Способ беспроводной связи в системе с распределенными входами и распределенными выходами

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для создания систем беспроводной связи с распределенными входами и распределенными выходами, содержащих базовую станцию с M приемопередатчиками и N абонентских устройств, где N меньше или равно M. Технический результат - повышение отношения сигнал/шум при количестве работающих абонентских устройств, меньшем, чем число приемопередатчиков антенн базовой станции. Для этого при обработке сигналов на базовой станции используется решение системы из N уравнений с M неизвестными (N меньше или равно M) с использованием псевдообратной матрицы от прямоугольной характеристической матрицы канала, что позволило обеспечить формирование и разделение обрабатываемых сигналов. 7 ил.

 

Изобретение относится к технике связи и может применяться для создания систем беспроводной связи с распределенными входами и распределенными выходами, в которых используются методы пространственно-временного кодирования.

Известен способ связи по патенту RU 2387082 "Способ и устройство для передачи в многоантенной системе связи". Система содержит две многоантенные станции. В общем случае одна станция содержит N антенн, тогда как другая - M антенн.

Система предназначена для обеспечения многостанционным доступом множества пользователей, способна поддерживать абонентские аппараты, имеющие разные потребности, а также возможности. Эта система позволяет эффективно делить общую рабочую полосу частот между различными видами услуг, которые могут иметь сильно различающиеся скорости передачи данных, задержки и требования к качеству обслуживания.

Такие системы получили название системы с многими входами и многими выходами - ΜΙΜΟ (Multi Input Multi Output) [Банкет В.Л.. Токарь Μ.С. ΜΙΜΟ - новая технология многоантенной радиосвязи для систем беспроводного доступа. ЗВ′ЯЗОК, №3, 2010, 6-12 с.].

Технология ΜΙΜΟ основана на использовании пространственно распределенных антенн для создания параллельных пространственных потоков данных в общем частотном диапазоне.

Однако применение нескольких антенн в абонентском терминале не практично, особенно в УКВ диапазоне и в более низких диапазонах частот. При более низких частотах физический размер устройства ΜΙΜΟ может стать громоздким. Предельный случай может быть в диапазоне ВЧ, при котором антенны устройств ΜΙΜΟ должны стоять друг от друга на 10 и более метров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, описанный в патенте №2455779 "Система и способ беспроводной связи с распределенными входами и распределенными выходами" (DIDO - Distributed Inputs and Distributed Outputs) и принятый за прототип.

Способ-прототип состоит в следующем.

Перед тем как вести передачу, проводится оценка параметров канала. Это достигается передачей по нисходящей связи обучающего сигнала от каждого приемопередатчика через антенну базовой станции к антенне приемопередатчика каждого абонентского устройства. Обучающий сигнал генерируется блоком кодирования, модуляции и обработки сигналов базовой станции, преобразуется в аналоговую форму цифроаналоговым преобразователем, а затем преобразуется из основной полосы частот к высокой частоте по очереди каждым приемопередатчиком. Каждая антенна абонентского устройства, связанная со своим приемопередатчиком, принимает каждый обучающий сигнал. Сигнал основной полосы частот преобразуется к цифровому виду аналого-цифровым преобразователем (не показан), а блок кодирования, модуляции и обработки сигналов абонентского устройства оценивает обучающий сигнал, который может включать в себя много параметров, например, фазу и амплитуду по отношению к опорному сигналу, генерируемому в приемопередатчике, характеристики шума или иные факторы. Как правило, параметры каждого сигнала определяются в виде вектора, который содержит изменения фазы и амплитуды сигнала, передаваемого по каналу. Например, в сигнале с квадратурной амплитудной модуляцией (QAM) эти параметры могут быть вектором сдвигов по фазе и амплитуде для нескольких многолучевых образов сигнала. В сигнале с ортогональным частотным разделением (OFDM) это может быть вектор сдвигов по фазе и амплитуде для нескольких или всех отдельных подканалов в спектре (OFDM).

