ES2283755T3 - Metodo y aparato para implementar antenas inteligentes y tecnicas de diversidad. - Google Patents
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Abstract
Un método para gestionar una comunicación comprendida por ventanas de tiempo transmitidas secuencialmente de igual longitud, recibidas por al menos dos conjuntos de antenas (12, 14), para la conexión a un dispositivo para su tratamiento, caracterizado porque el método comprende: a) transferir salidas de dichos conjuntos de antenas a dicho dispositivo de una manera alternativa, de manera que se transfieren ventanas de tiempo sucesivas a dicho dispositivo desde un conjunto diferente de dichos conjuntos de antenas; b) supervisar la calidad de la señal de cada ventana de tiempo recibida; y c) modificar la secuencia de transferencia de manera que se transfieran al menos dos ventanas consecutivas a dicho dispositivo desde el conjunto de antenas que proporcione ventanas de mejor calidad de señal para cada ventana individual de calidad de señal inferior transferida a dicho dispositivo por el otro conjunto de los conjuntos de antenas.
Description
Método y aparato para implementar antenas
inteligentes y técnicas de diversidad.
La presente invención está relacionada con
tecnología inalámbrica. Más en particular, la presente invención
está relacionada con el campo de las antenas inteligentes y con
técnicas de diversidad para mejorar la calidad de la comunicación
transmitida y/o recibida, para facilitar la selección de la señal de
mejor calidad.
Los transmisores y receptores de los sistemas
inalámbricos emplean típicamente una sola antena que puede ser lo
preferible desde un punto de vista del coste. Sin embargo, se han
empleado también agrupaciones de múltiples antenas que se ha
averiguado que proporcionan ciertas características de
coste/beneficio. No obstante, es altamente deseable proporcionar la
capacidad de seleccionar la antena que recibe (o alternativamente
que transmite) la señal que tiene la mejor calidad.
El documento US 4.977 616 divulga un circuito de
control para la selección de antenas para conseguir la diversidad
de selección de antenas en receptores de RF de TDM. De acuerdo con
la divulgación, la selección de antenas está basada en la
supervisión del indicador de potencia de la señal recibida
(RSSI).
La presente invención, en un modo de
realización, está caracterizada por proporcionar técnicas y aparatos
para supervisar señales recibidas por cada antena de una agrupación
de múltiples antenas, para determinar la calidad de la señal y para
seleccionar la señal de mejor calidad para su tratamiento. La
supervisión de la calidad de la señal continúa durante el periodo
de recepción con el fin de proporcionar la capacidad de alterar la
selección de la señal elegida para el tratamiento, siempre que se
garantice de nuevo tal cambio. Algunas de las técnicas descritas en
esta memoria son utilizables para aplicaciones de enlace ascendente
y de enlace descendente.
Las figuras siguientes son útiles para describir
las técnicas y aparatos que materializan los principios de la
presente invención, en las cuales, los elementos similares están
designados con referencias numéricas similares, y donde:
La figura 1 es un esquema simplificado que
ilustra un modo de realización preferido de un sistema de múltiples
antenas que materializa los principios de la presente invención,
Las figuras 2 a 5 son diagramas simplificados
que ilustran modos de realización alternativos adicionales de la
presente invención.
La figura 1 muestra una instalación receptora 10
comprendida por las antenas 12 y 14, cada una de las cuales recibe
una señal de RF entrante desde un transmisor remoto, no ilustrado.
Las señales recibidas por las antenas 12 y 14 son amplificadas,
respectivamente, en 16 y 18 por amplificadores lineales de bajo
ruido y son entregadas, respectivamente, a los mezcladores 20 y 22,
donde son multiplicadas por componentes de baja frecuencia, que
podrían ser 0, 1, -1, o una fuente de ondas continuas con un periodo
igual a un símbolo (por ejemplo, 240 kHz para WTDD).
En el ejemplo ilustrado en la figura 1, la
velocidad de símbolos para un sistema basado en el acceso múltiple
por división de código (CDMA) es 240 kHz y, tras dispersar las
señales obtenidas desde las múltiples antenas, pueden ser
separadas. Debe observarse que pueden seleccionarse otras
frecuencias que puedan conseguir el mismo efecto.
