推定され、事前符号化行列が、干渉クラスター内のDIDO BTSにより計算される。干渉クラスターにおいて事前符号化行列を計算するためにBD方法が使用される場合、以下の実効チャンネル行列が、近傍クラスター内のi番目のクライアントへの重みを計算するために構成される。 To calculate the precoding matrix W c, i , the downlink channels from M transmit antennas to the l c clients in the interference cluster as well as to the client k in the interference zone are estimated, and the precoding matrix is Calculated by DIDO BTS in the interference cluster. When the BD method is used to calculate the precoding matrix in the interference cluster, the following effective channel matrix is configured to calculate the weight to the i th client in the neighborhood cluster.

Figure 2019198082
式中、
Figure 2019198082
Where

Figure 2019198082
は、干渉クラスターcに対してチャンネル行列
Figure 2019198082
Is the channel matrix for the interference cluster c

Figure 2019198082
から得られる行列であり、i番目のクライアントに対応する列が除去される。
Figure 2019198082
The column corresponding to the i th client is removed.

(1)に条件(2)及び(3)を代入し、ターゲットクライアントkに対して受信したデータストリームを取得し、クラスター内及びクラスター間干渉が除去される。   By substituting the conditions (2) and (3) into (1), the received data stream is acquired for the target client k, and intra-cluster and inter-cluster interference is removed.

Figure 2019198082
Figure 2019198082

近傍クラスターにおいて計算された(1)内の事前符号化重みWc,iは、干渉ゾーン内のターゲットクライアントへの干渉を事前に相殺しながら、それらのクラスター内の全てのクライアントに事前符号化データストリームを送信するように設計される。ターゲットクライアントは、その主クラスターからのみ事前符号化データを受信する。異なる実施形態において、同じデータストリームは、ダイバーシティ利得を取得するために、主クラスター及び近傍クラスターからターゲットクライアントに送られる。この場合に、(5)内の信号モデルは、以下のように表される。 The pre-encoded weights W c, i in (1) calculated in the neighboring clusters are pre-encoded for all clients in those clusters while pre-compensating for interference to target clients in the interference zone. Designed to send a stream. The target client receives pre-encoded data only from its main cluster. In different embodiments, the same data stream is sent from the primary cluster and neighboring clusters to the target client to obtain diversity gain. In this case, the signal model in (5) is expressed as follows.

Figure 2019198082
式中、Wc,kは、c番目のクラスター内のDIDO送信機から干渉ゾーン内のターゲットクライアントkまでのDIDO事前符号化行列である。(6)の方法は、近傍クラスターにわたる時間同期が必要であり、これは、大規模システムにおいて達成するには複雑であると考えられるが、依然としてダイバーシティ利得利点が実施のコストを正当化する場合は全く達成可能であることに留意されたい。
Figure 2019198082
Where W c, k is the DIDO precoding matrix from the DIDO transmitter in the c th cluster to the target client k in the interference zone. Method (6) requires time synchronization across neighboring clusters, which may be complex to achieve in large systems, but if the diversity gain advantage still justifies the cost of implementation. Note that this is quite achievable.

本発明者らは、信号対ノイズ比(SNR)の関数としての符号誤り率(SER)の観点から提案する方法の性能を評価することによって開始する。一般性を失わずに、クライアント当たりの単一のアンテナ及び再定式化(1)を仮定して以下の信号モデルを定義する。   We start by assessing the performance of the proposed method in terms of code error rate (SER) as a function of signal-to-noise ratio (SNR). Without loss of generality, we define the following signal model assuming a single antenna per client and reformulation (1).

Figure 2019198082
式中、INRは、INR=SNR/SIRとして定義される混信対ノイズ比であり、SIRは信号対干渉比である。
Figure 2019198082
Where INR is the interference to noise ratio defined as INR = SNR / SIR, and SIR is the signal to interference ratio.

図6は、干渉ゾーン内のターゲットクライアントに対してSIR=10dBを仮定したSNRの関数としてのSERを示す。一般性を失わずに、前方誤り訂正(FEC)符号化なしで4−QAM及び16−QAMに対してSERを測定した。符号化されていないシステムに対して1%にターゲットSERを固定する。このターゲットは、変調次数に基づいて、SNRの異なる値に対応する(すなわち、4−QAMに対してSNR=20dB及び16−QAMに対してSNR=28dB)。符号化利得のためにFEC符号化を使用する時に、より低いSERターゲットをSNRの同じ値に対して満たすことができる。クラスター当たりの2つのDIDOアンテナ及び2つのクライアント(各単一のアンテナを装備)で2クラスター(1つの主クラスター及び1つの干渉クラスター)のシナリオを考える。主クラスター内のクライアントの1つは、干渉ゾーン内にある。平坦フェーディング狭帯域チャンネルを仮定するが、以下の結果は、周波数選択マルチキャリア(OFDM)システムに拡張することができ、各サブキャリアは、平坦フェーディングを受ける。2つのシナリオ、すなわち、(i)事前符号化重みシナリオ:事前符号化重みWc,iが干渉ゾーン内のターゲットクライアントに対応することなく計算されるDIDOクラスター間干渉(IDCI)を有する一方のシナリオ、及び(ii)ターゲットクライアントへのIDCIを除去するために重みWc,iを計算することによってIDCIが除去される他方のシナリオを考える。IDCIが存在する場合に、SERが高くかつ所定のターゲットよりも大きいことが認められる。近傍クラスターでのIDCI事前符号化で、ターゲットクライアントへの干渉が除去され、SNR>20dBが得られるようにSERターゲットに到達する。 FIG. 6 shows the SER as a function of SNR assuming SIR = 10 dB for the target client in the interference zone. Without loss of generality, SER was measured for 4-QAM and 16-QAM without forward error correction (FEC) coding. Fix the target SER to 1% for uncoded systems. This target corresponds to different values of SNR based on the modulation order (ie, SNR = 20 dB for 4-QAM and SNR = 28 dB for 16-QAM). When using FEC coding for coding gain, a lower SER target can be met for the same value of SNR. Consider a scenario of two clusters (one main cluster and one interfering cluster) with two DIDO antennas and two clients (equipped with each single antenna) per cluster. One of the clients in the main cluster is in the interference zone. Assuming a flat fading narrowband channel, the following results can be extended to a frequency selective multi-carrier (OFDM) system, where each subcarrier undergoes flat fading. Two scenarios: (i) Pre-encoding weight scenario: one scenario where the pre-encoding weight W c, i has DIDO intercluster interference (IDCI) calculated without corresponding to the target client in the interference zone And (ii) Consider the other scenario where the IDCI is removed by calculating the weights W c, i to remove the IDCI to the target client. It can be seen that when IDCI is present, the SER is high and greater than a given target. With IDCI precoding in neighboring clusters, the interference to the target client is removed and the SER target is reached so that SNR> 20 dB is obtained.

図6の結果は、(5)の場合と同様にIDCI事前符号化を仮定する。近傍クラスターでのIDCI事前符号化も(6)の場合と同様に干渉ゾーン内のターゲットクライアントへのデータストリームを事前符号化するのに使用される場合に、更に別のダイバーシティ利得が得られる。図7は、2つの技術、すなわち、(i)(5)内のIDCI事前符号化を使用する「方法1」、及び(ii)近傍クラスターがターゲットクライアントにも事前符号化データストリームを送信する(6)のIDCI事前符号化を使用する「方法2」から導出されるSERを比較している。方法2では、ターゲットクライアントに事前符号化データストリームを送信するのに使用された近傍クラスター内のDIDOアンテナによって得られる更に別のアレイ利得のために、従来のIDCI事前符号化と比較して〜3dB利得が得られる。より一般的には、方法1を凌ぐ方法2のアレイ利得は、10*log10(C+1)に比例しており、式中、Cは近傍クラスターの数であり、係数「1」は主クラスターを指す。 The result of FIG. 6 assumes IDCI precoding as in the case of (5). Yet another diversity gain is obtained when IDCI precoding in neighboring clusters is used to pre-encode the data stream to the target client in the interference zone as in (6). FIG. 7 illustrates two techniques: (i) “Method 1” using IDCI precoding in (5), and (ii) a neighboring cluster also sends a precoded data stream to the target client ( 6) comparing the SER derived from “Method 2” using IDCI precoding. Method 2 is ˜3 dB compared to conventional IDCI precoding due to yet another array gain obtained by the DIDO antenna in the neighboring cluster used to transmit the precoded data stream to the target client. Gain is obtained. More generally, the array gain of Method 2 over Method 1 is proportional to 10 * log10 (C + 1), where C is the number of neighboring clusters and the coefficient “1” refers to the main cluster. .

次に、干渉ゾーンに関するターゲットクライアントのロケーションの関数としての以前の方法の性能を評価する。ターゲットクライアント8401が図8に示すように主DIDOクラスター802から干渉クラスター803まで移動する1つの簡単なシナリオを考える。主クラスター802内の全てのDIDOアンテナ812が条件(2)を満たすようにクラスター内干渉を除去するためにBD事前符号化を使用すると仮定する。単一の干渉DIDOクラスター、クライアントデバイス801での単一の受信アンテナ、及び主又は干渉クラスター内の全てのDIDOアンテナからクライアントまでの等しい伝播損失を仮定する(すなわち、円を示してクライアントの周りに設けられたDIDOアンテナ)。(一般的な都市環境の場合と同様に)伝播損失指数4を有する1つの簡略化された伝播損失モデル[11]を使用する。   Next, the performance of the previous method as a function of the location of the target client with respect to the interference zone is evaluated. Consider one simple scenario where the target client 8401 moves from the primary DIDO cluster 802 to the interference cluster 803 as shown in FIG. Assume that BD precoding is used to remove intra-cluster interference so that all DIDO antennas 812 in main cluster 802 satisfy condition (2). Assume a single interfering DIDO cluster, a single receive antenna at client device 801, and equal propagation loss from all DIDO antennas in the main or interfering cluster to the client (ie, circle around the client DIDO antenna provided). We use one simplified propagation loss model [11] with a propagation loss index of 4 (as in a typical urban environment).

これ以降の解析は、伝播損失に適合するように(7)を拡張する以下の簡略化された信号モデルに基づいている。   Subsequent analysis is based on the following simplified signal model that extends (7) to accommodate propagation losses.

Figure 2019198082
式中、信号対干渉比(SIR)は、SIR=((1−D)/D)4として導出される。IDCIをモデル化する際に、3つのシナリオ、すなわち、i)IDCIのない理想的な場合、ii)条件(3)を満たすために干渉クラスターにおいてBD事前符号化を通じて事前に相殺されるIDCI、及びiii)IDCIがあり、かつ近傍クラスターによる事前除去なしを考慮する。
Figure 2019198082
Where the signal to interference ratio (SIR) is derived as SIR = ((1-D) / D) 4 . In modeling the IDCI, three scenarios, i) the ideal case without IDCI, ii) IDCI pre-cancelled through BD precoding in the interference cluster to satisfy condition (3), and iii) Consider IDCI and no prior removal by neighboring clusters.

図9は、Dの関数としての信号対干渉ノイズ比(SINR)を示している(すなわち、ターゲットクライアントが主クラスター802から干渉クラスター8403内のDIDOアンテナ813の方向に移動する時)。SINRは、信号電源及び干渉の比率プラス(8)内の信号モデルを使用してノイズ電力として導出される。D=Doに向けてDo=0.1及びSNR=50dBを仮定する。IDCIがない場合には、無線リンク性能はノイズだけによる影響を受けており、SINRは伝播損失のために減少する。IDCIが存在する場合(すなわち、IDCI事前符号化なしで)近傍クラスター内のDIDOアンテナからの干渉は、SINRを低減する一因になる。 FIG. 9 shows the signal to interference noise ratio (SINR) as a function of D (ie, when the target client moves from the main cluster 802 in the direction of the DIDO antenna 813 in the interference cluster 8403). The SINR is derived as noise power using the signal power and the signal model within the interference ratio plus (8). Assume D o = 0.1 and SNR = 50 dB towards D = D o . In the absence of IDCI, the radio link performance is affected only by noise and SINR is reduced due to propagation loss. Interference from DIDO antennas in neighboring clusters when IDCI is present (ie, without IDCI precoding) contributes to reducing SINR.

図10は、平坦フェーディング狭帯域チャンネルにおける4QAM変調の3つのシナリオにおける符号誤り率(SER)性能を示す。これらのSER結果は、図9のSINRに対応する。図9のSINR閾値SINRT=20dBに対応する符号化されていないシステム(すなわち、FECなし)に対して1%のSER閾値を仮定する。SINR閾値は、データ送信に使用される変調次数に依存する。典型的には、同じターゲット誤り率をもたらすために、変調次数が高いほど高いSINRTを特徴とする。FECで、符号化利得のために同じSINR値に対してより低いターゲットSERをもたらすことができる。事前符号化なしのIDCIの場合に、ターゲットSERは、範囲D<0.25の範囲内でのみ達成される。近傍クラスターでのIDCI事前符号化で、ターゲットSERを満たす範囲は、D<0.6まで拡張される。その範囲よりも大きいと、SINRは、伝播損失のために増加してターゲットSERは満たされない。 FIG. 10 shows the code error rate (SER) performance in three scenarios of 4QAM modulation in a flat fading narrowband channel. These SER results correspond to the SINR of FIG. Assume a 1% SER threshold for an uncoded system (ie, no FEC) corresponding to the SINR threshold SINR T = 20 dB in FIG. The SINR threshold depends on the modulation order used for data transmission. Typically, higher SINR T is characterized by higher modulation order to provide the same target error rate. With FEC, a lower target SER can be provided for the same SINR value due to coding gain. In the case of IDCI without precoding, the target SER is achieved only within the range D <0.25. With IDCI pre-coding with neighboring clusters, the range that satisfies the target SER is extended to D <0.6. Above that range, the SINR increases due to propagation loss and the target SER is not satisfied.

IDCI事前符号化方法の一実施形態を図11に示すが、これは以下の段階から構成される。
・SIR推定1101:クライアントは、主DIDOクラスターからの信号電力(すなわち、受信した事前符号化データに基づいて)及び近傍DIDOクラスターからのノイズプラス干渉信号電力を推定する。シングルキャリアDIDOシステムでは、フレーム構造は、短いサイレンス期間に設計することができる。例えば、サイレンス期間は、チャンネル状態情報(CSI)フィードバック中にチャンネル推定のトレーニングと事前符号化データ送信との間に定義することができる。一実施形態において、近傍クラスターからのノイズプラス干渉信号電力は、主クラスター内のDIDOアンテナからサイレンス期間中に測定される。実用的なDIDOマルチキャリア(OFDM)システムは、ヌルトーンが、典型的には、送信側及び受信側でのフィルタリングのためにオフセットされる直流(DC)及び帯域の縁部での減衰を防止するのに使用される。マルチキャリアシステムを使用する別の実施形態において、ノイズプラス干渉信号電力は、ヌルトーンから推定される。補正係数を使用し、帯域の縁部での送信/受信フィルタ減衰を補正することができる。主クラスターからの信号対ノイズプラス干渉電力(PS)及び近傍クラスター(PIN)からのノイズプラス干渉電力が推定されると、クライアントは、以下のようにSINRを計算する。
One embodiment of the IDCI pre-encoding method is shown in FIG. 11 and consists of the following steps.
SIR estimation 1101: The client estimates the signal power from the main DIDO cluster (ie based on the received pre-encoded data) and the noise plus interference signal power from neighboring DIDO clusters. In a single carrier DIDO system, the frame structure can be designed with a short silence period. For example, a silence period can be defined between channel estimation training and pre-encoded data transmission during channel state information (CSI) feedback. In one embodiment, noise plus interference signal power from neighboring clusters is measured during silence periods from DIDO antennas in the main cluster. Practical DIDO multi-carrier (OFDM) systems prevent null tones from being attenuated at the direct current (DC) and band edges that are typically offset for filtering at the transmit and receive sides. Used for. In another embodiment using a multi-carrier system, the noise plus interference signal power is estimated from null tones. A correction factor can be used to correct for transmit / receive filter attenuation at the edge of the band. Once the signal-to-noise plus interference power (P S ) from the main cluster and the noise plus interference power from neighboring clusters (P IN ) are estimated, the client calculates SINR as follows:

Figure 2019198082
Figure 2019198082

あるいは、SINR推定値は、無線信号電力を測定するために、一般的な無線通信システムに使用される受信信号強度表示(RSSI)から導出される。   Alternatively, the SINR estimate is derived from a received signal strength indication (RSSI) used in typical wireless communication systems to measure radio signal power.

(9)内のメトリックは、ノイズと干渉電力レベルを区別することができないことが認められる。例えば、干渉のない環境のシャドーイングによる影響を受けるクライアント(すなわち、主クラスター内の全てのDIDO分散型アンテナからの信号電力を減衰する障害の後方)は、たとえクラスター間干渉による影響を受けていないとしても低いSINRを推定することができる。   It will be appreciated that the metrics in (9) cannot distinguish between noise and interference power levels. For example, clients that are affected by shadowing in an interference-free environment (ie, behind obstacles that attenuate signal power from all DIDO distributed antennas in the main cluster) are not affected even by intercluster interference. Even a low SINR can be estimated.

提案する方法のより信頼性が高いメトリックは、以下のように計算されるSIRである。   A more reliable metric of the proposed method is the SIR calculated as follows:

Figure 2019198082
式中、PNは、ノイズ電力である。実用的なマルチキャリアOFDMシステムは、主クラスター及び近傍クラスターの全てのDIDOアンテナが同じ1組のヌルトーンを使用すると仮定し、(10)のノイズ電力PNは、ヌルトーンから推定される。上述のように、ノイズプラス干渉電力(PIN)は、サイレンス期間から推定される。最後に、信号対ノイズプラス干渉電力(PS)S)は、データトーンから導出される。これらの推定値から、クライアントは、(10)でSIRを計算する。
Figure 2019198082
In the equation, P N is noise power. Practical multicarrier OFDM system, assuming that all DIDO antennas of the main cluster and vicinity cluster use the same set of null tones, the noise power P N (10) is estimated from the null tones. As described above, the noise plus interference power (P IN ) is estimated from the silence period. Finally, signal to noise plus interference power (P S ) S) is derived from the data tones. From these estimates, the client calculates the SIR at (10).

・近傍クラスター1102〜1103でのチャンネル推定:(10)内の推定SIRが、図11において8702で決定される所定の閾値(SIRT)よりも小さい場合に、クライアントは、近傍クラスターからのトレーニング信号を聴取し始める。SIRTは、データ送信に使用される変調及びFECコード方式(MCS)に依存することに留意されたい。異なるSIRターゲットは、クライアントのMCSによって定義される。異なるクラスターのDIDO分散型アンテナが時間同期化された(すなわち、同じパルス/秒PPS時間基準にロックされた)時に、クライアントは、8703で近傍クラスター内のDIDOアンテナにそのチャンネル推定値を配信するためにトレーニングシーケンスを利用する。近傍クラスター内のチャンネル推定のトレーニングシーケンスは、主クラスターからのトレーニングに直交するように設計される。あるいは、異なるクラスター内のDIDOアンテナが時間同期化されない時に、直角のシーケンス(良好な相互相関特性を有する)が、異なるDIDOクラスター内の時間同期に使用される。クライアントが近傍クラスターの時間/周波数基準にロックされた状態で、チャンネル推定が1103で実行される。 Channel estimation in neighboring clusters 1102 to 1103: If the estimated SIR in (10) is smaller than a predetermined threshold (SIR T ) determined at 8702 in FIG. Start listening. SIR T It is noted that depending on the modulation and FEC encoding scheme used for data transmission (MCS). Different SIR targets are defined by the client's MCS. When DIDO distributed antennas in different clusters are time synchronized (ie, locked to the same pulse / second PPS time reference), the client delivers its channel estimate to DIDO antennas in neighboring clusters at 8703 Use training sequences. The training sequence for channel estimation in neighboring clusters is designed to be orthogonal to the training from the main cluster. Alternatively, a quadrature sequence (with good cross-correlation properties) is used for time synchronization in different DIDO clusters when DIDO antennas in different clusters are not time synchronized. Channel estimation is performed at 1103 with the client locked to the neighborhood cluster time / frequency reference.

・IDCI事前符号化1104:チャンネル推定値が近傍クラスター内のDIDO BTSで利用可能になると、IDCI事前符号化が、(3)の条件を満たすように計算される。近傍クラスター内のDIDOアンテナは、図4の干渉ゾーン410内のクライアントへの干渉を事前に相殺しながら、クラスター内のクライアントだけに事前符号化データストリームを送信する。クライアントが図4のタイプB干渉ゾーン410内にある場合に、クライアントへの干渉は、複数のクラスターによって生成され、IDCI事前符号化が、同時に全ての近傍クラスターによって実行されることが認められる。   IDCI pre-encoding 1104: When channel estimates become available at DIDO BTSs in neighboring clusters, IDCI pre-encoding is calculated to satisfy condition (3). DIDO antennas in neighboring clusters transmit pre-encoded data streams only to clients in the cluster while pre-compensating for interference to clients in interference zone 410 of FIG. If the client is in the Type B interference zone 410 of FIG. 4, it will be appreciated that interference to the client is generated by multiple clusters, and IDCI precoding is performed by all neighboring clusters simultaneously.

ハンドオフの方法
これ以降、異なる種類のサービス(すなわち、低移動度サービス又は高移動度サービス)を提供する別々のエリアに位置する分散型アンテナによりポピュレートされたDIDOクラスターにわたって移動するクライアントに関する異なるハンドオフ方法を説明する。
Handoff methods From now on, different handoff methods for clients moving across DIDO clusters populated by distributed antennas located in different areas offering different types of services (ie low mobility services or high mobility services). explain.

a.隣接DIDOクラスター間のハンドオフ
一実施形態において、上述のクラスター間干渉を除去するIDCI−事前符号化器は、DIDOシステムにおけるハンドオフ方法の基線として使用される。セルラーシステムにおける従来のハンドオフは、異なる基地局によってサービスを提供されるセルにわたってシームレスに切り換わるクライアントに向けて考慮される。DIDOシステムでは、ハンドオフにより、クライアントは、接続を失わずにクラスター間に移動することができる。
a. Handoff between adjacent DIDO clusters In one embodiment, the IDCI-precoder that removes the intercluster interference described above is used as a baseline for handoff methods in DIDO systems. Traditional handoffs in cellular systems are considered towards clients that switch seamlessly across cells served by different base stations. In DIDO systems, handoff allows clients to move between clusters without losing connectivity.

DIDOシステムのハンドオフ戦略の一実施形態を示すために、2つのクラスター802及び803だけによる図8の例を再び考える。クライアント801が主クラスター(C1)802から近傍クラスター(C2)803に移動する時に、ハンドオフ方法の一実施形態は、異なるクラスターの信号品質を動的に計算し、クライアントに対して最低誤り率性能が得られるクラスターを選択する。   To illustrate one embodiment of a DIDO system handoff strategy, consider again the example of FIG. 8 with only two clusters 802 and 803. When the client 801 moves from the primary cluster (C1) 802 to the neighboring cluster (C2) 803, one embodiment of the handoff method dynamically calculates the signal quality of the different clusters and has the lowest error rate performance for the client. Select the resulting cluster.

図12は、クラスターC1の中心からのクライアントの距離の関数としてのSINR変動を示す。FEC符号化のない4−QAM変調に対して、ターゲットSINR=20dBを考える。円により識別される線は、C1及びC2の両方が干渉相殺なしでDIDO事前符号化を使用する時にC1内のDIDOアンテナによってサービスを提供されるターゲットクライアントのSINRを表す。近傍クラスターからの伝播損失及び干渉のためにDの関数としてのSINRは減少する。IDCI事前符号化が近傍クラスターで実行された時に、SINR減量は、(三角形を有する線に示すように)伝播損失によるものに過ぎない。これは、干渉が完全に除去されるからである。クライアントが近傍クラスターからサービスを提供される時に対称的挙動が体験される。ハンドオフ戦略の一実施形態は、クライアントがC1からC2に移動する時に、アルゴリズムが、所定のターゲットよりも上方にSINRを維持する異なるDIDO方式間で切り換わるように定義される。   FIG. 12 shows SINR variation as a function of client distance from the center of cluster C1. Consider a target SINR = 20 dB for 4-QAM modulation without FEC coding. The line identified by the circle represents the SINR of the target client served by the DIDO antenna in C1 when both C1 and C2 use DIDO precoding without interference cancellation. SINR as a function of D decreases due to propagation loss and interference from neighboring clusters. When IDCI precoding is performed on neighboring clusters, the SINR reduction is only due to propagation loss (as shown in the line with triangles). This is because the interference is completely eliminated. Symmetric behavior is experienced when a client is served from a neighboring cluster. One embodiment of a handoff strategy is defined such that when the client moves from C1 to C2, the algorithm switches between different DIDO schemes that maintain SINR above a given target.

図12のプロットから、図13の4−QAM変調のSERを導出する。異なる事前符号化戦略間で切り換わることにより、SERは、所定のターゲット内に維持されたことが認められる。   From the plot of FIG. 12, the SER of the 4-QAM modulation of FIG. 13 is derived. By switching between different precoding strategies, it can be seen that the SER was maintained within a given target.

ハンドオフ戦略の一実施形態は、以下の通りである。   One embodiment of a handoff strategy is as follows.

・C1−DIDO及びC2−DIDO事前符号化:クライアントが干渉ゾーンから離れる方向にC1内にある時に、クラスターC1及びC2の両方は、独立して従来のDIDO事前符号化で作動する。   C1-DIDO and C2-DIDO precoding: When the client is in C1 away from the interference zone, both clusters C1 and C2 operate independently with conventional DIDO precoding.

・C1−DIDO及びC2−IDCI事前符号化:クライアントが干渉ゾーンの方向に移動する時に、SIR又はSINRが劣化する。ターゲットSINRT1に到達した時に、ターゲットクライアントは、C2内の全てのDIDOアンテナからチャンネルを推定し始めてC2のBTSにCSIを供給する。C2内のBTSは、IDCI事前符号化を計算し、ターゲットクライアントへの干渉を防止しながらC2内の全てのクライアントに送信する。ターゲットクライアントが干渉ゾーン内にある限り、C1及びC2の両方にCSIを供給し続ける。 C1-DIDO and C2-IDCI precoding: SIR or SINR degrades when the client moves in the direction of the interference zone. When the target SINR T1 is reached, the target client begins to estimate the channel from all DIDO antennas in C2 and supplies CSI to C2's BTS. The BTS in C2 computes IDCI precoding and sends it to all clients in C2 while preventing interference to the target client. As long as the target client is in the interference zone, it continues to supply CSI to both C1 and C2.

