СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ В СИСТЕМЕ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ВХОДАМИ И РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ВЫХОДАМИ
METHOD FOR WIRELESS COMMUNICATION IN SYSTEM WITH DISTRIBUTED INPUTS AND DISTRIBUTED OUTPUTS

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).
0
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 H размером M×M (1):
ij
0
где каждый элемент h матрицы H 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.
i
Зная характеристическую матрицу канала связи, можно разделить сигналы, принимаемые базовой станцией от абонентских устройств. Сигналы y (i=1, 2, …, M), принятые антеннами базовой станции от абонентских устройств, записываются в виде системы уравнений (2):
i
где x - сигнал, излученный i-м абонентским устройством;
i
y - сигнал, принятый i-ой антенной базовой станции;
ij
h - комплексный коэффициент передачи тракта распространения сигнала, излучаемого j-ой антенной абонентского устройства и принимаемого i-ой антенной базовой станции;
i
η - отсчет комплексного гауссовского шума на входе i-го приемника базовой станции.
0
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>0</mn><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Инвертировав матрицу Н, получаем обратную матрицу
с элементами
(3):
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mo>−</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mn>0</mn><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow>
где
- элементы матрицы
(i=1, 2, …, M; j=1, 2, …, M).
i
Блок кодирования, модуляции и обработки сигналов базовой станции, решив систему уравнений (2) относительно h, получает равенства для оценки сигналов от каждого абонентского устройства в каналах базовой станции в виде (4):
i
где ξ - 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,
ij
- на базовой станции в блоке формирования характеристической матрицы канала на основе полученных данных вычисляют веса h 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.
1
2
N
Решение системы (6) для определения переданных сигналов x, x, …, x 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):
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mo>+</mo></msubsup></mrow>
+
где
- 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):
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mo>+</mo></msubsup></mrow>
+
где
- 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):
ij
где каждый отдельный элемент h (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.
i
Зная характеристическую матрицу канала связи, можно разделить сигналы, принимаемые базовой станцией 1 от абонентских устройств 2.1-2.N. Сигналы y (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):
i
где y - отсчет сигнала в i-й приемной ветви (i=1, 2, …, М);
j
x - сигнал, переданный абонентским устройством 2.j (j=1, 2, …, N);
ij
h - 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):
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mo>+</mo></msubsup></mrow>
+
где
- 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
0<sup>0</sup>
46
2
0<sup>0</sup>, 60<sup>0</sup>
4в
3
0<sup>0</sup>, 60<sup>0</sup>, 90<sup>0</sup>
4г
4
0<sup>0</sup>, 60<sup>0</sup>, 90<sup>0</sup>, 180<sup>0</sup>,
4д
5
0<sup>0</sup>, 60<sup>0</sup>, 90<sup>0</sup>, 180<sup>0</sup>, 2700
4е
6
0<sup>0</sup>, 60<sup>0</sup>, 90<sup>0</sup>, 180<sup>0</sup>, 270<sup>0</sup>, 330<sup>0</sup>
0
Из рисунков следует, что в направлении на абонентское устройство 2.1 с направлением 0 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.
1
2
N
Допустим, что из сетевого интерфейса 3 (Фиг.1) через маршрутизатор 4 в блок кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1 поступают сигналы u, u, …, u. В блоке кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции каждый из этих сигналов подвергают преобразованию (16):
1
2
M
где v, v, …, v - сигналы на выходах блока кодирования, модуляции и обработки сигналов 5 базовой станции 1;
1
2
N
u, u, …, u - 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.
1
2
Μ
Полученные сигналы v, v, …, v 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):
1
2
Ν
где z, z, …, z - 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):
1
2
N
T
где Z=[Z, Z, …, Z] - вектор, компонентами которого являются сигналы, находящиеся в антеннах 10.1-10.N абонентских устройств 2.1-2.N.
1
2
Μ
Подставляя в (19) выражение для V из (17), получим итоговый вектор Ζ с компонентами сигналов Z, Z, …, Z, наводящихся в соответствующих антеннах 10.1-10.Ν абонентских устройств 2.1-2.Ν в виде (20):
T
+T
Так как HH=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.