СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ОДНОВРЕМЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В АКТИВНО ИСПОЛЬЗУЕМОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
SYSTEMS AND METHODS FOR SIMULTANEOUS USE OF FREQUENCY BAND IN ACTIVELY USED FREQUENCY BAND

Перекрестные ссылки на смежные заявки
Настоящая заявка испрашивает преимущество и приоритет по находящейся на одновременном рассмотрении предварительной заявке на патент США №61/980,479, поданной 16 апреля 2014 г., озаглавленной Systems And Methods For Concurrent Spectrum Usage Within Actively Used Spectrum.
Настоящая заявка может относиться к представленным ниже заявкам на патенты США, находящимся на одновременном рассмотрении, и предварительным заявкам на патенты США.
Предварительная заявка на патент США №61/937,273, озаглавленная Systems and Methods for Mapping Virtual Radio Instances into Physical Areas to Coherence in Distributed Antenna Wireless Systems.
Заявка на патент США №13/844,355, озаглавленная Systems and Methods for Radio Frequency Calibration Exploiting Channel Reciprocity in Distributed Input Distributed Output Wireless Communications.
Заявка на патент США №13/797,984, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №13/797,971, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №13/797,950, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №14/156,254, озаглавленная System and Method For Distributed Antenna Wireless Communications.
Заявка на патент США №14/086,700, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №14/023,302, озаглавленная Systems And Methods To Coordinate Transmissions In Distributed Wireless Systems Via User Clustering.
Заявка на патент США №13/633,702, озаглавленная Systems and Methods for Wireless Backhaul in Distributed-Input Distributed-Output Wireless Systems.
Заявка на патент США №13/475,598, озаглавленная Systems and Methods to enhance spatial diversity in distributed-input distributed-output wireless systems.
Заявка на патент США №13/464,648, озаглавленная System and Methods to Compensate for Doppler Effects in Distributed-Input Distributed Output Systems.
Заявка на патент США №13/461,682, озаглавленная System and Method for Adjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal Strength Measurements.
Заявка на патент США №13/233,006, озаглавленная System and Methods for planned evolution and obsolescence of multiuser spectrum.
Заявка на патент США №13/232,996, озаглавленная Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence in Wireless Systems.
Заявка на патент США №12/802,989, озаглавленная System And Method For Managing Handoff Of A Client Between Different Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Networks Based On Detected Velocity Of The Client.
Заявка на патент США №12/802,988, озаглавленная Interference Management, Handoff, Power Control And Link Adaptation In Distributed-Input Distributed-Output (DIDO) Communication Systems.
Заявка на патент США №12/802,975, озаглавленная System And Method For Link adaptation In DIDO Multicarrier Systems.
Заявка на патент США №12/802,974, озаглавленная System And Method For Managing Inter-Cluster Handoff Of Clients Which Traverse Multiple DIDO Clusters.
Заявка на патент США №12/802,958, озаглавленная System And Method For Power Control And Antenna Grouping In A Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Network.
Патент США №8,654,815, выданный 18 февраля 2014 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communications.
Патент США №8,571,086, выданный 29 октября 2013 г., озаглавленный System and Method for DIDO Precoding Interpolation in Multicarrier Systems.
Патент США №8,542,763, выданный 24 сентября 2013 г., озаглавленный Systems and Methods То Coordinate Transmissions In Distributed Wireless Systems Via User Clustering.
Патент США №8,428,162, выданный 23 апреля 2013 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communications.
Патент США №8,170,081, выданный 1 мая 2012 г., озаглавленный System And Method For Adjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal Strength Measurements.
Патент США №8,160,121, выданный 17 апреля 2012 г., озаглавленный System and Method For Distributed Input-Distributed Output Wireless Communications.
Патент США №7,885,354, выданный 8 февраля 2011 г., озаглавленный System and Method For Enhancing Near Vertical Incidence Skywave ("NVIS") Communication Using Space-Time Coding.
Патент США №7,711,030, выданный 4 мая 2010 г., озаглавленный System and Method For Spatial-Multiplexed Tropospheric Scatter Communications.
Патент США №7,636,381, выданный 22 декабря 2009 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Патент США №7,633,994, выданный 15 декабря 2009 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Патент США №7,599,420, вьщанньгй 6 октября 2009 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Патент США №7,418,053, выданный 26 августа 2008 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Предпосылки создания изобретения
Режим дуплексной связи с частотным разделением (FDD), как и режим дуплексной связи с временным разделением (TDD), часто используется в системах беспроводной связи. Например, стандарт LTE поддерживает как режим работы FDD, так и режим работы TDD. В качестве другого примера можно привести стандарты 802.11 (например, Wi-Fi), которые поддерживают режим работы TDD.
В случае стандарта LTE для радиоинтерфейса т.н. сети наземного радиодоступа последующего поколения технологии UMTS (E-UTRA) определяются разные нумерованные полосы. Для каждой полосы E-UTRA указывается не только конкретный номер полосы, но и используемый режим: FDD или TDD, а также определяется диапазон частот для каждой полосы (перечень диапазонов E-UTRA и их спецификации см., например, по ссылке http://en.wikipedia.org/wiki/LTE_frequency_bands#Frequency_bands_and_channel_bandwidths). Например, для полосы 7 определен режим работы FDD и указан диапазон частот 2500-2570 МГц для восходящей линии связи (UL) и 2620-2690 МГц для нисходящей линии связи (DL). Эта полоса поддерживает сигналы с шириной 5, 10, 15 и 20 МГц для каждого диапазона частот полос UL и DL.
Во многих случаях полосы E-UTRA перекрываются. Например, разные полосы могут использовать общий диапазон частот, выделенный для разных рынков или регионов. Например, полоса 41 с режимом работы TDD и диапазоном частот 2496-2690 МГц как для линии UL, так и для линии DL перекрывается с диапазонами частот линий UL и DL полосы 7, работающей в режиме FDD. В настоящее время полоса 41 используется в США оператором Sprint, в то время как полоса 7 используется оператором Rogers Wireless в граничащей с США Канаде. Таким образом, в США полоса 2500-2570 МГц представляет собой диапазон частот TDD, в то время как в Канаде та же полоса используется для линии UL диапазона частот FDD.
Как правило, при подключении к беспроводной сети мобильное устройство сканирует полосу на наличие сигнала, передаваемого от одной или более базовых станций, и, как правило, во время процедуры подключения базовая станция передает характеристики сети, такие как используемый сетью диапазон частот, а также подробную информацию об используемом протоколе. Например, если устройство LTE сканирует диапазон частот 2620-2690 МГц в США, оно может получить кадр линии DL сети LTE, переданный станцией eNodeB, указывающий на то, что используется полоса 41, и если устройство LTE поддерживает полосу 41 и режим работы TDD, то оно может попытаться подключиться к этой станции eNodeB в режиме TDD в этой полосе. Аналогичным образом, если устройство LTE сканирует диапазон частот 2620-2690 МГц в Канаде, оно может получить кадр линии DL сети LTE, переданный станцией eNodeB, указывающий на то, что используется полоса 7, и если устройство LTE поддерживает полосу 7 и режим работы FDD, то оно может попытаться подключиться к этой станции eNodeB в режиме FDD в полосе 7.
В большинстве сетей LTE, развернутых ранее по всему миру, применяется режим работы FDD (например, Verizon, AT&T), но все чаще применяется режим работы TDD как на рынках с широким применением режима работы FDD, например, в США, где оператор Sprint развертывает сеть с применением режима работы TDD, так и на рынках, где сети LTE не имеют широкого покрытия, например в Китае, где оператор China Mobile развертывает сеть с применением режима работы TDD. Во многих случаях один и тот же оператор развертывает сети с применением режимов работы FDD и TDD на разных частотах (например, в США оператор Sprint работает как в режиме FDD LTE, так и в режиме TDD LTE на разных частотах) и может предложить устройства LTE, способные работать в обоих режимах в зависимости от используемой полосы.
Обратите внимание на то, что перечень полос LTE E-UTRA не является окончательным, и он изменяется по мере того, как операторам мобильной связи выделяются новые диапазоны частот, и выпускаются устройства, использующие эти диапазоны. Новые диапазоны выделяются как в полосе частот, в которой отсутствует перекрытие с имеющимися диапазонами, так и в полосе частот, которые перекрываются с выделенными ранее диапазонами. Например, через несколько лет после определения более старых полос 12, 13, 14 и 17 в режиме FDD на частоте 700 МГц в качестве полосы E-UTRA была добавлена полоса 44 в режиме TDD в диапазоне частот 703-803 МГц.
