СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК H04B7/26 

Группа изобретений относится к области радиотехники, в частности к способу передачи сигнала и устройству для его реализации, и может быть использована, например, в системах сотовой радиосвязи при передаче информационного сигнала в прямом канале связи от базовой станции до мобильной станции.

В настоящее время актуальной задачей является повышение емкости систем связи посредством применения эффективных способов передачи и приема сигналов. Повышение эффективности способов передачи и приема сигналов приводят к усложнению и удорожанию аппаратуры связи. В сотовых системах связи целесообразным является усложнение аппаратуры базовой станции, т.е. акцент делается на повышение эффективности приема в обратном канале (сигнала от мобильной станции к базовой станции) и эффективности передачи в прямом канале (сигнала от базовой станции к мобильной станции).

Основными факторами, ограничивающими емкость прямого канала связи, являются наличие фединга и внутрисистемных помех

Наличие фединга обусловлено тем, что для сотовых систем связи в условиях городской застройки характерно непрямое многолучевое распространение сигнала.

Наличие внутрисистемных помех обусловлено тем, что при передаче сигнала от базовой станции к мобильной станции, только часть передаваемой энергии поступает на приемную антенну. Остальная часть передаваемой энергии не поступает на приемную антенну, а создает помехи остальным мобильным станциям.

Поэтому эффективный способ передачи сигнала должен обеспечивать борьбу с федингом и при обеспечении заданного качества приема на мобильной станции излучать как можно меньше энергии (создавать как можно меньше помех).

Одним из эффективных методов борьбы с федингом и уменьшения внутрисистемных помех является использование разнесенной передачи.

Известно несколько основных способов разнесенной передачи.

Согласно способу ортогональной разнесенной передачи (например, «Способ ортогональной разнесенной передачи - приема сигнала в сотовой системе радиосвязи с кодовым разделением каналов» патент РФ №2145152, опубликован 27.01.2000 г., бюл. №3, МПК⁷ H 04 В 7/216, «Способ разнесенной передачи сигнала и устройство для его реализации» патент РФ №2208911, опубликован 20.07.2003 г., МПК⁷ Н 04 В 7/00) обеспечивают передачу каждого информационного символа с каждой из разнесенных антенн, при этом организуют передачу таким образом, что последовательности символов, передаваемые с разных антенн, ортогональны друг другу, т.е. не создают друг другу помех.

Сигнал, передаваемый с каждой из антенн, подвержен федингу. Но так как фединги в сигналах, передаваемых с разных антенн, независимы, то способ ортогональной разнесенной передачи позволяет обеспечить на приемнике усреднение фединга и повысить отношение сигнал/(шум+помехи) (ОСШП).

Максимальный эффект, который может быть достигнут при использовании способа ортогональной разнесенной передачи - это ОСШП на приемнике, эквивалентное ОСШП в стационарном канале с одной передающей и одной приемной антенной.

Способ ортогональной разнесенной передачи не требует обратной связи.

Согласно способу разнесенной передачи с выбором передающей антенны (например, W.С.Jakes, Microwave mobile communications, IEEE press, 1974) с каждой из передающих антенн передают пилот-сигнал, по которому на приемнике оценивают канал передачи от каждой передающей антенны до приемной антенны. На приемнике выбирают лучший по критерию максимума ОСШП канал передачи и, соответственно, передающую антенну. Номер выбранной антенны передают по сигналу обратной связи на передатчик, который использует для передачи выбранную антенну.

Достигаемый эффект ниже, чем для способа ортогональной разнесенной передачи.

Более эффективным, чем описанные ранее два способа разнесенной передачи, является способ когерентной разнесенной передачи по патенту «Способ когерентной разнесенной передачи сигнала», патент РФ №2192094, опубликован 27.10.2002 г., бюл. №30; МПК⁷ Н 04 В 7/005.

Согласно способу когерентной разнесенной передачи сигнал каждого пользователя передают с N разнесенных антенн.

Копии информационного сигнала распространяются через N разных каналов распространения и образуют на приемной антенне суммарный информационный сигнал.

Для того чтобы обеспечить на входе приемника близкое к оптимальному сложение копий информационного сигнала, прошедших по различным каналам распространения, на передающей стороне требуется иметь оценки указанных каналов распространения.

Поэтому, с каждой из N разнесенных антенн передают ортогональные или квазиортогональные друг другу пилот-сигналы, по которым и осуществляют оценку каналов распространения.

Оценка каналов распространения осуществляется на приемной стороне, а затем передается на передатчик по каналу обратной связи.

При прохождения канала распространения каждая копия информационного сигнала подвергается в общем случае частотно-селективному федингу.

Поэтому, перед передачей в сигнал пользователя, передаваемый с каждой из N разнесенных антенн, вносят частотно-селективные предыскажения таким образом, чтобы максимизировать качество приема.

Информационный сигнал принимается на фоне аддитивной помехи, представляющей собой сумму шума и внутрисистемных помех, которую можно считать белым шумом.

Поэтому максимизация качества приема эквивалентна максимизации ОСШП.

Спектральную плотность эквивалентного видео частотного принимаемого информационного сигнала на интервале передачи одного информационного символа можно представить в виде

где:

- X(ƒ) - спектральная плотность принимаемого информационного сигнала,

- S(ƒ) - спектральная плотность передаваемого информационного сигнала,

- G_n(ƒ)- передаточная функция n-ого канала распространения,

- T_n(ƒ) - передаточная функция n-ого канала предыскажений передаваемого сигнала, причем - суммарная передаваемая энергия сигнала пользователя на интервале одного передаваемого символа ограничена значением Е_s.

Максимизация ОСШП в принимаемом сигнале обеспечивается при выполнении условия

где ^* - операция комплексного сопряжения, а Т₀ - постоянное число, которое выбирается из условия нормировки на Е_s.

Физический смысл такого выбора передаточных функций каналов предыскажений передаваемого сигнала заключается в следующем.

Фазочастотные характеристики передаточных функций каналов предыскажений обеспечивают когерентное сложение спектральных плотностей информационного сигнала, переданного через различные каналы разнесения, на входе приемника. Амплитудно-частотные характеристики каналов предыскажений обеспечивают излучение большей части энергии сигнала на тех частотах спектра информационного сигнала, где коэффициент передачи канала распространения больше, и меньшей части энергии сигнала - там, где коэффициент передачи канала меньше. Этим обеспечивается оптимальное использование энергии передаваемого сигнала.

В условиях многолучевости когерентное сложение копий информационного сигнала, переданных через различные каналы разнесения, обеспечивается только в одном луче. В остальных лучах копии информационного сигнала складываются некогерентно.

При приеме такого сигнала, остальными лучами обычно пренебрегают. Поэтому, на приемнике обычно используют согласованный фильтр (или коррелятор) и не используют RAKE приемник, что значительно упрощает аппаратную реализацию приемника.

Если пренебречь ошибками в оценке канала связи, ошибками и задержкой в канале обратной связи и ошибками квантования, то эффект, достигаемый при использовании способа когерентной разнесенной передачи, эквивалентен эффекту, достигаемому при использовании разнесенного приема с оптимальным по критерию максимизации ОСШП взвешенным суммированием принимаемых сигналов.

Это позволяет для сравнения описанных способов разнесенной передачи использовать теоретические результаты, полученные в статье Jianxia Luo, James R.Zeidler, and John G.Proakis, "Error Probability Performance for W-CDMA Systems With Multiple Transmit and Receive Antennas in Correlated Nakagami Fading Channels", IEEE Trans. Veh. Technol., vol.51, pp.1502-1516, Nov.2002 для ортогональной разнесенной передачи и для разнесенного приема с оптимальным взвешенным суммированием принимаемых сигналов.

Кривые зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШП в канале с Релеевским федингом и аддитивной Гауссовой помехой (сумма шума и внутриситсемных помех) от ОСШП показаны на фиг.1.

Кривая AWGN соответствует каналу без фединга с одной передающей и одной приемной антенной. Это предельно достижимая (при увеличении количества передающих антенн) кривая помехоустойчивости для ортогональной разнесенной передачи.

Кривые CTD 2Тх, 4Тх и 8Тх соответствуют когерентной разнесенной передаче в канале с федингом при 2, 4 и 8 передающих антеннах соответственно.

Таким образом, способ когерентной разнесенной передачи является наиболее эффективным из известных в настоящее время способов разнесенной передачи.