・C1−IDCI及びC2−DIDO事前符号化:クライアントがC2の方向に移動する時に、SIR又はSINRは、再びターゲットに到達するまで減少し続ける。この時点で、クライアントは、近傍クラスターに切り換わることに決定する。この場合に、C1は、IDCI事前符号化でその方向に向けてゼロ干渉を作成するためにターゲットクライアントからのCSIを使用し始め、一方、近傍クラスターは、従来のDIDO事前符号化に向けてCSIを使用する。一実施形態において、SIR推定値がターゲットに接近する時に、クラスターC1及びC2は、クライアントが両方の場合にはSIRを推定することを可能にするために、代替的にDIDO事前符号化及びIDCI事前符号化方式の両方を試行する。次に、クライアントは、所定の誤り率特性メトリックを最大にする最良の方式を選択する。本方法が適用される時に、ハンドオフ戦略の交差点が、図12の三角形及び菱形を有する曲線の交差部で発生する。一実施形態は、(6)に説明した修正されたIDCI事前符号化方法を使用し、近傍クラスターも、アレイ利得が得られるようにターゲットクライアントに事前符号化データストリームを送信する。クライアントは、交差点で両方の戦略にSINRを推定する必要があるわけではないため、この手法で、ハンドオフ戦略が簡素化される。   C1-IDCI and C2-DIDO precoding: When the client moves in the C2 direction, the SIR or SINR continues to decrease until it reaches the target again. At this point, the client decides to switch to a neighboring cluster. In this case, C1 begins to use CSI from the target client to create zero interference in that direction with IDCI precoding, while neighboring clusters are CSI toward traditional DIDO precoding. Is used. In one embodiment, when the SIR estimate approaches the target, clusters C1 and C2 may alternatively use DIDO precoding and IDCI precoding to allow the client to estimate the SIR in both cases. Try both encoding schemes. The client then selects the best scheme that maximizes the predetermined error rate characteristic metric. When the method is applied, handoff strategy intersections occur at the intersections of curves having triangles and diamonds in FIG. One embodiment uses the modified IDCI pre-encoding method described in (6), and neighboring clusters also transmit the pre-encoded data stream to the target client so that array gain is obtained. This approach simplifies the handoff strategy because the client does not need to estimate the SINR for both strategies at the intersection.

・C1−DIDO及びC2−DIDO事前符号化:クライアントがC2の方向に干渉ゾーンから出た時に、主クラスターC1は、IDCI事前符号化を通じてそのターゲットクライアントの方向に干渉を事前に相殺するのを停止し、C1内に残る全てのクライアントに対する従来のDIDO事前符号化に再び切り換わる。ハンドオフ戦略におけるこの最終交差点は、ターゲットクライアントからC1への不要なCSIフィードバックを回避するために有用であり、したがって、フィードバックチャネルでのオーバヘッドを低減する。一実施形態において、第2のターゲットSINRT2が定義される。SINR(又はSIR)がこのターゲットを上回った時に、戦略は、C1−DIDO及びC2−DIDOに切り換わる。一実施形態において、クラスターC1は、クライアントがSINRを推定することを可能にするためにDIDO事前符号化とIDCI事前符号化との間で交替し続ける。次に、クライアントは、C1に対して、上からターゲットSINRT1により密接に接近する方法を選択する。 C1-DIDO and C2-DIDO precoding: When a client leaves the interference zone in the direction of C2, the primary cluster C1 stops pre-cancelling the interference in the direction of its target client through IDCI precoding. Switch back to conventional DIDO pre-encoding for all clients remaining in C1. This final intersection in the handoff strategy is useful to avoid unnecessary CSI feedback from the target client to C1, thus reducing overhead on the feedback channel. In one embodiment, a second target SINR T2 is defined. When the SINR (or SIR) exceeds this target, the strategy switches to C1-DIDO and C2-DIDO. In one embodiment, cluster C1 continues to alternate between DIDO precoding and IDCI precoding to allow clients to estimate SINR. The client then selects a method for C1 that is closer to the target SINR T1 from above.

上述の方法は、リアルタイムで異なる方式に向けてSINR又はSIR推定値を計算し、最適方式を選択するのに使用する。一実施形態において、ハンドオフアルゴリズムは、図14に示す有限状態機械に基づいて設計される。クライアントは、現状を追跡し、SINR又はSIRが図12に示す所定の閾値よりも小さいか又は上回った時に次の状態に切り換わる。上述のように、状態1201では、クラスターC1及びC2の両方は、独立して従来のDIDO事前符号化で作動し、クライアントは、クラスターC1によってサービスを提供され、状態1202では、クライアントは、クラスターC1によってサービスを提供され、C2内のBTSは、IDCI事前符号化を計算し、クラスターC1は、従来のDIDO事前符号化を使用して作動し、状態1203では、クライアントは、クラスターC2によってサービスを提供され、C1内のBTSは、IDCI事前符号化を計算し、クラスターC2は、従来のDIDO事前符号化を使用して作動し、状態1204では、クライアントは、クラスターC2によってサービスを提供され、クラスターC1及びC2の両方は、独立して従来のDIDO事前符号化で作動する。   The above method is used to calculate SINR or SIR estimates for different schemes in real time and to select the optimal scheme. In one embodiment, the handoff algorithm is designed based on the finite state machine shown in FIG. The client keeps track of the current state and switches to the next state when SINR or SIR is below or above the predetermined threshold shown in FIG. As described above, in state 1201, both clusters C1 and C2 operate independently with conventional DIDO precoding, the client is served by cluster C1, and in state 1202, the client is in cluster C1. And the BTS in C2 computes IDCI precoding, cluster C1 operates using conventional DIDO precoding, and in state 1203, the client is served by cluster C2. The BTS in C1 computes IDCI precoding, cluster C2 operates using conventional DIDO precoding, and in state 1204 the client is served by cluster C2 and cluster C1 And C2 are independent of conventional DIDO precodes In to operate.

シャドーイング効果が存在する場合、信号品質(SIR)は、図15に示すように閾値の周りで変動する場合があり、図14の連続的状態間の反復的スイッチングが発生する。反復的に状態を変更することは、結果として、伝送方式間のスイッチングを可能にするクライアントとBTSとの間の制御チャンネルに対する有意なオーバヘッドが発生するために望ましくない影響である。図15は、シャドーイングが存在する場合のハンドオフ戦略の一実施形態を示す。一実施形態において、シャドーイング係数は、分散3[3]を有する対数正規分布に従ってシミュレーションされる。これ以降では、DIDOハンドオフ中の反復的スイッチング効果を防止するいくつかの方法を定義する。   If there is a shadowing effect, the signal quality (SIR) may vary around the threshold as shown in FIG. 15, and repetitive switching between the continuous states of FIG. 14 occurs. Changing the state iteratively is an undesirable effect because it results in significant overhead for the control channel between the client and the BTS that allows switching between transmission schemes. FIG. 15 illustrates one embodiment of a handoff strategy when shadowing is present. In one embodiment, the shadowing factor is simulated according to a lognormal distribution with variance 3 [3]. In the following, we define several ways to prevent repetitive switching effects during DIDO handoff.

本発明の一実施形態は、状態スイッチング効果に対処するためにヒステリシスループを使用する。例えば、図14の「C1−DIDO、C2−IDCI」9302と「C1−IDCI、C2−DIDO」9303(あるいは、その逆もまた同様)の状態間で切り換わる時に、閾値SINRT1を範囲A1内で調整することができる。本方法は、信号品質がSINRT1の周りで変動する時に状態間の反復的スイッチングを回避する。例えば、図16は、図14の任意の2つの状態間で切り換わる時のヒステリシスループ機構を示す。状態BからAに切り換わるためには、SIRは、(SIRT1+A1/2)より大きくなければならないが、AからBに再び切り換わるためには、SIRは、(SIRT1−A1/2)を下回らなければならない。 One embodiment of the present invention uses a hysteresis loop to address state switching effects. For example, when the switching between the state of "C1-DIDO, C2-IDCI" in FIG. 14 9302 as "C1-IDCI, C2-DIDO" 9303 (or versa vice versa), the range A 1 threshold SINR T1 Can be adjusted within. The method avoids repetitive switching between states when the signal quality varies around SINR T1 . For example, FIG. 16 shows a hysteresis loop mechanism when switching between any two states of FIG. To switch to A from state B, SIR is, (SIR T1 + A 1/ 2) than is Nakere should increase, in order switched again from A to B is, SIR is, (SIR T1 -A 1 / Must fall below 2).

異なる実施形態において、閾値SINRT2は、図14で有限状態機械の第1及び第2の(又は第3及び第4の)状態間の反復的スイッチングを回避するように調整される。例えば、値A2の範囲は、閾値SINRT2がチャンネル状態及びシャドーイング効果に基づいてその範囲で選択されるように定義することができる。 In different embodiments, the threshold SINR T2 is adjusted in FIG. 14 to avoid repetitive switching between the first and second (or third and fourth) states of the finite state machine. For example, the range of the value A 2 can be defined such that the threshold SINR T2 is selected in that range based on channel conditions and shadowing effects.

一実施形態において、無線リンクにわたって推定されるシャドーイングの分散に基づいて、SINR閾値は、範囲[SINRT2,SINRT2+A2]内で動的に調整される。クライアントがその現在のクラスターから近傍クラスターまで移動する時に、受信信号強度(又はRSSI)の分散から対数正規分布の分散を推定することができる。 In one embodiment, the SINR threshold is dynamically adjusted within the range [SINR T2 , SINR T2 + A 2 ] based on the estimated shadowing variance across the radio link. As the client moves from its current cluster to a neighboring cluster, the variance of the lognormal distribution can be estimated from the variance of the received signal strength (or RSSI).

以前の方法は、クライアントがハンドオフ戦略をトリガすると仮定する。一実施形態において、ハンドオフ決定は、複数のBTSにわたる通信が可能にされると仮定してDIDO BTSに任せられる。   The previous method assumes that the client triggers the handoff strategy. In one embodiment, handoff decisions are left to the DIDO BTS assuming communication across multiple BTSs is enabled.

簡潔さを期すために、上記の方法は、FEC符号化なし及び4−QAMを仮定して導出される。より一般的には、SINR又はSIR閾値は、異なる変調符号化方式(MCS)に向けて導出され、ハンドオフ戦略は、干渉ゾーン内の各クライアントに対して、ダウンリンクデータ転送速度を最適化するために、リンクアダプテーションと組合せて設計される(例えば、米国特許第7,636,381号を参照)。   For the sake of brevity, the above method is derived assuming no FEC coding and 4-QAM. More generally, SINR or SIR thresholds are derived for different modulation and coding schemes (MCS), and the handoff strategy is to optimize the downlink data rate for each client in the interference zone. And in combination with link adaptation (see, for example, US Pat. No. 7,636,381).

b.低ドップラー及び高ドップラーDIDOネットワーク間のハンドオフ
DIDOシステムは、クローズドループ伝送方式を使用し、ダウンリンクチャンネルにわたってデータストリームを事前符号化する。クローズドループ方式は、フィードバックチャンネルにわたって待ち時間により本質的に抑制される。実用的なDIDOシステムでは、コンピュータの時間は、高い処理パワーを有する送受信機により低減することができ、待ち時間の殆どは、BTSから分散型アンテナにCSI及びベースバンド方式の事前符号化データを配信する時にDIDO BSNにより導入されることが推定される。BSNは、デジタル加入者回線(DSL)、ケーブルモデム、ファイバリング、T1線、光同軸混成(HFC)ネットワーク、及び/又は固定無線(例えば、WiFi)を含むがこれらに限定されない様々なネットワーク技術で構成することができる。専用ファイバは、典型的には、帯域幅が非常に大きく、待ち時間が低いが(潜在的にローカル領域で1ミリ秒未満)、DSL及びケーブルモデムほどは普及していない。今日、DSL及びケーブルモデム接続は、典型的には米国ではラストマイル待ち時間が10〜25ms間に存在するが、非常に普及している。
b. Handoff between low and high Doppler DIDO networks The DIDO system uses a closed loop transmission scheme and pre-encodes the data stream across the downlink channel. The closed loop scheme is inherently suppressed by latency across the feedback channel. In a practical DIDO system, the computer time can be reduced by a transceiver with high processing power, and most of the waiting time is delivered from the BTS to CSI and baseband pre-coded data to the distributed antenna. It is estimated that it will be introduced by DIDO BSN. BSN is a variety of network technologies including but not limited to digital subscriber line (DSL), cable modem, fiber ring, T1 line, hybrid optical coax (HFC) network, and / or fixed radio (eg, WiFi). Can be configured. Dedicated fibers typically have very high bandwidth and low latency (potentially less than 1 millisecond in the local area), but are not as popular as DSL and cable modems. Today, DSL and cable modem connections are very popular, although the last mile latency typically exists between 10-25 ms in the United States.

BSNにわたる最大待ち時間で、DIDO事前符号化の性能劣化なしでDIDO無線リンクにわたって許容できる最大ドップラーシフトが決まる。例えば、[1]では、400MHzのキャリア周波数で、約10ミリ秒の待ち時間を有するネットワーク(すなわち、DSL)は、最大3.58m/s(8mph)までのクライアントの速度(稼動速度)を許容することができ、一方、1ミリ秒の待ち時間を有するネットワーク(すなわち、ファイバリング)は、最大31.3m/s(70mph)までの速度(すなわち、フリーウェイトラフィック)をサポートすることができることが見出されている。   The maximum latency over the BSN determines the maximum Doppler shift that can be tolerated over the DIDO radio link without the performance degradation of DIDO precoding. For example, in [1], a network with a carrier frequency of 400 MHz and a latency of about 10 milliseconds (ie, DSL) can tolerate client speeds (running speeds) up to 3.58 m / s (8 mph). While networks with 1 millisecond latency (ie fiber ring) can support speeds up to 31.3 m / s (70 mph) (ie freeway traffic). Has been issued.

BSNにわたって許容できる最大ドップラーシフトに基づいて、2つ又は複数のDIDOサブネットワークを定義する。例えば、DIDO BTSと分散型アンテナとの間の待ち時間が長いDSL接続を有するBSNは、低移動度又は固定無線サービス(すなわち、低ドップラーネットワーク)しか配信することができず、一方、待ち時間が短いファイバリングにわたる待ち時間が短いBSNは、高移動性を許容できる(すなわち、高ドップラーネットワーク)。広帯域ユーザの殆どは、広帯域使用時には移動しておらず、更に、殆どのユーザは、多くの高速物体が通過するエリア(例えば、高速道路の横)の近くに位置する可能性がないことが認められる。これは、このようなロケーションは、典型的には、生活したり、事務所を経営したりするにはより望ましくないロケーションであるためである。しかし、高速で広帯域を使用している(例えば、高速道路を移動する車中)か、又は高速物体近傍(例えば、高速道路の近くに位置する店舗内)にいると思われる広帯域ユーザが存在する。これらの2つの異なるユーザドップラーシナリオに対処するために、一実施形態において、低ドップラーDIDOネットワークは、広域にわたって比較的低電力(すなわち、1W〜100W、屋内又は屋上配置用)の広がりを有する、典型的には多数のDIDOアンテナから構成され、一方、高ドップラーネットワークは、高電力送信(すなわち、100W、屋上又は塔配置用)を有する、典型的には少数のDIDOアンテナから構成される。低ドップラーDIDOネットワークは、典型的には多くの低ドップラーユーザにサービスを提供し、DSL及びケーブルモデムのような廉価な待ち時間が長いブロードバンド接続を使用して典型的には低い接続費でサービスを提供することができる。高ドップラーDIDOネットワークは、典型的には少数の高ドップラーユーザにサービスを提供し、ファイバのような高価な待ち時間が短いブロードバンド接続を使用して典型的に高い接続費でそれを行うことができる。   Two or more DIDO sub-networks are defined based on the maximum Doppler shift allowed over the BSN. For example, a BSN with a high latency DSL connection between a DIDO BTS and a distributed antenna can only deliver low mobility or fixed wireless services (ie, low Doppler networks), while latency is low. A BSN with low latency over a short fiber ring can tolerate high mobility (ie, a high Doppler network). It is recognized that most broadband users are not moving when using broadband, and that most users are not likely to be near an area through which many high-speed objects pass (eg, next to a highway). It is done. This is because such a location is typically a less desirable location for living or running an office. However, there are broadband users who seem to be using broadband at high speed (eg in a car traveling on a highway) or near a high-speed object (eg in a store located near a highway) . To address these two different user Doppler scenarios, in one embodiment, a low Doppler DIDO network typically has a relatively low power spread over a wide area (ie, 1 W to 100 W, for indoor or rooftop deployments). While typically composed of a large number of DIDO antennas, a high Doppler network is typically composed of a small number of DIDO antennas with high power transmission (ie, 100 W, for rooftop or tower placement). Low Doppler DIDO networks typically serve many low Doppler users, typically using low cost, high latency broadband connections such as DSL and cable modems, typically at low connection costs. Can be provided. High Doppler DIDO networks typically serve a small number of high Doppler users and can do it typically at high connection costs using expensive low latency broadband connections such as fiber. .

異なるタイプのDIDOネットワーク(例えば、低ドップラー及び高ドップラー)にわたる干渉を回避するために、時分割多重アクセス(TDMA)、周波数分割多重アクセス(FDMA)又は符号分割多重アクセス(CDMA)など異なる多重アクセス技術を使用することができる。   Different multiple access technologies such as time division multiple access (TDMA), frequency division multiple access (FDMA) or code division multiple access (CDMA) to avoid interference across different types of DIDO networks (eg, low and high Doppler) Can be used.

異なるタイプのDIDOネットワークにクライアントを割り当てて、その間でハンドオフを可能にする方法を提案する。ネットワーク選択は、各クライアントの移動度のタイプに基づいている。クライアントの速度(v)は、以下の方程式[6]に従って最大ドップラーシフトに比例している。   We propose a method for assigning clients to different types of DIDO networks and enabling handoffs between them. Network selection is based on the mobility type of each client. The client speed (v) is proportional to the maximum Doppler shift according to equation [6] below.

Figure 2019198082
式中、fdは最大ドップラーシフトであり、λはキャリア周波数に対応する波長であり、θは方向送信機−クライアントを示すベクトルと速度ベクトルとの角度である。
Figure 2019198082
Where f d is the maximum Doppler shift, λ is the wavelength corresponding to the carrier frequency, and θ is the angle between the direction transmitter-client vector and the velocity vector.

一実施形態において、あらゆるクライアントのドップラーシフトは、ブラインド推定技術を通じて計算される。例えば、ドップラーシフトは、クライアントにRFエネルギを送ってドップラーレーダシステムと類似の反射された信号を解析することによって推定することができる。   In one embodiment, every client's Doppler shift is computed through a blind estimation technique. For example, the Doppler shift can be estimated by sending RF energy to the client and analyzing the reflected signal similar to a Doppler radar system.

別の実施形態において、1つ又は複数のDIDOアンテナは、クライアントにトレーニング信号を送る。それらのトレーニング信号に基づいて、クライアントは、チャンネル利得のゼロ交差回数を数えるか、又はスペクトル解析を行うなどの技術を使用してドップラーシフトを推定する。一定の速度v及びクライアントの軌跡に対して、(11)の角速度v sinθは、いずれかのDIDOアンテナからのクライアントの相対距離に依存する場合があることが認められる。例えば、移動しているクライアントの近くのDIDOアンテナでは、遠いアンテナより大きい角速度及びドップラーシフトが得られる。一実施形態において、ドップラー速度は、クライアントから異なる距離にある複数のDIDOアンテナから推定され、平均、重み付き平均又は標準偏差が、クライアントの移動度の指標として使用される。DIDO BTSは、推定ドップラー指標に基づいて低ドップラー、又は高ドップラーネットワークにクライアントを割り当てるべきであるかを決定する。   In another embodiment, one or more DIDO antennas send training signals to the client. Based on those training signals, the client estimates the Doppler shift using techniques such as counting the number of zero crossings of the channel gain or performing spectral analysis. It will be appreciated that for a constant velocity v and client trajectory, the angular velocity v sin θ in (11) may depend on the client's relative distance from any DIDO antenna. For example, a DIDO antenna near a moving client can provide a greater angular velocity and Doppler shift than a far antenna. In one embodiment, the Doppler velocity is estimated from multiple DIDO antennas at different distances from the client, and an average, weighted average or standard deviation is used as an indicator of client mobility. The DIDO BTS determines whether clients should be assigned to the low Doppler or high Doppler network based on the estimated Doppler indication.

ドップラー指標は、周期的に全てのクライアントに対してモニタされてBTSに送り返される。1つ又は複数のクライアントがドップラー速度を変更した時に(すなわち、バスに乗っているクライアント対歩行中又は座っているクライアントに)、それらのクライアントは、移動度のレベルを許容できる異なるDIDOネットワークに動的に再割り当てされる。   The Doppler indicator is periodically monitored for all clients and sent back to the BTS. When one or more clients change the Doppler speed (ie, a client on the bus vs. a walking or sitting client), they move to different DIDO networks that can tolerate a level of mobility. Will be reallocated.

低速のクライアントのドップラーが高速物体の近く(例えば、高速道路の近く)にあることによる影響を受ける可能性があるが、ドップラーは、典型的には、それ自体身移動中であるクライアントのドップラーを遥かに下回る。したがって、一実施形態において、クライアントの速度が推定され(例えば、GPSを使用してクライアント位置をモニタするなどの手段を使用することにより)、速度が低い場合に、クライアントは、低ドップラーネットワークに割り当てられ、速度が高い場合に、クライアントは、高ドップラーネットワークに割り当てられる。   Although a slow client Doppler can be affected by being near a high speed object (eg, near a highway), the Doppler typically does not move a client Doppler that itself is moving. Far below. Thus, in one embodiment, the client's speed is estimated (eg, by using means such as monitoring the client position using GPS) and if the speed is low, the client is assigned to a low Doppler network. If the speed is high, the client is assigned to a high Doppler network.

電力制御及びアンテナグループ分けの方法
電力制御を伴うDIDOシステムのブロック図を図17に示す。あらゆるクライアント(1...U)の1つ又は複数のデータストリーム(sk)が、DIDO事前符号化ユニットによって生成された重みにより乗算される。事前符号化データストリームには、入力チャンネル品質情報(CQI)に基づいて、電力コントローラにより計算される電力スケーリング係数が乗算される。CQIは、DIDO BTSにクライアントからフィードバックされるか、アップリンク−ダウンリンクチャンネル相互関係を仮定してアップリンクチャンネルから導出される。次に、異なるクライアントのU個の事前符号化ストリームが、M個のデータストリーム(tm)に、M個の送信アンテナの各々に対して1つに結合及び多重化される。最後に、ストリームtmが、デジタル/アナログ変換器(DAC)ユニット、高周波(RF)ユニット、電力増幅器(PA)ユニット、及び最後にアンテナに送られる。
Method of Power Control and Antenna Grouping A block diagram of a DIDO system with power control is shown in FIG. One or more data streams (s k ) of every client (1... U) are multiplied by the weights generated by the DIDO precoding unit. The pre-encoded data stream is multiplied by a power scaling factor calculated by the power controller based on input channel quality information (CQI). The CQI is fed back from the client to the DIDO BTS or derived from the uplink channel assuming uplink-downlink channel correlation. Next, U pre-coded streams of different clients are combined and multiplexed into M data streams (t m ), one for each of the M transmit antennas. Finally, the stream t m is sent to a digital / analog converter (DAC) unit, a radio frequency (RF) unit, a power amplifier (PA) unit, and finally an antenna.

電力制御ユニットは、全てのクライアントに対してCQIを測定する。一実施形態において、CQIは、平均SNR又はRSSIである。CQIは、伝播損失又はシャドーイングに基づいて異なるクライアントに対して変動する。電力制御方法は、異なるクライアントに対して伝送電力スケーリング係数Pkを調整し、異なるクライアントに対して生成される事前符号化データストリームにより乗算する。クライアントの受信アンテナの数に基づいて、1つ又は複数のデータストリームをあらゆるクライアントに対して生成することができることに留意されたい。 The power control unit measures CQI for all clients. In one embodiment, the CQI is average SNR or RSSI. CQI varies for different clients based on propagation loss or shadowing. The power control method adjusts the transmission power scaling factor P k for different clients and multiplies by the pre-encoded data stream generated for different clients. Note that one or more data streams can be generated for any client based on the number of client receive antennas.

提案する方法の性能を評価するために、伝播損失及び電力制御パラメータを含む(5)に基づいて以下の信号モデルを定義する。   In order to evaluate the performance of the proposed method, the following signal model is defined based on (5) including propagation loss and power control parameters.

Figure 2019198082
式中、k=1...U、Uはクライアントの数であり、SNR=Po/Noであり、Poは平均送信電力であり、Noはノイズ電力であり、αkは伝播損失/シャドーイング係数である。伝播損失/シャドーイングをモデル化するために、以下の簡略化したモデルを使用する。
Figure 2019198082
Where k = 1. . . U, U is the number of clients, SNR = P o / N o , P o is the average transmission power, N o is the noise power, and α k is the propagation loss / shadowing factor. To model propagation loss / shadowing, the following simplified model is used.

Figure 2019198082
式中、a=4は伝播損失指数であり、伝播損失がクライアントの指数と共に増加する(すなわち、クライアントはDIDOアンテナからの距離が増大する位置にある)と仮定する。
Figure 2019198082
Where a = 4 is the propagation loss index, and it is assumed that the propagation loss increases with the client index (ie, the client is at a position where the distance from the DIDO antenna increases).

図18は、異なるシナリオでの4つのDIDO送信アンテナ及び4つのクライアントを仮定したSER対SNRを示す。理想的な場合では、全てのクライアントが同じ伝播損失を有し(すなわち、a=0)、全てのクライアントに対してPk=1が得られると仮定する。正方形を有するプロットは、クライアントが異なる伝播損失係数を有し、電力制御がでない場合を指す。点を有する曲線は、同じシナリオ(伝播損失あり)から導出され、電力制御係数は、Pk=1/αkであるように選択される。電力制御方法では、より多くの電力が、より高い伝播損失/シャドーイングを受けるクライアントのためのものであるデータストリームに割り当てられ、したがって、(この所定のシナリオに対しては)電力制御がない場合と比較して9dBのSNR利得が得られる。 FIG. 18 shows the SER vs. SNR assuming 4 DIDO transmit antennas and 4 clients in different scenarios. In the ideal case, assume that all clients have the same propagation loss (ie, a = 0) and that P k = 1 is obtained for all clients. The plot with squares refers to the case where the clients have different propagation loss factors and no power control. The curve with points is derived from the same scenario (with propagation loss) and the power control factor is chosen so that P k = 1 / α k . In the power control method, more power is allocated to the data stream that is for clients that experience higher propagation loss / shadowing, and therefore there is no power control (for this given scenario). An SNR gain of 9 dB is obtained as compared with FIG.

Federal Communications Commission(FCC)(及び他の国際的規制機関)は、電磁(EM)放射線への人体の露出を制限するために無線デバイスから送信することができる最大電力に関する制約を定義している。2種類の限度[2]、すなわち、i)人々に柵、警告、又はラベルを通じて高周波(RF)発生源を完全に認識させている「職業/管理環境下限度」、及びii)露出に対する管理がない「一般大衆/非管理」限度がある。   The Federal Communications Commission (FCC) (and other international regulatory agencies) have defined constraints on the maximum power that can be transmitted from a wireless device to limit human exposure to electromagnetic (EM) radiation. There are two types of limits [2]: i) “occupation / control environment lower limit” that allows people to fully recognize radio frequency (RF) sources through fences, warnings, or labels; and ii) control over exposure. There is no “general public / unmanaged” limit.

異なる放出レベルが、異なるタイプの無線デバイスに対して定義される。一般的に、屋内/屋外用途に使用されるDIDO分散型アンテナは、[2]、つまり「通常、ユーザ又はその近くの人の本体から20cm又はそれよりも多くに維持される放射構造と共に使用されると思われる固定ロケーション以外に使用されるように設計された送信デバイス」として定義される「モバイル」デバイスのFCCカテゴリに関する。   Different emission levels are defined for different types of wireless devices. In general, DIDO distributed antennas used for indoor / outdoor applications are [2], ie “usually used with radiating structures that are maintained 20 cm or more from the body of the user or nearby person. Relates to the FCC category of “mobile” devices, defined as “transmitting devices designed to be used outside fixed locations”.

