ES2331759T3

ES2331759T3 - Metodo y sistema para redes de comunicacion inalambricas que utilizan repetidores cooperativos.

Info

Publication number: ES2331759T3
Application number: ES07114757T
Authority: ES
Inventors: Peter Larsson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2024-12-23
Also published as: EP1702444A1; EP1852984A3; CN101729110B; SE0303602D0; DE602004009610T2; EP1702444B1; TW200533125A; CN101729110A; WO2005064872A1; ATE376311T1; CN1902868B; TWI363538B; WO2005064872A8; DE602004009610D1; EP1852984A2; EP1852984B1; US20070160014A1; CN1902868A; DE602004022600D1; KR20060113973A

Abstract

Una estación base (410) adaptada para usar en una red de comunicación inalámbrica de dos saltos, en donde la red comprende una estación base (410), al menos dos estaciones móviles (420) y al menos una estación repetidora (415), en donde la estación repetidora (415) está adaptada para reenviar señales desde la estación base (410) a las estaciones móviles (420), la estación base (410) que comprende medios para recibir realimentación de la estación móvil en la transmisión a la estación móvil, caracterizada porque la estación base (410) está provista de: - medios de optimización (515) adaptados para identificar demandas contradictorias desde dichas al menos dos estaciones móviles (420) con respecto al uso de dicha al menos una estación repetidora (415), dichas dos estaciones móviles (420) que tienen asociación débil a dicha al menos una estación repetidora (415), y adaptados para realizar un proceso de optimización para resolver las demandas contradictorias; - medios de adaptación de los parámetros de transmisión (514) adaptados para determinar los parámetros de transmisión para la transmisión al menos a la al menos una estaciones repetidoras con las que las dos estaciones móviles tienen asociación débil, teniendo en cuenta el resultado del proceso de optimización.

Description

Método y sistema para redes de comunicación inalámbricas que utilizan repetidores cooperativos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la comunicación inalámbrica soportada por repetidor para mejorar el rendimiento de la comunicación. En particular la invención se refiere a un método y una arquitectura de sistema para reducir la complejidad de una red de comunicación inalámbrica de dos saltos que utiliza repetición cooperativa (repetidores cooperativos).

Antecedentes de la invención

Un principal esfuerzo en el desarrollo de redes y sistemas de comunicaciones inalámbricas/celulares es para proporcionar, aparte de otros muchos aspectos, cobertura aumentada o soporte de mayor velocidad de transmisión de datos, o una combinación de ambos. Al mismo tiempo, el aspecto del coste de construcción y mantenimiento del sistema es de gran importancia y se espera que llegue a ser incluso mayor en el futuro.

Hasta hace poco la principal topología de las redes inalámbricas ha estado realmente sin cambios, incluyendo las tres generaciones existentes de redes celulares. La topología caracterizada por la arquitectura celular con las estaciones base de radio fijas y las estaciones móviles como las entidades que transmiten y que reciben en las redes, en donde típicamente una comunicación solamente implica a estas dos entidades. Un planteamiento alternativo a las redes se ejemplifica por las bien conocidas redes multisalto, en donde típicamente, en un escenario inalámbrico, una comunicación implica una pluralidad de entidades que transmiten y que reciben en una configuración de repetición. Tales sistemas ofrecen posibilidades de pérdida en el trayecto significativamente reducida entre las entidades que comunican (repetidor), que puede beneficiar a los usuarios extremo a extremo (ETE).

Se ha dado recientemente atención a otro tipo de topología que tiene muchas características y ventajas en común con las redes multisalto pero se limita a repetir en dos saltos (o unos pocos) solamente. En contraste con las redes multisalto, la topología antes mencionada explota aspectos de paralelismo y también adopta temas de los sistemas de antenas avanzados. Estas redes, que utilizan el nuevo tipo de topología, tienen como denominador común la cooperación entre múltiples estaciones. En literatura de investigación reciente, va bajo varios nombres, tales como repetición cooperativa, diversidad cooperativa, codificación cooperativa, grupos de antenas virtuales, etc. En la presente solicitud los términos "repetición cooperativa" y "métodos/esquemas cooperativos" están suponiendo abarcar todos los sistemas y redes que utilizan cooperación entre múltiples estaciones y los métodos/esquemas usados en estos sistemas, respectivamente. Una descripción global de los esquemas de comunicación cooperativa se da en [I]. Se pueden desplegar varios formatos de una señal repetida. Una señal puede ser descodificada, remodulada y reenviada, o alternativamente simplemente amplificada y reenviada. La primera se conoce como repetición regenerativa o descodificar y reenviar, mientras que la segunda se conoce como repetición no regenerativa o amplificar y reenviar. Ambas, repetición regenerativa y no regenerativa, son bien conocidas, por ejemplo por las soluciones multisalto tradicionales y de repetidores respectivamente. Varios aspectos de los dos planteamientos se contemplan en [2]. Los repetidores pueden reenviar la señal en dos formas esencialmente; repitiendo la señal en el mismo recurso o cambiando a otro canal, por ejemplo en tiempo o frecuencia. En el primer caso, un reto es superar el acoplamiento entre la transmisión y la recepción del repetidor. Esto se puede manejar usando dos antenas, y técnicas de cancelación de interferencias. En el segundo caso, el repetidor puede recibir simplemente la señal, y entonces reenviarla en el siguiente intervalo o alternativamente en otra banda de frecuencia al mismo tiempo que al recibir la señal.

Los beneficios generales de la repetición cooperativa en comunicaciones inalámbricas incluyen velocidades de transmisión de datos mayores, indisponibilidad reducida (debido a las distintas formas de diversidad), vida de la batería aumentada, y cobertura extendida.

Se han sugerido varios esquemas y topologías que utilizan repetición cooperativa, como modelos teóricos dentro del área de la teoría de la información, como sugerencias para las redes actuales y en unos pocos casos como sistemas de pruebas de laboratorio, por ejemplo. Ejemplos se encuentran en [1] páginas 37-39, 41-44. Los distintos esquemas de cooperación se pueden dividir basados en qué entidades tienen los datos a enviar a cuál y qué entidades que cooperan. En las Fig. 1a-f (técnica previa) se ilustran esquemáticamente distintas topologías, mostrando dónde se genera el tráfico, qué entidad es la receptora y el trayecto para las transmisiones de radio.

El canal repetidor clásico, ilustrado en la Fig. 1a, consta de una fuente que desea comunicar con un destino a través del uso de repetidores. El repetidor recibe la señal transmitida por la fuente a través de un canal ruidoso, lo procesa y lo reenvía al destino. El destino observa una superposición de la fuente y la transmisión del repetidor. El repetidor no tiene ninguna información para enviar; de ahí que la meta del repetidor sea maximizar la velocidad de transmisión total del flujo de información de la fuente al destino. El canal repetidor clásico se ha estudiado en [1], [7] y en [3] donde la diversidad del receptor fue incorporada en el último. El canal repetidor clásico, en su forma de tres estaciones, no explota del todo las estaciones repetidoras múltiples, y de ahí que no proporcione las ventajas señaladas arriba.

Un planteamiento más prometedor, el canal repetidor paralelo, se ilustra esquemáticamente en la Fig. 1b, en donde un sistema inalámbrico que emplea repetidores (tal como una estación base celular con repetidores de soporte) con cobertura solapada, un receptor se puede beneficiar del uso de señales superposicionadas recibidas de múltiples repetidores. Esto es algo que ocurre automáticamente en sistemas cuando los repetidores se colocan de forma cercana y transmiten con potencia suficientemente grande. Recientemente, los estudios de teóricos de la información han orientado este caso, por ejemplo por Schein, [4] y [5], quién sugiere el uso de la combinación coherente basada en repetición cooperativa entre un emisor único y un receptor único que usan dos repeticiones intermedias. El estudio es puramente un análisis teórico de la información, limitado solamente a dos estaciones repetidoras, y carece de los medios y mecanismos para hacer factible en la práctica el método.