Помехоустойчивость способа когерентной разнесенной передачи растет с увеличением количества передающих антенн. Кроме того, для его эффективной работы необходимо, чтобы фединги в копиях информационного сигнала, передаваемого с разных антенн, были независимы. Это достигается разнесением передающих антенн на величину порядка 10 длин волны несущей частоты или больше.

Другим эффективным методом уменьшения внутрисистемных помех является способ передачи сигнала с использованием адаптивной антенной решетки (например, J.С.Liberti and Т.S.Rappaport, Smart antennas for wireless communications: IS-95 and third generation CDMA applications, Prentice Hall, New Jersey, 1999).

Адаптивная антенная решетка представляет собой несколько антенных элементов, расположенных близко друг от друга. При передаче на каждый антенный элемент подают одинаковые копии информационного сигнала, умноженные на весовые коэффициенты. Весовые коэффициенты в общем случае комплексные и разные для разных антенных элементов.

На фиг.2 показана линейная эквидистантная антенная решетка, расположенная вдоль оси х с нулевым элементом в начале координат и расстоянием между элементами Δx.

Для удобства формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки расстояние между двумя соседними антенными элементами Δх выбирают не превышающим длину волны несущей частоты.

Для простоты рассмотрения будем считать, что антенна приемника расположена приблизительно на одной высоте с адаптивной антенной решеткой, поэтому можно ограничиться анализом диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в плоскости (х, у), т.е. рассматривать зависимость диаграммы направленности адаптивной антенной решетки только от угла ϕ.

Сигнал s_Tx(t), излучаемый в направлении ϕ, равен

где:

- β=2π/λ, где λ - длина волны несущей частоты,

- ƒ(ϕ) - диаграмма направленности адаптивной антенной решетки в горизонтальной плоскости.

Для формирования максимума диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлении ϕ₀ нужно положить весовые коэффициенты w_m равными

w_m=ехр(jβmΔxcosϕ₀).

Тогда диаграмма направленности будет иметь вид

Обычно применяют направленные антенные элементы. Тогда, если все антенные элементы имеют одинаковые и одинаково направленные диаграммы направленности ƒ_a(ϕ), то итоговая диаграмма направленности F(ϕ₀, ϕ) будет равна

F(ϕ₀, ϕ)=ƒ(ϕ₀, ϕ)ƒ_a(ϕ).

На фиг.3 показаны две диаграммы направленности адаптивной антенной решетки из 8 антенных элементов, расположенных на расстоянии λ/2 и имеющих диаграммы направленности вида

Максимумы двух показанных на фиг.3 диаграмм направленности соответствуют углам и .

При передаче с использованием адаптивной антенной решетки энергию информационного сигнала излучают только в угловой области Δϕ вокруг выбранного направления излучения ϕ₀.

Поэтому, для достижения такого же значения излучаемой энергии в направлении максимума диаграммы направленности, что и при передаче с одного антенного элемента с диаграммой направленности ƒ_a(ϕ), необходимо излучить меньше энергии. Это существенно уменьшает внутрисистемные помехи.

Эффективность борьбы с внутрисистемными помехами линейно растет с ростом количества антенных элементов адаптивной антенной решетки.

Естественным развитием эффективных методов передачи сигнала является объединение двух описанных ранее способов - способа разнесенной передачи и способа передачи сигнала с использованием адаптивной антенной решетки.

Известен способ по Siemens, Advanced closed loop Tx diversity concept (eigenbeamformer), 3GPP TSG RAN WG 1 document, TSGR1#14(00)0853, July 4-7, 2000, Oulu, Finland, объединяющий способ разнесенной передачи с выбором передающей антенны или способ ортогональной разнесенной передачи со способом передачи сигнала с использованием адаптивной антенной решетки.

Идея данного способа основана на том факте, что обычно канал распространения от базовой станции до мобильной станции включает несколько пространственно сосредоточенных областей отражателей, отражаясь от которых сигнал попадает на мобильную станцию (фиг.4).

В данном способе предлагается на базовой станции использовать адаптивную антенную решетку из М элементов.

С каждого элемента адаптивной антенной решетки передают пилот-сигнал. Все М передаваемых пилот-сигналов ортогональны или квазиортогональны друг другу.

Также с каждого элемента адаптивной антенной решетки передают копию информационного сигнала, умноженную на свой весовой коэффициент.

Фиг.5 иллюстрирует операции данного способа.

Данный способ заключается в следующем.

Формируют на базовой станции М копий информационного сигнала s(t) (фиг.5).

Умножают m-ую копию информационного сигнала, где m принимает значения от 1 до М, на соответствующий весовой коэффициент w_m и суммируют с соответствующим пилот-сигналом р_m(t).

Полученную сумму передают с соответствующего m-ого антенного элемента.

Принимают на мобильной станции М пилот-сигналов и информационный сигнал.

В общем случае, пилот-сигналы подвержены многолучевому распространению, т.е. на мобильной станции будет несколько разрешимых временных лучей. Обозначим их количество N.

По М пилот-сигналам для каждого временного луча оценивают М коэффициентов импульсной характеристики канала распространения h_1n, h_2n,..., h_Mn, где n=1,..., N - номер временного луча.

Коэффициент импульсной характеристики h_mn соответствует каналу распространения от m-ого антенного элемента адаптивной антенной решетки базовой станции до антенны мобильной станции и n-му временному лучу.

Для каждого временного луча формируют матрицу пространственной корреляции

где:

-

- - операция Эрмитова сопряжения вектора .

Формируют матрицу пространственной корреляции всех временных лучей следующим образом

Формирование матриц и осуществляют периодически. Обозначим матрицы и , сформированные на i-ом шаге, где i=1, 2,..., через и соответственно.

Формируют усредненную матрицу пространственной корреляции следующим образом

Здесь |ρ|≤1 - коэффициент усреднения.

Осуществляют разложение усредненной матрицы пространственной корреляции на собственные значения и собственные вектора

где:

- Матрица имеет размерность [М×М].

- Матрица - матрица размерности [М×М] собственных векторов матрицы , где - собственный вектор матрицы , соответствующий m-ому собственному значению матрицы .

- Матрица - матрица размерности [М×М] собственных значений матрицы , θ_m(i) - m-ое собственное значение матрицы . Собственные значения θ_m(i) расположены в матрице по главной диагонали, а остальные элементы матрицы равны нулю.

Собственные значения и собственные вектора усредненной матрицы пространственной корреляции обладают следующими свойствами.

Собственные вектора усредненной матрицы пространственной корреляции определяют эффективные направления передачи от базовой станции до мобильной станции. т.е. при передаче в этих направлениях излучаемая энергия будет достигать мобильной станции.

Собственные значения усредненной матрицы пространственной корреляции определяют среднее значение энергии, которое приходит на мобильную станцию при излучении в направлении соответствующего собственного вектора.

Матрицу собственных векторов передают с базовой станции на мобильную станцию. Это можно осуществлять как на каждом шаге, так и реже, так как эффективные направления передачи меняются медленно, по сравнению, например, с частотой фединга.

Далее в данном способе предлагается два варианта. Согласно первому варианту на каждом шаге на мобильной станции дополнительно оценивают М мощностей сигналов, которые бы принимались на мобильной станции при передаче в направлении соответствующих М собственных векторов , по формуле

Здесь индекс m указывает на одно из определенных ранее эффективных направлений передачи.

Выбирают номер m_max(i) эффективного направления передачи, соответствующего максимальной принимаемой мощности, и сообщают его на базовую станцию.

На базовой станции передачу осуществляют в направлении m_max(i)-ого эффективного направления передачи, т.е.

Согласно второму варианту выбирают два или более эффективных направлений передачи, соответствующих максимальным принимаемым мощностям.

Осуществляют передачу по этим направлениям, передавая каждый информационный символ по каждому из выбранных эффективных направлений передачи. При этом организуют передачу таким образом, что последовательности символов, передаваемые по разным выбранным эффективным направлениям передачи ортогональны друг другу, т.е. не создают друг другу помех.

Таким образом, согласно второму варианту объединяют способ передачи сигнала с использованием адаптивной антенной решетки и способ ортогональной разнесенной передачи.

Основным недостатком описанного способа передачи сигнала является то, что он не использует указанных выше преимуществ когерентной разнесенной передачи.

Другим недостатком данного способа является то, что он использует одну, а не несколько пространственно разнесенных адаптивных антенных решеток, что существенно уменьшает степень разнесения.

