ES2303627T3 - Procedimiento de sincronizacion en el dominio del tiempo y de la frecuencia de multiples equipos en un sistema de transmision con modulacion ofdm. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de sincronización en el dominio del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de transmisión con modulación OFDM, aplicable en la comunicación bidireccional a través de la red eléctrica entre diferentes equipos conectados a la misma red eléctrica para proporcionar en recepción una estimación del comienzo de los símbolos OFDM y del error en frecuencia de los osciladores locales de los equipos, que comprende la generación de secuencias de sincronismo que se transmiten por la red eléctrica, y el envío de dichas secuencias de sincronismo a través del mismo canal utilizado para el envío de datos, estando este canal determinado por un enlace desde un equipo hacia el resto; se caracteriza porque comprende: -descomponer las señales recibidas, que contienen los datos y secuencias de sincronismo, en varias bandas o rangos de frecuencia; -detectar las secuencias de sincronismo de cada uno de los rangos o bandas de frecuencia en recepción, mediante la aplicación de un algoritmo de sincronización en el tiempo, para estimar a partir de dicho algoritmo el comienzo de los símbolos OFDM y el error en frecuencia de los osciladores locales en cada banda de frecuencia; -combinar las estimaciones obtenidas en cada banda de frecuencia.
Description
Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM.
La presente invención, tal y como se describe
aquí, se refiere a un procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM (multiplexación por división
ortogonal en frecuencia). Este procedimiento tiene por objeto
mejorar la estimación del comienzo de los símbolos OFDM y la
estimación del error en frecuencia de los osciladores en múltiples
situaciones como en canales con ruidos de banda estrecha, canales
selectivos en frecuencia o canales en los que la potencia de ruido
varíe con la frecuencia. La aplicación de este procedimiento de
sincronización también permite realizar dichas estimaciones en
situaciones en que procedimientos de sincronización clásicos no
consiguen ningún resultado, así como estimar simultáneamente el
error en frecuencia de traslación analógico y el error de
frecuencia de muestreo del sistema.
Además, en los casos en que se pueda realizar
varias estimaciones de los anteriores factores, es posible combinar
los resultados en forma de media o media ponderada, para obtener
estimaciones más fieles y con menor desviación respecto al valor
real que se desea estimar.
En la mayoría de sistemas de telecomunicación es
necesario realizar un proceso de sincronización para poder obtener
adecuadamente la información transmitida a partir de las señales
recibidas desde el canal. Dependiendo de la forma de realizar la
transmisión y de la modulación utilizada se necesitará uno o varios
tipos de sincronización. En general, para la transmisión con
modulación OFDM es necesario realizar una sincronización en tiempo,
consistente en determinar en recepción el comienzo de los símbolos
OFDM, y una sincronización en frecuencia, para que las frecuencias
de los osciladores utilizados para muestrear o para la traslación
analógica de las señales transmitidas y recibidas estén
suficientemente próximas.
En el estado de la técnica son conocidos
múltiples métodos de sincronización de señales OFDM, pero ninguno de
ellos resulta ser altamente seguro para evitar falsas indicaciones
de sincronismo en sistemas punto a multipunto en los que el medio de
transmisión empleado es la red eléctrica.
Como es sabido el empleo de la red eléctrica
como medio de transmisión es problemático en cuanto a la
sincronización, ya que la conexión-desconexión de
diferentes aparatos en la red produce picos de tensión y variaciones
de impedancia en la línea, de manera que la respuesta del canal
varía en el tiempo. Los ruidos impulsivos, que son un tipo de ruido
muy usual en la red eléctrica, afectan en gran medida a la
sincronización, ya que por definición son ruidos puntuales que
afectan a un pequeño número de muestras, y por tanto pueden impedir
la adecuada detección de las secuencias de sincronización si
coinciden en tiempo con dichas secuencias. La separación en bandas,
propuesta en esta patente, reduce las consecuencias de estos ruidos
por lo que se podrán aplicar métodos ya conocidos de
sincronización, que con la mejora propuesta ofrecerán óptimos
resultados en entornos ruidosos como la red eléctrica.
