Способ передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн
METHOD FOR SIGNAL TRANSMISSION AND RECEPTION IN MULTIUSER RADIO COMMUNICATION SYSTEM WITH MULTIPLE INPUT AND MULTIPLE OUTPUT ANTENNAS

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к способу передачи и приема сигнала в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн и предварительным кодированием. Особенно эффективно использование данного способа в нисходящей линии систем мобильной связи.
Технология использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн, известная также как технология радиосвязи с использованием канала передачи с множеством входов (multiple inputs) и множество выходов (multiple outputs) и часто называемая как технология MIMO (multiple-inputs-multiple-outputs), широко используется в современных системах связи и в новых разработках [Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. М.: Горячая линия -Телеком, 2014]. Канал с множеством входов и множеством выходов называется MIMO-канал. Применение этой технологии позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи без использования дополнительных частотных или временных ресурсов. Известно, что пропускная способность системы связи растет с ростом числа передающих и приемных антенн. Поэтому в современных и перспективных системах наблюдается тенденция увеличения числа антенн как на передающей, так и приемной сторонах.
Кроме повышения пропускной способности в однопользовательских системах использование технологии MIMO в многопользовательских системах радиосвязи позволяет увеличить число пользователей, одновременно работающих в одном и том же частотном диапазоне. Следует отметить, что при работе в линии от абонентских станций к базовой станции (восходящая линия, Uplink) достаточно обеспечить выполнение условия, при котором число приемных антенн базовой станции было больше или равно числу пользователей, если каждому пользователю выделяется по одному пространственному каналу, и оценить параметры MIMO-канала на базовой станции. Поскольку базовая станция осуществляет прием сигналов, то оценивание канала особых проблем не вызывает.
Аналогично, возможно осуществить передачу и прием сигналов от базовой станции к абонентским станциям (называемая как нисходящая линия (Downlink) или линия передачи в прямом направлении). Однако для обеспечения одновременной передачи сигналов нескольким пользователям с абонентскими терминалами, число приемных антенн у которых меньше числа передающих антенн базовой станции, необходимо, чтобы базовая станция знала параметры MIMO канала от базовой станции к каждому абонентскому терминалу. При наличии такой информации базовая станция осуществляет предварительное кодирование (прекодирование) сигналов нескольких пользователей таким образом, чтобы уменьшить уровень взаимных помех в приемниках абонентских станций. При использовании линейного предварительного кодирования сама операция прекодирования осуществляется путем умножения потоков пользовательских сигналов на прекодирующую матрицу, элементы которой зависят от параметров MIMO-канала и вида алгоритма оптимизации.
Известны способы передачи и приема сигналов в многопользовательской системе с множеством передающих и приемных антенн на нисходящей линии, использующие линейное прекодирование, описанные: в книге Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. М.: Горячая линия - Телеком, 2014, с. 135-144]; в патенте США №9,923,617; в патенте РФ №2455779; в патенте РФ №2398359. В известных способах предполагается, что базовая станция имеет полную информацию о MIMO-канале от каждой абонентской станции и, в соответствии с выбранным критерием, вычисляет прекодирующую матрицу и осуществляет предварительное кодирование пользовательских сигналов путем умножения их на прекодирующую матрицу. Информация о MIMO-канале может быть получена либо путем измерения базовой станцией параметров MIMO-канала на восходящей линии при условии, что для передачи сигналов в восходящей и нисходящей линии используется один и тот же диапазон частот (например, если используется режим временного или полного дуплекса) и при этом абонентские терминалы остаются неподвижными, либо путем передачи информации по обратному каналу о параметрах MIMO-канала, полученных абонентскими станциями путем их оценивания при передаче специальных пилот-сигналов от базовой станции. Под обратным каналом, как правило, понимается общий служебный канал, предназначенный для передачи информации, не относящейся к передаваемым пользователями данным.
Среди линейных методов прекодирования наилучшие характеристики обеспечивает метод, использующий в качестве прекодирующей матрицу, вычисленную в соответствии с алгоритмом минимума среднеквадратического отклонения (МСКО) [Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. М.: Горячая линия - Телеком, 2014]. Недостатком данных способов передачи и приема сигналов является большой объем данных, передаваемых по обратному каналу о параметрах MIMO-канала. Причем объем этих данных растет с ростом числа передающих и приемных антенн и при большом числе антенн требуемая пропускная способность обратного канала становится соизмеримой с пропускной способностью канала передачи данных.