El concepto de Canal de Acceso Múltiple con Repetición (también conocido como canales de acceso múltiple con realimentación generalizada), ilustrado esquemáticamente en la Fig. 1c, ha sido investigado recientemente. El concepto implica que dos usuarios cooperan, es decir, intercambian la información que cada uno quiere transmitir, y posteriormente, cada usuario envía no sólo su propia información sino también la información de otros usuarios a un receptor. En beneficio de hacerlo así es que la cooperación proporciona ganancia de diversidad. Hay esencialmente dos esquemas que han sido investigados; diversidad cooperativa y diversidad cooperativa codificada. Los estudios se presentan en [1], por ejemplo. Con respecto a la diversidad, se han sugerido varias formas, tal como la diversidad Alamouti, diversidad del receptor, diversidad basada en combinación coherente. Típicamente las topologías y esquemas investigados cuentan con datos descodificados previos a la transmisión. Esto supone además que las estaciones tienen que estar ubicadas de manera próxima para cooperar, y por lo tanto excluye la cooperación con repetidores más distantes, así como el gran número de repetidores potenciales si pudiera ser formado un grupo a gran escala. Un defecto adicional para esos esquemas es que es bastante improbable tener estaciones que transmiten concurrentemente y ubicadas de manera próxima. Estos defectos señalan que la topología investigada es de menor interés práctico. El canal de radiodifusión con repetición, ilustrado en la Fig. 1d, es esencialmente el contrario de la topología representada en la Fig 1c, y por lo tanto comparte los mismos defectos severos.

Una extensión adicional de la topología representada en la Fig. 1c es el llamado canal de interferencia con repetición, que se ilustra en la Fig. 1e, en donde se consideran dos receptores. Esto ha sido estudiado, por ejemplo, en [8] y [1] pero sin cooperación entre los receptores, y de ahí sin explotar las posibilidades posiblemente ofrecidas por la repetición cooperativa.

Otra topología relatada, ilustrada esquemáticamente en la Fig. 1f, se referencia algunas veces como Canal Virtual de Grupo de Antenas, y se describe por ejemplo en [9]. En este concepto, se asume la expansión de ancho de banda significativo entre una estación que comunica y los nodos de repetición adyacentes, y de ahí las señales no interferentes se pueden transferir sobre recursos ortogonales que permiten ser retenidos para información de amplitud y fase. Con esta arquitectura, se permite la comunicación MIMO (Entrada Múltiple Salida Múltiple) (pero también otros métodos de codificación espacio-tiempo) con un receptor de antena única. La topología puede ser usada para transmisión de manera equivalente. Una suposición general es que las estaciones repetidoras están cerca del receptor (o transmisor). Esto limita la probabilidad de encontrar un repetidor así como el número total de posibles repetidores que se pueden usar. Una limitación práctica significativa es que se necesita expansión de ancho de banda muy grande para repetir señales sobre canales no interferentes al receptor para procesamiento.

Como se realizan por los expertos en la técnica las implementaciones del sistema real que utilizan repetición cooperativa necesitan mecanismos de control para controlar las estaciones repetidoras implicadas. La necesidad de control surge debido en primer lugar a la movilidad de las estaciones móviles y los cambios de topología resultantes y puede incluir, por ejemplo, activación y desactivación de repetición. La necesidad de mecanismos de control se ilustra esquemáticamente en la Fig. 2, en donde una estación móvil en movimiento 205 está comunicando a través de las estaciones repetidoras 210:1 y 210:2 en el tiempo T_{t} y las estaciones repetidoras 210:1, 210:3, 210:4 y 210:5 en el tiempo T_{2}.

Los procedimientos de control no son descritos plenamente en la técnica previa mencionada arriba. No obstante, se indica, por ejemplo en el caso descrito con referencia a la Fig, 1f, que se intercambian los mensajes de control hacia y desde las estaciones repetidoras dirigidas ambas hacia y desde la estación base y los usuarios. La estructura de control similar también se expone en [11], en donde se identifica al menos un terminal de control, que da instrucciones a las estaciones repetidoras para recibir y repetir datos.

El mecanismo de control propuesto puede provocar que sea excesiva la cantidad de datos de control, especialmente cuando los cambios de topología debidos frecuentemente a que el usuario móvil se mueve rápido y tiene que controlar las repetición de parámetros de transmisión (por ejemplo, potencia) o los cambios frecuentemente de las repeticiones. Además, incluso si la topología no cambia, los cambios en la propagación radio pueden ser considerables y mandar el intercambio de mensajes de control rápido hacia los repetidores. Un control excesivo de señalización consume recursos radio que preferentemente podrían haber sido usados para transmitir datos.

Un problema adicional que no se aborda en la técnica previa es cómo emplear el control central de usuario o sesión de las repeticiones cuando están presentes múltiples receptores ya que puede haber conflicto de las configuraciones de repetición óptimas y los ajustes de los parámetros. La optimización puede diferir con respecto a qué repetición se usa activa, transmite niveles de potencia, asignaciones de canal, opciones de codificación espacio tiempo y ajuste de fase, etcétera. Una situación que puede surgir para las configuraciones de repetición contradictorias y el ajuste de parámetros se ilustra esquemáticamente en la Fig. 3, en donde dos estaciones repetidoras 305:1 y 305:2 están comunicando ambas parcialmente a través de la misma estación repetidora 310:1. La estación repetidora 310:1 puede experimentar en este escenario demandas contradictorias de las estaciones móviles 305:1 y 305:2. El problema de optimización de encontrar una configuración óptima, o cercana a óptima, para un conjunto de usuarios, llegará a ser pronto, incluso si se consideran solamente unos pocos usuarios con configuración óptima potencialmente contrario, muy complicado y lleva mucho tiempo, o incluso inmanejable en la práctica.

De esta manera, se demuestra en la técnica que la repetición cooperativa tiene grandes potenciales en el suministro por ejemplo alta capacidad y flexibilidad. No obstante, en la técnica previa propuesta los mecanismos de control no representan soluciones que sean posibles de implementar en redes realistas a gran escala y aprovechen plenamente las ventajas previstas de una red con repetición cooperativa.

"La mejora de cobertura a través de repetición de dos saltos en sistemas celulares de radio", una tesis de V M Sreng (Universidad de Carleton, 2002), expone esquemas para seleccionar canales de celdas adyacentes para propósitos de repetición.

Compendio de la invención

En las arquitecturas y métodos de la técnica previa para operar una red con repetición cooperativa los mecanismos para controlar las repeticiones producen excesiva señalización de control y/o problemas de optimización extremadamente complicados. Obviamente es necesaria una arquitectura y método mejorado para una red de repetición cooperativa, que aprovecha las ventajas anticipadas de una red de repetición cooperativa sin provocar excesiva señalización de control ni provocar demasiados problemas de optimización masiva.

El objetivo de la invención es proporcionar una arquitectura para una red de repetición cooperativa, y un método para operar tal red, que supere los inconvenientes de las técnicas de la técnica previa. Esto se logra por medio de la estación base como se define en la reivindicación 1.

El problema se resuelve porque la presente invención proporciona una arquitectura en donde los canales repetidores de las estaciones repetidoras están organizados de tal manera que sus canales se solapan espacialmente. Los repetidores funcionan, preferentemente, como simples repetidores, típicamente no regenerativos, pero regenerativos siempre que sea posible, para una estación base, y los parámetros de transmisión de repetición preferentemente no cambian como respuesta a una calidad de enlace instantánea de las estaciones móviles únicas (o múltiples). Cada estación móvil selecciona una pluralidad de estaciones repetidoras como candidatas para la comunicación a condición de que una pluralidad de repetidores esté dentro del alcance. Este proceso se denomina asociación débil, es decir los repetidores no son conscientes de esta selección interna de la estación móvil. Las estaciones móviles actualizan continuamente sus asociaciones débiles basadas, por ejemplo, en los parámetros de calidad de la señal, para adaptarse a un entorno de radio que cambia provocado por ejemplo por la estación móvil que se mueve. La presente invención permite esquemas de comunicación MIMO, tales como multiplexación espacial, para ser implementados con un receptor de antena única, mientras que la estación base tiene múltiples antenas y múltiples canales repetidores que son aprovechados. Una realimentación lógica de receptor a transmisor es decir de la estación móvil a la estación base, o viceversa, sin pasar por los repetidores, permite que la transmisión sea adaptada en base a las condiciones instantáneas del enlace. La invención puede ser usada en el enlace descendente o en el enlace ascendente de un sistema celular.

La estación base de acuerdo con la presente invención se proporciona con medios para recibir la realimentación de las estaciones móviles, un módulo de optimización adaptado para identificar demandas contradictorias de al menos dos estaciones móviles considerando el uso de al menos una estación repetidora, dichas dos estaciones móviles que tienen asociación débil al igual que al menos una estación repetidora y se adapta para realizar un proceso de optimización para solventar las demandas contradictorias. La estación base es provista además con un parámetro de transmisión que adapta el módulo adaptado para determinar los parámetros de transmisión para la transmisión al menos a las estaciones repetidoras con las que las dos estaciones móviles tienen asociación débil, teniendo en cuenta el resultado del proceso de optimización.

Gracias a la invención es posible tener las ventajas de las posibilidades ofrecidas por una red de repetición cooperativa sin causar señalización de control excesiva ni problemas de optimización masivos.