Entre los medios de sincronización conocidos
cabe destacar el descrito en la patente USA 5732113 en la que se
especifica un procedimiento de sincronización temporal que utiliza
un único símbolo de sincronismo con dos mitades iguales, y el método
propuesto en la solicitud de patente española 200.101.121 referente
a un "Procedimiento para la sincronización en el enlace
descendente de múltiples usuarios en un sistema de transmisión punto
a multipunto con modulación OFDM" en el que se transmiten dos
símbolos de sincronismo idénticos. La presente invención gracias a
la sincronización en varias bandas, mejora la sincronización en los
dominios del tiempo y de la frecuencia y consigue resultados con
menor varianza y más ajustados al valor real que aplicando
cualquiera de los procedimientos anteriores. Además, la aplicación
del método propuesto permite realizar la sincronización en muchos
casos en los que el ruido de la línea y las características del
canal impedían cualquier resultado con los métodos conocidos.
Por otro lado, cabe señalar que son conocidos
los bancos de filtros como por ejemplo se describe en el libro
"Multirate Systems and Filters Banks" de P.P. Vaidyanathan,
publicado por Prentice Hall en 1993, pero estos filtros no han sido
utilizados para la división de las secuencias de sincronismo
recibidas para su detección independiente en bandas de frecuencia,
tal y como sucede en la invención que nos ocupa, proporcionando la
mejora anteriormente comentada.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención
consiste en un procedimiento de sincronización en el dominio del
tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM.
Este procedimiento es aplicable a la
comunicación bidireccional a través de la red eléctrica entre
equipos conectados a la misma red para proporcionar en recepción una
estimación del comienzo de los símbolos OFDM y del error en
frecuencia de los osciladores locales; que comprende generar
secuencias de sincronismo que se transmiten por la red eléctrica.
Estas secuencias de sincronismo se envían a través del mismo canal
utilizado para el envío de datos, estando este canal determinado por
un enlace desde un equipo hacia el resto. El procedimiento de la
invención se caracteriza porque comprende la descomposición de la
señal recibida constituida por las secuencias de sincronismo y los
datos en varias bandas de frecuencia. Seguidamente se detectan las
secuencias de sincronismo de cada una de las bandas de frecuencia
mediante la aplicación de un algoritmo de sincronización en el
tiempo que permite estimar el comienzo de los símbolos OFDM y el
error en frecuencia de los osciladores locales en cada banda de
frecuencia, en lugar de sobre la señal recibida completa que es como
se hace convencionalmente.
Gracias a estas características, el
procedimiento permite mejorar la estimación del comienzo de los
símbolos OFDM y la estimación del error de frecuencia de los
osciladores de los equipos en el caso en el que en el canal se
presentan ruidos de banda estrecha, esto es, ruido ingress. También
permite mejorar la estimación del comienzo de los símbolos OFDM y
del error en frecuencia en el caso de transmitir por un canal
selectivo en frecuencia, y mejorar la estimación del comienzo de los
símbolos OFDM y del error en frecuencia en caso de que la potencia
de ruido que el canal añade a la señal varíe con la frecuencia, esto
es, en el caso que el canal presente ruido coloreado. Otra de las
ventajas del procedimiento es que permite estimar el error en
frecuencia de muestreo, que se incrementa linealmente con la
frecuencia y que no puede ser estimado convenientemente con la señal
completa, y mejorar la estimación del error en frecuencia de
traslación analógico, respecto al caso de emplear la señal recibida
completa para la estimación del mismo. Asimismo, también permite
estimar simultáneamente el error en frecuencia de traslación
analógico y el error de frecuencia de muestreo, siempre que se
consiga la detección en dos o más bandas de frecuencia, y realizar
la estimación del comienzo de los símbolos OFDM y del error en
frecuencia de muestreo o frecuencia de traslación en el caso en que
se consiga la detección de las secuencias de sincronismo en una o
más bandas o rangos de frecuencia, incluso en casos donde utilizar
la señal completa no producía ningún resultado. Por último el
procedimiento de la invención permite mejorar los resultados de las
estimaciones del comienzo de los símbolos OFDM y del error en
frecuencia en el caso en que se consiga la detección de la secuencia
de sincronismo en más de una banda de frecuencias, mediante
combinación de las estimaciones obtenidas en cada banda de
frecuencia, por media, media ponderada o regresión lineal.
En el procedimiento de la invención la
descomposición de la señal recibida en bandas o rangos de frecuencia
se realiza aplicando un filtro paso banda centrado en cada una de
las bandas de frecuencia, una traslación en frecuencia de las
señales filtradas para trabajar con cada banda en banda base y,
opcionalmente, un diezmado para simplificar la complejidad de la
electrónica necesaria para la detección de las secuencias de
sincronismo.