Для устранения этого недостатка в системах связи с предварительным кодированием используется сокращение передаваемой информации о MIMO-канале путем квантования. Известны способы: Feng Teng and К. Kiasaleh, "A Joint Precoding and Scheduling Technique for Multiuser MIMO Systems," Conference Record of the Thirty-Ninth Asilomar Conference onSignals, Systems and Computers, 2005., Pacific Grove, CA, 2005, pp. 1503-1507, https://doi.org/10.1109/ACSSC.2005.1600017; Xin Su, Jie Zeng, Jingyu Li, Liping Rong, Lili Liu, Xibin Xu, Jing Wang, "Limited Feedback Precoding for Massive MIMO", International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2013, Article ID 416352, 9 pages, 2013. https://doi.org/10.1155/2013/416352; в которых для квантования информации используются кодовые книги, содержащие ограниченный набор кодовых слов. Кодовые слова могут быть как векторными, так и матричными. В этих способах, как правило, базовая станция осуществляет периодическую передачу пилот-сигналов для всех пользователей, в абонентской станции каждого пользователя осуществляется оценивание параметров MIMO-канала, оценки MIMO-канала представляются в виде матрицы, когда абонентская станция имеет несколько приемных антенн, или вектора, когда абонентская станция имеет одну приемную антенну, матрица или вектор оценок поочередно сравнивается с каждым кодовым словом и, в итоге, выбирается наиболее близкое, по какому-либо заранее выбранному критерию, кодовое слово. Информация о номере наиболее близкого кодового слова передается по обратному каналу на базовую станцию. Базовая станция принимает эту информацию ото всех пользователей и на основе этой информации формирует матрицу предварительного кодирования, которую использует для формирования излучаемых всеми передающими антеннами сигналов.
Недостатком этих известных способов передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн с предварительным кодированием является то, что квантование приводит к возникновению ошибок при формировании прекодирующей матрицы, в результате чего эффективность предварительного кодирования теряется, и качество связи для всех пользователей ухудшается. Особенно сильно это проявляется в методе оптимизации матрицы прекодирования по критерию МСКО. Причем с увеличением числа передающих и приемных антенн суммарные ошибки квантования возрастают, что требует для их компенсации увеличение объема кодовой книги (числа кодовых слов), что приводит, во-первых, к увеличению объема передаваемой информации по обратному каналу, а во-вторых, к существенному возрастанию числа операций, выполняемых на абонентской станции при сравнении матрицы оценок MIMO-канала с каждым кодовым словом. Это ограничивает объем используемых кодовых книг и не позволяет уменьшить ошибки квантования до необходимого уровня.
Чтобы в данных условиях обеспечить возможность многопользовательской передачи, уменьшают число одновременно работающих абонентских станций, т.е. на базовой станции на основании полученной квантованной информации о MIMO-канале из всех пользователей выбирают группу пользователей, для которых может быть обеспечены передача и прием сигналов с заданным качеством в одном и том же частотном диапазоне, и в один и тот же временной интервал.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, описанный в Shu, F., Gang, W., Yue, X., and Shao-qian, L. (2009) 'Multi-user MIMO linear precoding with Grassmannian codebook,' in WRI International Conference on Communications and Mobile Computing, (CMC'09), volume 1, pp. 250-255, https://doi.Org/10.1109/CMC.2009.188 и принятый за прототип.
Способ прототип состоит в следующем. Базовая станция, имеющая множество (N) передающих антенн, периодически передает пилот-сигналы первого типа от каждой излучающей антенны, которые после распространения по MIMO-каналам принимаются K абонентскими станциями, работающими в одном диапазоне частот и имеющими по одной приемной антенне, каждая абонентская станция оценивает параметры своего MIMO-канала, а именно, комплексные множители передачи от каждой передающей антенны базовой станции к своей приемной антенне, полученные комплексные множители передачи записываются в виде канального вектора, из кодовой книги, одинаковой для всех абонентских станций и известной на базовой станции, выбирается кодовое слово, являющееся наиболее близким к оцененному канальному вектору по какому либо критерию, для данного кодового слова и оцененного канального вектора вычисляется канальный индикатор качества, номер кодового слова и квантованное значение канального индикатора качества передаются каждой абонентской станцией по обратному каналу на базовую станцию, базовая станция по номеру кодового слова восстанавливает оценку канального вектора и с учетом канальных индикаторов качества всех абонентских станций и выбранного критерия качества выбирает из K абонентских станций только М абонентских станций (где М меньше либо равно K), одновременная работа которых позволяет осуществлять передачу и прием сигналов с заданным качеством, для выбранных М абонентских станций на базовой станции с учетом восстановленных канальных векторов вычисляется матрица прекодирования в соответствии с выбранным критерием, перед началом передачи блока данных осуществляется формирование пилот-сигналов второго типа для оценивания эквивалентных MIMO-каналов с прекодированием, включающих в себя преобразование сигналов в результате линейного прекодирования и в MIMO-канале, осуществляется преобразование этих пилот-сигналов с учетом линейного прекодирования и излучение их передающими антеннами базовой станции, затем информационные потоки битов, предназначенные для передачи выбранным М абонентским станциям, индивидуально кодируются, модулируются и объединяются в один общий векторный поток, который умножается на прекодирующую матрицу и излучается N передающими антеннами, приемники отобранных М абонентских станций принимают пилот сигналы второго типа и оценивают параметры эквивалентных MIMO-каналов с прекодированием, затем используют эти оценки для последующей демодуляции и декодирования своих сигналов и выделения переданной информации.
