BR102012009581B1 - Smooth concurrent backpropagation process for temporal equalization in ofdm systems - Google Patents

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BR102012009581B1
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Fabbryccio Akkazzha C.Machado Cardoso
Dalton Soares Arantes
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Abstract

PROCESSO DE RETRO-PROPAGAÇÃO CONCORRENTE SUAVE PARA EQUALIZAÇÃO TEMPORAL EM SISTEMAS OFDM. Refere-se o presente pedido de patente de invenção a um processo de Retro-propagação Concorrente Suave, que propaga de modo eficiente as informações úteis presentes, no domínio da frequência, com a finalidade de atualizar os coeficientes do equalizador temporal. O objetivo do presente processo de Retro-propagação Concorrente Suave é aumentar a vazão dos dados no sistema OFDM de modo mais eficiente, pois permite que o prefixo cíclico do símbolo OFDM seja reduzido ou até mesmo eliminado.SMOOTH COMPETITIVE BACKPROPAGATION PROCESS FOR TEMPORAL EQUALIZATION IN OFDM SYSTEMS. The present patent application refers to a Smooth Concurrent Backpropagation process, which efficiently propagates the useful information present, in the frequency domain, in order to update the temporal equalizer coefficients. The objective of the present Smooth Concurrent Backpropagation process is to increase the data throughput in the OFDM system more efficiently, as it allows the cyclic prefix of the OFDM symbol to be reduced or even eliminated.

Description

Campo da invençãofield of invention

Refere-se o presente pedido de patente de invenção a um processo de Retro-propagação Concorrente, que propaga de modo eficiente as informações úteis presentes, no domínio da frequência, com a finalidade de atualizar os coeficientes do equalizador temporal. O objetivo do presente processo de Retro-propagação Concorrente é aumentar a vazão dos dados no sistema OFDM de modo mais eficiente, pois permite que o prefixo cíclico do símbolo OFDM seja reduzido ou eliminado.The present patent application refers to a Concurrent Backpropagation process, which efficiently propagates the useful information present, in the frequency domain, in order to update the temporal equalizer coefficients. The objective of the present Concurrent Backpropagation process is to increase the data throughput in the OFDM system more efficiently, as it allows the cyclic prefix of the OFDM symbol to be reduced or eliminated.

Possui aplicabilidade industrial direcionada para ser empregada em receptores coerentes para comunicações ópticas de altíssima capacidade, bem como em receptores de padrões de comunicação como o IEEE 802.11, IEEE 802.16, padrões de televisão digital, podendo-se destacar o DVB-T, ISDB-T e SBTVD. Pode ser empregado também no padrão recém estabelecido de telefonia móvel celular, o LTE (Long Term Evoluton).It has industrial applicability aimed at being used in coherent receivers for very high capacity optical communications, as well as in receivers of communication standards such as IEEE 802.11, IEEE 802.16, digital television standards, including DVB-T, ISDB-T and SBTVD. It can also be used in the newly established standard for cellular mobile telephony, LTE (Long Term Evoluton).

Fundamentos da invençãoFundamentals of the invention

A partir da década de 2000, com a aceleração no processo de digitalização das plantas de telefonia móvel celular e televisão digital, iniciadas na década de 1990, aliada aos novos padrões de comunicações como o IEEE802.16, IEEE 802.11, LTE (Long Term Evoluton) e as aplicações em fibras ópticas para atender demandas de taxas na ordem de terabits por segundo, aumentou a demanda para utilização do espectro de frequência e de banda disponível. Todo este cenário foi sendo desenvolvido em paralelo com a indústria dos dispositivos de processamento digital de sinais, que nesta década de 2010, permite o acesso destas mídias de modo pessoal e portátil com custo reduzido para o usuário. Um exemplo deste cenário é a utilização de dispositivos portáteis, conhecidos como tablets e os celulares da quarta geração, que em breve podem se popularizar em várias partes do mundo.From the 2000s onwards, with the acceleration in the process of digitization of cellular mobile telephony and digital television plants, started in the 1990s, combined with new communications standards such as IEEE802.16, IEEE 802.11, LTE (Long Term Evoluton ) and applications in optical fibers to meet the demands of rates in the order of terabits per second, increased the demand for using the frequency spectrum and available bandwidth. This whole scenario was being developed in parallel with the industry of digital signal processing devices, which in the 2010s, allows access to these media in a personal and portable way with reduced cost for the user. An example of this scenario is the use of portable devices, known as tablets and fourth generation cell phones, which may soon become popular in many parts of the world.

Porém, para que este cenário seja usado de forma plena é necessário utilizar o espectro disponível de modo eficiente. O fato é que o espectro de frequência é um recurso limitado. Deste modo, foram propostas novas tecnologias para atender a demanda crescente por transferência de informação no cenário que foi sendo estabelecido. O sistema OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) foi umas das tecnologias desenvolvidas com o propósito de permitir uma vazão maior dos dados. Esta tecnologia também possibilita o desenvolvimento de sistemas de comunicação com maior robustez contra as imperfeições nos meios de comunicações, seja no espaço livre ou em uma fibra óptica.However, for this scenario to be fully used, it is necessary to use the available spectrum efficiently. The fact is that the frequency spectrum is a limited resource. Thus, new technologies were proposed to meet the growing demand for information transfer in the scenario that was being established. The OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) system was one of the technologies developed with the purpose of allowing a greater throughput of data. This technology also enables the development of communication systems with greater robustness against imperfections in the communications media, whether in free space or in an optical fiber.

Neste sistema digital é possível transmitir áudio, vídeo, imagens estáticas e textos. O sistema OFDM está presente como plataforma de projeto nos padrões de televisão digital europeu, japonês e brasileiro, além da quarta geração de celulares e nos padrões IEEE 802.16 e 802.11. Outra aplicação importante, em evidência, é o emprego do sistema OFDM em fibras ópticas para transmissão de informações na faixa de terabits por segundo. Esta aplicação permite que novos serviços, como computação nas nuvens e televisão digital tri-dimensional de ultra-alta definição possam ser transmitidas no meio de comunicação com eficiência.In this digital system it is possible to transmit audio, video, still images and texts. The OFDM system is present as a project platform in European, Japanese and Brazilian digital television standards, in addition to the fourth generation of cell phones and in the IEEE 802.16 and 802.11 standards. Another important application, in evidence, is the use of the OFDM system in optical fibers to transmit information in the terabits per second range. This application allows new services such as cloud computing and ultra-high definition three-dimensional digital television to be transmitted over the media efficiently.

No estado da técnica do presente pedido de patente de invenção podemos citar documentos como US20040076249, WO/2002/071607 e US7050490. No entanto nenhuma delas visa aplicação para sistemas com modulação OFDM, que é uma das técnicas mais avançadas para comunicações digitais.In the state of the art of the present patent application we can cite documents such as US20040076249, WO/2002/071607 and US7050490. However, none of them are intended to be applied to systems with OFDM modulation, which is one of the most advanced techniques for digital communications.

O sistema OFDM é projetado para mitigar as interferências impostas pelo meio de comunicação, seja o espaço livre ou uma fibra óptica, empregando um tempo de guarda, que é responsável pela minimização destas interferências, denominado de prefixo cíclico.The OFDM system is designed to mitigate the interference imposed by the communication medium, whether free space or an optical fiber, employing a guard time, which is responsible for minimizing these interferences, called cyclic prefix.

Entretanto, o prefixo cíclico que é uma extensão do próprio símbolo OFDM transmitido, penaliza a vazão dos dados. Isto decorre da própria natureza do intervalo de tempo em que o prefixo cíclico é transmitido, com a finalidade de fornecer robustez ao sistema, pois ele carrega apenas informação redundante.However, the cyclic prefix, which is an extension of the transmitted OFDM symbol itself, penalizes the data throughput. This stems from the very nature of the time interval in which the cyclic prefix is transmitted, in order to provide robustness to the system, as it only carries redundant information.

Como os padrões atuais de comunicação precisam fornecer banda de transmissão para o usuário consumir as informações que podem ser processadas pelos dispositivos eletrônicos e ópticos, é de extrema importância priorizar a maximização da vazão dos dados. Deste modo, fica evidente que é prioridade transmitir informação útil em todos os intervalos de tempo disponíveis para a transmissão.As current communication standards need to provide bandwidth for the user to consume the information that can be processed by electronic and optical devices, it is extremely important to prioritize maximizing data throughput. In this way, it is evident that it is a priority to transmit useful information in all available time slots for transmission.

