Procedimiento para transmitir de modo robusto la mínima potencia de enlace descendente en un transmisor (1) de un sistema de comunicaciones celular multiusuario multiantena con K terminales móviles (30-1,

30-2, ..., 30-K) adscritos a dicho transmisor (1), en el que K>1, en el que el transmisor (1) comprende N antenas (14-1, 14-2, ..., 14-N), y cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) comprende una antena móvil (40-1, 40-2, ..., 40-K), comprendiendo el procedimiento las etapas de, en un cierto instante de tiempo t:

- la adquisición en el transmisor (1) de un requisito de calidad de servicio (QoSk(t)) de cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) de dicho sistema multiusuario;

- la adquisición en el transmisor (1) de un valor de estimación del canal desde cada una de las antenas transmisoras (14-1, 14-2, ..., 14-N) a dicha antena móvil (40-1, 40-2, ..., 40-K) de cada terminal móvil (30-1, 30-2, ..., 30-K) de dicho sistema multiusuario;

- la definición en el transmisor (1) de una zona de incertidumbre para dichos valores de estimación del canal, representando dicha región de incertidumbre las imperfecciones derivadas de la estimación del canal y

- para un conjunto de K símbolos de información (s1(t), s2(t), ..., sK(t)), la realización en el transmisor (1) de una transformación lineal (11) de dicho conjunto de K símbolos de información (s1(t), s2(t), ..., sK(t)) en un conjunto de N símbolos linealmente transformados (LTS1(t), LTS2(t), ..., LTSN(t)), dependiendo dicha transformación lineal (11) de al menos dichos requisitos de calidad de servicio (QoSk(t)), dichos valores de estimación del canal y dicha región de incertidumbre; comprendiendo dicha transformación lineal la asignación de un valor de potencia (pk(t)) a cada uno de los K símbolos de información (s1(t), s2(t), ..., sK(t)), minimizando dicha transformación lineal (11) la potencia transmitida de enlace descendente en tanto que se garantizan dichos requisitos de calidad de servicio (QoSk(t)) para cada terminal móvil (30-1, 30-2, ..., 30-K) de dicho sistema multiusuario para cualquier canal real que caiga dentro de dicha región de incertidumbre; comprendiendo dicha transformación lineal (11):

- la realización de una primera transformación lineal (11-a, 12-a) entre dichos K símbolos de información (s1(t), s2(t), ..., sK(t)), obteniendo de ese modo K símbolos re-escalados (FLTS1(t), FLTS2(t), ..., FLTSK(t)), comprendiendo dicha primera transformación lineal (11-a, 12-a) dicha asignación de potencia (pk(t)) y

- la realización de una segunda transformación lineal (11-b, 12-b) de dichos K símbolos re-escalados (FLTS1(t), FLTS2(t), ..., FLTSK(t)) en N símbolos linealmente transformados (LTS1(t), LTS2(t), ..., LTSN(t)); y

en el que la etapa de adquirir en el transmisor (1) un valor de estimación del canal desde cada una de las antenas transmisoras (14-1, 14-2, ..., 14-N) a dicha antena móvil (40-1, 40-2, ..., 40-K) de cada terminal móvil (30-1, 30-2, ..., 30-K) comprende la creación de una matriz de estimación del canal H(t) de K×N, en la que cada una de las K filas de dicha matriz se forma con un vector hk(t) de 1×N, comprendiendo dicho vector N valores de estimación del canal,

caracterizándose el procedimiento porque

los K valores de potencia asignada (pk(t)) que minimizan la potencia transmitida total desde el transmisor (1) a los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) mientras se garantizan los requisitos de calidad de servicio (QoSk(t)) para cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) se obtiene resolviendo el siguiente problema de optimización convexa:

Procedimiento y sistema para transmitir de modo robusto la mínima potencia en sistemas de comunicaciones multiusuario y multiantena con conocimiento imperfecto del canal.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al enlace descendente de sistemas de comunicación inalámbricos multiantena. Más concretamente, la presente invención se refiere a un procedimiento y un sistema para transmitir de modo robusto la mínima potencia desde un transmisor en una estación base a los usuarios móviles adscritos a la estación, mientras se garantiza una cierta calidad de servicio por usuario.

