MÉTODO PARA OPTIMIZAR LA ASIGNACIÓN DE POTENCIA DE FLUJOS DE USUARIO TRANSMITIDOS DESDE ESTACIONES BASE EN SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE ESTACIÓN BASE COORDINADA.

Método para optimizar la asignación de potencia de flujos de usuario transmitidos desde estaciones base en sistemas de transmisión de estación base coordinada.

En el método de la invención dichos sistemas CBST emplean técnicas de diagonalización de bloques y se despliegan en escenarios MIMO-OFDM, y comprende además usar una nueva técnica de distribución óptima de potencia que proporciona un rendimiento muy próximo al ideal teórico pero con una complejidad computacional reducida.

METODO PARA OPTIMIZAR LA ASIGNACION DE POTENCIA DE FLUJOS DE USUARIO TRANSMITIDOS DESDE ESTACIONES BASE EN SISTEMAS DE TRANSMISION DE ESTACION BASE COORDINADA

Campo de la tecnica La presente invención se refiere, en general, a un metodo para optimizar la asignación de potencia de flujos de usuario transmitidos desde estaciones base en sistemas de transmisión de estación base coordinada, empleando dichos sistemas CBST tecnicas de diagonalización de bloques con el fin de eliminar la interferencia entre usuarios y desplegandose en escenarios MIMO-OFDM. Mas particularmente se refiere a un metodo que emplea una nueva tecnica de waterfilling (distribución óptima de potencia) que proporciona un rendimiento muy próximo al ideal te6rico pero con una complejidad computacional reducida.

Estado de la tecnica anterior

Durante los ultimos aros, el uso de OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal) , una tecnica de transmisión multiportadora para transmitir información en paralelo sobre multiples subportadoras, se ha convertido en una solución al problema de transmisión de datos sobre canales inalambricos con gran dispersión de retardo [1]. Por este motivo, se ha adoptado en varias normas inalambricas tales como difusión de audio digital (DAB) , difusión de video digital (DVB-T) , 802.11a/g/n de IEEE (Wi-Fi) , 802.16e/m de IEEE (WiMAX) , y LTE (evolución a largo plazo) y LTE avanzada de 3GPP.

OFDM puede combinarse con agrupaciones de antenas en el transmisor y el receptor para aumentar la ganancia de diversidad y/o para mejorar la capacidad del sistema en canales selectivos en frecuencia y variables en el tiempo. Se han propuesto tecnicas de multiples entradas multiples salidas (MIMO) como medio para aprovechar el aumento posible de ganancia y capacidad [2]. Sin embargo, el procesamiento MIMO en redes celulares reales se enfrenta con un problema significativo: lograr aumento de capacidad y ganancia a traves de tecnicas MIMO requiere valores de relaciones seral a ruido mas interferencia (SINR) significativos, del orden de 15 dB [3], y estos valores de SINR pueden encontrarse unicamente en las proximidades de las estaciones base.

Como resultado, en sistemas de banda ancha móvil que usan estas tecnologias, se observa una diferencia considerable entre el rendimiento de centro de celula y de borde de celula debido a la interferencia entre celulas, especialmente

cuando se emplea reutilización de frecuencia uno, que plantea la principal limitación de las redes móviles del estado de la tecnica. Por tanto es clave para una verdadera ubicuidad de banda ancha móvil salvar esta diferencia introduciendo tecnicas innovadoras.

Se han propuesto varias soluciones tecnológicas para resolver los problemas identificados basadas en transmisión de estación base cooperativa. Por un lado, las tecnicas de BS cooperativa permiten a un usuario beneficiarse de la comunicación desde multiples BS, especialmente en el limite de celula. La diversidad aumenta, la calidad de comunicación aumenta, y en general, el presupuesto de enlace global es mas favorable, llevando a menos consumo de energia a nivel de sistema. Por otro lado, el uso de repetidores disminuye la distancia vista por el usuario (en el limite de celula) y la infraestructura. Como resultado, el usuario puede alcanzar el repetidor con menos potencia, ahorrando duración de la bateria y disminuyendo simultaneamente su contribución a la interferencia.