Para elevar a taxa de transmissão no sistema OFDM, foram propostos dispositivos conhecidos como equalizadores temporais ou equalizadores Pré-FFT(Fast Fourier Transformer1). O objetivo destes dispositivos é encurtar o tempo de duração do prefixo cíclico e, portanto, introduzir neste intervalo mais informação útil. A proposta principal de um sistema de equalização é minimizar a interferência entre os símbolos provenientes de um meio de comunicação.To increase the transmission rate in the OFDM system, devices known as temporal equalizers or Pre-FFT (Fast Fourier Transformer1) equalizers were proposed. The purpose of these devices is to shorten the duration of the cyclic prefix and, therefore, introduce more useful information into this interval. The main purpose of an equalization system is to minimize the interference between the symbols coming from a communication medium.

Porém, para os sistemas OFDM a maioria dos equalizadores precisa de uma sequência de treinamento em conjunto com um codificador de canal, para operarem com eficiência o que também provoca redundância nos dados transmitidos.However, for OFDM systems, most equalizers need a training sequence together with a channel encoder, to operate efficiently, which also causes redundancy in the transmitted data.

Outra classe de equalizadores conhecida como autodidata ou cega, prescinde de uma sequência de treinamento. Porém, nem todos os equalizadores desta classe prescindem de um processo de codificação de canal para auxiliar na recepção correta das informações transmitidas no sistema OFDM.Another class of equalizers known as self-taught or blind does not require a training sequence. However, not all equalizers of this class do without a channel coding process to assist in the correct reception of information transmitted in the OFDM system.

No ano de 2001 foi apresentado um novo conceito de equalização denominado de concorrente, cuja patente já foi concedida. Este processo de equalização opera os conhecidos algoritmos CMA(Constant Modulus Algorithm) e DD(Directed Decision) de modo cooperativo. Esta cooperação entre os algoritmos resulta em uma maior velocidade de convergência dos coeficientes do equalizador comparados com os modelos tradicionais de equalização propostos até então. Na evolução deste processo foi apresentado em 2004 um equalizador mais eficiente do ponto de vista de convergência. Este equalizador, denominado de Concorrente suave, se tornou o estado da arte na equalização sem codificação de canal associada.In 2001, a new equalization concept called competitor was presented, whose patent has already been granted. This equalization process operates the well-known CMA (Constant Modulus Algorithm) and DD (Directed Decision) algorithms cooperatively. This cooperation between the algorithms results in a greater speed of convergence of the equalizer coefficients compared to the traditional equalization models proposed so far. In the evolution of this process, a more efficient equalizer was presented in 2004 from the point of view of convergence. This equalizer, called Smooth Competitor, has become the state of the art in equalization without associated channel coding.

Entretanto, o equalizador concorrente foi desenvolvido com dois filtros digitais e para sistemas com uma única portadora de transmissão. Como o sistema OFDM é um modelo com múltiplas portadoras, são necessárias modificações significativas para o sistema operar de modo satisfatório.However, the concurrent equalizer was developed with two digital filters and for systems with a single transmission carrier. As the OFDM system is a multi-carrier model, significant modifications are required for the system to operate satisfactorily.

O processo de retro-propagação concorrente suave propõe propagar as informações presentes no domínio da frequência para atualizar os coeficientes de equalizadores que possam operar no sistema OFDM. A princípio, a proposta de retro-propagação pode ser empregada em conjunto com qualquer tipo de algoritmo. A presente proposta prevê a criação de um processo de retro-propagação aplicada em sistemas OFDM para operar o algoritmo concorrente.The concurrent smooth back propagation process proposes to propagate the information present in the frequency domain to update the equalizer coefficients that can operate in the OFDM system. In principle, the backpropagation proposal can be used in conjunction with any type of algorithm. The present proposal foresees the creation of a back-propagation process applied in OFDM systems to operate the concurrent algorithm.

Deste modo, é possível minimizar o prefixo cíclico, combater a interferência provocada pelo canal de comunicação e como consequência elevar a taxa de transmissão do sistema OFDM com um desempenho muito bom se comparado a técnica OFDM com prefixo cíclico, ou até mesmo com o emprego de equalizadores temporais convencionais. Além disto, é proposto um sistema de equalização com apenas um filtro, com o objetivo de diminuir a complexidade computacional do processo de retro-propagação concorrente. A complexidade do processo de retro-propagação é um pouco maior que o sistema OFDM convencional, mas justifica-se pelo aumento na taxa de transmissão. O esforço no desenvolvimento do processo de retro-propagação está motivado em função do aumento na demanda que o cenário futuro das comunicações projeta.In this way, it is possible to minimize the cyclic prefix, combat the interference caused by the communication channel and, as a consequence, increase the transmission rate of the OFDM system with a very good performance compared to the OFDM technique with cyclic prefix, or even with the use of conventional temporal equalizers. Furthermore, an equalization system with only one filter is proposed, in order to reduce the computational complexity of the concurrent backpropagation process. The backpropagation process is a little more complex than the conventional OFDM system, but it is justified by the increase in the transmission rate. The effort to develop the back-propagation process is motivated by the increase in demand that the future communications scenario projects.

Portanto, a presente invenção foi desenvolvida com o objetivo de prover as informações necessárias para que os coeficientes de um equalizador autodidata possam se adaptar eficientemente e em um curto intervalo de tempo. Desta forma aumenta-se a vazão, pois o prefixo cíclico é minimizado mesmo sem a utilização de sequências de treinamento ou codificação de canal.Therefore, the present invention was developed with the objective of providing the necessary information so that the coefficients of a self-taught equalizer can adapt efficiently and in a short time. In this way, the throughput is increased, as the cyclic prefix is minimized even without the use of training sequences or channel coding.

Breve descrição da invençãoBrief description of the invention

Refere-se o presente pedido de patente de invenção a um processo de retro-propagação concorrente suave para sistemas OFDM, que apresenta a habilidade de fornecer, ao mesmo tempo, informações sobre o comportamento da constelação do sinal de recebimento e da informação presente na entrada do receptor OFDM para adaptar os coeficientes do equalizador temporal. Este processo foi proposto para o estado da arte em termos de equalização, denominada de concorrente. As principais vantagens do referido processo consistem em fornecer informações eficientes para o equalizador autodidata temporal mitigar as interferências entre os símbolos, permitir a minimização do prefixo cíclico, aumentar a vazão dos dados em receptores sem fio e ópticos que operam na plataforma OFDM, obter curvas de desempenho superiores ao método convencional com o prefixo cíclico.The present patent application refers to a concurrent smooth back-propagation process for OFDM systems, which has the ability to provide, at the same time, information about the behavior of the receiving signal constellation and the information present at the input. of the OFDM receiver to adapt the temporal equalizer coefficients. This process was proposed for the state of the art in terms of equalization, called concurrent. The main advantages of this process are to provide efficient information for the self-taught temporal equalizer to mitigate interference between symbols, to allow the minimization of the cyclic prefix, to increase the data throughput in wireless and optical receivers that operate on the OFDM platform, to obtain performance superior to the conventional method with the cyclic prefix.

O presente pedido de patente trata, portanto, de um processo de retro-propagação concorrente suave para equalização temporal autodidata em sistemas OFDM, no qual o referido processo propaga informações presentes no domínio da frequência para que algoritmos como o CMA e o SDD(Soft DD), atuando em modo cooperativo, possam adaptar eficientemente os coeficientes do equalizador temporal. O objetivo deste processo de retro-propagação para a equalização temporal em sistemas OFDM é minimizar a interferência entre os símbolos, ocasionada pelo efeito dispersivo do meio de comunicação.The present patent application therefore deals with a soft concurrent back-propagation process for self-taught temporal equalization in OFDM systems, in which the referred process propagates information present in the frequency domain so that algorithms such as CMA and SDD (Soft DD ), acting in cooperative mode, can efficiently adapt the temporal equalizer coefficients. The objective of this back-propagation process for temporal equalization in OFDM systems is to minimize the interference between the symbols, caused by the dispersive effect of the communication medium.