Una ventaja ofrecida por la presente invención es que las estaciones repetidoras se organizan de manera que su cobertura presenta un solapamiento importante y las estaciones móviles hacen asociación débil con las estaciones repetidoras seleccionadas que por lo cual son candidatas a ser usadas en la comunicación. Las estaciones base, que son informadas de la selección de que cada estación móvil adapta la transmisión en consecuencia.

Otra ventaja es que las posibles demandas contradictorias de las estaciones móviles considerando el uso de una o más estaciones repetidoras se resuelve por la estación base sin señalización de control excesiva sobre el interfaz aéreo.

Otra ventaja es que la comunicación basada en MIMO se implementa en seguida en el sistema de acuerdo a la invención. Alternativamente la diversidad de recepción puede ser implementada.

Otra ventaja ofrecida por la presente invención es que la asociación débil que preferentemente cada una de las estaciones móviles hace internamente, elimina la necesidad para las estaciones móviles de mantener e informar (a través de señalización de control) la información sobre con qué estación móvil comunicar.

Otra ventaja ofrecida por la presente invención es que se puede ofrecer la comunicación oportunista basada en la portadora instantánea en condiciones de interferencia, que produce ganancia de diversidad multiusuario, junto con los beneficios de la repetición.

Las realizaciones de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes. Otros objetivos, ventajas y nuevas características de la invención llegarán a ser evidentes a partir de la descripción detallada a continuación de la invención cuando se consideran junto con los dibujos y reivindicaciones que se acompañan.

Breve descripción de las figuras

Las características y las ventajas de la presente invención perfiladas arriba se describen más plenamente debajo en la descripción detallada junto con los dibujos donde como números de referencia se refieren a elementos similares en todas partes, en que:

Las Fig. 1a-f son ilustraciones esquemáticas de las topologías de algunas técnicas previas que utilizan repetición cooperativa;

La Fig. 2 ilustra esquemáticamente el proceso de activación de la estación repetidora;

La Fig. 3 ilustra esquemáticamente el problema de manejar estaciones móviles con demandas contradictorias en las estaciones repetidoras;

La Fig. 4 ilustra esquemáticamente una red de repetición cooperativa que utiliza el método y la arquitectura del sistema de acuerdo con la presente invención;

La Fig. 5 ilustra la arquitectura lógica de acuerdo a una realización de la presente invención;

La Fig. 6 ilustra la arquitectura lógica de acuerdo a una realización de la presente invención que utiliza antenas únicas para las estaciones repetidoras y móviles;

La Fig. 7 ejemplifica esquemáticamente la realización de la fig. 6, en donde dos estaciones móviles se comprometen en sesiones de comunicación, implicando parcialmente las mismas estaciones repetidoras;

La Fig. 8 es un diagrama de flujo sobre el método de acuerdo con la presente invención;

La Fig. 9 ilustra esquemáticamente el principio de solapamiento de canales repetidores ortogonales;

La Fig. 10 ilustra esquemáticamente el solapamiento de canales repetidores ortogonales organizados de acuerdo a una realización de la presente invención;

La Fig. 11 ilustra esquemáticamente el solapamiento de canales repetidores ortogonales organizados de acuerdo con otra realización de la presente invención;

La Fig. 12 es un diagrama de flujo sobre un método centralizado para alcanzar solapamiento de canales repetidores ortogonales;

La Fig. 13 es un diagrama de flujo sobre un método distribuido para alcanzar solapamiento de canales repetidores ortogonales;

La Fig. 14 es un diagrama de flujo sobre el proceso de asociación débil de acuerdo con la invención; La Fig. 15 ilustra la arquitectura lógica en el enlace ascendente de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se describirá ahora más completamente de aquí en adelante haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que se muestran realizaciones preferentes de la invención. Esta invención puede, sin embargo, ser incorporada de muchas formas diferentes y no debería ser construida limitada por las realizaciones establecidas de aquí en adelante; más bien, estas realizaciones se proporcionan de manera que esta descripción sea detallada y completa, y trasladará plenamente el alcance de la invención a los expertos en la técnica. En los dibujos, números similares se refieren a elementos similares.

La presente invención proporciona una arquitectura en donde los canales repetidores de las estaciones repetidoras están organizados de tal manera que sus canales se solapan espacialmente. Esto se puede lograr de una manera centralizada o distribuida, como se describirá además más abajo. La selección del canal repetidor y la selección del factor de ganancia de la señal reenviada son de alta importancia para la implementación. Los repetidores funcionan, preferentemente, como simples repetidores, típicamente no regenerativos, pero regenerativos siempre que sea posible, para una estación base, los parámetros de transmisión de repetición no cambian como respuesta a una calidad de enlace instantánea de las estaciones móviles únicas (o múltiples). Los repetidores pueden además reenviar la señal recibida en un recurso ortogonal, por ejemplo, en tiempo, en frecuencia o en ambos, usando alternativamente el mismo recurso tiempo-frecuencia y cancelando la señal transmitida de la señal recibida. Cada estación móvil tiene asociaciones débiles a múltiples repeticiones en cada instante de tiempo, a condición de que estén dentro del alcance múltiples repetidores. Mientras se mueven las estaciones móviles actualizan continuamente sus asociaciones débiles basadas en, por ejemplo, los parámetros de calidad de la señal. La presente invención permite esquemas de comunicación MIMO, tales como multiplexación espacial, para ser implementados con un receptor de antena única, mientras que la estación base tiene múltiples antenas y múltiples canales repetidores que son aprovechados. Una realimentación lógica de receptor a transmisor es decir de la estación móvil a la estación base, o viceversa, sin pasar por los repetidores, permite que la transmisión sea adaptada en base a las condiciones instantáneas del enlace. La invención puede ser usada en el enlace descendente o en el enlace ascendente de un sistema celular.

La red 400 perfilada en la Fig. 4 es un ejemplo de una red de repetición cooperativa en donde se utiliza ventajosamente la presente invención. La figura muestra una parte 405 de la red inalámbrica que comprende una estación base 410 (BS), una pluralidad de estaciones repetidoras (RS) 415: y una pluralidad de estaciones móviles (MS) 420. Como se muestra en la figura, las estaciones repetidoras 415 se montan en mástiles y en edificios, por ejemplo.

No obstante, los repetidores móviles, tales como los terminales móviles de usuario, también pueden ser usados, tanto como un complemento a los repetidores fijos o independientemente.

La cobertura de al menos alguna, pero no necesariamente todas, las estaciones repetidoras 415 debería presentar un solapamiento importante, de manera que una estación móvil 420, independientemente de la posición, debería en la mayoría de las circunstancias estar en la cobertura de una pluralidad de estaciones repetidoras 415. Los canales de las estaciones repetidoras con cobertura solapada preferentemente deberían ser esencialmente ortogonales. La cobertura de las estaciones repetidoras se organiza por ejemplo de tal manera que las estaciones repetidoras vecinas tienen cobertura solapada. Como se ejemplifica en la figura, las estaciones repetidoras 415:1-5 tienen cobertura solapada. La estación repetidora 415:8 no tiene cobertura superpuesta con las estaciones repetidoras 415:1-5, pero en su lugar tiene cobertura superpuesta con sus vecinas 415:6, 415:7 y 415:9. Alternativamente una serie de estaciones repetidoras, 415:10-415:13 y 415:14-415:17 forman agrupaciones de estaciones repetidoras 440 y 445 respectivamente, en donde todas las estaciones repetidoras dentro de la agrupación tienen esencialmente cobertura solapada. La estación base 410 puede ser enlazada a más de una agrupación de estaciones repetidoras, como se ejemplifica con la segunda agrupación de estaciones repetidoras 445, así como una pluralidad de grupos de estaciones repetidoras con cobertura parcialmente superpuesta, 415:1-5 y 415:6-9. La organización de las estaciones repetidoras se tratará más adelante.

La estación móvil 420 está en comunicación activa con la estación base 410. La señalización, como se indica con flechas, esencialmente está usando simultáneamente una pluralidad de trayectos, caracterizados por dos saltos, es decir, a través de una pluralidad de estaciones repetidoras 415:1-5 (y/o a través de estaciones móviles que actúan como un repetidor móvil).

La red 400 sirve como una red de acceso radio en un sistema de comunicación inalámbrico, y puede comprender además de las entidades representadas, o nodos, también otros nodos tales como los Controladores de Red Radio (RNC) para controlar las estaciones base y el uso total de los recursos radio, por ejemplo, y las Pasarelas para interconectar a la red central del sistema de comunicaciones inalámbrico.