Los circuitos 24 y 26 proporcionan,
respectivamente, las señales de soporte para las señales entrantes y
son excitados por la fuente 28 que, en el ejemplo ofrecido,
funciona a 240 kHz. Las señales de los mezcladores 20, 22 son
combinadas en 30 para proporcionar las posibles salidas, como está
ilustrado. Las salidas son enviadas a un solo receptor para su
tratamiento adicional.
Debe observarse que las antenas empleadas pueden
ser similares entre sí y estar colocadas en diferentes lugares, o
pueden ser de diseños diferentes. Las señales resultantes son
comparadas para determinar su calidad y seleccionadas para obtener
la señal de mejor calidad. También pueden emplearse más de dos
antenas.
La figura 2 muestra otro modo de realización
alternativo 32 de la presente invención, en el cual las antenas A y
B, que pueden ser utilizadas para aplicaciones de enlace ascendente
o de enlace descendente, están acopladas a través de unos medios 34
de conmutación que pueden ser, preferiblemente, medios de
conmutación electrónica para acoplar la antena seleccionada para
fines de transmisión, o para acoplar la antena seleccionada a una
entrada de un receptor para fines de recepción. En el ejemplo de un
enlace descendente, el receptor procesa una secuencia de ventanas
de tiempo o una secuencia de tramas desde una antena y otro número
de unidades desde la otra u otras antenas restantes. Aunque
solamente se ilustran dos antenas en la figura 2, debe entenderse
que puede emplearse un mayor número de antenas.
Como operación inicial, la señal de salida está
acoplada al dispositivo 36 de supervisión, ilustrado en la figura
3. Suponiendo que la calidad de las señales A y B sea
sustancialmente igual, el circuito 36 de supervisión hace funcionar
los medios 34 de conmutación para alternarlos, de manera que las
tramas o ventanas recibidas son transferidas alternativamente al
dispositivo de utilización de la salida, como se ilustra con la
forma de onda 38a. Como otro ejemplo, la configuración de
conmutación alternativa puede ser de dos (o más) ventanas de tiempo
consecutivas de la señal A alternando con un número igual de
ventanas de tiempo de la señal B.
Suponiendo que la trama o ventana de cada una de
las señales A y B que están siendo examinadas indiquen que la
calidad de la señal A es superior a la de la señal B, como
resultado, los medios 36 de supervisión hacen funcionar los medios
34 de conmutación de tal manera que reciben tres unidades (es decir,
ventanas de tiempo, tramas, etc.) de la señal A en sucesión, y
después conmutan a la antena 14 para recibir una unidad de la señal
B, y de ahí en adelante repiten este esquema. A través de esta
selección de señales, el circuito 36 de supervisión continúa
supervisando las ventanas/tramas de cada señal A y B y, en el caso
de que haya un cambio en la calidad de la señal, en el que la
calidad de la señal B sea superior a la de la señal A, los medios 36
de supervisión hacen funcionar los medios 34 de conmutación para
acoplar un mayor número de unidades consecutivas de la señal B al
dispositivo de utilización de la salida, y de ahí en adelante un
número menor de unidades consecutivas de la señal A, repitiendo
este esquema hasta que tiene lugar otro cambio en la calidad de la
señal entre las señales A y B. De nuevo, debe observarse que la
supervisión de las señales A y B continúa en todo el periodo de
recepción (o transmisión) para asegurarse continuamente de la
calidad de las señales A y B y para alterar la ponderación de los
intervalos por antena acoplada al receptor.
Aunque el ejemplo ofrecido muestra una relación
de 3 a 1 en los intervalos de recepción de señal que favorece a la
señal A como está ilustrado con la forma de onda 38b, o favoreciendo
a la señal B, ilustrada con la forma de onda 38c, debe entenderse
que pueden seleccionarse otras ponderaciones, y tales ponderaciones
pueden ser seleccionadas en función de la calidad relativa. Por
ejemplo, un nivel de calidad relativa puede garantizar una relación
4 a 1, un nivel de calidad relativa inferior puede garantizar una
relación 3 a 1, un nivel de calidad relativa todavía inferior puede
garantizar una relación de 2 a 1, y así sucesivamente. Las antenas
12 y 14 empleadas pueden ser de diseño similar y distinguirse
solamente por su emplazamiento físico; o pueden ser antenas de
diseños diferentes. Por ejemplo, ambas antenas pueden ser
omnidireccionales, una antena puede ser omnidireccional y la otra
tener un diagrama de radiación altamente direccional, y así
sucesivamente. Cada antena puede ser alternativamente una
agrupación de antenas, teniendo las agrupaciones distintos diagramas
de directividad, diagramas de directividad similares, pero con
orientaciones distintas, y así sucesivamente.
