ES2268475T3 - Procedimiento y equipo emisor para transmitir datos en un sistema multiportadora. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la transmisión de datos en un sistema multiportadora al que está asignada una banda de frecuencias, cuyas frecuencias portadoras están asignadas al menos a una banda de subportadoras que divide la banda de frecuencias, caracterizado porque por el lado emisor, en función de las características de transmisión actuales, se realiza para una parte de las frecuencias portadoras de la banda de subportadoras una distorsión previa de la señal emisora de forma adaptiva de tal manera que la misma afecta actualmente en cada caso sólo a esta parte de las frecuencias portadoras de la banda de subportadoras.
Description
Procedimiento y equipo emisor para transmitir
datos en un sistema multiportadora.
La invención se refiere a un procedimiento para
transmitir datos en un sistema multiportadora según el concepto
general de la reivindicación 1, así como a un equipo emisor para
transmitir datos en un sistema multiportadora según la
reivindicación 8.
La técnica ortogonal de multiplexado en
frecuencia OFDM, que se utiliza en especial en redes de radio WLAN,
que por ejemplo funcionan según el estándar IEEE 802.11, así como en
híperLAN, es un procedimiento que utiliza simultáneamente varias
frecuencias portadoras, también denominadas simplificadamente
portadoras, para la transmisión de una señal digital, modulando
estas frecuencias portadoras, desde luego, sólo con una reducida
velocidad de transmisión en relación con la velocidad de
transmisión disponible en su conjunto (entre todas las
portadoras).
Para este fin se subdivide en OFDM la banda de
frecuencias disponible en varias bandas (sub)portadoras. La
distancia entre las frecuencias portadoras se rige por las
velocidades de transmisión.
Un escenario de accesos basado en OFDMA en un
sistema con múltiples usuarios (Multiple User System) se basa en la
hipótesis de la asignación a cada uno de los usuarios de una
subportadora OFDM propia.
En un sistema como el indicado resultan, en las
condiciones reales de transmisión, efectos de sobre conversación
superpuesta entre las subportadoras, también llamados ICI
(Inter-Channel-Interferences,
interferencias intercanal).
La ICI resulta entonces tanto como consecuencia
de un desplazamiento Doppler que aparece debido al movimiento de
los terminales móviles como también a consecuencia de un ruido de
fases del oscilador.
En un sistema OFDM, en el llamado
"downlink" (enlace descendente), con el que en la comunicación
móvil se designa en general la comunicación que va desde una
estación de base hasta una estación móvil, tanto el desplazamiento
doppler como también la parte usualmente corregida/compensada en el
receptor del ruido de fase del oscilador, que también se denomina
(CPE) (Common Phase Error, error de fase común), es igual para
todas las frecuencias portadoras de la banda de subportadoras, con
lo que no resulta para esta dirección de comunicación ningún
problema de acceso originado por el principio OFDMA.
Por la US 2002/0105901 A1 se conoce para ello un
sistema y un procedimiento en el que mediante formación de las
ondas de señal se logra una manipulación del espectro de una señal
OFDM.
Por Stamoulis y otros:
"Space-time block-coded OFDMA with
linear precoding for multirate services", (OFDMA
espacio-tiempo codificado en bloques con
precodificación lineal para servicios multivelocidad), IEEE
Transactions on Signal Processing, enero 2002, se conoce un sistema
que elimina una interferencia multiusuario en un sistema OFDMA.
Por la EP 0 938 208 se conoce un sistema
OFDM/TDMA con múltiples usuarios en el que las subportadoras de las
zonas marginales de una banda de subportadoras no están moduladas,
para eliminar una interferencia con ranuras de frecuencia
limítrofes.
En "Uplink" (enlace ascendente), nombre con
el que se denomina en la comunicación móvil en general la
comunicación contrapuesta que va desde una estación móvil hasta una
estación de base, existe por el contrario el problema de que los
desplazamientos doppler no son constantes en todas las
subportadoras, debido a las distintas velocidades relativas de los
abonados móviles. Además, por lo general queda sin correlar el ruido
de fases o bien la parte corregible del ruido de fases para esta
dirección de comunicación, ya que son generados predominantemente
por los osciladores no sincronizados de los distintos abonados
(usuarios).
La Inter Channel Interference (interferencia
intercanales) que resulta en esta dirección de las comunicaciones
del desplazamiento doppler, así como del ruido de fases, significa
por lo tanto en un uplink (enlace ascendente) basado en OFDMA una
limitación de las propiedades de transmisión, que puede dar lugar
hasta a un fallo completo del sistema.