Cabría señalar que aunque la comunicación basada en repetición se usa para mejorar la comunicación, la comunicación directa de la estación base 410 a la estación móvil 420, y viceversa, todavía puede ser usada. De hecho, alguna señalización básica de baja velocidad de transmisión entre la estación base 410 y la estación móvil puede ser preferible para establecer una repetición soportada por el canal de comunicación. Por ejemplo, una función del sistema celular como la radiobúsqueda, típicamente puede no utilizar repetición ya que la repetición a los canales de la estación móvil no se conoce a priori, en su lugar preferentemente, se usa una comunicación directa de la estación base a la estación móvil durante el establecimiento de la llamada y procesos similares.

Como se trató en la sección de antecedentes las arquitecturas de la técnica previa y los métodos de las redes de repetición cooperativas típicamente pueden provocar situaciones contradictoras entonces dos o más estaciones móviles intentan optimizar su comunicación para compartir estaciones repetidoras. Además es de esperar una señalización de control pesada entre las estaciones móviles y las estaciones repetidoras, y/o entre distintas estaciones repetidoras. La presente invención proporciona una arquitectura de red y un método, en donde, no es necesaria la señalización de control, o solamente una limitada, para las estaciones repetidoras 415, y/o entre las estaciones repetidoras, para obtener un uso eficiente de los recursos radio. En su lugar la mayoría de la señalización de control ocurre solamente entre la estación base 410 y la estación móvil 420. Las estaciones repetidoras 415 están controladas principalmente y preferentemente de manera indirecta a través de la señalización de control entre la estación móvil 420 y la estación base 410. De ahí, que las demandas potencialmente contradictorias de las distintas estaciones móviles 420 pueden ser manejadas en la estación base 410, el RNC, o en cualquier otro lugar en la red, y no requerir amplia señalización de control sobre el interfaz aéreo que implican los repetidores.

La arquitectura lógica de acuerdo con la invención se ilustra esquemáticamente en las Fig. 5, 6 y 7. La realización representada en la Fig. 5 representa un caso general en donde las estaciones base 410, los repetidores 415 y las estaciones móviles 420 están todas equipadas con múltiples antenas. Las Fig. 6 y 7 representan realizaciones, en donde los repetidores 415 y las estaciones móviles 420 están equipados con antenas únicas. Son concebibles otras configuraciones de antenas, así como una mezcla de múltiples antenas y antena única entre las estaciones repetidoras y/o las estaciones móviles. La arquitectura general y el funcionamiento básico de acuerdo con la invención será fácilmente adaptable a varias configuraciones de antenas así como a distintos métodos de acceso radio. Las operaciones básicas se describirán en primer lugar en el escenario de enlace descendente, pero como se aprecia por los expertos en la técnica, la arquitectura y el método de acuerdo a la invención es, con pequeñas adaptaciones, igualmente conveniente en la comunicación del enlace ascendente.

El transmisor de la estación base 510 envía una secuencia de datos, que se ha procesado en una unidad de codificación y programación 511. La secuencia de datos es preferible ponerla a través de una matriz de ponderación U 512 y posteriormente sobre múltiples antenas de transmisión 513. Las estaciones repetidoras 415 reenvían cualquier señal recibida sin cambiar los parámetros de transmisión de repetición tales como el canal, el factor de ganancia de señal y la codificación. Alternativamente, de acuerdo con otra realización, los repetidores pueden intentar descodificar la señal recibida o en otras palabras mejorar la fidelidad de la señal antes de reenviar la señal. Los receptores de la estación móvil 520, reciben una pluralidad de señales 530 reenviadas desde la pluralidad de estaciones repetidoras 415. Los receptores 520 típicamente y preferentemente reciben señales sobre un múltiplo de distintos canales 530:1-m. La canalización puede ser, por ejemplo, en el dominio de la frecuencia o del tiempo. De ahí, que los canales que se solapan deberían ser esencialmente ortogonales. Además un receptor puede recibir también una señal directa desde el transmisor sobre el canal transmisor 535.

En el ejemplo representado en la Fig. 6, la estación repetidora 415:1 reenvía la señal sobre el canal 1 (530:1) que se recibe por una pluralidad de receptores de estación móvil 420:1-m. La estación repetidora 415:k reenvía en el canal q (530:q) también recibido por la pluralidad de los receptores de estación móvil 520:1-m. En general es ventajoso que cada receptor de estación móvil 520 reciba señales sobre una pluralidad de canales desde una pluralidad de estaciones repetidoras 415. No obstante, como se tratará más abajo, cada receptor de estación móvil 520 puede estar asociado a distintos conjuntos de estaciones repetidoras 415. En la ilustración simplificada de la Fig. 7 los receptores de las estaciones móviles 520:1 y 520:2 están asociados a las estaciones repetidoras 415:1-4 y reciben en los canales 1-4, mientras que el receptor de la estación móvil 520:3 está asociado a la estación repetidora 415:2, 5, 6, 7 y recibe en los canales 2, 5, 6 y 7.

Después de recibir las señales, si es conveniente a través de la matriz de ponderación V 521, el receptor de la estación móvil 520 procesa las señales en un bloque de procesamiento 522. Dependiendo del método de transmisión usado, el procesamiento puede implicar cualquier combinación de combinar, descodificar conjuntamente, y multiplexar datos descodificados. En base a la calidad de la señal recibida, los receptores pueden enviar realimentación al transmisor. La señal recibida se analiza y la realimentación se prepara en un módulo de realimentación 523. De acuerdo con la presente invención la realimentación lógica 550 desde el receptor de la estación móvil 520 se envía al transmisor de la estación base 510, no a las estaciones repetidoras 415.

Antes de la sesión de comunicación actual, y preferentemente también durante una sesión de comunicación, la estación móvil 420 ha seleccionado un conjunto de canales repetidores 530 que corresponden a las estaciones repetidoras 415 en el proceso denominado asociación débil. El proceso, que se describirá más abajo, implica por ejemplo estimaciones de calidad de los canales repetidores y un análisis de los requerimientos del ancho de banda para una solicitud pretendida en la estación móvil. Un módulo de selección de RS 523 comprendido en, o en conexión con, el receptor 520 de la estación móvil 520 maneja el proceso de asociación débil.

El transmisor puede, en base a esta realimentación, responder a cambios en varios parámetros de transmisión, incluyendo cargas de antena, modulación(es), codificación(es) y potencia de transmisión. En particular, el transmisor puede decidir de manera oportuna cuál de las estaciones repetidoras 415 envía los datos en base a las condiciones instantáneas de calidad del canal. De esta manera, se puede ofrecer la valiosa ganancia de diversidad multiusuario en unión con los beneficios ofrecidos por la repetición. Si el transmisor está en silencio, por ejemplo debido a que no hay datos para enviar, los repetidores asociados al transmisor pueden parar el reenvío. La realimentación lógica 550 se recibe y procesa por el transmisor 510 en un módulo de parámetro de transmisión 514 comprendido en el transmisor 510. Las demandas posiblemente contradictorias de una pluralidad de receptores 520 considerando el uso de una o más estaciones repetidoras se resuelven en un módulo de optimización 515. El resultado de la optimización se pone a la salida del módulo de parámetro de transmisión 514. Cabría señalar que la presente invención no excluye la existencia de otra señalización de control, por ejemplo entre las estaciones repetidoras 415 y las estaciones móviles 420 o entre distintas estaciones repetidoras 415. No obstante, la presente invención proporciona la realimentación lógica 550 como una parte principal del mecanismo de control.

Los módulos y bloques de acuerdo con la presente invención descrita arriba se tienen que considerar como partes funcionales de la estación base o la estación móvil, y no necesariamente como objetos físicos por sí mismos. Los módulos y bloques se implementan preferentemente como medios de código de soporte lógico, que se adaptan para efectuar el método de acuerdo con la invención. Los términos "que comprende" y "conectado" se deberían interpretar aquí como enlaces entre partes funcionales y no necesariamente conexiones físicas. Se debería comprender que parte de las funcionalidades del transmisor 520, por ejemplo el módulo de optimización 515, podría ser comprendida en otros nodos en la red inalámbrica, por ejemplo en un RNC.

El método básico de acuerdo con la presente invención se perfila en el organigrama de la Fig. 8. Un prerrequisito para el método es que las estaciones repetidoras 415 estén organizadas de manera que haya un solape significativo entre los canales 530 de estaciones repetidoras adyacentes y que los canales de solapamiento sean esencialmente ortogonales. El método comprende los pasos de:

805: Cada estación móvil 420 hace asociaciones internas preferentemente a una pluralidad de estaciones repetidoras, seleccionando juegos individuales de estaciones repetidoras asociadas. Un proceso denominado asociación débil se realiza internamente en cada estación móvil 420. La asociación puede estar basada por ejemplo en mediciones sobre pilotos (balizas) transmitidas por las estaciones repetidoras, o si una sesión de comunicación está en curso, en mediciones o estimaciones de calidad en los canales de comunicación, o por otros medios tales como funciones de posicionamiento. Señalar que los pilotos pueden originarse alternativamente desde la estación base y solamente se reenvían por los repetidores, es decir, puede ser caracterizado el trayecto del receptor de transmisión
completo.

