Codificación de superposición controlada en sistemas de comunicación de múltiples usuarios.

Procedimiento de comunicaciones (1700) para su uso en un sistema de comunicaciones (300) que incluye unaestación base (306,

308; 400) y una pluralidad de terminales inalámbricos (310, 312, 318, 320; 500), un canal decomunicaciones (314, 316, 322, 324) que existe entre cada terminal inalámbrico en dicha pluralidad de terminalesinalámbricos y dicha estación base, existiendo el canal de comunicaciones entre cada terminal inalámbrico particulary teniendo la estación base una calidad que es la calidad del canal para el terminal inalámbrico particular,

comprendiendo el procedimiento:

operar la estación base para:

i) mantener (1708) un conjunto de información de la condición del canal que indica la calidad delcanal de cada uno de dicha pluralidad de terminales inalámbricos;

ii) examinar (1710) el conjunto de información de la condición del canal para identificar terminalesinalámbricos que tienen las condiciones de canal que difieren entre sí en al menos una cantidadmínima preseleccionada, y

iii) asignar (1714) un segmento de canal de comunicaciones que se utiliza para comunicar señalessuperpuestas que corresponden a por lo menos dos terminales inalámbricos diferentesidentificados como que tienen las condiciones del canal que difieren en por lo menos dichacantidad mínima preseleccionada.

Codificación de superposición controlada en sistemas de comunicación de múltiples usuarios Campo de la invención La presente invención está dirigida a procedimientos mejorados de codificación y transmisión en un sistema de comunicaciones inalámbricas, y más específicamente a procedimientos mejorados utilizando codificación de superposición controlada adecuado para su uso en, por ejemplo, un sistema de comunicaciones de múltiples usuarios.

Antecedentes Se describe la codificación de superposición en los sistemas de comunicaciones. Los sistemas de comunicaciones de múltiples usuarios comprenden varios transmisores y receptores que se comunican entre sí y pueden utilizar uno o más procedimientos de comunicación. En general, procedimientos de comunicación de usuarios múltiples pueden clasificarse en una de estas dos situaciones:

(a) Un único transmisor que comunica con varios receptores, comúnmente referido como un procedimiento de comunicaciones de difusión, y

(b) varios transmisores que comunican a un receptor común, que es comúnmente referido como un

procedimiento de comunicaciones de acceso múltiple.

El procedimiento de comunicaciones de difusión se conoce comúnmente en las comunicaciones y la literatura de la teoría de la información como el “canal de difusión”. El “canal de difusión” se refiere a cada uno de los canales físicos de comunicación entre el transmisor y los receptores múltiples, así como los recursos de comunicación utilizados por el transmisor para comunicarse. Del mismo modo, el procedimiento de comunicaciones de acceso múltiple es ampliamente conocido como el “canal de acceso múltiple”. El “canal de acceso múltiple” se refiere a los canales físicos de comunicación entre los múltiples transmisores y el receptor común, junto con los recursos de comunicación utilizados por los transmisores. El procedimiento de comunicaciones de difusión se utiliza con frecuencia para implementar el canal de comunicación de enlace descendente en un sistema inalámbrico celular típico, mientras que el canal de enlace ascendente en dicho sistema se implementa habitualmente usando el procedimiento de comunicaciones de acceso múltiple.

El recurso de transmisión en un sistema de comunicación multi-usuario generalmente se puede representar en el tiempo, la frecuencia o el espacio de código. La teoría de la información sugiere que la capacidad del sistema puede incrementarse sobre otras técnicas de comunicación, tanto en el escenario de emisión, como en el escenario de acceso múltiple. En particular, mediante la transmisión a varios receptores simultáneamente en el caso del procedimiento de comunicaciones de difusión, o permitiendo que múltiples transmisores transmitan simultáneamente en el caso del procedimiento de comunicaciones de acceso múltiple, sobre el mismo recurso de transmisión, la capacidad del sistema se puede aumentar sobre las técnicas de comunicación. En el caso del procedimiento de comunicaciones de difusión, la técnica utilizada para transmitir simultáneamente a varios usuarios sobre el mismo recurso de transmisión también se conoce como “codificación de superposición”.

