СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ СОВМЕСТНОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ В ГЕТЕРОГЕННЫХ ДВУХУРОВНЕВЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ
SYSTEM AND METHOD FOR JOINT PRELIMINARY CODING IN HETEROGENEOUS TWO-LEVEL WIRELESS NETWORKS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области беспроводной связи и, в частности, к вариантам осуществления системы и способа для совместного предварительного кодирования в двухуровневых сотовых сетях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двухуровневые сети содержат стандартную сотовую сеть, покрытую сетями или точками доступа второго уровня, также называемыми малыми сотами, такими как фемтосоты, распределенные антенны или ретрансляторы. Указанные совместно действующие системы могут повысить эффективность использования спектра для обслуживаемых пользователей. Некоторые системы второго уровня имеют приоритеты и могут допускать помехи некоторого уровня для первичных систем, например стандартных сотовых сетей или макросот. Другие системы второго уровня могут достаточно рационально выполнять передачу, не вызывая помех для существующих первичных систем. Такие рациональные двухуровневые системы включают в себя так называемые системы с множественным доступом и частотным разделением на основе матриц Вандермонда (VFDM), которые допускают совместное использование макросоты, содержащей множество пользователей, и малой соты, содержащей множество вторичных пар пользователей. В системе VFDM предварительное кодирование в передатчиках малой соты не вызывает помех для макросоты. Однако недостаток указанных систем состоит в том, что предварительное кодирование в передатчиках малых сот выполняется независимо, что приводит к неоправданному занижению реально достижимых объемов передачи, а также снижает эффективность линейного предварительного кодирования из-за ограничения объемов передачи. В этой связи имеется потребность в усовершенствованной схеме предварительного кодирования для двухуровневых сотовых сетей
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно варианту осуществления изобретения обеспечен способ уменьшения помех или предотвращения сигнальных помех в сети первого уровня от сети второго уровня и в сети второго уровня. В этом примере способ включает в себя выполнение совместного межуровневого предварительного кодирования (CTP) для сигналов передачи передающих устройств в сети второго уровня, создание информации матрицы CTP в соответствии с выполненным совместным CTP и выполнение внутриуровневого предварительного кодирования (ITP) для сигналов передачи в соответствии с информацией матрицы CTP. Способ, кроме того, включает в себя направление информации о совместном CTP и ITP на передающие устройства в сети второго уровня. Также обеспечено устройство для выполнения указанного способа.
Согласно другому варианту осуществления изобретения обеспечена сетевая компонента, выполненная с возможностью уменьшения или предотвращения сигнальных помех в сети первого уровня от сети второго уровня и в сети второго уровня. В этом примере указанная сетевая компонента содержит передатчик и процессор, имеющий коммуникационное соединение с передатчиком. Процессор сконфигурирован для выполнения совместного межуровневого предварительного кодирования (CTP) и внутриуровневого предварительного кодирования (ITP) для сигналов передачи передающих устройств в сети второго уровня. Процессор выполняет ITP с учетом информации, созданной в результате совместного CTP. Сконфигурирован передатчик для посылки информации о совместном CTP и ITP на передающие устройства в сети второго уровня.
Согласно еще одному варианту осуществления обеспечена другая сетевая компонента, выполненная с возможностью уменьшения или предотвращения сигнальных помех в сети первого уровня от сети второго уровня и в сети второго уровня. В этом примере указанная сетевая компонента включает в себя передатчик и процессор, имеющий коммуникационное соединение с передатчиком. Процессор сконфигурирован для выполнения первого предварительного кодирования и второго предварительного кодирования для передающих устройств в сети второго уровня. Процессор выполняет первое предварительное кодирование для уменьшения или подавления помех в сети первого уровня, вызванных передачами передающих устройств в сети второго уровня. Процессор выполняет второе предварительное кодирование в соответствии с информацией, созданной в результате первого предварительного кодирования, для уменьшения или подавления внутриуровневых сигнальных помех в сети второго уровня, вызванных передачами передающих устройств в сети второго уровня. Сконфигурирован передатчик для направления информации о первом предварительном кодировании и втором предварительном кодировании на передающие устройства в сети второго уровня.
