Un procedimiento para asignar un esquema precodificado de formación de haces en un sistema vía satélite de banda ancha,

en el que el mencionado sistema vía satélite de banda ancha comprende un satélite multihaz (1) que tiene una pluralidad de antenas y una pluralidad de haces de satélite, una pasarela (2) y un número N de terminales de satélite (ST{sub,11}, ST{sub,12}... ST{sub,21}, ST{sub,22}, ST{sub,23}... ST{sub,K1}, ST{sub,K2}...), y en el que la mencionada pasarela (2) está configurada para procesar y para dar servicio a una pluralidad de K haces de la mencionada pluralidad de haces de satélite dirigidos hacia el mencionado número N de terminales de satélite (ST{sub,11}, ST{sub,12}... ST{sub,21}, ST{sub,22}, ST{sub,23}... ST{sub,K1}, ST{sub,K2}...), en el que K < N, y en el que la mencionada asignación de un esquema precodificado de formación de haces comprende un procesado conjunto sobre la mencionada pluralidad de K haces. El mencionado esquema precodificado de formación de haces depende de: el diagrama de radiación de las mencionadas antenas del satélite; de las características de canal de línea de visión y de la diversidad multiusuario provocada por el mencionado número N de terminales de satélite (ST{sub,11}, ST{sub,12}... ST{sub,21}, ST{sub,22}, ST{sub,23}... ST{sub,K1}, ST{sub,K2}...). Una pasarela y un sistema vía satélite. Programa de ordenador

Técnicas de conformación de haz para comunicaciones vía satélite de banda ancha.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a las comunicaciones vía satélite de banda ancha y, de manera más precisa, a técnicas de conformación de haz para comunicaciones vía satélite de banda ancha.

Estado de la técnica

Durante los últimos veinte años, las inversiones en comunicaciones vía satélite se han centrado en la expansión de la señal de satélite a vastas áreas terrestres, en reducir el precio del satélite y los receptores y en reducir la interferencia. Los servicios típicos de satélite no sufren de una limitación sustancial en la tasa de transmisión (tasa de bit). Sin embargo, en la actualidad existe una necesidad de usar aplicaciones digitales avanzadas vía satélite, lo que implica una necesidad de aumentar la capacidad de la tasa de bit del canal de satélite. Posibles propuestas para explotar el canal de satélite son la codificación y la modulación adaptativas (cuya incorporación en el estándar DVB-S2 se encuentra bajo discusión), MIMO, selección oportunista o comunicaciones cooperativas. Algunas de estas propuestas se presentan a continuación.

La tecnología multiusuario de múltiple entrada - múltiple salida (MIMO) se destaca como una de las principales técnicas para mejorar el funcionamiento de las comunicaciones inalámbricas, siendo recientemente propuesta para IEEE 802.11n, IEEE 802.16e y UMTS-HSDPA. Esta tecnología proporciona una gran tasa de transmisión a la vez que usa la misma cantidad de espectro y de potencia, gracias a sus capacidades de multiplexación espacial.

Existe un interés emergente en aplicar a las redes de satélite los buenos resultados obtenidos por las técnicas MIMO en sistemas inalámbricos terrestres.

Como se presenta en el documento de Konstantinos P. Lionis y colaboradores titulado "Comunicaciones MIMO Multi-Satélite en la banda Ku y bandas superiores: Investigaciones sobre multiplexación espacial para la mejora de la capacidad y diversidad de selección para la mitigación de la interferencia", Hindawi Publishing Corporation, Diario EURASIP sobre Comunicaciones y Redes Inalámbricas, Volumen 2007, uno de los problemas fundamentales en los sistemas de satélite para poder aplicar las técnicas de Múltiple Entrada - Múltiple Salida (MIMO) se refiere a la dificultad para generar perfiles de desvanecimiento completamente independientes en el segmento satelital. La colocación de múltiples antenas en un único satélite no parece que sea una opción válida con el fin de explotar las capacidades del canal MIMO. De hecho, la ausencia de dispersiones en las cercanías del satélite conduce a una deficiencia de rango inherente de la matriz del canal MIMO. En otras palabras, debido a la fuerte Línea de Visión (en inglés, "Line of Sight", LOS), la matriz del canal de satélite MIMO tiene un rango cercano a uno.

Por lo tanto, parece que la aplicación de las técnicas MIMO al segmento de comunicaciones vía satélite es poco provechosa; una cuestión que explica la casi inexistente literatura acerca de MIMO para las comunicaciones vía satélite.