「モバイル」デバイスのEM放出は、mW/cm2で表される最大許容露出(MPE)の観点から測定される。図19は、700MHzのキャリア周波数での送信電力の異なる値に対して、RF放射線源からの距離の関数としてのMPE電力密度を示す。典型的には人体から20cmの域よりも大きいと作動するデバイスに対してFCC「非管理」限度を満たすべき最大許容送信電力は、1Wである。 The EM emission of a “mobile” device is measured in terms of maximum allowable exposure (MPE) expressed in mW / cm 2 . FIG. 19 shows MPE power density as a function of distance from the RF radiation source for different values of transmit power at a carrier frequency of 700 MHz. Typically, the maximum allowable transmit power to meet the FCC “unmanaged” limit for devices that operate above 20 cm from the human body is 1 W.

制限が緩い電力放出制約は、「一般大衆」から離れた屋上又は建物上に設けられる送信機に対して定義される。これらの「屋上送信機」に対して、FCCは、実効輻射電力(ERP)の観点から測定される1000Wのより緩い放出限度を定義している。   Less restrictive power emission constraints are defined for transmitters installed on the rooftop or building away from the “general public”. For these “rooftop transmitters”, the FCC defines a 1000 W looser emission limit measured in terms of effective radiated power (ERP).

上記のFCC制約に基づいて、一実施形態において、実用システムに向けて2種類のDIDO分散型アンテナを定義する。
・低電力(LP)送信機:1W及び5Mbpsの消費者等級の広帯域(例えば、DSL、ケーブルモデム、ファイバトゥザホーム(FTTH))の最大送信電力で、あらゆる高さにおいてどこにでも(すなわち、屋内、又は屋外)に位置するバックホール接続性。
・高電力(HP)送信機:100W及び市販等級の広帯域(例えば、光ファイバリング)バックホールの送信電力で(DIDO無線リンクにわたって利用可能な収量と比較して有効に「無制限」データ転送速度で)、ほぼ10メートルの高さにおける屋上又は建物取り付け式アンテナ。
Based on the above FCC constraints, in one embodiment, two types of DIDO distributed antennas are defined for a practical system.
Low power (LP) transmitter: 1W and 5 Mbps consumer grade wideband (eg, DSL, cable modem, fiber to the home (FTTH)) maximum transmit power, anywhere at any height (ie indoors, Or backhaul connectivity located outdoors.
High power (HP) transmitter: 100 W and commercial grade broadband (eg fiber optic ring) backhaul transmission power (effectively “unlimited” data rate compared to yield available over DIDO radio links) ) Rooftop or building-mounted antenna at a height of approximately 10 meters.

クライアントは殆どは固定式であるか又は移動度が低いために、DSL又はケーブルモデム接続性を有するLP送信機は、(前節において上述したように)低ドップラーDIDOネットワークの良好な候補であることに留意されたい。市販のファイバ接続性を有するHP送信機は、クライアントのより高い移動度を許容することができ、かつ高ドップラーDIDOネットワークに使用することができる。   LP clients with DSL or cable modem connectivity are good candidates for low Doppler DIDO networks (as described above in the previous section) because most of the clients are fixed or have low mobility. Please keep in mind. Commercially available HP transmitters with fiber connectivity can tolerate higher client mobility and can be used for high Doppler DIDO networks.

異なるタイプのLP/HP送信機を有するDIDOシステムの性能に関する実際的な直観力がつくように、Palo Alto,CAのダウンタウンでのDIDOアンテナ配置の実際的な事例を考える。図20aは、Palo Alto,CAのNLP=100低電力DIDO分散型アンテナのランダム分布を示している。図20bでは、50個のLPアンテナは、NHP=50個の高電力送信機で置換される。 Consider a practical case of DIDO antenna placement in downtown Palo Alto, CA so that a practical intuition on the performance of a DIDO system with different types of LP / HP transmitters can be gained. Figure 20a shows a Palo Alto, random distribution of N LP = 100 low power DIDO distributed antennas CA. In FIG. 20b, 50 LP antennas are replaced with N HP = 50 high power transmitters.

図20a〜図20bのDIDOアンテナ分布に基づいて、DIDO技術を使用するシステムに向けてPalo Altoにおいて受信可能範囲地図を導出する。図21a及び図21bは、それぞれ、図20a及び図20bの構成に対応する2つの電力分布を示している。受電分布(dBmで表す)は、700MHzのキャリア周波数で3GPP規格[3]により定義された都市環境に対して伝播損失/シャドーイングモデルを仮定して導出される。HP送信機の50%を使用し、選択したエリアの受信可能範囲が改善することが認められる。   Based on the DIDO antenna distribution of FIGS. 20a-20b, a coverage map is derived in Palo Alto for systems using DIDO technology. FIGS. 21a and 21b show two power distributions corresponding to the configurations of FIGS. 20a and 20b, respectively. The power distribution (expressed in dBm) is derived assuming a propagation loss / shadowing model for an urban environment defined by the 3GPP standard [3] at a carrier frequency of 700 MHz. It can be seen that using 50% of the HP transmitter improves the coverage of the selected area.

図22a〜図22bは、上記の2つのシナリオの速度分布を示している。収量(Mbpsで表記)は、[4、5]で3GPPロングタームエボリューション(LTE)規格において定義された異なる変調符号化方式に対して電力閾値に基づいて導出される。全可のための帯域幅は、700MHzのキャリア周波数で10MHzに固定される。2つの異なる周波数割当計画、つまり、i)LP基地局だけに割り当てられる5MHzのスペクトル、ii)HP送信機に9MHz及びLP送信機に1MHzが考慮される。典型的には、収量に限界があるDSLバックホール接続性のためにLP場にはより低い部帯域幅が割り当てられることに留意されたい。図22a〜図22bは、HP送信機の50%を使用する時に、図22aの2.4Mbpsから図22bの38Mbpsまで平均クライアント当たりのデータ転送速度を上げることによって速度分布を有意に増大させることができることを示している。   22a to 22b show the velocity distributions of the above two scenarios. Yields (expressed in Mbps) are derived based on power thresholds for different modulation and coding schemes defined in 3GPP Long Term Evolution (LTE) standards in [4, 5]. The bandwidth for fullness is fixed at 10 MHz with a carrier frequency of 700 MHz. Two different frequency allocation schemes are considered: i) 5 MHz spectrum allocated only to LP base stations, ii) 9 MHz for HP transmitters and 1 MHz for LP transmitters. Note that typically LP fields are allocated lower bandwidth due to DSL backhaul connectivity with limited yield. FIGS. 22a-22b can significantly increase the speed distribution by increasing the average data transfer rate per client from 2.4 Mbps in FIG. 22a to 38 Mbps in FIG. 22b when using 50% of the HP transmitter. It shows what you can do.

次に、より高い電力があらゆる所定の時間に可能になり、したがって、図22bのDIDOシステムのダウンリンクチャンネルにわたって収量が増大するようにLP基地局の電力送信を制御するアルゴリズムを定義した。電力密度に関するFCC限度が[2]として経時的な平均に基づいて定義されることが認められる。   Next, an algorithm was defined that controls the power transmission of the LP base station such that higher power is possible at any given time, thus increasing yield over the downlink channel of the DIDO system of FIG. 22b. It will be appreciated that the FCC limit for power density is defined as [2] based on an average over time.

Figure 2019198082
式中、
Figure 2019198082
Where

Figure 2019198082
はMPE平均化時間であり、tnは電力密度Snでの放射線に対する露出期間である。
「管理」露出では、平均時間は、6分であり、一方、「非管理」露出では、30分まで増大される。次に、いずれの電源も、(14)の平均電力密度が「非管理」露出の30分の平均値に関するFCC限度を満たす限りMPE限度より大きい電力レベルで送信することが許容される。
Figure 2019198082
Is the MPE averaging time and t n is the exposure period to radiation at power density S n .
For “managed” exposures, the average time is 6 minutes, while for “unmanaged” exposures it is increased to 30 minutes. Any power supply is then allowed to transmit at a power level that is greater than the MPE limit as long as the average power density in (14) meets the FCC limit for the 30-minute average value of “unmanaged” exposure.

この解析に基づいて、DIDOアンテナ当たりの平均電力をMPE限度未満に維持しながら、瞬間的なアンテナ当たりの送信電力を増大させる適応電力制御方法を定義する。アクティブクライアントよりも多くの送信アンテナを有するDIDOシステムを考える。これは、DIDOアンテナは、廉価な無線デバイス(WiFiアクセスポイントと類似)として考えることができ、かつDSL、ケーブルモデム、光ファイバ又は他のインターネット接続性がある任意の場所に設けることができることを考慮すると適切な仮定である。   Based on this analysis, an adaptive power control method is defined that increases the instantaneous transmit power per antenna while maintaining the average power per DIDO antenna below the MPE limit. Consider a DIDO system with more transmit antennas than active clients. This takes into account that the DIDO antenna can be thought of as an inexpensive wireless device (similar to a WiFi access point) and can be located anywhere with DSL, cable modem, fiber optic or other internet connectivity This is an appropriate assumption.

適応アンテナ当たりの電力制御を伴うDIDOシステムのフレームワークを図23に示す。マルチプレクサ234から現れるデジタル信号の振幅は、DACユニット235に送られている前に、電力スケーリング係数S1...SMで動的に調整される。電力スケーリング係数は、CQI 233に基づいて電力制御ユニット232により計算される。 A DIDO system framework with power control per adaptive antenna is shown in FIG. The amplitude of the digital signal appearing from the multiplexer 234 is sent to the power scaling factor S 1 . . . Dynamically adjusted with S M. The power scaling factor is calculated by the power control unit 232 based on the CQI 233.

一実施形態において、Ng個のDIDOアンテナ群が定義される。あらゆる群は、少なくともアクティブクライアント(K)の数と同数のDIDOアンテナを含む。あらゆる所定の時点で、1つの群のみがMPE限度 In one embodiment, N g DIDO antenna groups are defined. Every group includes at least as many DIDO antennas as the number of active clients (K). Only one group can have MPE limits at any given time

Figure 2019198082
よりも大きい電力レベル(So)でクライアントに送信するNa>K個のアクティブDIDOアンテナを有する。ある方法は、図24に示すラウンドロビンスケジューリング方針に従って全てのアンテナ群にわたって反復される。別の実施形態において、異なるスケジューリング法(すなわち、比例公平スケジューリング[8])は、誤り率又は収量性能を最適化するためにクラスター選択に使用される。
Figure 2019198082
With N a > K active DIDO antennas transmitting to the client at a higher power level (S o ). One method is repeated across all antenna groups according to the round robin scheduling policy shown in FIG. In another embodiment, different scheduling methods (ie proportional fair scheduling [8]) are used for cluster selection to optimize error rate or yield performance.

ラウンドロビン電力割り当てを仮定し、(14)から、以下のようにあらゆるDIDOアンテナに対する平均送信電力を導出する。   Assuming round robin power allocation, from (14) we derive the average transmit power for all DIDO antennas as follows:

Figure 2019198082
式中、toは、アンテナ群がアクティブである期間であり、TMPE=30minはFCC指針[2]により定義された平均時間である。(15)の比率は、あらゆるDIDOアンテナからの平均送信電力がMPE限度
Figure 2019198082
Where t o is the period during which the antenna group is active, and T MPE = 30 min is the average time defined by the FCC guidelines [2]. The ratio of (15) indicates that the average transmission power from any DIDO antenna is the MPE limit

Figure 2019198082
を満たすように定義される群の負荷時間率(DF)である。負荷時間率は、以下の定義に従ってアクティブクライアントの数、群の数、及び群当たりのアクティブアンテナの数に依存する。
Figure 2019198082
The load time ratio (DF) of the group defined to satisfy The load time ratio depends on the number of active clients, the number of groups, and the number of active antennas per group according to the following definition.

Figure 2019198082
Figure 2019198082

電力制御及びアンテナグループ分けを有するDIDOシステムにおいて得られたSNR利得(dB単位)は、以下のように負荷時間率の関数として表される。   The SNR gain (in dB) obtained in a DIDO system with power control and antenna grouping is expressed as a function of load time ratio as follows:

Figure 2019198082
(17)の利得は、全てのDIDOアンテナにわたるGdBの更に別の送信電力の代償として達成されることが認められる。
Figure 2019198082
It will be appreciated that the gain of (17) is achieved at the expense of yet another transmit power of G dB across all DIDO antennas.

一般的に、全てのNg群の全てのNaからの全送信電力は、以下のように定義される。 Generally, the total transmit power from all N a of all N g groups are defined as follows.

Figure 2019198082
式中、Pijは以下によって示される平均的なアンテナ当たりの送信電力であり、
Figure 2019198082
Where P ij is the average transmit power per antenna given by:

Figure 2019198082
ij(t)は、j番目の群内のi番目の送信アンテナの電力スペクトル密度である。一実施形態において、(19)の電力スペクトル密度は、あらゆるアンテナが誤り率又は収量性能を最適化するように設計される。
Figure 2019198082
S ij (t) is the power spectral density of the i th transmit antenna in the j th group. In one embodiment, the power spectral density of (19) is designed such that every antenna optimizes error rate or yield performance.

提案する方法の性能に関する何らかの直観力が得られるように、DIDOシステムで提供される無線インターネットサービスに登録する所定のカバレージエリア及び400のクライアント内の400個のDIDO分散型アンテナを考える。あらゆるインターネット接続が常時余す所なく利用されることは考えにくい。クライアントの10%が任意の所定の時点で無線インターネット接続を能動的に使用すると仮定する。次に、400個のDIDOアンテナをそれぞれNa=40アンテナのNg=10個の群に分割することができ、あらゆる群は、負荷時間率DF=0.1で任意の所定の時点でK=40個のアクティブクライアントにサービスを提供する。この送信方式から生じるSNR利得は、全てのDIDOアンテナからの10dBの更に別の送信電力によって供給されたGdB=10log10(1/DF)=10dBである。しかし、平均的なアンテナ当たりの送信電力は一定であり、かつMPE限度内であることが認められる。 Consider 400 DIDO distributed antennas in a given coverage area and 400 clients that register with the wireless Internet service provided by the DIDO system so that some intuition regarding the performance of the proposed method is obtained. It is unlikely that all Internet connections will be used all the time. Assume that 10% of clients actively use a wireless Internet connection at any given time. Next, the 400 DIDO antennas can be divided into N g = 10 groups of N a = 40 antennas each, each group being K at any given time with a load time ratio DF = 0.1. = Serving 40 active clients. The SNR gain resulting from this transmission scheme is G dB = 10 log 10 (1 / DF) = 10 dB supplied by an additional transmit power of 10 dB from all DIDO antennas. However, it can be seen that the average transmit power per antenna is constant and within the MPE limits.

図25は、アンテナグループ分けによる上記の電力制御の(符号化されていない)SER性能を米国特許第7,636,381号の従来の固有モード選択と比較する。全ての方式は、それぞれ単一のアンテナが装備された4つのクライアントと共にBD事前符号化を使用する。SNRは、ノイズ電力に対する送信アンテナ当りの電力の比率(すなわち、アンテナ当りの送信SNR)を指す。DIDO 4×4に示す曲線では、4つの送信アンテナ及びBD事前符号化を仮定する。正方形を有する曲線は、固有モード選択での2つの余分の送信アンテナ及びBDでのSER性能を示し、従来のBD事前符号化を凌いで(1%のSERターゲットで)10dBのSNR利得が得られる。アンテナグループ分け及びDF=1/10による電力制御により、同様に同じSERで10dBの利得が得られる。固有モード選択によりダイバーシティ利得のためにSER曲線の勾配が変わることが認められ、一方、この電力制御方法は、平均送信電力の増大のために(同じ勾配を維持しながら)左にSER曲線がずれる。比較のために、より大きい負荷時間率DF=1/50でのSERでは、DF=1/10と比較して更に別の7dBの利得が得られることが見出される。   FIG. 25 compares the (uncoded) SER performance of the above power control with antenna grouping with the conventional eigenmode selection of US Pat. No. 7,636,381. All schemes use BD precoding with 4 clients, each equipped with a single antenna. SNR refers to the ratio of power per transmit antenna to noise power (ie, transmit SNR per antenna). The curve shown in DIDO 4x4 assumes 4 transmit antennas and BD precoding. The curve with squares shows the SER performance with two extra transmit antennas and BD with eigenmode selection, yielding 10 dB SNR gain (with 1% SER target) over traditional BD precoding. . Similarly, a gain of 10 dB can be obtained with the same SER by antenna grouping and power control with DF = 1/10. It can be seen that eigenmode selection changes the slope of the SER curve due to diversity gain, while this power control method shifts the SER curve to the left (while maintaining the same slope) due to an increase in average transmit power. . For comparison, it is found that for a SER at a larger load time ratio DF = 1/50, another 7 dB gain is obtained compared to DF = 1/10.

本発明者らの電力制御は、従来の固有モード選択方法よりも複雑性が低くなる場合があることに留意されたい。実際には、K個のチャンネル推定値のみが任意の所定の時点で必要とされるように、あらゆる群のアンテナIDを予め計算し、ルックアップテーブルを通じてDIDOアンテナとクライアントとの間で共有することができる。固有モード選択に向けて、(K+2)個のチャンネル推定値が計算され、全てのクライアントに向けてあらゆる所定の時点でSERを最小にする固有モードを選択する更に別のコンピュータの処理が必要である。   Note that our power control may be less complex than conventional eigenmode selection methods. In practice, every group of antenna IDs is pre-calculated and shared between DIDO antennas and clients through a lookup table so that only K channel estimates are needed at any given time. Can do. For eigenmode selection, (K + 2) channel estimates are calculated, requiring further computer processing to select the eigenmode that minimizes the SER at any given time for all clients. .

次に、いくつかの特別なシナリオにおいてCSIフィードバックオーバヘッドを低減するためにDIDOアンテナグループ分けを伴う別の方法を説明する。図26aは、クライアント(点)が、複数のDIDO分散型アンテナ(十字記号)の対象になる1つのエリアにおいてランダムに広がっている1つのシナリオを示している。あらゆる送信−受信無線リンクにわたる平均電力は以下のように計算できる。   Next, another method with DIDO antenna grouping is described to reduce CSI feedback overhead in some special scenarios. FIG. 26a shows one scenario where a client (dot) is randomly spread in one area that is the target of multiple DIDO distributed antennas (crosshairs). The average power across all transmit-receive radio links can be calculated as follows:

Figure 2019198082
式中、Hは、DIDO BTSで利用可能であるチャンネル推定行列である。
Figure 2019198082
Where H is the channel estimation matrix available in DIDO BTS.

図26a〜図26cの行列Aは、1000個の事例にわたってチャンネル行列を平均化することによって数値的に得られる。2つの代替シナリオをそれぞれ図26b及び図26cに示すが、クライアントは、DIDOアンテナの部分集合の周りでまとめてグループ分けされ、遠くに位置するDIDOアンテナから取るに足りない電力を受電する。例えば、図26bは、ブロック対角行列Aが得られるアンテナの2つの群を示す。1つの極端なシナリオは、あらゆるクライアントが1つの送信機だけに非常に近くにあり、全ての他のDIDOアンテナからの電力が取るに足りないように送信機が互いから遠く離れる方向にある時のものである。この場合に、DIDOリンクは複数のSISOリンクにおいて劣化し、Aは、図26cの場合と同様に対角行列である。   The matrix A of FIGS. 26a-26c is obtained numerically by averaging the channel matrix over 1000 cases. Two alternative scenarios are shown in FIGS. 26b and 26c, respectively, where the clients are grouped together around a subset of the DIDO antennas and receive insignificant power from a remotely located DIDO antenna. For example, FIG. 26b shows two groups of antennas from which a block diagonal matrix A is obtained. One extreme scenario is when every client is very close to only one transmitter and the transmitters are far away from each other so that power from all other DIDO antennas is negligible. Is. In this case, the DIDO link degrades in multiple SISO links, and A is a diagonal matrix as in FIG. 26c.

上記の3つの全シナリオにおいて、BD事前符号化では、DIDOアンテナとクライアントとの間の無線リンクにわたって異なる電力レベルに適合するように動的に事前符号化重みを調整する。しかし、DIDOクラスター内の複数の群を識別して、各群内においてのみDIDO事前符号化を操作することが有利である。この提案するグループ分け方法は、以下の利点が得られる。
・計算利得:DIDO事前符号化は、クラスター内のあらゆる群内においてのみ計算される。例えば、例えば、BD事前符号化が使用される場合に、特異値分解(SVD)は複雑性O(n3)を有し、nは、チャンネル行列Hの最小次元である。Hをブロック対角行列に低減することができる場合、複雑性が低減されたあらゆるブロックに対してSVDが計算される。n=n1+n2であるようにチャンネル行列が次元n1及びn22つのブロック行列に分割された場合に、SVDの複雑性は、O(n1 3)+O(n2 3)<O(n3)であるに過ぎない。極端な場合、Hが対角行列である場合に、DIDOリンクは複数のSISOリンクに低減され、SVD計算は不要である。
・低減されるCSIフィードバックオーバヘッド:DIDOアンテナ及びクライアントが一実施形態において群に分割された時に、CSIは、同じ群内のみでクライアントからアンテナまで計算される。TDDシステムは、チャンネル相互関係を仮定することにより、アンテナグループ分けにより、チャンネル行列Hを計算すべきチャンネル推定値の数が低減する。CSIが無線リンク上でフィードバックされるFDDシステムでは、アンテナグループ分けにより、DIDOアンテナとクライアントとの間の無線リンクにわたってCSIフィードバックオーバヘッドの低減が更に得られる。
In all three scenarios above, BD precoding dynamically adjusts the precoding weights to adapt to different power levels across the radio link between the DIDO antenna and the client. However, it is advantageous to identify multiple groups in the DIDO cluster and operate DIDO precoding only within each group. This proposed grouping method has the following advantages.
• Computational gain: DIDO precoding is computed only within every group in the cluster. For example, when BD precoding is used, singular value decomposition (SVD) has complexity O (n 3 ), where n is the smallest dimension of the channel matrix H. If H can be reduced to a block diagonal matrix, the SVD is computed for every block with reduced complexity. When the channel matrix is divided into two block matrices of dimensions n 1 and n 2 such that n = n 1 + n 2 , the complexity of SVD is O (n 1 3 ) + O (n 2 3 ) <O It is only (n 3 ). In the extreme case, when H is a diagonal matrix, the DIDO link is reduced to multiple SISO links and no SVD calculation is required.
Reduced CSI feedback overhead: When DIDO antennas and clients are divided into groups in one embodiment, CSI is calculated from clients to antennas only within the same group. The TDD system reduces the number of channel estimates for which the channel matrix H should be calculated by antenna grouping by assuming channel correlation. In FDD systems where CSI is fed back over the radio link, antenna grouping further provides a reduction in CSI feedback overhead across the radio link between the DIDO antenna and the client.

DIDOアップリンクチャンネルの多重アクセス技術
本発明の一実施形態において、異なる多重アクセス技術が、DIDOアップリンクチャンネルに対して定義される。これらの技術は、CSIをフィードバックするか、又はアップリンクでクライアントからDIDOアンテナにデータストリームを送信するために使用することができる。これ以降、フィードバックCSI及びデータストリームをアップリンクストリームと呼ぶ。
・多重入力多重出力(MIMO):アップリンクストリームは、オープンループ型MIMO多重化方式を通じてDIDOアンテナにクライアントから送信される。本方法は、全てのクライアントが時点/周波数同期化されると仮定する。一実施形態において、クライアント間の同期は、ダウンリンクからのトレーニングを通じて達成され、全てのDIDOアンテナは、同じ時点/周波数基準クロックにロックされると仮定される。異なるクライアントでの遅延広がりの変動により、MIMOアップリンク方式の性能に影響を与える可能性がある異なるクライアントのクロック間のジッタが発生する可能性があることに留意されたい。クライアントがMIMO多重化方式を通じてアップリンクストリームを送った後に、受信DIDOアンテナは、同一チャンネル干渉を除去して個々にアップリンクストリームを復調するために、非線形(すなわち、最大尤度、ML)又は線形(すなわち、ゼロフォーシング、最小平均二乗誤差)受信機を使用することができる。
・時分割多重アクセス(TDMA):異なるクライアントは、異なる時間スロットに割り当てられる。あらゆるクライアントは、時間スロットが利用可能な時にアップリンクストリームを送る。
・周波数分割多重アクセス(FDMA):異なるクライアントは、異なるキャリア周波数に割り当てられる。マルチキャリア(OFDM)システムでは、トーンの部分集合は、同時にアップリンクストリームを送信する異なるクライアントに割り当てられ、したがって、待ち時間が低減する。
・符号分割多重アクセス(CDMA):あらゆるクライアントは、異なる擬似乱数に割り当てられ、クライアントにわたる直交性は、符号領域において達成される。
Multiple Access Technologies for DIDO Uplink Channel In one embodiment of the present invention, different multiple access technologies are defined for DIDO uplink channels. These techniques can be used to feed back CSI or send a data stream from the client to the DIDO antenna on the uplink. Hereinafter, the feedback CSI and the data stream are referred to as an uplink stream.
Multiple-input multiple-output (MIMO): The uplink stream is transmitted from the client to the DIDO antenna through an open-loop MIMO multiplexing scheme. The method assumes that all clients are time / frequency synchronized. In one embodiment, synchronization between clients is achieved through training from the downlink and it is assumed that all DIDO antennas are locked to the same time / frequency reference clock. Note that variations in delay spread at different clients can cause jitter between the clocks of different clients that can affect the performance of the MIMO uplink scheme. After the client sends an uplink stream through a MIMO multiplexing scheme, the receiving DIDO antenna can be non-linear (ie, maximum likelihood, ML) or linear to remove co-channel interference and demodulate the uplink stream individually. A receiver can be used (ie, zero forcing, minimum mean square error).
Time division multiple access (TDMA): Different clients are assigned to different time slots. Every client sends an uplink stream when a time slot is available.
Frequency division multiple access (FDMA): Different clients are assigned to different carrier frequencies. In a multi-carrier (OFDM) system, a subset of tones is assigned to different clients transmitting uplink streams at the same time, thus reducing latency.
Code Division Multiple Access (CDMA): Every client is assigned a different pseudo-random number, and orthogonality across clients is achieved in the code domain.

本発明の一実施形態において、クライアントは、DIDOアンテナよりも非常に低い電力で送信する無線デバイスである。この場合、DIDO BTSは、下位群にわたる干渉が最小化されるようにアップリンクSNR情報に基づいてクライアント下位群を定義する。あらゆる下位群内において、上記の多重アクセス技術では、時間領域、周波数領域、空間定義域、又は符号領域において直交チャンネルを作成するために使用され、したがって、異なるクライアントにわたってアップリンク干渉が回避される。   In one embodiment of the invention, the client is a wireless device that transmits at much lower power than the DIDO antenna. In this case, the DIDO BTS defines the client subgroup based on the uplink SNR information so that interference across the subgroup is minimized. Within any subgroup, the multiple access techniques described above are used to create orthogonal channels in the time domain, frequency domain, spatial domain, or code domain, thus avoiding uplink interference across different clients.

別の実施形態において、上述のアップリンク多重アクセス技術は、DIDOクラスター内の異なるクライアント群を定義するために、前の節に示したアンテナグループ分け方法と組合せて使用される。   In another embodiment, the uplink multiple access technique described above is used in combination with the antenna grouping method shown in the previous section to define different clients within a DIDO cluster.

DIDOマルチキャリアシステム内のリンクアダプテーションのシステム及び方法
無線チャンネルの時間、周波数、及び空間選択度を利用するDIDOシステムのリンクアダプテーション方法は、米国特許第7,636,381号に定義されている。無線チャンネルの時間/周波数選択度を利用するマルチキャリア(OFDM)DIDOシステム内のリンクアダプテーションの本発明の実施形態を以下に説明する。
Link Adaptation System and Method in DIDO Multi-Carrier System A link adaptation method for a DIDO system that utilizes the time, frequency, and spatial selectivity of the radio channel is defined in US Pat. No. 7,636,381. An embodiment of the present invention of link adaptation in a multi-carrier (OFDM) DIDO system that utilizes time / frequency selectivity of a radio channel is described below.

