Procedimiento de asignación de potencia en sistemas multiantena bajo conocimiento parcial del canal.

Un procedimiento para asignar una potencia mínima de enlace descendente desde un transmisor (1) que tiene nt antenas de transmisión de un sistema de comunicaciones celular multiantena multiusuario con N usuarios conectados, al mencionado transmisor (1). Cada usuario comprende al menos una antena. El procedimiento comprendiendo las etapas de: la generación en el mencionado transmisor (1) M haces aleatorios (b1... bM); el envío de los mencionados M haces aleatorios a través de todas las antenas de transmisión; el cálculo en cada uno de los usuarios de una relación, señal a ruido más interferencia para cada haz aleatorio enviado por el mencionado transmisor (1); el envío como retorno al mencionado transmisor (1) de los mencionados valores calculados de la relación señal a ruido más interferencia, representando la mencionada relación señal a ruido más interferencia una información parcial de estado de canal; la selección en el mencionado transmisor (1) de los M mejores usuarios que corresponden con los M mejores valores de la relación señal a ruido más interferencia por haz; la presunción en el transmisor (1) de que existe incertidumbre en la mencionada información parcial de estado de canal. El procedimiento comprende de manera adicional: la asignación de una cantidad mínima de potencia a las antenas de transmisión. Esa cantidad mínima de potencia depende de los mencionados mejores valores de la relación señal a ruido más interferencia por haz, de un requisito de calidad de servicio predeterminada por usuario y de un incumplimiento predefinido permitido en el requisito de calidad de servicio por usuario. La asignación de potencia es robusta para dicha incertidumbre presupuesta en la mencionada información, parcial de estado de canal. Transmisor, estación base, sistema y programa de ordenador

Procedimiento de asignación de potencia en sistemas multiantena bajo conocimiento parcial del canal.

Campo de la invención

La presente invención hace referencia a un procedimiento para la asignación de potencia y de manera más precisa, para la asignación de potencia bajo restricciones de calidad de servicio y conocimiento parcial del canal.

Estado de la técnica

La tecnología Multiusuario de Múltiple Entrada - Múltiple Salida (MIMO) (Multiple-Input-Multiple-Output) destaca como una de las técnicas principales para mejorar el funcionamiento de las comunicaciones sin hilos, siendo recientemente propuesta para el IEEE 802.11n, IEEE 802.16e y UMTS-HSDPA. Esta tecnología proporciona una gran velocidad de datos al mismo tiempo que usa la misma cantidad de espectro y de potencia, gracias a sus capacidades especiales de multiplexación.

A diferencia del escenario Punto a Punto en el que la Información de Estado de Canal en el lado del Transmisor (CSIT) no es crucial, el sistema Multiusuario depende en gran medida de la cantidad de CSIT. Sin embargo, la carga de realimentación desde cada uno de los usuarios al transmisor en un escenario de enlace descendente incurre en una gran pérdida de eficiencia en los recursos del sistema, haciendo que sea muy improbable que ocurra en los sistemas de comunicaciones reales el conocimiento completo del canal en los sistemas MIMO multiusuario.

Motivado por la imposibilidad de CSIT completa, se necesitan estrategias de transmisión MIMO multiusuario que recaen en el conocimiento parcial del canal para su implementación realística en esquemas comerciales de transmisión. Entre ellos y todos los esquemas MIMO multiusuario, las estrategias Conformadoras del haz Oportunísticas Multihaz son atractivas debido a su alto rendimiento y a sus capacidades de multiplexación, al mismo tiempo que su diseño de baja complejidad, en el que solamente se requiere CSIT parcial en términos del módulo de canal para al apropiado funcionamiento del sistema. Su máxima velocidad de suma se ha analizado a través de los estudios teóricos de la literatura, como en el documento de M. Sharif y B. Hassibi, titulado "Acerca de la Capacidad del Canal de Radiodifusión MIMO con Información Lateral Parcial", Transacciones IEEE acerca de la Teoría de la Información, volumen 51, núm. 2, páginas 506 a 522, de febrero de 2005.

Sin embargo, para su implementación comercial del sistema en la que se requiere un enfoque que se centre en la Calidad de Servicio (QoS) de los usuarios a los que se da servicio, se necesitan consideraciones adicionales. La QoS del sistema se puede medir de manera potencial a través de la velocidad mínima por usuario, de forma que a cada usuario al que se da servicio, se le garantiza una relación mínima de señal a ruido más interferencia (SNIR), permitiendo que pueda descodificar de manera apropiada sus datos deseados con una tasa de error de paquetes (PER) predefinida.

Con relación al requisito de tasa mínima por usuario, se muestra que la satisfacción del usuario aumenta de manera insignificante en una tasa de servicio superior que la que demanda el usuario, mientras que por otra parte, si cae la tasa proporcionada por debajo de este requisito, la satisfacción decrece de manera drástica. Por lo tanto, se lleva a cabo un esquema de transmisión comercialmente atractivo por medio del cumplimiento con el requisito de tasa mínima para cada usuario programado a la vez que se minimiza la potencia transmitida total.