810: La estación base 410 adapta la transmisión a las estaciones repetidoras 415. La estación base 410 determina los parámetros de transmisión para las transmisiones a cada estación móvil 420 a través de las estaciones repetidoras 415. Los parámetros incluyen, pero no están limitados a las cargas, la potencia de transmisión y la modulación y codificación. Preferentemente la estación base decide de manera oportuna, es decir, en base a las condiciones instantáneas de calidad del canal u otra oportunidad de pico y condiciones ofrecidas en el momento de la transmisión, a cuál de las estaciones repetidoras 415 enviar datos y qué enviar. El proceso de decisión implica optimizar con respecto a los recursos radio y las demandas potencialmente contradictorias de una pluralidad de estaciones
móviles.

815: La estación base transmisora 510 envía una secuencia de datos usando los parámetros de transmisión determinados en el paso previo (810), posiblemente a través de una matriz de ponderación U 512 y posteriormente sobre antenas de transmisión múltiples 513.

820: Las estaciones repetidoras 415 reenvían la señal recibida. Los parámetros de transmisión del repetidor tales como el canal, el factor de ganancia de la señal y la codificación típicamente permanecen sin cambios para una sesión en curso. Alternativamente, los repetidores pueden intentar descodificar la señal recibida o en otras palabras mejorar la fidelidad de la señal antes de reenviar la señal.

825: El receptor de la estación móvil 520 recibe la señal, si es conveniente a través de la matriz de ponderación V 540, y procesa las señales.

830: El receptor de la estación móvil 520 determina al menos una medida de calidad para la señal recibida. La medida de calidad incluye la relación señal a ruido SNR, la tasa de error de bits BER, la tasa de error de tramas FER y combinaciones de ellas, pero no está limitada a ellas.

835: El receptor de la estación móvil 520 realimenta la selección de estaciones repetidoras de asociación débil y la medida(s) de calidad al transmisor de la estación base 510 a través de la realimentación lógica 550. El transmisor de la estación base usa la medida de calidad en el paso de selección de parámetros 810.

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Si la comunicación está por debajo del establecimiento el proceso puede ir directamente de la asociación débil 805 al paso de realimentación 835.

Los pasos 805-835 se repiten preferentemente durante la sesión de comunicación para adaptarse a los cambios en el entorno radio.

La arquitectura lógica y el método de acuerdo con la invención hacen posible reducir la complejidad de la red de repetición cooperativa y reducir la cantidad de señalización de control sobre el interfaz aéreo. La funcionalidad de control y la optimización necesaria durante las sesiones de comunicación en curso es posible realizarlas en primer lugar en la estación base, o nodos conectados de la misma como un RNC. Por ello el sistema puede hacer frente mejor frente a demandas contradictorias de dos o más estaciones móviles 420, y se evita el riesgo de intentos de optimización potencialmente inútiles entre estaciones repetidoras, que usan recursos radio. La optimización se realiza preferentemente durante el paso de la estación base 405 que adapta la transmisión a las estaciones repetidoras 415 y comprende los pasos subsidiarios de:

810:1: La estación base identifica las demandas contradictorias de distintas estaciones móviles 420 en relación al uso de una estación repetidora 415 en la información dada en las realimentaciones. Las estaciones móviles 420 tienen asociación débil a la misma estación(es) repetidora(s).

810:2 La estación base insta un proceso de optimización para resolver las demandas contradictorias. Se puede usar una serie de planteamientos de optimización conocidos, por ejemplo, recocido simulado.

810:3 En la adaptación de la transmisión a las respectivas estaciones repetidoras 415 la estación base 420 tiene en cuenta el resultado del proceso de optimización.

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Como se trató, para facilitar la señalización de control limitada en combinación con un uso eficiente de los recursos radio, se han identificado arriba una serie de funciones o características y serán descritas más extensivamente y ejemplificadas a continuación. Las características incluyen, pero no están limitadas a:

-: Organización de la repetición para zonas con cobertura solapada;

-: Asociación débil para canales repetidores;

-: Reenviar en el repetidor;

-: Realimentación lógica receptor a transmisor;

-: Esquema de comunicación y descodificar en el receptor.

Organización de la repetición para zonas de cobertura solapada

Las zonas de cobertura con solapamiento de las estaciones repetidoras 415 es un prerrequisito para un uso eficiente de los recursos radio de acuerdo con la invención. Una cobertura con solapamiento se puede lograr de varias formas como se ilustra en las Fig. 9, 10 y 11. La Fig. 9 ilustra esquemáticamente cómo se pueden distribuir los repetidores, y se organizan los recursos de repetidores, tales como el canal y el alcance de transmisión. Las estaciones repetidoras están añadidas aquí ejemplarmente a las farolas. Se ve que la cobertura del repetidor para los canales considerablemente ortogonales está solapada. También se muestra que un canal puede ser reutilizado múltiples veces dentro de la misma celda como el canal q. Los canales por supuesto también pueden ser reutilizados espacialmente entre celdas.

Se ilustran distintos principios de organización en las Fig. 10 y 11. En la topología A, Fig. 10, las estaciones repetidoras 415 están expandidas, por ejemplo en un patrón hexagonal, pero con una gran extensión para cada cobertura de estación repetidora que coincide con al menos sus vecinas más próximas y, preferentemente, las siguientes vecinas más cercanas. En la topología B, Fig. 11, las estaciones repetidoras 415 están agrupadas en una agrupación de repetidores 1105, dando cobertura casi idéntica para las estaciones repetidoras individuales 415 que pertenecen a una agrupación de repetidor 1105. Un beneficio para la topología A sobre la topología B es que la calidad de un enlace repetidor será generalmente mejor gracias a la proximidad de los repetidores. No obstante, la topología B tiene el beneficio de que las agrupaciones de repetidores pueden ser sustituidas con una entidad de repetición única que tiene el mismo número de antenas. Las antenas pueden ser conectadas entonces mediante cables, fibras ópticas o incluso enlaces inalámbricos de corto alcance. Una red implementada puede ser típicamente una mezcla de ambas topologías A y B, lo que tiene que ser tenido en consideración para topologías de la vida real, economía, etc.

Para proporcionar una implementación eficiente de la red inalámbrica debería ser proporcionada preferentemente una auto organización de las estaciones repetidoras 415. Los repetidores deberían organizarse por sí mismos de manera que los canales considerablemente ortogonales de distintos repetidores se solapen espacialmente. Esto se logra principalmente seleccionando una combinación del factor de ganancia de señal y del canal. Una opción alternativa es seleccionar la potencia de transmisión del repetidor. No obstante, si se selecciona la potencia de transmisión, se debe tener cuidado de no distribuir ruido cuando la señal de entrada es débil, o aceptar sencillamente que se reenvía una señal ruidosa. La auto organización puede tener lugar, por ejemplo, cuando la red se inicia, cuando un nuevo nodo se inserta en la red, una repetición del nodo falla, o si el entorno radio se cambia permanentemente por un nuevo edificio, por ejemplo. No obstante, el transmisor puede, en base a estadísticas de largo plazo de comunicación anterior con usuarios, sugerir algunas acciones para la repetición a realizar, tales como aumentar el factor de ganancia de señal o cambiar el canal. Señalar que para esta opción, los parámetros de repetición no se cambian en respuesta a las sesiones en curso para adaptar a un usuario específico. Es preferible que se vea como una celda de planificación adaptativa funcionando sobre una base de tiempo lenta.

Para cada estación repetidora puede ser definida un área de cobertura como el área donde la probabilidad de interrupción es menor que un umbral predeterminado, y el umbral se ajusta de manera que podría ser alcanzada una eficiencia espectral razonable bajo la comunicación. Como regla general, preferentemente debería ser permitida una eficiencia espectral de al menos 0,1 b/Hz/s. Dada la definición del área de cobertura, se puede definir el área de cobertura solapada de dos estaciones repetidoras como cuando aquellas estaciones cubren un área común que es una fracción significativa de al menos la estación repetidora con la cobertura más pequeña. El orden de la fracción significativa está preferentemente por encima del 10%, e incluso más preferentemente por encima del 20%, del área de cobertura más pequeña de las celdas.

Los algoritmos convenientes para auto organización se pueden construir de varias maneras. A continuación, serán tratados dos algoritmos en principio, uno centralizado y una versión distribuida de la organización de los parámetros de repetición.