[9]において指数的に減衰する電力遅延プロフィール(PDP)又はSaleh−Valenzuelaモデルに従ってレイリーフェーディングチャンネルのシミュレーションを提供する。簡潔さを期すために、以下のように定義された多経路PDPを有する単一のクラスターチャンネルを仮定する。   In [9], a Rayleigh fading channel simulation is provided according to the exponentially decaying power delay profile (PDP) or Saleh-Valenzuela model. For simplicity, assume a single cluster channel with a multipath PDP defined as follows:

Figure 2019198082
式中、n=0...(L−1)は、チャンネルタップの指数であり、Lは、チャンネルタップの数であり、β=1/σDSは、チャンネル遅延広がり(σDS)に反比例するチャンネル干渉ゾーン域幅の指標であるPDP指数である。βの低い値により、周波数非選択性チャンネルが得られ、一方、βの高い値により、周波数選択性チャンネルが得られる。(21)のPDPは、全てのLチャンネルタップのための全平均電力が単一であるように正規化される。
Figure 2019198082
Where n = 0. . . (L-1) is an index of channel taps, L is the number of channel taps, and β = 1 / σ DS is an index of the channel interference zone bandwidth that is inversely proportional to the channel delay spread (σ DS ). It is a certain PDP index. A low value of β results in a frequency non-selective channel, while a high value of β results in a frequency selective channel. The PDP of (21) is normalized so that the total average power for all L channel taps is single.

Figure 2019198082
Figure 2019198082

図27は、DIDO 2×2システムに関する遅延領域又は瞬間的なPDP(上側プロット)及び周波数領域(下側プロット)にわたる低周波数選択チャンネル(β=1と仮定)の振幅を示す。第1の下付き文字つきはクライアントを示し、第2の下付き文字は送信アンテナを示す。高周波数選択チャンネル(β=0.1で)を図28に示す。   FIG. 27 shows the amplitude of the low frequency selection channel (assuming β = 1) over the delay domain or instantaneous PDP (upper plot) and frequency domain (lower plot) for the DIDO 2 × 2 system. The first subscript indicates the client, and the second subscript indicates the transmit antenna. The high frequency selection channel (with β = 0.1) is shown in FIG.

次に、周波数選択性チャンネルにおけるDIDO事前符号化の性能を研究する。(1)内の信号モデルは(2)の条件を満たすと仮定してBDを通じたDIDO事前符号化重みを計算する。(2)の条件下で、(5)のDIDO受信信号モデルを以下のように再公式化する。   Next, we study the performance of DIDO precoding in frequency selective channels. Assuming that the signal model in (1) satisfies the condition of (2), the DIDO pre-encoding weight through BD is calculated. Under the conditions of (2), the DIDO received signal model of (5) is reformulated as follows.

Figure 2019198082
式中、Hek=Hkkは、ユーザkの実効チャンネル行列である。DIDO 2×2に対して、クライアント当たりの1本のアンテナで、実効チャンネル行列は、図29及び図28の高周波数選択度(例えば、β=0.1で)を特徴とするチャンネルに対して示す周波数応答で1つの値に低減する。図29の実線は、クライアント1を指し、一方、点を有する線は、クライアント2を指す。図29のチャンネル品質メトリックに基づいて、チャンネル状態の変化条件に応じて、動的にMCSを調整する時間/周波数領域リンクアダプテーション(LA)方法を定義する。
Figure 2019198082
Where H ek = H k W k is the effective channel matrix for user k. For DIDO 2 × 2, with one antenna per client, the effective channel matrix is for channels characterized by the high frequency selectivity (eg, β = 0.1) of FIGS. Reduce to one value with the frequency response shown. The solid line in FIG. 29 indicates the client 1, while the line having a point indicates the client 2. Based on the channel quality metric of FIG. 29, a time / frequency domain link adaptation (LA) method that dynamically adjusts the MCS according to the channel condition change condition is defined.

本発明者らは、AWGN及びレイリーフェーディングSISOチャンネル内の異なるMCSの性能を評価することによって始める。簡潔さを期すために、FEC符号化なしと仮定するが、以下のLA方法をFECを含むシステムに拡張することができる。   We begin by evaluating the performance of different MCSs in AWGN and Rayleigh fading SISO channels. For simplicity, we assume no FEC encoding, but the following LA method can be extended to systems that include FEC.

図30は、異なるQAM方式(すなわち、4−QAM、16−QAM、64−QAM)のSERを示す。一般性を失わずに、符号化されていないシステムに対して1%のターゲットSERを仮定する。AWGNチャンネルにおいてそのターゲットSERを満たすべきSNR閾値は、3つの変調方式に対して、それぞれ、8dB、15.5dB、及び22dBである。レイリーフェーディングチャンネルでは、上記の変調方式のSER性能は、AWGN[13]よりも不良であることが公知であり、SNR閾値は、それぞれ、18.6dB、27.3dB、及び34.1dBである。DIDO事前符号化により、マルチユーザダウンリンクチャンネルが1組の平行したSISOリンクに変換されることが認められる。したがって、SISOシステムに関する図30の場合と同じSNR閾値が、クライアント単位でDIDOシステムに適用される。更に、瞬間的なLAが実行される場合に、AWGNチャンネル内の閾値が使用される。   FIG. 30 shows the SER for different QAM schemes (ie, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM). Without loss of generality, assume a 1% target SER for an uncoded system. The SNR thresholds that should meet its target SER in the AWGN channel are 8 dB, 15.5 dB, and 22 dB, respectively, for the three modulation schemes. In a Rayleigh fading channel, the SER performance of the above modulation scheme is known to be worse than AWGN [13], and the SNR thresholds are 18.6 dB, 27.3 dB, and 34.1 dB, respectively. . It will be appreciated that DIDO precoding converts a multi-user downlink channel into a set of parallel SISO links. Therefore, the same SNR threshold as in FIG. 30 for the SISO system is applied to the DIDO system on a per client basis. Furthermore, the threshold in the AWGN channel is used when instantaneous LA is performed.

DIDOシステムに関して提案するLA方法の重要な考え方は、チャンネルがリンク堅牢性が得られるように時間領域又は周波数領域のディープフェード(図28に示す)を受けた時に低いMCSの次数を使用することである。これに反して、チャンネルが大きい利得を特徴とする時に、LA方法は、スペクトル効率を増大させるためにより高いMCSの次数にスイッチングする。米国特許第7,636,381号と比較した本出願の1つの寄与は、アダプテーションを可能にするメトリックとして(23)及び図29において実効チャンネル行列を使用することである。   An important idea of the proposed LA method for DIDO systems is to use a lower MCS order when the channel is subjected to a time-domain or frequency-domain deep fade (shown in Figure 28) so that link robustness is obtained. is there. On the other hand, when the channel is characterized by a large gain, the LA method switches to a higher MCS order to increase spectral efficiency. One contribution of this application compared to US Pat. No. 7,636,381 is to use the effective channel matrix in (23) and FIG. 29 as a metric that allows adaptation.

LA方法の一般的なフレームワークは、図31に示すが、以下のように定義される。
・CSI推定:3171で、DIDO BTSは、全てのユーザからのCSIを計算する。ユーザは、単一の又は複数の受信アンテナを装備することができる。
・DIDO事前符号化:3172で、BTSは全てのユーザに対してDIDO事前符号化重みを計算する。一実施形態において、BDは、これらの重みを計算するために使用される。事前符号化重みは、トーン単位で計算される。
・リンク品質メトリック計算:3173で、BTSは、周波数領域リンク品質メトリックを計算する。OFDMシステムにおいては、メトリックはCSIから計算され、DIDO事前符号化重みが、あらゆるトーンに対して計算される。本発明の一実施形態において、リンク品質メトリックは、全てのOFDMトーンにわたる平均SNRである。本発明者らは、(平均SNR性能に基づいて)LA1として本方法を定義する。別の実施形態において、リンク品質メトリックは、(23)の実効チャンネルの周波数応答である。発明者らは、(トーン単位の性能に基づいて周波数ダイバーシティを利用するために)LA2として本方法を定義する。あらゆるクライアントが単一のアンテナを有する場合、周波数領域実効チャンネルを図29に示す。クライアントが複数の受信アンテナを有する場合、リンク品質メトリックは、あらゆるトーンに対して実効チャンネル行列のフロベニウスノルムとして定義される。あるいは、複数のリンク品質メトリックは、(23)の実効チャンネル行列の特異値としてあらゆるクライアントに対して定義される。
・ビットローディングアルゴリズム:3174で、リンク品質メトリックに基づいて、BTSは、異なるクライアント及び異なるOFDMトーンに対してMCSを決定する。LA1方法では、同じMCSが、図30のレイリーフェーディングチャンネルのSNR閾値に基づいて全てのクライアント及び全てのOFDMトーンに使用される。LA2では、異なるMCSが、チャンネル周波数ダイバーシティを利用するために異なるOFDMトーンに割り当てられる。
・事前符号化データ送信:3175で、BTSは、ビットローディングアルゴリズムから導出されたMCSを使用し、DIDO分散型アンテナからクライアントに事前符号化データストリームを送信する。1つのヘッダは、クライアントに異なるトーンに対してMCSを伝えるために事前符号化データに取り付けられる。例えば、8つのMCSが利用可能であり、かつOFDM符号がN=64トーンで定義された場合に、log2(8)*N=192ビットが、いずれかのクライアントに現在のMCSを伝えるために必要とされる。4−QAM(2ビット/符号スペクトル効率)がそれらのビットを符号にマップするのに使用されると仮定し、192/2/N=1.5 OFDM符号のみが、MCS情報をマップするのに必要とされる。別の実施形態において、複数のサブキャリア(又はOFDMトーン)が、サブバンドにグループ分けされ、同じMCSが、制御情報によるオーバヘッドを低減するために同じサブバンド内の全てのトーンに割り当てられる。更に、MCSは、チャンネル利得(可干渉時間に比例)の時間的変動に基づいて調整される。固定無線チャンネル(低いドップラー効果を特徴とする)において、MCSがチャンネル可干渉時間の小部分毎に再計算され、したがって、制御情報に必要とされるオーバヘッドが低減される。
A general framework of the LA method is shown in FIG. 31 and is defined as follows.
CSI estimation: At 3171, DIDO BTS calculates CSI from all users. A user can be equipped with a single or multiple receive antennas.
DIDO precoding: At 3172, the BTS calculates DIDO precoding weights for all users. In one embodiment, the BD is used to calculate these weights. The pre-encoding weight is calculated for each tone.
Link quality metric calculation: At 3173, the BTS calculates the frequency domain link quality metric. In an OFDM system, the metric is calculated from CSI and DIDO precoding weights are calculated for every tone. In one embodiment of the invention, the link quality metric is the average SNR across all OFDM tones. We define the method as LA1 (based on average SNR performance). In another embodiment, the link quality metric is the frequency response of the effective channel of (23). We define this method as LA2 (to take advantage of frequency diversity based on per-tone performance). If every client has a single antenna, the frequency domain effective channel is shown in FIG. If the client has multiple receive antennas, the link quality metric is defined as the Frobenius norm of the effective channel matrix for every tone. Alternatively, multiple link quality metrics are defined for every client as singular values of the effective channel matrix of (23).
Bit loading algorithm: At 3174, based on the link quality metric, the BTS determines the MCS for different clients and different OFDM tones. In the LA1 method, the same MCS is used for all clients and all OFDM tones based on the SNR threshold of the Rayleigh fading channel of FIG. In LA2, different MCSs are assigned to different OFDM tones to take advantage of channel frequency diversity.
Pre-encoded data transmission: At 3175, the BTS uses the MCS derived from the bit loading algorithm to transmit the pre-encoded data stream from the DIDO distributed antenna to the client. One header is attached to the pre-encoded data to tell the client the MCS for different tones. For example, if 8 MCSs are available and the OFDM code is defined with N = 64 tones, log 2 (8) * N = 192 bits will tell any client the current MCS. Needed. Assuming 4-QAM (2 bits / code spectral efficiency) is used to map those bits to the code, only the 192/2 / N = 1.5 OFDM code is used to map the MCS information. Needed. In another embodiment, multiple subcarriers (or OFDM tones) are grouped into subbands and the same MCS is assigned to all tones in the same subband to reduce overhead due to control information. Further, the MCS is adjusted based on the temporal variation of the channel gain (proportional to the coherence time). In a fixed radio channel (characterized by low Doppler effect), the MCS is recalculated for each small portion of the channel coherence time, thus reducing the overhead required for control information.

図32は、上述のLA方法のSER性能を示す。比較のために、レイリーフェーディングチャンネル内のSER性能は、使用された3つのQAM方式の各々に対してプロットされている。LA2方法は、周波数領域内の実効チャンネルの変動にMCSを適合させ、したがって、LA1と比較し、低いSNRに対してスペクトル効率において1.8bps/Hzの利得(すなわち、SNR=20dB)、SNRにおいて15dB利得(SNR>35dBに向けて)が得られる。   FIG. 32 shows the SER performance of the LA method described above. For comparison, the SER performance in the Rayleigh fading channel is plotted for each of the three QAM schemes used. The LA2 method adapts the MCS to the effective channel variation in the frequency domain, and therefore, compared to LA1, a gain of 1.8 bps / Hz in spectral efficiency (ie, SNR = 20 dB), SNR compared to low SNR. A 15 dB gain (towards SNR> 35 dB) is obtained.

マルチキャリアシステム内のDIDO事前符号化補間のシステム及び方法
DIDOシステムの計算の複雑性は、殆どは集中型プロセッサ又はBTSに局在化される。最も計算機的に費用のかかる作業は、CSIからの全てのクライアントに関する事前符号化重みの計算である。BD事前符号化が使用された時には、BTSは、システム内のクライアントと同数の特異値分解(SVD)作業を実行する必要がある。複雑性を低減する方法は、SVDがあらゆるクライアントに対して別々のプロセッサの上で計算される並列化された処理によるものである。
Systems and methods of DIDO pre-coded interpolation in multi-carrier systems The computational complexity of DIDO systems is mostly localized to centralized processors or BTSs. The most computationally expensive task is the calculation of precoding weights for all clients from the CSI. When BD precoding is used, the BTS needs to perform as many singular value decomposition (SVD) operations as there are clients in the system. A way to reduce complexity is by parallel processing where the SVD is computed on a separate processor for every client.

マルチキャリアDIDOシステムにおいて、各サブキャリアは、平坦フェーディングを受け、SVDが、あらゆるサブキャリアにわたってあらゆるクライアントに対して実行される。システムの複雑性は、明らかにサブキャリアの数と共に線形に増加する。例えば、1MHzの信号帯域幅を有するOFDMシステムでは、循環プレフィックス(L0)は、大きい遅延広がり[3]を有する屋外の都市マクロセル環境において符号間干渉を回避するために少なくとも8つのチャンネルタップ(すなわち、8マイクロ秒の持続時間)がなければならない。OFDM符号を生成するのに使用される高速フーリエ変換(FFT)のサイズ(NFFT)は、典型的には、データ転送速度の減量を低減するためにL0の倍数に設定される。NFFT=64である場合に、システムの有効スペクトル効率は、係数NFFT/(NFFT+L0)=89%により制限される。NFFTの値が増大するほど、DIDO事前符号化器でのより高い計算の複雑性の代償として、高いスペクトル効率が得られる。 In a multi-carrier DIDO system, each subcarrier undergoes flat fading and SVD is performed for every client across every subcarrier. The complexity of the system obviously increases linearly with the number of subcarriers. For example, in an OFDM system with 1 MHz signal bandwidth, the cyclic prefix (L 0 ) is at least 8 channel taps (ie, to avoid intersymbol interference in an outdoor urban macrocell environment with large delay spread [3]. , 8 microsecond duration). The Fast Fourier Transform (FFT) size (N FFT ) used to generate the OFDM code is typically set to a multiple of L 0 to reduce data rate loss. When N FFT = 64, the effective spectral efficiency of the system is limited by the factor N FFT / (N FFT + L 0 ) = 89%. Increasing the value of N FFT results in higher spectral efficiency at the cost of higher computational complexity in the DIDO precoder.

DIDO事前符号化器で計算の複雑性を低減する方法は、トーンの部分集合(パイロットトーンと呼ぶ)にわたってSVD作業を実行し、補間を通じて残りのトーンに対して事前符号化重みを導出することである。重み補間は、結果としてクライアント間干渉が発生する1つの誤差ファクタである。一実施形態において、最適重み補間法が、クライアント間干渉を低減するために使用され、誤り率性能が改善し、マルチキャリアシステム内の計算の複雑性が低減する。M個の送信アンテナ、U個のクライアント、及びクライアント当たりのN個の受信アンテナを有するDIDOシステムでは、他のクライアントuに対する0干渉を保証するk番目のクライアント(Wk)の事前符号化重みの条件は、以下のように(2)から導出される。 A way to reduce computational complexity in a DIDO precoder is to perform SVD work over a subset of tones (called pilot tones) and derive precoding weights for the remaining tones through interpolation. is there. Weight interpolation is one error factor that results in inter-client interference. In one embodiment, optimal weight interpolation is used to reduce inter-client interference, improving error rate performance and reducing computational complexity in multi-carrier systems. In a DIDO system with M transmit antennas, U clients, and N receive antennas per client, the precoding weight of the k th client (W k ) that guarantees zero interference to other clients u. The condition is derived from (2) as follows.

Figure 2019198082
式中、Huは、システム内の他のDIDOクライアントに対応するチャンネル行列である。
Figure 2019198082
Wherein, H u is the channel matrix corresponding to the other DIDO clients in the system.

本発明の一実施形態において、重み補間法の目的関数は以下のように定義される。   In one embodiment of the present invention, the objective function of the weight interpolation method is defined as follows:

Figure 2019198082
式中、θkは、ユーザkに向けて最適化すべき1組のパラメータであり、
Figure 2019198082
Where θ k is a set of parameters that should be optimized for user k,

Figure 2019198082
は、重み補間行列であり、
Figure 2019198082
は、行列のフロベニウスノルムを示している。最適化問題は、以下のように公式化される。
Figure 2019198082
Is a weight interpolation matrix,
Figure 2019198082
Indicates the Frobenius norm of the matrix. The optimization problem is formulated as follows:

Figure 2019198082
式中、Θkは、最適化問題の実現可能集合であり、θk,optは、最適解である。
Figure 2019198082
Where Θ k is a feasible set of optimization problems and θ k, opt is the optimal solution.

(25)内の目的関数が、1つのOFDMトーンに対して定義される。本発明の別の実施形態において、目的関数は、補間すべき全てのOFDMトーンに対して行列の(25)のフロベニウスノルムの線形結合として定義される。別の実施形態において、OFDMスペクトルは、トーンの部分集合に分割され、最適解は、以下によって示される。   The objective function in (25) is defined for one OFDM tone. In another embodiment of the invention, the objective function is defined as a linear combination of the Frobenius norms of the matrix (25) for all OFDM tones to be interpolated. In another embodiment, the OFDM spectrum is divided into a subset of tones, and the optimal solution is indicated by:

Figure 2019198082
式中、nは、OFDMトーン指数であり、Aは、トーンの部分集合である。
Figure 2019198082
Where n is the OFDM tone index and A is a subset of tones.

(25)の重み補間行列Wk(θk)は、1組のパラメータθkの関数として表される。
最適な1組が(26)又は(27)に従って決定されると、最適重み行列が計算される。
本発明の一実施形態において、所定のOFDMトーンnの重み補間行列は、パイロットトーンの重み行列の線形結合として定義される。単一のクライアントを有するビームフォーミングシステムの重み補間関数の一例は、[11]において定義されている。DIDOマルチクライアントシステムでは、本発明者らは、重み補間行列を以下のように書く。
The weight interpolation matrix W kk ) in (25) is expressed as a function of a set of parameters θ k .
Once the optimal set is determined according to (26) or (27), the optimal weight matrix is calculated.
In one embodiment of the present invention, the weight interpolation matrix for a given OFDM tone n is defined as a linear combination of the pilot tone weight matrices. An example of a weight interpolation function for a beamforming system with a single client is defined in [11]. In the DIDO multi-client system, we write the weight interpolation matrix as follows:

Figure 2019198082
式中、0≦l≦(LO−1)であり、L0はパイロットトーンの数であり、cn=(n−1)/N0であり、N0=NFFT/L0である。(28)の重み行列は、次に、あらゆるアンテナからの単一電力送信を保証するために
Figure 2019198082
Where 0 ≦ l ≦ (LO−1), L 0 is the number of pilot tones, c n = (n−1) / N 0 , and N 0 = N FFT / L 0 . The weight matrix of (28) is then used to guarantee a single power transmission from every antenna

Figure 2019198082
であるように正規化される。N=1(クライアント当たりの単一の受信アンテナ)である場合に、(28)の行列は、そのノルムに関して正規化されるベクトルになる。本発明の一実施形態において、パイロットトーンは、OFDMトーンの範囲で均一に選択される。別の実施形態において、パイロットトーンは、補間エラーを最小化するためにCSIに基づいて適応的に選択される。
Figure 2019198082
Normalized to be If N = 1 (single receive antenna per client), the matrix of (28) is a vector that is normalized with respect to its norm. In one embodiment of the invention, the pilot tones are selected uniformly over the range of OFDM tones. In another embodiment, pilot tones are adaptively selected based on CSI to minimize interpolation errors.

本発明者らは、本特許出願の提案するシステム及び方法に対する[11]のシステム及び方法の重要な差は、目的関数であることを認めている。具体的には、[11]のシステムは、複数の送信アンテナ及び単一のクライアントを仮定し、したがって、関連の方法は、クライアントに対して受信SNRを最大にするためにチャンネルによる事前符号化重みの積を最大にするように設計される。しかし、この方法は、補間誤差によるクライアント間干渉が発生するためにマルチクライアントシナリオでは機能しない。これとは対照的に、本出願の方法は、クライアント間干渉を最小化するように設計され、したがって、全てのクライアントに対して誤り率性能が改善する。   The present inventors have recognized that the important difference between the system and method of [11] with respect to the system and method proposed in this patent application is the objective function. Specifically, the system of [11] assumes multiple transmit antennas and a single client, so the related method is to pre-encode weight by channel to maximize the received SNR for the client. Designed to maximize the product of However, this method does not work in multi-client scenarios due to inter-client interference due to interpolation errors. In contrast, the method of the present application is designed to minimize inter-client interference, thus improving error rate performance for all clients.

図33は、NFFT=64及びL0=8でのDIDO 2×2システムに関するOFDMトーン指数の関数としての方程式(28)での行列の入力を示す。チャンネルPDPは、β=1で(21)のモデルに従って生成され、チャンネルは、8個のチャンネルタップのみから構成される。L0は、チャンネルタップの数よりも大きいように選択すべきであることが認められる。図33の実線は、理想的な関数を表す。一方、点線は、補間された関数である。補間された重みは、(28)の定義に従ってパイロットトーンの理想的な重みに適合する。残りのトーンにわたって計算された重みは、推定誤差のために理想的な場合だけに近似する。 FIG. 33 shows the matrix input in equation (28) as a function of OFDM tone index for a DIDO 2 × 2 system with N FFT = 64 and L 0 = 8. The channel PDP is generated according to the model (21) with β = 1, and the channel is composed of only eight channel taps. It will be appreciated that L 0 should be selected to be greater than the number of channel taps. The solid line in FIG. 33 represents an ideal function. On the other hand, the dotted line is an interpolated function. The interpolated weight matches the ideal weight of the pilot tone according to the definition in (28). The weights calculated over the remaining tones approximate only in the ideal case due to estimation errors.

重み補間法を実行する1つの方法は、(26)の実現可能集合θkにわたる全数探索を通じたものである。探索の複雑性を低減するために、範囲[0,2π]において均一にP個の値に実現可能集合を量子化する。図34は、L0=8、M=Nt=2の送信アンテナ及び変数のPに関するSNR対SERを示している。量子化レベルの数が増加するにつれて、SER性能が改善する。事例P=10は、探索件数の減少によって計算の複雑性が遥かに下回るためにP=100の性能に接近することが認められる。 One way to perform weight interpolation is through an exhaustive search over the feasible set θ k of (26). In order to reduce the complexity of the search, the feasible set is quantized to P values uniformly in the range [0, 2π]. FIG. 34 shows the SNR vs. SER for the transmit antenna and the variable P for L 0 = 8 and M = N t = 2. As the number of quantization levels increases, the SER performance improves. It can be seen that case P = 10 approaches the performance of P = 100 because the computational complexity is much less due to the reduced number of searches.

図35は、異なるDIDO次数及びL0=16の補間法のSER性能を示す。クライアントの数は、送信アンテナの数と同じであり、あらゆるクライアントは、単一のアンテナを装備すると仮定する。クライアントの数が増加するにつれて、SER性能は、重み補間誤差によって生成されたクライアント間干渉の増加のために低下する。 FIG. 35 shows the SER performance of the interpolation method with different DIDO orders and L 0 = 16. Assume that the number of clients is the same as the number of transmit antennas and that every client is equipped with a single antenna. As the number of clients increases, the SER performance decreases due to the increased inter-client interference generated by weight interpolation errors.

本発明の別の実施形態において、(28)の関数以外の重み補間関数が使用される。例えば、線形予想自己回帰モデル[12]は、チャンネル周波数相関の推定に基づいて異なるOFDMトーンにわたって重みを補間するのに使用することができる。   In another embodiment of the invention, a weight interpolation function other than the function of (28) is used. For example, a linear predictive autoregressive model [12] can be used to interpolate weights across different OFDM tones based on channel frequency correlation estimates.

参考文献
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II.関連出願第12/917,257号からの開示
他のユーザに対する干渉を抑止しながら所定のユーザとの無線リンクを作成するために協働して作動する複数の分散型送信アンテナを使用する無線高周波(RF)通信システム及び方法を以下に説明する。異なる送信アンテナにわたる調整が、ユーザクラスター化を通じて可能になる。ユーザクラスターは、信号が確実に所定のユーザによって検出することができる(すなわち、ノイズ又は干渉レベルよりも大きい受信信号強度である)送信アンテナの部分集合である。システム内のあらゆるユーザが、自分のユーザクラスターを定義する。同じユーザクラスター内の送信アンテナによって送られた波形は、ターゲットユーザのロケーションでRFエネルギを作成し、それらのアンテナにより到達可能なあらゆる他のユーザのロケーションでゼロRF干渉の点を作成するためにコヒーレントに結合される。
II. Disclosure from Related Application No. 12 / 917,257 Radio High Frequency Using Multiple Distributed Transmit Antennas Working Together to Create a Radio Link with a Predetermined User While Suppressing Interference with Other Users The (RF) communication system and method are described below. Coordination across different transmit antennas is possible through user clustering. A user cluster is a subset of transmit antennas whose signals can be reliably detected by a given user (ie, the received signal strength is greater than the noise or interference level). Every user in the system defines his own user cluster. Waveforms sent by transmit antennas in the same user cluster create RF energy at the target user's location and coherent to create zero RF interference points at any other user's location reachable by those antennas. Combined with

K≦MでそれらのM個のアンテナにより到達可能な1人のユーザクラスター及びK人のユーザ内のM個の送信アンテナを有するシステムを考える。送信機はM個の送信アンテナとKユーザとの間に   Consider a system with one user cluster reachable by those M antennas with K ≦ M and M transmit antennas in K users. The transmitter is between M transmit antennas and K users.