Las ventajas de la codificación de superposición serán evidentes a la vista de la siguiente discusión de las técnicas de transmisión para el procedimiento de comunicaciones de difusión. Considerando un único transmisor que comunica con dos receptores, cuyos canales se pueden describir por los niveles ambientales de ruido gaussiano de N1 y N2, Con N1 < N2, es decir, el primer receptor opera sobre un canal más fuerte que el segundo receptor. Suponiendo que los recursos de comunicación disponibles para el transmisor son de un ancho de banda total de W, y una potencia total de P. El transmisor puede emplear varias estrategias para comunicarse con los receptores. La Figura 1 es un gráfico 100 que traza las tasas que se pueden conseguir en un canal de difusión para un primero y segundo usuarios de tres estrategias de transmisión diferentes. El eje vertical 102 representa la tasa para el receptor más fuerte, mientras que el eje horizontal 104 representa la tasa para el receptor más débil. La línea 106 muestra las tasas alcanzables para una estrategia de multiplexación por división de tiempo (TDM) . La línea 108 muestra las tasas alcanzables para una estrategia de multiplexación por división de frecuencia (FDM) . La línea 110 muestra las tasas de capacidad máxima alcanzable.

En primer lugar, examinando la estrategia donde el transmisor multiplexa entre los dos receptores en el tiempo, asignando todos sus recursos a un receptor a la vez. Si la fracción de tiempo empleado en la comunicación con el primer receptor (más fuerte) se denota por a, se puede demostrar que las tasas alcanzables para los dos usuarios satisfacen las ecuaciones siguientes.

Como la fracción de tiempo que sirve al primer usuario, a, varía, las tasas alcanzadas por las ecuaciones anteriores se representan con la línea continua recta 106 correspondiente a 'TDM' como se muestra en la figura 1.

Considerando ahora una estrategia de transmisión diferente en la cual el transmisor asigna una cierta fracción de la anchura de banda, º, y una fracción de la potencia disponible, y, al primer usuario. El segundo usuario recibe las fracciones restantes de ancho de banda y potencia. Habiendo asignado estas fracciones, el transmisor se comunica con los dos receptores simultáneamente. En virtud de esta estrategia de transmisión, la tasa de región se puede caracterizar por las siguientes ecuaciones.

Las tasas alcanzadas por las ecuaciones anteriores se visualizan intuitivamente a partir de la línea curva convexa de trazos 108 correspondiente a 'FDM' como se muestra en la figura 1. Es evidente que la estrategia de dividir la potencia disponible y el ancho de banda entre los dos usuarios de una manera apropiada, supera a la partición de división de tiempo de los recursos. Sin embargo, la segunda estrategia, todavía no es la óptima.

El supremo de las regiones de tasa alcanzable en todas las estrategias de transmisión es la región de capacidad de difusión. Para el caso de Gauss, esta región se caracteriza por las ecuaciones y se indica por la línea curva de guión/punto 110 correspondiente a “CAPACIDAD” como se muestra en la figura 1.

Se ha demostrado por Thomas Cover en T.M. Cover, Canales de Difusión, IEEE Transactions on Information Theor y , IT-18 (1) : 2 14, 1972, una técnica de comunicación llamada codificación de superposición que podría alcanzar esta región de capacidad. En esta técnica, las señales a los diferentes usuarios se transmiten con diferentes potencias en el mismo recurso de transmisión y superpuestas una sobre otra. Los beneficios alcanzables a través de la codificación de superposición superan cualquier técnica de comunicación que requiera dividir el recurso de transmisión entre los diferentes usuarios.