Varios estudios MIMO Multiusuario han considerado la transmisión a potencia mínima con las demandas de QoS cuando se encuentra disponible la CSIT completa, como se presenta en el documento de M. Schubert y H. Boche, titulado "Solución del Problema de la Conformación del Haz del Enlace Descendente Multiusuario con Restricciones SINR Individuales", Transacciones IEEE acerca de Tecnología Vehicular, volumen 53, núm. 1, páginas 18-28, de enero de 2004. Sin embargo, cuando nos trasladamos al sistema realista con CSIT parcial, no se han hecho contribuciones previas en los esquemas de conformación del haz oportunística multihaz, en los que la consecución de la velocidad mínima QoS es difícil y se mantiene como una cuestión abierta tanto en la literatura como en la transferencia de la tecnología. Esto es principalmente debido a los términos de interferencia de cruce que origina la conformación del haz oportunística multihaz en el escenario multiusuario cuando cada uno de los usuarios recibe un componente de interferencia desde cada uno de los otros haces generados, mientras que solamente se encuentra disponible en el programador la CSIT parcial, de forma que no se puede llevar a cabo ningún preprocesamiento en el lado del transmisor para combatir los términos de interferencia de cruce.

Esta tarea es incluso más difícil en escenarios inalámbricos prácticos ya que la información CSIT no es perfecta debido al desvanecimiento rápido, a la cuantificación, a la duración limitada de la etapa de formación y/o a la estimación no precisa durante el proceso de formación, de forma que el programador tiene que tratar no solamente con la CSIT parcial, sino también tiene que tener en consideración que las medidas de la CSIT parciales disponibles son imperfectas.

Resumen de la invención

Un objetivo principal de la presente invención es proporcionar un procedimiento de asignación de potencia que requiera una potencia mínima para garantizar la tasa mínima de QoS para cada uno de los usuarios programados teniendo un escenario de CSIT parcial (solamente la información de módulo de canal se encuentra disponible en el transmisor).

En particular, es un objeto de la presente invención un procedimiento para asignar una potencia mínima de enlace descendente desde un transmisor de un sistema de comunicaciones celular multiantena y multiusuario con N usuarios conectados mediante enlace inalámbrico al transmisor. El transmisor (1) comprende n_t antenas de transmisión y cada uno de los N usuarios comprende al menos una antena. El procedimiento que comprende las etapas, a un cierto instante de tiempo t, de: generación en el transmisor de una pluralidad de M haces aleatorios; el envío de cada uno de los M haces aleatorios a través de todas las n_t antenas de transmisión; el cálculo en cada uno de los mencionados N usuarios de una relación señal a ruido más interferencia para cada uno de los M haces aleatorios enviados por el transmisor; el envío como retorno al transmisor de los valores calculados de la relación señal a ruido más interferencia, que representan una información de estado de canal parcial; la selección en el transmisor de los M mejores usuarios que corresponden con los M mejores valores de la relación señal a ruido más interferencia por haz; la presunción en el transmisor (1) de que existe incertidumbre en la información de estado de canal parcial. El procedimiento comprende de manera adicional las etapas de: asignación de una cantidad mínima de potencia a las n_t antenas de transmisión, siendo esa cantidad mínima de potencia dependiente de los mejores valores de la relación señal a ruido más interferencia por haz, de un requisito de calidad de servicio predeterminado por usuario y de un incumplimiento permitido predefinido en el requisito de calidad de servicio por usuario. La asignación de potencia es robusta para la incertidumbre supuesta en la información de estado de canal parcial.

En una realización particular, la selección de los mejores valores de la relación señal a ruido más interferencia se realiza sobre las medidas instantáneas realimentadas de la relación señal a ruido más interferencia.

En una realización particular, el incumplimiento permitido predefinido en el requisito de calidad de servicio por usuario es cero. Debido a esa incertidumbre en la información de estado de canal parcial en el transmisor, se elige un escenario en el peor caso con el fin de garantizar el cumplimiento del requisito de calidad de servicio mientras se asigna la cantidad mínima de potencia.

Los M valores de potencia asignada que minimizan la potencia transmitida total desde el transmisor se obtienen de manera preferible por medio de la resolución de un problema de optimización convexa que se explica con posterioridad.

En otra realización particular, el incumplimiento permitido predefinido en el requisito de calidad de servicio por usuario es mayor de cero.

En ese caso, debido a la incertidumbre en la información de estado de canal parcial en el transmisor, se elige un escenario estadístico...