Как видно на фиг. 6, основная часть мобильных данных приходилась на голосовые данные (например, в 1 квартале 2007 г.), которые являются высокосимметричными. Но с появлением iPhone в 2007 г., стремительным внедрением ОС Android и последующим появлением iPad в 2009 г. объем неголосовых мобильных данных значительно опережал рост голосовых данных до того момента, когда к середине 2013 г. голосовые данные составили лишь небольшую часть от всего объема трафика мобильных данных. Прогнозируется дальнейший рост объема неголосовых данных по экспоненте, затмевающий незначительный объем голосовых данных.
Как можно увидеть на фиг. 7, в структуре неголосовых мобильных данных значительно преобладают мультимедийные данные, такие как данные потокового видео, аудиоданные и данные просмотра веб-страниц (большая часть которых включает в себя данные потокового видео). Хотя некоторые данные потокового мультимедиа передаются по линии UL (например, во время видеоконференции), подавляющее большинство таких данных передаются по линии DL, что обуславливает крайнюю асимметричность объемов данных, передаваемых по линиям DL и UL. Например, в статье «Asymmetry and the impending (US) spectrum crisis» из газеты Financial Times от 28 мая 2013 г. говорится: «… по оценкам индустрии, отношение трафика диапазона нисходящих соединений к трафику диапазона восходящих соединений колеблется от примерно восьми к одному (8:1) до значительно больших значений». Затем в статье указывается на то, что широко используемые в США сети с режимом работы FDD очень неэффективны при работе с такими асимметричными нагрузками, поскольку в режиме работы FDD для линий DL и UL выделяются одинаковые полосы частот. В качестве другого примера можно привести исследование компании Qualcomm, которая оценила асимметричное отношение трафика линий DL/UL для одного из операторов США на основании измерений в действующих сетях, проведенных в 2009 году, как 9:1 (см. отчет компании Qualcomm за ноябрь 2013 г. «1000х: more spectrum especially for small cells», размещенный по адресу http://www.qualcomm.com/media/documents/files/1000x-more-spectrum-especially-for-small-cells.pdf). Таким образом, даже если диапазон частот линии DL в режиме работы FDD используется интенсивно (теоретически до момента перегрузки), диапазон частот линии UL может оставаться в значительной степени незадействованным.
В статье газеты Financial Times говорится о том, что режим работы TDD намного лучше подходит для такого асимметричного характера нагрузки, поскольку этот режим выполнен с возможностью выделения гораздо большего количества временных интервалов для данных линии DL, чем для данных линии UL. Например, если для режима работы FDD выделена полоса 20 МГц (10+10 МГц), то пропускная способность линии DL ограничена максимальной пропускной способностью полосы частот 10 МГц (даже если для передачи данных по линии UL необходима гораздо меньшая полоса частот, чем выделенные 10 МГц), в то время как при использовании полосы частот 20 МГц, выделенной для режима работы TDD, линия DL подавляющее большинство времени может задействовать все 20 МГц, а для линии UL может выделяться полоса частот 20 МГц лишь на небольшое время, что гораздо лучше соответствует актуальным характеристикам передачи данных. В статье отмечается, что, к сожалению, большая часть диапазона частот, выделенного в США для мобильной связи, уже занята системами мобильной связи, работающими в режиме FDD, при этом Федеральной комиссии по связи США (FCC) настоятельно рекомендуется всячески поощрять использование режима работы TDD при выделении нового диапазона частот.
Хотя режим TDD, безусловно, позволил бы более эффективно использовать выделенные новые диапазоны частот, учитывая все более асимметричный характер мобильных данных, к сожалению, существующие развернутые сети FDD не могут изменить режим работы на TDD, поскольку подавляющее большинство пользователей сетей LTE FDD используют устройства, которые поддерживают только режим FDD и не смогут подключиться к сети, если сеть будет переведена в режим работы TDD. Следовательно, поскольку использование данных в сетях LTE становится все более асимметричным, существующие сети LTE FDD будут все чаще испытывать перегрузку на линии DL, в то время как диапазон частот линии UL будет все чаще задействован недостаточно (по минимальной оценке, указанной в статье из газеты Financial Times от 28 мая 2013 г., отношение объема трафика на линии DL к объему трафика на линии UL составляет 8:1, а это означает, что при максимальном использовании пропускной способности линии DL будет задействовано только 1/8 пропускной способности линии UL, что соответствует 1,25 МГц из 10 МГц). Это крайне нерационально и неэффективно, особенно учитывая физическое наличие ограниченного диапазона частот, предназначенного для практического использования в мобильной связи (например, частоты сигналов, которые могут проникать сквозь стены и хорошо распространяются в условиях отсутствия прямой видимости, находятся в диапазоне 450-2600 МГц), а также экспоненциальное увеличение (чаще асимметричное) объема мобильных данных (например, в исследовании VNI компании Cisco от 02.2013 г. прогнозируется среднегодовой темп роста объема данных в мобильных сетях, большую часть из которых представляет потоковое видео и другие высокоасимметричные данные, на уровне 61% до 2018 г.).
Краткое описание рисунков
Для наилучшего понимания настоящего изобретения последующее подробное описание необходимо рассматривать в сочетании с описанными ниже рисунками.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема сети радиодоступа DIDO (DRAN).
На фиг. 2 представлен стек протоколов виртуальной радиоточки (VRI), совместимый с моделью OSI и стандартом LTE.
На фиг. 3 представлены смежные сети DRAN для расширения покрытия в беспроводных сетях DIDO.
На фиг. 4 представлена эстафетная передача между сетью DRAN и смежными беспроводными сетями.
На фиг. 5 представлена эстафетная передача между сетью DRAN и сотовыми сетями стандарта LTE.
На фиг. 6 представлены данные об объеме голосовых и неголосовых данных в мобильных сетях, использующих предшествующий уровень техники, за 2007-2013 гг.
На фиг. 7 представлены данные о трафике в мобильных сетях, использующих предшествующий уровень техники, за 2012 г., разделенные по типам приложений.
На фиг. 8 представлено сравнение режимов работы сетей FDD LTE и TDD LTE, использующих предшествующий уровень техники.
На фиг. 9 представлена новая сеть TDD, использующая диапазон частот линии UL одновременно с существующей сетью FDD.
На фиг. 10 представлена таблица дуплексных конфигураций сети TDD LTE, использующей предшествующий уровень техники.
На фиг. 11 представлена новая сеть TDD, использующая диапазон частот линии DL одновременно с существующей сетью FDD.
На фиг. 12 представлены две новые сети TDD, использующие диапазоны частот линий UL и DL одновременно с существующей сетью FDD.
На фиг. 13 представлена новая сеть FDD, использующая диапазон частот линий UL и DL одновременно с существующей сетью FDD.
Подробное описание
Одно из решений для преодоления большинства из упомянутых выше ограничений предшествующего уровня техники представляет собой применение пользовательских устройств, одновременно работающих в режиме TDD в том же диапазоне частот, который в настоящее время используется для линий UL или DL в режиме FDD, что позволяет обеспечить согласованное использование диапазона частот TDD, не противоречащее текущему использованию диапазона частот FDD. В частности, в канале UL FDD присутствует значительно больше неиспользуемого диапазона частот, при этом устройства TDD могут использовать этот диапазон частот, не оказывая влияния на пропускную способность существующей сети FDD. Это также позволяет использовать режим работы TDD в очень эффективном для распространения сигнала УВЧ-диапазоне, который во многих странах мира почти полностью выделен для систем FDD, из-за чего для систем TDD выделяется гораздо менее эффективный для распространения сигнала СВЧ-диапазон.
В другом варианте осуществления предлагается применение пользовательских устройств, одновременно работающих в режиме FDD в том же диапазоне частот, который в настоящее время используется для линий UL или DL в режиме работы FDD, но при этом каналы UL и DL будут переставлены местами, что позволяет обеспечить согласованное использование диапазона частот каждой сети, не противоречащее использованию диапазона частот других сетей. Учитывая тот факт, что канал UL каждой сети задействован недостаточно по сравнению с каналом DL, это позволяет каналу DL каждой сети использовать незадействованный диапазон частот канала UL другой сети.