Otra forma de realizar esta descomposición es
filtrar las secuencias de sincronismo simultáneamente mediante un
Banco de filtros uniformes y diezmados con Transformada Discreta de
Fourier (DFT), con la complejidad del filtro paso banda prototipo, y
un circuito de Transformada Discreta de Fourier (DFT).
Asimismo la descomposición de las secuencias de
sincronismo también se puede realizar directamente mediante un
circuito de transformada discreta de Fourier (DFT).
En el procedimiento de la invención la detección
de las secuencias de sincronismo se efectúa en cada uno de los
rangos o bandas de frecuencia mediante el maximizado del criterio de
máxima verosimilitud conocido convencionalmente, de manera que la
estimación del comienzo de los símbolos OFDM se efectúa a partir
del cálculo del máximo de correlación temporal de las muestras de
cada banda, siendo este máximo determinado como el punto medio de la
zona plana del pico de la correlación, cuyo tamaño en número de
muestras es igual al número de muestras de prefijo cíclico sin
interferencia entre símbolos (ISI), realizándose posteriormente la
estimación del error en frecuencia para ajustar los osciladores a
una referencia común mediante el cálculo del ángulo de la
correlación en el instante determinado como máximo de correlación en
cada uno de los rangos o bandas de frecuencia.
De este modo, el máximo de la correlación se
calcula mediante la detección de los picos que sobrepasen un umbral
de la potencia en cada una de las bandas o rangos de frecuencia de
la señal recibida, fijándose el valor de dicho umbral para minimizar
la probabilidad de producirse una falsa alarma, siendo la métrica
utilizada para calcular la correlación:
y para calcular la
potencia:
donde r_{i,d} es la señal
correspondiente a la banda de frecuencias i-ésima en el instante d,
L es el número de muestras de la señal en medio símbolo,
Pi(d) es la correlación en la banda i-ésima en el instante d
y Ri(d) la potencia en la banda i-ésima en el instante
d.
El cálculo de la correlación y la potencia se
puede realizar también de forma iterativa, almacenando las muestras
y preferentemente los productos parciales para el cálculo de la
correlación y potencia con los algoritmos siguientes:
\vskip1.000000\baselineskip
siendo P_{i}(d) la
correlación en la banda de frecuencia i-ésima en el instante d,
Ri(d) la potencia en la banda i-ésima en el instante d, y
r_{i,x} la señal correspondiente a la banda i-ésima en el instante
x.
El instante de detección de la secuencia de
sincronización en recepción se toma como el punto medio de la zona
que sobrepase el 90% del máximo de correlación, pero retrasado un
número de muestras adecuado para reducir la interferencia entre
símbolos al mínimo, siendo este número de muestras ajustable.
Por otro lado, para simplificar el cálculo de la
correlación en cada banda o rango de frecuencias se puede utilizar
sólo la parte real de ésta, puesto que la parte real es predominante
sobre la parte imaginaria una vez el error en frecuencia es menor
que cierto umbral.
Para mejorar los resultados de la estimación del
comienzo de los símbolos OFDM sobre cada rango de frecuencias, estos
resultados se pueden combinar, en forma de media o media ponderada,
de manera que la estimación final será más fiel y con menos varianza
que la obtenida con la señal recibida completa sin la separación en
rangos.
La aplicación de la separación en bandas de
frecuencia permite mejorar el cálculo del error en frecuencia de
traslación analógico, al reducir la varianza mediante la media o
media ponderada de los valores de error calculados en cada una de
las bandas de frecuencia.
Además la aplicación de la separación en bandas
de frecuencia permite estimar el error en frecuencia de muestreo
mediante la regresión lineal de los valores de error obtenidos en
cada banda; teniendo en cuenta que dicho valor de error no puede
estimarse convenientemente utilizando la señal completa recibida
debido a que el error en frecuencia de muestreo se incrementa con la
frecuencia.
Por último, y también gracias a la separación en
bandas, se puede realizar simultáneamente la estimación del error en
frecuencia de traslación analógico y la estimación del error de la
frecuencia de muestreo.