Estado de la técnica

En sistemas de comunicación de enlace descendente multiantena y multiusuario, el diseño de la arquitectura del transmisor se dirige normalmente a la minimización de la potencia transmitida en tanto que se garantiza una cierta calidad de servicio (QoS) por usuario, lo que se relaciona a menudo con el error cuadrático medio experimentado por el usuario (MSE) o la relación de señal a interferencia más ruido (SINR). Minimizar la potencia total transmitida tiene múltiples ventajas. Aparte del hecho de que disminuye el consumo de recursos energéticos, hay menos radiación electromagnética en el ambiente y se minimiza el nivel de interferencia total del sistema. De modo similar, es siempre aconsejable garantizar una QoS predeterminada, y posiblemente diferente, para cada usuario, lo que tiene en cuenta el tipo de servicio que cada usuario está demandando. Por ejemplo, el nivel de la QoS es normalmente mayor para un usuario que está solicitando vídeo de alta calidad que para el que está utilizando un servicio de voz.

Hay una amplia documentación sobre el diseño de arquitecturas de transmisión lineal de la mínima potencia suponiendo que tanto el transmisor (en la estación base) como los receptores de usuario (terminales móviles) tienen un perfecto conocimiento de la información sobre el estado del canal (CSI, del inglés "channel state information"), dando origen a la denominada solución del problema de formación del haz del enlace descendente. Pueden encontrarse ejemplos de esa documentación en M. Bengtsson y B. Ottersten, "Optimal and Suboptimal Transmit Beamforming", en Handbook of Antennas in Wireless Communications, L. C. Godara, Ed. CRC Press, agosto de 2001 o en M. Schubert y H. Boche, "Solution of the multiuser downlink beamforming problem with individual SINR constraints", IEEE Trans. On Vehicular Technology, vol. 53, nº 1, págs. 18-28, enero de 2004.

Sin embargo, en un escenario práctico, especialmente para sistemas inalámbricos en los que las fluctuaciones del canal pueden ser rápidas, suponer un CSI perfecto en ambos lados del enlace es demasiado optimista.

En consecuencia, en los últimos años, el enfoque de la investigación ha apuntado también al escenario más realista en el que el CSI se considera que es imperfecto conduciendo a los denominados diseños robustos. La documentación existente: D. Pérez, A. Pascual, J.M. Cioffi, M.A. Lagunas, "Convex optimization theory applied to joint transmitter-receiver design in MIMO channels" en SPACE-TIME PROCESSING FOR MIMO COMMUNICATIONS, Capítulo 8, págs. 269-317, Chichester 2005, M. Bengtsson, "Robust and constrained downlink beamforming", en Proc. European Signal Processing Conference, septiembre de 2000, M. Bengtsson y B. Ottersten, "Optimal and Suboptimal Transmit Beamforming", en Handbook of Antennas in Wireless Communications, L. C. Godara, Ed. CRC Press, agosto de 2001 y M. Biguesh, S. Shahbazpanahi y A. B. Gershman, "Robust downlink power control in wireless cellular Systems", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, nº 2, págs. 261-272, 2004, se ocupan del diseño óptimo de la transmisión suponiendo que está disponible una estimación imperfecta de la matriz de covarianza del canal en el lado de la transmisión y que la matriz de covarianza real pertenece a una región de incertidumbre alrededor de esta estimación. El transmisor se diseña entonces para transmitir la mínima potencia de forma que se satisfagan las restricciones de la QoS de cada usuario para cualquier matiz de covarianza posible dentro de la región de incertidumbre.

Estos procedimientos bien conocidos de modelización de la incertidumbre del canal consideran la información imperfecta o no fiable anteriormente referida en términos de una matriz de covarianza errónea del canal.