Uma vez mitigado o efeito dispersivo do canal de comunicação, pelo processo de retro-propagação associado à equalização temporal, não é mais necessário empregar o prefixo cíclico, possibilitando o aumento na vazão dos dados úteis, tendo em vista que o prefixo cíclico transmite apenas informação redundante. O processo tem o seguinte princípio de funcionamento: A equalização é realizada por um único filtro, aqui destacado como “c”, cujo resultado da filtragem define o sinal de saída após a FFT como rn(/c), que será empregado no processo da estrutura de retro-propagação concorrente. No processo em questão esta estrutura retro-propaga o gradiente estocástico do erro, medido no domínio da frequência, como informação útil para adaptar os coeficientes do equalizador temporal. Essa estratégia possibilita o uso de informações previamente conhecidas sobre a constelação do sinal nas subportadoras, a fim de se minimizar funções de custo de algoritmos de adaptação tradicionais. Os coeficientes do filtro são adaptados através de métodos de gradiente, ou equivalentes, baseados em uma função de custo que dependendo do algoritmo utilizado, pode medir uma dispersão estatística de rn(/c) ou ser baseado em uma função de custo que mede a distância de rn(7c) ao símbolo mais próximo do alfabeto digital de forma a respeitar algum critério como o MAP (Máximo a Posteriori), que é um processo de aprendizagem da Probabilidade de Máximo a Posteriori. O índice n representa um instante de tempo e ko índice referente à k-ésima sub-portadora envolvida no processo de transmissão. Neste processo de retro-propagação os algoritmos envolvidos atuam de forma cooperativa ou concorrente. A principal vantagem do referido processo é o funcionamento eficiente da estrutura de equalização concorrente, que permite a minimização ou em alguns cenários até mesmo a eliminação do prefixo cíclico.Once the dispersive effect of the communication channel has been mitigated, by the back-propagation process associated with temporal equalization, it is no longer necessary to use the cyclic prefix, allowing an increase in the throughput of useful data, given that the cyclic prefix transmits only information redundant. The process has the following working principle: Equalization is performed by a single filter, highlighted here as “c”, whose filtering result defines the output signal after the FFT as rn(/c), which will be used in the process of concurrent backpropagation structure. In the process in question, this structure back propagates the stochastic error gradient, measured in the frequency domain, as useful information to adapt the temporal equalizer coefficients. This strategy allows the use of previously known information about the signal constellation in the subcarriers, in order to minimize the cost functions of traditional adaptation algorithms. The filter coefficients are adapted through gradient methods, or equivalent, based on a cost function that, depending on the algorithm used, can measure a statistical dispersion of rn(/c) or be based on a cost function that measures the distance from rn(7c) to the closest symbol of the digital alphabet in order to respect some criterion such as the MAP (Maximum to Posterior), which is a learning process of the Probability from Maximum to Posteriori. The index n represents an instant of time and k the index referring to the k-th sub-carrier involved in the transmission process. In this back-propagation process, the algorithms involved act in a cooperative or concurrent way. The main advantage of this process is the efficient operation of the concurrent equalization structure, which allows the minimization or in some scenarios even the elimination of the cyclic prefix.

O processo de retro-propagação pode ser implementado em sistemas de comunicação sem fio e em receptores de fibras ópticas que utilizam a técnica OFDM como plataforma de comunicação.The back-propagation process can be implemented in wireless communication systems and in fiber optic receivers that use the OFDM technique as a communication platform.

É importante enfatizar que o objeto de patente é o processo de retro-propagação para sistemas de equalização temporal em sistemas OFDM e não o processo de concorrência entre os algoritmos, que já está patenteada em algumas partes do mundo com os números US20040076249 e WIPO Patent Application WO/2002/071607. Embora o processo de concorrência entre os algoritmos já está patenteado para sistemas de comunicação com uma única portadora, não existe proposta de patente para a equalização concorrente temporal em sistemas OFDM. Deste modo, pretende-se concluir que o processo de retro-propagação concorrente suave é um novo método capaz de proporcionar um desempenho e uma vazão comparativamente superiores ao método tradicional empregando o prefixo cíclico como solução para minimizar a interferência entre os símbolos OFDM.It is important to emphasize that the object of the patent is the process of back-propagation for temporal equalization systems in OFDM systems and not the process of competition between the algorithms, which is already patented in some parts of the world with the numbers US20040076249 and WIPO Patent Application. WO/2002/071607. Although the process of concurrency between algorithms is already patented for communication systems with a single carrier, there is no patent proposal for concurrent temporal equalization in OFDM systems. Thus, it is intended to conclude that the smooth concurrent backpropagation process is a new method capable of providing a performance and a throughput comparatively superior to the traditional method employing the cyclic prefix as a solution to minimize the interference between the OFDM symbols.

O processo de retro-propagação concorrente suave tem como vantagens enviar informações úteis e com eficiência para a rápida convergência dos coeficientes do equalizador temporal, a minimização do prefixo cíclico, possibilitando o aumento na vazão dos dados transmitidos sem alocar mais banda de frequência, bom desempenho frente a canais com múltiplos percursos e a utilização em sistema de comunicações ópticas de alta velocidade que utilizam a plataforma OFDM.The smooth concurrent backpropagation process has the advantages of sending useful information and efficiently for the rapid convergence of the temporal equalizer coefficients, the minimization of the cyclic prefix, allowing the increase in the transmitted data throughput without allocating more frequency band, good performance against channels with multiple paths and use in high-speed optical communications systems using the OFDM platform.

Breve descrição das figurasBrief description of figures

A Figura 1 ilustra a representação, através de um filtro FIR, da resposta impulsiva do canal de comunicação. A Figura 2 ilustra o diagrama simplificado em banda-base, representando o processo de substituição do prefixo cíclico por um equalizador temporal em um sistema OFDM, sendo que o equalizador temporal tem como objetivo mitigar as interferências provocadas pela dispersão na resposta impulsiva do canal de comunicação. O canal de comunicação pode ser considerado qualquer meio capaz de transportar informações pertencentes a um alfabeto digital. A Figura 3 ilustra o diagrama em blocos do processo de retro- propagação concorrente em banda básica para o equalizador temporal. A Figura 4 ilustra o sistema de recepção OFDM com a inclusão do equalizador EDT e EDF. A Figura 5 ilustra a região de decisão para o algoritmo SDD. A Figura 6 ilustra o desempenho do sistema, dado por BER x Eb/NQ, para θ primeiro cenário da Tabela 2, com PC = 0, insuficiente para prevenir a interferência entre os símbolos OFDM. A Figura 7 ilustra o desempenho do sistema, dado por BER x Eb/N0, para o segundo cenário da Tabela 2, com PC - 0, insuficiente para prevenir a interferência entre os símbolos OFDM. A Figura 8 ilustra o desempenho do sistema, dado por BER x Eb/N0, para o terceiro cenário da Tabela 2, com PC = 0, insuficiente para prevenir a interferência entre os símbolos OFDM. A Figura 9 ilustra o desempenho do sistema, dado por BER x Eb/N0, para o quarto cenário da Tabela 2, com PC = 0, insuficiente para prevenir a interferência entre os símbolos OFDM. A Figura 10 ilustra o diagrama da constelação do sinal 64 QAM, após a convergência do processo de equalização, para uma relação Eb/N0 de 60 dB, usando o canal Brazil A, com PC = 1/128. A Figura 11 ilustra o diagrama da constelação do sinal 64 QAM, após a convergência do processo de equalização, para uma relação Eb/N0 de 60 dB, usando o canal Brazil B, com PC = 1/128. A Figura 12 ilustra o diagrama da constelação do sinal 64 QAM, após a convergência do processo de equalização, para uma relação Eb/N0 de 60 dB, usando o canal Brazil E, com PC = 1/128. A Figura 13 ilustra o diagrama da constelação do sinal 64 QAM, após a convergência do processo de equalização, para uma relação Eb/N0 de 60 dB, usando o canal DVB, com PC = 1/128.Figure 1 illustrates the representation, through a FIR filter, of the impulse response of the communication channel. Figure 2 illustrates the simplified baseband diagram, representing the process of replacing the cyclic prefix by a temporal equalizer in an OFDM system, where the temporal equalizer aims to mitigate interference caused by dispersion in the impulse response of the communication channel . The communication channel can be considered any medium capable of carrying information belonging to a digital alphabet. Figure 3 illustrates the block diagram of the concurrent baseband backpropagation process for the temporal equalizer. Figure 4 illustrates the OFDM reception system with the inclusion of the EDT and EDF equalizer. Figure 5 illustrates the decision region for the SDD algorithm. Figure 6 illustrates the system performance, given by BER x Eb/NQ, for θ first scenario of Table 2, with PC = 0, insufficient to prevent interference between OFDM symbols. Figure 7 illustrates the system performance, given by BER x Eb/N0, for the second scenario in Table 2, with PC - 0, insufficient to prevent interference between OFDM symbols. Figure 8 illustrates the system performance, given by BER x Eb/N0, for the third scenario in Table 2, with PC = 0, insufficient to prevent interference between OFDM symbols. Figure 9 illustrates the system performance, given by BER x Eb/N0, for the fourth scenario in Table 2, with PC = 0, insufficient to prevent interference between OFDM symbols. Figure 10 illustrates the constellation diagram of the 64 QAM signal, after the convergence of the equalization process, for an Eb/N0 ratio of 60 dB, using the Brazil A channel, with PC = 1/128. Figure 11 illustrates the constellation diagram of the 64 QAM signal, after the convergence of the equalization process, for an Eb/N0 ratio of 60 dB, using the Brazil B channel, with PC = 1/128. Figure 12 illustrates the constellation diagram of the 64 QAM signal, after the convergence of the equalization process, for an Eb/N0 ratio of 60 dB, using the Brazil E channel, with PC = 1/128. Figure 13 illustrates the constellation diagram of the 64 QAM signal, after the convergence of the equalization process, for an Eb/N0 ratio of 60 dB, using the DVB channel, with PC = 1/128.