Кроме того, в каждом из вариантов осуществления спектральная эффективность может быть значительно увеличена за счет внедрения одной или обеих сетей с применением технологии распределенного входа - распределенного выхода (DIDO), описанной в следующих патентах, заявках на патенты и предварительных заявках на патенты, все из которых переуступлены правопреемнику настоящего патента и включены в настоящее описание путем ссылки. Эти патенты, заявки и предварительные заявки все вместе иногда упоминаются в настоящем документе как «смежные патенты и заявки».
Предварительная заявка на патент США №61/937,273, озаглавленная Systems and Methods for Mapping Virtual Radio Instances into Physical Areas to Coherence in Distributed Antenna Wireless Systems.
Заявка на патент США №14/156,254, озаглавленная System and Method For Distributed Antenna Wireless Communications.
Заявка на патент США №14/086,700, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №14/023,302, озаглавленная Systems And Methods To Coordinate Transmissions In Distributed Wireless Systems Via User Clustering.
Заявка на патент США №13/844,355, озаглавленная Systems and Methods for Radio Frequency Calibration Exploiting Channel Reciprocity in Distributed Input Distributed Output Wireless Communications.
Заявка на патент США №13/797,984, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №13/797,971, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №13/797,950, озаглавленная Systems and Methods for Exploiting Inter-cell Multiplexing Gain in Wireless Cellular Systems Via Distributed Input Distributed Output Technology.
Заявка на патент США №13/633,702, озаглавленная Systems and Methods for wireless backhaul in distributed-input distributed-output wireless systems.
Заявка на патент США №13/475,598, озаглавленная Systems and Methods to enhance spatial diversity in distributed-input distributed-output wireless systems.
Заявка на патент США №13/464,648, озаглавленная System and Methods to Compensate for Doppler Effects in Distributed-Input Distributed Output Systems.
Заявка на патент США №13/233,006, озаглавленная System and Methods for planned evolution and obsolescence of multiuser spectrum.
Заявка на патент США №13/232,996, озаглавленная Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence in Wireless Systems.
Заявка на патент США №12/802,989, озаглавленная System And Method For Managing Handoff Of A Client Between Different Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Networks Based On Detected Velocity Of The Client.
Заявка на патент США №12/802,988, озаглавленная Interference Management, Handoff, Power Control And Link Adaptation In Distributed-Input Distributed-Output (DIDO) Communication Systems.
Заявка на патент США №12/802,975, озаглавленная System And Method For Link adaptation In DIDO Multicarrier Systems.
Заявка на патент США №12/802,974, озаглавленная System And Method For Managing Inter-Cluster Handoff Of Clients Which Traverse Multiple DIDO Clusters.
Заявка на патент США №12/802,958, озаглавленная System And Method For Power Control And Antenna Grouping In A Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Network.
Патент США №8,654,815, выданный 18 февраля 2014 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communications.
Патент США №8,571,086, выданный 29 октября 2013 г., озаглавленный System and Method for DIDO precoding interpolation in multicarrier systems.
Патент США №8,542,763, выданный 24 сентября 2013 г., озаглавленный Systems and Methods to coordinate transmissions in distributed wireless systems via user clustering.
Патент США №8,428,162, выданный 23 апреля 2013 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Патент США №8,170,081, выданный 1 мая 2012 г., озаглавленный System And Method For Adjusting DIDO Interference Cancellation Based On Signal Strength Measurements.
Патент США №8,160,121, выданный 17 апреля 2012 г., озаглавленный System and Method For Distributed Input-Distributed Output Wireless Communications.
Патент CШA №7,885,354, выданный 8 февраля 2011 г., озаглавленный System and Method For Enhancing Near Vertical Incidence Skywave ("NVIS") Communication Using Space-Time Coding.
Патент CIIIA №7,711,030, выданный 4 мая 2010 г., озаглавленный System and Method For Spatial-Multiplexed Tropospheric Scatter Communications.
Патент CIIIA №7,636,381, выданный 22 декабря 2009 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Патент CIIIA №7,633,994, выданный 15 декабря 2009 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Патент CIIIA №7,599,420, выданный 6 октября 2009 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Патент CIIIA №7,418,053, выданный 26 августа 2008 г., озаглавленный System and Method for Distributed Input Distributed Output Wireless Communication.
Настоящее изобретение описывает системы и способы одновременного использования диапазона частот в активно используемом диапазоне частот. Некоторые варианты осуществления используют технологии распределенного входа - распределенного выхода и MU-MAS, описанные ранее патентовладельцем, правопреемником которого является владелец настоящего патента. Описание изобретения, представленное в разделе 1 и разделе 2 ниже, соответствует описанию в предварительной заявке на патент США №61/937,273, поданной 7 февраля 2014 г., озаглавленной Systems and Methods for Mapping Virtual Radio Instances into Physical Areas to Coherence in Distributed Antenna Wireless Systems, и относится к настоящему изобретению.
1. Системы и способы картирования точек VRI в области когерентности
В одном варианте осуществления настоящего изобретения описаны системы и способы одновременной передачи в пределах одной полосы частот нескольких неинтерферирующих потоков данных между сетью и множеством областей когерентности по беспроводной линии связи посредством виртуальных радиоточек (VRI). В одном варианте осуществления система представляет собой многопользовательскую многоантенную систему (MU-MAS), как показано на фиг. 1. Блоки с цветной кодировкой, показанные на фиг. 1, представляют собой взаимно однозначное картирование между источниками 101 данных, точками VRI 106 и областями когерентности 103, как описано ниже.
1.1 Обзор архитектуры системы
На фиг. 1 источники 101 данных представляют собой файлы или потоки данных, содержащие веб-контент или файлы на локальном или удаленном сервере, например текст, изображения, аудио, видео или их комбинации. Один или более файлов или потоков данных передаются между сетью 102 и каждой областью когерентности 103 по беспроводной линии связи 110. В одном варианте осуществления сеть представляет собой сеть Интернет или любую проводную либо беспроводную локальную сеть.
Область когерентности представляет собой объем в пространстве, в котором сигналы от разных антенн MU-MAS когерентно складываются таким образом, что в указанной области когерентности принимаются только выходные данные 112 одной точки VRI без какой-либо интерференции с выходными данными других точек VRI, одновременно передаваемыми по той же беспроводной линии связи. В настоящей заявке термин «область когерентности» используют для описания объемов когерентности или персональных сот (например, «pCells™» 103), описанных ранее в предыдущих заявках на патенты, таких как заявка на патент США №13/232,996, озаглавленная Systems and Methods to Exploit Areas of Coherence in Wireless Systems. В одном варианте осуществления области когерентности соответствуют местоположениям пользовательского оборудования (UE) 111 или абонентов беспроводной сети так, что каждый абонент связан с одним или более источниками 101 данных. Области когерентности могут иметь разные размеры и форму в зависимости от условий распространения сигнала, а также от типа предварительного кодирования MU-MAS, используемого для их создания. В одном варианте осуществления изобретения устройство предварительного кодирования MU-MAS динамически регулирует размер и форму областей когерентности, таким образом адаптируясь к изменяющимся условиям распространения сигнала, обеспечивая доставку контента пользователям с обеспечением надежного соединения.
Источники 101 данных сначала передаются по сети 102 в сеть радиодоступа DIDO (DRAM) 104. Затем сеть DRAN преобразует файлы или потоки данных в формат данных, который могут принимать устройства UE, и передает файлы или потоки данных одновременно во множество областей когерентности так, что каждое устройство UE принимает только свои файлы или потоки данных, не испытывая помех от файлов или потоков данных, отправленных другим устройствам UE. Сеть DRAN состоит из шлюза 105, представляющего собой интерфейс между сетью и точками VRI 106. Точки VRI преобразуют пакеты, перенаправляемые шлюзом, в потоки 112 данных либо в виде исходных данных, либо в структуре пакета или кадра, передаваемых в блок основной полосы частот в системе MU-MAS. В одном варианте осуществления точка VRI содержит стек протоколов взаимодействия открытых систем (OSI), состоящий из нескольких уровней (прикладной, презентационный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический уровни), как показано на фиг. 2а. В другом варианте осуществления точка VRI содержит только некоторые из уровней OSI.
