METODO Y SISTEMA DE ESTIMACION DE CANALES DE MULTIPLE ENTRADA Y MULTIPLE SALIDA.
Un método y sistema de estimación de canales de múltiple entrada y múltiple salida (5),
que según un primer; aspecto consiste en un método para generar (1) conjuntos de secuencias complementarias que comprende: Un filtro (4) que permite convolucionar secuencias complementarias (3) con cualquier señal (2), un bloque sumador opcional que permite sumar las salidas de los generadores para transmitir de forma simultánea conjuntos de secuencias complementarias; y un bloque multiplexor que permite multiplexar las secuencias generadas con los datos a transmitir. De acuerdo con un segundo aspecto la invención concierne un método (6) para detectar o correlar conjuntos de secuencias complementarias que comprende: un filtro acoplado (7) para realizar la correlación con los conjuntos de secuencias complementarias transmitidos, un bloque sumador que permita realizar la suma de las correlaciones y un bloque detector para estimar y/o almacenar la respuesta del canal (8)
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200601942.
Solicitante: SEMICONDUCTORES INVESTIGACION Y DISEÑO SA.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: MADRID.
Inventor/es: PARDO VIDAL,CARLOS, INSENSER FARRE,JOSE MARIA, HERNANZ CHILOECHES,DANIEL, PEREZ DE ARANDA ALONSO,RUBEN, SANMARTIN JARA,JUAN, RUIZ GOMEZ,FEDERICO.
Fecha de Solicitud: 20 de Julio de 2006.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 4 de Enero de 2011.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H04L25/02C1
- H04L27/00 ELECTRICIDAD. › H04 TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS. › H04L TRANSMISION DE INFORMACION DIGITAL, p. ej. COMUNICACION TELEGRAFICA (disposiciones comunes a las comunicaciones telegráficas y telefónicas H04M). › Sistemas de portadora modulada.
Clasificación PCT:
Fragmento de la descripción:
Método y sistema de estimación de canales de múltiple entrada y múltiple salida.
Sector de la técnica
La presente invención se refiere al método de generación y detección, así como el entramado óptimo de las secuencias piloto, que permiten la estimación de las características temporales y frecuenciales de sistemas de transmisión y recepción de información en canales de múltiple entrada y múltiple salida, cuyas siglas en inglés son MIMO (Multiple Input Multiple Output).
Estado de la técnica
En los últimos años el esfuerzo de innovación y estandarización en el entorno de las comunicaciones vía radio se ha focalizado en las técnicas MIMO, cuya capacidad del canal se incrementa conforme aumenta el número de antenas receptoras y transmisoras de una forma proporcional y limitada por el error de estimación [Yoo, T and Goldsmith, A., "Capacity of Fading MIMO Channels with Channel Estimation Error", IEEE Int. Conf on Communications (ICC), Paris, France, June, 2004.] de la matriz de la respuesta impulsiva del canal. La aplicación práctica de Conjuntos de Secuencias Complementarias (CSC) ha sido ya probado con éxito en entornos tales como: OFDM (Multiplexado por División en Frecuencias Ortogonales) para reducción de la Relación de Pico a valor Medio [B. Tarokh, "Construction of OFDM M-QAM Sequences with Low Peak-to-Average Power Ratio", IEEE Trans. On Communications, vol.51, no. 1, january 2003.], estimación de canal en MIMO [S. Wang and A. Abdi, "Aperiodic complementary sets of sequences-based MIMO frequency selective channel estimation", IEEE Commun. Lett., vol. 9, pp. 891-893, 2005.], reducción de interferencia de Acceso Multiusuario en entornos CDMA (Aceso Múltipe por División de Código) [H. Chen, J. Yeh and N Suehiro, "A multicarrier CDMA architecture based on orthogonal complementary codes for new generations of wideband wireless communications", IEEE Commun. Mag., vol. 39, no. 10, pp. 126-135, Oct. 2001.], reducción de interferencia multitrayecto en UWB (Banda Ultra-ancha) [D. Wu, P. Spasojevic and LSeskar, "Ternary Complementary Sets of Orthogonal Pulse Based UWB", Proceedings of the 37th Asilomar Conference on Signals, Systemes and Computers, Vol. 2, pp 1776-1780, November 2003] y DSSS (Espectro en sanchado por secuencia directa) [Halford, K, Halford, S., Webster, M, and Andren, C., "Complementary Code Keying for RAKE-based indoor Wireless Communication", Proceedings of the 1999 IEEE International Symposium on Circuits and Systems''.].
