СПОСОБ СВЯЗИ В СЕТИ MIMO Российский патент 2014 года по МПК H04B7/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу связи в сети связи. Более конкретно настоящее изобретение относится к способу связи между первичной станцией и одной или несколькими вторичными станциями в режиме MIMO (с несколькими входами и несколькими выходами). Настоящее изобретение также относится к первичным станциям или вторичным станциям, которые могут реализовать такой способ.

В частности, настоящее изобретение является релевантным для всех сетей беспроводной связи, а также, в примере следующего описания, для мобильной телекоммуникационной сети, такой как UMTS или UMTS LTE.

Предшествующий уровень техники изобретения

Для увеличения доступной пропускной способности связи в сетях связи была широко представлена система MIMO (с несколькими входами и несколькими выходами). Для повышения эффективности связи в системе MIMO, как в передатчике, так и в приемнике, используется множество антенн. Безусловно, данная система обеспечивает существенное увеличение пропускной способности без использования дополнительной полосы пропускания или мощности передачи посредством более высокой спектральной эффективности (больше битов в секунду на каждый герц полосы пропускания) и надежности линии связи.

Многопользовательская система MIMO (MU-MIMO) является усовершенствованной системой MIMO, которая предоставляет станции возможность одновременной связи с множеством пользователей в одной полосе. В иллюстративном варианте осуществления изобретения сеть мобильной связи включает в себя первичную станцию (базовую станцию или Узел В (NodeB) или усовершенствованный Узел В (eNodeB)), которая может осуществлять связь одновременно со множеством вторичных станций (с мобильными станциями или абонентским оборудованием или UE) с использованием потоков MIMO, посредством использования множества антенн первичных станций и множества антенн вторичных станций. Для формирования потока вторичные станции предоставляют первичной станции информацию, связанную с состоянием канала, посредством передачи по обратной связи информации CSI (информации о состоянии канала) на первичную станцию. Такая информация CSI указывает оптимальный или, по меньшей мере, предпочтительный для использования вектор предварительного кодирования для максимизации доступной скорости передачи данных соответствующих пространственно-разделенных потоков данных, передаваемых посредством первичной станции. Этот вектор предварительного кодирования может являться набором комплексных значений, которые будут применяться к каждому антенному входу первичной станции в процессе передачи для направления потока данных на антенны вторичных станций.

Однако использование сигнализированного вектора предварительного кодирования в системе MU-MIMO может привести к помехам от луча другой вторичной станции, которая в это время осуществляет связь с первичной станцией. Кроме того, вторичная станция не сможет оценить, где находятся создающие помехи станции, а также вызывает ли использование вектора предварительного кодирования помехи. Совместное использование векторов предварительного кодирования, передаваемых посредством вторичных станций, в каждой вторичной станции приведет к чрезмерному сигнализированию, а также потребует чрезмерной мощности вычисления каждой вторичной станции для формирования не создающих помех векторов предварительного кодирования.

Сущность изобретения

Цель изобретения заключается в представлении улучшенного способа связи в сети MU-MIMO, который разрешает вышеупомянутые проблемы.

Другая цель изобретения заключается в представлении способа связи, который не приводит к чрезмерному сигнализированию, но повышает качество канала посредством уменьшения помех.

Еще одна цель изобретения заключается в представлении системы, включающей в себя первичную станцию и вторичные станции, которые могут максимизировать пропускную способность всей системы.

Для этого, в соответствии с одним аспектом изобретения, предлагается способ передачи информации в сети, которая включает в себя первичную станцию и, по меньшей мере, первую вторичную станцию, в котором первая вторичная станция передает на первичную станцию индикатор первого множества векторов предварительного кодирования, а количество первых векторов предварительного кодирования больше предпочтительного ранга передачи с первичной станции на первую вторичную станцию.