Descrição detalhada da invençãoDetailed description of the invention

Refere-se o presente pedido de patente de invenção a um processo de retro-propagação concorrente suave, que propaga de modo eficiente as informações úteis presentes, no domínio da frequência, com a finalidade de atualizar os coeficientes do equalizador temporal. Basicamente, o referido processo dá-se a partir das seguintes etapas: 1. Inicializar o vetor “c” dos coeficientes do equalizador temporal com o valor unitário. Este vetor tem dimensão J. A inicialização do vetor com os coeficientes do equalizador temporal deve ser realizada de forma que apenas um dos coeficientes tenha este valor unitário. 2. Iniciar o indexador das amostras recebidas por amostragem fracionária do canal: q = 0. 3. Iniciar o indexador do regressor do canal: n = 0. 4. Obter o n-ésimo regressor do canal para a entrada do equalizador temporal, hn(q), onde este representa a sequência de amostras recebidas por amostragem fracionária Ts/2 do canal, com q = 0,2,4,6,8,sendo M o número total de amostras de um símbolo OFDM e PC o comprimento do prefixo cíclico. 5. Obter a saída do equalizador temporal para o símbolo OFDM no instante n: 6. Atualizar os coeficientes do equalizador temporal através do processo de retro-propagação concorrente suave, calculando- se todos os parâmetros, como o erro, o gradiente estocástico, a função de probabilidade, que permitam a atualização dos coeficientes do equalizador temporal. 7. Incrementar indexadores: q = q + 2, n = n + 1. 8. Finalizar o processo.The present patent application relates to a smooth concurrent backpropagation process, which efficiently propagates the useful information present, in the frequency domain, for the purpose of updating the temporal equalizer coefficients. Basically, this process starts with the following steps: 1. Initialize the vector “c” of the temporal equalizer coefficients with the unit value. This vector has dimension J. The initialization of the vector with the temporal equalizer coefficients must be performed in such a way that only one of the coefficients has this unit value. 2. Start the indexer of samples received by channel fractional sampling: q = 0. 3. Start the channel regressor indexer: n = 0. 4. Get the nth channel regressor for the temporal equalizer input, hn (q), where this represents the sequence of samples received by fractional sampling Ts/2 of the channel, with q = 0,2,4,6,8, where M is the total number of samples of an OFDM symbol and PC is the length of the cyclic prefix. 5. Obtain the temporal equalizer output for the OFDM symbol at instant n: 6. Update the temporal equalizer coefficients through the smooth concurrent backpropagation process, calculating all parameters, such as error, stochastic gradient, probability function, which allow the updating of the temporal equalizer coefficients. 7. Increment indexes: q = q + 2, n = n + 1. 8. End the process.

Os sistemas projetados com a técnica OFDM, são considerados eficientes frente a cenários que apresentam superposição dos raios de propagação. Esta superposição é conhecida na área das telecomunicações como múltiplo percurso. Este tipo de interferência provoca a sobreposição entre os símbolos transmitidos, levando ao erro dos bits e consequentemente a uma diminuição na taxa de transmissão.The systems designed with the OFDM technique are considered efficient against scenarios that present superposition of propagation rays. This superposition is known in the telecommunications area as multiple path. This type of interference causes overlapping between the transmitted symbols, leading to bit error and consequently to a decrease in the transmission rate.

A origem da superposição dos raios transmitidos ocorre em decorrência da dispersão na resposta impulsiva de um canal de comunicação prático. A dispersão está relacionada a uma resposta impulsiva do canal que não assume valores nulos ao longo dos intervalos amostrais.The origin of the superposition of transmitted rays occurs as a result of the dispersion in the impulsive response of a practical communication channel. Scatter is related to an impulsive channel response that does not assume null values over sample intervals.

Considerando a sequência de dados transmitidos como s(n) e o perfil da resposta impulsiva do canal de comunicação como h(n), a dispersão do canal de comunicação é entendida como o resultado da soma do produto entre as amostras passadas da sequência dos dados transmitidas e a resposta h(n). A simbologia matemática usada para esta operação é dada por x(n) = h(n) * s(n). Portanto, esta expressão pode ser escrita como x(n) = h(0)s(n) + h(l)s(n - 1) + ••• + h(M - l)s(n - M + 1), onde M é o índice que representa o valor máximo da dispersão do canal. Esta expressão pode ser modelada através de uma estrutura de filtragem conhecida como FIR(F/n/te Impulse Response) ilustrada na Figura 1.Considering the transmitted data sequence as s(n) and the communication channel impulse response profile as h(n), the communication channel dispersion is understood as the result of the sum of the product between the past samples of the data sequence transmitted and the response h(n). The mathematical symbology used for this operation is given by x(n) = h(n) * s(n). Therefore, this expression can be written as x(n) = h(0)s(n) + h(l)s(n - 1) + ••• + h(M - l)s(n - M + 1 ), where M is the index representing the maximum channel dispersion value. This expression can be modeled through a filtering structure known as FIR(F/n/t and Impulse Response) illustrated in Figure 1.

O termo T representa o atraso de uma amostra na estrutura FIR. Desta forma, a dispersão do canal pode ser atribuída ao efeito que cada amostra recebida s(n) associa em função dos ecos de amostras já existentes na memória da resposta impulsiva h(n) do filtro FIR ilustrado na Figura 1. Com o valor desta associação é possível obter um índice da interferência entre os símbolos provocados pela quantidade de símbolos sobrepostos uns aos outros.The term T represents the delay of a sample in the FIR structure. In this way, channel dispersion can be attributed to the effect that each received sample s(n) associates as a function of the echoes of samples already existing in the memory of the impulsive response h(n) of the FIR filter illustrated in Figure 1. With the value of this association it is possible to obtain an index of the interference between the symbols caused by the number of symbols superimposed on each other.

A mitigação deste tipo de interferência, em sistemas OFDM, é resolvida através do emprego do prefixo cíclico. Este prefixo é uma extensão do próprio símbolo transmitido.The mitigation of this type of interference, in OFDM systems, is solved through the use of the cyclic prefix. This prefix is an extension of the transmitted symbol itself.

Quando a dispersão do canal de comunicação é menor do que a duração do intervalo do prefixo cíclico, é possível mitigar os efeitos nocivos sobre os dados recebidos. Como o fator motivador na concepção da tecnologia OFDM foi aumentar a vazão dos dados, a inserção de um prefixo cíclico não é uma solução ideal, pois no intervalo temporal destinado ao prefixo cíclico nenhuma informação nova é transmitida.When the dispersion of the communication channel is less than the duration of the cyclic prefix interval, it is possible to mitigate the harmful effects on the received data. As the motivating factor in the design of OFDM technology was to increase the data throughput, the insertion of a cyclic prefix is not an ideal solution, because in the time interval destined to the cyclic prefix, no new information is transmitted.

Deste modo, o processo de equalização temporal é uma alternativa interessante para ser proposta em sistemas que empregam a técnica OFDM. A Figura 2 ilustra o diagrama simplificado do processo de equalização responsável pela minimização ou até mesmo a eliminação do prefixo cíclico.Thus, the temporal equalization process is an interesting alternative to be proposed in systems that employ the OFDM technique. Figure 2 illustrates the simplified diagram of the equalization process responsible for minimizing or even eliminating the cyclic prefix.

Independente do canal de comunicação (eletromagnético, óptico, acústico, etc...) empregado na transmissão de uma informação entre dois pontos distintos geograficamente, a tendência dos sistemas digitais modernos é que sejam projetados para atender a uma demanda crescente na transferência de informações. Esta demanda está, em parte, sendo impulsionada pelos dispositivos pessoais, como os Tablets, a quarta geração do sistema de comunicação móvel celular e as novas mídias que estão sendo projetadas para suportar aplicações em terceira dimensão, com já mencionado na seção de fundamentos da invenção.Regardless of the communication channel (electromagnetic, optical, acoustic, etc.) used in the transmission of information between two geographically distinct points, the trend of modern digital systems is that they are designed to meet a growing demand in information transfer. This demand is, in part, being driven by personal devices such as Tablets, the fourth generation cellular mobile communication system, and new media that are being designed to support third-dimensional applications, as already mentioned in the Fundamentals of Invention section. .

