Método para optimizar la asignación o distribución de potencia de un transmisor en un sistema de comunicación.

Método para optimizar la distribución de potencia de un transmisor en un sistema de comunicación.

El método, realiza dicha optimización para la obtención de diferentes objetivos en n canales paralelos idénticamente distribuidos de dicho sistema de comunicación. Para ello, calcula una constante indicativa del número de canales activos para un modo de transmisión; construye una tabla de consulta para el objetivo a obtener y en función de dicho modo de transmisión, en donde dicha tabla de consulta se construye en base a la estadística del canal y en base a la aplicación de una función estadística de orden; estima, la ganancia de cada canal, el margen de capacidad dependiente de la probabilidad de error en bit deseada y la modulación utilizada y la ganancia media; y obtiene una potencia a distribuir a partir de dicha ganancia media estimada, del número de canales y de una constante de costes.

Método para optimizar la asignación o distribución de potencia de un transmisor en un

sistema de comunicación

Sector de la técnica

La presente invención concierne en general al campo de las comunicaciones, y en particular, a un método para optimizar la asignación o distribución de potencia de un transmisor en un sistema de comunicación.

Antecedentes de la invención

En sistemas de comunicación, inalámbricos o por cable, que pueden descomponerse en múltiples canales paralelos es necesario realizar apropiadamente una asignación o distribución de los niveles de potencia transmitida en cada canal de modo que se aumente la eficiencia del sistema, ya que por ejemplo, más del 50% de la energía total consumida en una red inalámbrica se consume en la parte de acceso radio. El 50%-80% de dicha potencia se consume en la amplificación de potencia (PA). Asimismo, el constante crecimiento de aplicaciones de alta velocidad de datos en redes inalámbricas está motivando la aparición de nuevas metodologías y/o sistemas para llevar a cabo, por ejemplo, una maximización de la eficiencia energética en estos tipos de sistemas de comunicación multicanal.

Por otro lado, en dichos sistemas de comunicación multicanal, cuando se considera un modelo de canales paralelos resulta de gran complejidad realizar una optimización de dicha eficiencia energética. Ello es debido a que en sistemas donde el número de canales paralelos es elevado las soluciones iterativas resultan poco viables. Además, si el canal es variante en el tiempo, la asignación o distribución de la potencia óptima de cada canal va variando. Ello obliga a recalcular la potencia óptima asignada a cada canal en función cada cierto tiempo.

Una estrategia de asignación de potencia que maximice la eficiencia energética en sistemas multicanal con canales paralelos se define en los documentos EP1838011 (Bl) y US7782829 (B2). El documento EP1838011 (Bl) plantea un sistema y un método de comunicación para control de potencia adaptativo de un enlace. Sin embargo, el citado documento solamente está orientado a la selección de la configuración de un sistema de Múltiples Entradas y Múltiples Salidas (MIMO) y no a un sistema multicanal genérico. Por otro lado, el documento US7782829 (B2) propone una metodología de asignación de

recursos de enlace y adaptación energética eficiente para sistemas OFDMA. Sin embargo en dicha patente US7782829 (B2) no se propone ninguna metodología de baja complejidad para calcular la velocidad de transmisión óptima en cada canal. No se determina, por tanto, la planificación óptima ni se determina la velocidad y potencia de transmisión de los diferentes canales del sistema OFDMA a partir de la definición de un problema de optimización. No se definen objetivos concretos de optimización ni se consideran diferentes modos de transmisión ni se utilizan técnicas "ordered statistics".

Una Función estadística de orden u "ordered statistics" es una aplicación matemática que estudia las propiedades de sucesiones de variables aleatorias ordenadas. La ventaja principal es que un problema de n variables aleatorias se puede formular como una función de sus propiedades estadísticas, en lugar de en las características específicas de su realización. Esto permite precalcular la solución óptima en base a la estadística del canal, evitando el uso de algoritmos iterativos más costosos computacionalmente

La utilización de este tipo de funciones ha ganado especial interés en el campo de las comunicaciones inalámbricas. Recientemente, algunos documentos previos utilizan este tipo de funciones estadísticas, por ejemplo el documento de Dardari, D. "Ordered Subcarrier Selection Algorithm for OFDM-Based High-Speed WLANs" que aplica un modo de transmisión para igual potencia y velocidad de transmisión en todos los canales o CPR (igual que la presente invención) para un objetivo de máxima velocidad de transmisión. No obstante, dicha estrategia no puede ser utilizada para otras estadísticas del canal así como tampoco para otros objetivos, por ejemplo para mínima potencia de transmisión total o incluso para mínima energía total consumida por bit transmitido.

Finalmente, el documento de Xiang Fie et. al. "Ordered Statistics based rate allocation scheme for Closed Loop MIMO-OFDM system" aplica solamente "ordered statistics" sobre los coeficientes MIMO (distribución Lagendere) y no considera cualquier distribución ni aplica el concepto a cada portadora OFDM.