Por otro lado, el procedimiento de invención se
puede emplear también cuando se transmiten señales de coexistencia
que son detectadas en recepción mediante la aplicación de la
separación en bandas y detectadas en cada una de esas bandas, con
objeto de que un sistema pueda conocer si otro ha transmitido o no
cierta secuencia sobre el canal.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa un ejemplo de densidad
espectral de potencia de señal y ruido obtenidos en recepción en un
determinado escenario.
Figura 2.- Representa esquemáticamente una de
las formas de realizar la división en bandas o rangos de frecuencia,
aplicando un banco de filtros uniformes y diezmados con transformada
discreta de Fourier (DFT).
Figura 3.- Representación gráfica de un
escenario típico de la correlación y la potencia multiplicada por un
umbral a partir de las muestras obtenidas en recepción.
Figura 4.- Representa el comportamiento del
error de frecuencia de muestreo y el error de frecuencia de
traslación analógico.
Seguidamente se realiza una descripción de un
ejemplo de la invención, haciendo referencia a la numeración
adoptada en las figuras.
Todo sistema de comunicaciones o al menos parte
de dicho sistema de comunicaciones, como el bloque de
sincronización, necesita una relación señal a ruido (SNR) mínima
para poder funcionar, esto es, necesita que la señal recibida tenga
cierto valor relativo al valor de ruido en la línea, para que el
sistema pueda realizar la comunicación. En sistemas de
comunicaciones cuyo canal es selectivo en frecuencia, o bien en
sistemas en los que el ruido depende de la frecuencia, o bien en
ambas situaciones, la SNR mínima puede no alcanzarse en todo el
ancho de banda utilizado por el sistema debido a la atenuación
existente en el canal o al nivel de ruido, pero sí en algún rango de
frecuencias dentro del ancho de banda total. El procedimiento de la
invención pretende aprovechar esta circunstancia para permitir
realizar estimaciones y sincronizar en dichos escenarios.
En la figura número 1 se muestra la densidad
espectral de potencia de señal y ruido a la entrada del receptor en
una determinada situación. En este caso la SNR media en toda la
banda es de 0 dB, lo cual es insuficiente para realizar la
comunicación, pero se puede observar que en determinados rangos de
frecuencia la densidad de potencia de la señal se encuentra por
encima de la de ruido y por lo tanto en dichos rangos sería posible
realizar la comunicación. Procedimientos clásicos no conseguirían
realizar la sincronización en este tipo de escenarios, o bien la
conseguirían con muy baja calidad debido al comportamiento del canal
en este ejemplo. Este tipo de canal es muy común en sistemas que
utilizan la red eléctrica como medio de transmisión. El
procedimiento de la invención se basa en realizar la división en
varios rangos de frecuencia (mediante filtrado en recepción) y
trabajar con cada una de esas señales por separado. En la mayoría de
aplicaciones de sincronización sería necesario transmitir una señal
específica en cada una de las bandas de frecuencia, para mejorar los
resultados al poder sincronizar en cualquiera de las bandas.
Transmitir una señal OFDM resulta insuficiente, debido a las
características de este tipo de modulación en cuanto a su separación
en múltiples portadoras que pueden agruparse en bandas. Para
dividir la señal en bandas se puede aplicar un filtro paso banda
centrado en cada una de las bandas de frecuencia. Además haría
falta demodular la señal para pasarla a banda base y diezmarla, ya
que en otro caso la frecuencia de cada banda sería la misma que la
de la señal original y la complejidad total se multiplicaría por el
número de bandas. Todas estas operaciones se pueden realizar
simultáneamente y de manera eficiente con un banco de filtros
uniformes y diezmados con DFT (Transformada Discreta de Fourier),
que es un procedimiento conocido en el estado de la técnica. En este
caso el banco de filtros tendrá la complejidad de un filtro paso
banda prototipo (del que se centraría en cada banda de frecuencias
en el supuesto anterior) y se empleará una DFT. Esta estructura
puede observarse en la figura número 2 donde los filtros
Ei(z) corresponden a la descomposición polifase del filtro
prototipo siendo i=0,1...M-1 donde M es el número de
bandas en que se descompone la señal recibida x(n), 1 es un
retardador de una muestra (z-1) y 2 es un diezmador
por M. A la salida de la transformada inversa de Fourier (IDFT) 3
se obtiene la descomposición de la señal de entrada en las M bandas
de frecuencia, cada una de las cuales tiene una frecuencia de
muestreo M veces inferior a la de la señal de entrada. M también
es el número de puntos de la IDFT. A partir de este punto del
sistema cada una de las M señales se trata de forma independiente,
y las estimaciones se realizan sobre cada una de las señales en
estas bandas por separado. La complejidad es similar a la
complejidad obtenida al realizar las estimaciones sobre la señal
inicial ya que tenemos M señales pero la frecuencia de muestreo en
cada una de ellas se ha dividido por M. Además, algunas de las
bandas (sub-bandas) se pueden eliminar por no
contener información, con lo que se disminuye aún más la
complejidad total.
complejidad total.