Известен способ по Fujitsu, Enhance the Beamfoming Feature of the Multiple Antenna Tx Diversity, 3GPP TSG RAN WG 1 document, TSGR1#15(00)-1065, August 22-25, 2000, Berlin, Germany, объединяющий способ когерентной разнесенной передачи со способом передачи сигнала с использованием адаптивной антенной решетки, который является наиболее близким к заявляемому техническому решению.

Рассмотрим систему сотовой связи, включающую, как минимум, одну базовую станцию и, как минимум, одну мобильную станцию.

Базовая станция передает на мобильную станцию информационный сигнал и пилот-сигналы, используемые на мобильной станции для оценки канала распространения от базовой станции до мобильной станции. Также, базовая станция может передавать другие сигналы, например информационные сигналы для других мобильных станций, или служебные сигналы.

Мобильная станция передает на базовую станцию сигнал обратной связи, используемый на базовой станции для передачи информационного сигнала для этой мобильной станции. Также, мобильная станция может передавать другие сигналы, например информационный сигнал от мобильной станции до базовой станции.

Базовая станция содержит М, где М≥1, адаптивных антенных решеток, каждая из которых содержит К, где К≥1 антенных элементов.

При этом, элементы одной адаптивной антенной решетки расположены близко друг от друга (меньше длины волны несущей частоты информационного сигнала), а адаптивные антенные решетки разнесены далеко друг от друга (больше 10 длин волны несущей частоты информационного сигнала).

Каждый антенный элемент образует канал передачи. Всего таких каналов передачи М·К.

Тогда каждая адаптивная антенная решетка содержит группу каналов передачи.

Базовая станция передает с каждого элемента каждой адаптивной антенной решетки пилот-сигнал. Все пилот-сигналы ортогональны или квазиортогональны друг другу.

Под ортогональностью или квазиортогональностью пилот-сигналов понимают ситуацию, когда максимальное значение функции корреляции между двумя пилот-сигналами много меньше максимального значения функции автокорреляции каждого пилот-сигнала.

Обозначим Р_m,k - пилот-сигнал, передаваемый с k-ого элемента m-ой адаптивной антенной решетки, где , .

На мобильной станции по принимаемым пилот-сигналам оценивают импульсную характеристику каналов распространения от каждого антенного элемента каждой адаптивной антенной решетки до антенны мобильной станции.

Обозначим Н_m,k - оценка импульсной характеристики канала распространения от k-ого элемента m-ой адаптивной антенной решетки до антенны мобильной станции.

Формируют М весовых коэффициентов WDA₁, WDA₂,...,WDA_M таким образом, чтобы максимизировать выражение

где х^* - операция комплексного сопряжения величины х. Максимизация указанного выше выражения обеспечивает при передаче копии информационного сигнала с m-ой адаптивной антенной решетки с весовым коэффициентом WDA_m когерентное сложение всех копий информационного сигнала на приемной антенне мобильной станции в случае плоского фединга в сигнале, передаваемом с каждой адаптивной антенной решетки.

Под плоским федингом понимают фединг, при котором на приемной антенне есть только один разрешимый временной луч принимаемого сигнала.

Для каждой адаптивной антенной решетки формируют К весовых коэффициентов WBA_m,1, WBA_m,2,..., WBA_m,K, таким образом, чтобы максимизировать выражение

Т.е. для каждой адаптивной антенной решетки формируют вектор весовых коэффициентов WBA_m,1, WBA_m,2,..., WBA_m,K, соответствующий эффективному направлению передачи, обеспечивающему максимальную принимаемую мощность на мобильной станции.

Следует отметить, что максимизация PD и РВ может быть осуществлена, например, как указано в статье Parag A. Dighe, Ranjan К. Mallik, and Sudhanshu S. Jamuar, «Analysis of Transmit - Receive Diversity in Rayleigh Fading», IEEE Trans. Commun., vol.51, pp.694-703, Apr. 2003.

Вектор [WDA₁,WDA₂,...,WDA_M]^T может быть найден как собственный вектор матрицы [H_m,1, H_m,2,...,H_m,K]^H[H_m,1, H_m,2,...,H_m,K], соответствующий максимальному собственному значению этой матрицы, где - операция Эрмитова сопряжения вектора .

Вектор [WBA_m,1, WBA_m,2,...,WBA_m,K]^T может быть найден как собственный вектор матрицы [H_m,1, H_m,2,...,H_m,K]^H[H_m,1, H_m,2,...,H_m,K], соответствующий максимальному собственному значению этой матрицы.

Так как важны относительные значения весовых коэффициентов, то объем информации, передаваемой в сигнале обратной связи можно сократить.

Из вектора весовых коэффициентов разнесения [WDA₁,WDA₂,...,WDA_M]^T размерности [1×М] формируют вектор весовых коэффициентов разнесения - размерности [1×(M-1)]. Фактически, это означает, что первый весовой коэффициент равен единице, и его не надо передавать.

Обозначим

Из каждого вектора весовых коэффициентов направлений передачи [WBA_m,1,WBA_m,2,...,WBA_m,K]^T размерности [1×K] формируют вектор весовых коэффициентов направлений передачи размерности [1×(K-1)]. Фактически, это означает, что весовые коэффициенты - равны единице, и их не надо передавать.

Будем, как и раньше, обозначать

Передают с мобильной станции на базовую станцию сформированный вектор весовых коэффициентов разнесения и М сформированных векторов весовых коэффициентов направления передачи.

Обычно частота изменения эффективных направлений передачи меньше, чем частота фединга, поэтому вектора весовых коэффициентов направления передачи надо передавать с мобильной станции на базовую станцию реже, чем вектор весовых коэффициентов разнесения.

На базовой станции формируют М·К копий информационного сигнала.

Обозначим их S_m,k.

Копию информационного сигнала S_m,k передают с k-ого антенного элемента m-ой адаптивной антенной решетки.

Перед передачей копию информационного сигнала S_m,k умножают на соответствующий весовой коэффициент разнесения WD_m и на соответствующий весовой коэффициент направления передачи WB_m,k.

Иллюстрация умножения копий информационного сигнала S_m,k на весовые коэффициенты и добавления пилот-сигналов приведена на фиг.6.

На фиг.6 для простоты не приведены аналоговые части, преобразующие цифровой сигнал в аналоговый сигнал.

Из информационного сигнала S (фиг.6) формируют М·К копий S_m,k.

Копия информационного сигнала поступает на умножитель, где умножается на весовой коэффициент разнесения WD_m, после чего поступает на другой умножитель, где умножается на весовой коэффициент направления передачи WB_m,k, после чего поступает на сумматор, где к ней добавляется пилот-сигнал Р_m,k, после чего передается с k-ого антенного элемента m-ой адаптивной антенной решетки.

Таким образом, согласно описанию упомянутого известного способа передачи сигнала, можно выделить следующие основные признаки его реализации:

Формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов передачи по К каналов передачи в каждой, где М≥1, К≥1;

Передают с базовой станции на мобильную станцию с каждого из М·К каналов передачи разнесенных групп пилот-сигнал;

Оценивают на мобильной станции с использованием переданных пилот-сигналов импульсные характеристики М·К каналов передачи разнесенных групп;

Формируют на мобильной станции М-1 весовых коэффициентов разнесения, используя оцененные импульсные характеристики каналов передачи;

Формируют на мобильной станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи К-1 весовых коэффициентов направления передачи, используя оцененные импульсные характеристики каналов передачи;

Передают с мобильной станции на базовую станцию сигнал обратной связи, содержащий М-1 весовых коэффициентов разнесения и M·(K-1) весовых коэффициентов направлений передачи;

Формируют на базовой станции М·К копий информационного сигнала;

Передают каждую копию информационного сигнала по своему каналу передачи своей разнесенной группы каналов передачи;

Перед передачей умножают каждую копию информационного сигнала на соответствующий весовой коэффициент разнесения и на соответствующий весовой коэффициент направления передачи.

При этом формируют М-1 весовых коэффициентов разнесения WD₂,WD₃,...,WD_M в два этапа.

На первом этапе формируют М весовых коэффициентов WDA₁,WDA₂,...,WDA_M таким образом, чтобы максимизировать выражение

где:

- Н_m,1 - оценка импульсной характеристики первого канала передачи m-ой разнесенной группы каналов передачи, где ,

- х^* - операция комплексного сопряжения величины х. На втором этапе формируют М-1 весовых коэффициентов разнесения WD₂, WD₃,..., WD_M по формуле

где ;

При этом формируют К-1 весовых коэффициентов направления передачи WB_m,2,WB_m,3,...,WB_m,K для m-ой разнесенной группы каналов передачи, где , в два этапа.