Neste cenário o mercado de comunicação demanda por altas taxas de transferência de informação. Sabendo que o recurso disponível da faixa de frequência é limitado e já está saturado por diversas aplicações, civis e militares, vale ressaltar que qualquer dispositivo ou artifício que possa aumentar a vazão dos sistemas sem alocar mais banda de frequência é bem vindo.In this scenario, the communication market demands high information transfer rates. Knowing that the available frequency band resource is limited and is already saturated by several applications, civil and military, it is worth mentioning that any device or artifice that can increase the throughput of the systems without allocating more frequency band is welcome.

Ciente deste cenário comercial por demanda na transferência de informação é proposto como objeto deste requerimento de patente, o Processo de Retro-propagação Concorrente Suave Autodidata para equalização em sistemas OFDM. A filosofia autodidata refere-se à capacidade que um dispositivo tem de automatizar um processo, sem conhecimento prévio de qualquer informação da fonte. Esta classe de dispositivos no estudo da equalização é denominado de cego (blind equalizers). O processo de retro- propagação Concorrente para equalização temporal proposto neste descritivo é projetado para ser autodidata. Portanto, não há necessidade de informações de treinamento emitidas pela fonte para operar. Deste modo, é possível colaborar ainda mais com a diminuição da banda-passante necessária na comunicação, pois além do processo de retro-propagação concorrente permitir uma redução no prefixo cíclico, não é preciso enviar informação de treinamento para o sistema OFDM. É importante enfatizar que neste pedido de patente, em especial, o processo foi testado para a equalização concorrente, que é o estado da arte em equalização de canais.Aware of this commercial scenario on demand in the transfer of information, the Self-taught Smooth Concurrent Retropropagation Process for equalization in OFDM systems is proposed as the object of this patent application. The self-taught philosophy refers to the ability of a device to automate a process, without prior knowledge of any information from the source. This class of devices in the study of equalization is called blind equalizers. The Concurrent back propagation process for temporal equalization proposed in this description is designed to be self-taught. Therefore, there is no need for training information issued by the source to operate. In this way, it is possible to collaborate even more with the reduction of the necessary bandwidth in the communication, because in addition to the concurrent back-propagation process allowing a reduction in the cyclic prefix, it is not necessary to send training information to the OFDM system. It is important to emphasize that in this patent application, in particular, the process was tested for concurrent equalization, which is the state of the art in channel equalization.

O processo de Retro-propagação Concorrente Suave apresentado nesta solicitação de patente é uma contribuição para os projetos de receptores em sistemas OFDM sem fio e ópticosThe Smooth Concurrent Backpropagation process presented in this patent application is a contribution to receiver designs in wireless and optical OFDM systems.

O diagrama em blocos do receptor OFDM resultante da inclusão do processo de retro-propagação é ilustrado na Figura 3. A invenção foi concebida em conjunto com um equalizador temporal fracionário. O objetivo é realizar esta tarefa empregando um processo de adaptação para os coeficientes do equalizador temporal, similar à do algoritmo LMS(Leasí Mean Square), porém usando a retro-propagação do gradiente estocástico do erro, medida no domínio da frequência, como informação útil para adaptar os coeficientes do equalizador temporal. Essa estratégia possibilita o uso de informações previamente conhecidas sobre a constelação do sinal nas subportadoras, a fim de se minimizar funções de custo como a dos algoritmos CMA e do SDD(Soft Decicion Direct). Além disso, é proposto um esquema para que os algoritmos CMA e SDD atuem de modo concorrente.The block diagram of the OFDM receiver resulting from the inclusion of the backpropagation process is illustrated in Figure 3. The invention was conceived in conjunction with a fractional temporal equalizer. The objective is to accomplish this task using an adaptation process for the temporal equalizer coefficients, similar to the LMS algorithm (Leasí Mean Square), but using the backpropagation of the stochastic error gradient, measured in the frequency domain, as useful information. to adapt the temporal equalizer coefficients. This strategy makes it possible to use previously known information about the signal constellation in the subcarriers, in order to minimize cost functions such as those of the CMA and SDD (Soft Decision Direct) algorithms. Furthermore, a scheme is proposed for the CMA and SDD algorithms to act concurrently.

O desenvolvimento do processo de retro-propagação concorrente suave foi feito em duas etapas. Na primeira etapa foi realizada uma derivação com o algoritmo CMA, e a segunda uma derivação para o algoritmo SDD. Inicia-se a explicação do processo considerando a saída do equalizador Pré- FFT dada por dnpÍQ) — ■^•np(Q)^np(Q) θ ^ní(Q) onde xrípÇ(j') e Xnitq) representam as entradas dos dados do equalizador temporal fracionário, sendo cnp and cni os coeficientes par e ímpar do equalizador, respectivamente, conforme ilustra a Figura 3.The development of the smooth concurrent backpropagation process was done in two steps. In the first step, a derivation with the CMA algorithm was performed, and the second a derivation with the SDD algorithm. The explanation of the process begins considering the output of the Pre-FFT equalizer given by dnpÍQ) — ■^•np(Q)^np(Q) θ ^ní(Q) where xrípÇ(j') and Xnitq) represent the inputs of the fractional temporal equalizer data, with cnp and cni being the even and odd coefficients of the equalizer, respectively, as shown in Figure 3.

Para explicar o desenvolvimento do processo de retro-propagação referente ao algoritmo CMA, considere o sistema de recepção OFDM, com ênfase no EDT(Equalizador no Domínio do Tempo) e no EDF(Equalizador no Domínio da Frequência), conforme ilustra a Figura 4.To explain the development of the backpropagation process referring to the CMA algorithm, consider the OFDM reception system, with emphasis on EDT (Time Domain Equalizer) and EDF (Frequency Domain Equalizer), as illustrated in Figure 4.

O princípio da metodologia matemática empregado para tornar o processo de retro-propagação possível de apresentar resultados eficazes, usando o algoritmo CMA, foi desenvolvido derivando-se a saída rn(k), após a FFT, com relação aos coeficientes do equalizador temporal c7. Deste modo, os coeficientes c7 do equalizador temporal são adaptados a cada símbolo OFDM pela retro-propagação da função de custo do gradiente estocástico do erro calculado no domínio da frequência para o domínio do tempo. Portanto, esta estratégia possibilita o uso de informações previamente conhecidas sobre a constelação do sinal nas sub-portadoras, a fim de minimizar a função de custo CMA.The principle of the mathematical methodology used to make the backpropagation process possible to present effective results, using the CMA algorithm, was developed by deriving the output rn(k), after the FFT, with respect to the coefficients of the temporal equalizer c7. In this way, the temporal equalizer coefficients c7 are adapted to each OFDM symbol by back propagation of the stochastic gradient cost function of the calculated error in the frequency domain to the time domain. Therefore, this strategy makes it possible to use previously known information about the signal constellation in the sub-carriers, in order to minimize the CMA cost function.

Neste texto o índice k é assumido como sendo o k-ésimo coeficiente da sub-portadora que é recebida pelo EDF e o índice n corresponde ao n-ésimo símbolo OFDM.In this text the index k is assumed to be the kth coefficient of the sub-carrier that is received by the EDF and the index n corresponds to the nth OFDM symbol.

O projeto do algoritmo considera a função de custo do conhecido algoritmo CMA dado por

Figure img0001
. Porém, esta função de customização é útil para minimizar o erro apenas em uma das portadoras do sistema OFDM. Para minimizar o erro em todas as portadoras, é necessária uma alteração na função de custo do algoritmo CMA para contemplar todas as portadoras, levando a equação dada por
Figure img0002
. O vetor com os valores do gradiente estocástico é definido por
Figure img0003
Figure img0004
ondθ j é o índice que representa o número de coeficientes do equalizador temporal em cada braço par e ímpar do equalizador. O sub-índices R e I representam a parte real e imaginária, respectivamente, dos coeficientes complexos em um conjunto . Neste conjunto os coeficientes do equalizador para o termo par
Figure img0005
são complexos e dados por
Figure img0006
. A mesma representação se aplica para o termo fracionário ímpar. Por motivo de simplicidade, o algoritmo de retro-propagação é derivado neste texto somente para atualizar os coeficientes pares do equalizador. A mesma abordagem e resultados são obtidos para os coeficientes ímpares.The algorithm design considers the cost function of the well-known CMA algorithm given by
Figure img0001
. However, this customization function is useful to minimize the error in only one of the carriers of the OFDM system. To minimize the error on all carriers, it is necessary to change the cost function of the CMA algorithm to cover all carriers, leading to the equation given by
Figure img0002
. The vector with the stochastic gradient values is defined by
Figure img0003
Figure img0004
ondθ j is the index that represents the number of temporal equalizer coefficients in each even and odd equalizer arm. The subscripts R and I represent the real and imaginary part, respectively, of the complex coefficients in a set. In this set the equalizer coefficients for the even term
Figure img0005
are complex and given by
Figure img0006
. The same representation applies for the odd fractional term. For simplicity, the backpropagation algorithm is derived in this text only to update the even coefficients of the equalizer. The same approach and results are obtained for the odd coefficients.