После того как все антенны базовой станции завершили передачи обучающих сигналов, блок кодирования, модуляции и обработки сигналов абонентских устройств формирует M наборов параметров каналов, определяющих характеристическую матрицу H, и передает данные через приемопередатчик и антенну в блок кодирования, модуляции и обработки сигналов базовой станции. Далее в блоке формирования характеристической матрицы канала базовой станции на основе полученных данных формируют квадратную характеристическую матрицу канала связи H₀ размером M×M (1):

где каждый элемент h_ij матрицы H₀ представляет собой комплексный параметр канала (амплитуда и фаза), полученный при передаче обучающего сигнала i-ой антенной базовой станции и принятого j-ой антенной абонентского устройства.

Зная характеристическую матрицу канала связи, можно разделить сигналы, принимаемые базовой станцией от абонентских устройств. Сигналы y_i (i=1, 2, …, M), принятые антеннами базовой станции от абонентских устройств, записываются в виде системы уравнений (2):

где x_i - сигнал, излученный i-м абонентским устройством;

y_i - сигнал, принятый i-ой антенной базовой станции;

h_ij - комплексный коэффициент передачи тракта распространения сигнала, излучаемого j-ой антенной абонентского устройства и принимаемого i-ой антенной базовой станции;

η_i - отсчет комплексного гауссовского шума на входе i-го приемника базовой станции.

Инвертировав матрицу Н₀, получаем обратную матрицу $$H_0^{-1}$$ с элементами $$h_{ij}^{-}$$ (3):

где $$h_{ij}^{-}$$ - элементы матрицы $$H_0^{-1}$$ (i=1, 2, …, M; j=1, 2, …, M).

Блок кодирования, модуляции и обработки сигналов базовой станции, решив систему уравнений (2) относительно h_i, получает равенства для оценки сигналов от каждого абонентского устройства в каналах базовой станции в виде (4):

где ξ_i - отсчет шума на выходе i-го канала базовой станции.

Как правило, такая известная система является двунаправленной, и обратный тракт реализуется точно таким же образом.

В данной системе организация связи включает этапы, на которых:

- от каждого приемопередатчика через антенны базовой станции передают обучающий сигнал к антенне каждого приемопередатчика абонентских устройств,

- блок кодирования, модуляции и обработки сигналов абонентских устройств формирует M наборов параметров канала, определяющих характеристическую матрицу H, и передает данные через приемопередатчик и антенну на базовую станцию,

- на базовой станции в блоке формирования характеристической матрицы канала на основе полученных данных вычисляют веса h_ij для взвешивания сигналов в каналах передачи (приема) данных, решают систему уравнений для разделения принятых сигналов.

При этом, так как в базовой станции принимаемые сигналы складываются синфазно, то при использовании в ней M антенн амплитуда выходного сигнала возрастает в M раз, а среднеквадратическое значение шума возрастет в раз. В результате, отношение сигнал/шум пропорционально . Таким образом, при наличии сигналов от M абонентских станций в базовой станции используется M антенн и отношение сигнал/шум возрастает в раз.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность использования всех приемопередатчиков и антенн базовой станции для разделения сигналов, если количество работающих абонентских станций меньше числа приемопередатчиков и антенн базовой станции. Это связано с используемым методом решения системы уравнений (2), предполагающим равенство числа уравнений числу неизвестных.

При уменьшении количества работающих абонентских станций уменьшается число приемопередатчиков и антенн базовой станции, участвующих в приеме сигналов. Это не позволяет использовать имеющиеся возможности в увеличении соотношения сигнал/шум при приеме сигналов. Например, исходя из системы уравнений (2) при работе одной абонентской станции сигнал на базовой станции должен приниматься только одной антенной, и отношение сигнал/шум не растет, что отрицательно скажется на вероятности ошибочного приема и дальности связи.

Задачей изобретения является обеспечение возможности использования всех M антенн базовой станции для обработки сигналов от Ν≤Μ абонентских устройств.

Достигаемый технический результат - повышение отношения сигнал/шум при количестве работающих абонентских устройств N, меньшем, чем число M антенн приемопередатчиков базовой станции.