Figure 2019198082
を認識していると仮定する。簡潔さを期すために、あらゆるユーザには単一のアンテナが装備されていると仮定しているが、同じ方法をユーザ当たり複数の受信アンテナに拡張することができる。M個の送信アンテナからK人のユーザまでのチャンネルベクトル
Figure 2019198082
Is recognized. For simplicity, it is assumed that every user is equipped with a single antenna, but the same method can be extended to multiple receive antennas per user. Channel vector from M transmit antennas to K users

Figure 2019198082
を結合することによって得られるチャンネル行列Hを
Figure 2019198082
The channel matrix H obtained by combining

Figure 2019198082
として考える。
Figure 2019198082
Think of it as

ユーザkに対するRFエネルギ、全ての他のK−1ユーザに対するゼロRFエネルギを作成する事前符号化重み   Pre-encoding weight to create RF energy for user k, zero RF energy for all other K-1 users

Figure 2019198082
を以下の条件を満たすように計算する。
Figure 2019198082
Is calculated to satisfy the following condition.

Figure 2019198082
式中、
Figure 2019198082
Where

Figure 2019198082
は、行列Hのk番目の列を除去することによって得られるユーザkの実効チャンネル行列であり、0k×1は、全てのゼロ入力を有するベクトルである。
Figure 2019198082
Is the effective channel matrix for user k obtained by removing the k th column of matrix H, where 0 k × 1 is a vector with all zero inputs.

一実施形態において、無線システムは、DIDOシステムであり、ユーザクラスター化は、ユーザクラスター内にあるアンテナにより到達可能な任意の他のユーザに対する干渉を事前に相殺しながら、ターゲットユーザとの無線通信リンクを作成するために使用される。米国特許出願第12/630,627号において、以下を含むDIDOシステムが説明されている。
・DIDOクライアント:1つ又は複数のアンテナを装備したユーザ端末。
・DIDO分散型アンテナ:複数のユーザに事前符号化データストリームを送信するために協働して作動し、したがって、ユーザ間干渉が抑止される送受信機基地局。
・DIDO基地送受信機局(BTS):DIDO分散型アンテナに事前符号化された波形を生成する集中型プロセッサ。
・DIDO基地局ネットワーク(BSN):DIDO分散型アンテナ又は他のBTSにBTSを接続する有線バックホール。
DIDO分散型アンテナは、BTS又はDIDOクライアントのロケーションに対する空間分布に応じて異なる部分集合にグループ分けされる。図36に示すように、3つのタイプのクラスターを定義する。
・スーパークラスター3640:全てのBTSとそれぞれのユーザとの間の往復待ち時間がDIDO事前符号化ループの制約内であるように、1つ又は複数のBTSに接続したDIDO分散型アンテナの組である。
・DIDOクラスター3641:同じBTSに接続したDIDO分散型アンテナの組である。スーパークラスターが1つのBTSのみを含む時に、その定義はDIDOクラスターと一致する。
・ユーザクラスター3642:所定のユーザに協働で事前符号化データを送信するDIDO分散型アンテナの組である。
In one embodiment, the wireless system is a DIDO system and user clustering is a wireless communication link with the target user while pre-compensating for interference to any other user that is reachable by an antenna in the user cluster. Used to create In US patent application Ser. No. 12 / 630,627, a DIDO system is described that includes:
DIDO client: A user terminal equipped with one or more antennas.
DIDO distributed antenna: A transceiver base station that works in concert to transmit a pre-encoded data stream to multiple users, thus suppressing inter-user interference.
DIDO Base Transceiver Station (BTS): A centralized processor that generates pre-coded waveforms on DIDO distributed antennas.
DIDO Base Station Network (BSN): A wired backhaul that connects the BTS to a DIDO distributed antenna or other BTS.
DIDO distributed antennas are grouped into different subsets depending on the spatial distribution to the location of the BTS or DIDO client. As shown in FIG. 36, three types of clusters are defined.
Supercluster 3640: A set of DIDO distributed antennas connected to one or more BTSs so that round trip latency between all BTSs and their respective users is within the constraints of the DIDO precoding loop .
DIDO cluster 3641: a set of DIDO distributed antennas connected to the same BTS. When a super cluster contains only one BTS, its definition is consistent with a DIDO cluster.
User cluster 3642: a set of DIDO distributed antennas that cooperate to transmit pre-encoded data to a given user.

例えば、BTSは、BSNを通じて他のBTS及びDIDO分散型アンテナに接続したローカルハブである。BSNは、デジタル加入者回線(DSL)、ADSL、VDSL[6]、ケーブルモデム、ファイバリング、T1線、光同軸混成(HFC)ネットワーク、及び/又は固定無線(例えば、WiFi)を含むがこれらに限定されない様々なネットワーク技術で構成することができる。同じスーパークラスター内の全てのBTSは、往復待ち時間がDIDO事前符号化ループ内であるように、BSNを通じてDIDO事前符号化に関する情報を共有する。   For example, a BTS is a local hub connected to other BTS and DIDO distributed antennas through a BSN. BSNs include, but are not limited to, digital subscriber lines (DSL), ADSL, VDSL [6], cable modems, fiber rings, T1 lines, hybrid optical coaxial (HFC) networks, and / or fixed radio (eg, WiFi). It can be configured by various network technologies that are not limited. All BTSs in the same supercluster share information about DIDO precoding through the BSN so that round trip latency is in the DIDO precoding loop.

図37では、点はDIDO分散型アンテナを示し、十字記号はユーザであり、破線は、それぞれ、ユーザU1及びU8のユーザクラスターを示している。以下に説明する方法は、ユーザクラスターの内側又は外側の任意の他のユーザ(U2〜U8)に対してゼロRFエネルギの点を作成しながらターゲットユーザU1との通信リンクを作成するように設計される。   In FIG. 37, dots indicate DIDO distributed antennas, cross symbols indicate users, and broken lines indicate user clusters of users U1 and U8, respectively. The method described below is designed to create a communication link with the target user U1 while creating a zero RF energy point for any other user (U2-U8) inside or outside the user cluster. The

本発明者らは、ゼロRFエネルギの点がDIDOクラスター間で重なり合うゾーンの干渉を除去するために作成される類似の方法を[5]で提案した。クラスター間干渉を抑止しながらDIDOクラスター内のクライアントに信号を送信するために追加のアンテナが必要であった。本出願において提案する方法の実施形態においては、DIDOクラスター間干渉を除去しようとはせず、むしろ、クラスターは、クライアント(すなわち、ユーザクラスター)と結びついて、干渉がその隣接内のあらゆる他のクライアントに対して生成されない(又は干渉は取るに足りない)ことを保証すると仮定する。   We have proposed in [5] a similar method created to eliminate the interference of zones where zero RF energy points overlap between DIDO clusters. An additional antenna was required to transmit signals to clients in the DIDO cluster while suppressing intercluster interference. In the embodiment of the method proposed in this application, it does not attempt to remove the DIDO intercluster interference, but rather the cluster is associated with the client (ie, user cluster) and the interference is any other client within its neighbors. Assume that it is guaranteed that no interference is generated (or interference is negligible).

提案する方法に関連の1つの考え方は、大きい伝播損失のために、ユーザクラスターから十分に遠いユーザは、送信アンテナからの放射線による影響を受けていないことである。ユーザクラスターに近いか又はユーザクラスター内のユーザは、事前符号化のために干渉のない信号を受信する。更に、条件K≦Mが満たされるように、(図37に示すように)更に別の送信アンテナをユーザクラスターに追加することができる。   One idea related to the proposed method is that due to the large propagation loss, users far enough from the user cluster are not affected by the radiation from the transmit antenna. Users close to or within the user cluster receive a signal free of interference for precoding. Furthermore, additional transmit antennas can be added to the user cluster (as shown in FIG. 37) so that the condition K ≦ M is satisfied.

ユーザクラスター化を使用する方法の一実施形態は、以下の段階から構成される。
a.リンク品質測定:あらゆるDIDO分散型アンテナ及びあらゆるユーザとの間のリンク品質をBTSに報告する。リンク品質メトリックは、信号対ノイズ比(SNR)又は信号対干渉ノイズ比(SINR)から構成される。
One embodiment of a method using user clustering consists of the following steps:
a. Link quality measurement: Report the link quality between every DIDO distributed antenna and every user to the BTS. The link quality metric consists of a signal to noise ratio (SNR) or a signal to interference noise ratio (SINR).

一実施形態において、DIDO分散型アンテナは、トレーニング信号を送信し、ユーザは、そのトレーニングに基づいて受信信号品質を推定する。トレーニング信号は、ユーザが異なる送信機にわたって区別することができるように時間領域、周波数領域、又は符号領域において直交であるように設計される。あるいは、DIDOアンテナは、1つの所定の周波数(すなわち、ビーコンチャンネル)で狭帯域信号(すなわち、単一のトーン)を送信し、ユーザは、そのビーコン信号に基づいてリンク品質を推定する。1つの閾値は、図38aに示すように正常にデータを復調するノイズレベルよりも大きい最小限の信号振幅(又は電力)として定義される。この閾値よりも小さいあらゆるリンク品質メトリック値は、ゼロであると仮定される。リンク品質メトリックは、有限数のビットにわたって量子化され、送信機にフィードバックされる。   In one embodiment, the DIDO distributed antenna transmits a training signal and the user estimates the received signal quality based on the training. The training signal is designed to be orthogonal in the time domain, frequency domain, or code domain so that the user can differentiate across different transmitters. Alternatively, the DIDO antenna transmits a narrowband signal (ie a single tone) on one predetermined frequency (ie beacon channel) and the user estimates the link quality based on the beacon signal. One threshold is defined as the minimum signal amplitude (or power) greater than the noise level that normally demodulates the data as shown in FIG. 38a. Any link quality metric value less than this threshold is assumed to be zero. The link quality metric is quantized over a finite number of bits and fed back to the transmitter.

異なる実施形態において、トレーニング信号又はビーコンは、ユーザから送られて、リンク品質が、アップリンク(UL)伝播損失とダウンリンク(DL)伝播損失との間の相互関係を仮定して(図38bの場合と同様に)DIDO送信アンテナで推定される。伝播損失相互関係は、UL周波数帯域及びDL周波数帯域が比較的近い時に、(UL及びDLのチャンネルが同じ周波数である状態の)時分割複信(TDD)システム及び周波数分割複信(FDD)システムでは現実的な仮定であることに留意されたい。   In different embodiments, a training signal or beacon is sent from the user and the link quality assumes an interrelationship between uplink (UL) and downlink (DL) propagation losses (FIG. 38b). As is the case with the DIDO transmit antenna. Propagation loss interrelationships include time division duplex (TDD) and frequency division duplex (FDD) systems (with UL and DL channels at the same frequency) when the UL and DL frequency bands are relatively close. It should be noted that this is a realistic assumption.

リンク品質メトリックに関する情報は、図37に示すように、全てのBTSが異なるDIDOクラスターにわたってあらゆるアンテナ/ユーザ間のリンク品質を認識するように、BSNを通じて異なるBTSにわたって共有される。   Information about link quality metrics is shared across different BTSs through the BSN so that all BTSs are aware of every antenna / user link quality across different DIDO clusters, as shown in FIG.

b.ユーザクラスターの定義:DIDOクラスター内の全ての無線リンクのリンク品質メトリックは、BSNを通じて全てのBTSにわたって共有されるリンク品質行列への入力である。図37のシナリオのリンク品質行列の一例を図39に示す。   b. User Cluster Definition: The link quality metric for all radio links in the DIDO cluster is an input to the link quality matrix shared across all BTSs through the BSN. An example of the link quality matrix for the scenario of FIG. 37 is shown in FIG.

リンク品質行列は、ユーザクラスターを定義するために使用される。例えば、図39は、ユーザU8に関するユーザクラスターの選択を示している。ユーザU8に対する非ゼロリンク品質メトリック(すなわち、アクティブ送信機)を有する送信機の部分集合が最初に識別される。これらの送信機は、ユーザU8のユーザクラスターをポピュレートする。次に、他のユーザへのユーザクラスター内の送信機からの非ゼロ入力を含む部分行列が選択される。リンク品質メトリックは、ユーザクラスターを選択するためにのみ使用されるので、2ビットのみで量子化することができ(すなわち、図38において閾値よりも大きいか又は下回る状態を識別するために)、したがって、フィードバックオーバヘッドが低減される。   The link quality matrix is used to define user clusters. For example, FIG. 39 illustrates selection of a user cluster for user U8. A subset of transmitters with a non-zero link quality metric (ie active transmitter) for user U8 is first identified. These transmitters populate user U8's user cluster. Next, a submatrix containing non-zero inputs from transmitters in the user cluster to other users is selected. Since the link quality metric is only used to select user clusters, it can be quantized with only 2 bits (ie, to identify states above or below the threshold in FIG. 38), and therefore The feedback overhead is reduced.

別の例をユーザU1に対して図40に示している。この場合に、アクティブ送信機の数は、部分行列においてユーザの数より低く、したがって、条件K≦Mに違反するものである。したがって、1つ又はそれよりも多くの列がその条件を満たすために部分行列に追加される。送信機の数がユーザの数よりも大きい場合、追加のアンテナをダイバーシティ方式(すなわち、アンテナ又は固有モード選択)に使用することができる。   Another example is shown in FIG. 40 for user U1. In this case, the number of active transmitters is lower than the number of users in the submatrix, and therefore violates the condition K ≦ M. Thus, one or more columns are added to the submatrix to satisfy the condition. If the number of transmitters is greater than the number of users, additional antennas can be used for diversity schemes (ie, antenna or eigenmode selection).

更に別の例をユーザU4に対して図41に示す。部分行列を2つの部分行列の組合せとして取得することができることが認められる。   Yet another example is shown in FIG. 41 for user U4. It will be appreciated that the submatrix can be obtained as a combination of two submatrixes.

c.BTSへのCSI報告:ユーザクラスターが選択されると、ユーザクラスター内の全ての送信機からそれらの送信機が到達するあらゆるユーザへのCSIが、全てのBTSに対して利用可能になる。CSI情報は、BSNを通じて全てのBTSにわたって共有される。TDDシステムは、UL/DLチャンネル相互関係を利用し、ULチャンネルでCSIをトレーニングから導出することができる。FDDシステムでは、全てのユーザからのBTSへのフィードバックチャンネルが必要である。フィードバック量を低減するために、リンク品質行列の非ゼロ入力に対応するCSIだけがフィードバックされる。   c. CSI reporting to BTS: When a user cluster is selected, CSI from all transmitters in the user cluster to any users that those transmitters reach is available to all BTSs. CSI information is shared across all BTSs through the BSN. The TDD system can utilize UL / DL channel correlation and derive CSI from training on the UL channel. The FDD system requires a feedback channel from all users to the BTS. To reduce the amount of feedback, only the CSI corresponding to the non-zero input of the link quality matrix is fed back.

d.DIDO事前符号化:最後に、DIDO事前符号化は、(例えば、関連の米国特許出願に説明されているように)異なるユーザに対応するあらゆるCSIに適用される。   d. DIDO precoding: Finally, DIDO precoding is applied to any CSI that corresponds to a different user (eg, as described in the related US patent application).

一実施形態において、実効チャンネル行列   In one embodiment, the effective channel matrix

Figure 2019198082
の特異値分解(SVD)が計算され、かつユーザkの事前符号化重みwk
Figure 2019198082
The singular value decomposition (SVD) of the user k and the precoding weight w k of user k is

Figure 2019198082
のヌル部分空間に対応する右特異ベクトルとして定義される。あるいは、M>Kであり、かつSVDが
Figure 2019198082
Is defined as the right singular vector corresponding to the null subspace. Alternatively, M> K and SVD is

Figure 2019198082
として実効チャンネル行列を分解する場合、ユーザkのDIDO事前符号化重みが、以下によって示される。
Figure 2019198082
If we decompose the effective channel matrix as follows, the DIDO pre-encoding weight for user k is given by

Figure 2019198082
式中、Uo
Figure 2019198082
In the formula, U o is

Figure 2019198082
のヌル部分空間の特異ベクトルである列を有する行列である。
Figure 2019198082
Is a matrix having columns that are singular vectors of the null subspace.

基本的な線形代数による考察から、行列   From basic linear algebra considerations, the matrix

Figure 2019198082
のヌル部分空間内の右特異ベクトルは、ゼロ固有値に対応するCの固有ベクトルに等しいことが認められる。
Figure 2019198082
It can be seen that the right singular vector in the null subspace is equal to the C eigenvector corresponding to the zero eigenvalue.

Figure 2019198082
式中、実効チャンネル行列は、SVDに従って、
Figure 2019198082
Where the effective channel matrix is according to SVD:

Figure 2019198082
として分解される。次に、
Figure 2019198082
As disassembled. next,

Figure 2019198082
のSVDの計算の1つの代案は、Cの固有値分解を計算することである。固有値分解を計算するには、べき乗法などいくつかの方法がある。Cのヌル部分空間に対応する固有ベクトルにのみ興味があるので、以下の反復により説明された逆べき乗法を使用する。
Figure 2019198082
One alternative to the calculation of SVD is to calculate the eigenvalue decomposition of C. There are several ways to calculate the eigenvalue decomposition, such as the power method. Since we are only interested in the eigenvectors corresponding to the C null subspace, we use the inverse power method described by the following iteration.

Figure 2019198082
式中、第1の反復におけるベクトル(ui)はランダムベクトルである。
Figure 2019198082
Where the vector (u i ) in the first iteration is a random vector.

ヌル部分空間の固有値(λ)が既知(すなわち、ゼロ)であることを考慮すると、逆べき乗法では、収束すべき反復は1回しか必要なく、したがって、計算の複雑性が低減される。次に、事前符号化重みベクトルを以下のように書く。   Considering that the eigenvalue (λ) of the null subspace is known (ie, zero), the inverse power method requires only one iteration to converge, thus reducing the computational complexity. Next, the pre-encoding weight vector is written as follows:

Figure 2019198082
式中、uiは、1に等しい真の入力を有するベクトルである(すなわち、事前符号化重みベクトルは、C-1の列の合計である)。
Figure 2019198082
Where u i is a vector with a true input equal to 1 (ie, the precoding weight vector is the sum of the columns of C −1 ).

DIDO事前符号化計算に必要とされる行列反転は1回である。Strassenのアルゴリズム[1]又はCoppersmith−Winogradのアルゴリズム[2、3]のような行列反転の複雑性を低減するいくつかの数値解法がある。Cは本質的にエルミート行列であるので、代替解決法は、[4、節11.4]の方法に従って実数部及び虚数部においてCを分解して実行列の行列反転を計算することである。   The matrix inversion required for DIDO precoding calculation is one time. There are several numerical solutions that reduce the complexity of matrix inversion, such as Strassen's algorithm [1] or Coppersmith-Winograd's algorithm [2, 3]. Since C is essentially a Hermitian matrix, an alternative solution is to compute the matrix inversion of the real matrix by decomposing C in the real and imaginary parts according to the method of [4, Section 11.4].

提案する方法及びシステムの別の特徴は、再構成可能性である。クライアントが図42において異なるDIDOクラスターを横切る時に、ユーザクラスターはその動きに追随する。換言すると、送信アンテナの部分集合は、クライアントが位置を変えると、絶えず更新され、実効チャンネル行列(及び対応する事前符号化重み)が再計算される。   Another feature of the proposed method and system is reconfigurability. As the client crosses different DIDO clusters in FIG. 42, the user cluster follows its movement. In other words, the subset of transmit antennas is constantly updated as the client changes position, and the effective channel matrix (and corresponding precoding weights) are recalculated.

本明細書で提案する方法は、BSNを通じたBTS間のリンクが低待ち時間でなければならないため、図36においてスーパークラスター内で機能する。異なるスーパークラスターの重なり合うゾーンの干渉を抑止するために、DIDOクラスター間の干渉ゾーンにおいてゼロRFエネルギの点を作成するために追加のアンテナを使用する[5]の方法を使用することができる。   The method proposed here works within the supercluster in FIG. 36 because the link between BTSs through the BSN must have low latency. To suppress the interference of overlapping zones of different superclusters, the method of [5] using an additional antenna to create a zero RF energy point in the interference zone between DIDO clusters can be used.

用語「ユーザ」及び「クライアント」は、本明細書で交換可能に使用されることに留意すべきである。   It should be noted that the terms “user” and “client” are used interchangeably herein.

参考文献
[1]S.Robinson,「Toward an Optimal Algorithm for Matrix Multiplication」,SIAM News,Volume 38,Number 9,November 2005。
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[5]A.Forenza and S.G.Perlman,「Interference Management,Handoff,Power Control and Link Adaptation in Distributed−Input Distributed−Output(DIDO)Communication Systems」,Patent Application Serial No.12/802,988,filed June 16,2010。   [5] A. Forenza and S.M. G. Perlman, “Interference Management, Handoff, Power Control and Link Adaptation in Distributed-Input Distributed-Output (DIDO) Communication Systems. 12 / 802,988, filled June 16,2010.

[6]Per−Erik Eriksson and Bjorn Odenhammar,「VDSL2:Next important broadband technology」,Ericsson Review No.1,2006。   [6] Per-Erik Eriksson and Bjorn Odenhammar, “VDSL2: Next important broadband technology”, Ericsson Review No. 1,2006.

III.無線システム内の可干渉エリアを利用するシステム及び方法
実際的な伝播環境における多重アンテナシステム(NAS)の容量は、無線リンクにわたって利用可能な空間ダイバーシティの関数である。空間ダイバーシティは、無線チャンネルにおける散乱物体の分散、並びに送信アンテナアレイ及び受信アンテナアレイの形状によって決定される。
III. Systems and Methods Utilizing Coherent Areas in a Wireless System The capacity of a multiple antenna system (NAS) in a practical propagation environment is a function of the spatial diversity available across the wireless link. Spatial diversity is determined by the dispersion of scattered objects in the radio channel and the shape of the transmit and receive antenna arrays.

MASチャンネルに対する1つの一般的なモデルは、いわゆるクラスター化チャンネルモデルと呼ばれ、これは、送信機及び受信機の周辺に配置されたクラスターとして散乱物体の群を定義する。一般に、より多くのクラスターが存在し、より広範囲にこれらの角度が広がると、無線リンクにわたって利用可能な空間ダイバーシティ及び容量はより高くなる。クラスター化チャンネルモデルは、実用的測定法[1〜2]によって確認されており、これらのモデルの変動は、屋内無線規格(すなわち、WLAN向けのIEEE 802.11n Technical Group[3])及び屋外無線規格(3Gセラーシステム向けの3GPP Technical Specification Groups[4])に導入されている。   One common model for the MAS channel is called the so-called clustered channel model, which defines a group of scattered objects as clusters placed around the transmitter and receiver. In general, the more clusters exist and the more widely these angles spread, the higher the spatial diversity and capacity available over the wireless link. Clustered channel models have been identified by practical measurements [1-2], and variations in these models are based on indoor wireless standards (ie, IEEE 802.11n Technical Group [3] for WLAN) and outdoor wireless. It is introduced in the standard (3GPP Technical Specification Groups [4] for 3G seller systems).

無線チャンネルにおける空間ダイバーシティを決定する他のファクタは、アンテナ要素の間隔[5〜7]、アンテナの数[8〜9]、アレイ開口[10〜11]、アレイ構造[5、12、13]、偏波及びアンテナパターン[14〜28]を含む、アンテナアレイの特徴である。   Other factors that determine spatial diversity in the radio channel include antenna element spacing [5-7], number of antennas [8-9], array apertures [10-11], array structures [5, 12, 13], Features of the antenna array, including polarization and antenna pattern [14-28].

アンテナアレイ設計の効果並びに無線リンクの空間ダイバーシティ(又は自由度)での伝播チャンネルの特徴を説明する統合モデルを[29]に示した。[29]の受信信号モデルは、以下によって示される。   An integrated model that explains the effects of antenna array design and the characteristics of the propagation channel in the spatial diversity (or degrees of freedom) of the radio link is shown in [29] The received signal model of [29] is shown by:

Figure 2019198082
式中、
Figure 2019198082
Where

Figure 2019198082
は送信信号を説明する偏波ベクトルであり、
Figure 2019198082
Is the polarization vector describing the transmitted signal,

Figure 2019198082
はそれぞれ送信アレイ及び受信アレイを説明する偏波ベクトルの位置であり、
Figure 2019198082
Are the positions of the polarization vectors describing the transmit and receive arrays respectively.

Figure 2019198082
は以下によって示される送信ベクトルの位置と受信ベクトルの位置との間のシステム応答を説明する行列である。
Figure 2019198082
Is a matrix describing the system response between the position of the transmit vector and the position of the receive vector as indicated by

Figure 2019198082
式中、
Figure 2019198082
Where

Figure 2019198082
はそれぞれ送信アレイの応答及び受信アレイの応答であり、
Figure 2019198082
Are the transmit array response and the receive array response, respectively.

Figure 2019198082
はエントリが送信方向
Figure 2019198082
Is the direction of entry

Figure 2019198082
と受信方向
Figure 2019198082
And receiving direction

Figure 2019198082
との間の複素利得である、チャンネル応答行列である。DIDOシステムでは、ユーザデバイスは1つ又は複数のアンテナを有してよい。簡潔さを期すために、理想的な等方性パターンを有する単一アンテナの受信機を仮定し、システム応答行列を以下のように書き直す。
Figure 2019198082
A channel response matrix that is a complex gain between and. In a DIDO system, a user device may have one or more antennas. For simplicity, assume a single antenna receiver with an ideal isotropic pattern and rewrite the system response matrix as follows:

Figure 2019198082
式中、送信アンテナパターン
Figure 2019198082
Where transmit antenna pattern

Figure 2019198082
のみを考慮した。
Figure 2019198082
Only considered.

マクスウェルの方程式及びグリーン関数の遠地項から、アレイ応答は[29]で近似できる。   From Maxwell's equation and the far-field term of the Green function, the array response can be approximated by [29].

Figure 2019198082
Figure 2019198082

Figure 2019198082
であり、Pはアンテナアレイを定義する空間であり、式中、
Figure 2019198082
Where P is the space defining the antenna array, where

Figure 2019198082
であり、
Figure 2019198082
And

Figure 2019198082
である。非偏波アンテナについては、アレイ応答を研究することは、上記の積分核を研究することに等しい。これ以降、異なるタイプのアレイの積分核の閉形式方程式(closedfor expressions)を示す。
Figure 2019198082
It is. For an unpolarized antenna, studying the array response is equivalent to studying the integration kernel described above. In the following, the closed-form equations of the integral kernels of different types of arrays are presented.

非偏波線形アレイ
(波長で正規化された)長さLの非偏波線形アレイ及びz軸に沿って配向され、かつ原点を中心とするアンテナ要素については、積分核は[29]によって示される。
Unpolarized linear array For a non-polarized linear array of length L (normalized by wavelength) and antenna elements oriented along the z-axis and centered at the origin, the integration kernel is denoted by [29] It is.

Figure 2019198082
Figure 2019198082

上記の方程式を一連の移動ダイアドに拡大して、sinc関数が1/Lの分解能を有し、アレイ制限及びほぼ波数ベクトル制限部分空間の次元(すなわち、自由度)は以下の通りであることを得た。
DF=L|Ωθ
式中、Ωθ={cosθ;θ∈Θ}である。横形アレイは|Ωθ|=|Θ|であり、一方、エンドファイアは|Ωθ|≒|Θ|2/2であることを認める。
Extending the above equation to a series of moving dyads, the sinc function has a resolution of 1 / L, and the dimensions (ie degrees of freedom) of the array limited and nearly wave vector limited subspaces are: Obtained.
DF = L | Ω θ |
In the formula, Ω θ = {cos θ; θεΘ}. Horizontal array | Ω θ | = | Θ | a and, on the other hand, end-fire is | Omega theta | admission that it is 2/2 | ≒ | Θ.