Под рангом передачи подразумевается количество пространственно разделенных потоков данных системы MIMO между первичной станцией и конкретной вторичной станцией. Следует отметить, что ранг не может превышать минимальное количество антенн первичной станции и вторичной станции. Например, вторичная станция, имеющая четыре антенны, не сможет принять больше четырех пространственно разделенных потоков, поэтому ранг связи не превышает значение 4. Кроме того, первичная станция, имеющая шестнадцать антенн, не сможет передать больше 16 лучей. В качестве примера, такая первичная станция может одновременно передавать четыре передачи MIMO ранга 4 на четыре вторичные станции или одну передачу MIMO ранга 4 на одну вторичную станцию вместе с двумя передачами MIMO ранга 2 на две другие вторичные станции и восемью передачами MIMO ранга 1 на восемь других вторичных станций.

Вследствие этого первичная станция может формировать другой вектор предварительного кодирования, например, на основе линейной комбинации множества векторов, обозначенных для установления связи. В варианте осуществления MU-MIMO первичная станция может формировать вектор предварительного кодирования, который с точки зрения вторичной станции может являться близким к оптимальному, но позволяет предотвратить помехи между потоками, передаваемыми на различные вторичные станции. В конкретном варианте осуществления первичная станция выбирает комбинацию векторов предварительного кодирования, подобную линейной комбинации, которая не требует большой обработки, чтобы суммарная скорость передачи всех скоростей передачи соединенных вторичных станций являлась максимальной.

В соответствии с другим аспектом изобретения представлена вторичная станция, которая включает в себя средство для связи в сети с первичной станцией, вторичная станция дополнительно содержит средство передачи, предназначенное для передачи индикатора первого множества векторов предварительного кодирования на первичную станцию, причем количество первых векторов предварительного кодирования больше предпочтительного ранга передачи с первичной станции на первую вторичную станцию.

Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными из и будут выявлены со ссылкой на нижеописанные варианты осуществления.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно с иллюстративной ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых изображено следующее:

Фиг.1 изображает блок-схему сети в соответствии со схемой формирования луча диаграммы направленности, которая максимизирует скорость передачи одной вторичной станции;

Фиг.2 изображает блок-схему сети в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к сети связи, включающей в себя первичную станцию и множество вторичных станций, которые осуществляют связь с первичной станцией. К примеру, такая сеть иллюстрируется на Фиг.1 и 2, где первичная станция или базовая станция 100 осуществляет связь посредством беспроводной связи с множеством вторичных станций 101, 102, 103 и 104. В иллюстративном примере изобретения вторичные станции 101-104 являются мобильными станциями или абонентским оборудованием сети UMTS.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения первичная станция 100 имеет антенную решетку, содержащую множество антенн, и комплексный усилитель напряжения для того, чтобы первичная станция 100 могла выполнять формирование луча диаграммы направленности, подобное формированию луча диаграммы направленности MIMO. Как правило, первичная станция имеет четыре антенны. В наиболее передовых версиях LTE первичные станции могут иметь 8, 16 и более антенн. Аналогично вторичные станции 101-104 имеют множество антенн, например 2 антенны для оборудования UE, совместимого с первой версией LTE. В более поздних версиях вторичные станции могут иметь 4, 8 и более антенн. Благодаря антенным решеткам, первичная станция 100 может формировать лучи потоков данных, аналогичные лучам 150 и 151, изображенным на Фиг.1. Для формирования луча и установления связи MIMO необходимо сформировать векторы предварительного кодирования, а для такого формирования требуется информация о состоянии канала и вычисление как на стороне вторичной станции, так и на стороне первичной станции.

Например, в первой версии спецификаций LTE вторичные станции, сконфигурированные для приема передач по нисходящей линии связи в системе MU-MIMO, выполняют измерения канала нисходящей связи (как правило, с использованием общих опорных сигналов без предварительного кодирования (CRS)) и передают по обратной связи информацию о состоянии канала (CSI) на первичную станцию eNodeB. Она указывает предпочтительный для использования вектор предварительного кодирования для передач по нисходящей линии связи (индикатор матрицы предварительного кодирования (PMI)) и связанное значение CQI (информацию о качестве канала), указывающую соответствующую схему модуляции и кодирования. В данном примере передачи по нисходящей линии связи основываются на кодовой книге, что говорит о том, что используемые для передачи векторы предварительного кодирования выбираются из конечного набора. Выбранный вектор предварительного кодирования сигнализируется на вторичные станции для того, чтобы вторичная станция могла получить опорную фазу в качестве соответствующей линейной комбинации общих опорных сигналов (CRS).