Указанный результат достигается тем, что в базовой станции вместо системы (2) из M уравнений с M неизвестными решается система с N неизвестными и M уравнениями (5):

Система уравнений (5) может быть представлена в матричном виде (6):

где - прямоугольная матрица размерностью Μ×Ν;

- вектор сигналов, излучаемых абонентскими устройствами;

- вектор сигналов, принятых антеннами базовой станции.

Решение системы (6) для определения переданных сигналов x₁, x₂, …, x_N может быть найдено с помощью метода наименьших квадратов [Беклемишев Д.В. Дополнительные главы линейной алгебры. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983, 336 с.]. В этом методе решение отыскивается с применением аппарата псевдообратных матриц в следующем виде (7):

Если матрица H не выражена, т.е. имеет полный ранг, то псевдообратная матрица (7), определяется выражением (8):

где $$h_{ij}^{+}$$ - элементы матрицы H⁺(i=1, 2, …, Ν; j=1, 2, …, M); Т - индекс транспонирования.

В развернутом виде с учетом (8) решение (7) выглядит следующим образом (9):

где $$h_{ij}^{+}$$ - элементы матрицы Н⁺.

В соответствии с этим решением в базовой станции обеспечивается полное разделение сигналов абонентских терминалов при условии N≤M. То есть отличие от прототипа при данном способе обработки состоит в том, что на базовой станции используются все Μ антенн для обработки сигналов от N абонентов. При Ν=Μ способ, описанный в прототипе, представляет собой частный случай предлагаемого изобретения.

Предлагаемый способ реализуется с помощью системы беспроводной связи с распределенными входами и распределенными выходами, функциональная схема которой представлена на Фиг. 1, где введены следующие обозначения:

1 - базовая станция;

2.1-2.Ν - N абонентских устройств;

3 - сетевой интерфейс базовой станции;

4 - маршрутизатор базовой станции;

5 - блок кодирования, модуляции и обработки сигналов базовой станции;

6 - блок формирования характеристической матрицы канала базовой станции;

7 - блок расчета псевдообратной матрицы базовой станции;

8.1-8.М - Μ приемопередатчиков базовой станции;

9.1-9.М - Μ антенн базовой станции;

10.1-10.Ν - N антенн абонентских устройств;

11 - приемопередатчик абонентского устройства;

12 - блок кодирования, модуляции и обработки сигналов абонентского устройства;

13 - интерфейс абонентского устройства.

Способ беспроводной связи в системе с распределенными входами и распределенными выходами заключается в следующем. Перед тем, как вести передачу, проводится оценка параметров канала. Это достигается передачей по нисходящей связи обучающего сигнала от каждого приемопередатчика 8.1-8.Μ через антенны 9.1-9.Μ базовой станции 1 к антеннам 10.1-10.N и далее к приемопередатчикам 11 абонентских устройств 2.1-2.Ν.

Обучающий сигнал генерируется блоком кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1, преобразуется в аналоговую форму цифроаналоговым преобразователем (не показан), а затем преобразуется из основной полосы частот к высокой частоте по очереди каждым приемопередатчиком 8.1-8.Μ базовой станции 1. Далее обучающий сигнал передается от каждого приемопередатчика 8.1-8.М через антенну 9.1-9.М базовой станции 1 к антеннам 10.1-10.Ν абонентских устройств 2.1-2.Ν и далее к приемопередатчикам 11 абонентских устройств 2.1-2.Ν. Затем сигнал основной полосы частот преобразуется к цифровому виду в аналого-цифровом преобразователе (не показан), и поступает в блок кодирования, модуляции и обработки сигналов 12 абонентских устройств 2.1-2.Ν, который оценивает фазу и амплитуду обучающего сигнала.

