СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СВЯЗИ В СЕТИ Российский патент 2015 года по МПК H04B7/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу осуществления связи в сети связи. В частности, оно относится к способу осуществления связи между первичной станцией и одной или более вторичными станциями в режиме MIMO (множество входов, множество выходов). Оно также относится к первичным станциям или вторичным станциям, способным реализовать такой способ.

Это изобретение подходит, например, для всех беспроводных сетей связи и, в качестве примера, приведенном в нижеследующем описании, для сети мобильной связи, такой как UMTS или UMTS LTE.

Уровень техники

В сетях связи для увеличения предельной пропускной способности системы связи широко применяется режим MIMO (множество входов, множество выходов). MIMO предусматривает использование множества антенн на передатчике и на приемнике для повышения производительности связи. Этот режим действительно обеспечивает значительное увеличение скорости передачи данных без дополнительного расширения полосы или увеличения мощности передачи за счет повышения эффективности использования спектра (больше битов в секунду на один герц полосы) и надежности линии связи.

Многопользовательский MIMO (MU-MIMO) представляет собой усовершенствованный MIMO, позволяющий станции одновременно осуществлять связь с множеством пользователей в одной и той же полосе. В иллюстративном варианте осуществления изобретения сеть мобильной связи содержит первичную станцию (базовую станцию или NodeB или eNodeB), которая может одновременно осуществлять связь с множеством вторичных станций (мобильных станций или пользовательским оборудованием (UE)) посредством потоков MIMO, используя множество антенн первичной станции и множество антенн вторичной станции. Для формирования потока вторичные станции снабжают первичную станцию информацией о состоянии канала, передавая CSI (информацию состояния канала) в порядке обратной связи с первичной станцией. Такая CSI указывает оптимальный или, по меньшей мере, предпочтительный вектор предварительного кодирования, используемый для максимизации предельной скорости передачи данных, соответствующей пространственно разделимому потоку данных, передаваемому первичной станцией. Этот вектор предварительного кодирования может представлять собой набор комплексных значений, применяемых к каждому антенному порту первичной станции при передаче для направления потока данных на антенны вторичной станции.

Однако, применительно к MU-MIMO, использование сигнализируемого вектора предварительного кодирования может приводить к появлению луча, создающего помехи для другой вторичной станции, которая в это время осуществляет связь с первичной станцией. Кроме того, вторичная станция не способна оценивать, где находятся станции, создающие помехи, и может ли использование вектора предварительного кодирования создавать помеху.

Кроме того, для конкретных режимов передачи, например режима MIMO на основе сингулярного разложения (SVD), необходимо согласовывать постобработку, осуществляемую вторичной станцией, и предобработку, осуществляемую первичной станцией, например, для достижения диагонализации матрицы передачи. Однако гибкость системы в целом снижается, если режим передачи или отдельные аспекты режима передачи необходимо переинициализировать при каждом событии, например изменении местоположения вторичной станции или появлении в сети источника помехи. Такая переинициализация может потребовать больших объемов сигнализации для перенастройки системы передачи.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является обеспечение способа, который снижает остроту вышеупомянутой проблемы.

Другой задачей изобретения является обеспечение способа осуществления связи между первичной станцией, позволяющего гибко использовать систему передачи многорежимного MIMO.

Еще одной задачей одного из вариантов осуществления изобретения является обеспечение способа осуществления связи в сети, позволяющего применять многопользовательский MIMO, когда требуется сокращение объема сигнализации.

В соответствии с первым аспектом изобретения, предусмотрен способ работы системы связи в сети, причем система содержит первичную станцию и, по меньшей мере, одну вторичную станцию, причем первичная станция содержит множество передающих антенн и вторичная станция содержит множество приемных антенн, при этом способ содержит этапы, на которых:

выбирают на первичной станции первую схему связи из множества схем связи,

вычисляют на первичной станции вектор передачи на основании первой схемы связи,

вычисляют на вторичной станции вектор приема на основании второй схемы связи, причем вторичная станция выбирает вторую схему связи из множества схем связи исходя из того, что первичная станция использует заранее определенную схему связи.