В другом варианте осуществления точки VRI определяются другими стандартами беспроводной связи. В качестве примера, без ограничений, первая точка VRI содержит стек протоколов стандарта GSM, вторая - стандарта 3G, третья - стандарта HSPA+, четвертая - стандарта LTE, пятая - стандарта LTE-A и шестая - стандарта Wi-Fi. В одном примере осуществления точки VRI содержат стек протоколов плоскости управления или плоскости пользователя, определенный в стандартах LTE. Стек протоколов плоскости пользователя представлен на фиг. 2b. Каждое устройство UE 202 взаимодействует с собственной точкой VRI204 через уровни PHY, MAC, RLC и PDCP, со шлюзом 203 - через уровень IP, а с сетью 205 - через прикладной уровень. Для стека протоколов плоскости управления устройство UE также взаимодействует непосредственно с узлом управления мобильностью (ММЕ) через уровень NAS (как определено в стеке стандартов LTE).
Диспетчер 107 виртуальных соединений (VCM) отвечает за назначение устройствам UE идентификаторов уровня PHY (например, временного идентификатора радиосети отдельной соты, RNTI), аутентификацию и мобильность точек VRI и устройств UE. Потоки 112 данных на выходе точек VRI передаются в виртуальный радиодиспетчер (VRM) 108. Диспетчер VRM содержит блок планирования (осуществляет планирование пакетов нисходящей (DL) и восходящей (UL) линий связи для различных устройств UE), блок основной полосы частот (например, содержит кодирующее/декодирующее устройство FEC (прямой коррекции ошибок), модулятор/демодулятор, устройство построения сетки ресурсов) и процессор основной полосы частот в системе MU-MAS (включает алгоритм предварительного кодирования для реализации операций предварительного кодирования). В одном варианте осуществления потоки 112 данных представляют собой значения I/Q на выходе уровня PHY (см. фиг. 2b), которые обрабатывает процессор основной полосы частот в системе MU-MAS. В другом варианте осуществления потоки 112 данных представляют собой пакеты MAC, RLC или PDCP, переданные в блок планирования, который перенаправляет их в блок основной полосы частот. Блок основной полосы частот преобразует пакеты в значения I/Q, передаваемые в процессор основной полосы частот в системе MU-MAS.
Процессор основной полосы частот в системе MU-MAS представляет собой ядро диспетчера VRM, которое преобразует М значений I/Q из М точек VRI в N потоков 113 данных, переданных в N точек доступа (АР) 109. В одном варианте осуществления потоки 113 данных представляют собой значения I/Q N сигналов, переданных по беспроводной линии 110 связи из точек доступа АР 109. В таком варианте осуществления точка доступа АР состоит из АЦП/ЦАП, РЧ-цепи и антенны. В другом варианте осуществления потоки 113 данных представляют собой биты данных и информацию о предварительном кодировании в системе MU-MAS, которые комбинируются в точках доступа АР, формируя N сигналов, передаваемых по беспроводной линии 110 связи. В таком варианте осуществления каждая точка доступа АР оснащена центральным процессором (CPU), цифровым сигнальным процессором (DSP) или системой на кристалле для дополнительной обработки основной полосы частот перед блоками АЦП/ЦАП.
1.2 Поддержка мобильности и эстафетной передачи данных
Описанные выше системы и способы применимы, если устройства UE находятся в пределах покрытия точек доступа АР. При перемещении устройств UE из зоны покрытия точки доступа АР соединение может прерваться, и сеть DRAN 301 не сможет создать области когерентности. Для расширения зоны покрытия системы можно постепенно разворачивать за счет добавления новых точек доступа АР. Однако диспетчеру VRM может не хватить вычислительной мощности для под держки новых точек доступа АР, или могут возникнуть практические проблемы при подключении новых точек доступа АР к одному диспетчеру VRM. В таких случаях необходимо разворачивать смежные сети DRAN 302 и 303 для поддержки новых точек доступа АР, как показано на фиг. 3.
В одном варианте осуществления конкретное устройство UE находится в зоне покрытия, обслуживаемой первой сетью DRAN 301 и смежной сетью DRAN 302. В таком варианте осуществления смежная сеть DRAN 302 выполняет только обработку основной полосы частот в системе MU-MAS для этого устройства UE одновременно с обработкой системы MU-MAS первой сетью DRAN 301. Смежная сеть DRAN 302 не управляет какой-либо точкой VRI для данного устройства UE, поскольку точка VRI для этого устройства UE уже запущена в первой сети DRAN 301. Для организации совместного предварительного кодирования первой и смежной сетями DRAN диспетчер VRM в первой сети DRAN 301 и диспетчер VRM в смежной сети DRAN 302 обмениваются информацией об основной полосе частот через облачный диспетчер VRM 304 и линии 305 связи. Линии 305 связи представляют собой любую проводную (например, оптоволокно, DSL, кабель) или беспроводную линию связи (например, линии связи в пределах прямой видимости), которая обеспечивает соединение надлежащего качества (например, достаточно низкую задержку и достаточную скорость передачи данных) во избежание снижения производительности предварительного кодирования в системе MU-MAS.
В другом варианте осуществления конкретное устройство UE перемещается за пределы зоны покрытия первой сети DRAN 301 в зону покрытия смежной сети DRAN 303. В таком варианте осуществления точка VRI, связанная с этим устройством UE, «телепортируется» из первой сети DRAN 301 в смежную сеть DRAN 303. Под «телепортацией точки VRI» понимают процесс передачи информации о состоянии точки VRI из сети DRAN 301 в сеть DRAN 303, при котором точка VRI перестает функционировать в пределах сети DRAN 301 и начинает функционировать в пределах сети DRAN 303. В идеальном варианте телепортация точки VRI происходит достаточно быстро, и устройство UE, обслуживаемое этой точкой VRI, не испытывает обрывов передачи потоков данных от точки VRI. В одном варианте осуществления, если точка VRI после телепортации начинает функционировать с задержкой, то перед телепортацией устройство UE, обслуживаемое этой точкой VRI, переводится в состояние, в котором оно будет сохранять соединение до тех пор, пока точка VRI не запустится в смежной сети DRAN 303 и не продолжит обслуживать это устройство. Телепортацию точки VRI обеспечивает облачный диспетчер VCM 306, который соединяет диспетчер VCM в первой сети DRAN 301 с диспетчером VCM в смежной сети DRAN 303. Проводные или беспроводные линии 307 связи между диспетчерами VCM не имеют таких ограничений, как линии 305 связи между диспетчерами VRM, поскольку они только передают данные и не влияют на производительность предварительного кодирования в системе MU-MAS. В аналогичном варианте осуществления изобретения между первой сетью DRAN 301 и смежной сетью DRAN 303 используют дополнительные линии 305 связи для соединения диспетчеров VRM этих сетей, которые обеспечивают соединение надлежащего качества (например, достаточно низкую задержку и достаточную скорость передачи данных) во избежание снижения производительности предварительного кодирования в системе MU-MAS. В одном варианте осуществления изобретения шлюзы первой и смежной сетей DRAN соединены с облачным шлюзом 308, который управляет трансляцией всех сетевых адресов (или IP-адресов) в сетях DRAN.
В одном варианте осуществления изобретения телепортация точки VRI происходит между сетью DRAN, описанной в настоящей заявке, и любой смежной беспроводной сетью 401, как показано на фиг. 4. Представленная в качестве примера, без ограничений, беспроводная сеть 401 может представлять собой любую традиционную сотовую сеть (например, GSM, 3G, HSPA+, LTE, LTE-A) или беспроводную локальную сеть (WLAN, например, Wi-Fi). Поскольку точка VRI телепортируется из сети DRAN в смежную беспроводную сеть 401, выполняется эстафетная передача устройства UE из одной сети в другую, и беспроводное соединение продолжает функционировать.
В одном варианте осуществления смежная беспроводная сеть 401 представляет собой сеть LTE, показанную на фиг. 5. В таком варианте осуществления облачный диспетчер VCM 502 подключен к узлу 501 управления мобильностью (ММЕ) стандарта LTE. Вся информация об идентификации, аутентификации и мобильности каждого устройства UE, передаваемая между сетями LTE и DRAN, передается между узлом ММЕ 501 и облачным диспетчером VCM 502. В аналогичном варианте осуществления узел ММЕ соединен с одной или более станциями eNodeB 503, подключенными к устройству UE 504 через беспроводную сотовую сеть. Станции eNodeB подключены к сети 507 через обслуживающий шлюз (S-GW) 505 и пакетный шлюз 506 (P-GW).