Недостатком прототипа является то, что из-за ошибок квантования число выбранных абонентских станций, для которых может быть обеспечены передача и прием сигналов с необходимым качеством, будет существенно меньше числа пространственных каналов, т.е. не все ресурсы пространственного разделения будут использованы. Причем при повторном цикле, начинающемся с передачи новых пилот сигналов первого типа, при отсутствии изменений в MIMO-канале, будут выбираться те же кодовые слова и информация, передаваемая по обратному каналу, изменяться не будет, что не позволит улучшить точность восстановления канальных векторов на базовой станции.
Задача, которую решает заявляемое изобретение, состоит в увеличении пропускной способности и емкости многопользовательской системы связи с MIMO-каналом, заключающейся в увеличении числа абонентских станций, одновременно работающих в одном частотном диапазоне на нисходящей линии, без существенного увеличения объема информации передаваемой по обратному каналу.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, заключающемся в том, что базовая станция, имеющая множество (N) передающих антенн, периодически передает пилот-сигналы первого типа из каждой излучающей антенны, которые после распространения по MIMO-каналу принимаются K абонентскими станциями, работающими в одном диапазоне частот и имеющими по одной приемной антенне, каждая абонентская станция оценивает параметры своего MIMO-канала, а именно, комплексные множители передачи от каждой передающей антенны базовой станции к своей приемной антенне, полученные комплексные множители передачи записываются в виде канального вектора, информация о канальном векторе сопоставляется с кодовыми словами, записанными в кодовой книге, одинаковой для всех абонентских станций и известной на базовой станции, и выбирается кодовое слово наиболее точно соответствующее этой информации, точность соответствия выбранного кодового слова и информации о канальном векторе характеризуется индикатором качества канала, номер кодового слова и квантованное значение индикатора качества канала от каждой абонентской станции передаются по обратному каналу на базовую станцию, базовая станция использует полученные от каждой абонентской станции номера кодовых слов для восстановления информации о канальном векторе каждой абонентской станции и с учетом индикаторов качества каналов всех абонентских станций и заданного критерия качества выбирает из K абонентских станций только М абонентских станций (где М меньше либо равно K), одновременная работа которых позволяет осуществлять передачу и прием сигналов с заданным качеством, для выбранных М абонентских станция на базовой станции с учетом восстановленных канальных векторов вычисляется матрица прекодирования в соответствии с выбранным критерием, перед началом передачи блока данных осуществляется формирование пилот-сигналов второго типа для оценивания эквивалентных MIMO-каналов с прекодированием, включающих в себя преобразование сигналов в результате линейного прекодирования и в MIMO-канале, осуществляется преобразование этих пилот-сигналов с учетом линейного прекодирования и излучение их передающими антеннами базовой станции, затем информационные потоки битов, предназначенные для передачи выбранным М абонентским станциям, индивидуально кодируются, модулируются и объединяются в один общий векторный поток, который умножается на прекодирующую матрицу и излучается N передающими антеннами, приемники выбранных М абонентских станций принимают пилот-сигналы второго типа и оценивают параметры эквивалентных MIMO-каналов с прекодированием, затем используют эти оценки для последующей демодуляции и декодирования своих сигналов и выделения переданной информации, каждая абонентская станция осуществляет ортогональное преобразование оцененного канального вектора, причем на каждом цикле, начинающемся с передачи пилот-сигналов первого типа, используются разные ортогональные преобразования из общего набора ортогональных матриц, известного на базовой станции, преобразованный канальный вектор подвергается квантованию путем выбора наиболее близкого кодового слова из кодовой книги с учетом комплексного весового множителя, который тоже оценивается и квантуется путем обычного аналого-цифрового преобразования, вычисляется сумма квадратов разностей между элементами преобразованного канального вектора и квантованного преобразованного канального вектора с учетом комплексного весового множителя, которая также квантуется путем аналого-цифрового преобразования и является индикатором качества канала, квантованная информация в виде номера кодового слова и квантованных значений комплексного множителя и индикатора качества канала передается каждой абонентской станцией по обратному каналу на базовую станцию, базовая станция принимает квантованную информацию от каждой абонентской станции, используя эту информацию, а также известные на базовой станции кодовую книгу и набор ортогональных преобразований, восстанавливает оценки канальных векторов от каждой абонентской станции, полученных во время текущего цикла передачи пилот-сигналов первого типа от базовой станции, осуществляет фильтрацию оценок канальных векторов, полученных на предыдущих циклах и на текущем цикле с учетом квантованных значений индикаторов качества каналов, полученные после фильтрации уточненные оценки канальных векторов и показатели качества их оценивания используются базовой станцией для выбора нового набора с увеличенным числом М абонентских станций, для которых возможна передача и прием информации с заданным качеством, для вычисления общей матрицы прекодирования для выбранных абонентских станций используются полученные после фильтрации уточненные оценки канальных векторов и вычисленные показатели качества их оценивания.
