Procedimiento de codificación espaciotemporal para sistema de transmisión UWB que incluye al menos dos elementos radiativos,

codificando dicho procedimiento un bloque de símbolos de información (S=(a1, a2, ... , ap2)) que pertenecen a un alfabeto de modulación 2-PPM o de modulación compuesta 2-PPM-M'-PAM con M'=2, en una secuencia de vectores (si,j, Osi,j) destinándose los componentes de un vector a modular una señal UWB de impulso para un elemento radiativo de dicho sistema y para un intervalo de transmisión dado (Tf), caracterizado porque dichos vectores se definen como los elementos de la matriz:

Procedimiento de codificación espaciotemporal para sistema de comunicaciones multiantena de tipo UWB de impulso.

Campo técnico

La presente invención se refiere a la vez al campo de las telecomunicaciones en banda ultra ancha o UWB (Ultra Wide Band) y al de los sistemas multiantena de codificación espaciotemporal o STC (Space Time Coding).

Estado de la técnica anterior

Los sistemas de telecomunicaciones inalámbricas de tipo multiantena son bien conocidos en el estado de la técnica. Estos sistemas utilizan una pluralidad de antenas para la emisión y/o la recepción y se denominan, según el tipo de configuración adoptada, MIMO (Multiple Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) o SIMO (Single Input Multiple Output). En adelante, se empleará el mismo término MIMO para abarcar las variantes MIMO y MISO anteriormente mencionadas. La explotación de la diversidad espacial para la emisión y/o la recepción permite que estos sistemas ofrezcan capacidades de canal muy superiores a las de los sistemas monoantena clásicos (o SISO, para Single Input Single Output). Esta diversidad espacial se complementa generalmente con una diversidad temporal, mediante una codificación espaciotemporal. En dicha codificación, un símbolo de información a transmitir se encuentra codificado en diversas antenas y varios instantes de transmisión. Se conocen dos grandes categorías de sistemas MIMO de codificación espaciotemporal: los sistemas de codificación por enrejado o STTC (Space Time Treillis Coding) y los sistemas de codificación por bloques o STBC (Space Time Block Coding). En un sistema de codificación por enrejado, el codificador espaciotemporal puede ser considerado como una máquina de estados acabados que proporciona P símbolos de transmisión a las P antenas en función del estado corriente y del símbolo de información a codificar. La descodificación tras la recepción se realiza mediante un algoritmo de Viterbi multidimensional, cuya complejidad aumenta de manera exponencial en función del número de estados. En un sistema de codificación por bloques, se codifica un bloque de símbolos de información a transmitir en una matriz de símbolos de transmisión, una dimensión de la matriz correspondiente al número de antenas y la otra correspondiente a los instantes consecutivos de transmisión.

La figura 1 representa esquemáticamente un sistema de transmisión MIMO 100 con codificación STBC. Un bloque de símbolos de información S = (a₁,.., a_b), por ejemplo una palabra binaria de b bits o, más generalmente, de b símbolos M-arios se codifica en una matriz espaciotemporal:

donde los coeficientes c_t,p, t = 1,..., T; p = 1,..., P del código son por regla general coeficientes complejos que dependen de los símbolos de información, P es el número de antenas utilizadas para la emisión, T es un número entero que indica la extensión temporal del código, es decir el número de instantes de uso del canal o PCU (Per Channel Use).

La función f que, a cualquier vector S de símbolos de información, hace corresponder la palabra de código espaciotemporal C se denomina función de codificación. Si la función f es lineal, se dice que el código espaciotemporal es lineal. Si los coeficientes c_t,p son reales el código espaciotemporal se denomina real.

En la figura 1, se ha designado mediante 110 un codificador espaciotemporal. A cada instante de uso de canal t, el codificador proporciona al multiplexor 120 el t^ésimo vector-línea de la matriz C. El multiplexor transmite a los moduladores I30_I,...I30_P los coeficientes del vector línea y las señales moduladas se transmiten por las antenas I40_I,...I40_P.

El código espaciotemporal se caracteriza por su caudal, es decir por el número de símbolos de información que transmite por instante de uso de canal (PCU). El código se denomina de caudal máximo si es P veces más elevado que el caudal relativo a un uso monoantena (SISO).

El código espaciotemporal se caracteriza, además, por su diversidad que se puede definir como el rango de la matriz C. Se obtendrá una diversidad máxima si, para dos palabras de código C₁ y C₂ cualesquiera que corresponden a dos vectores S₁ y S₂, la matriz C₁-C₂ es de rango máximo.

El código espaciotemporal se caracteriza finalmente por su ganancia de codificación que traduce la distancia mínima entre diferentes palabras del código. Se puede definir como:

o, de manera equivalente, para un código lineal:

donde det(C) significa el determinante de C y C^H es la matriz conjugada traspuesta de C. Para una energía de transmisión por símbolo de información, la ganancia de codificación se encuentra limitada.

Por regla general, la ganancia de codificación no es fija sino que decrece con la orden de modulación de información, orden de la que depende la eficacia espectral. En algunos casos, cuando la eficacia espectral aumenta, la ganancia de codificación no tiende a cero sino a un valor asintótico no nulo. Dicho código se denomina con determinante sin aniquilamiento.