Вторичная станция с одной приемной антенной передает по обратной связи индекс одного предпочтительного вектора предварительного кодирования, который делает возможной передачу с наилучшим качеством или самую надежную передачу, например, того, который максимизирует на своей антенне отношение сигнал/помеха (SINR). Он может быть основан на предварительно определенной кодовой книге векторов формирования луча диаграммы направленности передачи или прямом квантовании вектора канала (CVQ). В случае, если вторичная станция имеет две (или более) приемных антенн, то данная ситуация усложняется, а взятый подход зависит от размера кодовой книги, доступной для передачи по обратной связи квантованной информации CSI. Что должно быть сделано на такой вторичной станции - это передача по обратной связи полной матрицы канала (или, по меньшей мере, ее квантованную версию). Однако это затребует существенной служебной сигнализации и существенных ресурсов.

В случае передачи ранга 2 возможно передать по обратной связи предпочтительную матрицу предварительного кодирования. Однако она является неподходящей для случаев, когда вторичная станция предпочитает использование передачи ранга 1, например, из-за ограничения ранга матрицы канала, когда вторичная станция сконфигурирована в режиме MIMO, который поддерживает исключительно передачу ранга 1, или когда первичная станция планирует исключительно передачу ранга 1.

Что же касается передачи ранга 1, то при наличии относительно маленькой кодовой книги обратной связи вторичная станция с двумя приемными антеннами целесообразно определить один предпочтительный вектор предварительного кодирования посредством получения вектора объединения приема, который максимизирует отношение SINR для каждого вектора формирования луча диаграммы направленности передачи в кодовой книге. Как правило, этот предпочтительный вектор предварительного кодирования может являться вектором объединения приема MMSE (минимальной среднеквадратической оценки). Оборудование UE может сообщить о векторе формирования луча диаграммы направленности передачи, который максимизирует отношение SINR.

Для одного потока к одной вторичной станции этот подход может быть выражен следующим образом:

1. Принятый сигнал выражается как у=Hgx+n,

где у - принятый сигнал, вектор Nx1,

x - переданный сигнал, вектор 1x1,

g - вектор предварительного кодирования, Mx1,

H - матрица канала, NxM,

n - шум на каждой приемной антенне, вектор Nx1.

Для удобства H может быть нормализован, чтобы шумовые различия были равными.

М - количество передающих антенн на eNB,

N - количество приемных антенна на UE,

2. Для каждого возможного g в кодовой книге размера C вычисляется весовой вектор w (1xN) приемной антенны, чтобы wy=x минимизировало ошибку Е[х-х], то есть:

w=(Hg)^H((Hg)(Hg)^H+σ²I)^-1 .

3. Сообщается g, которое максимизирует отношение SINR, после вычисления соответствующего решения MMSE для вектора w. Это эквивалентно сообщению g для одной приемной антенны, где g выбирается для максимизации принятого отношения SINR для эффективного канала передачи 1хМ, выраженного посредством wH.

4. Планировщик eNB выбирает пару экземпляров оборудования UE, которые сообщают ортогональные g (или, по меньшей мере, g с низкой взаимной корреляцией).

В случае обратной связи на основе квантования вектора канала (CVQ) подобный подход может привести к одному предпочтительному вектору предварительного кодирования для обратной связи. Однако это зависит от предположения, что формирование луча диаграммы направленности выполняется в передатчике первичной станции, а также от приближения итогового отношения SINR.

Главный недостаток вышеупомянутых подходов заключается в том, что они не максимизируют суммарную скорость передачи в соте, использующей систему MU-MIMO, поскольку посредством выбора w, которое допускает различное спаривание экземпляров оборудования UE, но не максимизирует отношение SINR для каждого отдельного UE, может быть достигнута более высокая суммарная скорость передачи.