2. Системы и способы обработки нисходящей (DL) и восходящей (UL) линий связи в системе MU-MAS
Типичная нисходящая беспроводная линия связи (DL) состоит из широковещательных физических каналов, передающих информацию для всей соты, и выделенных физических каналов с информацией и данными для конкретного устройства UE. Например, стандарт LTE определяет широковещательные каналы, такие как P-SS и S-SS (используются для синхронизации на устройстве UE), MIB и PDCCH, а также каналы для передачи данных на конкретное устройство UE, такие как PDSCH. В одном варианте осуществления настоящего изобретения все широковещательные каналы стандарта LTE (например, P-SS, S-SS, MIC, PDCCH) предварительно кодируют так, что каждое устройство UE принимает только предназначенную ему информацию. В другом варианте осуществления предварительно кодируют только часть широковещательного канала. В качестве примера, без ограничений, канал PDCCH содержит широковещательную информацию, а также информацию, предназначенную для одного устройства UE, такую как DCI 1А и DCI 0, используемую для направления устройств UE на блоки ресурсов (RB), которые будут применены в каналах нисходящей (DL) и восходящей (UL) линий связи. В одном варианте осуществления широковещательную информацию канала PDCCH предварительно не кодируют, но предварительно кодируют часть канала, содержащую DCI 1А и 0, таким образом, что каждое устройство UE получает только предназначенную ему информацию о блоках RB, передающих данные.
В другом варианте осуществления изобретения предварительное кодирование применяют ко всем каналам данных или только к их части, например к каналу PDSCH в системах LTE. При применении предварительного кодирования всего канала данных по варианту осуществления, описанному в настоящей заявке, система MU-MAS выделяет всю полосу пропускания каждому устройству UE, и множество потоков данных от множества устройств UE разделяют посредством пространственной обработки. Однако в типичных сценариях большинству устройств UE, если не всем, не требуется вся полоса пропускания (например, около 70 Мбит/с на устройство UE, пиковая скорость передачи данных по линии для конфигурации TDD №2 в спектре 20 МГц). Затем в одном из вариантов осуществления система MU-MAS в настоящей заявке разделяет блоки RB линии DL на множество блоков, как в системах многостанционного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), и назначает каждый блок подмножеству устройств UE. Все устройства UE в пределах одного блока разделены посредством предварительного кодирования в системе MU-MAS. В другом варианте осуществления система MU-MAS выделяет разные подкадры линии DL разным подмножествам устройств UE, разделяя таким образом линию DL, как в системах TDMA. Еще в одном варианте осуществления система MU-MAS разделяет блоки RB линии DL на множество блоков между подмножествами устройств UE, как в системах OFDMA, и также выделяет разные подкадры линии DL разным подмножествам устройств UE, как в системах TDMA, используя таким образом и OFMDA, и TDMA для разделения пропускной способности. Например, если в конфигурации TDD №2 при 20 МГц доступно 10 точек доступа, то суммарная производительность линии DL составляет 70 Мбит/с × 10 = 700 Мбит/с. Если имеется 10 устройств UE, каждое устройство может одновременно получать 70 Мбит/с. Если имеется 200 устройств UE и необходимо равномерно разделить суммарную пропускную способность, то, используя OFDMA, TDMA или их комбинацию, эти 200 устройств UE будут разделены на 20 групп по 10 устройств, и каждое устройство UE получит 700 Мбит/с ÷ 200 = 3,5 Мбит/с. В другом примере, если для 10 устройств UE требуется 20 Мбит/с, а остальные устройства UE должны в равной мере использовать оставшуюся полосу, то 10 устройств UE будут использовать 20 Мбит/с × 10 = 200 Мбит/с из 700 Мбит/с, а оставшиеся 700 Мбит/с - 200 Мбит/с = 500 Мбит/с будут разделены между оставшимися 200 - 10 = 190 устройствами UE. При этом каждое из оставшихся 90 устройств получит 500 Мбит/с ÷ 190 = 2,63 Мбит/с. Поэтому система MU-MAS по настоящему изобретению может поддерживать гораздо большее количество устройств UE, чем имеется точек доступа АР, а общую пропускную способность всех точек доступа АР можно разделять между множеством устройств UE.
Для канала UL стандарт LTE определяет традиционные методы обеспечения многостанционного доступа, такие как TDMA или SC-FDMA. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предварительное кодирование в системе MU-MAS выполняют на линии DL для назначения разрешений использования линии UL разным устройствам UE с целью применения методов многостанционного доступа TDMA и SC-FDMA. Таким образом, общую пропускную способность линии UL можно разделять между устройствами UE, количество которых значительно превосходит количество точек доступа АР.
Если устройств UE больше, чем точек доступа АР, и общая пропускная способность разделяется между устройствами UE, как описано выше, в одном варианте осуществления система MU-MAS поддерживает отдельную точку VRI для каждого устройства UE, а диспетчер VRM управляет точками VRI так, что точки VRI используют блоки RB и разрешения ресурсов в соответствии с выбранной системой(-ами) OFDMA, TDMA или SC-FDMA, использованной(-ыми) для разделения общей пропускной способности. В другом варианте осуществления одна или более отдельных точек VRI могут поддерживать множество устройств UE и управлять планированием распределения пропускной способности между этими устройствами UE посредством методов OFDMA, TDMA или SC-FDMA.
В другом варианте осуществления планирование распределения пропускной способности основано на балансировке нагрузки запросов пользователей с применением любого из множества методов предшествующего уровня техники, в зависимости от политик и целевых показателей производительности системы. В другом варианте осуществления планирование зависит от требований к качеству обслуживания (QoS) для конкретных устройств UE (например, таких, которые оплачивают определенный уровень обслуживания, предоставляющий фиксированный уровень пропускной способности) или для определенных типов данных (например, видео для услуг телевидения).
В другом варианте осуществления для улучшения качества линии связи выбирают приемную антенну UL. В данном способе диспетчер VRM оценивает качество канала UL на основании сигнальной информации, передаваемой устройствами UE (например, SRS, DMRS), и определяет лучшую приемную антенну для разных устройств UE в линии UL. Затем диспетчер VRM назначает одну приемную антенну каждому устройству UE для улучшения качества его линии связи. В другом варианте осуществления выбор приемной антенны используют для уменьшения перекрестных помех между разными полосами частот, вызванных использованием схемы SC-FDMA. Существенное преимущество этого метода заключается в передаче данных устройством UE по линии UL только до ближайшей точки доступа АР. В таком случае устройство UE может значительно снизить мощность передачи, необходимую для достижения ближайшей точки доступа АР, продлевая таким образом время работы батареи. В аналогичном варианте осуществления используют разные коэффициенты масштабирования мощности для канала передачи данных UL и сигнального канала UL. В одном примере осуществления мощность сигнального канала UL (например, SRS) увеличивают по сравнению с мощностью канала передачи данных для обеспечения оценки информации CSI линии UL и предварительного кодирования в системе MU-MAS (с использованием принципа взаимности каналов UL/DL в системах TDD) от множества точек доступа АР, при этом ограничивая мощность, необходимую для передачи данных по линии UL. В аналогичном варианте осуществления уровни мощности сигнального канала UL и канала передачи данных UL регулируются диспетчером VRM посредством передачи сигналов по линии DL на основании способов управления мощностью передачи, которые выравнивают относительную мощность, передаваемую на разные устройства UE и принимаемую от них.
В другом варианте осуществления для улучшения качества сигнала, передаваемого от каждого устройства UE к множеству точек доступа АР, на приемнике UL применяют объединение сигналов с максимальным отношением (MRC). В другом варианте осуществления для различения потоков данных, получаемых от разных областей когерентности устройств UE, к линии UL применяют метод обращения в ноль незначащих компонентов (ZF), метод минимальной среднеквадратической ошибки (MMSE), последовательное подавление помех (SIC), прочие нелинейные методы или метод предварительного кодирования, используемый для предварительного кодирования линии DL. В аналогичном варианте осуществления пространственную обработку приемника применяют к каналу передачи данных UL (например, PUSCH), к управляющему каналу UL (например, PUCCH) или к обоим каналам.