В соответствии со вторым аспектом изобретения, предусмотрен способ работы вторичной станции в сети, содержащей первичную станцию, осуществляющую связь с множеством вторичных станций, причем способ содержит этапы, на которых вычисляют на вторичной станции вектор приема согласно заранее определенной схеме связи, оценивают комбинированный канал на основании произведения фактического канала и вектора приема.

В соответствии с третьим аспектом изобретения, предусмотрена вторичная станция, причем вторичная станция содержит средство связи для осуществления связи в сети с первичной станцией, причем вторичная станция содержит средство управления для вычисления вектора приема согласно заранее определенной схеме связи и для оценивания комбинированного канала на основании произведения фактического канала и вектора приема.

В соответствии с четвертым аспектом изобретения, предусмотрена первичная станция, содержащая средство для осуществления связи в сети с, по меньшей мере, одной вторичной станцией, причем первичная станция содержит множество передающих антенн и вторичная станция содержит множество приемных антенн, причем первичная станция дополнительно содержит средство управления для выбора первой схемы связи из множества схем связи и для вычисления вектора передачи на основании первой схемы связи, причем первая схема связи отличается от заранее определенной схемы связи, используемой вторичной станцией.

Таким образом, это изобретение формирует набор механизмов связи со множеством входов и выходов (MIMO) между центральным объектом сети (первичной станцией, или eNodeB применительно к LTE) и, по меньшей мере, одной вторичной станцией (мобильной станцией, или пользовательским оборудованием применительно к LTE). Механизмы, описанные в этом изобретении, обеспечивают дополнительную гибкость при выборе пользователей и/или потоков за счет улучшения предварительного кодирования, осуществляемого центральным объектом сети. Согласно изобретению это обеспечивается за счет того, что центральному объекту сети известно, какую постобработку осуществляет вторичная станция. Это дает то преимущество, что предварительное кодирование не ограничивается режимом, на который настроена вторичная станция. Действительно, согласно варианту осуществления первичная станция способна переходить от первого режима передачи ко второму режиму передачи, хотя вторичная станция может даже не знать об этом переходе и продолжать вычислять весовые коэффициенты приема или постобработку в соответствии с этим первым режимом передачи. Это дает первичной станции дополнительную гибкость.

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из и пояснены со ссылкой на описанные ниже варианты осуществления.

Краткое описание чертежей

Ниже представлено подробное описание настоящего изобретения, в качестве примера, со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором:

Фиг.1 - блок-схема сети, в которой реализован первый вариант осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение относится к сети связи, имеющей первичную станцию и множество вторичных станций, осуществляющих связь с первичной станцией. Такая сеть проиллюстрирована, например, на Фиг.1, где первичная станция или базовая станция 100 осуществляет беспроводную связь с множеством вторичных станций 101, 102, 103 и 104. В иллюстративном примере изобретения вторичные станции 101-104 являются мобильными станциями или пользовательскими оборудованиями сети UMTS.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, первичная станция 100 содержит антенную решетку, содержащую множество антенн, и усилитель комплексного напряжения, что позволяет первичной станции 100 формировать диаграмму направленности, например диаграмму направленности MIMO. Первичная станция обычно содержит четыре антенны. В наиболее передовых версиях LTE первичные станции могут содержать 8, 16 и более антенн. Аналогично, вторичные станции 101-104 содержат множество антенн, например 2 антенны для UE, отвечающих первому выпуску LTE. В более поздних выпусках вторичные станции могут иметь 4 или 8 антенн, или даже больше. Благодаря антенным решеткам, первичная станция 100 может формировать лучи потоков данных, например лучи 150 и 151, изображенные на Фиг.1. Для формирования луча и установления связи по схеме MIMO необходимо генерировать векторы предварительного кодирования, для чего требуется информация о состоянии канала и вычисление как на вторичной станции, так и на первичной станции.

