Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples.

Esta invención presenta un método y un aparato para codificación y decodificación de familias de secuencias complementarias de las señales generadas por múltiples usuarios que comparten las mismas frecuencias o frecuencias adyacentes en los sistemas de comunicación multiusuario permite reducir la diafonía entre ellos e incrementar la capacidad de las redes de comunicaciones. Para codificar en diversas bandas de frecuencia utiliza la información de un canal de comunicaciones convencional. La codificación mediante este método permite obtener una Interferencia debida al multiacceso o MAI nula o muy reducida basada en la forma en que se aprovecha la propiedad de ortogonalidad de las familias de secuencias complementarias. En recepción se emplea un banco de filtros correspondiente al conjugado de cada una de las secuencias convolucionadas por el mismo banco de filtros en transmisión obteniendo unos nuevos filtros, de forma que la suma de sus salidas permite extraer en recepción la información del usuario seleccionado sin interferencias de otros usuarios, o lo que es lo mismo, ortogonalizando los usuarios y anulando las interferencias mutuas

Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples.

Objeto de la invención

La invención a la que se refiere la presenta memoria trata de un método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, este método permite la reducción de la diafonia (crosstalk) o interferencia en sistemas de comunicación multiacceso basados en cualquier medio de transmisión o de obtención de imágenes mediante la transmisión de impulsos codificados simultáneos.

Campo de la invención

La presente invención tiene su desarrollo en muy variados campos debido al amplio espectro de utilización de esta tecnología. A nivel recitativo pero no limitativo podemos hablar de su utilización en el campo de las industrias audiovisuales, mas especialmente en el sector de las comunicaciones, igualmente esta tecnología se configura de gran valor en el campo militar y civil relativo a las comunicaciones de un aparato de radar o de sonar y como ejemplo de la importancia y versatilidad de esta tecnología, también tiene su utilización en los aparatos de diagnóstico médico basado en imágenes, como pueden ser las ecografías y resonancias magnéticas.

Antecedentes de la invención

En la mayoría de los sistemas de comunicación el espectro es limitado y debe ser compartido por un número de usuarios.

Existen diversos sistemas de compartición del espectro: mediante división en frecuencia (OFDM, DMT, etc.), salto de frecuencia (Frequency Hopping o FH), división por código (Code División Múltiple Access, CDMA), división por longitud de onda (Wavelength División Multiplexing, WDM), y combinaciones de todos ellos.

La posibilidad de reutilizar el espectro o, al menos, de interferir lo menos posible es el objetivo de numerosos estudios e investigaciones en los últimos años. Todos ellos tratan de obtener la máxima eficiencia espectral y, por tanto, el aprovechamiento óptimo del canal de transmisión al tiempo que permitir la transmisión simultánea de señales sin interferencia mutua.

Uno de los mayores problemas es la interferencia entre usuarios en los sistemas de telefonía móvil actuales y futuros. El sistema basado en división por código o CDMA es un sistema que se basa en las propiedades de correlación cruzada baja de distintas secuencias empleadas por distintos abonados. Debido a que dicha correlación cruzada no es nula existe una interferencia debida al acceso simultáneo de varios usuarios denominada MAI (Multi-Access Interference) que impide incrementar el número de abonado por encima de un límite relacionado con dicha interferencia.

Por otra parte, las propiedades de correlación baja no se cumplen cuando existe una diferencia de potencia transmitida entre varios abonados por lo que la red debe de poder controlar la potencia transmitida por cada uno de los abonados para garantizar que la interferencia MAI es la mínima posible. La evolución de la telefonía móvil planteada por el consorcio europeo 3GPP tiende hacia el empleo de diversas técnicas entre las que se plantea el acceso múltiple mediante división de frecuencia empleando OFDM (Multiplexación mediante División Ortogonal en Frecuencia, Orthogonal Frequency División Multiplexing).

Asimismo, el efecto de compartir la misma banda de frecuencias entre abonados o servicios es especialmente dañino en los sistemas de acceso de banda ancha por cable xDSL donde la diafonía lejana o telediafonía (FEXT, Far End Crosstalk) hace que cuando el número de abonados que comparten un mismo cable de pares aumenta la velocidad de datos que es capaz de transmitir para cada abonado a una distancia dada disminuye. Este efecto puede llegara a ser significativo y reducir la cobertura para un determinado servicio hasta en un 50% para velocidades medias en torno a 12 Mbps y llegar a un 2500% en el caso de velocidades de 20 Mbps, pasando de 1 Km a 200 m de radio de cobertura.

