Procedimiento de codificación espaciotemporal para sistema de transmisión UWB que comprende dos elementos de radiación,

codificando dicho procedimiento un bloque de símbolos de información (S=(a1,a2,...,aP2)) perteneciente a un alfabeto de modulación M-PPM o de modulación compuesta M-PPM-M'-PAM, siendo M par, en una secuencia de vectores (si,j, Osi,j), estando destinadas las componentes de un vector a modular una señal UWB por impulsos para un elemento de radiación 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 comunicación de múltiples antenas de tipo UWB por impulsos.

Campo técnico

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

Estado de la técnica anterior

Los sistemas de telecomunicación inalámbrica de tipo de múltiples antenas se conocen ampliamente en el estado de la técnica. Estos sistemas utilizan una pluralidad de antenas en 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 lo sucesivo se empleará el mismo término MIMO para cubrir las variantes MIMO y MISO mencionadas anteriormente. El aprovechamiento de la diversidad espacial en la emisión y/o la recepción permite, en estos sistemas, ofrecer capacidades de canal claramente superiores a las de los sistemas de una única antena clásicos (o SISO por Single Input Single Output). Esta diversidad espacial se completa generalmente mediante una diversidad temporal por medio de una codificación espaciotemporal. En una codificación de este tipo, un símbolo de información que va a transmitirse se codifica sobre varias antenas y varios instantes de transmisión. Se conocen dos grandes categorías de sistemas MIMO con codificación espaciotemporal: los sistemas de codificación reticular o STTC (Space Time Trellis Coding) y los sistemas de codificación por bloques o STBC (Space Time Block Coding). En un sistema de codificación reticular, el codificador espaciotemporal puede verse como una máquina de estados finitos que proporciona P símbolos de transmisión a las P antenas en función del estado actual y del símbolo de información que va a codificarse. La decodificación en 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, un bloque de símbolos de información que va a transmitirse se codifica en una matriz de símbolos de transmisión, correspondiendo una dimensión de la matriz al número de antenas y correspondiendo la otra a los instantes consecutivos de transmisión.

La figura 1 representa esquemáticamente un sistema 100 de transmisión MIMO 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-ares, 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 en la emisión, T es un número entero que indica la extensión temporal del código, es decir, el número de instantes de utilización del canal o PCU (Per Channel Use).

La función f que en todo 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 números reales, el código espaciotemporal se denomina real.

En la figura 1, se ha designado con 110 a un codificador espaciotemporal. En cada instante de utilización de canal t, el codificador proporciona al multiplexor 120 el t-ésimo vector fila de la matriz C. El multiplexor transmite a los moduladores 130₁,...,130_P los coeficientes del vector fila y las señales moduladas se transmiten por las antenas 140₁,...,140_P.

El código espaciotemporal se caracteriza por su tasa de transmisión, es decir, por el número de símbolos de información que transmite por instante de utilización de canal (PCU). El código se dice que está a una tasa de transmisión completa si es P veces más elevada que la tasa de transmisión relativa a una utilización de una única antena (SISO).

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

El código espaciotemporal se caracteriza por último por su ganancia de codificación que traduce la distancia mínima entre diferentes palabras del código. Puede definirse 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 está limitada.

Como regla general, la ganancia de codificación no es fija sino que decrece con el orden de modulación de información, orden del que depende la eficacia espectral. En ciertos casos, cuando la eficacia espectral aumenta, la ganancia de codificación no tiende a cero sino a un valor asintótico no nulo. Un código de este tipo se denomina de determinante sin aniquilación.

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

Se denomina código perfecto a un código de tasa de transmisión completa, de diversidad máxima, con determinante sin aniquilación y con energía distribuida en el sentido anterior.

Un ejemplo de este tipo de código espaciotemporal para un sistema MIMO de dos antenas de transmisión se ha propuesto 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 áureo, se basa en una doble extensión algebraica K del conjunto de los números racionales Q: K=Q(i,?) donde i = sqrt{-1} es la raíz del polinomio X²+1 y ? es el número áureo ? = frac{1+sqrt{5}}{2}, raíz del polinomio X²-X-1. El código áureo puede representarse por la matriz siguiente:

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. ?₁ = frac{1+sqrt{5}}{2} es la raíz conjugada de ?, y a=1+i(1-?) y a₁=1+i(1-?₁).

Se encontrarán igualmente ejemplos de codificaciones espaciotemporales perfectas para un sistema MIMO de 2, 3, 4 ó 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 objeto actualmente de investigaciones considerables. Se trata de los sistemas de telecomunicación UWB, previstos especialmente para el desarrollo de las futuras redes personales inalámbricas (WPAN). Estos sistemas tienen como especificidad que trabajan directamente en banda de 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 revisada en marzo de 2005, es decir, esencialmente una señal en la banda espectral de 3,1 a 10,6 GHz y que presenta un ancho de banda de al menos 500 MHz a -10 dB. En la práctica, se conocen dos tipos de señales UWB, las...

1. Procedimiento de codificación espaciotemporal para sistema de transmisión UWB que comprende dos elementos de radiación, codificando dicho procedimiento un bloque de símbolos de información (S=(a₁,a₂,...,a_P2)) perteneciente a un alfabeto de modulación M-PPM o de modulación compuesta M-PPM-M'-PAM, siendo M par, en una secuencia de vectores (s^i,j, Os^i,j), estando destinadas las componentes de un vector a modular una señal UWB por impulsos para un elemento de radiación 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 con una precisión de una permutación de sus filas y/o sus columnas, correspondiendo una fila a un intervalo de transmisión y una columna a un elemento de radiación, donde P es el número de elementos de radiación y O es una matriz de tamaño MxM definida por donde y O_2x2 es la matriz nula de tamaño 2x2, con una precisión en un intervalo de pm10%, donde I_M es la matriz identidad de tamaño MxM, ? es el producto tensorial, a_ell, ell=1,...,P² son los símbolos de información, R_j es un vector fila de dimensión P correspondiente a la fila j-ésima de una matriz ortogonal R que genera la red de puntos ?={uTheta|u in Z^P} con donde ?_P = 2cos =ft(frac{2(p + 1)p}{N}right) donde N es un número entero positivo tal que f(N)=2P donde f(.) es el indicador de Euler y ? = frac{2p}{N'} donde N' es un número entero positivo tal como f(N')=qP y N, N' primos entre sí.

2. Procedimiento de codificación espaciotemporal según la reivindicación 1, caracterizado porque la matriz ortogonal se expresa en la forma R=ThetaV donde V es una matriz cuyas columnas están constituidas por vectores p=0,...,P-1 cuyos coeficientes son números racionales.

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

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

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

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

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

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