1. Procedimiento para asignar una potencia mínima de enlace descendente desde un transmisor (1) de un sistema de comunicaciones celular multiantena multiusuario con N usuarios (30-1, 30-2, 30-N) conectados mediante enlace inalámbrico a dicho transmisor (1), en el que el transmisor (1) comprende n_t antenas de transmisión (10-1, 10-2, ..., 10-n_t), y cada uno de los N usuarios comprende al menos una antena (30-1₁ ..., 30-1_Z1, 30-2₁ ..., 30-2_Z2, ... 30-N₁ ..., 30-N_ZN), comprendiendo el procedimiento las etapas de, en un cierto instante de tiempo t:

- la generación en el mencionado transmisor (1) de una pluralidad de M haces aleatorios (b₁... b_M), en el que 2 =q M =q n_t;

- el envío de cada uno de los mencionados M haces aleatorios a través de todas las mencionadas n_t antenas de transmisión (10-1, 10-2, ..., 10-n_t);

- el cálculo en cada uno de los mencionados N usuarios (30-1, 30-2, ..., 30-N) de una relación señal a ruido más interferencia para cada uno de los mencionados M haces aleatorios por el mencionado transmisor (1);

- el envío de vuelta al mencionado transmisor (1) de los mencionados valores calculados de la relación señal a ruido más interferencia, representando la mencionada relación señal a ruido más interferencia una información parcial de estado de canal;

- la selección en el mencionado transmisor (1) de los M mejores usuarios que corresponden con los M mejores valores de relación señal a ruido más interferencia por haz;

- la presunción en el transmisor (1) de que existe incertidumbre en la mencionada información parcial de estado del canal;

caracterizado por que el procedimiento comprende de manera adicional las etapas de:

- asignar una cantidad mínima de potencia a las mencionadas n_t antenas de transmisión (10-1, 10-2, ..., 10-n_t), en el que la mencionada cantidad mínima de potencia depende de los mencionados mejores valores de relación señal a ruido más interferencia por haz (b₁... b_M), de un requisito de calidad de servicio predeterminado por usuario (30-1, 30-2, ..., 30-N) y de un incumplimiento permitido predefinido en el requisito de calidad de servicio por usuario, siendo la mencionada asignación de potencia robusta para la mencionada incertidumbre presupuesta en la mencionada información parcial de estado de canal.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la mencionada selección de los mejores valores de la relación señal a ruido más interferencia se realiza sobre las medidas instantáneas de realimentación de la relación señal a ruido más interferencia.

3. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el mencionado incumplimiento permitido predefinido en el requisito de calidad de servicio por usuario es cero y, debido a la mencionada incertidumbre en la información parcial de estado de canal en el transmisor (1), se elige un escenario en el caso peor con el fin de garantizar el cumplimiento del mencionado requisito de calidad de servicio mientras se asigna la cantidad mínima de potencia.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que los M valores de potencia asignada que minimizan la potencia transmitida total del transmisor (1) se obtienen por medio de la resolución del siguiente problema de optimización convexa:

en el que:

P es una matriz diagonal de M × M, en la que cada uno de sus elementos p_m representa la potencia asignada a cada haz de transmisión, en la que 2 =q m =q M;

c_i,m es el canal equivalente visto por cada uno de los usuarios i-ésimos con respecto al haz de transmisión m-ésimo;

varepsilon es una potencia máxima dentro de la que permanece la incertidumbre;

snir_i-ésima es la SNIR mínima restringida por usuario i-ésimo;

s² es la varianza de ruido;

d_i,u es el canal equivalente visto por cada usuario i-ésimo con respecto al haz de transmisión u-ésimo.

5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el mencionado incumplimiento predefinido permitido en el requisito de calidad de servicio por usuario es mayor de cero.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en el que debido a la mencionada incertidumbre en la información parcial de estado de canal en el transmisor (1), se elige un escenario estadístico con el fin de garantizar el cumplimiento del mencionado requisito de calidad de servicio mientras se asigna la cantidad mínima de potencia.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en el que debido a la mencionada incertidumbre en la información parcial de estado de canal en el transmisor (1), se sigue un esquema basado en la probabilidad de incumplimiento en la calidad de servicio de los usuarios con el fin de garantizar el cumplimiento del mencionado requisito de calidad de servicio por usuario mientras se asigna la cantidad mínima de potencia.

8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, en el que la potencia asignada que minimiza la potencia transmitida total del transmisor (1) sigue una distribución de potencia uniforme aplicable a todos los haces de transmisión.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la mencionada distribución de potencia uniforme toma la siguiente forma:

en la que:

snir^-ésima es la SNIR mínima restringida por usuario;

s² es la varianza de ruido;

?_out es una probabilidad objetivo de incumplimiento en la calidad de servicio de los usuarios.

10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo de manera adicional la etapa de transmisión desde el mencionado transmisor (1) de la mencionada potencia asignada a los mencionados M usuarios seleccionados a través de las mencionadas n_t antenas de transmisión (10-1, 10-2, ..., 10-n_t).

11. Transmisor (1) que comprende medios adaptados para llevar a cabo las etapas del procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 10.

12. Estación base que comprende al menos un transmisor (1) de acuerdo con la reivindicación 11.

13. Sistema de comunicaciones móviles que comprende al menos una estación base de acuerdo con la reivindicación 12.

14. Programa de ordenador que comprende un medio de código de programa de ordenador adaptado para realizar las etapas del procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 10 cuando el mencionado programa se ejecuta en un ordenador, un procesador digital de la señal, una matriz de puertas programable en campo, un circuito integrado específico de la aplicación, un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra forma de hardware programable.