В системах MIMO, которые поддерживают передачу множества независимых потоков, например в системах MIMO с сингулярным разложением (SVD), данные для вторичной станции предварительно кодируются правыми сингулярными векторами канальной матрицы, а затем подвергаются постобработке на вторичной станции с использованием левых сингулярных векторов. Таким образом, пре- и постобработка согласуются между собой, благодаря чему эквивалентный канал диагонализируется для поддержки передачи множества потоков без межпотоковой помехи.

В линейной алгебре сингулярное разложение (SVD) является полезным инструментом разложения прямоугольной действительной или комплексной матрицы. Приложения, где применяется SVD, включают в себя, например, вычисление псевдообратной матрицы, аппроксимацию данных методом наименьших квадратов, матричную аппроксимацию и определение ранга, области значений и нуль-пространства матрицы.

Пусть M есть матрица m×n, элементы которой принадлежат полю K, которое является либо полем действительных чисел, либо полем комплексных чисел. Тогда существует разложение в виде

M = UΣV^*,

где U - унитарная матрица m×m в K, матрица Σ - диагональная матрица m×n с неотрицательными действительными числами на диагонали, и V* обозначает унитарную матрицу n×n в K, полученную комплексным сопряжением и транспонированием матрицы V. Такое разложение называется сингулярным разложением M.

Согласно общему соглашению диагональные элементы Σ_i,i упорядочены невозрастающим образом. В этом случае, диагональная матрица Σ уникально определяется матрицей M (в отличие от матриц U и V). Диагональные элементы Σ называются сингулярными значениями M.

В M=UΣV^* столбцы V задают набор ортонормированных "входных" или "анализирующих" базисных векторов для M, столбцы U задают набор ортонормированных "выходных" базисных векторов для M, матрица Σ содержит сингулярные значения, которые можно рассматривать как скалярные "коэффициенты усиления", на которые умножается каждое соответствующее входное значение для получения соответствующего выходного значения.

Кроме того, заметим, что неотрицательное действительное число σ является сингулярным значением для M тогда и только тогда, когда существуют единичные векторы u в K^m и v в Kⁿ, так что

Mv=σu и M^*u=σv

Векторы u и v называются, соответственно, левым и правым сингулярными векторами для σ.

В любом сингулярном разложении M=UΣV^* диагональные элементы Σ с необходимостью равны сингулярным значениям M. Столбцы U и V являются, соответственно, левым и правым сингулярными векторами для соответствующих сингулярных значений. Таким образом, вышеприведенная теорема утверждает, что:

матрица M размером m×n имеет, по меньшей мере, одно и, самое большее, p=min(m,n) различных сингулярных значений.

Однако передатчик, в данном случае, первичная станция 100, если располагает информацией о канале, M, также должен знать весовые коэффициенты, которые будет использовать приемник, например вторичная станция 101, чтобы иметь возможность вычислять соответствующий прекодер. Это еще важнее, если действует ограничение, согласно которому первичная и вторичная станции должны работать в одном и том же режим MIMO.

В типичной системе SVD первичная станция будет вычислять матрицу V правых сингулярных векторов на основании канальной матрицы, принимаемой в порядке обратной связи от вторичной станции. Это налагает на первичную станцию ограничение в отношении режима передачи, который она может использовать. Если, например, первичная станция решила использовать принудительное обнуление (ZF) и/или осуществлять диспетчеризацию множества пользователей в режиме MU-MIMO, ей придется перенастроить систему, для чего требуется сигнализация параметров передачи, по меньшей мере, с первичной станции и, в ряде случаев, с обеих сторон. Знание матрицы постобработки U, используемой вторичными станциями 101-104, позволяет первичной станции модифицировать предварительное кодирование в новой матрице Vnew.