非偏波球形アレイ
(波長で正規化された)半径Rの球形アレイの積分核は、[29]によって示される。
Unpolarized spherical array The integrating kernel of a spherical array of radius R (normalized by wavelength) is denoted by [29].

Figure 2019198082
上記の関数を第1種の球ベッセル関数の合計で分解し、球形アレイの分解能は1/(πR2)であり、自由度は以下によって示されることを得た。
F=A|Ω|=πR2|Ω|
Figure 2019198082
The above function was decomposed by the sum of the spherical Bessel functions of the first type, and the resolution of the spherical array was 1 / (πR 2 ), and the degree of freedom was obtained as follows.
D F = A | Ω | = πR 2 | Ω |

式中、Aは球形アレイのエリアであり、   Where A is the area of the spherical array,

Figure 2019198082
である。
Figure 2019198082
It is.

無線チャンネルにおける可干渉エリア
球形アレイの分解能とそれらのエリアAとの関係を図43に示す。中央の球は、エリアAの球形アレイである。単位球面へのチャンネルクラスターの投射は、クラスターの角度広がりに比例するサイズの異なる散乱領域を定義する。各クラスター内のサイズ1/Aのエリア(「可干渉エリア」と呼ぶ)は、アレイの放射界の基底関数の投射を示し、波数ベクトル領域内のアレイの分解能を定義する。
Coherent area in radio channel FIG. 43 shows the relationship between the resolution of the spherical array and the area A thereof. The central sphere is a spherical array of area A. Projection of channel clusters onto the unit sphere defines scattering regions of different sizes that are proportional to the angular spread of the clusters. An area of size 1 / A within each cluster (referred to as the “coherent area”) represents the projection of the basis function of the array's radiation field and defines the resolution of the array in the wave vector domain.

図43を図44と比較すると、可干渉エリアのサイズがアレイのサイズに反比例して減少することが認められる。実際、より大きいアレイは、より小さいエリアにエネルギを集中させることができ、より大きい数の自由度DFが得られる。自由度の総数は、上記の定義に示すように、クラスターの角度広がりにも依存することに留意されたい。 Comparing FIG. 43 with FIG. 44, it can be seen that the size of the coherent area decreases in inverse proportion to the size of the array. In fact, a larger array can concentrate energy in a smaller area, resulting in a greater number of degrees of freedom DF . Note that the total number of degrees of freedom also depends on the angular spread of the clusters, as shown in the definition above.

図45は、アレイサイズが図44よりも更に大きいエリアを占め、更なる自由度が得られる別の例を示す。DIDOシステムでは、アレイ開口は、(アンテナがわずかな波長で隔てられると仮定して)全てのDIDO送信機によって占められる総面積で近似できる。その結果、図45は、DIDOシステムが、空間にアンテナを分散させることにより自由度を増加させることができ、したがって、可干渉エリアのサイズを低減させることを示す。これらの図は、理想的な球形アレイを仮定して生成されることに留意されたい。実際的なシナリオでは、DIDOアンテナは広域にわたってランダムに分散し、得られる可干渉エリアの形状は、これらの図に示すように規則的ではないことがある。   FIG. 45 shows another example in which the array size occupies an area larger than that in FIG. 44 and further freedom is obtained. In a DIDO system, the array aperture can be approximated by the total area occupied by all DIDO transmitters (assuming the antennas are separated by a few wavelengths). As a result, FIG. 45 shows that the DIDO system can increase the degree of freedom by distributing the antennas in space, thus reducing the size of the coherent area. Note that these figures are generated assuming an ideal spherical array. In practical scenarios, DIDO antennas are randomly distributed over a wide area, and the resulting coherent area shape may not be regular as shown in these figures.

図46は、アレイサイズが増加するにつれて、DIDO送信機間の物体数が増加することにより無線波が散乱するため、無線チャンネル内により多くのクラスターが含まれることを示す。したがって、(放射界にわたる)基底関数の数を増加させて、上記の定義に従って、更なる自由度を得られることが可能である。   FIG. 46 shows that as the array size increases, the number of objects between DIDO transmitters increases so that radio waves scatter and thus more clusters are included in the radio channel. It is therefore possible to increase the number of basis functions (over the radiation field) and obtain further degrees of freedom according to the above definition.

本特許出願に記載のマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)は、無線チャンネルの可干渉エリアを利用して、異なるユーザに対して複数の独立した同時非干渉データストリームを作成する。所定のチャンネル状態及びユーザ分布に対して、放射界の基底関数が選択されて、あらゆるユーザが干渉のないリンクを経験するような方法で、異なるユーザに対して独立した同時無線リンクを作成する。MU−MASはあらゆる送信機とあらゆるユーザとの間のチャンネルを認識するため、事前符号化送信はこの情報に基づいて調整されて、異なるユーザに対して別々の可干渉エリアを作成する。   The multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) described in this patent application utilizes a coherent area of a radio channel to create multiple independent simultaneous non-interfering data streams for different users. For a given channel condition and user distribution, a radial field basis function is selected to create independent simultaneous radio links for different users in such a way that every user experiences a link without interference. Since MU-MAS recognizes the channel between every transmitter and every user, the precoded transmission is adjusted based on this information to create separate coherent areas for different users.

本発明の一実施形態において、MU−MASは、ダーティーペーパー符号化(DPC)[30〜31]又はTomlinson−Harashima(TH)[32〜33]事前符号化など非線形事前符号化を利用する。本発明の別の実施形態において、MU−MASは、本発明者らの以前の特許出願でのようなブロック対角化(BD)[0003〜0009]又はゼロフォーシングビームフォーミング(ZF−BF)[34]など非線形事前符号化を利用する。   In one embodiment of the present invention, the MU-MAS utilizes non-linear precoding, such as Dirty Paper Coding (DPC) [30-31] or Tomlinson-Harashima (TH) [32-33] precoding. In another embodiment of the present invention, the MU-MAS may be block diagonalization (BD) [0003-0009] or zero forcing beamforming (ZF-BF) as in our previous patent application. 34] or the like is used.

事前符号化を可能にするために、MU−MASはチャネル状態情報(CSI)を把握する必要がある。CSIは、フィードバックチャンネルを介してMU−MASで利用可能になるか、時分割複信(TDD)システムでアップリンク/ダウンリンクチャンネル相互関係が可能であると仮定してアップリンクチャネル上で推定される。CSIに必要なフィードバック量を低減する1つの方法は、限定フィードバック法[35〜37]を使用することである。一実施形態において、MU−MASは限定フィードバック法を使用して制御チャンネルのCSIオーバヘッドを低減する。限定フィードバック法においては、コードブック設計が重要である。一実施形態は、送信アレイの放射界にわたる基底関数からコードブックを定義する。   In order to enable precoding, the MU-MAS needs to know channel state information (CSI). CSI is estimated on the uplink channel assuming it is available in MU-MAS via a feedback channel or uplink / downlink channel correlation is possible in a time division duplex (TDD) system. The One way to reduce the amount of feedback required for CSI is to use the limited feedback method [35-37]. In one embodiment, the MU-MAS uses a limited feedback method to reduce the CSI overhead of the control channel. In the limited feedback method, codebook design is important. One embodiment defines a codebook from basis functions over the radiation field of the transmit array.

ユーザが空間を移動するか、移動体(人又は車など)によって伝播環境が時間と共に変化するにつれて、可干渉エリアはそのロケーション及び形状を変化させる。これは、公知の無線通信におけるドップラー効果によるものである。本特許出願に記載のMU−MASは、ドップラー効果によって環境が変化するにつれて、事前符号化を調整してあらゆるユーザに対して可干渉エリアを絶えず適合させる。この可干渉エリアのアダプテーションは、異なるユーザに同時非干渉チャンネルを作成するためのものである。   As the user moves through space or the propagation environment changes over time due to a moving object (such as a person or a car), the coherent area changes its location and shape. This is due to the Doppler effect in known wireless communication. The MU-MAS described in this patent application adjusts the pre-coding to constantly adapt the coherence area for every user as the environment changes due to the Doppler effect. This coherent area adaptation is for creating simultaneous non-interfering channels for different users.

本発明の別の実施形態は、MU−MASシステムのアンテナの部分集合を適応的に選択して異なるサイズの可干渉エリアを作成する。例えば、ユーザが空間にまばらに分散する場合(すなわち、農村地帯又は無線リソースの使用率が低い時刻)、小さい部分集合のアンテナが選択され、可干渉エリアのサイズは、図43のアレイサイズに対して大きい。あるいは、密度の高いエリア(すなわち、都市部又は無線サービスの使用率がピークの時刻)では、より多くのアンテナが選択されて、互いに直近に存在するユーザに対して可干渉の小さいエリアを作成する。   Another embodiment of the invention adaptively selects a subset of antennas in the MU-MAS system to create different sized coherence areas. For example, if users are sparsely distributed in space (ie, rural areas or times when radio resource usage is low), a small subset of antennas is selected and the size of the coherent area is relative to the array size in FIG. Big. Alternatively, in a dense area (ie, when the usage rate of urban areas or wireless services is peak), more antennas are selected to create an area with less coherence for users closest to each other. .

本発明の一実施形態において、MU−MASは、以前の特許出願[0003〜0009]で説明したようにDIDOシステムである。DIDOシステムは、線形若しくは非線形事前符号化及び/又は限定フィードバック法を使用して、異なるユーザに対して可干渉エリアを作製する。   In one embodiment of the present invention, the MU-MAS is a DIDO system as described in previous patent applications [0003-0009]. DIDO systems use linear or non-linear precoding and / or limited feedback methods to create coherent areas for different users.

数値結果
アレイサイズの関数として従来の多重入力多重出力(MIMO)システムにおける自由度数を計算することによって開始する。非偏波線形アレイ及び2種類のチャンネルモデル(WiFiシステム向けのIEEE 802.11n規格のように屋内及びセラーシステム向けの3GPP−LTE規格のように屋外)を考える。[3]の屋内チャンネルモードは、範囲内のクラスターの数[2,6]及び範囲内の角度広がり[15°,40°]を定義する。都市ミクロ用屋外チャンネルモデルは、約6個のクラスター及び約20°の基地局における角度広がりを定義する。
Numerical Results Start by calculating the number of degrees of freedom in a conventional multiple input multiple output (MIMO) system as a function of array size. Consider an unpolarized linear array and two types of channel models (indoors like the IEEE 802.11n standard for WiFi systems and outdoors like 3GPP-LTE standards for seller systems). The indoor channel mode [3] defines the number of clusters in the range [2, 6] and the angular spread [15 °, 40 °] in the range. The urban micro outdoor channel model defines an angular spread in about 6 clusters and about 20 ° base station.

図47は、実際的な室内及び屋外伝播シナリオにおけるMIMOシステムの自由度を示す。例えば、1波長を隔てた10個のアンテナを備える線形アレイを考えると、無線リンク全体で利用可能な最大自由度(又は空間チャンネルの数)は、屋外シナリオの場合に約3、屋内の場合は7に限定される。当然のことながら、室内チャンネルは、角度広がりが大きいため、より多くの自由度を提供する。   FIG. 47 shows the degree of freedom of the MIMO system in practical indoor and outdoor propagation scenarios. For example, considering a linear array with 10 antennas separated by one wavelength, the maximum degree of freedom (or number of spatial channels) available for the entire wireless link is about 3 for outdoor scenarios and indoors It is limited to 7. Of course, indoor channels offer more freedom because of the large angular spread.

次に、DIDOシステムにおける自由度を計算する。DIDOアクセスポイントが隣接する建物の異なる階に分布し得るダウンタウン都市シナリオなど、3D空間にわたってアンテナが分布している場合を考える。したがって、DIDO送信アンテナ(ファイバ又はDSLバックボーンを介して全て互いに接続されている)を球形アレイとしてモデル化する。また、クラスターは立体角にわたって均一に分布していると仮定する。   Next, the degree of freedom in the DIDO system is calculated. Consider the case where antennas are distributed over 3D space, such as a downtown urban scenario where DIDO access points may be distributed on different floors of adjacent buildings. Therefore, the DIDO transmit antennas (all connected together via a fiber or DSL backbone) are modeled as a spherical array. It is also assumed that the clusters are uniformly distributed over the solid angle.

図48は、アレイ直径の関数としてのDIDOシステムにおける自由度を示す。10波長に等しい直径については、約1000自由度がDIDOシステムで利用可能である。理論上、ユーザに対して最大1000個の非干渉チャンネルを作成することが可能である。空間に分布するアンテナによって増加した空間ダイバーシティは、従来のMIMOシステムにわたってDIDOによって提供される多重化利得にとって重要である。   FIG. 48 shows the degrees of freedom in the DIDO system as a function of array diameter. For a diameter equal to 10 wavelengths, approximately 1000 degrees of freedom are available in the DIDO system. Theoretically, it is possible to create up to 1000 non-interfering channels for a user. The increased spatial diversity due to spatially distributed antennas is important for the multiplexing gain provided by DIDO over conventional MIMO systems.

比較として、郊外環境においてDIDOシステムで達成可能な自由度を示す。クラスターは仰角(α,π−α)内に分布していると仮定し、クラスターの立体角を|Ω|=4πcosαと定義する。例えば、2階建ての建物を含む郊外シナリオにおいて、散乱の仰角はα=60°であり得る。この場合、波長の関数としての自由度の数を図48に示す。   For comparison, the degree of freedom achievable with the DIDO system in a suburban environment is shown. Assuming that the clusters are distributed within the elevation angle (α, π−α), the solid angle of the cluster is defined as | Ω | = 4π cos α. For example, in a suburban scenario involving a two-story building, the elevation angle of the scattering may be α = 60 °. In this case, the number of degrees of freedom as a function of wavelength is shown in FIG.

参考文献
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IV.マルチユーザスペクトルの計画的進化及び廃用化のためのシステム及び方法
高速無線サービスに対する高まる需要及び携帯電話加入者数の増加は、初期のアナログ音声サービス(AMPS[1〜2])からデジタル音声(GSM[3〜4]、IS−95 CDMA[5])、データトラフィック(EDGE[6]、EV−DO[7])、及びインターネットブラウジング(WiFi[8〜9]、WiMAX[10〜11]、3G[12〜13]、4G[14〜15])をサポートする規格まで、過去30年間にわたり無線産業において抜本的な技術革新をもたらしている。この30年間にわたる無線技術の成長は、以下の2つの主要な取り組みによって可能になっている。
i)Federal Communications Commission(FCC)[16]は、新たに現れた規格をサポートするために新しいスペクトルを割り当てている。例えば、AMPSシステムの第1世代において、FCCによって割り当てられたチャンネルの数は1983年の当初333から1980年代後半の416へと増加して、セルラークライアント数の増加を支えた。より最近では、Wi−Fi、Bluetooth、及びZigBeeなど技術の製品化は、かつて1985年にFCCによって割り当てられた未認可ISMバンドの使用により可能になっている[17]。
ii)無線産業は、限られた利用可能なスペクトルをより効率的に利用して、より高いデータ速度リンク及び加入者数の増加を支える、新たな技術を生み出してきた。無線の世界における1つの大きな革新は、1990年代におけるアナログAMPSシステムからデジタルD−AMPS及びGSMへの移行であった。これにより、スペクトル効率が向上したために所定の周波数帯域に対してはるかに高い通話ボリュームが可能になった。別の根本的な変化は、以前の無線ネットワークのデータ速度を4倍向上させ、異なる規格で導入された(すなわち、Wi−FiでIEEE 802.11n、WiMAXではIEEE 802.16、4G−LTEでは3GPP)、多重入力多重出力(MIMO)など空間処理技術によって2000年代前半にもたらされた。
IV. Systems and Methods for Planned Evolution and Decommissioning of Multiuser Spectrum Increasing demand for high-speed wireless services and an increase in the number of mobile phone subscribers have resulted from the early analog voice services (AMPS [1-2]) to digital voice ( GSM [3-4], IS-95 CDMA [5]), data traffic (EDGE [6], EV-DO [7]), and Internet browsing (WiFi [8-9], WiMAX [10-11], 3G [12-13], 4G [14-15]) standards have supported radical innovation in the wireless industry over the last 30 years. The growth of wireless technology over the last 30 years has been made possible by two major initiatives:
i) The Federal Communications Commission (FCC) [16] has allocated new spectra to support emerging standards. For example, in the first generation of AMPS systems, the number of channels allocated by the FCC increased from initially 333 in 1983 to 416 in the late 1980s, supporting the increase in the number of cellular clients. More recently, the commercialization of technologies such as Wi-Fi, Bluetooth, and ZigBee has been made possible through the use of unlicensed ISM bands, once allocated by the FCC in 1985 [17].
ii) The wireless industry has created new technologies that use the limited available spectrum more efficiently to support higher data rate links and an increasing number of subscribers. One major innovation in the wireless world was the transition from analog AMPS systems to digital D-AMPS and GSM in the 1990s. This allows for much higher call volume for a given frequency band due to improved spectral efficiency. Another fundamental change is to increase the data rate of previous wireless networks by a factor of 4 and was introduced in different standards (ie IEEE 802.11n for Wi-Fi, IEEE 802.16 for WiMAX, 4G-LTE). 3GPP), multiple input multiple output (MIMO) and other spatial processing techniques were introduced in the early 2000s.

高速無線接続の解決法を提供しようとする取り組みにも関わらず、無線産業は、高解像度(HD)ビデオストリーミングを提供して、ゲームなどのサービスに対して高まる需要を満たし、あらゆる場所(無線バックボーンの構築に費用がかかり、非現実的である農村地帯を含む)で無線カバレージを提供するという新たな課題に直面している。現在、最先端の無線規格システム(すなわち、4G−LTE)は、HDストリーミングサービスをサポートするデータ速度要件及び待ち時間制約を提供することができない。これは、特にネットワークが大量の同時リンクで過負荷の場合に該当する。ここにおいても、主な欠点は、限定的なスペクトル可用性であり、データ速度を真に向上し、完全なカバレージを提供できる、スペクトル的に効率の良い技術の欠如であった。   Despite efforts to provide a solution for high-speed wireless connectivity, the wireless industry has provided high-definition (HD) video streaming to meet the growing demand for services such as games, and anywhere (wireless backbone) Is facing the new challenge of providing wireless coverage (including in rural areas that are expensive and unrealistic). Currently, state-of-the-art wireless standard systems (ie, 4G-LTE) cannot provide data rate requirements and latency constraints that support HD streaming services. This is especially true when the network is overloaded with a large number of simultaneous links. Again, the main drawback was limited spectral availability, lack of spectrally efficient technology that can truly increase data rates and provide full coverage.

近年、分散入力分散出力(DIDO)[18〜21]と呼ばれ、発明者らの以前の特許出願[0002〜0009]に記載されている新技術が出現した。DIDO技術では、スペクトル効率の数桁の増加が約束され、過負荷ネットワークにおけるHD無線ストリーミングサービスを可能にする。   In recent years, a new technology has emerged, called Distributed Input Distributed Output (DIDO) [18-21], described in our previous patent application [0002-0009]. DIDO technology promises several orders of magnitude increase in spectral efficiency and enables HD wireless streaming services in overloaded networks.

同時に、米国政府は今後10年間にわたって500MHzのスペクトルを開放する計画を進めることによりスペクトルの問題に対処している。この計画は、2010年6月28日に発表され、新たな無線技術が新周波数帯域で作動し、都市部及び農村地帯で高速無線カバレッジを提供できるようにすることを目標とする[22]。この計画の一環として、FCCは、2010年9月23日に「ホワイトスペース」と呼ばれる約200MHzのVHF及びUHFスペクトルを未認可使用向けに開放した[23]。これらの周波数帯域で作動するための1つの制約は、同じ帯域で作動している既存のワイヤレスマイクデバイスとの有害な干渉を生じさせてはいけないことである。したがって、2011年7月22日に、IEEE 802.22ワーキンググループは、スペクトルを動的にモニタし、使用可能な帯域で作動することにより共存する無線デバイスとの有害な干渉を回避することを主な特徴とする、コグニティブ無線技術(又はスペクトル検知)を使用する新たな無線システムの規格をまとめた[24]。ごく最近になって、ホワイトスペースの一部を認可使用に割り当てて、周波数オークションに従ってこのホワイトスペースを開放するという議論がなされている[25]。   At the same time, the US government is addressing the spectrum problem by advancing plans to open the 500 MHz spectrum over the next decade. This plan was announced on June 28, 2010 and aims to enable new wireless technologies to operate in new frequency bands and provide high-speed wireless coverage in urban and rural areas [22]. As part of this plan, the FCC released the approximately 200 MHz VHF and UHF spectrum, called “White Space”, on September 23, 2010 for unlicensed use [23]. One limitation for operating in these frequency bands is that they should not cause harmful interference with existing wireless microphone devices operating in the same band. Therefore, on July 22, 2011, the IEEE 802.22 working group will focus on dynamically monitoring the spectrum and avoiding harmful interference with coexisting wireless devices by operating in the available band. A new wireless system standard that uses cognitive radio technology (or spectrum detection) is summarized [24]. More recently, there has been a debate over allocating a portion of white space for authorized use and opening up this white space according to a frequency auction [25].

同一周波数帯域内での未認可デバイスの共存及び未認可使用対認可使用のスペクトル競合は、FCCスペクトル割り当て計画にとって何年間にもわたる2つの重要課題であった。例えば、ホワイトスペースでは、ワイヤレスマイクと無線通信デバイスとの共存は、コグニティブ無線技術を通じて可能となっている。しかし、コグニティブ無線は、DIDOなど空間処理を使用する他の技術のスペクトル効率のごく一部しか提供しない。同様に、Wi−Fiシステムの性能は、アクセスポイント数及び同一未認可ISMバンドで作動し、未制御干渉をもたらすBluetooth/ZigBeeデバイスの使用の増加により、過去10年にわたって著しく劣化している。未認可スペクトルの欠点の1つは、今後数年間にわたって汚染し続けるであろう、RFデバイスの無秩序な使用である。RF汚染は、未認可スペクトルが将来の認可作動に使用されることも阻止する。したがって、無線広帯域商用サービス及びスペクトルオークションの重要な市場機会を制限する。   Coexistence of unlicensed devices within the same frequency band and spectrum competition between unlicensed vs. licensed use have been two key challenges for FCC spectrum allocation plans over the years. For example, in white space, coexistence of a wireless microphone and a wireless communication device is possible through cognitive radio technology. However, cognitive radio provides only a fraction of the spectral efficiency of other technologies that use spatial processing such as DIDO. Similarly, the performance of Wi-Fi systems has been significantly degraded over the past decade due to the increased use of Bluetooth / ZigBee devices that operate at the same number of access points and the same unlicensed ISM band, resulting in uncontrolled interference. One drawback of the unlicensed spectrum is the random use of RF devices that will continue to be contaminated over the next few years. RF contamination also prevents unlicensed spectrum from being used for future licensed operations. Therefore, it limits important market opportunities for wireless broadband commercial services and spectrum auctions.

本発明者らは、無線スペクトルを動的に割り当てて、異なるサービス及び規格の共存及び進化を可能にする新しいシステム及び方法を提案する。この方法の一実施形態は、スペクトルの特定部分で作動する資格をRF送受信機に動的に割り当て、同一RFデバイスを廃用化させて以下のことを実現できる。
i)新しいタイプの無線操作(即ち、認可対未認可)を可能にする、及び/又は新たなRF電力放出制限を満たすためのスペクトルの再構成可能性。この特徴により、認可スペクトル対未認可スペクトルの使用を事前に計画する必要なく、必要に応じてスペクトルオークションを開催できる。また、送信電力レベルを調整して、FCCから課せられる新電力放出レベルを満たすことができる。
ii)既存技術との干渉を回避しつつ、新技術の登場時に帯域を動的に再割り当てできるように、同一帯域内で作動する異なる技術(すなわち、ホワイトスペースと、ワイヤレスマイク、WiFi、及びBluetooth/ZigBeeと)の共存。
iii)より高いスペクトル効率、より良好なカバレージ、及び向上した性能を提供して、より高いQoSを要求する新しいタイプのサービス(すなわち、HDビデオストリーミング)をサポートするより高度な技術へのシステムの移行時の無線インフラストラクチャのシームレスな進化。
We propose a new system and method that dynamically allocates radio spectrum to enable coexistence and evolution of different services and standards. One embodiment of this method can dynamically assign the RF transceiver to operate in a particular part of the spectrum and dispose of the same RF device to achieve the following:
i) Spectrum reconfigurability to allow new types of radio operation (ie licensed vs. unauthorized) and / or meet new RF power emission limits. This feature allows spectrum auctions to be held as needed without having to plan in advance the use of licensed versus unlicensed spectrum. Also, the transmission power level can be adjusted to meet the new power emission level imposed by the FCC.
ii) different technologies that operate within the same band (ie, white space, wireless microphone, WiFi, and Bluetooth) so that bands can be dynamically reassigned when new technologies appear while avoiding interference with existing technologies / ZigBee)).
iii) Migrating the system to a more advanced technology that supports higher types of services (ie HD video streaming) that require higher QoS, providing higher spectral efficiency, better coverage, and improved performance Seamless evolution of wireless infrastructure over time.

これ以降、マルチユーザスペクトルの計画的進化及び廃用化のためのシステム及び方法を説明する。システムの一実施形態は、図49に示すように、1つ又は複数の集中型プロセッサ(CP)4901〜4904と、有線又は無線接続を介して通信する1つ又は複数の分散ノード(DN)4911〜4913と、からなる。例えば、4G−LTEネットワーク[26]の関連では、集中型プロセッサはいくつかのNode B送受信機に接続されたアクセスコアゲートウェイ(ACGW)である。Wi−Fiの関連では、集中型プロセッサはインターネットサービスプロバイダ(ISP)であり、分散ノードは、モデム又はケーブル若しくはDSLへの直接接続を通じてISPに接続されたWi−Fiアクセスポイントである。本発明の別の実施形態において、システムは、分散入力分散出力(DIDO)システム[0002〜0009]であり、1つの集中型プロセッサ(又はBTS)と、DIDOアクセスポイント(又はBSNを通じてBTSに接続されたDIDO分散型アンテナ)である分散ノードと、を備える。   In the following, systems and methods for the planned evolution and deprecation of multiuser spectrum will be described. One embodiment of the system, as shown in FIG. 49, is one or more distributed nodes (DN) 4911 that communicate with one or more centralized processors (CP) 4901-4904 via a wired or wireless connection. To 4913. For example, in the context of a 4G-LTE network [26], the centralized processor is an access core gateway (ACGW) connected to several Node B transceivers. In the Wi-Fi context, the centralized processor is an Internet service provider (ISP) and the distributed node is a Wi-Fi access point connected to the ISP through a direct connection to a modem or cable or DSL. In another embodiment of the invention, the system is a distributed input distributed output (DIDO) system [0002-0009], connected to a BTS through a centralized processor (or BTS) and a DIDO access point (or BSN). And a distributed node that is a DIDO distributed antenna).

DN 4911〜4913は、CP 4901〜4904と通信する。DNからCPへと交換された情報を使用して、ネットワークアーキテクチャの発展的設計に合わせてノードの構成を動的に調整する。一実施形態では、DN 4911〜4913はCPと識別番号を共有する。CPは、ネットワークを介して接続されている全てのDNの識別番号をルックアップテーブル又は共有テーブルに格納する。これらのルックアップテーブル又はデータベースは、他のCPと共有することができ、この情報は、全てのCPがネットワーク上の全てのDNに関する最新情報に常にアクセスできるように同期化される。   DN 4911-4913 communicates with CP 4901-4904. The information exchanged from the DN to the CP is used to dynamically adjust the node configuration to the evolutionary design of the network architecture. In one embodiment, DNs 4911-4913 share an identification number with the CP. The CP stores the identification numbers of all DNs connected via the network in a lookup table or a shared table. These lookup tables or databases can be shared with other CPs, and this information is synchronized so that all CPs always have access to the latest information about all DNs on the network.