После того как все антенны 9.1-9.М базовой станции 1 завершили передачи обучающих сигналов, блок кодирования, модуляции и обработки сигналов 12 абонентских устройств 2.1-2.Ν анализирует эти сигналы и формирует N наборов параметров канала, определяющих характеристическую матрицу Н, и передает данные через приемопередатчики 11 и антенны 10.1-10.Ν на базовую станцию 1 в блок кодирования, модуляции и обработки сигналов 5. Далее блок формирования характеристической матрицы канала 6 базовой станции 1 на основе полученных данных формирует прямоугольную характеристическую матрицу канала связи H размером Μ×Ν (10):

где каждый отдельный элемент h_ij (i=1, 2, …, M; j=1, 2, …, Ν) представляет собой комплексный параметр канала (амплитуда и фаза), полученный при передаче обучающего сигнала i-ой антенной 9.1-9.Μ базовой станции 1, принятого j-ой антенной 10.1-10.N соответствующего абонентского устройства 2.1-2.N.

Зная характеристическую матрицу канала связи, можно разделить сигналы, принимаемые базовой станцией 1 от абонентских устройств 2.1-2.N. Сигналы y_i (i=1, 2, … M), принятые антеннами 9.1-9.М базовой станции 1 от абонентских устройств 2.1-2.N, записываются в виде системы из Μ уравнений для N неизвестных (Ν≤Μ) (11):

где y_i - отсчет сигнала в i-й приемной ветви (i=1, 2, …, М);

x_j - сигнал, переданный абонентским устройством 2.j (j=1, 2, …, N);

h_ij - комплексный коэффициент передачи тракта распространения сигнала, излучаемого j-ой антенной 10.j абонентского устройства 2.j и принимаемого i-ой антенной 9.i базовой станции 1.

Систему уравнений (11) перепишем в матричном виде (12):

где - оцениваемый вектор отсчетов входных сигналов переданных абонентскими устройствами 2.1-2.N;

вектор отсчетов сигналов, принятых приемопередатчиками 8.1-8.Μ базовой станции 1.

В блоке расчета псевдообратной матрицы 7 базовой станции 1 по известной характеристической матрице канала связи Н, рассчитывается псевдообратная матрица (8):

В блоке кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1 с помощью псевдообратной матрицы Н⁺ решается система (12). Это решение имеет вид (13):

В развернутом виде решение выглядит следующим образом (14):

где $$h_{ij}^{+}$$ - элементы матрицы Н⁺.

В соответствии с этим решением в базовой станции 1 обеспечивается полное разделение сигналов абонентских устройств 2.1-2.N при условии N≤M. Разделение сигналов на базовой станции 1 формируется благодаря образованию N диаграмм направленностей (ДН), создаваемых антенной решеткой базовой станции 1 по одной диаграмме для каждой абонентской радиостанции. В соответствии с (14) сигнал от j-й абонентской радиостанции на выходе антенной решетки базовой станции представляется в виде (15):

где - вектор весовых коэффициентов, образующий j-ю диаграмму направленности;

- вектор сигналов в каналах антенной решетки.

В качестве примера на Фиг. 2 приведены расчетные диаграммы направленности кольцевой 6-элементной антенной решетки радиусом λ (λ - длина волны излучаемого сигнала) базовой станции 1 при приеме сигналов от различного числа абонентов. Абонентские устройства 2.1-2.Ν располагались вокруг базовой станции 1 и имели различные азимуты. В данном примере эти азимуты, соответственно, были равны 0°, 60°, 90°, 180°, 270°, 330°. В данном примере диаграммы направленности рассчитывались для абонентского устройства 2.1, расположенного в направлении 0°.

В Таблице 1 приведено соответствие номеров рисунка и вариантов расчета.

Таблица 1
Номер рисунка	Число работающих абонентских устройств	Азимутальные направления
4а	1	00
46	2	00, 600
4в	3	00, 600, 900
4г	4	00, 600, 900, 1800,
4д	5	00, 600, 900, 1800, 2700
4е	6	00, 600, 900, 1800, 2700, 3300

Из рисунков следует, что в направлении на абонентское устройство 2.1 с направлением 0⁰ формируется луч ДН с коэффициентом усиления, близким к максимальному, а в направлениях на остальные устройства - глубокие провалы, что обеспечивает одновременную работу всех абонентов в одной полосе частот без взаимных помех.