Таким образом, в соответствии с этим первым вариантом осуществления изобретения, предполагается, что для установления линии связи методом, который будет использоваться для передачи множественных потоков с первичной станции 100 на вторичную станцию, является сингулярное разложение (SVD). Вторичная станция 101, снабженная N приемными антеннами, будет вычислять левые сингулярные векторы оценочной канальной матрицы и использовать их для линейной обработки N принятых сигналов с целью реконструировать N независимых потоков данных. Вторичная станция может информировать первичную станцию, сигнализируя результат такой оценки.

В первой версии этого варианта осуществления, первичная станция осуществляет связь только с одной вторичной станцией по схеме MIMO. В этом примере, первичная станция 100 может снижать эффективный ранг передачи в ходе передачи. Под рангом передачи понимают количество пространственно разделимых потоков данных при осуществлении связи по схеме MIMO между первичной станцией и данной вторичной станцией. Заметим, что ранг не может превышать минимальное количество антенн первичной станции и вторичной станции. Например, вторичная станция, имеющая четыре антенны, не может принимать более четырех пространственно разделимых потоков, поэтому ранг ее связи не может превышать 4. Кроме того, шестиантенная первичная станция не может передавать более 16 лучей, не создавая помехи между ними. В порядке примера, такая первичная станция может одновременно передавать четыре передачи 4 ранга по схеме MIMO на четыре вторичные станции, или одну передачу 4 ранга по схеме MIMO на одну вторичную станцию и две передачи 2 ранга по схеме MIMO на две другие вторичные станции и восемь передач 1 ранга по схеме MIMO на еще восемь вторичных станций.

Выполнив свою постобработку, вторичная станция ожидает оценок N независимо передаваемых потоков, соответствующих случаю полного ранга. Первичная станция может решить, что некоторые сингулярные значения бесполезны, или просто использовать некоторые из своих M передающих антенн для передач другим пользователям, в связи с чем необходимо указывать вторичной станции, какие и сколько из N реконструированных потоков пригодны, и соответственно изменять свое предварительное кодирование.

В этом примере, оценки можно вычислять на основании коэффициентов постобработки или посткодирования и фактического коэффициента усиления канала, т.е. канальных условий передачи в ходе передачи. В конкретном примере этого изобретения эти оценки основаны на произведении коэффициентов постобработки и фактических канальных условий. Эти оценки можно передавать на первичную станцию в информационных отчетах о состоянии канала (CSI), которые также могут включать в себя индикатор качества канала (CQI).

Информационный отчет о состоянии канала (CSI) содержит информацию, описывающую характеристики радиоканала, обычно указывающие комплексную матрицу передаточной функции между одной или более передающими антеннами и одной или более приемными антеннами.

CQI содержит информацию, сигнализируемую вторичной станцией первичной станции для указания подходящей скорости передачи данных (обычно, значение схемы модуляции и кодирования (MCS)) для передач нисходящей линии связи, обычно на основании измерения принятого отношения сигнал/помеха + шум (SINR) нисходящей линии связи и известных характеристик приемника вторичной станции.

Согласно варианту этого примера вторичная станция получает коэффициенты постобработки из оценки опорных символов для каждого из пространственно разделимых потоков. Это позволяет снизить необходимый объем сигнализации от первичной станции. Однако согласно варианту этого примера коэффициенты постобработки, используемые вторичной станцией, явно сигнализируются первичной станцией. Фактически, первичная станция берет на себя оценивание этих коэффициентов. Это позволяет упростить конструкцию вторичных станций, поскольку все необходимые расчеты выполняет первичная станция. В этом примере, вторичные станции могут отправлять в порядке обратной связи качество приема, достигаемое с конкретным набором коэффициентов. Заметим, что вектор V можно отправлять в порядке обратной связи на первичную станцию в CSI, чтобы первичная станция могла регулировать режим передачи или даже менять выбранную схему передачи.

В другой версии этого варианта осуществления первичная станция может решить осуществлять диспетчеризацию множества пользователей с использованием формирования диаграммы направленности методом принудительного обнуления (ZF), а не одного пользователя с использованием режима сингулярного разложения (SVD).