Предлагаемый способ передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн отличается от прототипа тем, что каждая абонентская станция осуществляет ортогональное преобразование оцененного канального вектора, причем на каждом цикле, начинающемся с передачи пилот-сигналов первого типа, используются разные ортогональные преобразования из общего набора ортогональных матриц, известного на базовой станции, преобразованный канальный вектор подвергается квантованию путем выбора наиболее близкого кодового слова из кодовой книги с учетом комплексного весового множителя, который тоже квантуется путем обычного аналого-цифрового преобразования, вычисляется сумма квадратов разностей между элементами преобразованного канального вектора и квантованного преобразованного канального вектора, которая также квантуется путем аналого-цифрового преобразования и является индикатором качества канала, квантованная информация в виде номера кодового слова и квантованных значений комплексного множителя и индикатора качества канала передается каждой абонентской станцией по обратному каналу на базовую станцию, базовая станция принимает квантованную информацию от каждой абонентской станции, используя эту информацию, а также известные базовой станции кодовую книгу и набор ортогональных преобразований, восстанавливает оценки канальных векторов от каждой абонентской станции, полученных во время текущего цикла передачи пилот-сигналов первого типа от базовой станции, осуществляет фильтрацию оценок канальных векторов, полученных на предыдущих циклах и на текущем цикле с учетом квантованных значений индикаторов качества каналов, полученные после фильтрации уточненные оценки канальных векторов и показатели качества их оценивания используются базовой станцией для выбора нового набора с увеличенным числом М абонентских станций, для которых возможна передача и прием информации с заданным качеством, вычисляет общую матрицу прекодирования для выбранных абонентских станций с учетом полученных после фильтрации уточненных оценок канальных векторов и показателей качества их оценивания.
Перечисленные выше отличительные признаки позволяют получить лучший технический эффект, а именно:
- существенно повысить пропускную способность и емкость многопользовательской системы связи с множеством передающих и приемных антенн, так как увеличивается число одновременно обслуживаемых абонентских станций, работающих в одном и том же диапазоне частот в одно и то же время;
- повысить качество передачи и приема сигналов по сравнению с прототипом и аналогами при одинаковом числе одновременно работающих абонентских станций;
- уменьшить объем информации передаваемой по обратному каналу по сравнению с аналогами, не использующими кодовые книги.
Данный технический эффект достигается за счет следующих мероприятий. Благодаря тому, что на каждом цикле передачи пилот-сигналов первого типа на абонентских станциях используется квантование преобразованных разными ортогональными преобразованиями канальных векторов, квантованная информация, передаваемая по обратному каналу, по-новому описывает канальный вектор на каждом цикле. В зависимости от выбора набора ортогональных преобразований корреляция ошибок квантования исходного канального вектора на разных циклах уменьшается. Это позволяет использовать сглаживание или фильтрацию квантованных оценок канальных векторов, что в свою очередь улучшает их точность с каждым новым циклом и в пределе оценки канальных векторов стремятся к истинным значениям. Таким образом, характеристики предлагаемой системы передачи и приема сигналов в многопользовательской системе с множеством передающих и приемных антенн будут стремиться к характеристикам многопользовательской системы связи с MIMO-каналом с прекодированием при точно известной на передающей стороне матрице MIMO-канала.
Далее описанное изобретение поясняется примерами выполнения и рисунками.
На фиг. 1 изображена структурная схема многопользовательской системы радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, в которой осуществляют заявляемый способ.
На фиг. 2 изображена структурная схема оборудования базовой станции многопользовательской системы радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, в которой осуществляют заявляемый способ.
На фиг. 3 изображена структурная схема оборудования абонентской станции многопользовательской системы радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, в которой осуществляют заявляемый способ..
На фиг. 4 изображена структура одного из K блоков обработки сигналов, передаваемых по обратному каналу от абонентской станции к базовой.
На фиг. 5 приводится зависимость числа обслуживаемых пользователей от номера цикла, полученная путем моделирования алгоритма передачи-приема сигналов, разработанного в соответствии со способом передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн согласно заявляемому изобретению.
На фиг. 6 приведены зависимости средней для всех пользователей вероятности ошибки на кадр от отношения сигнал/шум на бит при разном числе циклов для фиксированного (максимального) числа обслуживаемых абонентских станций.
Структурные схемы устройств и входящих в них блоков, выполненные на фиг. 2-4, приведены как примеры выполнения для реализации заявляемого способа. Однако, использование заявляемого изобретения не ограничивается реализацией его только посредством приведенных устройств.