El número de antenas conmutadas puede ser mayor
que dos en número. Sin embargo, la supervisión y comparación de las
señales A y B y otra señal o señales continúa independientemente de
la prioridad dada, por lo que un cambio en la calidad de la señal
entre las señales supervisadas originará un cambio apropiado en la
prioridad. Debe observarse que cuando la calidad de la señal entre
las señales supervisadas es igual, se obtiene un diagrama alternado
como el ilustrado con la forma de onda 38a. Puede proporcionarse una
igualdad empleando también otros diagramas. Por ejemplo, dos
intervalos o tramas de la señal A pueden alternar con dos intervalos
o tramas de la señal B.
La configuración del modo de realización
ilustrado en las figuras 2 y 3 es sencilla de implementar y el coste
de la implementación es mínimo.
Puede utilizarse la misma técnica para la
aplicación de enlace ascendente, especialmente para los sistemas
dúplex por división de tiempo (TDD). Como los canales de enlace
ascendente y enlace descendente son recíprocos en TDD, una vez
medida la calidad de la señal de cada antena, se utiliza esta
información para decidir a qué antena se le da prioridad y, de una
manera similar a la de la aplicación de recepción, un transmisor
transmite múltiples unidades desde una antena y otro número de
unidades diferente desde la otra antena, basándose en la
comparación de las calidades de su señal. La instalación transmisora
puede proporcionar una señal piloto a los receptores remotos, sobre
cada una de las antenas.
La figura 4 muestra otro modo de realización
alternativo de la presente invención, y una modificación del mismo
está ilustrada en la figura 2. En el modo de realización 32 de la
figura 2, se toman medidas en toda la ventana de tiempo, y se
utiliza una decisión basada en estas mediciones en la próxima
ventana de tiempo o trama subsiguiente. Para reducir
significativamente el retardo para iniciar la prioridad de las
señales comparadas, el modo de realización 32' ilustrado en la
figura 3 realiza medidas al comienzo de una ventana de tiempo o
trama, examinando solamente uno o unos pocos símbolos. Para
conseguir esto, el receptor se aprende la correlación entre la
calidad medida en un primer bit o símbolo o en varios bits o
símbolos y en el resto de la ventana de tiempo o trama. Esto se
consigue, por ejemplo, calculando y almacenando en una memoria la
energía por símbolo del primer símbolo (o símbolos), para comparar
ésta con la energía por símbolo del resto de la ventana de tiempo y
el error de bloque de la ventana de tiempo, y construyendo un modelo
de correlación, que será utilizado para mediciones en tiempo real.
La técnica de la figura 4 es preferible a la técnica ilustrada en
la figura 2, cuando se encuentran canales que cambian más
rápidamente.
En aplicaciones TDD, la correlación entre la
energía del primer bit (o bits) y la energía del canal se determina
por la forma de onda 40a. (En el caso de aplicaciones dúplex por
división de frecuencia, el dispositivo de supervisión se aprende la
correlación entre un segmento corto de la energía piloto u otros
parámetros y la calidad del canal). Como se ilustra con la forma de
onda 40b, uno o más símbolos de la señal A son analizados seguido
de un análisis de uno o dos símbolos de la señal B, e inmediatamente
después, se obtiene el resto de la ventana de tiempo o trama
procedente de la antena seleccionada 12 o 14, de acuerdo con los
niveles de calidad de las señales A y B.
La primera de las dos señales utilizadas para
las mediciones y comparaciones de calidad, puede ser reconstruida
por medio de la utilización de los códigos de corrección de errores
o similares.
La figura 5 muestra otro modo más de realización
de la presente invención, en el cual se combinan las técnicas de
los modos de realización anteriores para obtener los beneficios de
cada técnica como garantizan las condiciones del canal. Aunque la
técnica necesita una mayor cantidad de tratamiento, hay disponibles
más soluciones óptimas.