Аналогичные свойства имеют диаграммы направленности антенной решетки для остальных абонентских устройств. Эти свойства позволяют решить и обратную задачу - задачу передачи в одной частотной полосе N сигналов с базовой станции 1 для N абонентских устройств 2.1-2.N таким образом, чтобы каждое абонентское устройство получало только ему предназначенный сигнал.

Допустим, что из сетевого интерфейса 3 (Фиг.1) через маршрутизатор 4 в блок кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1 поступают сигналы u₁, u₂, …, u_N. В блоке кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции каждый из этих сигналов подвергают преобразованию (16):

где v₁, v₂, …, v_M - сигналы на выходах блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1;

u₁, u₂, …, u_N - сигналы на входе блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции.

Система уравнений (16) может быть представлена в матричном виде (17):

где - вектор сигналов на входе блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1;

- вектор сигналов на выходах блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1;

- транспонированная псевдообратная характеристическая матрица канала связи.

Полученные сигналы v₁, v₂, …, v_Μ с выхода блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 подают на соответствующие входы приемопередатчиков 8.1-8.М и далее через антенны 9.1-9.М базовой станции 1 поступают в канал связи (не показан), с характеристической матрицей канала (10):

где подвергаются преобразованию (18):

где z₁, z₂, …, z_Ν - сигналы, поступающие из канала связи на антенны 10.1-10.Ν абонентских устройств 2.1-2.Ν.

Выражение (18) можно переписать в матричном виде (19):

где Z=[Z₁, Z₂, …, Z_N]^T - вектор, компонентами которого являются сигналы, находящиеся в антеннах 10.1-10.N абонентских устройств 2.1-2.N.

Подставляя в (19) выражение для V из (17), получим итоговый вектор Ζ с компонентами сигналов Z₁, Z₂, …, Z_Μ, наводящихся в соответствующих антеннах 10.1-10.Ν абонентских устройств 2.1-2.Ν в виде (20):

Так как H^TH^+T=I - единичная матрица размерности Ν*Ν, то из (20) следует (21):

Из этого следует, что преобразование (16) сигналов базовой станции 1 при нисходящей связи обеспечивает их раздельный прием соответствующими абонентскими устройствами 2.1-2.N.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует решение проблемы обеспечения возможности использования всех антенн базовой станции 1 системы с распределенными входами и распределенными выходами для обработки сигналов абонентских устройств 2.1-2.Ν, работающих в одной частотной полосе, независимо от их числа.

По сравнению с прототипом, технико-экономическая эффективность заявленного способа заключается в повышении отношения сигнал/шум при количестве абонентских станций 2.1-2.N, меньшем, чем число приемопередатчиков 8.1-8.М и антенн 9.1-9.М базовой станции 1 за счет обеспечения возможности использования всех приемопередатчиков 8.1-8.М и антенн 9.1-9.М базовой станции 1 для обработки сигналов абонентских устройств 2.1-2.N.

Предлагаемый способ технически эффективен, если количество одновременно работающих абонентских радиостанций 2.1-2.N не превышает числа приемопередатчиков 8.1-8.М и антенн 9.1-9.М базовой станции 1. На практике, при необходимости обеспечения связью большего числа абонентов, могут реализоваться следующие сценарии.

Абонентские устройства 2.1-2.N разбиваются на группы по N≤M устройств, базовая станция 1 циклически обходит группы абонентских устройств 2.1-2.N таким образом, что каждой группе выделяется одна и та же величина пропускной способности во времени.

Некоторым абонентским устройствам 2.1-2.N или группам устройств могут выделяться различные значения пропускной способности. Например, абонентским устройствам 2.1-2.N могут присваиваться приоритеты, так что устройствам с относительно более высоким приоритетом может быть гарантировано больше циклов связи (т.е. больше пропускной способности), чем устройствам с относительно более низким приоритетом.

Базовая станция 1 динамически может выделять пропускную способность на основе текущей загрузки, требуемой абонентским устройствам 2.1-2.N. Например, если одно абонентское устройство передает потоковое видео в реальном масштабе времени, а прочие устройства выполняют функции не в реальном масштабе времени, такие как электронная почта, тогда базовая станция 1 может предоставить большую пропускную способность абонентскому устройству, передающему потоковое видео.