Это может быть иллюстрировано на Фиг.1 посредством луча 151, направленного от первичной станции 100 ко вторичной станции 101. Даже если этот луч 151 является лучом, который максимизирует отношение SINR вторичной станции 101, он приводит к большим помехам на вторичной станции 102. Эта вторичная станция 102 не сможет осуществлять связь с высоким отношением SINR по причине того, что луч 151 направлен прямо на нее.

Кроме того, в некоторых случаях нецелесообразно для вторичной станции вычислять один весовой вектор w, который оптимизирует отношение SINR, и, следовательно, нецелесообразно передавать по обратной связи один предпочтительный вектор предварительного кодирования передачи. Такие случаи включают в себя:

i) случай с большой кодовой книгой обратной связи, в котором количество различных оптимизаций и вычислений отношения SINR становится чрезмерным;

ii) случаи, в которых вторичной станции не известен вектор предварительного кодирования передачи.

a. Формирование луча диаграмм направленности передачи на первичной станции, где опорная фаза выражается посредством предварительно кодированных опорных сигналов вместо CRS и индикатора фактически используемого вектора предварительного кодирования; в этом случае существует эффективно бесконечное количество доступных векторов предварительного кодирования передачи, для каждого из которых вторичная станция должна получить оптимальный весовой вектор w;

b. обратная связь на основе квантования вектора канала, когда предположение о формировании луча диаграмм направленности передачи с обнулением может не обязательно быть недействительным.

Один аспект изобретения основан на факте того, что для вышеупомянутых случаев возможно большое количество или даже бесконечное количество w. Это означает, что посредством изменения w базовая станция сможет выбрать пары экземпляров оборудования UE, которые максимизируют суммарную скорость передачи, наряду с тем, что максимизирование скорости передачи для любого отдельного оборудования UE не является обязательным.

Иллюстративный вариант первого варианта осуществления изобретения изображен на Фиг.2, где первичная станция 100 может направить луч 151 таким образом, чтобы он не мешал вторичной станции 102. Даже если луч 151 не обеспечивает максимально возможные значения отношения SINR для вторичной станции 101, то суммарная скорость передачи, которая достигаема для всех вторичных станций, может быть выше, поскольку для вторичной станции 102 не создает помех луч 151, выделенный для другой вторичной станции, а именно для станции 101.

Для достижения такого результата, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, предполагается, что вторичная станция передает по обратной связи на первичную станцию набор предпочтительных векторов предварительного кодирования, причем количество векторов предварительного кодирования больше предпочтительного ранга передачи. Первичная станция может определить сначала предпочтительный ранг передачи и заранее сконфигурировать вторичную станцию. Затем она разрешает информирование вторичной станции о количестве необходимых векторов предварительного кодирования, которое должно быть передано по обратной связи на первичную станцию. Она также разрешает ограничение вычислительных требований на вторичной станции, которые могут быть ограничены в большей степени по сравнению с вычислительной мощностью первичной станции.

Однако возможно позволить вторичной станции предпочтительный ранг передачи в зависимости от состояния канала таким образом, чтобы он разрешал оптимальное использование канала. В таком случае вторичная станция сигнализирует первичной станции предпочтительный ранг передачи.

В соответствии с первым вариантом осуществления в случае использования на вторичной станции или оборудовании UE двух приемных антенн в сети LTE, каждый экземпляр UE возвращает два вектора g1 и g2 предварительного кодирования, даже если предпочтительной является передача ранга 1. Каждый вектор g предварительного кодирования может быть вычислен вышеупомянутым способом, посредством выбора двух предпочтительно ортогональных векторов w1 и w2 приема, которые являются известными или имеют взаимосвязь, которая является известной, возможно априори, как первичной станции, так и вторичной станции.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления первый вектор w1 приема вычисляется для максимизации скорости передачи для подхода обратной связи, основанной на кодовой книге, вышеописанным способом. Соответствующее значение CQI, вычисленное с использованием этого значения w, также передается по обратной связи, что предоставляет достаточную информацию в случае, когда никакие другие вторичные станции в то же самое время не запланировали передачу. Затем в качестве ортогонального вектора w1, может быть выбран второй вектор w2 (который предоставляет достаточную информацию для оптимального планирования другой вторичной станции), а также может быть вычислено и передано по обратной связи второе значение CQI для этого значения w. Вторичная станция также передает по обратной связи соответствующие значения g1 и g2.