3. Системы и способы одновременного использования диапазона частот в активно используемом диапазоне частот
Как подробно описано в разделе «Предпосылки создания изобретения» выше и показано на фиг. 6 и фиг. 7, использование мобильных данных резко изменилось с преобладания в значительной степени симметричных голосовых данных на преобладание высокоасимметричных неголосовых данных, в частности мультимедийных данных, таких как потоковое видео. Большинство развернутых сетей мобильной связи LTE в мире представляют собой сети FDD LTE, физический уровень которых показан в верхней половине фиг. 8, и который имеет фиксированные, симметричные каналы восходящей связи (UL) и нисходящей связи (DL), в результате чего, в то время как каналы DL становятся все более перегруженными из-за экспоненциального роста данных в каналах DL относительно данных в каналах UL, каналы данных UL все чаще используются недостаточно.
Стандарт LTE также поддерживает режим TDD LTE (также называемый TD-LTE), структура физического уровня которого показана в нижней половине фиг. 8, при этом оператор мобильной связи может выбрать, будут ли каналы UL и DL симметричными (как показано на этой фигуре) или асимметричными (например, когда для одного из каналов DL или UL будет выделено больше подкадров). В результате, если каналы DL становятся более перегруженными из-за экспоненциального увеличения объема данных в канале DL относительно данных в канале UL, оператор мобильной связи может выделить больше подкадров для канала DL, чем для канала UL. Например, в одном из вариантов конфигурации TD-LTE для пропускной способности линий DL и UL поддерживается отношение 8:1, при котором для линии DL выделяется в 8 раз больше подкадров, чем для линии UL.
Если не принимать во внимание тот факт, что один из каналов системы TD-LTE является двунаправленным, структура и компоненты систем TD-LTE и FDD LTE являются практически идентичными. В обоих режимах каждый кадр имеет длительность 10 мс и состоит из десяти подкадров, имеющих длительность 1 мс. Схемы модуляции и кодирования практически идентичны, а верхние уровни стека протоколов фактически являются одинаковыми. В обоих случаях эталонное время и опорную частоту для всего пользовательского оборудования (UE) (например, мобильных телефонов, планшетов) предоставляет базовая станция eNodeB (базовая станция стека протоколов LTE) (по каналу DL в сетях FDD LTE и во время подкадров линии DL в сетях TD-LTE).
Следует отметить тот факт, что как в случае FDD, так и в случае TDD LTE сеть может быть сконфигурирована таким образом, что устройство UE сможет передавать данные по линии UL только тогда, когда получит разрешение от базовой станции eNodeB по линии DL. Таким образом, базовая станция eNodeB не только контролирует, когда она сама может передавать данные по линии DL, но она также контролирует, когда устройства UE могут передавать данные по линии UL.
Кроме того, следует отметить тот факт, что в устройстве UE сети LTE FDD приемник настроен только на его канал DL, при этом в нем нет приемника, настроенного на его канал UL. Поэтому устройство UE не воспринимает какие-либо данные, которые передается по каналу UL другим устройством.
И все устройства UE LTE, независимо от используемого режима (FDD или TDD), даже в тех случаях, когда их приемники настроены на определенный канал, отличающийся от указанного всем устройствам UE (или конкретному устройству UE) с использованием определенных сигналов управления, с помощью которых обеспечивается синхронизация времени и подключение к сети, или дается указание, в какое время и на какой частоте необходимо принимать данные, игнорируют те данные на линии DL, которые не предназначены для них. Или, другими словами, только данные на линии DL, имеющие отношение к конкретному устройству UE LTE и представляющие собой либо управляющую информацию, либо данные, будут переданы этому устройству UE. В любое другое время, независимо от того, используется ли линия DL другим устройством UE, не используется совсем или используется с целью, не предусмотренной стандартом LTE, устройство UE не будет воспринимать какие-либо данные, передаваемые по линии DL, не являющиеся управляющей информацией или данными на линии DL, предназначенными для этого устройства UE. Таким образом, приемники LTE, независимо от используемого режима (FDD или TDD), будут получать только управляющую информацию, предназначенную для всех устройств UE или для данного устройства UE, или принимать данные, предназначенные для данного устройства UE. Все другие передаваемые в канале DL данные игнорируются.
На фиг. 9 показано, как сети FDD и TDD могут одновременно использовать активно используемый диапазон частот FDD. На двух верхних строках с прямоугольниками, обозначенными «FDD LTE 910», показан один интервал кадра LTE (10 мс), состоящий из десяти интервалов подкадров 1 мс, в восходящей линии связи (UL) и нисходящей линии связи (DL). На этой фигуре показан тип асимметричной передачи данных, которая становится все более типичной (например, при передаче по нисходящей линии потокового видео), при которой данных в канале DL гораздо больше, чем данных в канале UL. Прямоугольники со сплошным контуром, заполненные наклонными линиями (например, прямоугольник 912 и прямоугольники 911), обозначают подкадры, в которых передаются данные, а пустые прямоугольники с пунктирным контуром (например, прямоугольники 914) обозначают неиспользуемые подкадры, в которых не передаются никакие данные (т.е. в канале не передаются данные на интервале действия этого подкадра). Прямоугольники 911 представляют собой 2 из 10 подкадров линии DL, все из которых содержат данные. Прямоугольник 912 представляет собой 1 подкадр линии UL, содержащий данные. Прямоугольники 914 представляют собой 3 из 9 неиспользуемых подкадров линии UL, в которых отсутствуют передаваемые данные.
На двух средних строках с прямоугольниками на фиг. 9, обозначенными «TDD LTE 920», показан один интервал кадра LTE (10 мс), состоящий из 10 интервалов подкадров по 1 мс, включающий 2 «специальных» интервала подкадров, но, в отличие от строк FDD LTE 910, обе строки с прямоугольниками в строке с TDD LTE 920 не только совместно используют один диапазон частот, но и используют его совместно с восходящей линией связи системы FDD. На этой фигуре показана асимметричная передача данных, при которой для передачи данных используется 4 подкадра линии DL и 3 подкадра линии UL. Прямоугольники со сплошным контуром, заполненные наклонными линиями (например, прямоугольник 921, прямоугольник 922 и прямоугольник 923), обозначают подкадры, в которых передаются данные, а пустые прямоугольники с пунктирным контуром (например, прямоугольник 924) обозначают неиспользуемые подкадры, в которых не передаются никакие данные (т.е. в канале не передаются данные на интервале действия этого подкадра). Прямоугольник 921 представляет собой 1 из 4 подкадров линии DL, все из которых содержат данные. Прямоугольник 922 представляет собой 1 из 3 подкадров линии UL, все из которых содержат данные. Прямоугольник 924 представляет собой 1 подкадр линии UL, в котором отсутствуют данные.
Третья пара строк с прямоугольниками на фиг. 9, обозначенная «FDD + TDD LTE 930», отображает один интервал кадра LTE (10 мс), состоящий из 10 интервалов подкадров по 1 мс, включающий 2 «специальных» интервала подкадров, и демонстрирует одновременную работу системы LTE FDD 910 и системы TDD LTE 920, при которой система TDD LTE 920 использует тот же диапазон частот, что и восходящая линия связи FDD LTE 910. Эти две системы не мешают друг другу, поскольку: (а) в течение интервала подкадра 912, в момент которого система FDD LTE 910 осуществляет передачу данных по линии UL, в системе TDD LTE 920 используется интервал ожидания 924, при котором данные не передаются ни по линии UL, ни по линии DL; и (b) в течение интервалов подкадра, в момент которых система TDD LTE 920 осуществляет передачу данных по линии UL или DL (например, 921, 923 и 922), в системе FDD LTE 910 используются интервалы ожидания на линии UL (например, подкадры ожидания 914 линии UL), в течение которых отсутствует передача данных по линии UL. Таким образом, две системы работают одновременно, используя один диапазон частот, не оказывая взаимного влияния друг на друга.