El concepto básico de la codificación de superposición se ilustra en la figura 2. La figura 2 es un gráfico 200 que ilustra una señal QPSK de alta potencia y una señal QPSK de baja potencia superpuesta sobre la señal QPSK de alta potencia. El eje vertical 202 representa la fuerza de la señal del componente Q, mientras que el eje horizontal 204 representa la fuerza de la señal del componente P. Mientras que el ejemplo de la figura 2 asume la modulación QPSK, la selección de conjuntos de modulación no es restrictiva y, en general, otros conjuntos de modulación pueden ser utilizados como alternativa. Además, el ejemplo de la figura 2 se esboza para un caso de ejemplo de dos usuarios, mientras que el concepto puede aplicarse de forma generalizada en una manera directa a varios usuarios. Suponiendo que el transmisor cuenta con un presupuesto total de potencia de transmisión P. Suponiendo que el primer receptor, denominado “receptor más débil”, ve el ruido del canal más grande y el segundo receptor, denominado “receptor más fuerte”, ve el ruido de canal más pequeño. Cuatro círculos 206, rellenados con un patrón, representan los puntos de constelación QPSK a transmitir a alta potencia (mejor protegido) , (1 -a) P, al receptor más débil. Mientras tanto, la información adicional se transmite al receptor más fuerte a baja potencia (menos protegido) , aP, también utilizando una constelación QPSK. En la figura 2, flecha 208 de magnitud - ( (1-a) P) proporciona una indicación de la potencia de transmisión alta, mientras que la flecha 210 - (aP) proporciona una indicación de la potencia de transmisión baja. Los símbolos realmente transmitidos, que combinan tanto señales de alta potencia y de baja potencia, se... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de comunicaciones (1700) para su uso en un sistema de comunicaciones (300) que incluye una estación base (306, 308; 400) y una pluralidad de terminales inalámbricos (310, 312, 318, 320; 500) , un canal de comunicaciones (314, 316, 322, 324) que existe entre cada terminal inalámbrico en dicha pluralidad de terminales inalámbricos y dicha estación base, existiendo el canal de comunicaciones entre cada terminal inalámbrico particular y teniendo la estación base una calidad que es la calidad del canal para el terminal inalámbrico particular, comprendiendo el procedimiento:

operar la estación base para:

i) mantener (1708) un conjunto de información de la condición del canal que indica la calidad del canal de cada uno de dicha pluralidad de terminales inalámbricos; ii) examinar (1710) el conjunto de información de la condición del canal para identificar terminales inalámbricos que tienen las condiciones de canal que difieren entre sí en al menos una cantidad mínima preseleccionada, y iii) asignar (1714) un segmento de canal de comunicaciones que se utiliza para comunicar señales superpuestas que corresponden a por lo menos dos terminales inalámbricos diferentes identificados como que tienen las condiciones del canal que difieren en por lo menos dicha cantidad mínima preseleccionada.

2. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 1,

en el que el conjunto mantenido de información de la condición del canal incluye información de la relación de señal del canal y el ruido; en el que dicho al menos dos terminales inalámbricos diferentes incluyen un primer y un segundo terminal inalámbrico; y en el que la cantidad preseleccionada mínima en la que las condiciones del canal del primer y segundo terminales inalámbricos difieren es de 3 dB.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, que también comprende:

operar la estación base para repetir dichas etapas de mantenimiento, examen y asignación.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, que también comprende:

operar la estación base para repetir dichas etapas de mantenimiento y examen; y en el que cuando dicha etapa de examen no identifica al menos dos terminales inalámbricos que tienen condiciones del canal que se diferencian por la cantidad mínima preseleccionada que tienen señales que se transmiten en un segmento de canal de comunicaciones que está disponible para ser asignado, se opera dicha estación base para:

asignar el segmento del canal de comunicaciones disponible a uno solo de dicha pluralidad de terminales inalámbricos.

5. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 1,

en el que dicho al menos dos terminales inalámbricos diferentes incluyen un primer terminal móvil y un segundo terminal inalámbrico; en el que dicho segmento de canal de comunicaciones asignado es un segmento de un canal de enlace descendente; en el que el primer terminal inalámbrico tiene una mejor calidad del canal que dicho segundo terminal inalámbrico, comprendiendo también el procedimiento:

operar la estación base para transmitir una primera señal superpuesta al primer y segundo terminales inalámbricos en dicho segmento del canal de comunicación asignado, incluyendo dicha primera señal superpuesta una porción de señal de baja potencia destinada a dicho primer terminal inalámbrico y una porción de señal de alta potencia destinado a dicho segundo terminal inalámbrico, transmitiéndose la porción de la señal de potencia más baja mediante dicha estación base con una energía más baja que dicha porción de señal de alta potencia o que tiene menos protección de codificación que dicha porción de señal de alta potencia.

6. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 5, en el que dicho segmento de canal de comunicaciones asignado es un segmento de un canal de asignación utilizado para comunicar las asignaciones de segmento de canal de comunicaciones a los terminales inalámbricos.

7. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 6, que también comprende:

operar dicha estación base para:

recibir una segunda señal superpuesta desde dichos primer y segundo terminales inalámbricos, incluyendo dicha segunda señal superpuesta recibida una primera y segunda porciones de señal transmitidas por dichos primer y segundo terminales inalámbricos, respectivamente, recibiéndose dicha primera porción de señal recibida mediante dicha estación base a un nivel de potencia mayor que dicha segunda porción de señal.

8. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 7, que también comprende:

operar dicha estación base para:

decodificar dicha primera porción de señal; restar dicha primera porción de señal de dicha segunda señal superpuesta, y decodificar dicha segunda porción de señal.

9. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 7, que también comprende:

operar el primer terminal inalámbrico para determinar cuál de una pluralidad de niveles de potencia de objetivo recibida para usar en la determinación de la potencia de transmisión a utilizar para transmitir dicha primera porción de señal desde dicha primera señal superpuesta transmitida a dichos primer y segundo terminales inalámbricos en dicho segmento de un canal de asignación.

10. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 9, en el que la operación del primer terminal inalámbrico para determinar cuál de una pluralidad de niveles de potencia de objetivo recibida para usar incluye:

determinar si la porción de la primera señal superpuesta utilizada para comunicar información de asignación de canal de enlace ascendente al primer terminal inalámbrico se transmite como una porción de señal de baja potencia o una porción de señal de alta potencia.

11. Estación base (400) para su uso en un sistema de comunicaciones (300) que incluye una pluralidad de terminales inalámbricos (310, 312, 318, 320, 500) , un canal de comunicaciones (314, 316, 322, 324) que existe entre cada terminal inalámbrico en dicha pluralidad de terminales inalámbricos y dicha estación base, existiendo el canal de comunicaciones entre cada terminal inalámbrico particular y la estación base que tiene una calidad que es la calidad del canal para los terminales inalámbricos particulares, comprendiendo la estación base:

medios para mantener un conjunto de información de la condición del canal que indica la calidad del canal de cada uno de dicha pluralidad de terminales inalámbricos; medios para examinar el conjunto de información de la condición del canal para identificar terminales inalámbricos que tienen condiciones de canal que difieren entre sí en una cantidad mínima preseleccionada, y medios para asignar un segmento de canal de comunicaciones que se utiliza para comunicar señales superpuestas que corresponden a por lo menos dos terminales inalámbricos diferentes identificados como que tienen condiciones del canal que se diferencian en por lo menos dicha cantidad mínima preseleccionada.

12. Estación base según la reivindicación 11,

en el que dicho al menos dos terminales inalámbricos diferentes incluyen un primer y un segundo terminal inalámbrico; en el que el conjunto mantenido de información de la condición del canal incluye información de la relación de la señal del canal y el ruido; y en el que la mínimo cantidad preseleccionada en la que las condiciones del canal de un primer y segundo terminales inalámbricos que difieren es 3 dB.

13. Estación base según la reivindicación 11, que también comprende:

medios para asignar un segmento de canal de comunicaciones disponible a uno solo de dicha pluralidad de terminales inalámbricos cuando dichos medios de examen no identifican al menos dos terminales inalámbricos que tienen condiciones del canal que se diferencian en la cantidad mínima preseleccionada, que tienen señales que se transmiten en el segmento del canal de comunicaciones que está disponible para ser asignado.

14. Estación base según la reivindicación 13, que también comprende:

un receptor para recibir una señal superpuesta desde dichos primer y segundo terminales inalámbricos, incluyendo dicha señal recibida superpuesta primera y segunda porciones de señal transmitidas por dichos primer y segundo terminales inalámbricos, respectivamente, recibiéndose dicha primera porción de señal por dicha estación base a un nivel de potencia mayor que dicha segunda porción de señal, teniendo dicho primer terminal inalámbrico una condición de canal mejor que dicho segundo terminal inalámbrico.