Способ передачи-приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, согласно заявляемому изобретению реализуют в системе, которая содержит базовую станцию (БС) 100 с N передающими антеннами и К абонентских станций. Базовая станция осуществляет передачу пилот-сигналов первого типа, предназначенных для оценивания параметров MIMO-каналов, распространение которых отмечено на фиг. 1 пунктирными линиями от антенн базовой станции к антеннам абонентских станций. Все абонентские станции осуществляют прием пилот-сигналов первого типа, оценивают параметры MIMO-каналов и передают информацию о полученных оценках на базовую станцию по обратному каналу (показано пунктирной линией от абонентских станций к базовой). Все абонентские станции разделены на две группы. Абонентские станции 101.1, 101.2 образуют группу из М абонентских станций, выбранных базовой станцией для обслуживания, т.е. для участия в процессе передачи и приема пользовательской информации. Остальные абонентские станции участвуют в процессе оценивания канала и передачи этой информации на базовую станцию, но не участвуют в передаче и приеме пользовательской информации. Они образуют группу временно необслуживаемых абонентских станций 102.1, 102.2.
В состав оборудования базовой станции 100 входят (фиг. 2) блок преобразования частоты, фильтрации, усиления и излучения сигналов 201, выходами которого являются N излучающих антенн, мультиплексор пилот-сигналов первого типа 202, осуществляющий периодическую вставку пилот-сигналов первого типа в общий поток из N модулированных сигналов, при этом дискретный момент времени п определяет номер текущего цикла. Кроме того в состав оборудования базовой станции входит блок прекодирования 203, осуществляющий операцию линейного прекодирования потока из М модулированных символов в поток N прекодированных символов, мультиплексор пилот-сигналов второго типа 204, осуществляющий периодическую вставку пилот-сигналов второго типа в общий поток из М модулированных сигналов, блок кодирования и модуляции 205, осуществляющий индивидуальное кодирование (блоки 211.1 - 211.M) и модуляцию (блоки 212.1-212.М) данных выбранных пользователей и мультиплексор пользовательских данных 206, осуществляющий коммутацию данных М выбранных пользователей из К возможных для дальнейшей передачи. Перечисленные блоки 201-206, непосредственно, используются для передачи пользовательской информации. Кроме них оборудование базовой станции содержит также блоки обработки информации обратного канала 201.k (где k=1, 2, …K), осуществляющих прием квантованной информации, передаваемой по абонентскому каналу от каждой абонентской станции, восстановление и фильтрацию оценок параметров MIMO-канала каждой абонентской станции, и блок 208 выбора абонентских станций и вычисления матрицы линейного прекодирования, в котором фильтрованные оценки параметров MIMO-канала с учетом их точности используются для выбора группы абонентских станций, обслуживаемых базовой станцией, качество передачи и приема для которых удовлетворяют заданным требованиям, и вычисляется матрица линейного прекодирования для выбранной группы абонентских станций. Кроме того в состав базовой станции также входят генератор пилот-сигналов первого типа (блок 213) и генератор пилот-сигналов второго типа (блок 214).
В состав оборудования каждой абонентской станции 101 или 102 входят (фиг. 3) приемник 301, осуществляющий усиление, фильтрацию и преобразование частоты принимаемого сигнала, блок оценивания эквивалентного MIMO-канала с прекодированием 303, реализующий операцию оценивания комплексных множителей эквивалентного MIMO-канала с прекодированием по пилот-сигналу второго типа, блок демодуляции и декодирования 302, выход которого является выходом абонентской станции, на котором выделяется переданная пользовательская информация, блок 304 оценивания MIMO-канала, осуществляющий оценивание комплексных коэффициентов передачи от каждой передающей антенны базовой станции к приемной антенне абонентской станции, на выходе этого блока формируется оценка канального вектора MIMO-канала, и блок 305 квантования информации о канальном векторе MIMO-канала. Блоки 301-303 участвуют в приеме сигнала и выделении переданной информации от базовой станции, блоки 304-305 используются для формирования и передачи информации о MIMO-канале, необходимой для реализации прекодирования на базовой станции.
В структурных схемах (фиг. 2-4) не показаны устройства и сигналы синхронизации, хотя подразумевается, что они необходимы и обязательно присутствуют при реализации блоков, входящих в состав структурных схем устройств, на которых осуществляют заявляемый способ. Синхронизация сигналов в устройствах выполняется любым известным способом (традиционно) для данных систем связи и не изменяется применительно к алгоритму согласно заявляемому способу, поэтому для простоты изложения описание сигналов синхронизации и соответственно устройств, которые выполняют эти функции, опущено.
Рассмотрим подробнее реализацию заявляемого изобретения со ссылкой на фиг. 1-4.