Considerando o termo geral do braço par, podemos escrever as equações como

Figure img0007
. Para encontrar o gradiente é necessário resolver derivadas de primeira ordem. O desenvolvimento será conduzido para uma única portadora e na análise final será estendida para todas as sub-portadoras.Considering the general term of the even arm, we can write the equations as
Figure img0007
. To find the gradient it is necessary to solve for first order derivatives. Development will be conducted for a single carrier and in the final analysis it will be extended to all subcarriers.

Resolvendo o termo real e imaginário na equação do gradiente

Figure img0008
caminhamos para as seguintes equações
Figure img0009
Figure img0010
Figure img0011
Solving the real and imaginary term in the gradient equation
Figure img0008
we go to the following equations
Figure img0009
Figure img0010
Figure img0011

Reescrevendo as equações para

Figure img0012
θ substituindo na equação do gradiente
Figure img0013
, resulta na equação
Figure img0014
Note que o termo
Figure img0015
corresponde ao conjugado da transformada de Fourier. Se T é o operador da transformada de Fourier, esta equação torna- se
Figure img0016
. Desde que 0 termo
Figure img0017
θ sabendo que
Figure img0018
, a equação resulta em
Figure img0019
onde
Figure img0020
e a matriz com M linhas e uma coluna, representando os coeficientes de Fourier para cada subportadora. Definindo
Figure img0021
a equação do gradiente estocástico considerando todos os coeficientes do equalizador para o braço par no gradiente, é dada por
Figure img0022
Rewriting the equations for
Figure img0012
θ substituting in the gradient equation
Figure img0013
, results in the equation
Figure img0014
Note that the term
Figure img0015
corresponds to the conjugate of the Fourier transform. If T is the Fourier transform operator, this equation becomes
Figure img0016
. Since 0 term
Figure img0017
θ knowing that
Figure img0018
, the equation results in
Figure img0019
Where
Figure img0020
and the matrix with M rows and one column, representing the Fourier coefficients for each subcarrier. defining
Figure img0021
the stochastic gradient equation considering all equalizer coefficients for the even arm in the gradient, is given by
Figure img0022

A expressão do gradiente estocástico,

Figure img0023
foi obtida para a k-ésima subportadora. Para obter a equalização de atualização final para o l-ésimo coeficiente, é preciso considerar a contribuição de todas as sub- portadoras no sentido de encontrar a equação. Desta forma a equação para atualização dos coeficientes é descrita por
Figure img0024
The expression of the stochastic gradient,
Figure img0023
was obtained for the kth subcarrier. To obtain the final update equalization for the lth coefficient, it is necessary to consider the contribution of all subcarriers in order to find the equation. In this way, the equation for updating the coefficients is described by
Figure img0024

Considerando 57-1 como o operador da transformada inversa de Fourier, temos a equação para atualização do l-ésimo coeficiente do braço par dad0 P°r

Figure img0025
Considering 57-1 as the inverse Fourier transform operator, we have the equation for updating the l-th coefficient of the even arm dad0 P°r
Figure img0025

Considerando todos os coeficientes a equação para atualizar estes coeficientes pode ser escrita como

Figure img0026
Para ° braço par e
Figure img0027
Figure img0028
para o braço ímpar.Considering all coefficients, the equation for updating these coefficients can be written as
Figure img0026
For ° even arm and
Figure img0027
Figure img0028
for the odd arm.

A IFFT(/nverse Fast Fourier Transformei1) tem M termos sendo usado para atualizar os coeficientes do equalizador. Este equalizador apresenta somente J coeficientes, onde J < M. Portanto, é necessário truncar a IFFT em J termos. Deste modo, a matriz da transformada inversa de Fourier em pode ser escrita como

Figure img0029
O vetor
Figure img0030
pode ser definido por
Figure img0031
para
Figure img0032
pode ser definido por
Figure img0033
The IFFT(/nverse Fast Fourier Transformei1) has M terms being used to update the equalizer coefficients. This equalizer has only J coefficients, where J < M. Therefore, it is necessary to truncate the IFFT in J terms. Thus, the inverse Fourier transform matrix in can be written as
Figure img0029
the vector
Figure img0030
can be defined by
Figure img0031
for
Figure img0032
can be defined by
Figure img0033

A segunda parte do procedimento foi desenvolvida para a derivação do processo de retro-propagação concorrente SDD. O tratamento no desenvolvimento é o mesmo usado no projeto do processo de retro- propagação CMA. O objetivo é fornecer para o equalizador temporal, informações sobre o estado da intensidade de interferência entre os símbolos, antes que a amplitude e a fase, para cada sub-portadora, seja corrigida pelo EDF. A mudança fundamental está na tradicional função de custo do algoritmo DD que é dada por

Figure img0034
Figure img0035
representa a saída quantizada do equalizador definida por
Figure img0036
The second part of the procedure was developed for the derivation of the concurrent backpropagation process SDD. The treatment in development is the same as in the design of the CMA backpropagation process. The objective is to provide the temporal equalizer with information about the state of the interference intensity between the symbols, before the amplitude and phase, for each sub-carrier, are corrected by the EDF. The fundamental change is in the traditional cost function of the DD algorithm which is given by
Figure img0034
Figure img0035
represents the quantized equalizer output defined by
Figure img0036

O termo sü representa um dos pontos da região de decisão, resultando na divisão do plano complexo em M/4 regiões regulares, ilustrado na Figura 5. Deste modo, o temo sa é um símbolo da constelação M-QAM, interior a um grupo de pontos definidos por

Figure img0037
Figure img0038
onde
Figure img0039
sendo L um número inteiro.The term sü represents one of the decision region points, resulting in the division of the complex plane into M/4 regular regions, illustrated in Figure 5. Thus, the term sa is a symbol of the M-QAM constellation, inside a group of points defined by
Figure img0037
Figure img0038
Where
Figure img0039
where L is an integer.

Após a convergência, a saída do equalizador representa a versão da informação quantizada adicionada ao ruído gaussiano. Assim, se os coeficientes do equalizador são adequadamente configurados, a saída do equalizador pode ser modelada por M clusters gaussianos. Cada cluster é representado por

Figure img0040
After convergence, the output of the equalizer represents the version of the quantized information added to the Gaussian noise. Thus, if the equalizer coefficients are properly configured, the equalizer output can be modeled by M Gaussian clusters. Each cluster is represented by
Figure img0040

De acordo com estas considerações, a função de densidade de probabilidade a posteriori rn(k) pode ser aproximada por

Figure img0041
Figure img0042
onde Pqi são as probabilidades a priori dadas por
Figure img0043
According to these considerations, the a posteriori probability density function rn(k) can be approximated by
Figure img0041
Figure img0042
where Pqi are the a priori probabilities given by
Figure img0043

Para minimizar a complexidade computacional, o algoritmo é projetado em um arranjo local. O objetivo é contemplar somente quatro funções exponenciais. Deste modo, o plano da constelação é dividido em M/4 regiões com função de densidade regular, que é ilustrada na figura 5. Cada região tem quatro símbolos da constelação, que é dado por

Figure img0044
Figure img0045
To minimize computational complexity, the algorithm is designed in a local array. The objective is to contemplate only four exponential functions. In this way, the constellation plane is divided into M/4 regions with a regular density function, which is illustrated in figure 5. Each region has four constellation symbols, which is given by
Figure img0044
Figure img0045

Entretanto, se rn(/c) está dentro da região Sa, consegue-se uma aproximação da função de densidade a posteriori, dada por

Figure img0046
Figure img0047
onde cada probabilidade foi igualmente distribuída pelo valor 1/4 . Porém, esta proposta só seria interessante para uma equalização ótima. Para otimizar este resultado é proposta a tradicional solução MAP(Maximum A Posteriori).However, if rn(/c) is within the Sa region, an approximation of the a posteriori density function is obtained, given by
Figure img0046
Figure img0047
where each probability was evenly distributed by the value 1/4 . However, this proposal would only be interesting for an optimal equalization. To optimize this result, the traditional MAP solution (Maximum A Posteriori) is proposed.