Для того чтобы сети FDD LTE 910 и TDD LTE 920 работали одновременно, используя один и тот же диапазон частот, их работа должна быть скоординирована либо одой базовой станцией eNodeB, которая сконфигурирована для одновременной работы двух сетей в одном диапазоне частот, либо путем координации работы базовой станции eNodeB существующей сети TDD LTE 920 и второго контроллера сети, которым может быть вторая базовая станция eNodeB или другая система, которая совместима по способу синхронизации и структуре кадров, такая как распределенная антенная система MU-MAS C-RAN с распределенным входом - распределенным выходом, раскрытая в разделах 1 и 2 выше, а также в смежных патентах и заявках. В любом из этих случаев кадры обоих систем FDD LTE 910 и TDD LTE 920 должны быть синхронизированы не только по времени, но и по моменту выделения ресурса подкадра. Например, в случае, показанном на фиг. 9, система, управляющая системой FDD LTE 910, должна иметь данные о тех подкадрах линии UL TDD, которые доступны для использования на линии UL (например, что они не будут мешать управляющим сигналам на линии DL TDD, передаваемым в подкадрах №0 и №5 для синхронизации времени и частоты на устройстве UE), и будет использовать один из этих подкадров для передачи своего подкадра 912 линии UL FDD. Если та же система также управляет системой TDD LTE 920, она также должна гарантировать отсутствие запланированной передачи по линии UL от устройства TDD в течение этого подкадра 912, а если она не управляет системой TDD LTE 920, то она должна будет сообщить системе, управляющей системой TDD LTE 920, о том, что не следует планировать передачу данных по линии UL от устройства TDD во время подкадра 912. Конечно, возможна ситуация, когда системе FDD LTE 910 потребуется более одного подкадра на линии UL в течение времени действия кадра, в этом случае ее контроллер будет использовать некоторые или все 3 подкадра 922 системы TDD LTE 920 для своих подкадров линии UL, соответствующим образом управляя этим или сообщая об этом, как описано выше. Обратите внимание на то, что возможна ситуация, при которой в некоторых кадрах по 10 мс все подкадры линии UL будут выделены одной из сетей, при этом другой сети подкадры линии UL выделены не будут. Устройства LTE не гарантируют возможности передачи данных по линии UL во время каждого кадра (например, когда сеть LTE перегружена, устройство LTE может ожидать возможности передачи множества кадров подряд, прежде чем ему будет предоставлена даже часть подкадра линии UL), поэтому один из вариантов осуществления настоящего изобретения будет функционировать, когда все доступные подкадры линии UL системы TDD LTE 920 в данном кадре используются одной сетью (т.е. другая сеть испытывает нехватку подкадров на линии UL). Тем не менее нехватка подкадров одной сети в течение слишком длительной последовательности кадров или возможность передачи слишком малого в совокупности количества кадров линии UL приведет к снижению производительности сети (например, к низкой пропускной способности линии UL или высокой двусторонней задержке), и в какой-то момент устройства LTE, подключенные к сети для передачи данных по линии UL, могут определить, что сеть не пригодна для использования, и отключатся от нее. В этом случае настройка соответствующих приоритетов при планировании и парадигм для настройки баланса использования ресурса подкадра линии UL между сетями FDD LTE 910 и TDD LTE 920 может привести к повышению общей производительности сети и улучшению взаимодействия с пользователем (и/или устройством UE).
Для балансировки использования ресурсов подкадра линии UL доступен один из инструментов (удовлетворяющий приоритеты оператора сети), который не доступен в отдельной системе FDD LTE, им являются дуплексные конфигурации сети TDD LTE, показанные на фиг. 10. На фиг. 9 показана дуплексная конфигурация 1 TDD LTE системы TDD LTE 920, при которой в 10 подкадрах кадра 10 мс размещаются 4 подкадра линии UL, 4 подкадра линии DL и 2 специальных подкадра. Как видно на фиг. 10, существует несколько дуплексных конфигураций сети TDD LTE, которые можно использовать в зависимости от потребностей оператора мобильной связи, характеристик трафика данных, а также для балансировки использования ресурса подкадров линии UL согласно потребностям сети FDD LTE 910. Дуплексную конфигурацию сети TDD LTE можно изменять по мере изменения характеристики трафика данных. С настоящим изобретением можно использовать любую дуплексную конфигурацию сети TDD LTE. Например, в конфигурации 1, показанной на фиг. 9, 1 подкадр линии UL был выделен для сети FDD и 3 подкадра линии UL были выделены для сети TDD. Если для сети FDD внезапно потребуется большая пропускная способность линии UL, то во время следующего кадра для сети FDD могут быть выделены 2 подкадра линии UL, при этом 2 подкадра остаются для сети TDD. Таким образом, перераспределение подкадров линии UL между сетями FDD и TDD может выполняться чрезвычайно быстро.
Обратите внимание на то, что при необходимости распределение ресурса линии UL между сетями FDD LTE 910 и TDD LTE 920 можно выполнять еще более точно, чем на основе подкадров. Можно выделить несколько блоков ресурсов в одном подкадре для устройств FDD, а остальные - для устройств TDD. Например, в стандарте LTE используется метод обеспечения многостанционного доступа SC-FDMA для канала UL. Таким образом, каналы UL устройств FDD и TDD могут быть назначены разным блокам ресурсов в пределах одного подкадра по схеме SC-FDMA.
Наконец, можно планировать передачу по линии UL системы FDD LTE 910, во время которой будут передаваться данные линии DL системы TDD LTE 920 или специальный подкадр. Одно соображение заключается в том, что сигналы управления, передаваемые по линии DL системы TDD, используемые устройством UE в сети TDD LTE для поддержания связи и синхронизации (например, широковещательные сигналы P-SS и S-SS, передаваемые в подкадрах №0 и №5), должны приниматься устройством UE системы TDD LTE с достаточной регулярностью, иначе устройства UE могут отключиться.
На фиг. 11 показана та же концепция, которая показана на фиг. 9 и описана выше, за исключением того, что в качестве совместно используемого канала выступает канал DL FDD, а не канал UL FDD. То же заполнение подкадра и обозначение элементов, как и на фиг. 9, используются на фиг. 11, и, как можно видеть, ситуация с трафиком FDD является зеркальной, все подкадры канала UL сети FDD LTE 1110 используются для передачи данных, в то время как только 1 из подкадров канала DL сети FDD LTE 1110 используется для передачи данных, а все другие подкадры канала DL «простаивают» и не участвуют в передаче данных. Аналогичным образом, все подкадры линии UL сети TDD LTE 1120 используются для передачи данных, в то время как все, кроме одного, подкадры линии DL сети TDD LTE 1120 используются для передачи данных, и в этом случае частота канала LTE сети TDD LTE 1120 совпадает с частотой канала DL сети FDD LTE 1110. Результат объединения сетей FDD LTE 1110 и TDD LTE 1120 показан в виде каналов FDD + TDD LTE 1120. Как и в случае с примером на фиг. 9, управление этими двумя сетями может осуществляться с помощью одного контроллера или путем координации нескольких контроллеров с планированием распределения пропускной способности между ними для обеспечения гарантии того, что обе сети будут работать согласно настройкам оператора сети, обеспечивая при этом достаточную производительность для пользователей и пользовательских устройств.
Обратите внимание на то, что устройства FDD, подключенные к сети FDD LTE 1110, используют линию DL для получения сигналов управления и синхронизации, а также для получения данных. При этом они должны принимать управляющие сигналы достаточно регулярно, чтобы оставаться подключенными. В одном варианте осуществления изобретения устройства FDD используют широковещательные сигналы, передаваемые сетью TDD LTE 1120 в подкадрах линии DL (например, в подкадрах №0 и №5) для синхронизации времени и частоты. В другом варианте осуществления подкадры №0 и №5, используемые для передачи широковещательных сигналов, выделены сети FDD LTE 1110 и используются для передачи сигналов синхронизации времени и частоты на каждое устройство FDD.
Хотя, как было описано выше, обычно канал DL FDD гораздо более перегружен, чем канал UL FDD, по определенным причинам мобильный оператор может захотеть совместно использовать именно канал DL. Например, для некоторых каналов UL может существовать ограничение на использование только в качестве каналов UL, выданное регулирующим частотный диапазон органом (например, из-за беспокойства о возможном интерференционном влиянии на соседние полосы частот из-за большой выходной мощности). Кроме того, когда оператор мобильной связи начнет предлагать устройства TDD, совместимые с его диапазоном частот FDD, оператор мобильной связи, скорее всего, увидит, что эти устройства используют диапазон частот более эффективно, чем устройства FDD, из-за чего он может прекратить продажи устройств FDD. По мере того как старые устройства FDD постепенно будут заменяться и будет увеличиваться процент устройств TDD, оператор может захотеть выделить большую часть своего диапазона частот для устройств TDD, по-прежнему обеспечивая совместимость с остальными устройствами FDD на рынке.