En el modo de realización 44 ilustrado en la
figura 5, el estimador 46 de canales estima la respuesta de los
canales y cambia las ponderaciones de los algoritmos de 48 y 50 (el
bloque 48 efectúa el algoritmo 32 y el bloque 50 utiliza el
algoritmo 32'), dependiendo de las propiedades del canal (por
ejemplo, para canales que cambian rápidamente se utilizará más
frecuentemente el 32' y para canales que cambian lentamente se
utilizará más frecuentemente el 32).
En otro modo más de realización de la presente
invención, en sistemas de tercera generación (3G), de los tipos TDD
y FDD, existe la necesidad de mediciones de una sola calidad con el
fin de tomar decisiones relativas a diversos procesos. En la
presente invención, un ejemplo es una selección de una señal desde
una de las antenas a tratar para recibir y transmitir diversidad.
La medición deseada está relacionada típicamente con la relación
señal a ruido que puede ser inferida a partir de las mediciones de
la señal. El presente concepto proporciona la capacidad de tomar
decisiones basadas en el nivel de ruido cuando no se conoce nada más
sobre la señal. Como ejemplo, el nivel de señal de banda ancha se
mide desde múltiples antenas para decidir entre las antenas, tales
como las antenas 12 y 14 de la figura 1, cuál de ellas tiene la
señal más fuerte. En el caso de que no haya forma de conocer si la
señal medida es debida a la señal deseada o a interferencias, se
mide la energía del ruido en un periodo de seguridad y después se
mide la energía por bit para cada antena, con el fin de seleccionar
la antena con mayor relación de energía por bit a energía de ruido,
con el fin de seleccionar la antena con mayor relación de señal a
ruido. Así, el periodo de seguridad (sin señal) recibido por cada
antena A y B se mide alternativamente con el fin de dar prioridad a
la señal deseada. Como otra alternativa, las mediciones pueden ser
realizadas durante los intervalos entre la transmisión de señales de
datos, y analizándolas con el fin de determinar a qué señal hay que
dar prioridad. La prioridad puede ser ponderada entonces de la
manera aquí descrita anteriormente, tal como el ejemplo ilustrado en
la figura 2.
Claims (27)
1. Un método para gestionar una comunicación
comprendida por ventanas de tiempo transmitidas secuencialmente de
igual longitud, recibidas por al menos dos conjuntos de antenas (12,
14), para la conexión a un dispositivo para su tratamiento,
caracterizado porque el método comprende:
- a)
- transferir salidas de dichos conjuntos de antenas a dicho dispositivo de una manera alternativa, de manera que se transfieren ventanas de tiempo sucesivas a dicho dispositivo desde un conjunto diferente de dichos conjuntos de antenas;
- b)
- supervisar la calidad de la señal de cada ventana de tiempo recibida; y
- c)
- modificar la secuencia de transferencia de manera que se transfieran al menos dos ventanas consecutivas a dicho dispositivo desde el conjunto de antenas que proporcione ventanas de mejor calidad de señal para cada ventana individual de calidad de señal inferior transferida a dicho dispositivo por el otro conjunto de los conjuntos de antenas.
2. El método de la reivindicación 1, que
comprende además la continuidad de la supervisión de la calidad de
la señal de al menos una ventana de cada antena, para detectar
cambios en la calidad de la señal.
3. El método de la reivindicación 2, que
comprende además volver al esquema de transferencia del paso (a),
cuando las calidades de la señal en las ventanas de dichos conjuntos
de antenas son iguales.
4. El método de la reivindicación 1, en el que
el paso (c) incluye además aumentar un número de ventanas
secuenciales transferidas desde el conjunto de antenas que tiene
mejor calidad de la señal, para cada ventana individual transferida
desde el otro conjunto de antenas que entrega una señal de calidad
inferior, cuando aumenta la diferencia en calidad de la señal entre
la señal de mejor calidad y la señal de calidad inferior.
5. El método de la reivindicación 1, en el que
la señal recibida por los conjuntos de antenas es modulada para la
transmisión y dicho dispositivo es un receptor que desmodula las
ventanas recibidas.