На первом этапе формируют К весовых коэффициентов WBA_m,1, WBA_m,2,...,WBA_m,K для m-ой разнесенной группы каналов передачи, таким образом, чтобы максимизировать выражение

где:

- Н_m,k - оценка импульсной характеристики k-ого канала передачи

m-ой разнесенной группы каналов передачи, где , ,

- х^* - операция комплексного сопряжения величины х.

На втором этапе формируют К-1 весовых коэффициентов направления передачи WB_m,2, WB_m,3,..., WB_m,K по формуле

где , .

Устройство, реализующее способ-прототип, изображено на фиг.7.

Устройство передачи сигнала в соответствии с фиг.7 содержит умножители 1-1 - 1-М, блоки направленной передачи 2-1 - 2-М, блоки суммирования 3-1-1 - 3-М-К, аналоговые передатчики 4-1-1 - 4-М-К, антенные элементы 5-1-1 - 5-М-К; при этом первые входы умножителей 1-1 - 1-М являются входами информационного сигнала, вторые их являются входами соответствующих весовых коэффициентов разнесения, выходы умножителей 1-1 - 1-М соединены с первыми входами блоков направленной передачи 2-1 - 2-М, К вторых входов блоков направленной передачи 2-1 - 2-М являются входами соответствующих им весовых коэффициентов направления передачи, К выходов каждого блока направленной передачи 2-1 - 2-М соединены со вторыми входами соответствующих им блоков суммирования 3-1-1,..., 3-1-К - 3-М-1,..., 3-М -К, первые входы которых являются входами соответствующих пилот-сигналов, выходы блоков суммирования 3-1-1 -3-М-К соединены со входами соответствующих им аналоговых передатчиков 4-1-1 - 4-М-К, выходы которых соединены со входами соответствующих им антенных элементов 5-1-1 - 5-М-К, выходы которых являются выходами устройства передачи сигнала.

Блок направленной передачи 2-m, где m принимает значения от 1 до М, изображен на фиг.8.

Блок направленной передачи 2-m в соответствии с фиг.8 содержит умножители 6-m-1 - 6-m-К; при этом первые входы умножителей 6-m-1 - 6-m-К являются входами информационного сигнала, вторые их входы являются входами соответствующих весовых коэффициентов направления передачи, а их выходы - выходами блока направленной передачи 2-m.

Способ и устройство - прототип реализуют следующим образом (фиг.7 и 8).

Формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов передачи по К каналов передачи в каждой, где М≥1, К≥1.

Каждый из М·К каналов передачи образован соответствующим аналоговым передатчиком 4-m-k и соответствующим антенным элементом 5-m-k, где m принимает значения от 1 до М, a k принимает значения от 1 до К.

Каждая из М разнесенных групп каналов передачи образована соответствующим блоком направленной передачи 2-m, соответствующими аналоговыми передатчиками 4-m-1 - 4-m-К и соответствующими антенными элементами 5-m-1 - 5-m-К.

Передают с базовой станции на мобильную станцию с каждого из М·К каналов передачи разнесенных групп пилот-сигнал.

Каждый из М·К пилот-сигналов поступает на первый вход соответствующего блока суммирования 3-m-k, с выхода которого поступает на вход соответствующего аналогового передатчика 4-m-k, с выхода которого поступает на вход соответствующего антенного элемента 5-m-k, выход которого является выходом устройства передачи сигнала.

Оценивают на мобильной станции с использованием переданных пилот-сигналов импульсные характеристики М·К каналов передачи разнесенных групп.

Формируют на мобильной станции М-1 весовых коэффициентов разнесения, используя оцененные импульсные характеристики каналов передачи.

Формируют на мобильной станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи К-1 весовых коэффициентов, направления передачи, используя оцененные импульсные характеристики каналов передачи.

Передают с мобильной станции на базовую станцию сигнал обратной вязи, содержащий М-1 весовых коэффициентов разнесения и М·(К-1) весовых коэффициентов направлений передачи.

Формируют на базовой станции М·К копий информационного сигнала.

Сначала формируют М копий информационного сигнала, которые поступают на первые входы умножителей 1-1 - 1-М, с выходов которых поступают на первые входы блоков направленной передачи 2-1 - 2-М.

В каждом из М блоков направленной передачи 2-m из поступившей на его первый вход копии информационного сигнала формируют К копий информационного сигнала. Таким образом, всего получается М·К копий информационного сигнала.

Передают каждую копию информационного сигнала по своему каналу передачи своей разнесенной группы каналов передачи. Перед передачей умножают каждую копию информационного сигнала на соответствующий весовой коэффициент разнесения и на соответствующий весовой коэффициент направления передачи.

М копий информационного сигнала поступают на первые входы умножителей 1-1 - 1-М, на вторые входы которых поступают соответствующие весовые коэффициенты разнесения.

Умножают в умножителях 1-1 - 1-М копии информационного сигнала на соответствующие весовые коэффициенты разнесения и передают их с выходов умножителей 1-1 - 1-М на первые входы соответствующих блоков направленной передачи 2-1 - 2-М.

На К вторых входов блоков направленной передачи 2-1 - 2-М поступают соответствующие весовые коэффициенты направления передачи.

В каждом из М блоков направленной передачи 2-m из поступившей на его первый вход копии информационного сигнала формируют К копий информационного сигнала, которые поступают на первые входы соответствующих умножителей 6-m-1 - 6-m-K.

На вторые входы соответствующих умножителей 6-m-1 - 6-m-K поступают соответствующие весовые коэффициенты направления передачи.

Умножают в умножителях 6-m-1 - 6-m-К копии информационного сигнала на соответствующие весовые коэффициенты направления передачи и передают их с К выходов блоков направленной передачи 2-1 - 2-М на вторые входы соответствующих блоков суммирования 3-1-1,..., 3-1-К - 3-М-1,..., 3-М-К.

В блоках суммирования 3-1-1 - 3-М-К суммируют соответствующую копию информационного сигнала с соответствующим пилот-сигналом.

С выходов блоков суммирования 3-1-1 - 3-М-К суммы копии информационного сигнала и пилот-сигнала поступает на входы соответствующих аналоговых передатчиков 4-1-1 - 4-М-К, с выходов которых они поступают на входы соответствующих антенных элементов 5-1-1-5 - 5-М-К, выходы которых являются выходом устройства передачи сигнала.

Известный способ передачи сигнала и устройство для его реализации обладают следующими существенными недостатками.

Во-первых, при наличии частотно-селективных замираний в копиях информационного сигнала, передаваемых с каждой адаптивной антенной решетки, способ и устройство - прототип не обеспечивают когерентное сложение этих копий информационного сигнала на мобильной станции. Соответственно, они не использует указанных выше преимуществ когерентной разнесенной передачи.

Во-вторых, известные способ и устройство предусматривают передачу с каждой адаптивной антенной решетки только одной копии информационного сигнала в одном направлении передачи. Вместе с тем известно, что эффективность усреднения фединга при разнесенной передаче растет с увеличением каналов разнесения. т.е., способ и устройство - прототип не используют все доступные направления передачи, снижая тем самым эффективность усреднения фединга.

В-третьих, известные способ и устройство предусматривают использование оценок импульсных характеристик каналов передачи от каждого антенного элемента до антенны мобильной станции, полученных по пилот-сигналам, передаваемым с каждого антенного элемента, как для формирования весовых коэффициентов направления передачи, так и для формирования весовых коэффициентов разнесения. Вместе с тем, частота обновления весовых коэффициентов направления передачи существенно ниже, чем частота обновления весовых коэффициентов разнесения. Поэтому, надежность весовых коэффициентов направления передачи существенно выше, чем надежность весовых коэффициентов разнесения. Может оказаться, что надежность весовых коэффициентов разнесения будет: недостаточной, что существенно снизит эффективность способа передачи сигнала и устройства для его реализации.

В-четвертых, известные способ и устройство требуют формирования на мобильной станции для каждой из М адаптивных антенных решеток К-1 весовых коэффициентов направления передачи и последующей передачи сформированных весовых коэффициентов направления передачи на базовую станцию по каналу обратной связи; Обычно осуществляется двухсторонняя передача информационных сигналов между базовой станцией и мобильной станцией. Тогда эффективные направления передачи сигнала прямого канала (от базовой станции к мобильной станции) можно оценить по сигналу обратного канала (от мобильной станции к базовой станции) и сформировать весовые коэффициенты направления передачи на базовой станции, что позволит существенно снизить требуемую емкость канала обратной связи.