La codificación de distintas portadoras mediante el empleo de conjuntos de secuencias complementarias ya se plantea en diversos trabajos como el publicado por Hsiao-Hwa Chen et al en ["A Multicarrier CDMA Architecture Based on Orthogonal Complementary Codes for New Generations of Wideband Wireless Communications", IEEE Communications Magazine, Oct. 2001, pp. 126-135].

Otra aproximación a la misma solución es la propuesta por Zao Ying et al en ["Complex Orthogonal Spreading Sequences Using Mutually Orthogonal Complementary Sets", MILKON Internacional conference, 2006. 22-24 May, pp. 622-625]. En esta, se emplean secuencias complementarias modificadas de modo que se emplean cuatro fases por secuencia y portadora. Ambos métodos son idénticos salvo pequeñas modificaciones en cuanto a las secuencias empleadas.

Por último, una referencia al trabajo de Shu-Ming Tseng ["Asynchronous Multicarrier DS-CDMA Using Mutually Orthogonal Complementary Sets of Sequences", IEEE Trans. On Corran, Vol. 48, No. 1, Jan 2000, pp. 53-59], en el que se repiten los mismos procedimientos de modulación y demodulación de los anteriores con ligeras modificaciones.

Uno de los inconvenientes de todas las implementaciones anteriores es que la eficiencia espectral propuesta máxima es de 1 bit/s/Hz. Dicha eficiencia se demuestra muy baja a la hora de ser empleada en sistemas de comunicación de alta capacidad como los actuales que van desde los 3 bps/Hz de los sistemas de radio hasta los 12 bits/s/Hz de xDSL.

Por otra parte, dichas técnicas están exclusivamente diseñadas para sistemas basados en CDMA por lo que cualquier otro sistema de comunicación no puede utilizarlas para reducir la interferencia entre usuarios. Además, el ancho de banda de la señal de salida es mucho mayor que el ancho de banda de la señal en banda base, lo que hace que para integrar estas técnicas se haga necesario modificar completamente las etapas de transmisión y recepción de los sistemas actuales.

De todo lo anterior se deduce la necesidad de una técnica que permita, por una parte emitir de manera eficiente la información y por otra reducir la interferencia entre usuarios o servicios que utilizan la misma banda de frecuencias, al tiempo que se respeten los parámetros de ancho de banda y potencia transmitida, independientemente de la forma de modular los datos en banda base, ya sea OFDM, CDMA, QAM, WDM o cualquier otra variante de ellas.

Esta técnica puede ser empleada en cualquier sistema que requiera independizar u ortogonalizar canales de información entre sí sin modificar el espectro de transmisión ni la potencia transmitida. Entre las aplicaciones evidentes están la reducción de la diafonía entre abonados simultáneos de servicios xDSL, el incremento del número de abonados por celda en sistemas de telefonía móvil, el incremento de la capacidad de canales de fibra óptica empleando distintas longitudes de onda o la ortogonalización de señales RADAR o SONAR, y la generación de imágenes médicas entre otros.

No se conoce la existencia de antecedentes, patentes o modelos de utilidad, cuyas características sean iguales o similares a las preconizadas en la presente invención.

Descripción de la invención

La invención a la que se refiere esta descripción parte de utilizar conjuntos de M secuencias complementarias, por complementarias se entiende que la suma de sus autocorrelaciones da como resultado una Delta de Krönecker.

Además, el valor de M coincide también con el número de conjuntos de secuencias complementarias que son ortogonales entre sí.

Por ortogonales se entiende que la suma de las correlaciones cruzadas de las secuencias complementarias de cada conjunto es cero.

Estas dos propiedades son las que se emplean en esta patente para obtener los resultados deseados. En el caso particular de pares (M=2) de secuencias ortogonales, reciben el nombre de secuencias Golay en honor a su descubridor.

La principal propiedad de las secuencias empleadas en esta invención es que poseen una característica de autocorrelación ideal, es decir corresponde a una delta de Krönecker perfecta sin lóbulos laterales y una correlación cruzada mutua nula entre familias dentro de un conjunto de secuencias ortogonales.