Un sistema MIMO proporciona una alta ganancia de capacidad a través de un incremento de la dimensión espacial. Sin embargo, la ganancia de capacidad se reduce si la información del canal no es perfecta. En [A. Lapidoth and S. Moser, "Capacity bounds via duality with applications to multiple-antenna systems on flat fading channels", IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 49, pp. 2426-2467, Oct. 2003.] se demuestra que en ausencia de información de canal la capacidad del MIMO sólo aumenta doble-logaritmicamente como función de del SNR, y que el incremento de la dimensión espacial no proporciona beneficio alguno. Bajo ciertas condiciones, el sistema MIMO puede lograr incrementos lineales de capacidad para valores prácticos de SNR siempre y cuando se obtenga una precisión razonable en la estimación del canal.
Según [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). Estos conjuntos de secuencias permiten obtener el mínimo posible de la varianza del error en la estimación descrito por el límite inferior de Cramer-Rao (CRLB):
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 KN.
Este método se puede aplicar a sistemas clásicos de comunicaciones [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.] y a sistemas MIMO [S. Wang and A. Abdi, "Aperiodic complementary sets of sequences-based MIMO frequency selective channel estimation", IEEE Commun. Lett., vol. 9, pp. 891-893, 2005.]. 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.].
La principal propiedad del CSC es:
Donde rxx 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
Otra propiedad interesante es que existen K conjuntos de secuencias que son mutuamente incorreladas (también llamadas "parejas" o conjuntos ortogonales):
Esto permite que K conjuntos se transmitan simultáneamente. En [S. Wang and A. Abdi, "Aperiodic complementary sets of sequences-based MIMO frequency selective channel estimation", IEEE Commun. Lett., vol. 9, pp. 891-893, 2005.] se explica como se puede realizar la estimación con dos conjuntos (K=2). Para sistemas MIMO con más de dos antenas transmisoras y receptoras esta solución no es óptima pues sólo permite transmitir 2 conjuntos simultáneamente y para transmitir más es necesario dejar huecos vacíos en las tramas, lo que causa una aumento de la longitud de las secuencias piloto y reduce el rendimiento.
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: 1427-1428.]. Estas estructuras son sólo válidas para K=2.
En las estructuras definidas en el párrafo anterior para realizar la correlación con un número de transmisores NT mayor que dos, y para que se consiga una perfecta separación entre los datos y los símbolos de entrenamiento, así como para evitar interferencias entre tramas, obliga a introducir insertar "silencios" en las tramas mediante la introducción de ceros. El número de ceros es igual a:
Siendo L la longitud de la respuesta del canal. La longitud en símbolos de las secuencias piloto o secuencias de entrenamiento de la trama requerido para la estimación del canal es igual a K(Z+N).
La invención propuesta reduce la longitud de los pilotos respecto al método anterior y propone una nueva arquitectura para generar y detectar/correlar CSCs con K
Tanto el método propuesto por [Popovic, B.M. "Efficient Golay correlator". Electronics Letters, Volume: 35, Issue: 17, 19 Aug. 1999 Pages: 1427-1428.], como el método propuesto por [S. Wang and A. Abdi, "Aperiodic complementary sets of sequences-based MIMO frequency selective channel estimation", IEEE Commun. Lett., vol. 9, pp. 891-893, 2005.] están patentados: [Popovic, Branislav, "Method and apparatus for efficient synchronization in sread spectrum communications" PCT/SE00/00433] y [Shuangquan Wang and Ali Adbi, "Systems and/or Method for Channel Estimation...
Reivindicaciones:
1. Un método para generar conjuntos de secuencias complementarias que comprende:
2. Un método para detectar o correlar conjuntos de secuencias complementarias que comprende:
3. Los métodos reivindicados en 1 y 2, en donde cada secuencia complementaria tiene una autocorrelación con lóbulos laterales mínimos y un lóbulo principal máximo para un retardo nulo de esa secuencia complementaria.