Recientemente se ha trabajado en manejar la interferencia en sistemas celulares con reutilización uno. En [4] se propone un algoritmo de diagonalización de bloques (BD) que tiene en cuenta la presencia de interferencia de otra celula (OCI) para un enlace descendente MIMO multiusuario. Se usa un filtro blanqueador para la eliminación de interferencia en el receptor y un precodificador que usa la matriz de covarianza de interferencia mas ruido para cada usuario en el transmisor en la estación base. En esta propuesta el transmisor tiene perfecta información de estado del canal (CSI) y perfecto conocimiento del filtro blanqueador. Hasta ahora, esta tecnica se ha empleado habitualmente sobre canales de desvanecimiento plano.

En la figura 1 se mostrara una ilustración de este sistema, en la que la seral equivalente recibida tras el filtro de eliminación de interferencia se da por:

KK

f = WHX + WH LX + WZ = W HMS + WH LMS + WZ =

k kkkkk zkk kkkkkk zzkk z =1, z *kz =1, z *k

K

= WHBDS + WH LBDS + WZ = H DS + WZ

kkkkk kk zzz kk ejj , k kk kk z =1, z *k

donde la interferencia de otros usuarios se elimina usando el precodificador Bk. La matriz Wk es un filtro de blanqueador o de eliminación de interferencia que esta determinado unicamente por la matriz de covarianza de interferencia mas ruido independiente de cada canal de usuario. Por otro lado, el precodificador Mk es una cascada de dos matrices de precodificación Bky Ok para diagonalización de bloques (Mk = BkOk) donde Bk elimina la interferencia entre celulas y Ok se usa para paralelización y asignación de potencia por medio de la tecnica de distribución óptima de potencia convencional. El precodificador de transmisión Mk requiere la H

ejj , k

descomposición de valor individual (SVD, Singular value descomposition) de que incluye Wk como la información de la matriz de covarianza de interferencia mas Asi cada receptor tiene que notificar Wk al transmisor.

En [5] los autores analizan varios enfoques para superar la interferencia en redes celulares MIMO. Si se conoce la interferencia por los transmisores, la codificación cooperativa entre las estaciones base que usan Dirty Paper Coding (DPC) puede suprimir la OCI. Este esquema se ha mostrado para alcanzar la capacidad (te6rica maxima) del canal de enlace descendente MIMO multiusuario. Sin embargo, tiene una alta complejidad computacional.

En [6] [7] se proponen varias estrategias para realizar transmisión de estación base coordinada (CBST) . La interferencia se elimina coordinando en conjunto y coherentemente la transmisión desde las estaciones base en la red, suponiendo que las estaciones base conocen todas las serales de enlace descendente.

En un esquema de transmisión de estación base coordinada (CBST) , la seral transmitida desde una BS particular puede llegar eventualmente, dependiendo de las condiciones de propagación, a un cierto numero de usuarios adyacentes en el sistema celular a los que dan servicio otras BS. Bajo este supuesto, el canal puede modelarse mediante una matriz H N-r x M-t en la que cada coeficiente de la matriz representa el desvanecimiento desde cada antena de transmisión en la BS hasta cada antena de recepción en el lado de usuario. El modelo de seral recibida es el siguiente:

y = Hx+ n donde y es el vector de seral N-r x1 recibido, x es el vector de seral M-t x1 transmitido desde todas las BS, y n es el vector de ruido gaussiano complejo independiente e identicamente distribuido Nrx1 con varianza r2.

Si Hk, con k = 1...N, se define como la matriz de canal rxM-t vista por el usuario k, entonces [[

H =[H1 H2 "H[ ]

donde el superindice T significa la transpuesta.