Принимаемый k-ой абонентской станцией сигнал после усиления, фильтрации и преобразования в цифровую форму описывается следующим выражением
k
k
i
k
i
H
где y - комплексный отсчет принятого сигнала (отсчет наблюдения); h - N-мерный вектор-строка комплексных множителей канала (канальный вектор) для k-ой абонентской станции; N - число передающих антенн на базовой станции; W - общая (N×M) -мерная матрица прекодирования; s - М - мерный вектор комплексных модулированных символов, причем каждый i-ый (i=1, 2, …М) символ s предназначен для передачи i-ой абонентской станции из М выбранных; η - отсчет комплексного гауссовского шума наблюдения с нулевым математическим ожиданием и дисперсией ; М - число выбранных абонентских станций M≤N; w - i -ый столбец матрицы W, для которого должно выполняться условие нормировки  Верхний индекс Н для вектора x обозначает одновременные операции транспонирования и комплексного сопряжения вектора x.
w,ki
k
i
Обозначим h=hw. Данный коэффициент является элементом эквивалентного MIMO-канала, включающего преобразование i-ого модулированного символы в результате операции прекодирования и распространения до приемной антенны k-ой абонентской станции. Элементы эквивалентного MIMO-канала оцениваются в блоке 303 (фиг. 3) при приеме пилот-сигналов второго типа и используются в блоке 302 для демодуляции и декодирования для выделения переданной информации. Эти операции выполняются каждой абонентской станцией из М выбранных, они выполняются любыми известными способами и широко описаны в научно-технической литературе.
k
При приеме пилот-сигналов первого типа, в качестве которых обычно используют ортогональные последовательности, каждая k-ая абонентская станция из всех K абонентских станций, осуществляет оценивание канального вектора h. Эта операция является известной и широко используемой в системах связи.
Полученная оценка канального вектора подвергается ортогональному преобразованию в блоке 310 (фиг. 3), которая описывается следующим выражением
(n)
(n)
n
T
где Т - n-ая ортогональная матрица размером (N×N) из общего набора для , N - число ортогональных матриц в наборе. В качестве такого набора можно использовать, например, матрицы перестановок, порождаемые одной матрицей T=P. Например, для N=4 можно использовать матрицу перестановок следующего вида
T
T
Номер ортогонального преобразования n соответствует номеру цикла передачи пилот-сигналов первого типа. В случае если номер цикла больше числа ортогональных преобразований N, то он берется по модулю N.
Полученный в результате ортогонального преобразования вектор  поступает в блок векторного квантования 308 (фиг.3), который реализует следующую операцию
c
где  кодовое слово из кодовой книги объемом N. В качестве кодовой книги можно использовать набор векторов, полученных путем отбора из многообразия Грассмана (грассманианов) [Medra A., Davidson Т. Flexible codebook design for limited feedback downlink systems via smooth optimization on the grassmannian manifold. IEEE 13th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), 2012, pp. 50-54]. Индекс наиболее близкого кодового слова  является частью информации, передаваемой на базовую станцию по обратному каналу.
Выбранное кодовое слово  и вектор  поступают в блок 309 (фиг. 3) оценивания комплексного весового множителя и индикатора качества канала, который реализует следующие операции
где  - оцененный комплексный весовой множитель;  - индикатор качества канала, который фактически является индикатором качества квантования преобразованного вектора с учетом комплексного весового множителя;  квадратичная норма вектора, являющаяся суммой квадратов модулей элементов этого вектора.
Квантованные значения комплексного весового множителя , индикатора качества канала  и номер выбранного кодового слова  объединяются и передаются по обратному каналу на базовую станцию. Эти операции выполняет каждая абонентская станция из K абонентских станций, делающих запрос на обслуживание.
Базовая станция по обратному каналу от каждой абонентской станции принимает информацию о номере кодового слова , комплексном весовом множителе , индикаторе качества канала  и использует ее в блоках 207.k обработки информации обратного канала (где k=1, 2, …K, (фиг. 2)). Структура одного блока 207.k обработки информации обратного канала k-ой абонентской станции приведена на фиг. 4. Она содержит блок 401 хранения кодовой книги, блок 402 хранения набора матриц ортогонального преобразования, блок 403 восстановления преобразованного вектора, блок 404 оценивания точности квантования, блок 405 ортогонального преобразования и блок 406 фильтрации оценок канальных векторов.
В блоке 403 восстанавливаются оценки преобразованных векторов
Затем путем обратного ортогонального преобразования в блоке 405 (фиг. 4) восстанавливаются текущие оценки канальных векторов для каждой абонентской станции
При этом предполагается, что базовая станция имеет точно такую же кодовую книгу (блок 401 фиг. 4) и точно такой же набор ортогональных матриц (блок 402, фиг. 4), что и абонентские станции (блок 306 и блок 307 на фиг. 3, соответственно).