Задача, на решение которой направлены заявляемые способ передачи сигнала и устройство для его реализации, - это повышение эффективности передачи информационного сигнала в прямом канале связи и, соответственно, максимизация качества приема информационного сигнала на мобильной станции, а также снижение нагрузки на канал обратной связи.

Поставленная задача решается тем, что в способ передачи сигнала, заключающийся в том, что формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов передачи по К каналов передачи в каждой, где М≥1, К≥1; согласно изобретению вводят следующую последовательность действий: формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов приема по К каналов приема в каждой, соответствующих М сформированным разнесенным группам каналов передачи; передают с мобильной станции на базовую станцию сигнал и принимают его на базовой станции по каждому из К каналов приема каждой из М разнесенных групп; формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m наборов весовых коэффициентов направления передачи по К коэффициентов в каждом, где L_m≥0, а m=1, 2,..., М, используя принимаемый с мобильной станции сигнал, таким образом, чтобы максимизировать качество приема передаваемого с базовой станции сигнала на мобильной станции; формируют на каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m, каналов направленной передачи с использованием сформированных наборов весовых коэффициентов направления передачи; передают на мобильную станцию с каждой из М разнесенных групп каналов передачи по каждому из L_m, каналов направленной передачи пилот-сигнал для разнесенной передачи; оценивают на мобильной станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи передаточные функции L_m каналов направленной передачи с использованием переданных пилот-сигналов для разнесенной передачи; передают на базовую станцию сигнал обратной связи, содержащий для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m оцененных передаточных функций каналов направленной передачи; формируют на базовой станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи для каждого из L_m каналов направленной передачи каналы коррекции спектра сигнала и корректируют их передаточные функции в соответствии с переданными оцененными передаточными функциями каналов направленной передачи таким образом, чтобы максимизировать качество приема информационного сигнала на мобильной станции; формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи для каждого из L_m каналов направленной передачи копию информационного сигнала и одновременно передают все сформированные копии информационного сигнала по соответствующим каналам направленной передачи, предварительно пропустив их через соответствующие каналы коррекции спектра сигнала.

При этом сигнал, передаваемый с мобильной станции на базовую станцию, представляет собой пилот-сигнал, или информационный сигнал, или сигнал обратной связи, или служебный сигнал, или любую комбинацию перечисленных выше сигналов.

При этом для формирования наборов весовых коэффициентов направления передачи оценивают для каждой из М разнесенных групп каналов приема направления прихода на нее принимаемого сигнала и соответствующие этим направлениям средние принимаемые мощности сигнала; выбирают для каждой из М разнесенных групп каналов приема из всех оцененных для этой группы направлений L_m направлений, соответствующих L_m максимальным средним принимаемым мощностям сигнала; формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m наборов весовых коэффициентов направления передачи по К коэффициентов в каждом в направлении L_m выбранных для соответствующей группы каналов приема направлений прихода пилот-сигнала, таким образом, чтобы максимизировать качество приема передаваемого с базовой станции сигнала на мобильной станции.

При формировании каналов направленной передачи в каждом из каналов формируют К копий входного сигнала данного канала направленной передачи и передают их по соответствующему каналу передачи данной разнесенной группы каналов передачи, предварительно умножив каждую копию входного сигнала на соответствующий весовой коэффициент направления передачи соответствующего набора весовых коэффициентов направления передачи.

Все передаваемые пилот-сигналы для направленной передачи и информационный сигнал ортогональны или квазиортогональны между собой.

При оценке на мобильной станции передаточных функций каналов направленной передачи оценивают импульсную характеристику каждого из каналов направленной передачи и формируют оценку его передаточной функции как преобразование Фурье от оцененной импульсной характеристики этого канала направленной передачи.

При формировании на базовой станции каналов коррекции спектра сигнала передаточную функцию каждого канала коррекции спектра сигнала формируют как функцию, комплексно сопряженную соответствующей оцененной передаточной функции канала направленной передачи.

Поставленная задача решается также за счет того, что в устройство передачи сигнала, содержащее М блоков направленной передачи, М·К блоков суммирования. М·К аналоговых передатчиков. М·К антенных элементов, при этом выходы каждого из М блоков направленной передачи соединены со входами соответствующих блоков суммирования, выход каждого из М·К блоков суммирования соединен со входом соответствующего аналогового передатчика, выход каждого из М·К аналоговых передатчиков соединен с первым входом соответствующего антенного элемента, первый выход каждого из М·К антенных элементов является выходом устройства передачи сигнала, согласно изобретению дополнительно введены блоков направленной передачи, введены блоков коррекции спектра сигнала, сумматоров. М·К аналоговых приемников, М блоков формирования весовых коэффициентов направления передачи, при этом первый вход каждого из блоков коррекции спектра сигнала является входом информационного сигнала, второй вход каждого из блоков коррекции спектра сигнала является входом соответствующей передаточной функции канала направленной передачи, выход каждого из блоков коррекции спектра сигнала соединен с первым входом соответствующего сумматора, второй вход каждого из сумматоров является входом соответствующего пилот-сигнала для разнесенной передачи, выход каждого из сумматоров соединен с первым входом соответствующего блока направленной передачи, К вторых входов каждого из блоков направленной передачи соединены с соответствующими К выходами соответствующего блока формирования весовых коэффициентов, выходы каждого из дополнительно введенных блоков направленной передачи соединены с дополнительными входами соответствующих блоков суммирования, второй вход каждого из М·К антенных элементов является входом принимаемого сигнала, второй выход каждого из М·К антенных элементов соединен со входом соответствующего аналогового приемника, выход каждого из М·К аналоговых приемников соединен с соответствующим входом соответствующего блока формирования весовых коэффициентов направления передачи.

При этом блок направленной передачи содержит К умножителей, при этом объединенные первые входы К умножителей являются первым входом блока направленной передачи, их вторые входы являются К вторыми входами блока направленной передачи, а их выходы являются выходами блока направленной передачи.

Заявляемые способ передачи сигнала и устройство для его реализации имеют существенные отличия от известных технических решений. Эти отличия в совокупности позволяют повысить эффективность передачи информационного сигнала в прямом канале связи и, соответственно, максимизировать качество приема информационного сигнала на мобильной станции, а также снизить нагрузку на канал обратной связи. Отличия заключаются в следующем.

Во-первых, вместо операции умножения копий информационного сигнала на весовые коэффициенты разнесения (как в прототипе) введена операция корректировки спектра копий информационного сигнала и соответственно используют блоки коррекции спектра сигнала для осуществления этой операции. Это обеспечивает когерентное сложение копий информационного сигнала на приемной стороне в случае частотно-селективных замираний сигнала.

Во-вторых, вместо передачи в одном направлении с каждой разнесенной группы каналов передачи (как в прототипе) предусмотрена передача по нескольким направлениям передачи с каждой разнесенной группы каналов передачи. Соответствующие им наборы весовых коэффициентов направления передачи формируют на базовой станции. В заявляемое устройство передачи сигнала добавлено соответствующее количество блоков направленной передачи. Это значительно увеличивает количество каналов передачи и, соответственно, повышает эффективность усреднения фединга.

В-третьих, заявляемый способ и устройство для его реализации предусматривают оценку передаточных функций каналов направленной передачи по пилот-сигналам для разнесенной передачи, передаваемым по каждому из направлений передачи. Это повышает качество оценок передаточных функций каналов направленной передачи и, соответственно, повышает эффективность когерентного сложения копий информационного сигнала на приемной стороне, что увеличивает качество приема на мобильной станции.

В-четвертых, заявляемый способ и устройство для его реализации предусматривают формирование весовых коэффициентов направления передачи на базовой станции по принимаемому с мобильной станции пилот-сигналу. В устройство передачи сигнала введены М·К аналоговых приемников и М блоков формирования весовых коэффициентов направления передачи. Соответственно, нет необходимости передавать с мобильной станции на базовую станцию наборы весовых коэффициентов направления передачи, что существенно снижает нагрузку на канал обратной связи (от мобильной станции к базовой станции).

Описание изобретения поясняется примерами выполнения и чертежами.