Для двух приемных антенн на вторичной станции подходящий вариант осуществления может использовать векторы w1=[1 1] и w2=[1-1] или [0 1] и [1 0], соответствующие выбору приемной антенны.

Следует отметить, что данный иллюстративный вариант осуществления изобретения может быть распространен на вторичную станцию с N приемными антеннами, тогда w является вектором размера 1xN. В таком случае вторичная станция может передать по обратной связи предпочтительный вектор предварительного кодирования, соответствующий N векторам w. Например, если N=4, то вторичная станция может передать по обратной связи 4 предпочтительных вектора предварительного кодирования, соответствующие векторам w1, w2, w3 и w4, каждый из которых может быть ортогональным друг другу.

В соответствии с вариантом вышеупомянутого примера вторичная станция может отправить сокращенное количество передач по обратной связи, которое меньше N векторов w. В таком случае (например, для 2 векторов w) при выборе конкретных векторов w можно принять во внимание корреляцию между приемными антеннами для максимизации передачи по обратной связи информации на первичную станцию.

Например, при выборе вектора w1 для максимизации скорости передачи возможными множителями для формирования векторов w2, w3, w4 будут являться [1 1 -1 -1], [1 -1 1 -1] и [1 -1 -1 1]. При использовании вектора w2 вероятно, что для вектора w3 или w4 будет предпочтительно (то есть предоставит eNodeB больше информации) предполагать, что антенны проиндексированы в порядке разделения (и следовательно, корреляция).

Следовательно, в качестве дополнительного аспекта изобретения вторичная станция выбирает второй вектор w в соответствии с корреляцией между антеннами (поскольку первичная станция не должна знать взаимосвязь между индексом антенны и физической антенной на вторичной станции).

В другом варианте осуществления вторичная станция выбирает и передает по обратной связи n векторов w, которые имеют наибольшее отношение SINR, где n<N.

В качестве дополнительного примера, если вектор w1 выбран в качестве [1 1 1 1], то возможные значения для векторов w2, w3 и w4 могут являться [1 1 -1 -1], [1 -1 1 -1] и [1 -1 -1 1].

В варианте осуществления, где N=2, планировщик первичной станции освобождается для выбора любого g_A для пользователя А в качестве линейной комбинации g1 и g2, которые являются ортогональными g_A и полученному также g_B для пользователя B. Это может быть расширено до N>2, где вторичная станция сообщает два (или более) значений g, а eNB применяет предварительное кодирование, которое является линейной комбинацией сообщенных значений.

Если вторичная станция сообщает N значений g, соответствующих N значениям w, что предоставляет eNB некоторое количество информации о полной матрице канала. Однако этот способ имеет немного преимуществ перед известными способами, поскольку отсутствует необходимость в определении порядка приемных антенн, а вычислительная сложность, вероятно, снизится для эквивалентной точности представления канала (то есть N поисков кодовой книги размера C по сравнению с одним поиском кодовой книги размера CN).

В варианте изобретения первичная станция является мобильным терминалом, подобным абонентскому оборудованию, а первичная станция является базовой станцией, подобной eNodeB.

Изобретение может применяться к мобильным телекоммуникационным системам, таким как UMTS LTE и UMTS, усовершенствованной LTE, а также, в некоторых вариантах, к любой системе связи, имеющей распределение ресурсов, которое будет выполняться динамически или, по меньшей мере, почти непрерывно.

В настоящей спецификации и формуле изобретения единственное число элемента не исключает присутствия множества таких элементов. Кроме того, слово «содержащий» не исключает присутствия других элементов или этапов, отличных от перечисленных.

Заключение ссылочных номеров в круглые скобки в формуле изобретения предназначено для помощи в понимании, а не в целях ограничения.

После прочтения настоящего раскрытия специалистам в данной области техники станут очевидны другие модификации. Такие модификации могут вовлечь другие отличительные признаки, которые уже являются известными в уровне техники радиосвязи.