Para la correcta implementación del resultado, el sistema consta de dos bloques bien diferenciados:

1. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, caracterizado esencialmente por que el método consiste en que el espectro de cada usuario es dividido en bandas más pequeñas mediante filtros paso banda (3) convolucionados o adaptados cada uno de ellos por secuencias correspondientes a familias de conjuntos de secuencias complementarias cuya correlación cruzada es nula entre subconjuntos de dichas familias y que son asignadas a cada usuario de forma que son ortogonales entre sí, y donde el método utiliza conjuntos de M secuencias complementarias, entendiéndose por complementarias aquellas en las que la suma de sus autocorrelaciones da como resultado una Delta de Krönecker y donde además el valor de M coincide también con el número de conjuntos de secuencias complementarias que son ortogonales entre sí, es decir que la suma de las correlaciones cruzadas de las secuencias complementarias de cada conjunto es cero. Y donde la señal emitida (4) posee una modulación, potencia y ancho de banda que se mantiene inalterable en el proceso de ortogonalización y es independiente del mismo.

2. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, de acuerdo con la primera reivindicación y caracterizado porque, para la correcta implementación del método, el sistema consta de tres bloques bien diferenciados:

-. el sistema de codificación en transmisión y

-. el sistema de decodificación en recepción.

-. canal entre el sistema de transmisión y recepción

Cuyo funcionamiento es el siguiente:

El sistema de transmisión de M usuarios simultáneos se encarga de:

• Filtrar la señal de cada uno de los usuarios (4) con el banco de filtros (5) correspondiente a las secuencias elegidas para cada usuario y que deben garantizar su propiedad de ortogonalidad.

• Sumar cada una de las señales obtenidas de cada usuario a la salida del proceso y enviarlo al medio de transmisión mediante una etapa de transmisión.

• Modular y transmitir la señal mediante el uso de uno o varios elementos de transmisión.

El sistema de recepción de M usuarios se encarga de:

• Demodular y ecualizar la señal recibida desde uno o varios elementos receptores.

• Filtrar la señal obtenida con el banco de filtros (7) paso banda correspondiente a las secuencias elegidas para dicho usuario.

• Sumar cada una de las señales obtenidas de las salidas de dicho banco de filtros para obtener la señal original del usuario libre de interferencias del resto de usuarios.

3. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, de acuerdo con la reivindicación 1ª y caracterizado porque cuando el canal de cada usuario es distinto, el modelo de canal, es el siguiente:

Siendo D₁ la señal transmitida, D₂ la señal transmitida por la fuente interferente, H1 la función de transferencia del canal entre el punto de generación de la señal D1 y el receptor y H2 la función de transferencia desde el punto de generación de la señal D2, o usuario interferente, y el receptor 1.

4. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, caracterizado porque el aparato, como sistema de comunicación, consta de tres bloques principales:

(5) aparato de codificación

(7) aparato de decodificación.

(6) canal entre (5) y (6).

5. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, de acuerdo con la reivindicación 4ª y caracterizado porque el aparato codificador (5) permite dividir el espectro de la señal a emitir en diferentes bandas mediante filtros paso banda cuya construcción se realiza mediante la convolución de cada uno de los elementos del conjunto de secuencias complementarias con las respuestas de cada filtro paso banda adaptado a la frecuencia o banda de trabajo de dicho filtro.

6. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, de acuerdo con la reivindicaciones 4ª y 5ª y caracterizado porque el aparato codificador, utiliza un conjunto de filtros en los que la suma de bandas de frecuencia de cada uno de ellos cubre todo o parte del espectro de la señal a emitir.

7. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, de acuerdo con la reivindicación 4ª y caracterizado porque el aparato decodificador permite dividir el espectro de la señal recibida en diferentes bandas mediante filtros paso banda cuya construcción se realiza mediante la convolución entre el conjugado de las secuencias complementarias utilizadas y la respuesta de un filtro paso banda adaptado a la frecuencia o banda de trabajo de dicho filtro. Y en los que la suma de bandas de frecuencia de cada uno de ellos cubre todo o parte del espectro de la señal emitida y/o recibida, y donde con la suma de las salidas de todos los filtros se obtiene la señal decodificada (8).

8. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, de acuerdo con la reivindicación 4 a y caracterizado porque el canal (6) es el mismo para todos, debiendo cumplirse la siguiente ecuación:

9. Método y aparato de codificación y decodificación para la reducción de las interferencias en sistemas de transmisión de señales simultáneas y usuarios múltiples, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores y caracterizado porque las familias de conjuntos de secuencias complementarias utilizadas tienen cualquier longitud.