На фиг.1 показаны кривые зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШП в канале с Релеевским федингом и аддитивной Гауссовой помехой (сумма шума и внутриситсемных помех) от ОСШП.

На фиг.2 показана линейная эквидистантная антенная решетка.

Фиг.3 иллюстрирует диаграммы направленности адаптивной антенной решетки.

Фиг.4 иллюстрирует канал распространения от базовой станции до мобильной станции.

На фиг.5 показан пример реализации способа по Siemens, Advanced closed loop Tx diversity concept (eigenbeamformer), 3GPP TSG RAN WG 1 document, TSGR1#14(00)0853, July 4-7, 2000, Oulu, Finland.

Фиг.6 иллюстрирует реализацию способа-прототипа.

На фиг.7 выполнена структурная схема устройства, реализующего способ-прототип.

На фиг.8 показан пример реализации блока направленной передачи. На фиг.9 выполнена структурная схема заявляемого устройства.

Заявляемое устройство передачи сигнала (фиг.9) содержит блоков коррекции спектра сигнала 7-1-1 - 1-M-L_M, сумматоров 8-1-1 - 8-М-L_m, блоков направленной передачи 2-1-1 - 2-М-L_m, М·К блоков суммирования 3-1-1 - 3-М-К, М·К аналоговых передатчиков 4-1-1 - 4-М-К, М·К антенных элементов 5-1-1 - 5-М-К, М·К аналоговых приемников 9-1-1 - 9-М-К, М блоков формирования весовых коэффициентов направления передачи 10-1 - 10-М, при этом объединенные первые входы блоков коррекции спектра сигнала 7-1-1 - 1-M-L_M являются входами информационного сигнала, их вторые входы являются входами соответствующих передаточных функций канала направленной передачи, выходы блоков коррекции спектра сигнала 7-1-1 - 1-M-L_M соединены с первыми входами соответствующих сумматоров 8-1-1 - 8-M-L_M, вторые входы которых являются входами соответствующих пилот-сигналов для разнесенной передачи, выходы сумматоров 8-1-1 - 8-M-L_M соединены с первыми входами соответствующих блоков направленной передачи 2-1-1 -2-M-L_m, вторые входы которых соединены с соответствующими им выходами соответсвующих блоков формирования весовых коэффициентов направления передачи 10-1 - 10-М, каждый из К выходов каждого блока направленной передачи 2-1-1 - 2-M-L_m соединен с соответствующим ему входом соответствующего блока суммирования 3-1-1 - 3-М-К, выходы блоков суммирования 3-1-1 - 3-М-К соединены со входами соответствующих им аналоговых передатчиков 4-1-1 - 4-М-К, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих антенных элементов 5-1-1 - 5-М-К, первые выходы которых являются выходами устройства передачи сигнала, вторые входы антенных элементов 5-1-1 - 5-М-К являются входами принимаемого сигнала, вторые выходы антенных элементов 5-1-1 - 5-М-К соединены со входами соответствующих им аналоговых приемников 9-1-1 - 9-М-К, выходы которых соединены с соответствующими им входами соответствующих блоков формирования весовых коэффициентов направления передачи 10-1 - 10-М.

При этом блок направленной передачи 2-m-j, где m=1, 2,..., M, a j=1, 2,..., L_m, (фиг.8) содержит К умножителей 6-m-1 - 6-m-К, при этом объединенные первые входы К умножителей 6-m-1 - 6-m-К, являются первым входом блока направленной передачи 2-m-j, их вторые входы являются К вторыми входами блока направленной передачи 2-m-j, а их выходы являются выходами блока направленной передачи 2-m-j.

Рассмотрим работу заявляемого способа передачи сигнала на устройстве для его реализации (фиг.9).

Формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов передачи по К каналов передачи в каждой, где М≥1, К≥1.

Каждый из М·К каналов передачи образован соответствующим аналоговым передатчиком 4-m-k и соответствующим антенным элементом 5-m-k, где m принимает значения от 1 до М, a k принимает значения от 1 до К.

Каждая из М разнесенных групп каналов передачи образована соответствующим блоком направленной передачи, одним из блоков 2-m-7, где j принимает значения от 1 до L_m, соответствующими аналоговыми передатчиками 4-m-1 - 4-m-К и соответствующими антенными элементами 5-m-1 - 5-m-К.

Каждая разнесенная группа каналов передачи представляет собой адаптивную антенную решетку. Всего для передачи используется М разнесенных адаптивных антенных решеток.

Формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов приема по К каналов приема в каждой, соответствующих М сформированным разнесенным группам каналов передачи.

Каждый из М·К каналов приема образован (фиг.9) соответствующим аналоговым пприемником 9-m-k и соответствующим антенным элементом 5-m-k, где m принимает значения от 1 до М, а k принимает значения от 1 до К.

Каждая из М разнесенных групп каналов приема образована соответствующим блоком формирования весовых коэффициентов направления передачи 10-m, соответствующими аналоговыми приемниками 9-m-1 - 9-m-К и соответствующими антенными элементами 5-m-1 - 5-m-К.

Каждая разнесенная группа каналов приема представляет собой адаптивную антенную решетку. Всего для приема используется М разнесенных адаптивных антенных решеток.

Передают с мобильной станции на базовую станцию сигнал и принимают его на базовой станции по каждому из К каналов приема каждой из М разнесенных групп.

Передаваемый с мобильной станции на базовую станцию сигнал представляет собой пилот-сигнал, или информационный сигнал, или сигнал обратной связи, или служебный сигнал, или любую комбинацию перечисленных выше сигналов.

Обозначим u_m,k,n - n-ый отсчет, где n=1, 2,..., N, сигнала мобильной станции, принимаемого по k-ому каналу приема m-ой разнесенной группы.

Обозначим - n-ый отсчет вектора сигналов, принимаемых по К каналам приема m-ой разнесенной группы, где - операция транспонирования вектора.

Формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m наборов весовых коэффициентов направления передачи по К коэффициентов в каждом, где L_m≥0, а m=1, 2,..., М, используя принимаемый пилот-сигнал.

Для этого осуществляют, например, следующую последовательность действий в блоках формирования весовых коэффициентов направления передачи 10-1 - 10-М.

По N отсчетам вектора сигналов принимаемых по К каналам приема m-ой разнесенной группы оценивают их корреляционную матрицу размерности [K×K] по формуле

где - операция гильбертова сопряжения вектора . Осуществляют разложение корреляционной матрицы по собственным значениям и собственным векторам

где:

- - диагональная матрица размерности [K×K] собственных значений корреляционной матрицы ,

- λ_m,1≥λ_m,2≥...≥λ_m,K - собственные значения упорядочены в порядке убывания,

- - матрица размерности [K×K] собственных векторов корреляционной матрицы .

Оценивают количество D_m направлений прихода принимаемого сигнала на m-ую разнесенную группу каналов приема по количеству С_m минимальных собственных значений корреляционной матрицы

D_m=K-C_m.

Формируют решающую функцию Р_m{θ, ϕ), аргументами которой являются углы прихода принимаемого сигнала θ и ϕ, по формуле

где:

- - вектор весовых коэффициентов размерности [1×K], соответствующий направлению приема {θ, ϕ},

- - матрица размерности [С_m×K] минимальных собственных векторов корреляционной матрицы , соответствующих С минимальным собственным значениям корреляционной матрицы

Выражение для вектора весовых коэффициентов зависит от конфигурации адаптивной антенной решетки. Например, для линейной эквидистантной антенной решетки, расположенной вдоль оси х с первым элементом в начале координат, вектор весовых коэффициентов определяется выражениями

Находят D_m максимумов решающей функции Ω_m(θ, ϕ), которые соответствуют D_m направлениям прихода принимаемого сигнала на m-ую разнесенную группу каналов приема.

Находят соответствующие этим направлениям средние принимаемые мощности сигнала по формуле

где d=1, 2,..., D_m.

Приведенная последователность действий для оценки для каждой из М разнесенных групп каналов приема направлений прихода на нее принимаемого сигнала и соответствующих этим направлениям средних принимаемых мощностей сигнала представлена как пример, описанный в (J.С.Liberti and Т.S.Rappaport, Smart antennas for wireless communications: IS-95 and third generation CDMA applications. Prentice Hall, New Jersey, 1999).

Заявляемые способ передачи сигнала и устройство для его реализации не исключают использования любых других способов оценки для каждой из М разнесенных групп каналов приема направлений прихода на нее принимаемого сигнала и соответствующих этим направлениям средних принимаемых мощностей сигнала.