O objetivo é projetar o processo de retro-propagação concorrente suave com os algoritmos CMA e SDD operando de forma cooperativa. A função do algoritmo CMA é reduzir o erro para permitir a correta atuação do SDD. O algoritmo SDD é projetado para atender o critério MAP, maximizando o logaritmo da função de densidade de probabilidade local, dada por

Figure img0048
The objective is to design the smooth concurrent backpropagation process with the CMA and SDD algorithms operating cooperatively. The function of the CMA algorithm is to reduce the error to allow the correct performance of the SDD. The SDD algorithm is designed to meet the MAP criterion by maximizing the logarithm of the local probability density function, given by
Figure img0048

Ajustando-se os coeficientes do algoritmo do gradiente estocástico, obtém-se

Figure img0049
Os coeficientes pares e ímpares de adaptação são dados por
Figure img0050
Figure img0051
onde
Figure img0052
Adjusting the coefficients of the stochastic gradient algorithm, we obtain
Figure img0049
The even and odd coefficients of adaptation are given by
Figure img0050
Figure img0051
Where
Figure img0052

A Tabela 1 descreve o procedimento geral para o processo de 10 retro-propagação concorrente suave aplicado à equalização de um canal com amostragem fracionária.

Figure img0053
Figure img0054
Tabela 1: Sumário geral das operações realizadas pelo processo de Retro- Propagação Concorrente Suave para sistemas OFDM de comunicação. portadoras de dados são moduladas com 64-QAM e os tons pilotos com BPSK. Os parâmetros para o processo de retro-propagação concorrente suave aplicado no equalizador temporal, apresentados na Tabela 3, constam do número de coeficientes representado pelo termo J, a posição do coeficiente 5 unitário usado na inicialização do equalizador dada por P, o passo de adaptação usado para o equalizador concorrente, dados por μCMA μSDD, e o parâmetro de forma do SDD dado por p.Table 1 describes the general procedure for the smooth concurrent backpropagation process applied to one-channel equalization with fractional sampling.
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Table 1: General summary of operations performed by the Smooth Concurrent Back Propagation process for communication OFDM systems. data carriers are modulated with 64-QAM and pilot tones with BPSK. The parameters for the smooth concurrent backpropagation process applied to the temporal equalizer, presented in Table 3, are the number of coefficients represented by the term J, the position of the unit coefficient 5 used in the initialization of the equalizer given by P, the adaptation step used for the concurrent equalizer, given by μCMA μSDD, and the SDD shape parameter given by p.

O órgão ITU padroniza o perfil do canal em função do atraso e do ganho das componentes de múltiplo percurso. A fase das componentes foi 10 gerada aleatoriamente para simular o posicionamento da antena do receptor e foi mantida constante ao longo de todas as simulações. A digitalização do canal foi feita truncando para cima o perfil de atrasos. Os coeficientes não nulos do canal digitalizados são mostrados na Tabela 4.The ITU agency standardizes the channel profile as a function of the delay and gain of the multipath components. The component phase was randomly generated to simulate the positioning of the receiver antenna and was kept constant throughout all simulations. The channel digitization was done by truncating the delay profile upwards. The digitized channel non-zero coefficients are shown in Table 4.

Objetivando verificar o desempenho do processo de retro- 15 propagação concorrente suave, foram testados valores de PC iguais a 1/128 e zero. A motivação para a escolha desses valores foi estabelecida pelos perfis dos canais apresentados na Tabela 4. A duração do PC em μs é dada, para o sistema aqui considerado, por 2048 x PC x Ts. Como exemplo, o valor de PC = 1/64 corresponde a uma duração de 3,9375 μs. Portanto, considerando o 20 atraso máximo do canal Brazil A como 5,93 μs, conclui-se que o valor do PC menor ou igual a 1/64 não previne a interferência entre os símbolos no canal Brazil A.In order to verify the performance of the smooth concurrent back propagation process, PC values equal to 1/128 and zero were tested. The motivation for choosing these values was established by the channel profiles presented in Table 4. The PC duration in μs is given, for the system considered here, by 2048 x PC x Ts. As an example, the value of PC = 1/64 corresponds to a duration of 3.9375 μs. Therefore, considering the maximum delay of the Brazil A channel as 5.93 μs, it is concluded that the PC value less than or equal to 1/64 does not prevent interference between the symbols in the Brazil A channel.

Os resultados da simulação foram obtidos para cada ponto de Eb/N0 pela estimativa da média f da BER(B/t Error Rate) em L = 20 25 realizações do experimento (simulação), como mostrado na equação

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The simulation results were obtained for each point of Eb/N0 by estimating the mean f of the BER(B/t Error Rate) at L = 20 25 experiments performed (simulation), as shown in the equation
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No cálculo do IC (Intervalo de Confiança) de 95%, o parâmetro "c" é dado pela função inversa de distribuição acumulada t-student avaliada em

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In calculating the 95% CI (Confidence Interval), the parameter "c" is given by the inverse t-student cumulative distribution function evaluated in
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As curvas de desempenho de BERxEb/N0 são então apresentadas com linha sólida para a estimativa da média BER e com linha tracejada para os limites superior e inferior do intervalo de confiança. É importante destacar que na simulação não foi utilizado esquema de codificação de canal, visando enfatizar apenas o desempenho do processo de retro-propagação concorrente suave na equalização temporal.The BERxEb/N0 performance curves are then presented with a solid line for the average BER estimate and with a dashed line for the upper and lower limits of the confidence interval. It is important to highlight that the channel coding scheme was not used in the simulation, aiming to emphasize only the performance of the smooth concurrent backpropagation process in temporal equalization.

As simulações são orientadas pelos cenários apresentados na Tabela 2. A primeira coluna informa o número do cenário. A segunda e a terceira coluna mostram o perfil e o atraso máximo do canal em μs, respectivamente. A quarta coluna apresenta o valor da razão do PC no símbolo OFDM, que para todos os perfis simulados é insuficiente para evitar a interferência entre os símbolos. A quinta coluna mostra a duração do prefixo cíclico (DPC) em .. A última coluna-trrforma JJL1, feri pf.v.ii.-ínfiil r^|uudi <di u canal de comunicação com processo de retro-propagação.The simulations are guided by the scenarios presented in Table 2. The first column informs the scenario number. The second and third columns show the channel profile and maximum delay in μs, respectively. The fourth column presents the value of the PC ratio in the OFDM symbol, which for all simulated profiles is insufficient to avoid interference between the symbols. The fifth column shows the duration of the cyclic prefix (DPC) in .. The last column-transform JJL1, feri pf.v.ii.-infiil r^|uudi <di u communication channel with backpropagation process.

O objetivo da simulação é testar o processo de retro-propagação concorrente suave em conjunto com a equalização temporal, para cenários com o PC insuficiente para evitar a interferência entre os símbolos.The purpose of the simulation is to test the smooth concurrent backpropagation process together with temporal equalization, for scenarios with insufficient PC to avoid interference between symbols.

Todos os cenários, na Tabela 2, são propostos com prefixo cíclico nulo. Assim, é importante enfatizar que o processo de retro-propagação concorrente suave em conjunto com o equalizador temporal é responsável pela mitigação da interferência entre os símbolos. O estimador por interpolação linear não emprega nenhuma proteção temporal. Isto é proposto, para mostrar que quando o prefixo cíclico não é suficiente para prevenir esta interferência, a ortogonalidade da FFT é perdida e a interferência entre as portadoras degrada o desempenho da BER. Assim, os resultados informam saturação para a interpolação linear unidimensional mostrando-se a necessidade de um PC adequado ou um equalizador temporal para evitar a interferência entre os símbolos OFDM quando é empregado apenas o EDF. O equalizador temporal supervisionado é apresentado na simulação como uma referência para o desempenho superior da equalização temporal. As curvas de AWGN teórica e simulada estão posicionadas nas simulações, apenas para atuar como um limitante superior de desempenho.All scenarios, in Table 2, are proposed with null cyclic prefix. Thus, it is important to emphasize that the concurrent smooth backpropagation process in conjunction with the temporal equalizer is responsible for mitigating interference between symbols. The linear interpolation estimator does not employ any time protection. This is proposed to show that when the cyclic prefix is not enough to prevent this interference, the FFT orthogonality is lost and the interference between carriers degrades the BER performance. Thus, the results inform saturation for one-dimensional linear interpolation, showing the need for an adequate PC or a temporal equalizer to avoid interference between OFDM symbols when only EDF is used. The supervised temporal equalizer is presented in the simulation as a benchmark for superior temporal equalization performance. Theoretical and simulated AWGN curves are positioned in the simulations only to act as an upper performance limit.