Por otra parte, varias propuestas han considerado el uso de conocimiento de canal con el fin de seleccionar el mejor haz de satélite en las comunicaciones vía satélite. Por ejemplo, la solicitud de Patente US2004/0100941 describe un procedimiento de transmisión adaptativo de paquetes en un sistema de comunicaciones móviles celular que usa un satélite multihaz, en el que se hace una selección del mejor haz del satélite. Sin embargo, en este procedimiento, no se extraen las capacidades de multiplexación espacial del sistema.

La aplicación de MIMO requiere de más de un trayecto para hacer que la información alcance un Terminal de Satélite (ST) que se encuentre en tierra. Sin embargo, los sistemas comerciales actuales están destinados a crear un único trayecto de comunicación para entregar la información a cada uno de los ST, haciendo uso de planificación de frecuencias y/o haces de satélite más directivos, para evitar la interferencia entre los ST a los que se da servicio. De esta forma, a través de una filosofía diferente para la transmisión, se obtiene un escenario alternativo cuando se reduce a uno la reutilización de frecuencia (factor de reutilización = 1) y la información a un terminal de satélite se entrega a través de múltiples haces de manera simultánea.

En ese caso, debido al solapamiento parcial de los haces del satélite, un ST puede recibir señales procedentes de varios haces de satélite. Por lo tanto, se pueden obtener los canales MIMO si se lleva a cabo un procesado conjunto sobre todos los haces. L. Cottatellucci y colaboradores, en el documento titulado "Técnicas de mitigación de la interferencia para sistemas de satélite de banda ancha", 24ª Conferencia Internacional de la AIAA sobre Sistemas de de Comunicaciones vía satélite, San Diego - E.E.U.U., de junio de 2006, se ha enfrentado al problema del procesado conjunto sobre las señales multihaz en una pasarela, explotando la multiplexación espacial que se hace posible por medio de la cobertura supuesta de satélite multihaz. Se propone usar una técnica de precodificación lineal basada en el Mínimo Error Cuadrático Medio (MMSE) para aumentar la capacidad del sistema en el enlace directo (FL). Esta técnica de precodificación lineal implica una selección aleatoria de usuarios (terminales de satélite). De manera más precisa, esta técnica selecciona de manera aleatoria un usuario por haz. Para el funcionamiento de este esquema, se requiere un conocimiento completo del canal (módulo + fase). Como el conocimiento completo del canal visto por todos los usuarios es impracticable, se lleva a cabo una selección aleatoria de usuarios. Una vez que se ha hecho esta selección aleatoria de usuarios, se aplica la técnica de precodificación de Mínimo Error Cuadrático Medio (MMSE).

Sin embargo, mediante la aplicación de una selección aleatoria no se logra sacar el mayor partido a las capacidades del sistema, ya que en muchas situaciones, el usuario seleccionado de manera aleatoria no es el mejor, sino simplemente el que se ha elegido de manera aleatoria. Esto implica un uso no eficiente de los recursos del sistema, para compensar las características posiblemente no tan buenas del canal debido al proceso de selección aleatorio.

Sumario de la invención

La presente invención está dirigida a resolver los problemas anteriormente mencionados por medio de un procedimiento de asignación de ganancia de precodificación que optimiza las características del escenario satelital y la diversidad multiusuario, proporcionando un alto rendimiento del sistema a la vez que se requiere un diseño de baja complejidad. El procedimiento actual aplica técnicas MIMO al segmento de usuario del enlace directo (FL) en un sistema vía satélite bajo el control de una única pasarela (en inglés, "gateway") terrestre. Un planificador (en inglés, "scheduler") en la pasarela ejecuta una técnica de conformación de haz oportunista multihaz (MOB), en la que el diagrama de radiación de las antenas del satélite, la información de la Línea de Visión de canal (LOS) y la diversidad multiusuario están incorporadas en el proceso de diseño precodificador.

El gran número de usuarios o ST disponibles en un escenario satelital permite la posibilidad de obtener una ganancia multiusuario (a través de la aplicación de las técnicas de transmisión MIMO multiusuario). El esquema de conformación de haz oportunista multihaz presenta varias ventajas, tales como su diseño de baja complejidad, su alto rendimiento del sistema, el proceso de selección de los usuarios y su aplicación no solamente en sistemas con conocimiento completo del canal, sino también a sistemas con un conocimiento parcial del canal.

Es un objetivo principal de la presente invención proporcionar un procedimiento para asignar un esquema de conformación de haz con precodificación en un sistema vía satélite de banda ancha, en el que el sistema vía satélite de banda ancha comprende un satélite multihaz que tiene una pluralidad de antenas y una pluralidad de haces de satélite, una pasarela y un número N de terminales de satélite, y en el que la pasarela está configurada para procesar y para dar servicio a una pluralidad de K haces de esa pluralidad de haces de satélite que van dirigidos hacia ese número N de terminales de satélite, en donde K < N, y en el que esa asignación de un esquema precodificado de formación de haces comprende un procesado conjunto sobre esa pluralidad de K haces. Ese...