Las especificaciones del filtro prototipo
dependen de la aplicación particular para la que se vaya a utilizar
el procedimiento de la invención. Algunos ejemplos de estas
aplicaciones son la estimación de parámetros de la señal, la
detección de señales de coexistencia, o la detección de señales de
sincronismo.
Otra de estas aplicaciones es la sincronización
en sistemas OFDM. La mayoría de métodos de sincronización de señales
OFDM utilizan la señal en el tiempo para realizar su función, con lo
que estos métodos fallan en situaciones como la presentada en el
ejemplo de la figura 1.
Es principalmente en estos casos donde la
utilización de la estructura mostrada en la figura 2 mejora la
sincronización. En cada una de las bandas de frecuencia en que se
divide la señal se puede utilizar cualquiera de los métodos de
sincronización conocidos en el estado de la técnica, y la
sincronización correcta en una banda es suficiente para comenzar el
proceso de demodulación en recepción, dependiendo del tipo de
modulación empleada.
Cuando la SNR sea suficiente elevada para que
varias bandas sincronicen tendremos varias estimaciones simultáneas
del inicio del símbolo y del error en frecuencia con lo que se
pueden aplicar técnicas de combinación de los resultados para
mejorar la estimación final.
El resultado es un método de sincronización con
diversidad en frecuencia, altamente resistente a los ruidos de banda
estrecha, a la selectividad del canal, y al ruido con potencia
dependiente de la frecuencia, y que puede funcionar en canales
típicos incluso con SNR menores que -10 dB en toda la banda. El
único requisito necesario es que la SNR en alguna banda o rangos de
frecuencia sea suficiente para que la señal de sincronismo utilizada
sea detectada en esa banda.
Por ejemplo, se puede aplicar este procedimiento
junto al método de sincronización descrito en la solicitud de
patente española nº 200.101.121 referente a un "Procedimiento
para la sincronización en el enlace descendente de múltiples
usuarios en un sistema de transmisión punto a multipunto con
modulación OFDM", para obtener óptimos resultados.
En este supuesto la señal a transmitir será la
misma que en dicha patente, es decir, dos símbolos de sincronismo
idénticos, ya que esa propiedad se mantiene al descomponer la señal
en bandas de frecuencia. En el receptor se sitúa una estructura como
la de la figura 2 y a continuación se calculan las métricas de
correlación y potencia como en dicha patente con la diferencia de
que en todos los sumatorios se dividen los limites por M, siendo M
el valor de diezmado de la señal de entrada o, lo que es igual, el
número de bandas.
Gracias a la separación en bandas de frecuencia
es posible realizar varias estimaciones utilizando un sólo símbolo
de sincronismo, con lo que es posible conseguir buenos resultados de
sincronización aunque se emplee un único símbolo de sincronismo como
secuencia de sincronización.
En este caso, la secuencia de sincronización
está compuesta de un solo símbolo de sincronismo dividido en dos
mitades iguales. La información transmitida en las portadoras
utilizadas en los símbolos de sincronización puede ser fija o bien
una secuencia pseudoaleatoria. Para tener la simetría requerida en
los símbolos de sincronismo, las portadoras pares o impares del
símbolo ODFM se dejarán a cero.
Las propiedades del símbolo de sincronismo, y
más específicamente la simetría, se mantienen al realizar la
separación en bandas en recepción, y esto permite tener múltiples
resultados de sincronización que permiten mejorar su precisión.
Cualquier otro tipo de secuencia de sincronismo
(en cuanto al número de símbolos enviados) y de método de detección
podrían utilizarse del mismo modo que el anteriormente comentado,
siempre que las propiedades del símbolo de sincronismo se mantengan
al realizar la separación en bandas.