Sin embargo, uno de los problemas de tener en cuenta dicha información imperfecta o no fiable en términos de una matriz de covarianza errónea del canal es que, en las derivaciones matemáticas necesarias para diseñar el transmisor, ha de realizarse una aproximación. Esta aproximación implica que el diseño obtenido del transmisor no es óptimo porque la potencia transmitida resultante es mayor que la que es necesaria para garantizar las restricciones de la QoS por usuario.

Sumario de la invención

Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para la transmisión de modo robusto de la mínima potencia de enlace descendente desde un transmisor de una estación base de un sistema de comunicaciones multiusuario multiantena a una diversidad de terminales móviles que resuelva el problema mencionado en el último párrafo derivado de los procedimientos bien conocidos en la documentación existente. En particular, un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para la transmisión de modo robusto de la mínima potencia de enlace descendente desde un transmisor de una estación base a una diversidad de terminales móviles en los que, en lugar de considerar la información no fiable en términos de una matriz de covarianza errónea del canal, la incertidumbre se pone en la misma matriz de estimación del canal. El procedimiento para la transmisión de modo robusto de la mínima potencia de enlace descendente comprende las etapas de, en un cierto instante de tiempo t: la adquisición en el transmisor de los requisitos de calidad de servicio desde cada uno de los terminales móviles; la adquisición en el transmisor de un valor de la estimación del canal para cada una de las antenas transmisoras a cada antena móvil de cada terminal móvil; la definición en el transmisor de una región de incertidumbre para dichos valores de estimación de canal, representando dicha región de incertidumbre las imperfecciones derivadas de la estimación del canal y, para un conjunto de símbolos de información, realizar en el transmisor una transformación lineal de dicho conjunto de símbolos de información en un conjunto de símbolos transformados linealmente, dependiendo dicha transformación lineal de al menos dichos requisitos de calidad de servicio, dichos valores de estimación del canal y dicha región de incertidumbre, minimizando dicha transformación lineal la potencia transmitida del enlace descendente en tanto que se garantizan dichos requisitos de calidad de servicio para cada terminal móvil para cualquier canal real que caiga dentro de dicha región de incertidumbre.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un transmisor que comprende medios adaptados para realizar las etapas del procedimiento. El transmisor se diseña de forma que la potencia total transmitida se minimiza y se satisfacen las restricciones de la QoS de cada terminal móvil para cualquier canal posible que caiga dentro de la región de incertidumbre especificada. El diseño obtenido es por lo tanto robusto con respecto a la incertidumbre en la estimación del canal.

Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar una estación base que comprende al menos dicho transmisor.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de comunicaciones móviles que comprende al menos una de tales estaciones base. En particular, un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de comunicaciones multiusuario, que comprende al menos una estación base que comprende al menos un transmisor, utilizando dicho transmisor una diversidad de N antenas para transmitir simultáneamente información a una diversidad de K usuarios o terminales móviles. En la disposición más general de dicho sistema, los terminales móviles están también equipados con un número diferente de antenas. Cada señal transmitida a través de cada una de las N antenas del transmisor es una transformación lineal de los símbolos de información que se han de enviar a cada uno de los usuarios o terminales de usuario. Esta transformación lineal ha de diseñarse de acuerdo con la información que está disponible en el lado del transmisor, lo que comprende una matriz de estimación del canal, un...

1. Procedimiento para transmitir de modo robusto la mínima potencia de enlace descendente en un transmisor (1) de un sistema de comunicaciones celular multiusuario multiantena con K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) adscritos a dicho transmisor (1), en el que K>1, en el que el transmisor (1) comprende N antenas (14-1, 14-2, ..., 14-N), y cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) comprende una antena móvil (40-1, 40-2, ..., 40-K), comprendiendo el procedimiento las etapas de, en un cierto instante de tiempo t:

en el que la etapa de adquirir en el transmisor (1) un valor de estimación del canal desde cada una de las antenas transmisoras (14-1, 14-2, ..., 14-N) a dicha antena móvil (40-1, 40-2, ..., 40-K) de cada terminal móvil (30-1, 30-2, ..., 30-K) comprende la creación de una matriz de estimación del canal tilde{H}(t) de K×N, en la que cada una de las K filas de dicha matriz se forma con un vector tilde{h}_k(t) de 1×N, comprendiendo dicho vector N valores de estimación del canal,