Для этой цели, поскольку все меньше и меньше устройств FDD остается в эксплуатации, оператор может принять решение об использовании диапазона частот, выделенного для полос UL и DL, для работы в режиме TDD. Это показано на фиг. 12, на которой в сети FDD LTE 1210 используются только один подкадр для линии UL и один для линии DL, а остальные остаются незадействованными. На фигуре показаны две сети TDD LTE 1220 и 1230, каждая из которых использует соответственно каналы UL и DL системы FDD LTE 1210, в результате чего три сети совместно используют два канала, как показано в строке FDD + TDD LTE 1240. Применяются все те же гибкие возможности и ограничения, которые были описаны ранее, при этом может использоваться один контроллер для всех 3 сетей или могут использоваться несколько контроллеров. Две сети TDD могут работать независимо друг от друга или с использованием технологии агрегации несущих частот.
Оператор также может полностью отказаться от использования режима TDD, а вместо этого может добавить вторую сеть FDD, работающую в том же диапазоне частот, что и существующая сеть FDD, но с переставленными местами восходящей и нисходящей линиями связи. Это показано на фиг. 13, где сеть FDD LTE 1310 используется очень асимметрично с преобладанием данных в канале DL, поэтому для канала UL используется только один подкадр, а вторая сеть FDD LTE 1320 также используется очень асимметрично с преобладанием данных в канале DL, но следует обратить внимание на то, что на фиг. 13 каналы сети FDD LTE 1320 переставлены местами, и нисходящий канал FDD показан выше восходящего канала FDD, что отличается от порядка расположения каналов в системе FDD LTE 1310 или от показанного на предыдущих фигурах. В случае обеих сетей, FDD LTE 1310 и 1320, в канале DL остается один незадействованный подкадр DL, который соответствует одному кадру UL, используемому другой сетью. Когда сети объединяются, как показано в строке FDD + TDD LTE 1230, все подкадры в обоих каналах являются подкадрами DL, за исключением подкадров 1231 и 1232. Таким образом, 90% подкадров выделены для линии DL, что лучше соответствует претерпевшим изменение характеристикам мобильного трафика, чем симметричное выделение полос частот для линий UL и DL.
Кроме того, такая структура позволяет управляющему сетью контроллеру (или контроллерам) динамически изменять количество подкадров на линиях UL и DL, выделяемых каждой сети на основе подкадров, обеспечивая чрезвычайно быструю адаптацию трафика линий UL/DL, несмотря на то, что устройства FDD используют обе сети.
Как и в случае с описанными выше комбинированными сетями FDD/TDD, те же ограничения применяются для режима FDD и заключаются в том, что устройства LTE должны в достаточном объеме получать данные управления и синхронизации, чтобы оставаться подключенными и хорошо работать, для чего им требуется достаточное количество кадров UL, поступающих достаточно регулярно.
Две сети FDD могут работать независимо друг от друга или с использованием технологии агрегации несущих частот.
В другом варианте осуществления информация управления, передаваемая по каналу DL существующей активной сети (например, сети FDD LTE 910, FDD LTE 1110, FDD LTE 1210 или FDD LTE 1310 на фиг. 9, 11, 12 и 13), используется новой сетью (или сетями) с использованием того же канала (например, TDD LTE 920, TDD LTE 1120, TDD LTE 1220 и TDD LTE 1230 или FDD LTE 1320 на фиг. 9, 11, 12 и 13) для определения того, какие подкадры, и/или блоки ресурсов, и/или другие интервалы будут оставаться незадействованными. Таким образом, новая сеть (или сети) может определить, когда она может передавать данные (на линии DL или UL), не мешая существующей активной сети. Этот вариант осуществления позволяет одновременно использовать полосу частот существующей активной сети без каких-либо изменений в существующей активной сети или каких-либо специальных подключений к контроллеру существующей активной сети, поскольку получение данных о том, что передается по линии DL существующей активной сети, является задачей контроллера новой сети (или сетей). В другом варианте осуществления требуется единственное изменение в существующей активной сети, заключающееся в предоставлении возможности новой сети (или сетям) передавать необходимую информацию управления и синхронизации для поддержания соединения с устройствами UE. Например, существующая активная сеть может быть сконфигурирована таким образом, что она не будет передавать данные в течение времени, когда передаются данные, необходимые для синхронизации времени и частоты, а в остальном ее работа остается неизменной.
Хотя приведенные выше варианты осуществления одновременной работы сетей в одном диапазоне частот в качестве примера используют стандарт LTE, подобные методы можно также использовать с другими протоколами беспроводной связи.
4. Одновременное использование технологии DIDO MU-MAS в активно используемом диапазоне частот
Как было описано в разделах 1 и 2, а также в смежных патентах и заявках, технологии DIDO MU-MAS значительно увеличивают пропускную способность беспроводных сетей, улучшают надежность и пропускную способность каждого устройства, а также позволяет снизить стоимость устройств.
По существу технология DIDO работает более эффективно в сетях TDD, чем в сетях FDD, поскольку линии UL и DL находятся в одном канале, в результате чего тренировочная последовательность, принятая в канале UL, может использоваться для получения информации о состоянии канала для канала DL путем использования взаимности канала. Кроме того, как было описано, режим TDD по существу лучше подходит для асимметричных мобильных данных, что позволяет более эффективно использовать полосу частот.
Учитывая тот факт, что большинство развернутых в настоящее время в мире сетей LTE используют режим FDD, используя технологии, описанные в разделе 3, можно развернуть сеть TDD в диапазоне частот, активно используемом сетями FDD, а технологию DIDO можно использовать с этой новой сетью TDD, тем самым значительно увеличив емкость используемой полосы частот. Это особенно важно, поскольку частоты УВЧ-диапазона распространяются гораздо лучше, чем частоты СВЧ-диапазона, но большинство частот УВЧ-диапазона уже используются сетями FDD. Объединив сети TDD на базе технологии DIDO с существующими сетями FDD, работающими в УВЧ-диапазоне частот, можно обеспечить развертывание исключительно эффективной сети TDD. Например, полоса 44 - это диапазон, используемый для работы в режиме TDD в полосе частот 703-803 МГц, накладывающийся на полосы частот систем FDD, работающих на частоте 700 МГц в США. Устройства, работающие в полосе 44, можно одновременно использовать в той же полосе частот, что и устройства FDD, работающие на частоте 700 МГц, разрешив использование технологии DIDO TDD в основной полосе частот.
Технология DIDO не накладывает новые значительные ограничения на методы объединения диапазона частот, описанные выше. Сеть DRAN 104, показанная на фиг. 1, будет либо заменять существующие базовые станции eNodeB в зоне покрытия, либо координировать работу с существующими базовыми станциями eNodeB 401, как показано на фиг. 4, для каждого из методов совместного использования подкадров (или блоков ресурсов), описанных выше.
Следует отметить, что если система DIDO управляет всей системой и предоставляет базовые станции eNodeB для сети FDD, то система DIDO может использовать тренировочный сигнал, такой как сигнал SRS на линии UL от устройств FDD, используя для декодирования пространственную обработку линии UL нескольких существующих устройств FDD одновременно и в той же полосе частот, тем самым значительно увеличивая спектральную эффективность существующей линии UL системы FDD, а также снижая требуемую мощность на линии UL (и/или обеспечивая прием сигнала лучшего качества), поскольку распределенные точки доступа DIDO, скорее всего, находятся ближе к устройствам UE, чем одна базовая станция сотовой связи, а также могут использовать методы сложения сигналов, такие как объединение сигналов с максимальным отношением (MRC) или другие методы, которые описаны ранее для технологии DIDO.
Таким образом, система DIDO может заменить существующие базовые станции eNodeB и одновременно использовать существующие полосы частот с устройствами DIDO TDD, также применяя все преимущества технологии DIDO на линии UL существующих устройств FDD, которые уже развернуты.