Por lo tanto es posible utilizar las siguientes
estimaciones sobre cada uno de los intervalos, tal y como se señala
en la patente USA 5732113 "Timing and frequency synchronization of
OFDM signals", y combinarlas obteniéndose estimaciones con
reducida varianza, con sólo un símbolo como secuencia de
sincronismo:
\vskip1.000000\baselineskip
Donde r_{i,d} es la salida en la rama i-ésima
del banco de filtros en el instante d, L es el numero de muestras en
medio símbolo dividido por M, M es el número de bandas en que se
dividió la señal recibida, Pi(d) es la correlación en la rama
i-ésima en el instante d y Ri(d) es la potencia en la rama
i-ésima en el instante d. Asimismo se podrían seguir aplicando las
fórmulas iterativas.
\vskip1.000000\baselineskip
Una vez calculada la correlación y la potencia,
el sincronismo se detectará como en la patente anteriormente
señalada, con la diferencia de que ahora tenemos varias bandas que
son susceptibles de sincronizar. Un caso típico en el que se produce
la sincronización cuando la potencia calculada supera el umbral de
correlación, se observa en la figura 2. En el caso que varias de las
bandas sincronizaran se aplica la media de los estimadores de inicio
de símbolo como estimador adecuado. Cabe señalar que cada uno de los
estimadores por separado tiene una resolución M veces menor que el
estimador global debido al diezmado, pero al hacer la media la
varianza del estimador final es mejor que con los métodos
anteriores.
Asimismo se puede calcular el error en
frecuencia de muestreo a partir del ángulo de la correlación en el
instante óptimo de enventanado, sustituyendo fi por la frecuencia
central de la banda (sub-banda).
\vskip1.000000\baselineskip
Siendo \angle(.) el ángulo del parámetro, fi
la frecuencia central de la banda i-ésima, K el orden de
interpolación o diezmado y N el número de muestras en un símbolo
OFDM.
Dependiendo del tipo de error que introduzca el
sistema de la invención se estimará únicamente el error de
frecuencia de traslado en banda analógico, únicamente el error de
frecuencia de muestreo, o bien ambos errores. Los resultados
obtenidos en cada banda se combinarán de una manera o de otra
dependiendo del tipo de error que deseemos estimar.
En el caso de que el sistema sólo tenga error de
frecuencia de traslado en banda analógico, se puede utilizar como
estimador la media de los estimadores en las diferentes bandas, tal
y como aparece en la figura 4, (error de tipo 1) ya que el error es
igual en todas las bandas. Pero si lo que se quiere es calcular es
el error de frecuencia de muestreo (error de tipo 2), este proceso
no puede utilizarse directamente ya que este valor no es igual en
todas las bandas, sino que se incrementa con la frecuencia partiendo
del origen de coordenadas, como puede observarse en la figura 4.
Para hacer esta estimación se realiza una regresión lineal (mediante
mínimos cuadrados u otros métodos matemáticos conocidos) de los
ángulos de la correlación en cada una de las bandas para estimar la
pendiente de esta recta y obtener un mejor estimador, y esto se
puede hacer independientemente de las bandas que se hayan
sincronizado. El estimador presentado en la solicitud de patente
española anteriormente mencionada era sesgado en canales selectivos
en frecuencia, puesto que medía el error en frecuencia en las bandas
que sufrían menor atenuación. Con el nuevo método este sesgo
desaparece ya que se mide el error en cada banda de forma
independiente, mejorando de esta forma la estimación de este error.
Las siguientes fórmulas pueden ser empleadas para realizar la
estimación de dicho error:
\vskip1.000000\baselineskip
Siendo m el resultado de la regresión lineal de
los estimadores de las diferentes bandas y \Deltafs/fs el error en
frecuencia de muestreo.
Otra ventaja del procedimiento de la invención
es que existe la posibilidad de calcular simultáneamente el error
en frecuencia de muestreo y en frecuencia de traslado en banda
analógico (error tipo 3), realizando la regresión lineal de los
errores medidos en cada banda para calcular la pendiente (error en
frecuencia de muestreo) y el cruce con el eje ordenadas (error en
frecuencia de traslado analógica), como se puede ver en la figura 4.
Matemáticamente se pueden calcular estos valores con:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Donde n es el número de estimadores utilizados
en la regresión lineal, Ts es el tiempo de símbolo sin prefijo
cíclico y \DeltafIQ es el error en frecuencia de traslado en banda
analógico. El error en frecuencia de muestreo se obtiene a partir de
m como en el caso en que solo había error en frecuencia de
muestreo.