Информация об индикаторе качества канала  поступает в блок 404 (фиг. 4) оценивания точности квантования. В нем вычисляется дисперсия ошибки квантования текущего преобразованного вектора. Она вычисляется в соответствии со следующим выражением
Вычисленная дисперсия ошибки квантования  и восстановленная текущая оценка канального вектора  поступают в блок фильтрации 406 (фиг. 4), в котором учитываются оценки канального вектора и дисперсии ошибки квантования, полученные на предыдущих циклах, и осуществляется сглаживание или фильтрация этих оценок и вычисление дисперсии ошибок фильтрованных оценок. Данный блок может использовать рекуррентную фильтрацию, алгоритм которой описывается следующими выражениями
а,
где  - фильтрованная оценка канального вектора;  - дисперсия ошибки фильтрации элементов канального вектора;  - параметры модели первого порядка, описывающей изменения элементов канального вектора во времени
а
где  - N-мерный вектор шумов возбуждения модели, элементы которого предполагаются комплексными случайными гауссовскими величинами с нулевым математическим ожиданием и дисперсией . Для MIMO-канала, параметры которого изменяются медленно можно считать =1,
Для первого цикла используются следующие начальные условия
Блок 406 имеет два выхода: векторный (N-мерный) выход с фильтрованной оценкой канального вектора  и скалярный выход с дисперсией ошибки фильтрации . Эти выходы являются выходами блока 207.k (фиг. 2) обработки информации обратного канала, где k=1, 2, …K.
Сигналы с выходов блоков 201.k (фиг. 2) обработки информации обратного канала, где k=1, 2, …K, подаются на соответствующие входы блока 208 (фиг. 2) выбора абонентских станций и вычисления матрицы линейного прекодирования, который состоит из блока 209 (фиг. 2) выбора абонентских станций и блока 210 (фиг. 2) вычисления матрицы прекодирования. Блок 209 выбора абонентских станций имеет K векторных (N-мерных) входов и K скалярных (одномерных) входов. Эти входы являются входами блока 208 и на них поступают соответствующие сигналы с выходов блоков 201.k (фиг. 2) обработки информации обратного канала, где k=1, 2, …K.
Общий принцип работы блока 208 (фиг. 2) выбора абонентских станций и вычисления матрицы линейного прекодирования состоит в последовательном переборе всех возможных комбинаций выбора М абонентских станций из K возможных, вычисления показателя качества приема сигналов выбранными абонентскими станциями и выбора комбинации с наилучшим качеством. Если для наилучшей комбинации показатель качества удовлетворяет заданному значению, то число М увеличивается на 1 и выбор наилучшей комбинации повторяется. Если для нового значения М комбинация с наилучшим показателем качества, удовлетворяющим заданному значению не найдена, то выбирается комбинация с предыдущим значением М. Для нее вычисляется матрица прекодирования, которая затем передается в блок 203 прекодирования (фиг. 2), а информация о выбранной комбинации абонентских станций передается в мультиплексор пользовательских данных (блок 206, фиг. 2).
Поиск наилучшей комбинации абонентских станций может осуществляться как путем увеличения числа М (как было рассмотрено ранее), так и путем уменьшения. В качестве показателя качества могут использоваться различные известные варианты: среднее отношение сигнал/шум на абонентской станции, средняя достижимая скорость передачи информации для выбранных абонентских станций, сумма дисперсий ошибки оценивания символов и др., описанные, например, в [J. Jiang and D. Kong, "Joint user scheduling and MU-MIMO hybrid beamforming algorithm for mm Wave FDMA Massive MIMO system," Int. J. Antennas Propag., vol. 2016, pp. 1-10, Oct. 2016. https://doi.org/10.1155/2016/4341068], [Rania H. El-abd, Haythem H. Abdullah, Mohamed abd el-azim, Ahmed sh. Samrah, Ahmed abo talb, "Studying the Performance of Linear Precoding Algorithms based on Millimeter-wave MIMO Communication System," Int. J. Scientific & Engineering Research, vol. 10, Issue 1, 2019, pp. 2076-2082.]
Рассмотрим в качестве примера использование суммы дисперсий ошибки оценивания при использовании алгоритма прекодирования по критерию минимума среднеквадратического отклонения (МСКО алгоритм). Для данного алгоритма общая матрица прекодирования с учетом точности фильтрованных оценок канальных векторов для комбинации из М абонентских станций будет определяться следующим выражениям
где  - матрица фильтрованных оценок MIMO-канала для выбранной комбинации из т абонентских станций размером (m×N);
k,(m)
m
- ненормированная матрица прекодирования размером (m × N); w - нормированный вектор прекодирования для k-ой абонентской станции из текущей комбинации т выбранных; I - единичная матрица размером (m×m).
Нижний индекс (m) у векторно-матричных переменных означает использование данного выражения для одной из возможных комбинаций с числом выбранных абонентских станций m.
Сумма дисперсий оценивания символов для данного алгоритма прекодирования вычисляется следующим образом
Данное значение суммы дисперсий вычисляется для всех комбинаций с числом выбранных абонентских станций т и находится минимальное значение . Если это значение оказывается меньше допустимого, то число абонентских станций увеличивают на 1, т.е. берут m=m+1 и перебирают все возможные комбинации для нового значения числа выбираемых абонентских станций. Если для нового значения m минимальное значение суммарной дисперсии  превышает допустимое значение, то в качестве окончательной используется предыдущая комбинация с меньшим значением m удовлетворяющая этому условия.
