Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida para sistema de telecomunicación UWB por impulsos en el que un terminal fuente transmite una señal a un terminal destinatario durante un intervalo de transmisión constituido por K tramas,

K =q 1, estando dividida cada trama en una primera y una segunda semitramas, recibiéndose la señal transmitida en cada primera semitrama y después retransmitiéndose tras su amplificación durante la segunda semitrama siguiente por un terminal relé distinto entre K terminales relé de dicho sistema, caracterizado porque

dicho terminal fuente codifica 4K símbolos de información que pertenecen a un alfabeto de modulación PPM o un alfabeto de modulación compuesta PPM-PAM que comprende una pluralidad de posiciones temporales, para proporcionar una secuencia de cuatro símbolos de transmisión por trama, obteniéndose dichos símbolos de transmisión a partir de 4K combinaciones lineales de dichos símbolos de información con ayuda de una pluralidad de coeficientes que pertenecen a una extensión algebraica real de orden 2K del conjunto de los números racionales y, para uno de dichos símbolos de transmisión de rango determinado en dicha secuencia de cada trama, de una permutación de sus componentes PPM;

los símbolos de transmisión así obtenidos modulan una señal UWB por impulsos

Sistema de comunicación UWB cooperativo de tipo coherente.

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 telecomunicación cooperativos.

Estado de la técnica anterior

Los sistemas de telecomunicación UWB han sido objeto de considerables investigaciones en los últimos años. Estos sistemas tienen la especificidad de trabajar directamente en banda de base con señales denominadas de banda ultraancha. Generalmente, por señal UWB se entiende una señal según la máscara espectral estipulada en el reglamento del FCC del 14 de febrero de 2002, revisado 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. Las señales UWB se dividen en dos categorías: las señales OFDM multibanda (MB-OFDM) y las señales UWB de tipo por impulsos. Una señal UWB por impulsos está constituida por impulsos muy cortos, del orden de algunos cientos de picosegundos al nanosegundo. A continuación, nos limitaremos a los sistemas UWB por impulsos.

Los sistemas UWB son buenos candidatos para las redes personales inalámbricas (WPAN). En una red inalámbrica clásica, como una red de telecomunicación celular, las conexiones se establecen entre un emisor y un receptor, sin participación de terceros terminales. Con el fin de mejorar la cobertura espacial de las redes inalámbricas, se han propuesto arquitecturas ad-hoc que ponen en práctica estrategias de cooperación entre terminales.

La figura 1 representa de manera muy esquemática una estrategia de cooperación en el interior de una red de este tipo. El terminal fuente s transmite un flujo de datos a un terminal destinatario d. El terminal r también recibe el flujo de datos procedente de s y lo retransmite al terminal destinatario d. El terminal r coopera así en la transmisión de datos entre s y d. Por ejemplo, si el canal s-d es de mala calidad, concretamente debido a la presencia de un obstáculo entre s y d, el canal s-r-d puede permitir sortearlo y obtener una calidad de conexión satisfactoria. El flujo de datos puede retransmitirse por varios terminales para aumentar aún más la diversidad espacial de las trayectorias de transmisión. Además, puede retransmitirse en una única vez ("single-hop") o en varias veces consecutivas ("multiple-hop").

Como se sabe, en una red inalámbrica de tipo TDMA, cada terminal presenta un intervalo de transmisión que le está dedicado. Se distinguen entonces dos modos de cooperación: la cooperación en paralelo y la cooperación en serie.

En un modo de cooperación en paralelo, el terminal relé recibe los datos del terminal fuente durante el intervalo de transmisión asignado a este último y los retransmite hacia el terminal destinatario durante su propio intervalo de transmisión. El terminal destinatario recibe así los mismos datos, a través de trayectorias de encaminamiento diferentes, una primera vez durante el intervalo de transmisión del terminal fuente y una segunda vez durante el intervalo de transmisión del terminal relé. Aunque el calificativo en paralelo puede parecer mal elegido debido a la recepción secuencial de los datos por el terminal destinatario, significa de hecho la ausencia de interferencias entre las dos trayectorias de encaminamiento, resultante de la separación temporal de los intervalos de transmisión del terminal fuente y del terminal relé. El funcionamiento en modo de cooperación en paralelo supone que el terminal relé no tiene datos propios para transmitir durante su intervalo de transmisión. Esto reduce considerablemente las configuraciones de cooperación.