1. Un procedimiento para asignar un esquema precodificado de formación de haces en un sistema vía satélite de banda ancha, en el que el mencionado sistema vía satélite de banda ancha comprende un satélite multihaz (1) que tiene una pluralidad de antenas y una pluralidad de haces de satélite, una pasarela (2) y un número N de terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂... ST₂₁, ST₂₂, ST₂₃... ST_K1, ST_K2...), y en el que la mencionada pasarela (2) está configurada para procesar y para dar servicio a una pluralidad de K haces de la mencionada pluralidad de haces de satélite dirigidos hacia el mencionado número N de terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂... ST₂₁, ST₂₂, ST₂₃... ST_K1, ST_K2...), en el que K < N, y en el que la mencionada asignación de un esquema precodificado de formación de haces comprende un procesado conjunto sobre la mencionada pluralidad de K haces,

donde el procedimiento está caracterizado por que el diseño del mencionado esquema precodificado de formación de haces tiene en cuenta:

- el diagrama de radiación de las mencionadas antenas de satélite;

- las características del canal de línea de visión; y

- la diversidad multiusuario provocada por el mencionado número N de terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂... ST₂₁, ST₂₂, ST₂₃... ST_K1, ST_K2...), donde la mencionada toma en cuenta de la mencionada diversidad multiusuario comprende una selección de K terminales de satélite de entre el mencionado número N de terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂... ST₂₁, ST₂₂, ST₂₃... ST_K1, ST_K2...), en el que K < N, donde los K terminales de satélite seleccionados tienen una mejor relación señal a ruido o una mejor relación señal a ruido más interfe- rencia;

siendo el mencionado esquema precodificado de formación de haces aplicable a sistemas que tienen conocimiento completo del canal de dichos K terminales de satélite y a sistemas que tienen conocimiento parcial del canal.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la mencionada selección de K terminales de satélite se lleva a cabo de acuerdo con los siguientes pasos:

- dividir el área (4) en la que el mencionado número N de terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂... ST₂₁, ST₂₂, ST₂₃... ST_K1, ST_K2...) está localizado en un número K de celdas (C₁, C₂, ..., C_K), cada una de las cuales comprende al menos un terminal de satélite;

- en cada una de las celdas (C₁, C₂, ..., C_K) seleccionar un terminal de satélite correspondiente a un mejor valor de la relación señal a ruido o de la relación señal a ruido más interferencia.

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el mencionado procesado conjunto y la selección de K terminales de satélite sobre la mencionada pluralidad de K haces se lleva a cabo siguiendo los pasos de:

- generar un primer vector de precodificación (f₁) y transmitirlo hacia una primera celda (C₁) desde el mencionado satélite (1), donde el mencionado primer vector de precodificación (f₁) se construye a partir de la información del diagrama de radiación de las mencionadas antenas del satélite, siendo dicho vector de precodificación (f₁) un vector Kx1 y comprendiendo el mencionado vector de precodificación (f₁) la contribución de cada uno de los mencionados K haces sobre la mencionada primera celda (C₁);

- realimentar al mencionado satélite (1) una relación señal a ruido (SNR₁₁, SNR₁₂...) medida por cada uno de los terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂...) en la mencionada celda (C₁),

- en el lado del satélite, seleccionar un terminal de satélite dentro de la mencionada celda (C₁) que tenga la mejor relación señal a ruido y solicitando al mencionado terminal de satélite seleccionado que envíe sus características de canal (h_sel(1));

- construir vectores de precodificación posteriores (f₂, f₃, ...f_K), seleccionar los terminales de satélite que tengan la mejor relación señal a ruido más interferencia dentro de las celdas correspondientes (C₂, C₃..., C_K) y solicitar a cada uno de los mencionados terminales de satélite seleccionados que envíe sus características de canal (h_sel(2), h_sel(3)... h_sel(K)), siendo cada vector de precodificación posterior (f_p) dependiente de la información del diagrama de radiación de las mencionadas antenas del satélite y de las características de canal de los terminales de satélite anteriormente seleccionados (h_sel(1), h_sel(2)... h_sel(p-1)), siendo el mencionado vector de precodificación (f_p) un vector Kx1 y comprendiendo el mencionado vector de precodificación (f_p) la contribución de cada uno de los mencionados K haces sobre una celda correspondiente (C_p);

- construcción de una matriz de precodificación (F) que tenga un tamaño KxK, en la que las K columnas de la mencionada matriz de precodificación (F) son los K vectores de precodificación (f₁, f₂, ...f_K) construidos anteriormente.