Для сокращения числа перебираемых комбинаций на каждом шаге можно использовать наилучшую комбинацию, полученную при меньшем значении m, и добавлять к ней поочередно по одной из оставшихся абонентских станций и для каждой из этих комбинаций вычислять суммарную дисперсию. В этом случае число анализируемых комбинаций на каждом следующем шаге будет равно (K-m).
Комбинация, для которой суммарная дисперсия будет меньше допустимого значения, а число абонентских станций будет максимально, принимается за окончательную комбинацию. Номера выбранных абонентских станций передаются в мультиплексор пользовательских данных (блок 206, фиг. 2), а вычисленная матрица прекодирования передается в блок 203 прекодирования (фиг. 2), в котором вектор модулированных символов, каждый из которых предназначен для передачи на соответствующую абонентскую станцию, умножается на прекодирующую матрицу.
Способ согласно заявляемому изобретению не исключает использование других алгоритмов выбора обслуживаемых абонентских станций и вычисления матрицы прекодирования.
Для оценки характеристик помехоустойчивости алгоритма передачи-приема сигналов, разработанного в соответствии со способом передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн согласно заявляемому изобретению, было выполнено компьютерное моделирование.
Для моделирования была разработана программная модель базовой станции с N=32 передающими антеннами и K=40 абонентскими станциями, каждая из которых оборудована одной приемной антенной. Структурная схема разработанной модели описана выше и показана на фиг. 1-4.
При моделировании использовалась модель канала связи с независимыми релеевскими замираниями и аддитивным гауссовским шумом. Для передачи данных каждой обслуживаемой абонентской станции использовалось Турбо кодирование со скорость 1/3 и модуляция QPSK. Длина кадра равна 576 битов. Для векторного квантования использовался кодовая книга из 512 комплексных 32-мерных векторов, полученных путем генерации грассманианов [Shu, F., Gang, W., Yue, X., and Shao-qian, L. (2009) 'Multi-user MIMO linear precoding with Grassmannian codebook,' in WRI International Conference on Communications and Mobile Computing, (CMC'09), volume 1, pp.250-255, https://doi.org/10.1109/CMC.2009.188]. Для передачи номера выбранного кодового слова требуется 9 битов. Для передачи квантованного значения комплексного весового множителя использовалось 6 битов (по 3 бита на каждую составляющую комплексного числа) и для передачи квантованного канального индикатора качества использовалось 3 бита. Таким образом, по каналу обратной связи на каждом цикле от каждого пользователя передавалось 18 битов.
Моделирование проводилось при среднем отношении сигнал/шум на бит равном -3 дБ. Согласно заявляемому изобретению на каждом цикле передачи пилот-сигналов первого типа осуществлялся выбор абонентских станций, в качестве показателя для выбора пользователей использовалась суммарная дисперсия, вычисляемая в соответствии с выражением (1), причем пороговое значение выбиралось таким образом, чтобы обеспечить среднюю для всех обслуживаемых абонентских станций вероятность ошибки на кадр не более 1%.
Результаты моделирования в виде зависимости числа обслуживаемых абонентских станций М, для которых обеспечивается заданное качество приема, от номера цикла n приведены на фиг. 5. Значение числа обслуживаемых станций при n=1 составляет 4 обслуживаемых абонентских станции и соответствует характеристике способа прототипа, так как в способе прототипе увеличение числа циклов не приводит к уменьшению ошибки квантования канального вектора и, следовательно, не увеличивает число обслуживаемых абонентских станций. Приведенный график показывает, что предлагаемый способ позволяет за 18 циклов обеспечить полную загрузку емкости системы (32 обслуживаемых абонентских станции). По сравнению с прототипом это составляет восьмикратное увеличение числа обслуживаемых абонентских станций.
На фиг. 6 приведены зависимости средней для всех абонентских станций вероятности ошибки на кадр от отношения сигнал/шум на бит при разном числе циклов для фиксированного числа обслуживаемых абонентских станций, равного максимально возможному, т.е. M=K-N=32. Здесь хорошо видно, что при увеличении числа циклов характеристики помехоустойчивости для каждой абонентской станции улучшаются.
Приведенные результаты моделирования показывают, что использование предлагаемого способа позволяет:
- существенно повысить пропускную способность и емкость многопользовательской системы связи с множеством передающих и приемных антенн в нисходящем канала, так как увеличивается число одновременно обслуживаемых абонентских станций, работающих в одном и том же диапазоне частот в одно и то же время;
- повысить качество передачи и приема сигналов по сравнению с прототипом и аналогами при одинаковом числе одновременно работающих абонентских станций;
- уменьшить объем информации передаваемой по обратному каналу по сравнению с аналогами, не использующими кодовые книги.