Para el escenario CBST x puede definirse de la siguiente manera rr r

b1i W

1i

+

b2i W

i

+

"

+

b i W i

=

Wb

x

=

i i i

1

donde bki representa el simbolo i-esimo para el usuario k transmitido con T

]

=

=

[

=

m-1tt+j Mt

W

(

W

W W

=

ki kikiki

potencia Pki, y

son los vectores de precodificación

m-1tt+j

siendo Wki el peso de la antena de transmisión j-esima (j = L t) de la estación base m-esima para el simbolo i-esimo del usuario k transmitido.

La matriz de precodificación (

W

se obtendra bajo unos criterios de forzado a cero para garantizar que [

[

r ]

W

, , W , , W , , W , , W , , W

111rk1 kr 1

=

k

q

*

=

]

, W , , W

q1q2 qr

Hk W

o:UkS

k

q

:

=

{

{

k

Wki =

, k =1, ., N, i = 1, ., r

t (

t (

t

(

)

112 112 112}

diagA , A , A

una matriz diagonal que contiene las raices cuadradas de los valores propios distintos de cero de la matriz QkQk T, siendo Qk la parte de la matriz de canal Hk ortogonal al subespacio abarcado por los canales Hq de otros usuarios (q ' k) .

Entonces, la seral recibida puede expresarse como S

,

=

1. Metodo para optimizar la asignación de potencia de flujos de usuario transmitidos desde estaciones base en sistemas de transmisión de estación base coordinada, empleando dichos sistemas CBST tecnicas de diagonalización de bloques y desplegandose en escenarios MIMO-OFDM, en el que dicha optimización se somete a una pluralidad de limitaciones en la transmisión de potencia maxima disponible desde cada estación base, caracterizado porque comprende: -resolver dicha optimización de asignación de potencia con una unica limitación que considera una estación base equivalente entre dichas estaciones base, en el que dicha unica limitación es la mas estricta de dicha pluralidad de limitaciones y se basa en una función que comprende los pesos de precodificación cuya suma de valores al cuadrado es maxima entre todas dichas estaciones base de cada simbolo transmitido a cada usuario, comprendiendo definir dicha función segun la expresión siguiente:

t

p ( (m -1t}t +j t

Qkip= maX m =1 M L

W

ki j =1

donde p es el indice de la subportadora; k es el indice del usuario; i es el indice del simbolo que va a transmitirse; M es el numero de estaciones base; t es el numero de antenas de cada estación base; y max calcula el valor maximo.

-definir dicha unica limitación segun la expresión siguiente:

OFDM r

LLLppQ p:p

ki ki max

p =1 k =1 i =1

donde NOFOM es el numero de subportadoras planas independientes en las que se descompone un canal visto por un usuario;

N es el numero de equipos de usuario;

r es el numero de antenas en cada equipo de usuario;

Pkip es el nivel de dicha asignación de potencia del flujo de usuario del

usuario k, para el simbolo I y la subportadora p; y Pmax es dicha potencia maxima disponible para la transmisión desde cada estación base.

-realizando dicha optimización resolviendo la expresión siguiente:

fººDM A i i{

maX L LL Iºg2 1+ 2

{=1 =1i=1 r{

sometida a dicha unica limitación, donde ak indica la prioridad del usuario k y es un numero entre 0 y 1; Akip es un valor propio distinto de cero de la matriz producto de OkOkT ,

donde T significa transpuesta; Ok es la parte de la matriz de canal Hk ortogonal al subespacio abarcado por los canales Hq de otros usuarios (k#q) ; Hk es la matriz de canal M-t x r vista por el usuario k; y if es la varianza de ruido gaussiano.

-el resultado de dicha optimización la expresión siguiente:

+

a

pk (2

pki = Kp-pQ 1

ki ki donde (2

- K = zn (t2 f

J es el multiplicador de Lagrange usado para maximizar la tasa de suma ponderada de los usuarios.

[Kº -r2 ]+ expresa el valor maximo entre cero y el argumento. A i

-considerando los valores de Dkip iguales para todo k, i y p y definiendo dicho resultado de dicha optimización segun la expresión siguiente:

(2 +

pp= Ka -p

ki k

ki

Figura 3

Figura 4

Figura º