В предшествующем описании достаточно полно раскрыты признаки варианта осуществления настоящего изобретения, чтобы можно было лучше понять последующее подробное описание изобретения. Ниже описываются дополнительные признаки и преимущества вариантов осуществления изобретения, образующие предмет заявленного изобретения. Специалистам в данной области техники следует иметь в виду, что концепция и раскрытые здесь конкретные варианты осуществления могут быть без труда использованы в качестве основы для модификации или разработки других структур или процессов, реализующих цели настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники также должно быть ясно, что такого рода эквивалентные структуры не выходят за рамки объема изобретения, вытекающего из прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ следует обратиться к нижеследующему описанию вместе с сопроводительными чертежами, на которых:
Фиг. 1 – пример двухуровневой сети или системы;
Фиг. 2 – вариант осуществления способа совместного межуровневого и внутриуровневого предварительного кодирования для двухуровневой сети или системы; и
Фиг. 3 – вариант осуществления системы обработки, который можно использовать для реализации различных вариантов осуществления изобретения.
Соответствующие цифровые и символьные ссылочные позиции на разных чертежах обычно относятся к соответствующим деталям, если не указано иное. С целью лучшего понимания соответствующих аспектов вариантов осуществления изобретения чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее обсуждается выполнение и использование предпочтительных на сегодняшний день вариантов осуществления изобретения. Однако следует понимать, что настоящее изобретение предлагает множество изобретательских концепций, которые могут найти применение и быть воплощены во множестве самых разных конкретных контекстов. Обсуждаемые здесь конкретные варианты осуществления являются просто иллюстрациями конкретных путей выполнения и использования изобретения и никак не ограничивают объем настоящего изобретения.
Варианты осуществления изобретения представлены здесь для схемы совместного межуровневого и внутриуровневого предварительного кодирования для двухуровневых сетей, например, с использованием многопользовательского множественного доступа с частотным разделением и матриц Вандермонда (MU-VFDM). Схема совместного предварительного кодирования позволяет использовать дополнительные объемы передачи в сети второго уровня, увеличивая тем самым достигаемую пропускную способность в сети второго уровня (или малой соте). Варианты осуществления изобретения дают возможность значительно увеличить пропускную способность сети второго уровня или малых сот благодаря перекрестному предварительному кодированию между малой сотой и макросотой, называемому здесь межуровневым предварительным кодированием (CTP), и эффективному внутреннему предварительному кодированию между передатчиками малой соты, называемому здесь внутриуровневым предварительным кодированием (ITP). Совместное CTP для передатчиков малой соты позволяет увеличить объемы передачи и тем самым значительно повысить пропускную способность сети второго уровня или малой соты. Увеличение объема передачи дает возможность использования эффективного линейного внутриуровневого предварительного кодирования, что значительно уменьшает внутриуровневые помехи.
На фиг. 1 показана двухуровневая сеть или система 100, содержащая макросоту (MC) 110 (например, как в стандартных сотовых сетях) и сеть второго уровня или малую соту (SC) 120. Макросота MC 110 содержит базовую станцию MC (MBS) 112 и M пользовательских устройств (MU) 114, где M - целое число. Примеры пользовательских устройств включают в себя смартфоны, компьютеры (например, настольные компьютеры, лэптопы, планшеты) либо любые другие коммуникационные устройства. Базовая станция MBS 112 и M пользовательских устройств MU 114 могут осуществлять передачи, используя мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) или множественный доступ с OFDM (OFDMA). Малая сота SC 120 содержит K точек 122 доступа (SAP) (например, фемтосоты, распределенные антенны, ретрансляторы) и K пользовательских устройств (SU) 124, где K - целое число. Устройства SU 124 могут быть подобны устройствам MU 114. K точек AP 122 и K устройств MU 114 могут осуществлять передачи, используя передачи по схеме MU-VFDM. K точек SAP 122 могут осуществлять связь с K соответствующими устройствами SU 124 в парах (например, каждая SАP 122 осуществляет связь с одним соответствующим SU 124). В другом варианте осуществления множество пар UE может осуществлять связь друг с другом (например, при связи UE-UE) посредством связи типа «устройство-устройство» (D2D). В этом случае каналы или сигналы, которые предварительно закодированы способом, исключающим возникновение сигнальных помех (как обсуждается ниже), соответствуют передачам в парах UE без участия точек SAP.