El procedimiento de la invención también puede
ser aplicado a la señalización para coexistencia, esto es, la
detección de señales que se utilizan para implementar un protocolo
de coexistencia de varias tecnologías diferentes sobre un mismo
medio de transmisión. En estos protocolos se utilizan señales
especiales que todos los sistemas deben ser capaces de transmitir y
recibir necesariamente para implementar un protocolo de acceso al
medio de forma equitativa, y que deben ser detectadas incluso en
condiciones de muy baja SNR. En medios de transmisión como la red
eléctrica o vía radio se añade el problema de que dos sistemas
pueden transmitir simultáneamente si la atenuación entre ellos es
suficiente para hacer que las señales de uno lleguen al otro por
debajo del nivel de ruido, siendo indetectables el uno para el otro.
Las señales de coexistencia servirán para determinar si dos nodos o
más nodos (equipos que pueden pertenecer a uno o más sistemas de
comunicaciones diferentes) pueden transmitir simultáneamente,
dependiendo de si la señal de un nodo es recibida por otro con
mayor o menor potencia que el ruido, para cada una de las
frecuencias utilizadas en la comunicación.
En escenarios como el presentado en la figura 1
resulta complicado realizar esta detección con los métodos conocidos
hasta ahora, por lo que es conveniente utilizar el procedimiento de
la presente invención para mejorar la detección. En este caso la
mejor opción es transmitir varias señales en diferentes frecuencias
(haciendo depender el número de frecuencias con la selectividad en
frecuencia del canal) que son detectadas independientemente en
recepción. La detección de una de dichas señales es suficiente para
determinar que algún nodo transmitió la señal de coexistencia. En
recepción se utilizará la estructura de la figura 2 para separar las
diferentes señales.
Si la modulación utilizada en alguno de los
sistemas que ha de coexistir es OFDM bastaría con tener en algunas
portadoras suficiente SNR para que la demodulación de esas
portadoras fuera correcta, gracias al buen comportamiento de esta
modulación en este tipo de canales selectivos en frecuencia. Es
posible realizar la detección incluso cuando la SNR media es
negativa, siempre que se pueda obtener el valor correcto en alguno
de los rangos en que se ha dividido la señal recibida. Por tanto si
se utiliza una señal de coexistencia que ocupe todo el ancho de
banda para implementar la coexistencia puede darse el caso de que
esa señal no sea detectada por un nodo que utiliza modulación OFDM y
que dos nodos ocupen simultáneamente el canal y se interfieran, ya
que la señal de uno no será inferior al nivel de ruido detectado en
recepción del segundo nodo en todas las frecuencias. Según la
descripción realizada utilizando el procedimiento de invención se
soluciona este problema.
Claims (14)
1. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, aplicable en la comunicación
bidireccional a través de la red eléctrica entre diferentes equipos
conectados a la misma red eléctrica para proporcionar en recepción
una estimación del comienzo de los símbolos OFDM y del error en
frecuencia de los osciladores locales de los equipos, que comprende
la generación de secuencias de sincronismo que se transmiten por la
red eléctrica, y el envío de dichas secuencias de sincronismo a
través del mismo canal utilizado para el envío de datos, estando
este canal determinado por un enlace desde un equipo hacia el resto;
se caracteriza porque comprende:
- -
- descomponer las señales recibidas, que contienen los datos y secuencias de sincronismo, en varias bandas o rangos de frecuencia;
- -
- detectar las secuencias de sincronismo de cada uno de los rangos o bandas de frecuencia en recepción, mediante la aplicación de un algoritmo de sincronización en el tiempo, para estimar a partir de dicho algoritmo el comienzo de los símbolos OFDM y el error en frecuencia de los osciladores locales en cada banda de frecuencia;
- -
- combinar las estimaciones obtenidas en cada banda de frecuencia.
2. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la descomposición de la señal recibida
en bandas o rangos de frecuencia se realiza aplicando un filtro paso
banda centrado en cada una de las bandas de frecuencia, una
traslación en frecuencia de las señales filtradas para trabajar con
cada banda en banda base y, selectivamente un diezmado para
simplificar la complejidad de la electrónica necesaria para la
detección de la secuencia de sincronismo.
3. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la descomposición de la señal recibida
se realiza simultáneamente mediante un Banco de filtros uniformes y
diezmados con DFT, con la complejidad del filtro paso banda
prototipo, y un circuito de transformada discreta de Fourier
(DFT).
4. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la descomposición de la señal recibida
se realiza mediante un circuito de transformada discreta de Fourier
(DFT).
5. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la detección de las secuencias de
sincronismo se efectúa en cada uno de los rangos o bandas de
frecuencia mediante el maximizado del criterio de máxima
verosimilitud, para realizar la estimación del comienzo de los
símbolos OFDM a partir del cálculo del máximo de correlación
temporal de las muestras de cada banda, determinándose este máximo
como el punto medio de la zona plana del pico de la correlación,
cuyo tamaño en número de muestras es igual al número de muestras de
prefijo cíclico sin interferencia entre símbolos (ISI), y
realizándose posteriormente el cálculo del ángulo de la correlación
en el instante determinado como máximo de correlación en cada una de
las bandas de frecuencia para estimar el error en frecuencia y
ajustar los osciladores a una referencia común.
6. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 5,
caracterizado porque el máximo de la correlación se calcula
mediante la detección de los picos que sobrepasen un umbral de la
potencia en cada una de las bandas o rangos de frecuencia de la
señal recibida, y porque el valor de dicho umbral se fija para
minimizar la probabilidad de que se produzca una falsa alarma,
empleándose, para calcular la correlación, el algoritmo
siguiente:
y la potencia se
calcula:
donde r_{i,d} es la señal
correspondiente a la banda de frecuencias i-ésima en el instante d,
L es el número de muestras en medio símbolo, Pi(d) es la
correlación en la banda i-ésima en el instante d y Ri(d) la
potencia en la banda i-ésima en el instante
d.
7. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 6,
caracterizado porque el cálculo de la correlación y la
potencia se realiza de forma iterativa, almacenando las muestras y
preferiblemente los productos parciales para el cálculo de la
correlación y potencia con la fórmula siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
siendo Pi(d) la correlación
en la banda de frecuencia i-ésima en el instante d, Ri(d) la
potencia en la banda i-ésima en el instante d, y r_{i,x} la señal
correspondiente a la banda i-ésima en el instante
x.
8. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 6,
caracterizado porque el instante de detección de la secuencia
de sincronización en recepción se toma como el punto medio de la
zona que sobrepasa el 90% del máximo de correlación, pero retrasado
un número de muestras adecuado para reducir la interferencia entre
símbolos al mínimo, siendo este número de muestras ajustable.
9. Procedimiento de sincronización en el dominio
del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un sistema de
transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación 6,
caracterizado porque cuando el error en frecuencia es menor
que un umbral previamente fijado se utiliza únicamente la parte real
de la correlación en cada banda.
10. Procedimiento de sincronización en el
dominio del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un
sistema de transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación
1, caracterizado porque los resultados de la estimación del
comienzo de los símbolos OFDM en cada banda de frecuencias se
combinan entre media y media ponderada, para obtener una estimación
con menos varianza.
11. Procedimiento de sincronización en el
dominio del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un
sistema de transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación
1, caracterizado porque se realiza la media del error en
frecuencia de traslación analógico, para reducir la varianza de los
valores de error calculados en cada una de las bandas de
frecuencia.
12. Procedimiento de sincronización en el
dominio del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un
sistema de transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación
1, caracterizado porque se estima el error en frecuencia de
muestreo mediante regresión lineal de los valores de error obtenidos
en cada banda tras la aplicación de la separación en bandas de
frecuencia.
13. Procedimiento de sincronización en el
dominio del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un
sistema de transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación
1, caracterizado porque se estima simultáneamente el error en
frecuencia de traslación analógico y el error de la frecuencia de
muestreo mediante la aplicación de la separación en bandas de
frecuencia.
14. Procedimiento de sincronización en el
dominio del tiempo y de la frecuencia de múltiples equipos en un
sistema de transmisión con modulación OFDM, según la reivindicación
1, caracterizado porque se transmiten y detectan en cada una
de esas bandas señales de coexistencia que se detectan en recepción
mediante la aplicación de la separación en bandas, para que un
sistema pueda conocer si otro ha transmitido o no cierta secuencia
en el canal.
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