Выбирают для каждой из М разнесенных групп каналов приема из всех оцененных для этой группы направлений L_m направлений, соответствующих L_m максимальным средним принимаемым мощностям сигнала. Выбор осуществляют следующим образом.

Находят максимальное значение средней принимаемой мощности сигнала по формуле

Выбирают среди всех значений средних принимаемых мощностей сигнала такие значения Р_m,j для которых выполняется условие

P_m,j≥β·P_m,max,

где 0≤β≤1, j=1, 2,..., L_m, a L_m равно количеству значений средних принимаемых мощностей сигнала Р_m,j, для которых выполняется данное условие.

Выбирают L_m направлений , соответствующих L_m выбранным максимальным средним принимаемым мощностям сигнала Р_m,j.

Формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m наборов весовых коэффициентов направления передачи по К коэффициентов в каждом в направлении L_m выбранных для соответствующей группы каналов приема направлений прихода сигнала в соответствии с выражением

где W_m,j,k - k-ый весовой коэффициент направления передачи j-го набора m-ой разнесенной группы каналов передачи.

Т.е. в каждом из выбранных эффективных направлений передачи излучают долю энергии передаваемого сигнала пропорциональную средней мощности сигнала, принимаемого с этого направления, тем самым максимизируя качество приема передаваемого с базовой станции сигнала на мобильной станции.

Формируют на базовой станции на каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m каналов направленной передачи с использованием переданных наборов весовых коэффициентов направления передачи.

На каждой из М адаптивных антенных решеток каждый из L_m каналов направленной передачи образован соответствующим блоком направленной передачи 2-m-j, где j принимает значения от 1 до L_m, соответствующими аналоговыми передатчиками 4-m-1 - 4-m-К и соответствующими антенными элементами 5-m-1 - 5-m-K.

На первый вход блока направленной передачи 2-m-j поступает передаваемый сигнал, а на его вторые входы поступает набор весовых коэффициентов направления передачи (W_m,j,1, W_m,j,2,..., W_m,j,K).

В каждом из каналов направленной передачи формируют К копий входного сигнала данного канала направленной передачи и передают их по соответствующему каналу передачи данной разнесенной группы каналов передачи, предварительно умножив каждую, начиная со второй, копию входного сигнала на соответствующий весовой коэффициент направления передачи соответствующего набора весовых коэффициентов направления передачи.

К копий входного сигнала канала направленной передачи 2-m-j поступают на первые входы умножителей 6-m-1 - 6-m-К, на вторые входы которых поступают весовые коэффициенты направления передачи (W_m,j,1≡1, W_m,j,2,..., W_m,j,K). В каждом из умножителей 6-m-1 - 6-m-К осуществляют умножение соответствующей k-й копии сигнала, где k принимает значения от 1 до К, на соответствующий весовой коэффициент направления передачи W_m,j,k.

Передают с базовой станции на мобильную станцию с каждой из М разнесенных групп каналов передачи по каждому из L_m каналов направленной передачи пилот-сигнал для разнесенной передачи.

Пилот-сигналы для разнесенной передачи поступают на соответствующие вторые входы сумматоров 8-1-1 - 8-M-L_M, с выходов которых поступают на первые входы блоков направленной передачи 2-1-1 - 2-M-L_M, с К выходов каждого из которых поступают на соответствующие вторые входы блоков суммирования 3-1-1 - 3-М-К, с выходов которых поступают на входы аналоговых передатчиков 4-1-1 - 4-М-К, с выходов которых поступают на входы антенных элементов 5-1-1 - 5-М-К, с выходов которых по радиоканалу поступают на мобильную станцию.

Блоки направленной передачи 2-1-1 - 2-M-L_M обеспечивают передачу пилот-сигналов для разнесенной передачи по выбранным эффективным направлениям передачи.

Оценивают на мобильной станции с использованием переданных пилот-сигналов для разнесенной передачи для каждой из М разнесенных групп каналов передачи передаточные функции L_m каналов направленной передачи.

Под передаточной функцией (или частотным коэффициентом передачи) линейной системы в литературе, например, Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Советское радио, 1977, с.176-177 или С.И.Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы, М., Высшая школа, 1988, с.211-212, понимается комплексная функция, равная частному спектральных плотностей выходного и входного сигналов линейной системы.

При этом оценивают импульсную характеристику каждого из L_m каналов направленной передачи и формируют оценку его передаточной функции как преобразование Фурье от оцененной импульсной характеристики этого канала направленной передачи.

Указанная оценка импульсной характеристики каждого из L_m каналов направленной передачи может быть осуществлена с использованием известных методов, например, как описано в статье A. Hewitt, W. Lau, J.Austin, and E.Wilar, "An autoregressive approach to the identification of multipath ray parameters from field measurements," IEEE Trans. on Comm., vol.37, pp.1136-1143, Nov.1989 или в статье J. Ehrenberg, Т.Ewart, and R.Morris, "Signal processing techniques for resolving individual pulses in a multipath signal," J.Acoust. Soc. Amer., vol.63, pp.1861-1865, Jun. 1978, или в статье Zoran kostic, M.Ibrahim Sezan, and Edward L.Titlebaum, "Estimation of the parameters of a multipath channel using set-theoritic deconvolution," IEEE Trans. on Comm., vol.40, No.6, June 1992.

Передают с мобильной станции на базовую станцию сигнал обратной связи, содержащий для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m оцененных передаточных функций каналов направленной передачи.

Заявляемое изобретение не исключает возможности оценки передаточных функций каналов распространения, соответствующих эффективным направлениям передачи с каждой из адаптивных антенных решеток, любым другим известным способом. Важным является именно операция оценки этих передаточных функций.

Формируют на базовой станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи для каждого из L_m каналов направленной передачи каналы коррекции спектра сигнала и корректируют их передаточные функции в соответствии с переданными оцененными передаточными функциями каналов направленной передачи таким образом, чтобы максимизировать качества приема информационного сигнала на мобильной станции.

При этом передаточную функцию каждого канала коррекции спектра сигнала формируют как функцию, комплексно сопряженную соответствующей оцененной передаточной функции канала направленной передачи.

В описании к патенту РФ №2192094 «Способ когерентной разнесенной передачи сигнала», опубликованном 27.10.2002 г. в бюл. №30, МПК⁷ Н 04 В 7/005 сказано, что тем самым достигается когерентное сложение всех спектральных составляющих копий информационного сигнала, передаваемых с каждой адаптивной антенной решетки в каждом из эффективных направлений передачи, соответственно максимизируется качество приема информационного сигнала на мобильной станции.

Каждый из блоков коррекции спектра сигнала 7-1-1 - 7-M-L_M может быть реализован в виде фильтра, передаточная функция которого равна функции, комплексно сопряженной передаточной функции канала распространения, соответствующего этому каналу направленной передачи.

Формируют на базовой станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи для каждого из L_m каналов направленной передачи копию информационного сигнала и одновременно передают все сформированные копии информационного сигнала по соответствующим каналам направленной передачи, предварительно пропустив их через соответствующие каналы коррекции спектра сигнала.

Т.е. передают копии информационного сигнала на мобильную станцию с каждой адаптивной антенной решетки по каждому из эффективных направлений передачи, предварительно скорректировав спектр каждой копии информационного сигнала, таким образом, чтобы обеспечить когерентное сложение всех их спектральных составляющих, что максимизирует качество приема информационного сигнала на мобильной станции.

Сначала формируют копий информационного сигнала, которые поступают на первые входы блоков коррекции спектра сигнала 7-1-1 - 7-M-L_M.

С выходов соответствующих блоков коррекции спектра сигнала 7-1-1 - 7-М-L_M копии информационного сигнала (с уже скорректированным спектром) поступают на первые входы сумматоров 8-1-1 - 8-M-L_M, где осуществляется их суммирование с соответствующими пилот-сигналами для разнесенной передачи, и поступают далее на соответствующие блоки направленной передачи 2-1-1 -2-M-L_M.

В каждом из блоков направленной передачи 2-1-1 - 2-M-L_M формируют из поступившей на него копии информационного сигнала (с уже скорректированным спектром) еще К копий, которые поступают на первые входы умножителей 6-m-1 - 6-m-К.