Изобретение относится к области беспроводной связи, использующей многопользовательскую систему с несколькими входами и несколькими выходами (MU-MIMO), и раскрывает способ связи в сети, которая включает в себя первичную станцию и, по меньшей мере, первую вторичную станцию, причем первая вторичная станция передает на первичную станцию индикатор первого множества векторов предварительного кодирования, а количество первых векторов предварительного кодирования больше предпочтительного ранга передачи с первичной станции на первую вторичную станцию. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ связи в сети, упомянутая сеть включает в себя первичную станцию и, по меньшей мере, первую вторичную станцию, в котором первая вторичная станция передает на первичную станцию индикатор первого множества векторов предварительного кодирования, причем количество первых векторов предварительного кодирования больше предпочтительного ранга передачи с первичной станции на первую вторичную станцию.

2. Способ по п. 1, в котором предпочтительный ранг передачи сигнализируется на первичную станцию посредством первой вторичной станции.

3. Способ по п.1, в котором предпочтительный ранг передачи конфигурируется посредством первичной станции.

4. Способ по п.1, в котором предпочтительный ранг передачи определяется предварительно.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором первая вторичная станция получает каждый вектор предварительного кодирования первого набора в соответствии с отличным соответствующим вектором объединения приема.

6. Способ по п.5, в котором векторы объединения приема являются ортогональными друг другу.

7. Способ по п.5, в котором индикатор скорости передачи, достижимой, по меньшей мере, с одним вектором предварительного кодирования первого набора и соответствующим вектором объединения приема, передается на первичную станцию.

8. Способ по п.5, в котором индикаторы скоростей передачи, достижимых с каждым из векторов предварительного кодирования первого набора и их соответствующими векторами объединения приема, передаются на первичную станцию.

9. Способ по любому из пп.1-4, в котором количество первых векторов предварительного кодирования меньше количества приемных антенн вторичной станции.

10. Способ по п.9, в котором вторичная станция выбирает первые векторы предварительного кодирования в зависимости от по меньшей мере одного из корреляции между приемными антеннами вторичной станции и соответствующего отношения SINR для каждого вектора предварительного кодирования.

11. Способ по любому из пп.1-4, дополнительно содержащий этап, на котором первичная станция выбирает первый вектор предварительного кодирования передачи на основе комбинации первых векторов предварительного кодирования первого набора.

12. Способ по п.11, в котором упомянутый этап дополнительно содержит этап, на котором выбирают второй вектор предварительного кодирования передачи на основе комбинации вторых векторов предварительного кодирования второго набора векторов предварительного кодирования, причем второй набор указывается посредством второй вторичной станции, причем первый вектор предварительного кодирования передачи и второй вектор предварительного кодирования передачи выбирают так, чтобы суммарная скорость передачи скорости передачи первой вторичной станции и скорости передачи второй вторичной станции являлась максимальной.

13. Способ по п.12, в котором первый вектор предварительного кодирования передачи и второй вектор предварительного кодирования передачи по существу являются ортогональными.

14. Способ по любому из пп.1-4, в котором каждый вектор предварительного кодирования передачи является линейной комбинацией векторов предварительного кодирования соответствующего набора.

15. Вторичная станция, содержащая средство для связи в сети с первичной станцией, вторичная станция дополнительно содержит средство передачи, которое предназначено для передачи индикатора первого множества векторов предварительного кодирования на первичную станцию, причем количество первых векторов предварительного кодирования больше предпочтительного ранга передачи с первичной станции на первую вторичную станцию.

16. Первичная станция, содержащая средство для связи в сети, по меньшей мере, с одной вторичной станцией, причем первичная станция дополнительно содержит средство приема, предназначенное для приема индикатора первого множества векторов предварительного кодирования, по меньшей мере, от одной вторичной станции, причем количество первых векторов предварительного кодирования больше предпочтительного ранга передачи с первичной станции на первую вторичную станцию, а также средство управления, которое предназначено для выбора первого вектора предварительного кодирования передачи на основе комбинации первых векторов предварительного кодирования первого набора.

17. Система, содержащая первичную станцию по п.16 и, по меньшей мере, одну вторичную станцию по п.15.