M
Рассмотрим, например, OFDM передачу (например, по нисходящей линии связи для MC 110 и SC 120) с K поднесущими и циклической (CP) длиной L, используемой в MC 110, где принятый вектор y в рассматриваемом M–ом MU 114 можно представить как:
M
MM
M
SM
S
M
y=Hx+Hx+n, (1)
MM
M
SM
S
где H – матрица канальных частотных характеристик при OFDM передаче, x – вектор, переданный от MBS 112, H – общая межканальная матрица от точек доступа SAP 122 на рассматриваемое устройство MU 114, а x – общий сигнальный вектор, переданный от точек доступа SAP 122. Общий сигнальный вектор, переданный от точек доступа SAP 122, может быть представлен как:
xS=
. (2)
Общая межканальная матрица от точек доступа SAP 122 может быть представлена в виде:
SM
SM
SM
SM
H=(H[1], H[2], …, H[K]). (3)
S
M
Вдобавок, в двухуровневой сети или системе 100 для предварительной обработки сигнала передачи в точках 122 доступа (SAP) используется предварительный кодер, так что сигнальный вектор, переданный от SAP 122, x, не создает помех для сигнального вектора, принимаемого в рассмотренном MU, y. Межуровневый предварительный кодер может быть размещен на SC 120 или вдали от нее и связан с точками 122 доступа (SAP), например, с помощью любых подходящих проводных или беспроводных соединений. Предварительный кодер может иметь информацию о состоянии каналов (CSI) для каналов или передач, идущих от точек 122 доступа (SAP) на каждое рассматриваемое устройство MU 114, информацию CSI для передач от SAP 122 на устройства SU 124 и информацию CAI для передач от MBS 112 на устройства SU 124. Эта информация используется при совместном CTP, с тем чтобы создать матрицы и векторы для дифференциальных вычислений, как показано ниже.
В предварительном кодере сигнальный вектор, переданный от точек SAP 112, может быть представлен в виде:
S
S,
x=Es (4)
S
S
где E представляет матрицу CTP, x представляет символьный вектор, переданный от точек SAP 122, а s– переданный символьный вектор. Если CTP кодирование выполняется в каждой отдельной SAP 122 независимо, то общий объем передачи (или количество всех символов, переданных K точками SAP 122), J, равен KL (произведение количества точек SAP 122 на CP длину). Однако, используя взаимодействие между точками SAP 122, общий объем передачи J можно значительно увеличить и соответственно повысить пропускную способность VFDM передачи. Вдобавок, увеличение общего объема передачи позволяет использовать более эффективное ITP для подавления взаимных помех между точками SAP, как описывается ниже.
Предварительный кодер, кроме того, сконфигурирован для совместного CTP, где созданная CTP матрица E не обязательно является диагональной. Созданная предварительным кодером матрица E может представлять собой любую матрицу для подавления помех, вызванных точками SAP 122 в SC 110, которая удовлетворяет следующему условию:
SM
HE=0. (5)
SM
В частности, применяется однозначная декомпозиция (SVD) на канальной матрице H для получения:
HSM=U
VH
, (6)
где U и V являются унитарными матрицами, а  является диагональной матрицей. Декомпозиция SVD, кроме того, может быть представлена в виде:
HSM=U
(V1,V2)H=
, (7)
1
2
SM
2
где Vи V являются субматрицами матрицы V. Из уравнения(7) следует, что HV=0. Следовательно, матрица совместного CTP может быть сформирована в виде:
2
E=V. (8)
Декомпозиция SVD предполагает, что диагональная матрица является полноранговой. В этом случае общий объем передачи составит J=(K-1)N+KL. Это означает, что, используя совместное CTP, от K точек SAP 122 может быть передано (K-1)N+KL символов по сравнению, например, со случаем независимого выполнения CTP в каждой из отдельных точек SAP 122, где может быть передано только KL символов. Дополнительный объем (K-1)N получается в результате использования совместного CTP для точек SAP 122.
На основе операций в существующей линии связи сигнал помех в существующем приемнике после постобработки также можно представить следующим образом:
(22)
где отображающая матрица используется для получения постобработанного сигнального вектора в первичном приемнике в виде:
(8)
где  - матрица посткодирования в первичном приемнике, ,  и  - матрица предварительного кодирования и исходный сигнальный вектор в новом передатчике соответственно. Для выполнения передачи, свободной от помех, в существующую линию связи в переданном сигнале новой линии связи используют нулевое пространство существующей линии связи. Матрица Е предварительного кодирования удовлетворяет следующему условию:
(23)
где  содержит строки из , удовлетворяющие соответствующему неравенству , где  - распределение мощности на i-й поднесущей и k-й собственной моде. Таким образом, CTP  можно представить как
По существу, если распределение мощности первичной системы (сети первого уровня) известно, то из вторичной системы (сети второго уровня) может быть передано больше символов.