Funcionamiento centralizado

El funcionamiento básico se indica en el organigrama de la Fig. 12. Por simplicidad, se supone que el sistema de repetición se inicia en el primer momento. Primero los repetidores se inician, paso 1205, y cada estación repetidora 415 se inicia detectando qué estaciones repetidoras vecinas están disponibles, paso 1210. Cuando se hace esto, puede ser recogida la información de pérdidas del trayecto (y opcionalmente la información de posición) de las estaciones repetidoras vecinas. En el siguiente paso 1215, las estaciones repetidoras informan de los datos recogidos a la entidad central responsable de una o más estaciones base 410. La entidad central entonces determina, paso 1220, la configuración de repetición con respecto al factor de ganancia de señal y la asignación del canal, y también con qué estación base 410 recibir y asociar. Las estaciones repetidoras entonces se actualizan basadas en los parámetros determinados y activados, paso 1225 para iniciar el reenvío de las señales recibidas de una estación base.

Como este algoritmo es centralizado, se podría realizar una búsqueda exhaustiva de los canales repetidores si el número de estaciones repetidoras así como el número de canales no son demasiado grandes. De otro modo, se podría usar un esquema de asignación de canal dinámico heurística centralizada. Se puede usar para el caso centralizado comprobación fuera de línea, de manera que la complejidad no es el mayor obstáculo. Si un nuevo nodo de repetición se introduce en la red, o un nodo de repetición falla, se pueden determinar los nuevos parámetros de configuración de repetición y entonces se establecen en los repetidores. De ahí, que el proceso de descubrir repetidores vecinos es algo que puede funcionar continuamente, incluso si están teniendo lugar la fase de reenvío. Preferentemente, la comunicación repetidor a repetidor tiene lugar en canales que no interfieren con datos de usuario.

Funcionamiento distribuido

Alternativamente se puede realizar un esquema de asignación del factor de ganancia de señal y canal distribuido. Esto típicamente no proporcionará una solución bien optimizada equitativamente como la versión centralizada, pero tiene la ventaja de no requerir ningún informe de información relativa a vecinas para cualquier entidad central. Se pueden imaginar muchos algoritmos distintos, más o menos complejos. Un funcionamiento distribuido se ejemplificará con un esquema bastante simple, que se ilustra con el organigrama de la Fig. 13. Después del inicio de los sistemas, paso 1305, las estaciones repetidoras descubren a sus vecinas en el paso 1310 (similar al caso centralizado). Cuando se hace así, las pérdidas de trayecto se pueden estimar entre las repeticiones. En base a las pérdidas de trayecto, y la calidad de la señal desde el transmisor, se determinan los factores de ganancia de señal, paso 1315. Una regla que podría ser aplicada es que al menos N vecinas deberían ser alcanzadas pero con una restricción de potencia de transmisión superior que limita el posible número de estaciones repetidoras. Para la transmisión hacia una estación base, es decir, enlace ascendente (UL) celular, el factor de ganancia de señal también se podría establecer en respuesta de la calidad del enlace a una estación base seleccionada.

En el paso 1320, se selecciona un canal provisional aleatoriamente. El canal seleccionado entonces se envía a las N estaciones repetidoras seleccionadas, paso 1325. De manera similar cada estación repetidora recibe información de las repeticiones adyacentes cuyos canales están usando, paso 1330. Cada estación repetidora examina el conjunto de canales provisionales seleccionado y asigna una probabilidad de reasignación del canal correspondiente a cada canal. Si una estación ve una selección de alta frecuencia relativa de un canal específico, es decir, relativa a otros canales, provocará que a este canal se le asigne una probabilidad de reasignación más alta. Las probabilidades de reasignación (o vector de probabilidad de reasignación) se distribuyen entonces a las vecinas, paso 1340. Cuando se reciben uno o más vectores de probabilidad de reasignación, esto guía a cada estación repetidora a abandonar aleatoriamente el canal antiguo. Se pueden incluir también unos vectores de probabilidad de canal preferentes para guiar la selección del nuevo canal, aumentando la probabilidad de que sea seleccionado un canal previamente descargado o levemente cargado. Esto continúa hasta que se completa un criterio de optimización u otro delimitador tal como que el número de iteraciones exceda un umbral máximo, paso 1335. El criterio de optimización puede ser, por ejemplo, para procurar distribuir el uso de los canales de manera que todos los canales sean usados más o menos equitativamente. Un método simple es intentar minimizar la varianza, y si la varianza no cambia significativamente sobre múltiples iteraciones, uno para las iteraciones.

Aunque un planteamiento probabilístico ha sido utilizado aquí, un planteamiento más determinístico también se puede usar, en que una estación repetidora recomienda otras estaciones repetidoras moverse de un canal a otro. Además, la potencia de transmisión se puede asignar de manera conjunta junto con los canales de una manera distribuida.

Aparte del método principal antes mencionado, será posible desplegar muchos otros métodos de asignación de canal distribuido conocido en la técnica, no obstante con la característica deseada añadida de que el área de cobertura puede solarse entre los nodos. Se debería señalar que no es extremadamente crítico si el mismo canal se usa por múltiples repeticiones, solamente supone que la SNR aumenta en cierto modo en un sentido promedio. Con respecto al escenario MIMO, el procesamiento de la señal tiene lugar en el receptor, y usar el mismo canal por múltiples repetidores es transparente desde el punto de vista del receptor. No obstante, desde el punto de vista del rendimiento, es preferible usar tantos de los canales disponibles como sea posible en una posición dada.

Asociación débil para canales repetidores

Una característica de la presente invención es que una estación móvil 420 con una sesión activa realiza asociación débil interna del receptor preferentemente a una pluralidad de canales repetidores. Mientras que la estación móvil 420 atraviesa hacia las zonas con canales repetidores solapados se actualiza la asociación débil. La asociación débil, que está comprendida en el paso 805 del organigrama de la Fig. 8, puede ser vista como la estación móvil 420 que selecciona un conjunto de estaciones repetidoras 415, o canales repetidores, que en la posición actual de la estación móvil y/o entorno radio es conveniente para la comunicación. Qué estaciones repetidoras 415 se usarán finalmente, y a qué grado, en un momento específico también es, como se trató arriba con referencia al organigrama de la Fig. 8, un resultado de las decisiones realizadas en la estación base 410 en base a la realimentación de la estación móvil a la estación base.

La estación móvil 420 puede usar todos los canales disponibles, o alternativamente usar un subconjunto de aquéllos disponibles. Esto puede ser debido a limitaciones de los componentes físicos o a consideraciones del consumo de potencia. Preferentemente la estación móvil selecciona dinámicamente un conjunto de canales repetidores que maximizan el rendimiento. En particular, los canales se pueden seleccionar en respuesta a la aplicación usada, por ejemplo con respecto a los requisitos de ancho de banda (BW) y/o calidad de servicio (QoS). Si, por ejemplo, son necesarios solamente dos canales para cumplir el requisito de BW, tiene poco sentido usar todos los canales disponibles. En su lugar, otros usuarios pueden usar los canales libres. El organigrama de la Fig. 14 ilustra este funcionamiento desde el punto de vista del receptor, en donde en un primer paso, 1405 la estación móvil 420 mide la calidad del canal repetidor, por ejemplo la SNR o la BER. En un segundo paso 1410 la estación móvil 420 determina los requerimientos de BW por ejemplo basados en las aplicaciones actuales o futuras. La estación móvil 420 entonces, en el paso 1415, selecciona un conjunto de canales repetidores, es decir hace asociaciones débiles a los canales repetidores seleccionados. En combinación con las mediciones de calidad, o alternativamente a ellas, también podría ser utilizada otra información en el proceso de selección, por ejemplo el conocimiento de la posición de la estación móvil en comparación con una estación repetidora 415 o agrupación de estaciones repetidoras 440. El proceso se repite durante la sesión de comunicación para adaptarse a las condiciones cambiantes.

Las estaciones móviles pueden realizar una asociación débil a las estaciones repetidoras también mientras no están en sesión activa, con el propósito de indicar su presencia en una celda o parte de una celda, para radiobúsqueda, etc. No obstante, si no están en sesión activa, o en el proceso de establecerlo, las medidas de calidad del canal no tienen que ser comunicadas. Tampoco debería realizar la estación base ninguna optimización antes de que tenga lugar una sesión activa. El proceso de asociación débil, mientras que la estación móvil no está en sesión activa, preferentemente debería ser realizado menos frecuentemente, comparado con cuando la estación móvil está en sesión
activa.

Reenvío al repetidor

Los repetidores envían cualesquiera señales recibidas desde el transmisor. Una red que comprende estaciones repetidoras puede usar un criterio de umbral para una SNR mínima requerida para reenviar la señal recibida. De esta manera, el reenvío de señales ruidosas puede ser mitigado.