La tarea que sirve de base a la invención es
indicar un procedimiento así como un sistema que permitan un acceso
OFDMA en el uplink esencialmente libre de perturbaciones.
Esta tarea se resuelve partiendo del concepto
general de la reivindicación del procedimiento 1, mediante sus
particularidades características, así como partiendo del concepto
general de la reivindicación del sistema 8, mediante sus
particularidades características.
El procedimiento correspondiente a la invención
tiene la ventaja de que se logra una reducción y hasta una
eliminación del ICI mediante distorsión previa en el lado emisor de
la señal emisora para una parte de las frecuencias portadoras de la
banda de subportadoras en función de las propiedades actuales de
transmisión, ya que de esta manera se eliminan o bien se reducen
las limitaciones de las propiedades de transmisión en esta
dirección de las comunicaciones, afectando la distorsión previa en
cada caso a todas o solamente en cada caso a las subportadoras que
se encuentran en el borde de una banda de frecuencias que están
asignadas a un abonado y en consecuencia tiene la ventaja de que se
distorsionan previamente exactamente aquellas subportadoras de un
abonado que contribuyen significativamente al ICI, con independencia
de si el ruido de fases o el desplazamiento doppler son el aspecto
que limita al sistema.
Preferentemente se realiza la distorsión previa
con ayuda de un filtrado mediante un filtro de señales, que en la
gama de tiempos se corresponde con una ventanización y con ello en
la gama de frecuencias a un plegamiento y está caracterizado en
particular porque las subportadoras filtradas presentan
esencialmente flancos de filtro escarpados y con ello contribuyen
significativamente a la supresión del ICI. Además, un receptor que
se utiliza en un sistema que emplea el procedimiento
correspondiente a la invención, no se modifica para ello o bien
sólo ligeramente. Mediante filtrado de las subportadoras en la zona
marginal de un símbolo OFDM puede además lograrse la
Guard-Band (banda de protección), es decir, se
reduce la cantidad de subportadoras no utilizadas en el borde del
símbolo OFDM, con lo que adicionalmente se logra además una
velocidad de datos comparativamente mayor.
Ventajosamente, ha de realizarse el
distorsionado previo de tal manera que el valor de la duración de un
primer símbolo asociado a una de las frecuencias portadoras
distorsionadas permanezca constante. En particular, la operación de
ventanización en las gamas de tiempo o bien la operación de
plegamiento en la gama de frecuencias, se caracteriza porque la
longitud de la ventana de la gama de tiempos \omega_{(k)} no
sobrepasa en total la duración del símbolo OFDM, es decir, la
duración útil del símbolo OFDM y la duración del prefijo cíclico y
la pendiente necearia para el flanco de la subportadora viene
determinada esencialmente por la sobreexploración.
Ventajosamente, la longitud de la duración del
símbolo útil OFDM es igual a la longitud de la ventana de la gama
de tiempos \omega_{(k)}. Básicamente existen dos ejecuciones
distintas de ventanas de la gama de tiempos \omega_{(k),}
primeramente ventanas que cumplen con el criterio de Nyquist, como
por ejemplo la ventana
Root-Raised-Cosine, (de raíz del
coseno alzado), es decir, que a pesar de la ventanización por el
lado emisor o bien filtrado en el receptor, en particular cuando el
canal es ideal, está en condiciones de reconstruir sin errores los
datos enviados y segundo ventanas o bien filtros que no cumplen el
criterio de Nyquist en el sentido antes indicado, pero que por el
contrario permiten flancos de filtro comparativamente más
pendientes y con ello posibilitan una supresión ICI comparativamente
mejor, como por ejemplo la ventana Blackman.
La cantidad de subportadoras distorsionadas
previamente puede ampliarse también básicamente a todas las
subportadoras, en particular cuando la combinación de efecto
doppler y ruido de fases es el factor limitador para el ICI.
Otros perfeccionamientos ventajosos se indican
en las reivindicaciones secundarias.
Otras aclaraciones así como ventajas de la
invención se reproducen en la descripción de las figuras 1 a 3b. De
ellas muestran:
Figura 1 modulación en el lado emisor de
símbolos OFDM según el estado de la técnica,
Figura 2 modulación en el lado emisor de
símbolos OFDM según el procedimiento correspondiente a la
invención,
Figuras 3a, a 3b diagramas de una simulación con
una función de distorsionado a modo de ejemplo, así como un conjunto
de parámetros a modo de ejemplo.