4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el mencionado primer vector de precodificación (f₁) es el resultado de normalizar en potencia un primer vector (b₁) que comprende K contribuciones de potencia correspondientes a los mencionados haces de satélite dirigidos hacia la mencionada celda (C₁), y en el que los mencionados vectores de precodificación posteriores (f_p) son el resultado de normalizar en potencia un vector (b_p) correspondiente que comprende K contribuciones de potencia correspondientes a K haces de satélite dirigidos hacia una celda (C_p).

5. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el mencionado vector de precodificación posterior (f_p) depende de una matriz de bloqueo D_p que tiene un tamaño Kxp, y que se forma de la siguiente manera:

6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el mencionado vector de precodificación (f_p) está formado de la siguiente manera:

donde 1 es un vector de todos ceros excepto la posición que corresponde al número p de la mencionada celda (C_p) y f_p es un vector normalizado de Kx1.

7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 3 a la 6, en el que las mencionadas características de canal (h_sel(1), h_sel(2), h_sel(3) ... h_sel(K)) comprenden tanto la información de amplitud como la información de fase.

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el mencionado procesado conjunto sobre la mencionada pluralidad de K haces se lleva a cabo siguiendo los pasos de:

- construir un primer vector de precodificación (f₁), en el que el mencionado primer vector de precodificación (f₁) está construido a partir de la información del diagrama de radiación de las mencionadas antenas del satélite, donde dicho vector de precodificación (f₁) es un vector Kx1 y comprende la contribución de cada uno de los mencionados K haces sobre la mencionada primera celda (C₁);

- construir K-1 vectores de precodificación posteriores (f₂, f₃, ...f_K), cada uno de ellos teniendo un tamaño Kx1, siendo cada vector de precodificación posterior (f_p) dependiente de la información del diagrama de radiación de las mencionadas antenas de satélite y del vector de precodificación anteriormente construido (f₁, f₂, ...f_p-1) y donde el mencionado vector de precodificación (f_p) comprende la contribución de cada uno de los mencionados K haces sobre una celda correspondiente (C_p);

- construir una matriz de precodificación (F) que tenga un tamaño KxK, en la que las K columnas de la mencionada matriz de precodificación (F) son los K vectores de precodificación (f₁, f₂, ...f_K) anteriormente construidos.

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el mencionado vector de precodificación posterior (f_p) depende de una matriz de bloqueo D_p que tiene un tamaño Kxp, y que se forma de la siguiente manera:

10. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el mencionado vector de precodificación (f_p) está formado de la siguiente manera:

donde 1 es un vector de todos ceros excepto la posición que corresponde al número p de la mencionada celda (C_p) y f_p es un vector normalizado de Kx1.

11. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende de manera adicional:

- la transmisión de la mencionada matriz de precodificación (F) hacia la mencionada área(4);

- en cada una de las celdas (C₁, C₂, C₃..., C_K), realimentar al mencionado satélite (1) una relación señal a ruido más interferencia (SNIR₁₁, SNIR₁₂..., SNIR₂₁, SNIR₂₂..., SNIR_K1, SNIR_K2...) medida por cada uno de los terminales de satélite en su celda correspondiente,

- seleccionar un terminal de satélite por celda, teniendo los mencionado terminales de satélite seleccionados la mejor relación señal a ruido más interferencia dentro de las celdas correspondientes (C₁, C₂, C₃..., C_K).

12. Un procedimiento de transmisión simultánea de datos a K terminales de satélite en un sistema vía satélite de banda ancha, donde el mencionado sistema vía satélite de banda ancha comprende un satélite (1) y un número N de terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂... ST₂₁, ST₂₂, ST₂₃... ST_K1, ST_K2...), en el que, antes de comenzar la mencionada transmisión simultánea de datos a K terminales de satélite, el procedimiento comprende los pasos de:

- asignar un esquema precodificado de formación de haces y seleccionar un grupo de K terminales de satélite de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Una pasarela (2) que comprende un medio adaptado para llevar a cabo los pasos del procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 12.

14. Un sistema vía satélite que comprende un satélite (1), un número N de terminales de satélite (ST₁₁, ST₁₂... ST₂₁, ST₂₂, ST₂₃... ST_K1, ST_K2...) y una pasarela (2) de acuerdo con la reivindicación 13.

15. Un programa de ordenador que comprende un medio de código de programa de ordenador adaptado para realizar los pasos del procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 12 cuando se ejecuta el mencionado programa en un ordenador, un procesador digital de la señal, una matriz de puertas programable, un circuito integrado específico de la aplicación, un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra forma de hardware programable.