Un método de estimación en banda base de canales complejos mediante transmisión secuencial y simultánea de pares ortogonales de secuencias complementarias.

La estimación del espectro de frecuencias de un canal de transmisión permite obtener información de alto interés para analizar sus características y extraer importante información del mismo, o corregir los efectos de distorsión que introduce en un sistema de comunicación. Esta invención presenta un método para codificar una señal s[n] mediante la convolución de dicha señal con un par de secuencias complementarias (CSC). Estas secuencias, al ser recibidas permiten extraer mediante correlación las características temporales y frecuenciales del medio que atraviesan con una precisión que depende de la longitud de las secuencias empleadas N en la codificación respecto la longitud del canal (L)

Método de estimación en banda base de canales complejos mediante transmisión secuencial y simultánea de pares ortogonales de secuencias complementarias.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere al método de entramado temporal óptimo de las secuencias de entrenamiento que permiten la estimación en banda base de las características temporales y frecuenciales del medio de comunicación en sistemas de transmisión y recepción de información sobre canales complejos. Entendiendo por complejos aquellos canales reales paso-banda cuyo equivalente paso-bajo en banda base posee componentes real e imaginaria. Estos canales se dan en sistemas con dos ramas independientes que son moduladas con fases ortogonales para ser transmitidos al medio (comúnmente representadas por la letras I del inglés "In-phase" y Q del ingles "Quadrature").

Estado de la técnica

En los sistemas de comunicaciones digitales la señal transmitida se ve distorsionada por los efectos de distorsión del medio y la información recibida se ve afectada severamente por el desconocimiento de dicha distorsión. Gran parte de la innovación en los nuevos Sistemas Digitales de Transmisión se basa en la búsqueda de métodos óptimos para estimar la distorsión introducida por el medio de comunicación.

Se han propuesto últimamente varios métodos para la estimación mediante secuencias de entrenamiento, como [Yeh, C.S; Lin, Y; and Wu, Y, "OFDM System Channel Estimation Using Time-Domain Training Sequence for Mobile Reception of Digital Terrestrial Broadcasting" IEEE Trans. On Broadcasting, Vol. 46, No. 3, Sep. 2000. pp 215-220], o utilizando pilotos en el dominio de la frecuencia, como [Yeh, C.S.; Lin, Y. "Channel Estimation using Pilot Tons in OFDM Systems", IEEE Trans. On Broadcasting, Vol. 45, No.: 4, Dec 1999. pp. 400-409].

Según [Tellambura, C; Guo, Y. J; BArton, S.K. "Channel Estimation Using Aperiodic Binary Sequences" IEEE Communications Setteres, Volume: 2 No.: 5, May 1998. pp. 140-142] y [Spasojevic, P.; Georghiades, C. N. "Complementary sequences for ISI channel estimation" IEEE Transactions on Information Theory, Volume: 47 Issue: 3, March 2001. pp 1145-1152.], el método óptimo es el uso de Conjuntos de Secuencias Complementarias (CSC). Dichos métodos se basan en un entramado como el descrito en la figura 1. Estos conjuntos de secuencias permiten maximizar la relación Señal a Ruido de la estimación del canal:

Donde Es/No es la relación señal a ruido por símbolo, L la longitud de la respuesta del canal, K el número de secuencias en cada conjunto y N la longitud de cada secuencia. De esta ecuación se obtiene que la mejora en la estimación es proporcional al factor L/KN.

En las dos referencias anteriores se utilizan conjuntos que tienen dos componentes (K=2), también llamados secuencias Golay [MARCEL J. E. Golay "Complementary Series". IRE Transactions on Information Theory, April 1961, pp. 82-87.], pero es posible trabajar con K>2 [C.-C. Tseng, C. L. Liu, "Complementary Sets of Sequences", IEEE Trans. Inform. Theory, Vol. IT-18, No 5, pp. 644-651, Sept. 1972.]. En esta patente se trabajará con CSC con K=2.

La principal propiedad del CSC es:

Donde r_xx es la autocorrelación aperiódica de x. La suma de la autocorrelación de todas las secuencias del conjunto es igual a KN para n=0 y 0 para n?q0 (delta de Krönecker multiplicado por el factor KN).

Otra propiedad interesante es que existen K conjuntos de secuencias que son mutuamente incorreladas (también llamadas conjuntos ortogonales):

Esto permite que K conjuntos se transmitan simultáneamente.

La generación y detección de secuencias Golay pude realizarse de forma eficiente aplicando los sistemas definidos en [S.Z. Budisin. "Efficient Pulse Compressor for Golay Complementary Sequences"; Elec. Lett. Vol 27, No 3, pp. 219-220, 31st Jan., 1991.] y [Popovic, B.M. "Efficient Golay correlator". Electronics Letters, Volume:35, Issue: 17, 19 Aug. 1999 Pages:14271428.]. Estas estructuras son sólo válidas para K=2. Un algoritmo óptimo para K=q2 se describe en (Jose María Insenser et al. "Método y Sistema de Estimación de Canales de Múltiple Entrada y Múltiple Salida" Solicitud de patente española No. P200601942. 20 de julio de 2006.].

Existe un método patentado previamente que describe como estimar mediante la transmisión simultánea de pares secuencias complementarias [Vicente Díaz et al. "Device and Method for Optimally Estimating the Transmission Spectrum with the Simultaneous Modulation of Complementary Sequences". WO 2005107200]. Este método sólo permite estimar un canal real. El entramado utilizado en este método puede observarse en la figura 2.