Un transmisor también puede señalar que ningún dato será enviado, por lo cual el reenvío desde los repetidores cesa hasta que los datos se transmiten de nuevo.

Las estaciones repetidoras también pueden incorporar varios métodos de codificación conocidos. Por ejemplo, una señal puede ser retardada durante un tiempo aleatorio pequeño, suficiente para inducir selectividad de frecuencia artificial; (esto se conoce como diversidad de retardo). Otra opción es usar esquemas de codificación espacio tiempo, tal como la diversidad Alamouti. Aquí asumimos que el repetidor recibe dos unidades de datos, llamadas parte A y parte B, en las que se realiza codificación de diversidad de transmisión Alamouti. Para empezar, un repetidor asume el papel de una de las antenas en diversidad Alamouti. Si se asume el papel de la antena 1, se transmite la parte A y una versión enlazada de la parte B. Si en su lugar el repetidor asume el papel de la antena 2, se transmite la parte B primero y luego una versión anulada y enlazada de la parte A. Otro tipo de métodos de codificación espacio tiempo también pueden ser desplegados. Se debería enfatizar que cualquiera de los parámetros usados para reenviar no dependen de qué usuario está usando actualmente la señal reenviada por el repetidor.

Realimentación receptor a transmisor

Como se describió arriba una o más estaciones móviles 420 pueden realimentar información al transmisor de la estación base 410, por lo cual el transmisor puede adaptar sus parámetros de transmisión.

La información de realimentación puede ser de distinto tipo dependiendo de la técnica de transmisión y dónde reside el mecanismo de control de enlace. Si el receptor tiene parte significativa del control de enlace, entonces la estación móvil 420 puede decidir un modo de enlace, que comprende el esquema de codificación y modulación, para el transmisor. La estación móvil 420 también puede decidir qué cargas de transmisión debería usar el transmisor. Las cargas de transmisión son particularmente relevantes para el caso MIMO, pero también se pueden usar en un contexto de formación de haz. Alternativamente, la estación móvil 420 puede enviar información pura del estado del canal (tal como ganancias de canal complejas, estadísticas o nivel de ruido, Relaciones Señal a Ruido, SNR, o Relaciones Portadora a Interferencia, CIR,) al transmisor de la estación base 510, y el transmisor determina qué parámetros de transmisión (modo de enlace, cargas de transmisión, potencia de transmisión, etc.) usar. Como se aprecia por los expertos en la técnica, se pueden usar distintas gamas de representaciones de los valores medidos actuales para denotaciones más compactas de una clasificación de calidad en la realimentación.

Si múltiples estaciones móviles están realimentando información al mismo tiempo para controlar el enlace de comunicación, entonces el transmisor de la estación base 510 puede decidir programar tráfico al "mejor" receptor instantáneamente o, alternativamente si están disponibles en el transmisor múltiples antenas, enviar a múltiples receptores al mismo tiempo. En particular, el transmisor puede responder a fluctuaciones del canal específico que se desvanece o a fluctuaciones de interferencia de una manera oportuna. En este contexto, la calidad del canal es preferentemente devuelta desde los múltiples receptores de manera que el transmisor pueda hacer una optimización central.

En principio todos los parámetros que afectan a la transmisión desde que la estación base 410 podrían ser sintonizados como respuesta a las realimentaciones de las estaciones móviles 420. No obstante, se debe tener cuidado de no causar efectos indeseados. Por ejemplo, aunque la potencia de transmisión de la estación base en principio podría ser sintonizada, preferentemente debería no ser el primer parámetro a sintonizar, ya que provocaría que fluctuase el radio de cobertura del repetidor. De hecho el factor de ganancia de señal de las estaciones repetidoras 415 se ajusta típicamente bajo la suposición de que la estación base usa un nivel de potencia de transmisión bastante fijo, y las potencias de repetición se limitarán por su nivel de potencia de transmisión máximo. No obstante, la potencia de transmisión podría ser sintonizada ocasionalmente para gestionar cualquier enlace directo usado entre, por ejemplo, una estación base que transmite y una estación móvil que recibe.

Para medir la calidad del canal, existen distintas posibilidades. En una realización, la calidad del canal se mide sobre uno o más pilotos enviados por la estación base 410 y reenviados por las estaciones repetidoras 415, de manera que puede ser estimada la calidad del trayecto completo, es decir, de la estación base a la móvil. Si la estación base está equipada con múltiples antenas, se pueden usar múltiples pilotos para separar distintas capas de antena cuando la estación base está equipada con múltiples antenas. De ahí, que el informe de las calidades del canal medidas y realimentadas desde la estación móvil corresponde a los pilotos. En otra realización simplificada, la calidad del canal se mide en uno o más pilotos enviados desde los repetidores, que potencialmente incluye también indicación de cada repetición sobre la calidad de la estación base al enlace de la estación repetidora.

De acuerdo con una realización alternativa de la invención los receptores de las estaciones móviles 420 realimentan, en el paso 835, los parámetros preferentes a la estación base 410, en lugar de los datos puros del canal. Los parámetros preferentes incluyen, pero no están limitados a: modo de enlace, esquema de codificación, esquema de modulación y cargas transmitidas de antena. Los parámetros preferentes reflejan lo óptimo para cada estación móvil individual 420. No obstante, como se describió en el paso de optimización de la estación base 810:2, la estación base puede decidir otros distintos a los valores preferentes en los parámetros, si por ejemplo se han detectado demandas contradictorias de distintas estaciones móviles.

Esquemas de comunicación y descodificación

Se pueden emplear varios esquemas de procesamiento de la señal en la arquitectura y el método de acuerdo con la presente invención. Por ejemplo, una estación base 410 con múltiples antenas puede usar comunicación basada en MIMO en el enlace descendente a las estaciones móviles. El beneficio de MIMO es que, aparte de ofrecer diversidad, puede ser sintonizado para ofrecer multiplexación espacial que a su vez produce eficiencia espectral muy alta. Alternativamente, cuando la estación base 410 despliega solamente una antena, la comunicación a una estación móvil 420 degenera a un canal efectivo SIMO (Entrada Única Salida Múltiple). Incluso así, el receptor de la estación móvil 420 puede combinar las señales recibidas a través de la combinación de relación máxima (MRC), o combinación de rechazo de interferencia (IRC). Si las estaciones repetidoras imponen algún método de codificación espacio tiempo (STC) (tal como diversidad de transmisión Alamouti) en las señales reenviadas, el receptor necesita considerar esto en la descodificación. Con diversidad de retardo, el receptor solo ve un canal "extra" selectivo de frecuencia.

Descodificación MIMO

La comunicación basada en MIMO es un ejemplo de un esquema de comunicación que se usa ventajosamente en combinación con la presente invención. En una implementación MIMO que usa la arquitectura y método de acuerdo con la presente invención, el transmisor de la estación base 410 envía un vector T sobre la matriz de canal H, donde cada fila corresponde a una o más estaciones repetidoras 415 que usan el mismo canal repetidor de reenvío y hay tantos canales repetidores de reenvío como filas hay en la matriz del canal. Cada estación repetidora 415 añade ruido, que aquí corresponde a un vector de ruido N. Cada estación repetidora 415 multiplica consecutivamente la señal útil (es decir una superposición del vector de señal T) con su factor de ganancia de señal predeterminado. Alternativamente la estación repetidora asegura que la potencia de salida total que incluye la potencia de señal y la potencia de ruido no excede el nivel de potencia máximo establecido en la estación repetidora específica. La señal transmitida se atenúa entonces por las pérdidas de trayecto entre la estación repetidora y el receptor. El factor de ganancia de señal y la atenuación se pueden combinar en una matriz diagonal A. El receptor a su vez añade el vector de ruido W a la señal que se recibe de los repetidores. El enlace de comunicación puede ser modelado ahora como

ec. 1R = A \cdot (H \cdot T+N)+W

Si se utiliza un enlace directo entre la estación base 410 y la estación móvil 420, éste también puede ser incorporado abiertamente en la formulación de la matriz de arriba.

El sistema de ecuaciones de arriba puede ser diagonalizado, por ejemplo usando el planteamiento MIMO de descomposición de valor singular en la matriz A \cdot H, similar al que es bien conocido en comunicación tradicional basada en MIMO. No obstante, la formulación de la matriz en la presente invención difiere de la formulación del sistema de ecuaciones lineal del sistema clásico MIMO, que tiene la forma de R = H \cdot T + W. Para la invención con MIMO basada en SVD, supone que el transmisor aplicará una matriz de carga unitaria U y el receptor multiplica con la hermítica de una matriz de carga unitaria V. La diagonalización permite al receptor recibir directamente una serie de subcanales MIMO en paralelo considerablemente libres de auto interferencia.

