Método y sistema en un transceptor para controlar un canal de comunicaciones de múltiples entradas, múltiples salidas.

Un método de realimentación en un receptor de múltiples flujos,

múltiples antenas (70), el método que comprende los pasos de:

medir un canal compuesto entre un transmisor de múltiples antenas (20) y un receptor de múltiples antenas para producir una medición de canal compuesto en donde el transmisor de múltiples antenas incluye una formación de antenas (24) y la formación de antenas que comprende un número de elementos de antena (26);

seleccionar una pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas para uso en el transmisor de múltiples antenas en respuesta a la medición de canal compuesto, en donde cada conjunto de ponderación de formación de antenas está asociado con uno de múltiples flujos de datos (30, 32) y en donde el paso de seleccionar una pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas además incluye seleccionar una pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas que tienen una correlación entre la pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas que es menor que un umbral de correlación deseado o igual a cero; y

transmitir información que describe la pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas para uso en el transmisor de múltiples antenas.

Método y sistema en un transceptor para controlar un canal de comunicaciones de múltiples entradas, múltiples salidas Campo de la invención La presente invención se refiere en general a sistemas de comunicación y más particularmente a un método y sistema para controlar la transmisión y recepción de múltiples flujos de datos en un canal de comunicaciones de múltiples entradas, múltiples salidas.

Antecedentes de la invención Los diseñadores de sistemas de comunicación siempre están buscando formas de aumentar la capacidad de un canal de comunicaciones entre un transmisor y un receptor. Un canal de comunicaciones se puede definir como un sistema que transmite una secuencia de símbolos de un punto a otro. Por ejemplo, un sistema de comunicaciones celular incluye un canal para transmitir inalámbricamente una secuencia de símbolos que representan voz o datos, adelante y atrás entre el sistema telefónico y la unidad de abonado. Un aumento en la capacidad de este canal supone un aumento en la tasa de símbolos de transmisión. Y cuanto más símbolos se transmiten en la misma cantidad de tiempo, la voz puede sonar mejor y puede llevar menostiempo transferir ficheros de datos.

Para aumentar la capacidad de un canal de comunicaciones inalámbrico, se han usado formaciones de antenas en el transmisor para centrar mejor la energía transmitida en el receptor. Una formación de antenas es un grupo de antenas separadas cada una que transmite una señal de antena que tiene una relación de ganancia y fase específica con las otras señales de antena. Cuando las antenas trabajan juntas transmitiendo las señales de antena, producen un patrón de antena que está más centrado en el receptor que un patrón producido por una única antena. Señalar que el proceso de cambio de la ganancia y fase de una señal para producir señales de antena se puede conocer como "ponderar" la señal usando un conjunto de "ponderaciones deformaciones de antenas."

Debido a que las formaciones de antenas se pueden usar de manera similar en un receptor para mejorar la calidad de señal, también se ha propuesto el uso de formaciones deantenas tanto en el transmisor como en el receptor para aumentar la capacidad del canal. Cuando se usan múltiples antenas en el transmisor y en el receptor, el canal inalámbrico entre ellos se puede conocer como un canal demúltiples entradas, múltiples salidas (MIMO) .

La Fig. 1 muestra un diagrama esquemático de alto nivel de un canal de comunicaciones, en donde una parte del canal de comunicaciones es inalámbrica. Como se muestra, x representa datos de usuario que se transmitirán inalámbricamente al receptor. En el receptor, x se representa como una estimación de los datos, x̂. Los datos de usuario x se pueden dividir para producir un vector que representa múltiples flujos de datos, x1, x2, ...

Los datos de usuario x se procesan por la matriz V para producir señales de antena de formación adaptativa z. Cada columna de la matriz V es un vector que contiene un conjunto de ponderación de formación de antenas usado para transmitir uno de los flujos de datos xi. Las señales z se transmiten desde elementos de antena de la formación de antenas, a través del aire y se reciben en la formación de antenas del receptor como señales de antena recibidas r. La interfaz aérea entre las señales de antena z y las señales de antena recibidas r incluye la matriz H, que describe los efectos de la interfaz aérea en las señales z. La interfaz aérea también se describe por la incorporación de ruido n a las señales z.