caracterizándose el procedimiento porque

los K valores de potencia asignada (p_k(t)) que minimizan la potencia transmitida total desde el transmisor (1) a los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) mientras se garantizan los requisitos de calidad de servicio (QoS_k(t)) para cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) se obtiene resolviendo el siguiente problema de optimización convexa:

en la que:

y sinr^0}_k(t) es el requisito de calidad de servicio (QoS_k(t)) para cada uno de los K terminales móviles y representa el umbral que debe superar la relación de señal a interferencia más ruido experimentada por el k-ésimo terminal móvil en el instante de tiempo t.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la región de incertidumbre se define como un conjunto de K hiperesferas, teniendo cada una de dichas K hiperesferas un radio R_k(t) y centrándose en el vector de estimación del canal tilde{h_k(t), satisfaciendo de ese modo que ||h_k(t) - tilde{h}_k(t)|| =q R_k(t), para todo 1=qk=qK, siendo h_k(t) el canal real visto desde el k-ésimo terminal móvil, siendo t un número natural que indica un cierto instante de tiempo.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los K valores de asignación de potencia (p_k(t)) que minimizan la potencia transmitida total desde el transmisor (1) a los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K), en tanto que se garantizan los requisitos de calidad de servicio (QoS_k(t)) para cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) vienen dados por:

para todo kin {1, 2,..., K} .

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la región de incertidumbre se define como una hiperesfera que tiene un radio R(t) centrado en la estimación de canal tilde{H}(t), satisfaciendo de ese modo que =q R²(t), siendo h_k(t) el vector del canal real visto desde el k-ésimo terminal móvil, siendo t un número natural que indica un cierto instante de tiempo.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que los K valores de potencia asignada (p_k(t)) que minimizan la potencia total transmitida desde el transmisor (1) a los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K), en tanto que se garantizan los requisitos de calidad de servicio (QoS_k(t)) para cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) vienen dados por:

para todo kin {1, 2,..., K} en la que:

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la región de incertidumbre se define como un hiperrectángulo centrado en la estimación de canal tilde{H}(t), estando definidos los lados de dicho hiperrectángulo por 2?₁(t), 2?₂(t), ..., 2?_K(t), siendo ?₁(t), ?₂(t), ..., ?_K(t) números reales positivos, satisfaciendo de ese modo

en las que

para todo 1=qk=qK, siendo h_k(t) el canal real para el k-ésimo terminal móvil, para todo 1=qn=qN, siendo N el número de antenas en el transmisor (1), siendo t un número natural que indica un cierto instante de tiempo.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que los K valores de potencia asignada (p_k(t)) que minimizan la potencia transmitida total desde el transmisor (1) a los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) en tanto que se garantizan los requisitos de calidad de servicio (QoS_k(t)) para cada uno de los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) se obtienen resolviendo el siguiente problema lineal:

en la que:

8. Procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que la etapa de adquirir en el transmisor (1) dichos valores de estimación del canal se hace mediante la recepción en las N antenas (14-1, 14-2, ..., 14-N) de información desde los K terminales móviles (30-1, 30-2, ..., 30-K) y mediante el uso de dicha información para estimar el canal en el enlace descendente.

9. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la etapa de adquisición en el transmisor (1) de dichos valores de estimación del canal comprende:

10. Procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende además la etapa de asignar cada uno de dichos N símbolos transformados linealmente (LTS₁(t), LTS₂(t), ..., LTS_N(t)) a un transmisor frontal de radiofrecuencia diferente de un conjunto de N transmisores frontales de radiofrecuencia (13-1, 13-2, ..., 13-N) para la realización de una transmisión.

11. Un transmisor (1) que comprende medios adaptados para realizar las etapas del procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicación de la 1 a la 10.

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

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

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