As Figuras 6, 7, 8 e 9 ilustram os resultados do desempenho alcançado com a simulação para os cenários propostos na Tabela 2. O processo de retro-propagação concorrente suave, nas Figuras 6, 7, 8 e 9, é destacado como Pré-FFT concorrente. A designação de Pré-FFT concorrente é outra denominação dada para um processo de equalização concorrente temporal em sistemas OFDM, pois esta operação de equalização ocorre antes do processamento da FFT no receptor. Os resultados mostram que o processo proposto para a equalização temporal, resulta em um canal equivalente encurtado e melhora o desempenho do sistema em cenários com PC insuficiente. Na prática, este ganho de desempenho pode possibilitar aumentos de capacidade ou de melhoria da cobertura de sistemas OFDM. Destaca-se também que o desempenho do processo de retro-propagação concorrente suave aplicada para o equalizador temporal ou pré-FFT, acompanha a curva obtida para o equalizador supervisionado, na maioria dos cenários propostos. Nos cenários para o canal Brazil B a curva do desempenho saturou próximo a uma BER de 1 x 10~5. Esta é a maior diferença encontrada, no desempenho para os cenários simulados, mesmo assim apenas para valores de Eb/NQ acima de 30 dB.Figures 6, 7, 8 and 9 illustrate the performance results achieved with the simulation for the scenarios proposed in Table 2. The smooth concurrent backpropagation process, in Figures 6, 7, 8 and 9, is highlighted as Pre- competitor FFT. The designation of Concurrent Pre-FFT is another name given to a concurrent temporal equalization process in OFDM systems, as this equalization operation occurs before the FFT processing in the receiver. The results show that the proposed process for temporal equalization results in a shortened equivalent channel and improves system performance in scenarios with insufficient PC. In practice, this performance gain can make it possible to increase the capacity or improve the coverage of OFDM systems. It is also noteworthy that the performance of the smooth concurrent backpropagation process applied to the temporal equalizer or pre-FFT, follows the curve obtained for the supervised equalizer, in most of the proposed scenarios. In the scenarios for the Brazil B channel, the performance curve saturated close to a BER of 1 x 10~5. This is the biggest difference found in the performance for the simulated scenarios, even so only for Eb/NQ values above 30 dB.

As Figuras 10, 11, 12 e 13 ilustram os diagramas das constelações empregando a modulação 64 QAM. Estes resultados foram obtidos nas simulações após a convergência do processo de retro-propagação concorrente suave para os perfis dos canais apresentados na Tabela 4. Observa-se que o processo de retro-propagação concorrente suave consegue compor a constelação na posição da amplitude e fase em que os símbolos foram transmitidos para a situação onde o PC é insuficiente.Figures 10, 11, 12 and 13 illustrate constellation diagrams employing 64 QAM modulation. These results were obtained in the simulations after the convergence of the smooth concurrent backpropagation process for the channel profiles presented in Table 4. It is observed that the smooth concurrent backpropagation process manages to compose the constellation in the position of amplitude and phase in that the symbols were transmitted to the situation where the PC is insufficient.

A fonte empregada na simulação emite uma sequência de dados através do canal com média zero, variância unitária e distribuição uniforme.The source used in the simulation emits a sequence of data through the channel with zero mean, unit variance and uniform distribution.

Os resultados da simulação mostram que o sistema OFDM implementado com o processo de retro-propagação concorrente suave, representa uma alternativa viável para evitar a interferência entre os símbolos, ao custo de um incremento na complexidade computacional do receptor. Porém, este custo é justificado uma vez que ocorre o aumento na vazão dos dados sem prejudicar o desempenho.

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Tabela 2: Cenários para avaliação do desempenho do processo de retro- propagação concorrente suave para sistemas OFDM.
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Tabela 3: Parâmetros de Simulação - Processo de retro-propagação Concorrente
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Tabela 4: Perfil do Canal.The simulation results show that the OFDM system implemented with the concurrent smooth back propagation process represents a viable alternative to avoid interference between symbols, at the cost of an increase in the computational complexity of the receiver. However, this cost is justified since there is an increase in data throughput without compromising performance.
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Table 2: Scenarios for evaluating the performance of the smooth concurrent backpropagation process for OFDM systems.
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Table 3: Simulation Parameters - Concurrent Backpropagation Process
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Table 4: Channel Profile.

Claims (6)

1. Processo de retro-propagação concorrente suave para equalização temporal em sistemas OFDM caracterizado por a equalização ser realizada por um único filtro, aqui destacado como “c”, cujo resultado da filtragem define o sinal de saída, após a FFT como rn(k), que será empregado no processo da estrutura de retro-propagação concorrente; no processo em questão esta estrutura retro-propaga o gradiente estocástico do erro, medido no domínio da frequência, como informação útil para adaptar os coeficientes do equalizador temporal; essa estratégia possibilita o uso de informações previamente conhecidas sobre a constelação do sinal nas subportadoras; os coeficientes do filtro são adaptados através de métodos de gradiente, ou equivalentes, baseados em uma função de custo que dependendo do algoritmo utilizado, pode medir uma dispersão estatística de rn(k) ou ser baseado em uma função de custo que mede a distância de rn(k) ao símbolo mais próximo do alfabeto digital de forma a respeitar algum critério como o MAP (Maxima a Posteriori), que é um processo de aprendizagem da Probabilidade Máxima à Posteriori; o índice n representa um instante de tempo e k o índice referente a k-ésima sub-portadora envolvida no processo de transmissão.1. Smooth concurrent backpropagation process for temporal equalization in OFDM systems characterized by the equalization being performed by a single filter, here highlighted as “c”, whose filtering result defines the output signal, after the FFT as rn(k ), which will be used in the process of the concurrent backpropagation structure; in the process in question this back-propagation structure the stochastic error gradient, measured in the frequency domain, as useful information to adapt the temporal equalizer coefficients; this strategy makes it possible to use previously known information about the signal constellation on the subcarriers; the filter coefficients are adapted through gradient methods, or equivalent, based on a cost function that, depending on the algorithm used, can measure a statistical dispersion of rn(k) or be based on a cost function that measures the distance from rn(k) to the symbol closest to the digital alphabet in order to respect some criterion such as the MAP (Maxima a Posteriori), which is a learning process from Maximum Probability to Posteriori; the index n represents an instant of time and k the index referring to the k-th sub-carrier involved in the transmission process. 2. Processo de retro-propagação concorrente suave para equalização temporal em sistemas OFDM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os algoritmos envolvidos atuarem de forma cooperativa ou concorrente.2. Smooth concurrent backpropagation process for temporal equalization in OFDM systems, according to claim 1, characterized in that the algorithms involved act in a cooperative or concurrent manner. 3. Processo de retro-propagação concorrente suave para equalização temporal em sistemas OFDM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por poder ser implementado em sistemas de comunicação sem fio e em receptores de fibras ópticas que utilizam a técnica OFDM como plataforma de comunicação.3. Smooth concurrent back propagation process for temporal equalization in OFDM systems, according to claim 1, characterized in that it can be implemented in wireless communication systems and in optical fiber receivers that use the OFDM technique as a communication platform. 4. Processo de retro-propagação concorrente suave para equalização temporal em sistemas OFDM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser autodidata.4. Smooth concurrent backpropagation process for temporal equalization in OFDM systems, according to claim 1, characterized by being self-taught. 5. Processo de retro-propagação concorrente suave para equalização temporal em sistemas OFDM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a dos coeficientes ser realizada de tal modo que sempre existe o emprego de informações vindas do domínio da frequência que está posicionada após a FFT e de informações que estão presentes na entrada do receptor OFDM, que também são utilizadas como parte do processo de retro- propagação (figura 3).5. Smooth concurrent backpropagation process for temporal equalization in OFDM systems, according to claim 1, characterized in that the coefficients are performed in such a way that there is always the use of information from the frequency domain that is positioned after the FFT and information that is present at the input of the OFDM receiver, which are also used as part of the back-propagation process (figure 3). 6. Processo de retro-propagação concorrente suave para equalização temporal em sistemas OFDM, de acordo com as reivindicações de 1 a 5, caracterizado por poder ser utilizado em sistemas de telecomunicações digitais em geral (telefonia celular, televisão digital, rádio digital, fibra óptica); sistemas de comunicações sem fio; sistemas de comunicações ópticas; sistemas de auxílio à navegação; sistemas de armazenamento em meio magnético; sistemas de radar; sistemas de sonar, sistemas de sensoriamento remoto.6. Smooth concurrent back propagation process for temporal equalization in OFDM systems, according to claims 1 to 5, characterized in that it can be used in digital telecommunications systems in general (cellular telephony, digital television, digital radio, optical fiber ); wireless communications systems; optical communications systems; navigation aid systems; magnetic storage systems; radar systems; sonar systems, remote sensing systems.
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