Para una estación móvil con múltiples antenas, como en la Fig. 5, se pueden usar varias formas de esquemas de descodificación y combinación, incluyendo los métodos bien conocidos tales como MMSE y detección de usuario único (SUD), detección de usuario múltiple (MUD, por ejemplo, ejemplificado por la Cancelación de Interferencia Sucesiva o Cancelación de Interferencias Paralelas).

En la mayoría de las realizaciones descritas arriba, las estaciones repetidoras 415 se han previsto como equipadas con antenas omnidireccionales. No obstante puede ser beneficioso usar antenas direccionales que pueden ser dirigidas hacia una estación base seleccionada. Dadas antenas direccionales, es evidente para una persona experta que se pueden implementar de muchas maneras, incluyendo formación de haz fijo, o antenas adaptativas. Para el caso de antena adaptativa, la formación de haz se puede consumar, para el enlace descendente desde la estación base, por la estación repetidora ajustando simplemente sus cargas de antena receptora para maximizar la relación portadora a interferencia, preferentemente suprimiendo también la interferencia indeseable.

Las estaciones repetidoras también se pueden proporcionar ventajosamente con múltiples antenas. En este caso se pueden usar varias formas de esquema de decodificación y combinación, incluyendo cualquier método bien conocido tal como MMSE y detección de usuario Única (SUD), detección de usuario múltiple (MUD) (ejemplificada por la Cancelación de Interferencia Sucesiva o cancelación de Interferencias paralelo). El propósito es que la calidad de señal pueda ser mejorada en la repetición antes de reenviar la señal.

Una realización alternativa para los canales repetidores es usar el gran ancho de banda ofrecido por las bandas de frecuencia sin licencia. Esto es particularmente beneficioso cuando se considera el escenario MIMO, donde el segundo enlace desde los repetidores al receptor puede usar un ancho de banda significativamente más grande que en el primer enlace.

Para mejorar la capacidad ofrecida por una estación base 410, la estación base (o emplazamiento BS) puede soportar múltiples sectores. Cada sector entonces usará de acuerdo con la invención distintos repetidores.

La presente invención no está limitada a ningún esquema de modulación particular. Se pueden usar las modulaciones comúnmente empleadas, tales como aquéllas especificadas para 3GPP. Los esquemas de modulación multiportadora, tales como Acceso Múltiple por División en Frecuencia Ortogonal (OFDM) también se pueden usar.

La presente invención por razones de claridad se ha descrito y ejemplificado en un escenario de enlace descendente. El método inventivo y la arquitectura lógica pueden ser utilizados equitativamente para la transmisión del enlace ascendente (UL), de una manera análoga al enlace descendente. En el enlace ascendente las estaciones repetidoras 415 solamente deberían enviar preferentemente cuando la SNR excede de un nivel umbral mínimo, o bien enviarán señales con SNRs bajas. También la potencia de la estación repetidora para el funcionamiento del UL se fija de forma diferente comparado con el DL; se establece de tal manera que las transmisiones alcanzan el receptor pretendido, es decir, la estación base 410, con una calidad de señal deseada, preferentemente que tiene en cuenta la característica de interferencia y ruido en el receptor. El solapamiento de cobertura de repetición no considera la transmisión en el caso del UL, sino más bien la recepción desde el lado de la estación móvil. La asignación del canal preferentemente puede ser la misma que para la transmisión y determinada con el algoritmo descrito con referencia a la Fig. 14. La estación móvil que transmite 420, también puede recurrir a distintas potencias de transmisión en distintos canales. Esto se puede controlar proporcionando realimentación desde la estación base 410 (es decir, ahora el receptor) basada en la calidad del enlace. El escenario con una estación móvil 420 (ahora como un transmisor) con una antena única y enviando sobre distintos canales repetidores se muestra en la Fig. 15. También pueden ser desplegados escenarios más complicados con múltiples antenas en la estación móvil que transmite y los repetidores, análogos a la descripción hecha con referencia a la Fig. 5. Además, análogo a la Fig. 6, son posibles múltiples transmisores de estaciones móviles que envían datos a una estación base única dentro del alcance de la
invención.

En los dibujos y la especificación, se han expuesto realizaciones preferentes típicas de la invención y, aunque se han empleado términos específicos, se usan solo con un sentido genérico y descriptivo y no con fines de limitación, el ámbito de la invención se establece en las siguientes reivindicaciones.

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Referencias

[1]. J. N. Laneman, Diversidad Cooperativa en Redes Inalámbricas: Algoritmos y Arquitecturas, Tesis Doctoral, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA, Agosto de 2002. <Tesis>

[2]. J. N. Laneman y G, W. Wornell, "Un Protocolo Eficiente para Realizar Diversidad Espacial Distribuida en Redes Ad-Hoc Inalámbricas", en Proc. del Simposio FedLab ARL sobre Telecomunicaciones Avanzadas y Distribución de Información (ATIRP-2001), (College Park, MD), Marzo de 2001. <Informe>

[3]. J. N. Laneman y G. W. Wornell, "Compartición de Antena Energéticamente Eficiente y Repetición para Redes Inalámbricas", en Proc. de la Conferencia de Interconexión y Comunicaciones Inalámbricas del IEEE (WCNC-2000), (Chicago, IL), Septiembre de 2000.

[4]. B. Schein y R. Gallagher, "La Red Gaussiana de repetición paralelo", en el Simposio Internacional del IEEE sobre Teoría de la Información ISIT2000, Sorrento, Italia, del 25-30 de Junio de 2000.

[5]. B. Schein. "Coordinación Distribuida en Teoría de la Información de Redes". Tesis Doctoral, páginas 64-68, MIT, Cambridge, MA, Agosto de 2001. Lippman. Bletsas

[6]. T.M. Cover y A.A. El Garnal, "Teoremas de capacidad para el canal repetidor", Teoría Inform. Trans. del IEEE. vol. 25, nº 5, páginas 572-584, Septiembre de1979.

[7]. E. V. D. Meulen, "Canales de comunicación de tres terminales", Avances en Probabilidad Aplicada, vol. 3, páginas 120-154, 1971.

[8]. A. Sendonaris, E. Erkip, B. Aazhang, "Aumento de la Capacidad de Celda CDMA a través de Cooperación de Usuarios en Celda", Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Rice, Títulos de Cartel, 11 de Noviembre de 1997.

[9], M. Dohler, E. Lefranc, H. Aghvami, "Agrupaciones de Antenas Virtuales para Sistemas de Comunicaciones Móviles Inalámbricos Futuros", ICT2002, Junio de 2002

[10]. G. W. Wornell, V. Poor, "Comunicaciones Inalámbricas: Perspectivas de Procesamiento de Señal" (Serie de Procesamiento de Señal de Prentice Hall) Prentice Hall; 1ª edición (Abril de 1998).

[11]. WO03003672

Claims

1. Una estación base (410) adaptada para usar en una red de comunicación inalámbrica de dos saltos, en donde la red comprende una estación base (410), al menos dos estaciones móviles (420) y al menos una estación repetidora (415), en donde la estación repetidora (415) está adaptada para reenviar señales desde la estación base (410) a las estaciones móviles (420), la estación base (410) que comprende medios para recibir realimentación de la estación móvil en la transmisión a la estación móvil, caracterizada porque la estación base (410) está provista de:

- medios de optimización (515) adaptados para identificar demandas contradictorias desde dichas al menos dos estaciones móviles (420) con respecto al uso de dicha al menos una estación repetidora (415), dichas dos estaciones móviles (420) que tienen asociación débil a dicha al menos una estación repetidora (415), y adaptados para realizar un proceso de optimización para resolver las demandas contradictorias;

- medios de adaptación de los parámetros de transmisión (514) adaptados para determinar los parámetros de transmisión para la transmisión al menos a la al menos una estaciones repetidoras con las que las dos estaciones móviles tienen asociación débil, teniendo en cuenta el resultado del proceso de optimización.

2. La estación base (410) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el transmisor de la estación base (410) está adaptado a realizar la comunicación basada en MIMO y enviar un vector T sobre la matriz de canal H, donde cada fila de la matriz H corresponde a una o más estaciones repetidoras (415) que usan el mismo canal repetidor y hay tantos canales repetidores como filas hay en la matriz de canal.

3. La estación base (410) de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el transmisor de la estación base (410) está adaptado para usar descomposición del valor singular (SVD) y aplicar una matriz de carga unitaria (U) a la señal puesta a la salida para facilitar una diagonalización con el uso de una Hermítica de una matriz de carga unitaria (V).