Поскольку первичная станция знает или предполагает, что все одновременно диспетчеризованные пользователи будут использовать постобработку на основе SVD, она может вычислить предварительное кодирование, благодаря чему векторы эквивалентных каналов от каждой виртуальной передающей антенны к каждой приемной антенне оказываются взаимно ортогональными, что позволяет ей осуществлять диспетчеризацию множества пользователей.

В другом варианте осуществления изобретения предусмотрена система связи, действующая, как описано на Фиг.1, т.е. содержащая первичную станцию 100, снабженную множеством передающих антенн, и множество вторичных станций 101-104, снабженных множеством приемных антенн, причем первичная станция осуществляет предварительное кодирование данных, и вторичные станции осуществляют постобработку, что позволяет вторичным станциям принимать один или более независимых потоков данных 150 или 151. В этом варианте осуществления параметры постобработки вычисляются на вторичном устройстве из канальной матрицы или фактических канальных условий исходя из того, что применяется конкретная схема передачи, например SVD или принудительное обнуление.

Предварительное кодирование на первичной станции не ограничивается использованием того же предположения, которое использует вторичная станция для постобработки (например, первичная станция в действительности не обязана использовать SVD, или первичная станция в действительности не обязана использовать указанную кодовую книгу, причем последний вариант конкретно относится к случаю LTE-A с выделенным RS).

Фактически, предположение, используемое вторичной станцией, может быть выбрано из набора доступных предположений. Кроме того, конкретное используемое предположение первичная станция может сигнализировать вторичной станции, или вторичная станция может выводить его из опорных сигналов (или пилот-сигналов). Заметим, что здесь имеются отличия от настройки режима, поскольку это может осуществляться динамически в ходе работы линии связи.

В любом из вышеописанных вариантов осуществления первичная станция может сигнализировать вторичной станции, сколько использовать пространственно разделимых потоков, т.е. ранг передачи. Этот ранг может отличаться от стандартного значения, которое вторичная станция ожидает для используемого предположения о схеме передачи.

В соответствии с другим вариантом осуществления, первичная станция определяет, какое предварительное кодирование использовать, на основании канальной обратной связи от вторичного устройства, информации о постобработке, используемой вторичным объектом сети, и определенных целей обслуживания, и соответственно осуществляет диспетчеризацию.

В конкретном варианте осуществления первичная станция является мобильной станцией или пользовательским оборудованием и вторичная станция является базовой станцией или eNodeB.

Изобретение имеет частное, но не исключительное, применение к системам беспроводной связи, где используется MIMO и MU-MIMO. Примеры включают в себя системы сотовой связи, такие как UMTS, UMTS LTE и усовершенствованный UMTS LTE, а также беспроводные LAN (IEEE 802.11n) и широкополосные беспроводные сети (IEEE 802.16).

Изобретение применимо к системам мобильной связи, например UMTS LTE и усовершенствованный UMTS LTE, а также к системам беспроводной связи, где используется MIMO и MU-MIMO. Примеры включают в себя системы сотовой связи, в том числе UMTS, UMTS LTE и UMTS усовершенствованный LTE, например беспроводные LAN (IEEE 802.11n) и широкополосные беспроводные сети (IEEE 802.16).

В описании изобретения и формуле изобретения, употребление названия элемента в единственном числе не исключает возможности наличия множества таких элементов. Кроме того, слово "содержащий" не исключает возможности наличия других элементов или этапов помимо перечисленных.

Условные обозначения, заключенные в скобки, употребляются в формуле изобретения для облегчения понимания, но не для ограничения.

Ознакомившись с настоящим раскрытием, специалисты в данной области техники смогут предложить другие модификации. Такие модификации могут использовать другие признаки, которые уже известны в области радиосвязи.