Se procura finalmente que la energía media transmitida por el sistema se reparta de manera uniforme entre antenas e instantes de transmisión.

Se denomina código perfecto a un código de caudal máximo, con diversidad máxima, de determinante sin aniquilamiento y con energía repartida en el sentido anteriormente descrito.

Se ha propuesto un ejemplo de dicha codificación espaciotemporal para un sistema MIMO de dos antenas de transmisión en el artículo de J-C Belfiore y otros titulado "The Golden code: a 2x2 full-rate space-time code with non-vanishing determinants" publicado en IEEE Transactions on Information Theory, vol. 51, nº 4, páginas 1432-1436, abril de 2005.

El código propuesto, denominado código de oro, se basa en una doble extensión algebraica K del cuerpo de los números racionales Q: K=Q(i,?) donde i = sqrt{-1} es una raíz del polinomio X²+1 y ? es el número de oro ? = frac{1 + sqrt{5}}{2}, raíz del polinomio X²-X+1. El código de oro se puede representar mediante la siguiente matriz:

donde S = (a₁, a₂, a₃, a₄) es un vector de símbolos de información. a₁, a₂, a₃, a₄ son símbolos complejos de una constelación 2^b-QAM, subconjunto de Z[i] donde Z es el anillo de los números enteros. ? = frac{1 + sqrt{5}}{2} es la raíz conjugada de ?, a=1+i(1-?) y a₁=1+i(1-?₁).

Se encontrarán asimismo ejemplos de códigos espaciotemporales perfectos para un sistema MIMO de 2, 3, 4 o 6 antenas de transmisión en el artículo de Frédérique Oggier y otros titulado "Perfect space time block codes" publicado en IEEE Transactions on Information Theory y disponible en el sitio www.comelec.enst.fr/~belfiore.

Otro campo de las telecomunicaciones es actualmente objeto de considerables investigaciones. Se trata de los sistemas de telecomunicación UWB, propuestos especialmente para el desarrollo de las futuras redes personales inalámbricas (WPAN). Estos sistemas tienen como especificidad trabajar directamente en banda base con señales de banda muy ancha. Se entiende generalmente por señal UWB una señal conforme a la máscara espectral estipulada en la reglamentación del FCC del 14 de febrero de 2002, y revisado en marzo de 2005, es decir en lo esencial es una señal en la banda espectral de 3,1 a 10,6 GHz y que presenta un ancho de banda de al menos 500...

1. Procedimiento de codificación espaciotemporal para sistema de transmisión UWB que incluye al menos dos elementos radiativos, codificando dicho procedimiento un bloque de símbolos de información (S=(a₁, a₂, ... , a_p²)) que pertenecen a un alfabeto de modulación 2-PPM o de modulación compuesta 2-PPM-M'-PAM con M'=q2, en una secuencia de vectores (s^i,j, Os^i,j) destinándose los componentes de un vector a modular una señal UWB de impulso para un elemento radiativo de dicho sistema y para un intervalo de transmisión dado (T_f), caracterizado porque dichos vectores se definen como los elementos de la matriz:

definida a una permutación más o menos de sus líneas y/o de sus columnas, correspondiendo una línea a un intervalo de transmisión y una columna a un elemento radiativo, donde O es una matriz de rotación de pmp/2, P es el número de elementos radiativos y con un margen de aproximadamente pm10% donde I₂ es la matriz identidad de formato 2x2, ? es el producto tensorial, a_ell, ell=1,...,P² son los símbolos de información, R_j es un vector línea de dimensión P que corresponde a la j^ésima línea de una matriz ortogonal R que genera la red de puntos ?={uTheta|uinZ^P} con donde ?_p, p=0,...,P-1, son P raíces distintas de un polinomio de grado P de coeficientes racionales.

2. Procedimiento de codificación espaciotemporal según la reivindicación 1, caracterizado porque la matriz ortogonal se expresa con la forma R=ThetaV donde V es una matriz cuyas columnas están constituidas por vectores v^(p)=(v_0}^(p), v_1^(p), ... , v_P-1^{(p))^T p =0,...,P-1 cuyos coeficientes son racionales.

3. Procedimiento de transmisión de una pluralidad de símbolos de información pertenecientes a un alfabeto de modulación 2-PPM o de modulación compuesta 2-PPM-M'-PAM con M'=q2, caracterizado porque dichos símbolos de información se codifican mediante la codificación espaciotemporal según la reivindicación 1 o 2 para proporcionar P² vectores de dimensión 2, elementos de dicha matriz C, modulando los componentes de cada uno de estos vectores la posición o bien la posición y la amplitud de los impulsos que componen una señal UWB de impulso para obtener P² señales UWB de impulso moduladas correspondientes, siendo las señales respectivamente transmitidas por los P elementos radiativos durante P intervalos de transmisión.

4. Procedimiento de transmisión según la reivindicación 3, caracterizado porque los elementos radiativos son antenas UWB.

5. Procedimiento de transmisión según la reivindicación 3, caracterizado porque los elementos radiativos son diodos láser o diodos electroluminiscentes.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque dicha señal de impulso es una señal TH-UWB.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque dicha señal de impulso es una señal DS-UWB.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque dicha señal de impulso es una señal TH-DS-UWB.