Las señales de antena recibidas r se procesan en el receptor por la matriz U' para producir la estimación de datos, x̂.

Con referencia ahora a la Fig. 2, se representa un sistema de formación de antenas MIMO de dos entradas, dos salidas. Este sistema MIMO se puede usar para transmitir simultáneamente dos flujos de datos diferentes, x1y x2, a una única unidad de abonado a través de un "canal compuesto" H, definido por la matriz

donde hij, i = 1, 2, j =1, 2 son valores de canal complejos. Señalar que el término "canal compuesto" como se usa en la presente memoria se refiere a una medición o descripción completa de un canal, en donde se consideran los efectos de todas las combinaciones de antenas de transmisión y antenas de recepción. El canal compuesto se puede considerar como la agregación de todos los canales entre pares de antenas únicas, definida por todas las combinaciones por pares de antenas de transmisión y recepción.

Cuando se asume un canal de desvanecimiento de Rayleigh plano, hij son números gaussianos de valor complejo con potencia media unidad,

El vector (en banda base) recibido r (ver la FIG. 1) se puede escribir como sigue

donde x =[x1 x2]T es el vector de los flujos de datos transmitidos y n es un vector de muestras de ruido, con ruido blanco gaussiano aditivo con varianza Señalar que en un canal libre de ruido, se pueden recuperar perfectamente ambos flujos si la matriz de canal H es de rango completo. Es decir, se pueden resolver dos ecuaciones con dos incógnitas para recuperar las incógnitas x

H-1

=[x1 x2]T. Cuando x= r, se pueden recuperar ambos flujos de datos y se puede doblar la capacidad del enlace o canal. Por ejemplo, una arquitectura lineal puede usar cero receptores de refuerzo para multiplicar el vector recibido r, con H-1 . Esto funciona bien con una relación señal a ruido (SNR) alta, pero con una SNR baja se eleva el ruido, lo cual no es deseable.

En otra arquitectura de receptor lineal, se puede usar un receptor de Error Cuadrático Medio Mínimo (MMSE) para minimizar la diferenciamedia entrelos flujos de datos detectados y la señal recibida.

Aunque se pueden implementar tanto arquitecturas de receptor lineales como no lineales para detectar los múltiples flujos en canales ruidosos, en aplicaciones prácticas, el ruido en el canal amenudo requerirá el uso de receptores no lineales, que son más complicados y caros de construir. Ejemplos de receptores no lineales con rendimiento mejorado son los receptores de Cancelación de Interferencia Serie (SIC) y receptores de Probabilidad Máxima (ML) . Debido a su complejidad y coste, losreceptores no lineales se deberían evitar si es posible.

CapacidadMIMO teórica:

La capacidad de un sistema MIMO se puede mostrar con el siguiente análisis. Supongamos que la Descomposición de Valor Singular (SVD) de lamatriz de canal H se da por

donde S es una matriz diagonal compuesta de los valores singulares (es decir, las raíces cuadradas de valores propios de H' H o HH') , U es una matriz ortogonal con vectores de columna iguales a los valores propios de HH', V es una matriz ortogonal con columnas iguales a los valores propios de H'H y el operador “’” es la operación traspuesta conjugada compleja. Como ejemplo, consideremos la matriz de canal compuesta siguiente La SVD de este canal compuesto es Con referencia a la Fig. 1, el vector de transmisión es Por lo tanto, el vector recibido es Sustituyendo H y z con (1) y (2) , obtenemos donde, dado que V es una matriz ortonormal, V'V se sustituye con la identidad. A continuación, el vector recibido se multiplica previamente con U':

De nuevo, dado que U es una matriz ortonormal, U'U se sustituye con la identidad. Señalar que el nuevo vector de ruido, e, tiene la misma matriz de covarianza que n, debido a que la multiplicación previa con una matriz ortonormal no altera la covarianza del ruido.