Изобретение относится к системе беспроводной связи, применяющей режим множество входов, множество выходов (MIMO). Изобретение относится к способу работы системы связи в сети, причем система содержит первичную станцию и, по меньшей мере, одну вторичную станцию, причем первичная станция содержит множество передающих антенн, а вторичная станция содержит множество приемных антенн, при этом способ содержит этапы, на которых: выбирают на первичной станции первую схему связи из множества схем связи, вычисляют на первичной станции вектор передачи на основании первой схемы связи и вычисляют на вторичной станции вектор приема на основании второй схемы связи, причем вторичная станция выбирает вторую схему связи из множества схем связи, исходя из того, что первичная станция использует заранее определенную схему связи. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы вторичной станции в сети, содержащей первичную станцию и, по меньшей мере, одну вторичную станцию, причем первичная станция содержит множество передающих антенн, а вторичная станция содержит множество приемных антенн, причем вторичная станция осуществляет постобработку на основании первой схемы связи, при этом способ дополнительно содержит этапы, на которых оценивают комбинированный канал на основании фактического канала и постобработки.

2. Способ по п. 1, в котором оценка является произведением фактического канала и коэффициентов постобработки.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, в котором первая схема связи заранее определена.

4. Способ по любому из пп. 1 и 2, в котором характеристики первой схемы связи заранее сигнализируются первичной станцией на вторичную станцию.

5. Способ по любому из пп. 1 и 2, в котором первая схема связи основана на любом из следующего: SVD, принудительном обнулении или предварительном кодировании на основе кодовой книги.

6. Способ по п. 1, в котором вторичная станция включает оценку комбинированного канала в индикатор состояния канала, сообщаемый первичной станции.

7. Способ по п. 6, в котором сообщаемый CSI включает в себя индикатор качества канала (CQI), вычисляемый исходя из того, что первичная станция использует вторую схему связи.

8. Способ по п. 6, в котором сообщаемый CSI включает в себя соответствующие сингулярные векторы для предварительного кодирования с SVD.

9. Способ по любому из пп. 6-8, в котором сообщаемый CSI включает в себя указание, представляющее комплексную матрицу передаточной функции между, по меньшей мере, одной из множества передающих антенн и, по меньшей мере, одной из множества приемных антенн.

10. Способ по любому из пп. 6-8, в котором сообщаемый CSI включает в себя указание, представляющее правый сингулярный вектор, вычисленный из сингулярного разложения передаточной функции канала.

11. Способ по любому из пп. 6-8, в котором вторичная станция принимает данные от первичной станции с использованием предварительного кодирования, выведенного из сообщенного CSI.

12. Способ по любому из пп. 1, 6-8, в котором связь осуществляется посредством множества пространственно разделимых потоков, причем количество пространственных потоков заранее определено на основании первой или второй схемы связи.

13. Способ по любому из пп. 1, 6-8, в котором связь осуществляется посредством множества пространственно разделимых потоков, причем первичная станция в ходе работы сигнализирует вторичной станции количество используемых пространственных потоков.

14. Первичная станция, содержащая средство для осуществления связи в сети с, по меньшей мере, одной вторичной станцией, причем первичная станция содержит множество передающих антенн, а вторичная станция содержит множество приемных антенн, причем первичная станция дополнительно содержит средство управления для выбора первой схемы связи из множества схем связи и для вычисления вектора передачи на основании первой схемы связи, причем первая схема связи отличается от заранее определенной схемы связи, используемой вторичной станцией.

15. Вторичная станция, содержащая средство связи для осуществления связи в сети с первичной станцией, причем вторичная станция содержит средство управления для вычисления вектора приема согласно заранее определенной схеме связи и для оценивания комбинированного канала на основании произведения фактического канала и вектора приема.

16. Способ работы системы связи в сети, причем система содержит первичную станцию и, по меньшей мере, одну вторичную станцию, причем первичная станция содержит множество передающих антенн, а вторичная станция содержит множество приемных антенн, при этом способ содержит этапы, на которых
выбирают на первичной станции первую схему связи из множества схем связи,
вычисляют на первичной станции вектор передачи на основании первой схемы связи, и
вычисляют на вторичной станции вектор приема на основании второй схемы связи, причем вторичная станция выбирает вторую схему связи из множества схем связи, исходя из того, что первичная станция использует заранее определенную схему связи.