15. Estación base según la reivindicación 14, que también comprende:

un decodificador de superposición para decodificar dichas primera y segunda porciones de señal de la señal recibida superpuesta.

16. Estación base según la reivindicación 15, en la que dicho decodificador de superposición incluye:

un dispositivo decodificador para decodificar dicha primera porción de señal; un restador para restar dicha primera porción de señal de dicha señal superpuesta para producir dicha segunda porción de señal, y un segundo dispositivo decodificador para decodificar dicha segunda porción de señal.

17. Procedimiento de comunicaciones para su uso en un sistema de comunicaciones (300) que incluye una estación base (306, 308; 400) y una pluralidad de terminales inalámbricos (310, 312, 318, 500) , existiendo un canal de comunicaciones (314, 316, 322, 324) entre cada terminal inalámbrico en dicha pluralidad de terminales inalámbricos y dicha estación base, existiendo el canal de comunicaciones entre cada terminal inalámbrico particular y teniendo la estación base una calidad que es la calidad del canal para el terminal inalámbrico particular, comprendiendo el procedimiento:

operar un primer terminal inalámbrico que tiene una primera calidad del canal para transmitir una primera porción de una señal de comunicaciones superpuesta a dicha estación base; operar un segundo terminal inalámbrico que tiene una segunda calidad del canal para transmitir una segunda porción de dicha señal de comunicaciones superpuesta a dicha estación base, siendo la primera y segunda calidades de los canales diferentes por lo menos en una cantidad preseleccionada, combinándose dichas primera y segunda porciones de la señal en el aire durante la transmisión a la estación base para formar dicha señal de comunicación superpuesta; y operar el primer y segundo terminales inalámbricos para recibir, antes de la transmisión de dicha primera y segunda porciones de señal superpuestas, una señal de asignación superpuesta que incluye una porción de señal de baja potencia destinada a dicho primer terminal inalámbrico y una porción de señal de alta potencia destinada a dicho segundo terminal inalámbrico, transmitiéndose la porción de la señal de potencia más baja mediante dicha estación base con una energía más baja que dicha porción de la señal de alta potencia, teniendo dicho primer terminal inalámbrico una calidad de canal mejor que dicho segundo terminal inalámbrico, siendo utilizable dicha señal de asignación superpuesta por la estación base para asignar un segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente.

18. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 17,

en el que la cantidad preseleccionada por la cual la calidad del canal del primer y segundo terminales inalámbricos difieren es de 3 dB.

19. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 17, en el que la primera y la segunda porciones de la señal transmitida por dichos primero y segundo terminales inalámbricos, respectivamente, se transmiten con niveles de potencia que causan que dicha primera porción de la señal sea recibida por dicha estación base en un nivel de potencia mayor que dicha segunda porción de señal.

20. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 19, que también comprende:

operar el primer terminal inalámbrico para determinar cuál de una pluralidad de niveles de potencia de objetivo recibidos se usa en la determinación de la potencia de transmisión que se utiliza para transmitir dicha primera porción señal de dicha señal de asignación superpuesta.

21. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 20, en el que la operación del primer terminal inalámbrico para determinar cuál de una pluralidad de niveles de potencia de objetivo recibidos se usa incluye:

determinar si la porción de la señal superpuesta utilizada para comunicar información de asignación de canal de enlace ascendente al primer terminal inalámbrico se transmite como una porción de señal de baja potencia o una porción de señal de alta potencia.