4. Los métodos reivindicados en 1 y 2 que comprende adicionalmente:
5. El método reivindicado en 1 en donde se generan todos los conjuntos de secuencias complementarias simultáneamente.
6. El método reivindicado en 2 en donde se correlan todos los conjuntos de secuencias complementarias simultáneamente.
7. El método reivindicado en 1 en donde se generan todos los conjuntos de secuencias complementarias de forma recursiva.
8. El método reivindicado en 2 en donde se correlan todos los conjuntos de secuencias complementarias de forma recursiva.
9. El método reivindicado en 1 en donde se generan todos los conjuntos de secuencias complementarias de forma iterativa.
10. El método reivindicado en 2 en donde se correlan todos los conjuntos de secuencias complementarias de forma iterativa.
11. Los métodos reivindicados en 1 y 2 en donde el transmisor es una estación base y el receptor un dispositivo móvil o fijo, y en donde las secuencias complementarias se utilizan como parte del entramado de los datos transmitidos desde la estación base al receptor y/o viceversa.
12. Los métodos reivindicados en 1 y 2 en donde el transmisor es un modem y el receptor otro modem, y en donde las secuencias complementarias se utilizan como parte del entramado de los datos transmitidos desde la estación base al receptor y/o viceversa.
13. Los métodos reivindicados en 1 y 2 en donde el transmisor es un sistema de sonar/radar y el receptor otro sistema sonar/radar, y en donde las secuencias complementarias se utilizan como la secuencia transmitida para detectar el objetivo y/o sus propiedades.
14. Los métodos reivindicados en 1 y 2 en donde el transmisor y el receptor son el mismo sistema de sonar/radar, y en donde las secuencias complementarias se utilizan como la secuencia transmitida para detectar el objetivo y/o sus propiedades.
15. Los métodos reivindicados en 1 y 2, en donde las secuencias transmitidas son secuencias complementarias, entendiendo por secuencias complementarias aquellas secuencias con correlación cuya suma de sus autocorrelaciones aperiódicas es cero para cualquier desplazamiento excepto para un desplazamiento nulo.
16. El método reivindicado en 13, en donde cada secuencia complementaria se genera concatenando un par de secuencias de menor tamaño.
17. Los métodos reivindicados en 11 y 12, en donde el resultado de la detección y/o correlación se utiliza como referencia temporal para sincronizar el sistema.
18. El método reivindicado en 1, en donde las secuencias transmitidas se generan siguiendo el siguiente algoritmo:
Donde i = 0,1,2,3, ..., 2N -1; n = 1,2, ..., N; Dn = KPn; K = 2p es el máximo número de conjuntos de secuencias complementarias ortogonales entre sí; {c1,n[i], c2,n[i], ..., cK,n[i]} son un conjunto de secuencias complementarias de longitud 2N; δ[i] es la función delta de Kronecker; i es un entero que representa la escala de tiempos; n es el número de iteración, Dn es un elemento de retardo, Pn, n = 1,2, ..., 2N, es cualquier permutación de los números {0,1,2, ..., N -1}; y {w1,n, w2,n, ..., wp,n} P vectores de coeficientes de longitud N donde cada Wx,y es un número complejo arbitrario de magnitud unidad.
19. El método reivindicado en 1, en donde las secuencias transmitidas se generan siguiendo el siguiente algoritmo:
Donde i = 0,1,2,3, ..., 2N -1; n = 1,2, ..., N; Dn = KPn; K = 2p es el máximo número de conjuntos de secuencias complementarias ortogonales entre sí; {c1,n[i], c2,n[i], ..., cK,n[i]} son un conjunto de secuencias complementarias de longitud 2N; δ[i] es la función delta de Kronecker; i es un entero que representa la escala de tiempos; n es el número de iteración, Dn es un elemento de retardo, Pn, n = 1,2, ..., 2N, es cualquier permutación de los números {0,1,2, ..., N -1}; y {w1,n, w2,n, ..., wp,n} P vectores de coeficientes de longitud N donde cada Wx,y es un número complejo arbitrario de magnitud unidad.