Descripción de la invención

De lo anteriormente expuesto se desprende que es necesaria una alternativa al estado de la técnica para resolver los problemas de asignación o distribución de potencia en sistemas multicanal de manera sencilla y al mismo tiempo para múltiples objetivos y/o modos de transmisión.

La presente invención proporciona una solución que utilizando la herramienta matemática "ordered statistics", mediante un sistema informático y conforme a una estrategia predeterminada, permite la obtención de una solución sub-óptima al problema de asignación o distribución de potencia de un transmisor en sistemas multicanal constantes en el tiempo (o problema de water-f¡IIing) y siendo independiente del número de canales.

Para ello la presente invención concierne a un método para optimizar la asignación o distribución de potencia, de forma óptima, de un transmisor en un sistema de comunicación, en donde dicho sistema de comunicación puede descomponerse en n canales paralelos idénticamente distribuidos. De manera característica, y al contrario de las soluciones conocidas en el estado de la técnica, el citado método realiza dicha optimización imponiendo como criterio la obtención de al menos un objetivo de máxima eficiencia energética por bit transmitido o ME en dichos canales n realizando para ello, utilizando el citado sistema informático, las siguientes etapas:

a) calcular una constante z' indicativa del número de canales activos para un modo de transmisión en dichos canales n;

b) construir una tabla de consulta para dicho objetivo a obtener, que es al menos uno, y en función de dicho modo de transmisión, en donde dicha tabla de consulta se construye en base a la estadística F del canal normalizada tal que la media es igual a 1 y en base a la aplicación de una función estadística de orden u "ordered statistics", es decir, tan sólo se tiene en cuenta la estadística F de los canales y no la realización de los canales;

c) estimar la ganancia de cada canal normalizada a la densidad espectral de ruido N0 , el margen de capacidad r(Pb) dependiente de la probabilidad de error en bit Pfc deseada

y la modulación utilizada, y la ganancia media Y =^lf=iYi i y

d) obtener una potencia a asignar a cada canal x¡ a partir de: dicha ganancia media estimada y, del número de canales n y de una constante de costes c, en donde dicha constante de costes c representa los costes de transmisión independientes de la potencia o velocidad de transmisión, por ejemplo la potencia de los circuitos que se utilizan para procesar una señal en dicho sistema de comunicación u otros circuitos o costes auxiliares. A través del acceso a la tabla de consulta construida en la etapa b), y aplicando un valor máximo de restricción de potencia Pmax y una restricción de velocidad mínima total de transmisión Rmin se obtiene la distribución de potencia x¡ a partir de:

í¡ (f-KI-z') vi) '*

l..n

El citado sistema de comunicación puede ser cualquier sistema de comunicación tanto por cable, utilizando por ejemplo una tecnología xDSL, como inalámbrica, tal como un sistema de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM), un sistema multiplexación por división de código (CDMA), un sistema de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), un sistema múltiple por división de tiempo (TDMA), un sistema de acceso múltiple por división de espacio (SDMA) o un sistema para un canal de múltiples entradas y múltiples salidas o MIMO, entre otros.

En una implementación preferida, el método realiza las citadas etapas a) y b) mediante una metodología "offline" y dichas etapas c) y d) mediante una metodología "online" impuesta mientras la ganancia de cada canal va variando durante el tiempo.

La estimación de la ganancia puede realizarse mediante la utilización de cualquier método conocido de estimación y/o cuantificación de la ganancia. Cuanto más preciso sea más cerca del valor óptimo estará la solución final.

El citado modo de transmisión, en una realización, es un modo donde la potencia de transmisión y la velocidad de transmisión son dadas por una técnica de Water-Filling o modo de transmisión WF, estando adaptadas...

1. Método para optimizar la distribución de potencia de un transmisor en un sistema de comunicación, en donde dicho sistema de comunicación puede descomponerse en canales n paralelos idénticamente distribuidos, caracterizado porque comprende realizar dicha optimización utilizando un sistema informático para la obtención de al menos un objetivo de máxima eficiencia energética por bit transmitido o ME en dichos canales n realizando las siguientes etapas:

a) calcular una constante z' indicativa del número de canales activos para un modo de transmisión en dichos canales n;

b) construir una tabla de consulta para dicho objetivo a obtener, que es al menos uno, y en función de dicho modo de transmisión, en donde dicha tabla de consulta se construye en base a la estadística del canal F normalizada tal que la media es 1 y en base a la aplicación de una función estadística de orden u "ordered statistics";

c) estimar la ganancia de cada canal Yi normalizada a la densidad espectral de ruido

N0 , el margen de capacidad r(Pi)) dependiente de la probabilidad de error en bit

d) obtener una potencia a distribuir x(* a partir de: dicha ganancia media estimada y, del número de canales n y de una constante de costes c, en donde dicha constante de costes c representa los costes de transmisión independientes de la potencia o velocidad mediante un acceso a dicha tabla de consulta construida y aplicando un valor máximo de restricción de energía Pmax y una restricción de velocidad mínima total de transmisión Rmin a partir de:

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende realizar dichas etapas a) y b) mediante una metodología "offline" y dichas etapas c) y d) mediante una metodología "online" aplicada mientras la ganancia de cada canal va variando entre los citados n canales.