例えば、FCCは特定部分のスペクトルを未認可使用に割り当てることを決定することがあるが、提案されるシステムはそのスペクトル内で作動されるように設計できる。スペクトルが不足しているため、今後、FCCが、これらのスペクトルの一部を商業キャリア(すなわち、AT&T、Verizon、又はSprint)、防衛、又は公衆安全用途の認可使用に割り当てる必要があり得る。従来の無線システムでは、未認可帯域で作動する無線デバイスは、認可を受けたRF送受信機に対して有害な干渉を生じさせるため、この共存は不可能である。本発明者らの提案するシステムでは、分散ノードがCP 4901〜4903と制御情報を交換して、RF送信を発展的帯域計画に適合させる。一実施形態において、DN 4911〜4913は、本来、利用可能スペクトル内の異なる周波数帯域にわたって作動するように設計された。FCCがこのスペクトルの一部又は複数部分を認可操作に割り当てると、CPは未認可DNと制御情報を交換し、未認可DNが認可DNと干渉しないように、これらを再構成して認可使用向け周波数帯域を停止させる。このシナリオは図50に示されており、未認可ノード(例えば、5002)は黒丸で示され、認可ノード(例えば、5001)は白丸で示される。別の実施形態において、スペクトル全体が新しい認可サービスに割り当てられることができ、制御情報は、CPが全ての未認可DNを停止させ、認可DNとの干渉を回避するために使用される。このシナリオは図51に示されており、廃用化された未認可ノードは十字記号で覆われる。   For example, the FCC may decide to allocate a certain portion of the spectrum for unauthorized use, but the proposed system can be designed to operate within that spectrum. Because of the lack of spectrum, it may be necessary for the FCC to allocate some of these spectra in the future for authorized use in commercial carriers (ie AT & T, Verizon, or Sprint), defense, or public safety applications. In conventional wireless systems, this coexistence is not possible because wireless devices operating in the unlicensed band cause harmful interference to authorized RF transceivers. In our proposed system, distributed nodes exchange control information with CP 4901-4903 to adapt the RF transmission to the evolutionary band plan. In one embodiment, DN 4911-4913 was originally designed to operate over different frequency bands within the available spectrum. When the FCC allocates part or parts of this spectrum to an authorized operation, the CP exchanges control information with the unauthorized DN and reconfigures them for authorized use so that the unauthorized DN does not interfere with the authorized DN Stop the frequency band. This scenario is illustrated in FIG. 50, where unauthorized nodes (eg, 5002) are indicated by black circles and authorized nodes (eg, 5001) are indicated by white circles. In another embodiment, the entire spectrum can be allocated to a new authorized service, and the control information is used by the CP to stop all unauthorized DNs and avoid interference with authorized DNs. This scenario is illustrated in FIG. 51, where abandoned unauthorized nodes are covered with a cross symbol.

別の例として、FCC露出制限[27]を満たすために所定の周波数で作動する特定デバイスに関して電源放出を制限することが必要であり得る。例えば、無線システムは、本来、屋外屋上送受信機アンテナに接続されたDN 4911〜4913との固定無線リンク用に設計され得る。後に、同一のシステムが、屋内ポータブルアンテナを含むDNをサポートしてより良好な屋内カバレッジを提供するように更新されてよい。携帯デバイスのFCC露出制限は、人体により近接する可能性があるため、屋上送信機よりも厳しい。この場合、屋外用途に設計された旧式のDNは、送信電力設定が調整される限り、屋内用途に再利用できる。本発明の一実施形態において、DNは所定の複数組の送信電力レベルで設計され、CP 4901〜4903はDN 4911〜4913に制御情報を送信して、システムのアップグレード時に新しい電力レベルを選択し、これにより、FCC露出制限を満たす。別の実施形態において、DNは1つの電力放出設定のみで製造され、新しい電力放出レベルを超えるこれらのDNはCPによってリモートで停止される。   As another example, it may be necessary to limit power emission for a particular device that operates at a predetermined frequency to meet FCC exposure limits [27]. For example, the wireless system may be designed for a fixed wireless link with DN 4911-4913 originally connected to an outdoor rooftop transceiver antenna. Later, the same system may be updated to support DNs including indoor portable antennas to provide better indoor coverage. FCC exposure limits for portable devices are more stringent than rooftop transmitters because they can be closer to the human body. In this case, the old DN designed for outdoor use can be reused for indoor use as long as the transmit power setting is adjusted. In one embodiment of the invention, the DN is designed with a predetermined set of transmit power levels, and CPs 4901-4903 send control information to DN 4911-4913 to select a new power level during system upgrade, This satisfies the FCC exposure limit. In another embodiment, DNs are manufactured with only one power discharge setting, and those DNs that exceed the new power discharge level are remotely stopped by the CP.

一実施形態において、CP 4901〜4903はネットワーク内の全てのDN 4911〜4913を定期的にモニタして、特定の規格に従ってRF送受信機として作動する資格を定義する。最新ではないこれらのDNは、廃止と表示され、ネットワークから除去され得る。例えば、現在の電力制限及び周波数帯域内で作動するDNはネットワーク内でアクティブのままであり、他の全ては停止される。CPによって制御されるDNパラメータは電力放出及び周波数帯域に限定されるものではなく、DNとクライアントデバイスとの間の無線リンクを定義する任意のパラメータであり得ることに留意されたい。   In one embodiment, CP 4901-4903 periodically monitors all DN 4911-4913 in the network and defines the qualification to operate as an RF transceiver according to a particular standard. Those DNs that are not up to date are marked as obsolete and can be removed from the network. For example, DNs operating within current power limits and frequency bands remain active in the network and all others are turned off. It should be noted that the DN parameters controlled by the CP are not limited to power emission and frequency bands, but can be any parameters that define the radio link between the DN and the client device.

本発明の別の実施形態において、DN 4911〜4913は再構成されて、同一スペクトル内での異なる規格のシステムを共存を可能にすることができる。例えば、WLANの関連で作動する特定のDNの電力放出、周波数帯域、又は他の構成パラメータは、有害な干渉を回避しつつ、WPAN用途に設計された新たなDNの導入に適合するように調整されることができる。   In another embodiment of the invention, DNs 4911-4913 can be reconfigured to allow co-existence of systems with different standards within the same spectrum. For example, the power release, frequency band, or other configuration parameters of a specific DN operating in the context of a WLAN can be adjusted to accommodate the introduction of new DNs designed for WPAN applications while avoiding harmful interference Can be done.

無線ネットワーク内でのデータ速度及びカバレッジを向上させるために新しい無線規格が定められると、DN 4911〜4913はこれらの規格をサポートするように更新され得る。一実施形態において、DNは、ベースバンド信号処理用アルゴリズムを実行するFPGA、DSP、CPU、GPU及び/又はGPGPUなどプログラム可能な計算機能を備えるソフトウェア無線(SDR)である。規格がアップグレードされた場合、新しいベースバンドアルゴリズムがCPからDNにリモートでアップロードされて新しい規格を反映する。例えば、一実施形態において、最初の規格がCDMAベースであり、続いて、その代わりにOFDM技術が使用されるようになり、異なるタイプのシステムをサポートする。同様に、サンプルレート、電力、及び他のパラメータがDNにリモートで更新され得る。このDNのSDR機能により、新技術の開発時にネットワークを継続的にアップグレードして、システム性能全体を向上できる。   As new wireless standards are defined to improve data rates and coverage within wireless networks, DNs 4911-4913 may be updated to support these standards. In one embodiment, the DN is a software defined radio (SDR) with programmable computing functions such as FPGA, DSP, CPU, GPU and / or GPUPU that executes baseband signal processing algorithms. If the standard is upgraded, a new baseband algorithm is uploaded remotely from the CP to the DN to reflect the new standard. For example, in one embodiment, the first standard is CDMA-based, and then OFDM technology will be used instead to support different types of systems. Similarly, sample rate, power, and other parameters can be updated remotely to the DN. With this SDR function of DN, it is possible to continuously upgrade the network when new technology is developed and improve the overall system performance.

別の実施形態において、本明細書に記載のシステムは、複数のCPと、分散ノードと、CPをDNに相互接続するネットワークと、からなるクラウド無線システムである。図52は、クラウド無線システムの一例を示しており、黒丸で識別されるノード(例えば、5203)がCP 5206と通信し、白丸で識別されるノードがCP 5205と通信し、CP 5205〜5206は、ネットワーク5201を通してずっと互いに通信する。本発明の一実施形態において、クラウド無線システムはDIDOシステムであり、DNはCPに接続されており、情報を交換してシステムパラメータを定期的に、又は直ちにシステムパラメータを再構成し、動的に調整して無線アーキテクチャの変化する状態に合わせる。DIDOシステムにおいて、CPはDIDO BTSであり、分散ノードはDIDO分散型アンテナであり、ネットワークはBSNであり、複数のBTSは本発明者らの以前の特許出願[0002〜0009]で説明したようにDIDO集中型プロセッサを介して互いに相互接続されている。   In another embodiment, the system described herein is a cloud radio system consisting of a plurality of CPs, distributed nodes, and a network that interconnects the CPs to the DN. FIG. 52 shows an example of a cloud wireless system, in which a node identified by a black circle (for example, 5203) communicates with CP 5206, a node identified by a white circle communicates with CP 5205, and CPs 5205 to 5206 are , And communicate with each other throughout the network 5201. In one embodiment of the present invention, the cloud radio system is a DIDO system, and the DN is connected to the CP and exchanges information to reconfigure system parameters periodically or immediately and dynamically Adjust to match the changing state of the radio architecture. In the DIDO system, the CP is a DIDO BTS, the distributed node is a DIDO distributed antenna, the network is a BSN, and multiple BTSs are as described in our previous patent application [0002-0009]. Interconnected with each other via a DIDO centralized processor.

クラウド無線システム内の全てのDN 5202〜5203は異なる組にグループ分けできる。これらの組のDNは、各組が異なる多重アクセス技術(例えば、TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA、及び/又はSDMA)、異なる変調(例えば、QAM、OFDM)、及び/又は符号化方式(例えば、畳み込み符号化、LDPC、ターボ符号)をサポートしつつ、多数のクライアントデバイスに対して非干渉無線リンクを同時に作成できる。同様に、あらゆるクライアントは、異なる多重アクセス技術及び/又は異なる変調/符号化方式でサービスを供給されてよい。CP 5205〜5206は、システム内のアクティブクライアント及びこれらが無線リンクに導入する規格に基づいて、これらの規格をサポートでき、クライアントデバイスの範囲内であるDNの部分集合を動的に選択する。   All DNs 5202-5203 in the cloud radio system can be grouped into different sets. These sets of DNs can have multiple access technologies (eg, TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA, and / or SDMA), different modulations (eg, QAM, OFDM), and / or coding schemes (eg, Non-interfering radio links can be created simultaneously for a number of client devices while supporting convolutional coding, LDPC, turbo codes). Similarly, any client may be served with different multiple access technologies and / or different modulation / coding schemes. CPs 5205-5206 can support these standards and dynamically select a subset of DNs that are within range of the client device based on the active clients in the system and the standards they introduce into the radio link.

参考文献
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[19]Bloomberg Businessweek,「Steve Perlman’s Wireless Fix」,July 27,2011
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[20]Wired,「Has OnLive’s Steve Perlman Discovered Holy Grail of Wireless?」,June 30,2011
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[21]The Wall Street Journal「Silicon Valley Inventor’s Radical Rewrite of Wireless」,July 28,2011
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[22]The White House,「Presidential Memorandum:Unleashing the Wireless Broadband Revolution」,June 28,2010
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[24]IEEE 802.22,「IEEE 802.22 Working Group on Wireless Regional Area Networks」,http://www.ieee802.org/22/   [24] IEEE 802.22, “IEEE 802.22 Working Group on Wireless Regional Area Networks”, http: // www. iee802. org / 22 /

[25]「A bill」,112th congress,1st session,July 12,2011
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[26]H.Ekstrom,A.Furuskar,J.Karlsson,M.Meyer,S.Parkvall,J.Torsner,and M.Wahlqvist「Technical Solutions for the 3G Long−Term Evolution」,IEEE Communications Magazine,pp.38〜45,Mar.2006   [26] H.M. Ekstrom, A.M. Furuskar, J. et al. Karlsson, M .; Meyer, S.M. Parkvall, J. et al. Torsner, and M.M. Wahlqvist “Technical Solutions for the 3G Long-Term Evolution”, IEEE Communications Magazine, pp. 38-45, Mar. 2006

[27]FCC,「Evaluating compliance with FCC guidelines for human exposure to radiofrequency electromagnetic fields」,OET Bulletin 65,Edition 97−01,Aug.1997   [27] FCC, “Evaluating compliance with FCC guidelines for human exposure to radiofrequency fields”, OET Bulletin 65, Edition 97-01. 1997

V.分散入力分散出力無線システムにおけるドップラー効果を補正するためのシステム及び方法
この部分の発明を実施するための最良の形態においては、適応的にそのパラメータを再構成して、ユーザ移動性又は伝播環境の変化によるドップラー効果を補正するマルチユーザ無線送信のためのマルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)を説明する。一実施形態において、MASは、同時係属の特許出願[0002〜0016]で説明し、図53に示すように、分散入力分散出力(DIDO)システムである。一実施形態のDIDOシステムは、以下の構成要素を含む。
・ユーザ機器(UE):一実施形態のUE 5301は、ダウンリンク(DL)チャンネル上でDIDOバックホールからデータストリームを受信し、アップリンク(UL)チャンネルを介してDIDOバックホールにデータを送信する、固定又はモバイルクライアント用RF送受信機を含む。
・基地送受信機局(BTS):一実施形態のBTS 5310〜5314は、DIDOバックホール及び無線チャンネルのインタフェースとなる。BTS 5310〜5314は、ベースバンド信号をRFに変換する、DAC/ADC及び高周波(RF)チェーンからなるアクセスポイントである。場合によっては、BTSは、電力増幅器/アンテナを備える単純なRF送受信機であり、RF信号は、本発明者らの特許出願で説明するようにRF−over−fiber技術を通じてBTSに伝送される。
・コントローラ(CTR):一実施形態におけるCTR 5320は、BTS及び/又はUEの時間/周波数同期用トレーニング信号の送信、UEに対する制御信号の送受信、UEからのチャンネル状態情報(CSI)又はチャンネル品質情報の受信など特定の専用機能向けに設計された、ある特定タイプのBTSである。
・集中型プロセッサ(CP):一実施形態のCP 5340は、インターネット又は他のタイプの外部ネットワーク5350及びDIDOバックホールのインタフェースとなる、DIDOサーバである。CPは、DIDOベースバンド処理を計算し、DL送信のために分散型BTSに波形を送信する。
・基地局ネットワーク(BSN):一実施形態のBSN 5330は、DLチャンネル又はULチャンネルのいずれかのために情報を伝送する分散型BTSにCPを接続するネットワークである。BSNは、有線ネットワーク、無線ネットワーク、又はこれら2つの組合せである。例えば、BSNは、DSL、ケーブル、光ファイバネットワーク、又はline−of−sight若しくはnon−line−of−sight無線リンクである。更に、BSNは固有ネットワーク、又はローカルエリアネットワーク、又はインターネットである。
V. System and method for correcting the Doppler effect in a distributed input distributed output radio system In the best mode for carrying out this part of the invention, the parameters are adaptively reconfigured so that the user mobility or propagation environment is A multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) for multi-user radio transmission that corrects for Doppler effects due to changes is described. In one embodiment, the MAS is a distributed input distributed output (DIDO) system, as described in co-pending patent application [0002-0016] and shown in FIG. The DIDO system of one embodiment includes the following components.
User equipment (UE): The UE 5301 in one embodiment receives a data stream from the DIDO backhaul on the downlink (DL) channel and transmits data to the DIDO backhaul via the uplink (UL) channel. Includes RF transceivers for fixed or mobile clients.
Base transceiver station (BTS): The BTS 5310-5314 of one embodiment provides an interface for DIDO backhaul and radio channels. BTS 5310-5314 is an access point consisting of a DAC / ADC and a radio frequency (RF) chain that converts baseband signals to RF. In some cases, the BTS is a simple RF transceiver with a power amplifier / antenna, and the RF signal is transmitted to the BTS through RF-over-fiber technology as described in our patent application.
Controller (CTR): CTR 5320 in one embodiment transmits training signals for BTS and / or UE time / frequency synchronization, transmission / reception of control signals to UE, channel state information (CSI) or channel quality information from UE A specific type of BTS designed for a specific dedicated function such as
Centralized processor (CP): In one embodiment, CP 5340 is a DIDO server that interfaces to the Internet or other type of external network 5350 and DIDO backhaul. The CP calculates DIDO baseband processing and sends the waveform to the distributed BTS for DL transmission.
Base Station Network (BSN): The BSN 5330 in one embodiment is a network that connects a CP to a distributed BTS that transmits information for either the DL channel or the UL channel. A BSN is a wired network, a wireless network, or a combination of the two. For example, the BSN is a DSL, cable, fiber optic network, or line-of-sight or non-line-of-sight radio link. Further, the BSN is a private network, a local area network, or the Internet.

同時係属出願に記載するように、DIDOシステムは、各ユーザが干渉のないチャンネルを受信できるように複数のユーザに対して独立したチャンネルを作成する。DIDOシステムでは、分散型アンテナ又はBTSを使用して空間ダイバーシティを利用することにより達成される。一実施形態において、DIDOシステムは、空間ダイバーシティ、偏波ダイバーシティ、及び/又はパターンダイバーシティを使用して各チャンネル内の自由度を増加させる。無線リンクの増加した自由度は、増加した数のUE(すなわち、多重化利得)への独立したデータストリームの送信及び/又はカバレージ(すなわち、ダイバーシティ利得)の向上に使用される。   As described in the co-pending application, the DIDO system creates independent channels for multiple users so that each user can receive a channel without interference. In a DIDO system, this is achieved by utilizing spatial diversity using a distributed antenna or BTS. In one embodiment, the DIDO system uses spatial diversity, polarization diversity, and / or pattern diversity to increase the degree of freedom within each channel. The increased freedom of the radio link is used for transmission of independent data streams to an increased number of UEs (ie, multiplexing gain) and / or improved coverage (ie, diversity gain).

BTS 5310〜5314は、インターネット又はBSNへのアクセスが存在する便利な任意の場所に配置される。本発明の一実施形態において、UE 5301〜5305は、図54に示すように、BTS又は分散型アンテナの間、これらの周囲、及び/又はこれらに囲まれるようにランダムに配置される。   The BTS 5310-5314 is located at any convenient location where access to the Internet or BSN exists. In one embodiment of the present invention, UEs 5301 to 5305 are randomly placed between, around and / or surrounded by BTS or distributed antennas as shown in FIG.

一実施形態において、BTS 5310〜5314は、図55に示すように、DLチャンネル上でトレーニング信号及び/又は独立したデータストリームをUE 5301に送信する。トレーニング信号は、UEが、時間/周波数同期、チャンネル推定、及び/又はチャンネル状態情報(CSI)の推定など異なる目的で使用する。本発明の一実施形態において、MU−MAS DLは、ダーティーペーパー符号化(DPC)[1〜2]又はTomlinson−Harashima(TH)[3〜4]事前符号化など非線形事前符号化を利用する。本発明の別の実施形態において、MU−MAS DLは、本発明者らの同時係属特許出願に記載するようなブロック対角化(BD)[0003〜0009]又はゼロフォーシングビームフォーミング(ZF−BF)[5]など非線形事前符号化を利用する。BTSの数がUEよりも大きい場合、追加のBTSが使用されて、[0002〜0016]に記載のアンテナ選択又は固有モード選択などダイバーシティ方式を通じてあらゆるUEに対するリンク品質を増加する。BTSの数がUEよりも小さい場合、追加のUEが、従来の多重化技術(例えば、TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA)を通じて他のUEと無線リンクを共有する。   In one embodiment, the BTSs 5310-5314 send training signals and / or independent data streams to the UE 5301 over the DL channel, as shown in FIG. The training signal is used by the UE for different purposes such as time / frequency synchronization, channel estimation, and / or channel state information (CSI) estimation. In one embodiment of the present invention, MU-MAS DL utilizes non-linear precoding such as Dirty Paper Coding (DPC) [1-2] or Tomlinson-Harashima (TH) [3-4] precoding. In another embodiment of the present invention, the MU-MAS DL is configured with block diagonalization (BD) [0003-0009] or zero forcing beamforming (ZF-BF) as described in our co-pending patent application. ) Use non-linear precoding such as [5]. If the number of BTSs is larger than the UE, additional BTSs are used to increase the link quality for every UE through diversity schemes such as antenna selection or eigenmode selection as described in [0002-0016]. If the number of BTS is smaller than the UE, the additional UE shares the radio link with other UEs through conventional multiplexing techniques (eg, TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA).

ULチャンネルは、UE 5301からCP 5340へのデータ送信、及び/又はDIDO事前符号化器によって使用されるCSI(又はチャンネル品質情報)の送信に使用される。一実施形態において、UEからのULチャンネルは、従来の多重化技術(例えば、TDMA、FDMA、CDMA、OFDMA)を通じて、図56に示すようにCTRに、又は最も近いBTSに多重化される。本発明の別の実施形態において、図57に示すように、空間処理技術が使用されて、UE 5301からのULチャンネルを分散型BTS 5310〜5314に分離させる。例えば、ULストリームは、多重入力多重出力(MIMO)多重化方式を通じてDIDOアンテナにクライアントから送信される。MIMO多重化方式は、クライアントからの独立したデータストリームの送信と、DIDOアンテナにおける線形又は非線形受信機の使用による同一チャンネル干渉の排除と、を含む。別の実施形態において、UL/DLチャンネル相互関係が持続され、チャンネルは、ドップラー効果によりDL送信とUL送信との間であまり大幅に変化しないと仮定して、ダウンリンク重みをアップリンクにわたって使用して、アップリンクストリームを復調させる。別の実施形態において、ULチャンネル上で最大比合成(MRC)受信機が使用されて、DIDOアンテナにおいてあらゆるクライアントからの信号品質を増加させる。   The UL channel is used for data transmission from the UE 5301 to the CP 5340 and / or CSI (or channel quality information) used by the DIDO pre-encoder. In one embodiment, the UL channel from the UE is multiplexed to the CTR as shown in FIG. 56 or to the nearest BTS through conventional multiplexing techniques (eg, TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA). In another embodiment of the present invention, spatial processing techniques are used to separate the UL channel from UE 5301 into distributed BTS 5310-5314 as shown in FIG. For example, a UL stream is transmitted from a client to a DIDO antenna through a multiple input multiple output (MIMO) multiplexing scheme. MIMO multiplexing schemes include the transmission of independent data streams from clients and the elimination of co-channel interference through the use of linear or non-linear receivers at DIDO antennas. In another embodiment, UL / DL channel correlation is maintained and the channel uses downlink weights across the uplink assuming that the Doppler effect does not change much between DL and UL transmissions. Then, the uplink stream is demodulated. In another embodiment, a maximum ratio combining (MRC) receiver is used on the UL channel to increase the signal quality from any client at the DIDO antenna.

DL/ULチャンネル上で送信されるデータ、制御情報、及びCSIは、BSN 5330を介してCP 5340とBTS 5310〜5314との間で共有される。DLチャンネルの既知のトレーニング信号はBTS 5310〜5314においてメモリに保存されて、BSN 5330上のオーバヘッドを低減することができる。ネットワークのタイプに応じて(すなわち、無線対有線、DSL対ケーブル又は光ファイバ)、CP 5340とBTS 5310〜5314との間で情報を交換するために利用可能なデータ速度がBSN 5330上で十分ではないことがあり得る(特に、ベースバンド信号がBTSに送達される場合)。例えば、BTSが、5MHz帯域幅上であらゆるUEに10Mbpsの独立したデータストリームを送信する(無線リンク上で使用されるデジタル変調及びFEC符号化方式に応じて)と仮定する。実数部に16ビットの量子化が使用され、虚数部に16が使用される場合、ベースバンド信号には、BSN上でCPからBTSまで160Mbpsのデータ収量が必要である。一実施形態において、CP及びBTSには、BSN上で送信された情報を圧縮するための符号化器及びこれらの情報を解凍するための復号化器が装備されている。送信リンクでは、CPからBTSに送信された事前符号化ベースバンドデータが圧縮されて、BSN上で送信されるビット量及びオーバヘッドを低減する。同様に、逆方向リンクでは、BTSからCPへとBSN上で送信される前に、CSI並びにデータ(UEからBTSへとアップリンクチャンネル上で送信される)が圧縮される。BSN上で送信されるビット量及びオーバヘッドを低減するために、無損失技術及び/又は損失技術[6]が含まれるが、これらに限定されない異なる圧縮アルゴリズムが使用される。   Data, control information, and CSI transmitted on the DL / UL channel are shared between CP 5340 and BTS 5310-5314 via BSN 5330. DL channel known training signals can be stored in memory at BTS 5310-5314 to reduce overhead on BSN 5330. Depending on the type of network (ie, wireless-to-wired, DSL-to-cable or fiber), the data rate available to exchange information between CP 5340 and BTS 5310-5314 is not sufficient on BSN 5330. There may not be (especially when baseband signals are delivered to the BTS). For example, suppose a BTS transmits a 10 Mbps independent data stream to any UE over a 5 MHz bandwidth (depending on the digital modulation and FEC coding scheme used on the radio link). If 16-bit quantization is used for the real part and 16 is used for the imaginary part, the baseband signal requires a data yield of 160 Mbps from CP to BTS on the BSN. In one embodiment, the CP and BTS are equipped with an encoder for compressing information transmitted on the BSN and a decoder for decompressing the information. In the transmission link, the pre-encoded baseband data transmitted from the CP to the BTS is compressed to reduce the amount of bit and overhead transmitted on the BSN. Similarly, on the reverse link, CSI as well as data (sent on the uplink channel from the UE to the BTS) are compressed before being sent on the BSN from the BTS to the CP. In order to reduce the amount of bit and overhead transmitted on the BSN, different compression algorithms are used, including but not limited to lossless and / or lossy techniques [6].

一実施形態において使用されるDIDOシステムの1つの特徴は、CP 5340に全てのBTS 53105314とUE 5301との間のCSI又はチャンネル品質情報を認識させて事前符号化を可能にすることである。説明したように、DIDOの性能は、無線リンクの変化率に対してCSIがCPに送達される速度に依存する。チャンネル複素利得の変動は、UE移動度及び/又はドップラー効果を引き起こす伝播環境の変化によるものであることが公知である。チャンネルの変化率は、最大ドップラーシフトに反比例するチャンネル可干渉時間(Tc)の観点から測定される。DIDO送信を確実に実行するためには、CSIフィードバックによる待ち時間がチャンネル可干渉時間に対してわずか(例えば、1/10以下)である必要がある。一実施形態において、CSIフィードバックループでの待ち時間は、図58に示すように、CSIトレーニングの送信時間と、事前符号化データのUE側での復調時間との差の時間として測定される。 One feature of the DIDO system used in one embodiment is to allow CP 5340 to recognize CSI or channel quality information between all BTS 53105314 and UE 5301 to allow pre-encoding. As explained, DIDO performance depends on the rate at which CSI is delivered to the CP with respect to the rate of change of the radio link. It is known that channel complex gain variations are due to changes in propagation environment that cause UE mobility and / or Doppler effects. The rate of change of the channel is measured in terms of the channel coherence time (T c ) that is inversely proportional to the maximum Doppler shift. In order to reliably execute DIDO transmission, the waiting time by CSI feedback needs to be small (for example, 1/10 or less) with respect to the channel coherence time. In one embodiment, the latency in the CSI feedback loop is measured as the difference between the CSI training transmission time and the demodulation time at the UE side of the pre-encoded data, as shown in FIG.