20. El método reivindicado en 2, en donde las secuencias se detectan y/o correlan siguiendo el siguiente algoritmo:
Donde i = 0,1,2,3, ..., 2N -1; n = 1,2, ..., N; Dn = KPn; K = 2p es el máximo número de conjuntos de secuencias complementarias ortogonales entre sí; {c1,n[i], c2,n[i], ..., cK,n[i]} son un conjunto de secuencias complementarias de longitud 2N; δ[i] es la función delta de Kronecker; i es un entero que representa la escala de tiempos; n es el número de iteración, Dn es un elemento de retardo, Pn, n = 1,2, ..., 2N, es cualquier permutación de los números {0,1,2, ..., N -1}; y {w1,n, w2,n, ..., wp,n} P vectores de coeficientes de longitud N donde cada Wx,y es un número complejo arbitrario de magnitud unidad.
21. El método reivindicado en 2, en donde las secuencias se detecta y/o correlan siguiendo el siguiente algoritmo:
Donde i = 0,1,2,3, ..., 2N -1; n = 1,2, ..., N; Dn = KPn; K = 2p es el máximo número de conjuntos de secuencias complementarias ortogonales entre sí; {c1,n[i], c2,n[i], ..., cK,n[i]} son un conjunto de secuencias complementarias de longitud 2N; δ[i] es la función delta de Kronecker; i es un entero que representa la escala de tiempos; n es el número de iteración, Dn es un elemento de retardo, Pn, n = 1,2, ..., 2N, es cualquier permutación de los números {0,1,2, ..., N -1}; y {w1,n, w2,n, ..., wp,n} P vectores de coeficientes de longitud N donde cada Wx,y es un número complejo arbitrario de magnitud unidad.
22. Los métodos reivindicados en 18, 19, 20 y 21, en donde {w1,n, w2,n, ..., wp,n} toma solamente los valores +1 y -1 para facilitar la implementación del algoritmo utilizando solamente sumas y restas.
23. Los método reivindicados en 12,13,14 y 15, en donde en el que las secuencias complementarias están generadas previamente y almacenadas en una memoria y se transmiten según se van leyendo de dicha memoria.
24. Los métodos reivindicados en 1 y 2 donde los conjuntos de secuencias complementarios sean ortogonales entre sí, es decir que las coma de las correlaciones cruzadas sea nula para cualquier desplazamiento.
25. Los métodos reivindicados en 1 y 2, en donde el proceso de correlación se implementa eficientemente para reducir el número de pasos o bloques necesarios para obtener la correlación o la generación.
26. Los métodos reivindicados en 1 y 2, en donde el proceso de correlación se implementa eficientemente para reducir la cantidad de memoria necesarios para obtener la correlación o la generación.
27. Los métodos reivindicados en 1 y 2, en donde se utilice cualquier tipo de modulación para transmitir y recibir las secuencias complementarias.
28. Los métodos reivindicados en 1 y 2, en donde se utilice la cualquier transformada para transformar las secuencias complementarias del plano temporal al plano frecuencial.
29. Los métodos reivindicados en 11, 13 y 14 donde se utilicen varias antenas que conformen un sistema de múltiple entrada - múltiple salida.
30. El método reivindicado en 29, en donde se utilice la detección para estimar la respuesta del canal, permitiendo una ecualización eficiente y disminuir al máximo la mezcla de las señales radio de las distintas trayectorias.
31. El método reivindicado en 12, donde se utilicen varios cables para transmitir y recibir datos.
32. El método reivindicado en 31, en donde se utilice la detección para estimar la respuesta del canal, permitiendo una ecualización eficiente y disminuir al máximo la diafonía.
33. Los métodos reivindicados en 1 y 2, en donde el escalado dinámico de la estructura para valores 2
34. Un método para conformar un preámbulo que servirá para estimar el medio de transmisión basado en la transmisión simultánea de K conjuntos de secuencias complementarias en sistemas de K entradas y K salidas.
35. El método reivindicado en 34 en donde, en cada entrada se trasmite de forma simultánea un conjunto de secuencias complementarias separadas de forma secuencial y ortogonal a los conjuntos de secuencias complementarias transmitidos en el resto de entradas y respetando el mismo orden de secuencias en cada una de las entradas.
36. El método reivindicado en 35, en donde se introduzcan separaciones entre cada una de las secuencias y/o entre las secuencias y el resto de datos del mensaje transmitido.
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