En la figura 1a se representa esquemáticamente
el procedimiento de modulación del lado emisor según el estado de
la técnica o bien la estructura del emisor que ejecuta este
procedimiento conocido. Según el estado de la técnica, se modula
cada impulso de símbolo S_{d(k)} de una portadora número k
f_{k} de entre N subportadoras de una banda de subportadoras de
la anchura de banda B, es decir, para cada impulso de símbolo
S_{d(k)} se aporta para una ventana de tiempo de la
longitud T una transformación rápida inversa de Fourier (Inverse
Fast Fourier Transformation, IFFT) según la fórmula
y a partir de aquí se genera un
símbolo OFDM S_{d(k).} Para evitar ecos y/o errores de
sincronización, se dota a este símbolo OFDM S_{d(k)} de la
duración T, mediante la que en un receptor viene determinada también
la longitud de la ventana del correspondiente análisis de Fourier,
en general con un intervalo de protección, es decir, la duración T
se prolonga en una duración de tiempo T_{g} denominada usualmente
tiempo de protección (Guard), con lo que en suma resulta para el
símbolo OFDM S_{d(k)} a enviar una duración de símbolo
T_{s.}
Este procedimiento de modulación se ejecuta
según el estado de la técnica para todas las portadoras f_{k} de
una banda de subportadoras con N portadoras.
En la figura 1b se representa la estructura de
filtrado IFFT del lado emisor que sirve de base al procedimiento
IFFT conocido, que resulta según la fórmula
La estructura de filtrado FFT del lado receptor
utilizada para la inversión del procedimiento IFFT se caracteriza
por la fórmula
En la figura 2a se representa esquemáticamente
el procedimiento correspondiente a la invención o bien
estructuralmente los elementos esenciales de un emisor que ejecuta
el procedimiento correspondiente a la invención. Contrariamente a
la forma de proceder según el estado de la técnica, se llevan en el
marco de la invención - con excepción de aquellas portadoras
f_{n} que se encuentran en la zona marginal de la banda de
subportadoras - todos los impulsos de símbolos S_{d(k)}
asignados a las restantes portadoras f_{n}, es decir, todos los
impulsos de símbolos S_{d(k)} sobre portadoras f_{n} con
k\varepsilon]0; N-1[, al IFFT representado
en la figura 1 según el estado de la técnica, mientras que los
impulsos de símbolos S_{d(k)} que se encuentran sobre las
portadoras f_{n} en la zona marginal de la banda de portadoras, es
decir, los asignados a las portadoras f_{n} con k\varepsilon{0;
Nr-1}, se someten a una sobreexploración con la
velocidad r y un distorsionado previo, realizándose el
distorsionado previo de tal manera que el correspondiente impulso de
símbolo S_{d(k)} es ventanizado o bien filtrado con una
función de distorsión, con lo que la función de distorsión previa
\omega_{(k)} determina la evolución de la frecuencia de la
subportadora distorsionada previamente/filtrada.
Finalmente, se modulan en sucesión ascendente
todos los impulsos de símbolos S_{d(k)} por cada abonado
(usuario) a la correspondiente frecuencia subportadora y se suman,
tal como es usual en el procedimiento IFFT según la figura 2a.
Entonces se utiliza para la distorsión previa en
el lado emisor correspondiente a la invención una estructura de
filtrado \omegaIFFT a modo de ejemplo representada en la figura 2
y caracterizada por la fórmula
lográndose el distorsionado previo
mediante la combinación con una función ventana \omega(n)
en la gama de tiempos, como por ejemplo una ventana "Blackman"
con sobreexploración. Esta función de ventana se describe por
ejemplo para n = 0, …, M-1
con
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
y
\vskip1.000000\baselineskip
siendo aquí
preferentemente
M =
\frac{N.r}{4}
y significando r la velocidad de
sobreexploración (velocidad de "Oversampling") y viniendo
determinado el vector \tilde{d}_{(n)} en base a la
sobreexploración de la siguiente
manera
Por lo demás, se representa en la figura 2b una
estructura de filtrado escalada FFT del lado receptor prevista para
la inversión de la IFFT distorsionada previamente mediante la
estructura de filtrado \omegaIFFT del lado emisor correspondiente
a la invención y descrita mediante la fórmula
que en un sistema real es
esencialmente idéntica a una estructura receptora según el estado de
la técnica (Figura
1).
La figura 2c muestra una estructura OFDMA
correspondiente a la invención en el Uplink (enlace ascendente),
utilizando dos abonados distintos - a saber, usuario A y usuario B -
distintas bandas de frecuencia subportadoras y utilizándose en el
marco de la invención preferentemente sobre las subportadoras
contiguas L del primer abonado (usuario A) y sobre la subportadora
(L+1) del segundo abonado (usuario B) la citada distorsión previa,
para suprimir la ICI en la estación de base.