Вдобавок, тот же предварительный кодер или второй предварительный кодер реализует ITP для подавления взаимных помех, поступающих от точек SAP 122 на пользовательские устройства SU 124. В процессе ITP также можно использовать информацию CSI для каналов или передач от точек SAP 122 на каждое рассматриваемое MU 114, информацию CSI для передачи от точек SAP 122 на устройства 124 и информацию CSI для передачи от MBS 112 на устройства SU 124. Предварительное кодирование ITP реализуется вместе с процессом CTP, как было описано выше. Для ITP общий приемный вектор на устройствах SU можно представить в виде:
S
SS
S
S
y=Hx+n, (9)
S
S
SS
где y и n – общий принятый сигнальный вектор на устройствах SU 124 и аддитивный шум плюс помехи от MBS 112 на устройствах SU 124 соответственно, а H – общая эквивалентная канальная матрица.
S
S
В частности, при обработке ITP учитывается совместная обработка CTP с использованием x=Esиз (4). Соответственно общий приемный сигнальный вектор в точках SAP 124 можно представить в виде:
(15)
где  E – матрица CTP, созданная выше. Размер  зависит от использованного CTP. Для не совместного CTP размер  составляет KN x KL. В этом случае общий объем передачи всегда меньше общего объема приема, поскольку L<N. В результате в качестве ITP используют согласованный фильтр (MF). Однако при использовании совместного CTP в системе 100, как было описано выше,  превращается в матрицу размером KN[(K1)N+KL]. Таким образом, общий объем передачи превышает общий объем приема, что позволяет использовать обращение в нуль незначащих коэффициентов (ZF), что обеспечивает более эффективное предварительное кодирование, чем MF. В других вариантах осуществления ITP можно реализовать, используя предварительный кодер на основе критерия минимальной среднеквадратической ошибки (MMSE) либо нелинейное предварительное декодирование любого другого типа.
В одной реализации взаимные помехи между точками SAP подавляют, используя блочно-диагональное обращение в нуль незначащих коэффициентов (BD-ZF). В этом случае помехи от других точек SAP 122 подавляются в рассматриваемом k-м SU 124, в то время как собственные помехи, например межсимвольные помехи, могут обрабатываться k-м SU 124. В случае использования BD-ZF можно реализовать алгоритм создания избыточной информации для оптимизации или улучшения распределения мощности сигналов передачи на каждой AP. Предварительное кодирование ITP на основе BD-ZF использует статистические характеристики помех и шума. Можно создать ITP на основе BD-ZF, используя корреляционную матрицу помех для создания канала с белым шумом. Для разработки ITP можно затем реализовать SVD эквивалентного канала. В другой реализации помехи между точками SAP подавляют с использованием полнодиагонального ZF, которое может подавить как взаимные помехи между точками SAP, так и собственные помехи в SU 124. В этом случае не потребуется дополнительная обработка в каждом отдельном SU 124. Хотя полнодиагональное ZF помогает упростить структуру приемника, возможно снижение пропускной способности или, возможно, потребуется более высокая мощность передатчика. В отличие от полнодиагонального ZF, обращение в нуль незначащих коэффициентов типа BD-ZF невозможно, когда KN>[(K-1)N+KL].
На фиг. 2 показан вариант осуществления способа 200 совместного межуровневого и внутриуровневого предварительного кодирования для двухуровневой сети или системы, такой как двухуровневая сеть или система 100. Способ 200 может быть реализован одним или несколькими предварительными кодерами, размещенными в сети/системе или в удаленном месте, которые связаны с точками SАP в системе (например, SAP 122) малой соты и возможно с MBS (например, MBS 112) макросоты. В качестве альтернативы, предварительные кодеры соединяют с передающими UE, находящимися на связи с соответствующими приемными UE, через D2D. На этапе 210 предварительный кодер (кодеры) получает (получают) информацию CSI для передачи от множества точек SAP (или передающих устройств UE) на рассматриваемое устройство MU, информацию CSI для каналов или передач от точек SAP на множество устройств SU (или принимающих UE) и CSI для передачи от MBS на устройства SU (или принимающие UE). На этапе 220 предварительный кодер (кодеры) выполняет CTP для подавления сигнальных помех от точек SAP (или передающих UE) на рассматриваемое MU. Совместное CTP для точек SAP (или передающих UE) приводит к созданию недиагональной CTP матрицы с увеличенным объемом передачи J, например, предоставляя возможность передачи вплоть до J=(K-1)N+KL символов. На этапе 230 предварительный кодер (кодеры) выполняет вместе с CTP также и ITP для подавления или уменьшения сигнальных помех от точек SAP (или передающих UE) для устройств SU (или приемных UE). Предварительное кодирование ITP включает в себя использование CTP матрицы, созданной при совместном CP для точек SAP (или передающих UE).