Si la ecuación (5) se reescribe para el caso de 2 antenas detransmisión y 2 antenas de recepciónllega a ser:

donde λi sonlos valores propios dematriz de canal. La capacidad de canal libre de errores basada en el límite de Shannon es bien conocida y se da por

donde ρ es la SNR de canal. A partir de (5) y (6) , señalar que la capacidad de canal MIMO basada en el límite de Shannon es la suma de las capacidades por flujo de datos:

donde M es el número mínimo de antenas o bien en el transmisor o bien en el receptor. Para las 2 antenas de transmisión, 2 antenas de recepción ejemplo, M=2. Es importante señalar que en (8) , la potencia de transmisión total se ha normalizado de manera que sigue siendo la misma para cualquier número de antenas de transmisión. La relación ρ/M asegura igual potencia transmitida en todas las antenas y mantiene la misma potencia total para todos los valores de M.

En general, una transmisión de potencia igual de (8) es sub óptima. La capacidad total, que es la suma de cada

capacidaddeflujodedatos, sepuedemaximizaraumentandolapotenciaparalosflujosdeSNRaltay reduciendo la potencia para los flujos de SNR baja, de manera que la potencia de transmisión total sigue siendo... [Seguir leyendo]

1. Un método de realimentación en un receptor demúltiples flujos, múltiples antenas (70) , el método que comprende los pasos de:

medir un canal compuesto entre un transmisor de múltiples antenas (20) y un receptor de múltiples antenas para producir una medición de canal compuesto en donde el transmisor de múltiples antenas incluye una formación de antenas (24) y la formación de antenas que comprende un número de elementos de antena (26) ;

seleccionar una pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas para uso en el transmisor de múltiples antenas en respuesta a la medición de canal compuesto, en donde cada conjunto de ponderación de formación de antenas está asociado con uno de múltiples flujos de datos (30, 32) y en donde el paso de seleccionar una pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas además incluye seleccionar una pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas que tienen una correlación entre la pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas que es menor que un umbral de correlación deseado o igual a cero; y

transmitir información que describe la pluralidad de conjuntos de ponderación de formación de antenas para uso en el transmisor demúltiples antenas.

2. El método de realimentación de la reivindicación 1 que además incluye los pasos de:

seleccionar unatasa de datos para cada flujo de datos en respuesta a la medición de canal compuesto; y

transmitir información que describe la selección de la tasa de datos para uso en el transmisor de múltiples antenas.

3. El método de realimentación de la reivindicación 1 que además incluye los pasos de transmitir información usada para describir una calidad de cada flujo de datos para uso en el transmisor demúltiples antenas.

4. El método de realimentación de la reivindicación 1 en donde el paso de seleccionar la pluralidad de conjuntos de ponderación deformación de antenas además incluyelos pasos de:

seleccionar un primer conjunto de ponderación de formación de antenas a partir de un libro de códigos que tiene una pluralidad de conjuntos de ponderación deformación de antenas preseleccionados; y

seleccionar un segundo conjunto de ponderación de formación de antenas a partir de un subconjunto del libro de códigos.

5. El método de realimentación dela reivindicación 1 que ademásincluye los pasos de:

medir un canal compuesto entre un transmisor demúltiples antenas y un receptor demúltiples antenas para producir una medición de canal compuesto, en donde se reciben señales piloto a partir de M número de antenas disponibles en el transmisor demúltiples antenas;

seleccionar N antenas a ser usadas en el transmisor, a partir de M número de antenas disponibles, en respuesta a la medición de canal compuesto, en donde las N antenas seleccionadas se usarán para formar la formación de antenas en el transmisor demúltiples antenas.