Может возникнуть ситуация, когда два абонентских устройства, например 2.i и 2.j, могут находиться настолько близко друг к другу, что характеристики каналов для этих абонентов, по сути, одинаковы. В результате, базовая станция 1 не сможет создать пространственно распределенные сигналы для каждого абонентского устройства 2.i и 2.j. Поэтому в данном варианте реализации базовая станция 1 распределяет эти абонентские устройства в разные группы.

Обеспечение связью различных групп базовая станция 1 может производить с помощью известных методов мультиплексирования канала. Например, базовая станция 1 может применять методы мультиплексирования с разделением по времени, мультиплексирования с разделением по частоте или множественного доступа с кодовым разделением.

Хотя каждое абонентское устройство 2.1-2.N, описанное выше, снабжено одной антенной 10.1-10.N, предложенное изобретение может применяться для увеличения пропускной способности при использовании абонентских устройств 2.1-2.N со множеством антенн. Базовая станция 1 может применять циклический обход абонентских устройств 2.1-2.N с антеннами 10.1-10.N и распределять их в разные группы. При этом каждое абонентское устройство 2.1-2.N может рассматриваться как отдельный «абонент», и этому «абоненту» может выделяться пропускная способность, как это делалось бы любому другому абоненту.

Способ беспроводной связи в системе с распределенными входами и выходами, содержащий этапы на которых:
- при организации связи с каждого из Μ приемопередатчиков базовой станции через соответствующую антенну передают обучающий сигнал к каждой N антенне каждого приемопередатчика из N абонентских устройств;
- в каждом абонентском устройстве в блоке кодирования, модуляции и обработки сигналов обучающий сигнал оценивают, формируют набор из Μ параметров канала, определяющих характеристическую матрицу канала Н, и передают параметры канала на базовую станцию;
- в базовой станции в блоке формирования характеристической матрицы канала на основе полученных N наборов из Μ параметров канала формируют прямоугольную характеристическую матрицу канала связи Η размерностью ΜxΝ (Ν≤Μ):

где A_ij (i=1, 2, …, M; j=1, 2, …, Ν) представляет собой комплексный параметр канала, полученный при приеме обучающего сигнала j-м абонентским устройством от i-го передатчика базовой станции;
- далее, в базовой станции в блоке расчета псевдообратной матрицы вычисляют псевдообратную матрицу с элементами h⁺ _ij:

где "т" - индекс транспонирования и комплексного сопряжения;
- после передачи параметров канала, посредством каждого из абонентских устройств осуществляют передачу информационных сигналов, которые, проходя через канал связи с характеристической матрицей Н, образуют на выходах приемопередатчиков базовой станции суммарные сигналы в виде системы уравнений:




где y_i - отсчет сигнала на выходе i-го приемника (i=1, 2, …, М);
x_j - сигнал, переданный j-м абонентским устройством (j=1, 2, …, Ν)
- далее полученные сигналы в базовой станции подвергают преобразованию:




посредством которого обеспечивают полное разделение сигналов, переданных абонентскими устройствами;
- при организации передачи в одной частотной полосе N информационных сигналов от базовой станции с Μ приемопередатчиками к N абонентским устройствам (Ν≤Μ) таким образом, чтобы i-e (i=1, 2, …, Ν) абонентское устройство получало только ему предназначенный сигнал, сигналы u₁, u₂, …, u_N, поступающие с сетевого интерфейса базовой станции, подвергают преобразованию:




где где ν₁, ν₂, …, ν_M - сигналы на выходах блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1;
u₁, u₂, …, u_N - сигналы на входе блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции;
- полученные сигналы ν₁, ν₂, …, ν_M через соответствующие приемопередатчики базовой станции передают в канал связи с характеристической матрицей канала Η и на выходе канала они преобразуются к виду:




где z₁, z₂, …, z_N - сигналы, поступающие из канала связи на антенны 9.1-9.Ν абонентских устройств 2.1-2.Ν;
- что и обеспечивает раздельный прием сигналов соответствующими абонентскими устройствами.