Otro método que describe como estimar mediante la transmisión secuencial de pares de secuencias complementarias es [Vicente Díaz et al. "Device and Method for the optimal Estimation of Distorsion of a transmisión Médium, comprising the Sequential Emision of Pairs of Quadrature Complementary Sequences". WO 2005122513]. Este método permite estimar canales complejos pero con unas secuencias de entrenamiento sobredimensionadas temporalmente. El entramado utilizado en este método puede observarse en la figura 3.

El método aquí descrito permite mejorar la estimación de canales complejos con un entramado óptimo en tiempo. Los sistemas que pueden ser utilizados para generar en transmisión y correlar en recepción los pares de secuencias complementarias pueden ser los descritos anteriormente o cualquier otro.

Explicación de la invención

Como se explicó anteriormente las propiedades principales de los CSC son:

Donde r_xx es la autocorrelación aperiódica de x. La suma de la autocorrelación de todas las secuencias del conjunto es igual a una delta de Krönecker multiplicado por el factor KN.

La propiedad interesante es que existen K conjuntos de secuencias que son mutuamente incorreladas (también llamadas conjuntos ortogonales):

Esto permite transmitir simultáneamente 2 conjuntos utilizando las fases I y Q de una modulación compleja como puede observarse en la figura 4.

Para facilitar la comprensión del método aquí propuesto basado en el entramado de la figura 4 se particularizan los resultados para N=4 y K=2.

Siendo {a0,a1} y {b0,b1} pares complementarios mutuamente ortogonales se mapean a0 en (1), b0 en (2), al en (3) y b1 en (4) en el entramado de la figura 4. Para particularizar resultados se utilizan como ejemplo las siguientes secuencias:

Usando las propiedades vistas en <4> y <5>:

Cuando K=2, {a0,b0} y {a1,b1} también son pares complementarios:

Otra propiedad es:

donde overleftarrow{x} es la secuencia x invertida. Por lo tanto:

La respuesta impulsional del equivalente paso bajo del canal es:

El medio de transmisión convoluciona de forma compleja la señal transmitida Identificando en el receptor cada una de las secuencias transmitidas en el preámbulo:

 

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Reivindicaciones:

1. Un método de estimación en banda base de canales complejos, caracterizado porque se utiliza un entramado temporal óptimo de secuencias de entrenamiento basadas en transmisión secuencia) y simultánea de pares de ortogonales de secuencias complementarias que permiten la estimación en banda base de las características temporales y frecuenciales del medio de comunicación en sistemas de transmisión y recepción de información sobre canales complejos, entendiendo por complejos aquellos canales reales paso-banda cuyo equivalente paso-bajo en banda base posee componentes real e imaginaria.

2. El método, según la primera reivindicación, caracterizado porque se utiliza un entramado basado en secuencias complementarias a0, b0, a1 y b1, cuya propiedad principal consiste en que la suma de autocorrelaciones agrupadas en parejas complementarias equivale a una delta de Krönecker multiplicada por un factor de ganancia, entendiendo por Delta de Krönecker una secuencia temporal discreta en la que sólo uno de sus muestras tiene un valor diferente a cero.

3. El método, según la primera reivindicación y utilizando las secuencias descritas en la segunda reivindicación, caracterizado porque las secuencias pueden agruparse en los siguientes pares complementarios: {a0,b0}, {a1,b1}, {a0,a1} y {b0,b1} y donde las parejas {a0,b0} y {a1,b1} son mutuamente ortogonales y las parejas {a0,a1} y {b0,b1} son mutuamente ortogonales, entendiendo por ortogonal que la suma de la correlación cruzada de dichas secuencias es cero en todas las muestras del resultado.

4. El método, según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque los pares de secuencias complementarias se transmiten de forma secuencial y a la vez simultánea utilizando las dos ramas en banda base (I y Q) de la siguiente manera:

• Rama I: de forma secuencial primero a0 y después b0
• Rama Q: de forma secuencial primero a1 y después b1
• a0 y a1 se transmiten simultáneamente por ambas ramas
• b0 y b1 se transmiten simultáneamente por ambas ramas

5. El método descrito en las reivindicaciones primera, segunda, tercera y cuarta caracterizado porque se inserten o no separaciones temporales entre las distintas secuencias para evitar solapes temporales en recepción.

6. El método descrito en las reivindicaciones primera, segunda, tercera, cuarta y quinta caracterizado porque la transmisión de dicho entramado se repite periódicamente.

7. El método descrito en las reivindicaciones primera, segunda, tercera, cuarta y quinta caracterizado porque la transmisión de dicho entramado se realiza una sola vez.

8. El método descrito en las reivindicaciones primera, segunda, tercera, cuarta y quinta caracterizado porque entre sucesivas transmisiones del entramado se insertan ráfagas de datos.

9. El método descrito en las reivindicaciones primera, segunda, tercera, cuarta y quinta caracterizado porque tras una emisión del entramado se emiten datos de forma indefinida o hasta que la estimación no sea válida debido a variaciones temporales de la respuesta impulsional del canal.

10. El método descrito en las reivindicaciones primera, segunda, tercera, cuarta y quinta caracterizado porque tras una emisión del entramado no se emiten datos, sólo se evalúa el canal para cualquier aplicación posterior.

11. El método descrito en las reivindicaciones primera, segunda, tercera, cuarta y quinta caracterizado porque se utiliza cualquier sistema de generación, modulación, detección, demodulación y/o correlación.

 

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