En un modo de cooperación en serie, el terminal relé recibe y retransmite los datos del terminal fuente durante el intervalo de transmisión asignado a este último. Para ello, puede contentarse con transmitir, tras la amplificación, la señal recibida (protocolo denominado AF para "Amplify and Forward" - "amplificar y retransmitir") o bien decodificar previamente la señal antes de volver a emitirla (protocolo denominado "Decode and Forward" - "decodificar y retransmitir"). El terminal destinatario recibe los datos del terminal fuente, a través de trayectorias de encaminamiento diferentes, durante el intervalo de transmisión asignado al terminal fuente.

Un sistema cooperativo que usa concretamente un protocole AF se describe en el articulo de K. Azariam et al. titulado "On the achievable diversity-multiplexing tradeoff in half-duplex cooperative channels" publicado en IEEE Trans. on Information Theory, vol. 51, Nº. 12, diciembre de 2005, páginas 4152-4172.

Debido a la transmisión simultánea de datos por el terminal fuente y de datos de este mismo terminal retransmitidos por el terminal relé, los datos deben codificarse para garantizar su ortogonalidad. Este código se denomina código espaciotemporal distribuido o DSTC ("Distributed Space Time Code").

Los sistemas de telecomunicación de tipo cooperativos, como los sistemas de múltiples antenas denominados MIMO ("Múltiple In Múltiple Out" - "múltiples entradas múltiples salidas"), son sistemas con diversidad espacial de transmisión. El tipo de detección usada en el receptor depende de la información disponible en el canal. Se distinguen:

- los sistemas denominados coherentes, en los que el receptor conoce las características del canal de transmisión, normalmente gracias a una estimación de canal realizada a partir de símbolos pilotos transmitidos por el emisor. A continuación se usa la estimación de canal para la detección de símbolos de información. Los sistemas coherentes están destinados generalmente a aplicaciones de alto caudal;

- los sistemas no coherentes, en los que el receptor realiza una detección ciega de los símbolos de información, sin conocimiento previo de las características del canal de transmisión;

- los sistemas diferenciales, en los que los símbolos de información se codifican en forma de diferencia de fase o de amplitud en dos símbolos de transmisión consecutivos. Estos sistemas pueden no necesitar un conocimiento del canal en el lado del receptor.

Se conoce un primer ejemplo de sistema cooperativo coherente que usa un protocolo AF a partir del articulo de S. Yang y J-C Belfiore titulado "Optimal space-time codes for the MIMO amplify-and-forward cooperative channel" disponible en el sitio www.comelec.enst.fr. Este articulo propone además una generalización del sistema cooperativo del articulo de K. Azariam en el caso en el que las fuentes, los relés y el destino son de tipo de múltiples antenas. El sistema que se describe en ese documento presenta una ganancia de codificación elevada, y por tanto buenos rendimientos en cuanto a BER. No obstante, no puede aplicarse a señales UWB. En efecto, el sistema en cuestión usa códigos DSTC con coeficientes complejos que llevan por tanto una información de fase. Ahora bien, teniendo en cuenta la duración muy corta de los impulsos usados y, por consiguiente, el ancho de banda de las señales UWB, resulta excesivamente difícil extraer una información de fase.

Se conoce un segundo ejemplo de sistema cooperativo que usa un protocolo AF a partir del articulo de C. Abou-Rjeily et al. titulado "Distributed algebraic space time codes for ultra wideband communications", presentado para publicación, edición Kluwer. A diferencia del primero, este sistema usa señales UWB y coeficientes de códigos DSTC reales. No obstante, sus rendimientos en cuanto a BER son inferiores a las del sistema anterior.

El artículo "Space-time coding for multiuser Ultra wideband Communications" de C. Abou-Rjeily et al. presenta códigos "space-time" (espaciotemporales) con coeficientes reales para sistemas UWB.

El objeto de la invención es proponer un sistema cooperativo coherente, usando señales UWB al tiempo que se presenta una ganancia de codificación más elevada que la de la técnica anterior.

Descripción de la invención

La presente invención se define por un procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida para sistema de telecomunicación UWB por impulsos en el que un terminal fuente transmite una señal a un terminal destinatario durante un intervalo de transmisión constituido por K tramas, K =q 1, estando dividida cada trama en una primera y una segunda semitramas, recibiéndose la señal transmitida en cada primera semitrama y después retransmitiéndose tras su amplificación durante la segunda semitrama...

1. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida para sistema de telecomunicación UWB por impulsos en el que un terminal fuente transmite una señal a un terminal destinatario durante un intervalo de transmisión constituido por K tramas, K =q 1, estando dividida cada trama en una primera y una segunda semitramas, recibiéndose la señal transmitida en cada primera semitrama y después retransmitiéndose tras su amplificación durante la segunda semitrama siguiente por un terminal relé distinto entre K terminales relé de dicho sistema, caracterizado porque

dicho terminal fuente codifica 4K símbolos de información que pertenecen a un alfabeto de modulación PPM o un alfabeto de modulación compuesta PPM-PAM que comprende una pluralidad de posiciones temporales, para proporcionar una secuencia de cuatro símbolos de transmisión por trama, obteniéndose dichos símbolos de transmisión a partir de 4K combinaciones lineales de dichos símbolos de información con ayuda de una pluralidad de coeficientes que pertenecen a una extensión algebraica real de orden 2K del conjunto de los números racionales y, para uno de dichos símbolos de transmisión de rango determinado en dicha secuencia de cada trama, de una permutación de sus componentes PPM;

los símbolos de transmisión así obtenidos modulan una señal UWB por impulsos.

2. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 1, caracterizado porque habiendo experimentado el símbolo de transmisión de cada trama una permutación de sus componentes PPM, se somete además a una inversión de signo de una o de una pluralidad de sus componentes PPM.

3. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los cuatro símbolos de transmisión c_1}^k, c_2^k, c_3^k, c_4^k de la k-ésima trama del intervalo de transmisión se obtienen a partir de los 4K símbolos de información s₁,s₂,...,s_4K, de la siguiente manera:

donde 106 i=1,..,K son dichos coeficientes; ? y ?₁ son las raíces conjugadas reales de un polinomio de grado 2 irreducible en el conjunto de los números racionales; O es una operación de permutación de las posiciones temporales del alfabeto PPM-PAM asociada eventualmente a una inversión de signo de una o de una pluralidad de las componentes PPM;

siendo la secuencia transmitida por el terminal fuente durante dicha k-ésima trama c_2^k, c_4^k, c_1^k, c_3^k o c_2^k, c_1^k, c_4^k, c_3^k o c_3^k, c_4^k, c_1^k, c_2^k o c_3^k, c_1^k, c_4^k, c_2^k.

4. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 3, caracterizado

5. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 4, caracterizado porque K=1 y ?_1¹ =1.

6. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 4 caracterizado porque K=2 y:

definiéndose los coeficientes ?_i^k con una precisión de una permutación sobre los índices i y/o k y sus valores con una precisión de un coeficiente común multiplicador y del pm10%.

7. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 4, caracterizado porque K=3 y:

con definiéndose los coeficientes ?_i^k con una precisión de una permutación sobre los índices i y/o k y sus valores con una precisión de un coeficiente común multiplicador y del pm10%.

8. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 4, caracterizado porque K=4 y:

con definiéndose los coeficientes ?_i^k con una precisión de una permutación sobre los índices i y/o k y sus valores con una precisión de un coeficiente común multiplicador y del pm10%.

9. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 4, caracterizado porque K=5 y:

con 43 definiéndose los coeficientes ?_i^k con una precisión de una permutación sobre los índices i y/o k y sus valores con una precisión de un coeficiente común multiplicador y del pm10%.

10. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha permutación de las componentes PPM es una permutación circular.

11. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las potencias de transmisión del terminal fuente y de los K terminales relé se eligen respectivamente iguales a a_sP y a_r^kP, k=1,..,K donde P es un valor de potencia que respeta la máscara espectral UWB y donde a_s y a_r^k son coeficientes tales que 0 < a_s < 1, 0 < a_r^k < 1 y

12. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 11, caracterizado porque los coeficientes a_s y a_r^k se determinan en función de las condiciones respectivas del canal de propagación entre el terminal fuente y el terminal destinatario y de los canales respectivos entre dichos terminales relé y el terminal destinatario.

13. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según la reivindicación 11, caracterizado porque los coeficientes a_s y a_r^k se controlan por medio de bucles de control de potencia mediante K+1 vías de retorno del terminal destinatario hacia el terminal fuente y los K terminales relé, respectivamente.

14. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque las potencias de transmisión del terminal fuente y de los terminales relé se eligen cada una igual a un valor de potencia que respeta la máscara espectral UWB.

15. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos K terminales relé se determinan mediante los terminales fuente y destinatario por medio de las siguientes etapas:

- determinación de la distancia que separa el terminal fuente y el terminal destinatario;

- determinación de un primer conjunto de terminales situados a menos de dicha distancia del terminal fuente;

- determinación de un segundo conjunto de terminales situados a menos de dicha distancia del terminal destinatario;

- selección de los K terminales relé entre los terminales comunes a dichos conjuntos primero y segundo, denominados terminales candidatos, como los que minimizan la suma de las distancias entre el terminal fuente y el terminal candidato, por una parte, y el terminal candidato y el terminal destinatario, por otra parte.

16. Procedimiento de codificación espaciotemporal distribuida según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque dichos K terminales relé se determinan por los terminales fuente y destinatario por medio de las siguientes etapas:

- determinación de la distancia que separa el terminal fuente y el terminal destinatario;

- determinación de un primer conjunto de terminales situados a menos de dicha distancia del terminal fuente;

- determinación de un segundo conjunto de terminales situados a menos de dicha distancia del terminal destinatario;

- determinación de los terminales comunes a dichos conjuntos primero y segundo, denominados terminales candidatos, y envío de una secuencia de símbolos predeterminados por el terminal fuente a dichos terminales candidatos, detectando cada terminal candidato dicha secuencia con una tasa de error, seleccionándose los K terminales relé como los terminales candidatos que detectan dicha secuencia con las K tasas de error más bajas.

17. Dispositivo de codificación para terminal de telecomunicación UWB por impulsos destinado a transmitir una señal a un terminal destinatario durante un intervalo de transmisión (TTI) constituido por K tramas, K=q1, caracterizado porque comprende:

- primeros medios (500) de distribución para proporcionar 4K símbolos de información que pertenecen a un alfabeto de modulación PPM o de modulación compuesta PPM-PAM que comprende M posiciones temporales, con K módulos (510) de codificación en paralelo, correspondiendo cada módulo de codificación a una trama y actuando sobre dichos 4K símbolos de información para proporcionar cuatro símbolos de transmisión;

- segundos medios (505) de distribución para proporcionar a cada módulo (510) de codificación un conjunto de 4K coeficientes (V^K,V₁^K) que pertenecen a una extensión algebraica real del conjunto de los números racionales;

- estando adaptado cada módulo de codificación para realizar una combinación lineal de dichos 4K símbolos de información por medio de los 4K coeficientes que recibe y para realizar una permutación de las componentes PPM de uno de los símbolos obtenidos mediante combinación;

- una pluralidad de líneas (520) de retardo montadas en serie, aplicando cada una un retardo igual a la duración de trama y recibiendo en su entrada la salida de un módulo (510) de codificación.

18. Dispositivo de codificación según la reivindicación 17, caracterizado porque cada módulo (510) de codificación comprende cuatro submódulos (610) de cálculo y porque:

- dichos primeros medios (500) de distribución están adaptados para proporcionar una primera mitad (s₁,...,s_K, s_K+1,..., s_2K) de dichos símbolos de información a un primer y un cuarto de dichos submódulos y la segunda mitad (s_2K+1,..., S_3K, s_3K+1,...s_4K) de dichos símbolos de información a un segundo y un tercero de dichos submódulos;

- dichos segundos medios (505) de distribución están adaptados para proporcionar una primera mitad de dichos coeficientes (V^k) al primer y al segundo submódulos y la segunda mitad de los coeficientes al (V_1^{k) tercer y al cuarto submódulos;

- un submódulo (630) de permutación adaptado para realizar una permutación de las componentes PPM de los símbolos en la salida de uno de dichos submódulos de cálculo;

- una pluralidad de lineas (620) de retardo montadas en serie, aplicando cada una un retardo igual a la duración de un símbolo de transmisión y recibiendo en su entrada la salida de uno de dichos submódulos (610) de cálculo o la salida del submódulo (630) de permutación.

19. Dispositivo de codificación según la reivindicación 18, caracterizado porque dicho módulo (630) de permutación está adaptado además para invertir el signo de una o de una pluralidad de las componentes PPM de los símbolos que recibe.

20. Dispositivo de codificación según la reivindicación 18 ó 19, caracterizado porque cada submódulo (610) de cálculo comprende medios (710) de multiplicación para multiplicar respectivamente cada uno de los 2K símbolos de información que recibe por un coeficiente respectivo entre los 2K coeficientes que recibe, y medios (720) de suma para sumar los 2K símbolos así obtenidos.