На фиг. 3 представлена блок-схема примерной системы 300 обработки, которую можно использовать для реализации различных вариантов осуществления изобретения. В конкретных устройствах могут быть использованы все показанные компоненты или только поднабор компонент, а уровни интеграции могут изменяться от устройства к устройству. Кроме того, устройство может содержать множество экземпляров компоненты, например множество обрабатывающих блоков, процессоров, устройств памяти, передатчиков, приемников и т.п. Обрабатывающая система 300 может содержать обрабатывающий блок 301, оборудованный одним или несколькими устройствами ввода/вывода, такими как сетевые интерфейсы, интерфейсы памяти и т.п. Обрабатывающий блок 301 может включать в себя центральный процессор (CPU) 310, память 320, запоминающее устройство 330 большой емкости и интерфейс 360 ввода/вывода, которые подсоединены к шине. Этой шиной может быть одна или несколько шин любого типа из числа нескольких архитектур, включая шину памяти или контроллер памяти, периферийную шину или т.п.
CPU 310 может содержать электронный процессор данных любого типа. Память 320 может содержать системную память любого типа, например статическую память с произвольной выборкой (SRAM), динамическую память с произвольной выборкой (DRAM), синхронную DRAM (SDRAM), память только для считывания (ROM), их комбинацию или т.п. В одном варианте осуществления память 320 может включать в себя память ROM, используемую для загрузки, и память DRAM для хранения программ и данных, используемую при выполнении программ. В вариантах осуществления изобретения память 320 является памятью длительного хранения. Запоминающее устройство 330 большой емкости может содержать заминающее устройство любого типа, сконфигурированное для хранения данных, программ и другой информации и для того, чтобы сделать данные, программы и другую информацию доступной через указанную шину. Запоминающее устройство 330 большой емкости может содержать, например, один или несколько накопителей из числа следующих накопителей: твердотельного типа, на жестких дисках, магнитных дисках, оптических дисках или т.п.
Обрабатывающий блок 301 также включает в себя один или несколько сетевых интерфейсов 350, которые могут содержать проводные линии связи, такие как кабель сети Ethernet или т.п., или беспроводные линии связи с узлами доступа или одной или несколькими сетями 380. Сетевой интерфейс 350 позволяет обрабатывающему блоку 301 обмениваться информацией с удаленными блоками через сети 380. Например, сетевой интерфейс 350 может обеспечить беспроводную связь через один или несколько передатчиков/передающих антенн и один или несколько приемников/приемных антенн. В одном варианте осуществления обрабатывающий блок 301 связан с локальной сетью или региональной сетью для обработки данных и связи с удаленными устройствами, такими как другие обрабатывающие блоки, Интернет, удаленные хранилища данных или т.п.
Хотя в настоящем описании было раскрыто несколько вариантов осуществления изобретения, следует понимать, что раскрытые здесь системы и способы можно воплотить во множестве других конкретных форм, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. Приведенные здесь примеры следует рассматривать как иллюстрации, но не как ограничения, причем они не ограничиваются предложенными здесь деталями. Например, различные элементы или компоненты можно комбинировать или выполнить в интегральном исполнении в другой системе, а некоторые признаки могут быть опущены или не реализованы.
Вдобавок, технические приемы, системы, подсистемы и способы, описанные и проиллюстрированные в различных вариантах осуществления изобретения по отдельности, можно скомбинировать или интегрировать с другими системами, модулями, техническими приемами или способами, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. Другие элементы, показанные как соединенные или непосредственно соединенные между собой либо осуществляющие друг с другом связь, могут быть соединены друг с другом опосредованно или осуществлять связь между собой через некоторое интерфейсное устройство либо промежуточную компоненту, будь то электрическая, механическая или иная связь. Специалисты в данной области техники без труда смогут предложить другие примеры изменений, замен и вариантов изобретения, которые могут быть выполнены, не выходя за рамки объема раскрытого здесь изобретения.