周波数分割複信(FDD)DIDOシステムにおいては、BTS 5310〜5314はCSIトレーニングをUE 5301に送信し、UE 5301はCSIを推定し、BTSにフィードバックする。次に、BTSはBSNを介してCSIをCP 5340に送信し、CP 5340は、DIDO事前符号化データストリームを計算し、BSN 5330を介してこれらをBTSに戻す。最後に、BTSは、データを復調するUEに事前符号化ストリームを送信する。図58を参照すると、DIDOフィードバックの総待ち時間は以下によって示される。
*DL+TUL+TBSN+TCP
式中、TDLは、ダウンリンクフレームの構築、送信、及び処理を行う時間を含み、TULは、アップリンクフレームの構築、送信、及び処理を行う時間を含み、TBSNは、BSN上での往復待ち時間であり、TCPは、CPがCSIを処理し、UEのために事前符号化データストリームを生成し、現在の送信に関して異なるUEの予定を決定するためにかかる時間である。この場合、TDLは、トレーニング信号時間(BTSからUEへ)及びフィードバック信号時間(UEからBTSへ)に相当させるために2を乗じる。時分割複信(TDD)では、チャンネル相互関係が利用可能な場合、UEは、CSIを計算し、それをCPに送信するBTSにCSIトレーニングを送信するため、最初の段階が省略される(すなわち、BTSからUEにCSIトレーニング信号を送信する)。したがって、この実施形態において、DIDOフィードバックループの総待ち時間は、以下の通りである。
DL+TUL+TBSN+TCP
In a frequency division duplex (FDD) DIDO system, BTS 5310-5314 sends CSI training to UE 5301, UE 5301 estimates CSI and feeds back to BTS. The BTS then sends CSI to the CP 5340 via the BSN, which calculates the DIDO pre-encoded data stream and returns them to the BTS via the BSN 5330. Finally, the BTS sends a pre-coded stream to the UE that demodulates the data. Referring to FIG. 58, the total latency of DIDO feedback is shown by:
2 * TDL + TUL + TBSN + TCP
Where T DL includes the time to construct, transmit and process the downlink frame, T UL includes the time to construct, transmit and process the uplink frame, and T BSN is on the BSN. T CP is the time it takes for the CP to process the CSI, generate a pre-encoded data stream for the UE, and determine different UE schedules for the current transmission. In this case, TDL is multiplied by 2 to correspond to training signal time (BTS to UE) and feedback signal time (UE to BTS). In time division duplex (TDD), if channel correlation is available, the UE calculates CSI and sends CSI training to the BTS that sends it to the CP, so the first step is omitted (ie. , Send CSI training signal from BTS to UE). Thus, in this embodiment, the total latency of the DIDO feedback loop is as follows:
T DL + T UL + T BSN + T CP

待ち時間TBSNは、BSNのタイプ(専用ケーブル、DSL、光ファイバ接続、又は一般インターネットかどうか)に依存する。典型的な値は、1msecの何分のいくつかと50msecとの間で変化し得る。CPでの計算時間は、DIDO処理がCPにおいてASIC、FPGA、DSP、CPU、GPU及び/又はGPGPUなど専用プロセッサで実行される場合、短縮できる。更に、BTS 5310〜5314の数がUE 5301の数を超える場合、全てのUEは、マルチユーザ予定決定により同一時間にサービスが提供され、それにより待ち時間を除去することができる。したがって、待ち時間TCPはTBSNと比較して取るに足りないものである。最終的に、DL及びULの送信処理及び受信処理は、典型的には、取るに足らない計算時間でASIC、FPGA、又はDSPで実行され、信号帯域幅が比較的大きい(例えば、1MHz超)場合には、フレーム時間を非常に小さく(すなわち、1msec未満)にすることができる。したがって、TDL及びTULもまた、TBSNと比較して取るに足りないものである。 The waiting time T BSN depends on the type of BSN (whether dedicated cable, DSL, fiber optic connection, or general Internet). Typical values can vary between some fraction of 1 msec and 50 msec. The calculation time in the CP can be shortened when DIDO processing is executed in the CP by a dedicated processor such as ASIC, FPGA, DSP, CPU, GPU, and / or GPUPU. Furthermore, if the number of BTSs 5310-5314 exceeds the number of UEs 5301, all UEs are served at the same time by multi-user scheduling, thereby eliminating latency. Therefore, the waiting time T CP is insignificant compared to TBSN . Finally, DL and UL transmission and reception processes are typically performed in an ASIC, FPGA, or DSP with insignificant computation time and have a relatively large signal bandwidth (eg, greater than 1 MHz). In some cases, the frame time can be very small (ie, less than 1 msec). Therefore, TDL and TUL are also insignificant compared to TBSN .

本発明の一実施形態において、CP 5340は全てのUE 5301のドップラー速度を追跡し、BTS 5310〜5314を最低のTBSNでより高いドップラーのUEに動的に割り当てる。このアダプテーションは、以下の異なる基準に基づいている。
・BSNのタイプ:例えば、専用光ファイバリンクは、典型的には、ケーブルモデム又はDSLよりも低い待ち時間を経験する。その結果、より低い待ち時間のBSNは高移動度UE(例えば、高速道路上の自動車、電車)に使用されるが、より高い待ち時間のBSNは、固定無線又は低移動度UE(例えば、宅内機器、歩行者、住宅地域の自動車)に使用される。
・QoSのタイプ:例えば、BSNは異なるタイプのDIDOトラフィック又は非DIDOトラフィックをサポートできる。異なるタイプのトラフィックに対して異なる優先度でサービス品質(QoS)を定義することが可能である。例えば、BSNは、DIDOトラフィックに高優先度を割り当て、非DIDOトラフィックには低優先度を割り当てる。あるいは、高優先度のQoSは高移動度UEのトラフィックに割り当てられ、低優先度のQoSは低移動度のUEに割り当てられる。
・長期統計:例えば、BSN上のトラフィックは、時刻に応じて著しく変化することがある(例えば、家庭の夜間使用及び事務所の日中使用)。より高いトラフィック負荷は、より高い待ち時間をもたらし得る。その結果、異なる時刻において、高トラフィックのBSNは、より高い待ち時間をもたらす場合、低移動度UEに使用されるが、低トラフィックのBSNは、より低い待ち時間をもたらす場合、高移動度UEに使用される。
・短期統計:例えば、いずれのBSNもより高い待ち時間をもたらし得る一時的なネットワークの輻輳の影響を受けることがある。その結果、輻輳がより高い待ち時間をもたらす場合は低移動度UE及び残りのBSNのために、これらがより低い待ち時間の場合には高移動度UEのために、CPは、輻輳が発生したBSNから適応的にBTSを選択することができる。
In one embodiment of the present invention, CP 5340 tracks the Doppler rate of all UEs 5301 and dynamically assigns BTS 5310-5314 to higher Doppler UEs with the lowest T BSN . This adaptation is based on the following different criteria:
BSN type: For example, dedicated fiber optic links typically experience lower latency than cable modems or DSL. As a result, lower latency BSNs are used for high mobility UEs (eg, cars on highways, trains), while higher latency BSNs are used for fixed radio or low mobility UEs (eg, residential Used in equipment, pedestrians, residential vehicles).
QoS type: For example, the BSN can support different types of DIDO traffic or non-DIDO traffic. It is possible to define quality of service (QoS) with different priorities for different types of traffic. For example, the BSN assigns high priority to DIDO traffic and assigns low priority to non-DIDO traffic. Alternatively, high priority QoS is assigned to high mobility UE traffic and low priority QoS is assigned to low mobility UEs.
Long-term statistics: For example, traffic on the BSN can vary significantly with time (eg, home night use and office day use). Higher traffic load can result in higher latency. As a result, at different times, a high traffic BSN is used for a low mobility UE if it results in higher latency, while a low traffic BSN is used for a high mobility UE if it results in lower latency. used.
Short-term statistics: For example, any BSN may be affected by temporary network congestion that may result in higher latency. As a result, the CP is congested due to the low mobility UE and the rest of the BSN when the congestion results in higher latency, and because of the high mobility UE when they are at lower latency. A BTS can be selected adaptively from the BSN.

本発明の別の実施形態において、BTS 5310〜5314は、個々のBTS−UEリンクで経験されたドップラーに基づいて選択される。例えば、図59のline−of−sight(LOS)リンクBでは、最大ドップラーシフトは、以下の公知の方程式に従って、BTS−UEリンクと車速(v)との角度(φ)の関数である。   In another embodiment of the invention, BTSs 5310-5314 are selected based on Doppler experienced on individual BTS-UE links. For example, in the line-of-sight (LOS) link B of FIG. 59, the maximum Doppler shift is a function of the angle (φ) between the BTS-UE link and the vehicle speed (v) according to the following known equation:

Figure 2019198082
式中、λは搬送周波数に対応する波長である。したがって、LOSチャンネルにおいて、ドップラーシフトは、図59のリンクAについて最大であり、リンクCについてはほぼゼロである。非LOS(NLOS)では、最大ドップラーシフトはUEの周囲の多経路の方向に基づくが、一般に、DIDOシステムにおけるBTSは分散型であるという性質のため、一部のBTSは、所定のUE(例えば、BTS 5312)についてより高いドップラーを経験するが、他のBTSは所定のUE(例えば、BTS 5314)についてより低いドップラーを経験するであろう。
Figure 2019198082
In the equation, λ is a wavelength corresponding to the carrier frequency. Thus, in the LOS channel, the Doppler shift is maximum for link A in FIG. 59 and almost zero for link C. In non-LOS (NLOS), the maximum Doppler shift is based on the direction of the multipath around the UE, but in general, due to the distributed nature of BTSs in DIDO systems, some BTSs are defined for a given UE (eg , BTS 5312) will experience higher Doppler, while other BTSs will experience lower Doppler for a given UE (eg, BTS 5314).

一実施形態において、CPは、あらゆるBTS−UEリンク上でドップラー速度を追跡し、あらゆるUEに関して最低のドップラー効果を有するリンクのみを選択する。本明細書に記載の技術と同様に、CP 5340は、あらゆるUE 5301に対して「ユーザクラスター」を定義する。ユーザクラスターは、図60に示すように、UEに対して良好なリンク品質(特定の信号対雑音比、SNR、閾値に基づいて定義される)及び低ドップラー(例えば、所定のドップラー閾値に基づいて定義される)を有するBTSの組である。図60では、BTS 5〜10の全てがUE1に対して良好なSNRを有するが、BTS 6〜9のみが低ドップラー効果(例えば、指定閾値未満)を経験する。   In one embodiment, the CP tracks the Doppler rate on every BTS-UE link and selects only the link with the lowest Doppler effect for every UE. Similar to the techniques described herein, CP 5340 defines a “user cluster” for every UE 5301. The user cluster has good link quality (defined based on specific signal-to-noise ratio, SNR, threshold) and low Doppler (eg, based on a predetermined Doppler threshold) as shown in FIG. A set of BTSs with In FIG. 60, all BTSs 5-10 have good SNR for UE1, but only BTS 6-9 experience a low Doppler effect (eg, below a specified threshold).

この実施形態のCPは、あらゆるBTS−UEリンクのSNR及びドップラーの値の全てを行列に記録し、SNR閾値及びドップラー閾値を満たす部分行列を選択する。図61に示す例において、部分行列は、C2,6、C2,7、C3,9、C4,7、C4,8、C4,9、及びC5,6を囲む緑色の点線で識別される。DIDO事前符号化重みは、該当する部分行列に基づいて該当するUEに対して計算される。BTS 5及び10は、図61に示すようにUE 2、3、4、5、及び7によって到達可能であることに留意されたい。その結果、これらの他のUEへの送信時にUE1への干渉を回避するために、BTS 5及び10のいずれかは、切り替えられるか、TDMA、FDMA、CDMA、又はOFDMAなど従来の多重化技術に基づいて異なる直交チャンネルに割り当てられる必要がある。 The CP of this embodiment records all SNR and Doppler values for every BTS-UE link in a matrix and selects a submatrix that satisfies the SNR threshold and Doppler threshold. In the example shown in FIG. 61, submatrix, C 2,6, C 2,7, C 3,9, C 4,7, C 4,8, green surrounding the C 4, 9, and C 5, 6 Identified with a dotted line. The DIDO pre-encoding weight is calculated for the corresponding UE based on the corresponding submatrix. Note that BTSs 5 and 10 are reachable by UEs 2, 3, 4, 5, and 7 as shown in FIG. As a result, in order to avoid interference to UE1 during transmission to these other UEs, either BTS 5 and 10 can be switched or replaced with conventional multiplexing techniques such as TDMA, FDMA, CDMA, or OFDMA. Need to be assigned to different orthogonal channels.

別の実施形態において、DIDO事前符号化システムの性能に対するドップラー効果の悪影響は、過去のチャンネル推定に基づいて将来の複素チャンネル係数を予想する1つの技術である線形予想によって低減される。制約を意図するのではなく、例として、単入力単出力(SISO)及びOFDM無線システムの異なる予想アルゴリズムが[7〜11]で提案された。将来のチャンネル複素係数を把握していれば、古いCSIによる誤差を低減することが可能である。例えば、図62は、異なる時間、すなわち、i)tCTRは、図58のCTRがFDDシステムにおいてUEからCSIを受信する(又は、同時に、BTSがTDDシステムにおいてDL/UL相互関係を使用するULチャンネルからCSIを推定する)時間であり、ii)tCPは、CSIがBSNを介してCPに送達される時間であり、iii)tBTSは、CSIが無線リンク上で事前符号化に使用される時間である、におけるチャネル利得(又はCSI)を示す。図62では、待ち時間TBSN(図58にも示す)のために、時間tCTRで推定されたCSIは、時間tBTSにおいてDLチャンネル上での無線送信に使用する時点までには、古くなるであろう(すなわち、複素チャンネル利得が変化した)ことが認められる。ドップラーによるこの効果を回避する1つの方法は、CPにおいて予想方法を実行することである。tCTRにおいて使用可能なCSI推定は、CTRからCPへの遅延によってTBSN/2遅れ、図62の時間t0におけるチャンネル利得に対応する。その結果、CPは、時間t0以前に予想されたCSIの全て又は一部を使用し、メモリに格納して、時間t0+TBSN=tCPにおいて将来のチャンネル係数を予想する。予想アルゴリズムが最小の誤り伝播を有する場合、時間tCPにおいて予想されたCSIは、将来のチャンネル利得を確実に再現する。予想されたCSIと現在のCSIとの時間差は予想範囲と呼ばれ、SISOシステムにおいて、典型的には、チャンネル可干渉時間に対応する。 In another embodiment, the adverse effects of Doppler effects on DIDO precoding system performance are reduced by linear prediction, one technique for predicting future complex channel coefficients based on past channel estimates. Rather than intending constraints, by way of example, different prediction algorithms for single input single output (SISO) and OFDM wireless systems were proposed in [7-11]. If the future channel complex coefficients are known, it is possible to reduce errors due to old CSI. For example, FIG. 62 shows different times, i) t CTR , UL where the CTR of FIG. 58 receives CSI from the UE in the FDD system (or at the same time the BTS uses DL / UL correlation in the TDD system. Ii) t CP is the time at which CSI is delivered to the CP via the BSN, and iii) t BTS is used for precoding on the radio link. Channel gain (or CSI) at In FIG. 62, due to the waiting time T BSN (also shown in FIG. 58), the CSI estimated at time t CTR becomes obsolete by the time it is used for radio transmission on the DL channel at time t BTS . (Ie, the complex channel gain has changed). One way to avoid this effect by Doppler is to perform the prediction method at the CP. The CSI estimate available at t CTR is delayed by T BSN / 2 due to the delay from CTR to CP, corresponding to the channel gain at time t 0 in FIG. As a result, the CP uses all or part of the CSI expected before time t 0 and stores it in memory to predict future channel coefficients at time t 0 + T BSN = t CP . If the prediction algorithm has minimal error propagation, the expected CSI at time t CP will reliably reproduce the future channel gain. The time difference between the expected CSI and the current CSI is called the expected range and typically corresponds to the channel coherence time in a SISO system.

DIDOシステムにおいては、予想アルゴリズムが時間領域及び空間領域の両方で将来のチャンネル係数を推定するため、より複雑である。MIMO無線チャンネルの時間空間的(spatio-temporal)特性を利用する線形予想アルゴリズムが[12〜13]に記載された。[13]では、MIMOシステムにおける予想アルゴリズムの性能(平均2乗誤差
(MSE)で測定)が、より高いチャンネル可干渉時間(すなわち、ドップラー効果の低減)及び(より低い空間相関による)より低いチャンネル可干渉距離へと改善することが示された。したがって、時間空間的方法の予想範囲(秒で示す)は、チャンネル可干渉時間に正比例し、チャンネル可干渉距離に反比例する。DIDOシステムでは、分散型アンテナによってもたらされる高空間選択性により、可干渉距離は低い。
In DIDO systems, the prediction algorithm is more complex because it estimates future channel coefficients in both time and space domains. A linear prediction algorithm that takes advantage of the spatio-temporal characteristics of MIMO radio channels was described in [12-13]. In [13], the performance of the prediction algorithm in a MIMO system (measured by mean square error (MSE)) has a higher channel coherence time (ie, reduced Doppler effect) and a lower channel (due to lower spatial correlation). It has been shown to improve to a coherent distance. Therefore, the expected range (in seconds) of the spatiotemporal method is directly proportional to the channel coherence time and inversely proportional to the channel coherence distance. In DIDO systems, the coherence distance is low due to the high spatial selectivity provided by the distributed antenna.

本明細書では、DIDOシステムの時間空間的ダイバーシティを利用して将来のべクトルチャンネル(すなわち、BTSからUEへのCSI)を予想する予想技術が説明される。これらの実施形態は、無線チャンネルで使用可能な空間ダイバーシティを利用して、取るに足りないCSI予想誤差及び任意の既存のSISO及びMIMO予想アルゴリズムよりも拡大された予想範囲を得る。これらの技術の1つの重要な特徴は、分散型UEから無相関の複素チャンネル係数を受信することを考慮して、分散型アンテナを利用することである。   Described herein is a predictive technique that utilizes the temporal and spatial diversity of the DIDO system to predict future vector channels (ie, BTS to UE CSI). These embodiments take advantage of the spatial diversity available on the wireless channel to obtain insignificant CSI prediction errors and an expanded prediction range over any existing SISO and MIMO prediction algorithms. One important feature of these techniques is the use of distributed antennas in view of receiving uncorrelated complex channel coefficients from distributed UEs.

本発明の一実施形態において、空間時間的予想因子が周波数領域の推定量と組み合わされて、OFDMシステムなどシステム内の使用可能な副搬送波の全てにわたるCSI予想を可能にする。本発明の別の実施形態において、(CSIではなく)DIDO事前符号化重みが、DIDO重みの以前の推定値に基づいて予想される。   In one embodiment of the present invention, spatio-temporal predictors are combined with frequency domain estimators to enable CSI prediction across all available subcarriers in a system such as an OFDM system. In another embodiment of the present invention, DIDO pre-encoded weights (rather than CSI) are predicted based on previous estimates of DIDO weights.

参考文献
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本発明の実施形態は、上記のような様々な段階を含むことができる。これらの段階は、汎用プロセッサ又は専用プロセッサにある一定の段階を行わせる機械実行可能命令で実施することができる。例えば、基地局/AP内の様々な構成要素及び上記のクライアントデバイスは、汎用プロセッサ又は専用プロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実行することができる。本発明の関連する面を不明瞭にすることを回避するために、コンピュータメモリ、ハードドライブ、入力デバイスなど様々な公知のパーソナルコンピュータ構成要素は図から割愛した。   Embodiments of the invention can include various stages as described above. These stages can be implemented with machine-executable instructions that cause a general purpose or special purpose processor to perform certain stages. For example, the various components within the base station / AP and the client device described above can be implemented as software running on a general purpose processor or a dedicated processor. In order to avoid obscuring the relevant aspects of the present invention, various known personal computer components such as computer memory, hard drives, input devices, etc. have been omitted from the figures.

代わりに、一実施形態において、本明細書に示す様々な機能モジュール及び関連の段階は、特定用途向け集積回路(「ASIC」)など段階を実行するハードワイヤード論理回路を含む所定のハードウエア構成要素により、又はプログラムされたコンピュータ構成要素及びカスタムハードウエア構成要素のあらゆる組合せによって実行することができる。   Instead, in one embodiment, the various functional modules and associated stages shown herein are pre-determined hardware components that include hardwired logic that performs the stages, such as an application specific integrated circuit (“ASIC”). Or by any combination of programmed computer components and custom hardware components.

一実施形態において、上記の符号化、変調、及び信号処理論理回路903など所定のモジュールは、Texas InstrumentsのTMS320xアーキテクチャ(例えば、TMS320C6000、TMS320C5000...など)を使用してデジタル信号プロセッサ(「DSP」)などプログラム可能なDSP(又はDSPの群)上で実行することができる。この実施形態におけるDSPは、例えば、PCIカードなどパーソナルコンピュータへのアドオンカード内に埋め込むことができる。当然ながら、依然として本発明の根本的な原理を遵守しつつ、様々な異なるDSPアーキテクチャを使用することができる。   In one embodiment, certain modules, such as the encoding, modulation and signal processing logic 903 described above, are digital signal processors (“DSP”) using Texas Instruments' TMS320x architecture (eg, TMS320C6000, TMS320C5000..., Etc.). ') Can be executed on a programmable DSP (or group of DSPs). The DSP in this embodiment can be embedded in an add-on card to a personal computer such as a PCI card, for example. Of course, a variety of different DSP architectures can be used while still adhering to the underlying principles of the present invention.

本発明の様々な実施形態は、機械実行可能命令を格納する機械可読媒体として提供することができる。機械可読媒体は、フラッシュメモリ、光ディスク、CD−ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁気カード、光学カード、又は電子命令の格納に好適なあらゆる他のタイプの機械可読媒体を含むことができるがこれらに限定されない。例えば、本発明は、通信リンク(例えば、モデム又はネットワーク接続)を通じて搬送波又は他の伝播媒体内で実施されるデータ信号として、リモートコンピュータ(例えば、サーバ)から要求側コンピュータ(例えば、クライアント)に転送することができるコンピュータプログラムとしてダウンロードすることができる。   Various embodiments of the present invention may be provided as a machine-readable medium storing machine-executable instructions. The machine readable medium may include flash memory, optical disk, CD-ROM, DVD ROM, RAM, EPROM, EEPROM, magnetic card, optical card, or any other type of machine readable medium suitable for storing electronic instructions. However, it is not limited to these. For example, the present invention transfers from a remote computer (eg, a server) to a requesting computer (eg, a client) as a data signal implemented in a carrier wave or other propagation medium over a communication link (eg, a modem or network connection). Can be downloaded as a computer program.

以上の説明を通じて、解説を目的として本システム及び方法を完全に理解することができるように多くの詳細を示した。しかし、これらの特定の詳細の一部がなくてもシステム及び方法を実施することができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲及び精神は、以下の特許請求の範囲に関連して判断すべきである。   Throughout the foregoing description, for the purposes of explanation, numerous details are set forth in order to provide a thorough understanding of the system and method. However, it will be apparent to those skilled in the art that the system and method may be practiced without some of these specific details. Accordingly, the scope and spirit of the present invention should be determined with reference to the following claims.

更に、以上の説明を通じて、本発明をより完全に理解することができるように多くの文献を引用した。これらの引用文献の全ては、その引用により本出願に組み込まれている。   Furthermore, in the above description, many documents are cited so that the present invention can be understood more completely. All of these references are incorporated herein by reference.

Claims (9)

ネットワークを通じて複数の分散型送受信機局又はアンテナに通信可能に接続される、1つ又は複数の集中型ユニットを含む、マルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)であって、
前記ネットワークが、バックホール通信チャンネルとして使用される有線リンク、無線リンク、又は両方の組合せからなり、
複数の無線リンクを通じて前記複数の分散型受信機局に通信可能に接続される複数のユーザデバイスを備え、
少なくとも2つの分散型受信機局と少なくとも1つのユーザデバイスの間の前記無線リンクは異なるドップラー効果を経験し、
前記複数の集中型ユニットは、線形予想を用いて、時間内に符号化するために使用される複数の将来のアップリンク又はダウンリンクチャンネル係数を予想し、符号化するための前記チャンネル係数を使用し、伝播環境の変化における移動効果を補償し、そして前記送受信機局とユーザデバイスとの間の無線リンクの性能を改善する、マルチユーザ(MU)多重アンテナシステム(MAS)。
A multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) comprising one or more centralized units communicatively connected to a plurality of distributed transceiver stations or antennas over a network,
The network consists of a wired link, a wireless link, or a combination of both used as a backhaul communication channel;
A plurality of user devices communicatively connected to the plurality of distributed receiver stations through a plurality of wireless links;
The wireless link between at least two distributed receiver stations and at least one user device experiences different Doppler effects;
The multiple centralized units use the channel coefficients to predict and encode multiple future uplink or downlink channel coefficients used to encode in time using linear prediction. A multi-user (MU) multi-antenna system (MAS) that compensates for mobility effects in propagation environment changes and improves the performance of the radio link between the transceiver station and the user device.
線形予想方法が、前記時間内の無線リンクの将来のチャンネル状態情報(CSI)、周波数、又は事前CSI推定に基づく空間領域を推定するために用いられる、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein a linear prediction method is used to estimate a spatial domain based on future channel state information (CSI), frequency, or prior CSI estimation of the radio link in the time. 線形予想方法が、事前符号化重み推定に基づいて将来の符号化重みを推定するために用いられる、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein a linear prediction method is used to estimate future coding weights based on pre-coding weight estimation. 前記分散型受信機局は符号化を活用して、前記無線リンクを介して前記ユーザデバイスに同時非干渉データストリームを送信、または前記ユーザデバイスから同時非干渉データストリームを受信する、請求項1に記載のシステム。   The distributed receiver station utilizes coding to transmit a simultaneous non-interfering data stream to or receive a simultaneous non-interfering data stream from the user device over the wireless link. The described system. 前記移動効果は、ドップラー効果であるか、又はユーザ移動によって生じるか、又は前記伝播環境の変化である、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the movement effect is a Doppler effect, is caused by a user movement, or is a change in the propagation environment. 前記ユーザデバイスは、前記分散型受信機局の周辺、又は前記分散型受信機局との間に位置するか、又は前記分散アンテナによって囲まれている、請求項5に記載のシステム。   6. The system of claim 5, wherein the user device is located around or between the distributed receiver station or surrounded by the distributed antenna. 前記集中型ユニット及び前記分散型受信機局は、前記ネットワーク上において交信される情報を圧縮するための符号化器、又はこれらの情報を解凍するための復号化器を装備している、請求項1に記載のシステム。   The centralized unit and the distributed receiver station are equipped with an encoder for compressing information communicated on the network, or a decoder for decompressing the information. The system according to 1. 前記集中型ユニットは、前記分散型受信機局と前記ユーザデバイスとの間の前記チャンネル状態情報(CSI)を含む行列の1つまたは多重部分を動的に選択する、請求項4に記載のシステム。   5. The system of claim 4, wherein the centralized unit dynamically selects one or multiple portions of a matrix that includes the channel state information (CSI) between the distributed receiver station and the user device. . 前記分散型受信機局が、空間、偏波、又はアンテナパターンダイバーシティ方法を使用して、前記無線リンクを介してのデータ速度及びカバレッジを向上させる、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the distributed receiver station uses a spatial, polarization, or antenna pattern diversity method to improve data rate and coverage over the wireless link.
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