En las figuras 3a y 3b, se indican para mayor
claridad los resultados de un cálculo con los correspondientes
diagramas que reproducen las fórmulas antes citadas con los
siguientes bloques de parámetros:
| N | = | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 |
| r | = | 512 | 256 | 128 | 64 | 32 | 16 |
| M | = | 512 | 512 | 512 | 512 | 512 | 512 |
En la figura 3a se ha investigado el espectro de
densidad de potencia de un oscilador no ideal, el espectro de
densidad de potencia combinado de un oscilador emisor no ideal y de
un oscilador receptor no ideal, que representan una perturbación
que varía en el tiempo, que origina ICI. Además, puede verse en la
figura 3 una subportadora según el estado de la técnica (línea
continua) y una subportadora filtrada correspondiente a la
invención (línea continua marcada con círculos). Ya se observa aquí
que para un plegamiento en la gama de frecuencias de subportadoras
y espectro de densidad de potencia de la perturbación, el espectro
de densidad de potencia resultante emite mucha menos energía fuera
de la banda de frecuencias asignada en cada caso a una subportadora
y con ello genera comparativamente menos ICI.
La figura 3b muestra cuantitativamente cuánto
ICI genera la subportadora ventanizada con una ventana blackman en
comparación con una subportadora según el estado de la técnica,
habiéndose utilizado como espectro de densidad de potencia de la
perturbación el espectro de densidad de potencia de referencia
combinado de oscilador emisor y receptor según la figura 3.
Claims (8)
1. Procedimiento para la transmisión de datos en
un sistema multiportadora al que está asignada una banda de
frecuencias, cuyas frecuencias portadoras están asignadas al menos a
una banda de subportadoras que divide la banda de frecuencias,
caracterizado porque por el lado emisor,
en función de las características de transmisión actuales, se
realiza para una parte de las frecuencias portadoras de la banda de
subportadoras una distorsión previa de la señal emisora de forma
adaptiva de tal manera que la misma afecta actualmente en cada caso
sólo a esta parte de las frecuencias portadoras de la banda de
subportadoras.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la distorsión previa
se realiza mediante un filtrado y/o ventanización en la gama de
tiempos y/o frecuencias.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó
2,
caracterizado porque el filtrado se
realiza mediante un filtro de señales que presenta en la gama de
frecuencias esencialmente flancos de filtrado escarpados.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1, a 3,
caracterizado porque para el filtrado y/o
ventanización se utiliza una función "Blackman", "Bartel",
"Kaiser", "Papoulis" o funciones de ventana comparativas,
que están configuradas de tal manera que se realiza la ventanización
en la gama de tiempos y utilizándose preferentemente una
sobreexploración para lograr flancos de filtrado escarpados en la
gama de frecuencias.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el sistema
multiportadora se utiliza en combinación con un "FDMA"
(Frequency Division Multiple Access, acceso múltiple con división
de frecuencias), en particular el procedimiento de acceso
"OFDMA" (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, acceso
múltiple con división de frecuencias ortogonal).
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque la distorsión previa
se limita a frecuencias portadoras que se encuentran en zonas
marginales de la banda de subportadoras, que preferentemente está
asignada al menos a un abonado, en particular a frecuencias
portadoras limítrofes con otras bandas subportadoras.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el valor de una
primera duración de símbolo asignada a las frecuencias portadoras
distorsionadas permanece constante, no sobrepasando, en particular
en la ventanización de la gama de tiempos o bien la operación de
plegamiento en la gama de frecuencias, la longitud de la ventana de
la gama de tiempos \omega_{(k)} la duración del símbolo OFDM,
es decir, la duración útil del símbolo OFDM, así como la duración
del prefijo cíclico y viendo determinada la pendiente necesaria
para el flanco de las subportadoras esencialmente por la
sobreexploración.
8. Equipo emisor para transmitir datos en un
sistema multiportadora al que está asignada una gama de frecuencias,
cuyas frecuencias portadoras están asignadas al menos a una banda
de subportadoras que subdivide la banda de frecuencias,
caracterizado por
- a)
- elemento para averiguar propiedades de transmisión actuales,
- b)
- elementos para la distorsión previa para una parte de las frecuencias portadoras de la banda de subportadoras de la señal emisora, que se realiza adaptivamente de tal manera que la distorsión previa actualmente afecta sólo a esta parte de las frecuencias portadoras de la banda de subportadoras.
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