Затем копий информационного сигнала, со скорректированным спектром и умноженные на соответствующие весовые коэффициенты направления передачи, поступают с выходов блоков направленной передачи 2-1-1 - 2-М-L_M на входы блоков суммирования 3-1-1 - 3-М-К, с их выходов на входы аналоговых передатчиков 4-1-1 - 4-М-К, с их выходов на входы антенных элементов 5-1-1 - 5-М-К, а с их выходов по радиоканалу - на мобильную станцию.

Блоки суммирования 3-1-1 - 3-М-К обеспечивают одновременную передачу копий информационного сигнала через М·К каналов передачи.

При этом все передаваемые пилот-сигналы для направленной передачи и информационный сигнал ортогональны или квазиортогональны между собой.

Заявляемые способ передачи сигнала и устройство для его реализации обладают следующими существенными преимуществами по сравнению с известными в данной области техники изобретениями.

Во-первых, они обеспечивают когерентное сложение копий информационного сигнала на приемной стороне в случае частотно-селективных замираний сигнала.

Во-вторых, они позволяют значительно увеличить количество каналов передачи и, соответственно, повысить эффективность усреднения фединга.

В-третьих, они позволяют повысить качество оценок передаточных функций каналов направленной передачи и, соответственно, повысить эффективность когерентного сложения копий информационного сигнала на приемной стороне, что увеличивает качество приема на мобильной станции.

В-четвертых, они позволяют существенно снизить нагрузку на канал обратной связи (от мобильной станции к базовой станции).

Описанные преимущества в совокупности позволяют существенно повысить эффективность передачи информационного сигнала в прямом канале связи и, соответственно, максимизировать качество приема информационного сигнала на мобильной станции, а также существенно снизить нагрузку на канал обратной связи.

Эти преимущества достигаются за счет корректировки спектра копий передаваемого информационного сигнала, передачи копий информационного сигнала с каждой адаптивной антенной решетки в каждом эффективном направлении передачи, оценки передаточных функций каналов направленной передачи по пилот-сигналам для разнесенной передачи, передаваемым с каждой адаптивной антенной решетки по каждому из эффективных направлений передачи, а также за счет оценки эффективных направлений передачи на базовой станции по сигналу мобильной станции.

Изобретение относится к области радиотехники, и может быть использоваться в системах сотовой радиосвязи при передаче информационного сигнала в прямом канале связи от базовой станции до мобильной станции. Технический результат состоит в повышении эффективности передачи информационного сигнала в прямом канале связи и, соответственно, максимизация качества приема информационного сигнала на мобильной станции, а также уменьшение нагрузки на канал обратной связи (от мобильной станции к базовой станции). Для этого корректируют спектр копий передаваемого информационного сигнала, передают копии информационного сигнала с каждой адаптивной антенной решетки в каждом эффективном направлении передачи, оценивают передаточные функции каналов направленной передачи по пилот-сигналам для разнесенной передачи, и эффективные направления передачи в прямом канале по принимаемому сигналу обратного канала. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ передачи сигнала, заключающийся в том, что формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов передачи по К каналов передачи в каждой, где М≥1, К≥1, отличающийся тем, что формируют на базовой станции М разнесенных групп каналов приема по К каналов приема в каждой, соответствующих М сформированным разнесенным группам каналов передачи, передают с мобильной станции на базовую станцию сигнал и принимают его на базовой станции по каждому из К каналов приема каждой из М разнесенных групп, формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m наборов весовых коэффициентов направления передачи по К коэффициентов в каждом, где L_m≥0, a m=1, 2, ..., М, используя принимаемый с мобильной станции сигнал таким образом, чтобы максимизировать качество приема передаваемого с базовой станции сигнала на мобильной станции, формируют на каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m каналов направленной передачи с использованием сформированных наборов весовых коэффициентов направления передачи; передают на мобильную станцию с каждой из М разнесенных групп каналов передачи по каждому из L_m каналов направленной передачи пилот-сигнал для разнесенной передачи, оценивают на мобильной станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи передаточные функции L_m каналов направленной передачи с использованием переданных пилот-сигналов для разнесенной передачи, передают на базовую станцию сигнал обратной связи, содержащий для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m оцененных передаточных функций каналов направленной передачи, формируют на базовой станции для каждой из М разнесенных групп каналов передачи для каждого из L_m каналов направленной передачи каналы коррекции спектра сигнала и корректируют их передаточные функции в соответствии с переданными оцененными передаточными функциями каналов направленной передачи таким образом, чтобы максимизировать качество приема информационного сигнала на мобильной станции, формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи для каждого из L_m каналов направленной передачи копию информационного сигнала и одновременно передают все сформированные копии информационного сигнала по соответствующим каналам направленной передачи, предварительно пропустив их через соответствующие каналы коррекции спектра сигнала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал, передаваемый с мобильной станции на базовую станцию, представляет собой пилот-сигнал, или информационный сигнал, или сигнал обратной связи, или служебный сигнал, или любую комбинацию перечисленных выше сигналов.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования наборов весовых коэффициентов направления передачи оценивают для каждой из М разнесенных групп каналов приема направления прихода на нее принимаемого сигнала и соответствующие этим направлениям средние принимаемые мощности сигнала, выбирают для каждой из М разнесенных групп каналов приема из всех оцененных для этой группы направлений L_m направлений, соответствующих L_m максимальным средним принимаемым мощностям сигнала, формируют для каждой из М разнесенных групп каналов передачи L_m наборов весовых коэффициентов направления передачи по К коэффициентов в каждом в направлении L_m выбранных для соответствующей группы каналов приема направлений прихода сигнала таким образом, чтобы максимизировать качество приема передаваемого с базовой станции сигнала на мобильной станции.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании каналов направленной передачи в каждом из каналов формируют К копий входного сигнала данного канала направленной передачи и передают их по соответствующему каналу передачи данной разнесенной группы каналов передачи, предварительно умножив каждую копию входного сигнала на соответствующий весовой коэффициент направления передачи соответствующего набора весовых коэффициентов направления передачи.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что все передаваемые пилот-сигналы для направленной передачи и информационный сигнал ортогональны или квазиортогональны между собой.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при оценке на мобильной станции передаточных функций каналов направленной передачи оценивают импульсную характеристику каждого из каналов направленной передачи и формируют оценку его передаточной функции как преобразование Фурье от оцененной импульсной характеристики этого канала направленной передачи.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании на базовой станции каналов коррекции спектра сигнала передаточную функцию каждого канала коррекции спектра сигнала формируют как функцию, комплексно сопряженную соответствующей оцененной передаточной функции канала направленной передачи.8. Устройство передачи сигнала, содержащее М блоков направленной передачи, М·К блоков суммирования, М·К аналоговых передатчиков, М·К антенных элементов, при этом выходы каждого из М блоков направленной передачи соединены со входами соответствующих блоков суммирования, выход каждого из М·К блоков суммирования соединен со входом соответствующего аналогового передатчика, выход каждого из М·К аналоговых передатчиков соединен с первым входом соответствующего антенного элемента, первый выход каждого из М·К антенных элементов является выходом устройства передачи сигнала, отличающееся тем, что дополнительно введены блоков направленной передачи, введены блоков коррекции спектра сигнала, сумматоров, М·К аналоговых приемников, М блоков формирования весовых коэффициентов направления передачи, при этом первый вход каждого из блоков коррекции спектра сигнала является входом информационного сигнала, второй вход каждого из блоков коррекции спектра сигнала является входом соответствующей передаточной функции канала направленной передачи, выход каждого из блоков коррекции спектра сигнала соединен с первым входом соответствующего сумматора, второй вход каждого из сумматоров является входом соответствующего пилот-сигнала для разнесенной передачи, выход каждого из сумматоров соединен с первым входом соответствующего блока направленной передачи, К вторых входов каждого из блоков направленной передачи соединены с соответствующими К выходами соответствующего блока формирования весовых коэффициентов, выходы каждого из ^{дополнительно введенных блоков направленной передачи соединены с дополнительными входами соответствующих блоков суммирования, второй вход каждого из М·К антенных элементов является входом принимаемого сигнала, второй выход каждого из М·К антенных элементов соединен со входом соответствующего аналогового приемника, выход каждого из М·К аналоговых приемников соединен с соответствующим входом соответствующего блока формирования весовых коэффициентов направления передачи.}9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что блок направленной передачи содержит К умножителей, при этом объединенные первые входы К умножителей являются первым входом блока направленной передачи, их вторые входы являются К вторыми входами блока направленной передачи, а их выходы являются выходами блока направленной передачи.