22. Terminal inalámbrico (310, 312, 318, 320, 500) que incluye:

un receptor (502) para recibir una señal de asignación superpuesta utilizada para comunicar información de asignación de canal de enlace ascendente al terminal inalámbrico que incluye una primera porción de señal y una segunda porción de la señal de dichas porciones de señal destinadas a dicho terminal inalámbrico entre sí de dichas porciones de señal que están destinadas a otro terminal inalámbrico, recibiéndose la primera porción de la señal a un nivel de potencia inferior a dicha segunda porción de la señal sobre un primer canal que tiene mejor calidad que un segundo canal utilizado por el otro terminal inalámbrico en al menos una cantidad preseleccionada;

un descodificador de superposición para descodificar dichas primera y segunda porciones de la señal; medios para determinar a partir de la información que incluye una de dichas primera y segunda porciones de la señal, cuya porción que se destina para dicho terminal inalámbrico, en el que dichos medios para determinar están también adaptados para determinar si una porción de la señal de asignación superpuesta recibida se transmite como una porción de señal de baja potencia o una porción de señal de alta potencia, y un transmisor (504) para transmitir señales en segmentos de canal de comunicaciones de enlace ascendente para que corresponde la señal de asignación superpuesta recibida destinada a dichos terminales inalámbricos.

23. Terminal inalámbrico según la reivindicación 22, que también comprende:

medios para almacenar la información de nivel de potencia de objetivo recibida para una pluralidad de diferentes niveles de potencia de objetivo recibidos;

medios para determinar cuál de la pluralidad de niveles de potencia de objetivo recibidos se usa cuando se transmite una señal en un segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente particular basado en la señal de asignación recibida superpuesta correspondiente al segmento del canal de comunicaciones de enlace ascendente particular.

24. Procedimiento de comunicaciones según la reivindicación 1, comprendiendo también el procedimiento:

operar la estación base para:

seleccionar en base al conjunto de información de la condición del canal, un primer terminal inalámbrico y un segundo terminal inalámbrico para compartir un segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente, teniendo el primer y segundo terminales inalámbricos diferentes calidades de canal de comunicaciones de terminales inalámbricos; asignar dicho 20 segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente que se utilizará simultáneamente mediante dicho primer terminal inalámbrico y dicho segundo terminal inalámbrico; transmitir al primer y segundo terminales inalámbricos la información seleccionada que indica el segmento del canal de comunicaciones asignado y cuyo uno del primer y segundo terminales inalámbricos deben transmitir señales que serán recibidas por dicha estación base en un nivel de potencia más alto; recibir una señal compuesta a partir de dicho segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente, incluyendo dicha señal compuesta una primera señal transmitida por dicho primer terminal inalámbrico y una segunda señal transmitida por dicho segundo terminal inalámbrico, y realizar una operación de decodificación de superposición de la señal compuesta recibida para decodificar la primera y segunda señales incluidas en dicha señal compuesta.

25. Procedimiento según la reivindicación 24, en el que el uno del primer y segundo terminales inalámbricos tiene las mejores condiciones del canal que se reciben en la estación base en el nivel de potencia más alto, comprendiendo también el procedimiento:

operar el primer terminal inalámbrico para transmitir a la estación base en el segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente asignado una primera porción de señal; y operar el segundo terminal inalámbrico para transmitir a la estación base en el segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente asignado una segunda porción de señal, superponiendo la primera y segunda porciones de señal superpuestas durante la transmisión a dicha estación base.

26. Procedimiento según la reivindicación 25, en el que el primer terminal inalámbrico transmite la primera porción de señal utilizando menos potencia que la potencia utilizada por dicho segundo terminal inalámbrico para transmitir dicha segunda porción de la señal, pero la primero porción de la señal es recibida por dicha estación base con un nivel de potencia que es mayor que el nivel de potencia de la segunda porción de señal la recibida por dicha estación base.

27. Procedimiento según la reivindicación 26,

en el que el primer terminal inalámbrico tiene una mejor calidad del canal que dicho segundo terminal inalámbrico, y en el que la operación de la estación base a transmitir también comprende:

operar la estación base para transmitir una señal superpuesta al primer y segundo terminales inalámbricos, correspondiente dicha señal superpuesta a la información que indica dicho segmento de canal de comunicaciones de enlace ascendente, incluyendo dicha señal superpuesta una porción de señal de baja 50 potencia destinada a dicho primer terminal inalámbrico y una porción de alta potencia de la señal destinada a dicho segundo terminal inalámbrico, transmitiéndose la porción de potencia de la señal más baja mediante dicha estación base con una potencia menor que dicha porción de señal de alta potencia.