Vb deseada y la modulación utilizada, y la ganancia media y = -£f=1 Yi ; y

3. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho modo de transmisión es un modo donde la potencia de transmisión y la velocidad de transmisión son dadas por Water-Filling o modo de transmisión WF adaptadas a la ganancia Yí de cada canal n¡.

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha tabla de consulta de la etapa b) es una tabla u'1 (x) calculada a partir de:

w(» = rtf)-7r(z);v

z'

siendo:

w(z) una función de "waterlevel";

p(z) la velocidad media de transmisión por canal n¡

p(z) = flf(z) - zlogy(z) ; y

ti (z) la potencia media transmitida por canal normalizada a y = 1

z

n(z) = - - h(z)

Y O)

y:

d(z) = J0Zlog y (y) dy; y

h(z) = | o

y(y)

y(z) = F X(1 z)

5. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque en el caso de que

-*00 > pmax

se impone, alternativamente, un objetivo de máxima velocidad de transmisión o MR para lo cual dicha tabla de consulta de la etapa b), para dicho objetivo MR, es una tabla ti'1 (x) calculada a partir de:

, _i / Pmax\

z =n V)

6. Método según las reivindicaciones 3 o 5, caracterizado porque en el caso de que

np(.Z ) < R-min

se impone, alternativamente, un objetivo de mínima potencia de transmisión o MM para lo cual dicha tabla de consulta de la etapa b), para dicho objetivo MM, es una tabla p'1 (x) calculada a partir de:

, _i (Rmin\ z ()

7. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho modo de transmisión es un modo donde la velocidad de transmisión es constante para todos los canales n o modo de transmisión CR y potencia de transmisión x* adaptada a la ganancia y de cada canal n¡:

fer(z') - i

Y* J > SÍ-Yi Y[zm\

~ j Yi

U, siYi < Y[zrn\

8. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho modo de transmisión es un modo donde la velocidad de transmisión y la potencia de transmisión son iguales para todos los canales n o modo de transmisión CRP, siendo la potencia de transmisión:

(erO') - 1

x =

Y [zm\

0,

si Yi ^ Y[zm\ SÍ Yi < Y[zm\

9. Método según las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque dicha tabla de consulta de la etapa b) se calcula a partir de

TEmM= argmax,;^^

z' = TEn(yi)

siendo:

Z ^ín(A

TCm.(.X> z')

erm(x,z) _ i

(Pm 00

, ^ , , ,tr(x<Pm(z) - 1\

rm(x,z) = 1 + W[ ------------- ; y

í 1

(Pm(.z)

h(Zy

Y(z)

v z

rOO = rm(y-,z')

m = CR m = CP/?

10. Método según las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque en el caso de que

I

x* > P

^ 1 max

se impone, alternativamente, un objetivo de máxima velocidad de transmisión MR para lo cual dicha tabla de consulta de la etapa b), para dicho objetivo MR y modo de transmisión m=CR o m=CRP, es una tabla TRm{x) calculada a partir de:

TRm(x) = arg maxz z log (1 + x<p(z)) ; y

z'=TRm{r~) r(z') = log(l + y-^pí>0'))

11. Método según las reivindicaciones 7, 8 o 10, caracterizado porque en el caso de

que

^ * tjn (k ^> Z ^ < Pmin

se impone, alternativamente, un objetivo de mínima potencia de transmisión MM para lo cual dicha tabla de consulta de la etapa b), para dicho objetivo MM y modo m=CR o m=CRP, es una tabla 7"Pm(x) calculada a partir de:

X

TPm(x) = arg minz ^ ; y

<p(z)

z' = rpm(^=)

r(z') =

Rmin

n Z

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho sistema de comunicación es un sistema de comunicación inalámbrica que comprende al menos uno de: un sistema de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM), un sistema multiplexación por división de código (CDMA), un sistema

de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), un sistema múltiple por división de tiempo (TDMA), un sistema de acceso múltiple por división de espacio (SDMA) o un sistema para un canal de múltiples entradas y múltiples salidas o MIMO.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 11, caracterizado 10 por que dicho sistema de comunicación es un sistema de comunicación por cable que

comprende al menos uno de los sistemas de multiplexación citados en la reivindicación 12.