6. El método de la reivindicación 1, en el que
el paso (b) comprende además:
- (d)
- medir la energía del ruido en un periodo de seguridad de una ventana de tiempo.
7. El método de la reivindicación 6, en el que
el paso (d) incluye además emplear la energía de ruido medida para
determinar la relación señal a ruido.
8. El método de la reivindicación 1, donde el
paso (b) comprende además:
- (d)
- medir, para cada antena, la energía de ruido en un periodo de seguridad de una ventana de tiempo;
- (e)
- medir para cada antena la energía por bit; y
- (f)
- seleccionar la antena que tiene la mayor relación de energía por bit a energía de ruido.
9. El método de la reivindicación 1, en el que
el paso (b) determina la correlación entre un símbolo de la ventana
de tiempo y el resto de la ventana de tiempo.
10. El método de la reivindicación 1, en el que
el paso (b) determina la correlación entre un símbolo de la ventana
de tiempo y un error de bloque del símbolo.
11. El método de la reivindicación 9, en el que
la correlación se determina almacenando la energía y el error de
bloque de la ventana de tiempo.
12. El método de la reivindicación 1, en el que
el paso (b) comprende:
- (d)
- determinar una correlación entre la calidad medida en el primer bit o símbolo y el esto de una ventana de tiempo o trama.
13. El método de la reivindicación 12, en el que
el paso (d) incluye:
- calcular la energía por símbolo de al menos un primer símbolo y comparar la energía calculada con una energía por símbolo del resto de la ventana de tiempo.
14. Aparato (10) para reforzar la calidad de la
señal de una comunicación entregada a un dispositivo, teniendo
dicha señal ventanas transmitidas secuencialmente, que comprende
- un primer y un segundo conjuntos (12, 14) de antenas para recibir dicha comunicación;
caracterizado porque el aparato comprende
además;
- una unidad (34) de conmutación para conmutar una salida de cada conjunto de antena a dicho dispositivo de manera alternativa, de forma que las ventanas secuenciales son conmutadas a dicho dispositivo por un conjunto diferente de los conjuntos de antenas;
- medios (36) para supervisar las salidas de los conjuntos de antenas en cuanto a calidad de la señal; y
incluyendo dicha unidad de
conmutación medios que responden a dichos medios de supervisión,
para modificar la secuencia de conmutación y originar que al menos
dos ventanas consecutivas se acoplen a dicho dispositivo desde uno
de los conjuntos de antenas que proporciona ventanas de mejor
calidad de la señal, para cada ventana individual de calidad de
señal inferior acoplada a dicho dispositivo, por el otro conjunto de
los conjuntos de
antenas.
15. El aparato de la reivindicación 14, en el
que dichos medios de modificación devuelven el esquema de
conmutación a las ventanas secuenciales que están acopladas a dicho
dispositivo por conjuntos de antenas diferentes, cuando las
calidades de las señales de las salidas del primer y segundo
conjunto de antenas son iguales.
16. El aparato de la reivindicación 14, en el
que dicho dispositivo es un receptor que tiene medios para procesar
las ventanas transferidas a él, para obtener señales en banda
base.
17. El aparato de la reivindicación 14, en el
que dichos medios de supervisión evalúan sustancialmente una
ventana completa para determinar la calidad de la señal.
18. El aparato de la reivindicación 14, en el
que los medios de supervisión evalúan solamente uno o unos pocos
símbolos iniciales de una ventana, para determinar la calidad de la
señal.
19. El aparato de la reivindicación 18, en el
que solamente se evalúa un símbolo de una ventana.
20. El aparato de la reivindicación 18, en el
que solamente se evalúan unos pocos símbolos de una ventana.
21. El aparato de la reivindicación 18, en el
que una señal comunicada a dichos conjuntos de antenas incluye una
codificación de corrección de errores y dicho aparato comprende
además:
- medios para restaurar la información perdida desde los símbolos empleados para determinar la calidad de la señal.
22. El aparato de la reivindicación 18, en el
que la evaluación de dichos medios de supervisión incluye medios
para efectuar la correlación entre el símbolo o símbolos iniciales y
el resto de la ventana de tiempo.
23. El aparato de la reivindicación 22, en el
que los medios de correlación almacenan energía de una ventana (o
ventanas) y el error de bloque de la ventana de tiempo para
determinar la correlación.
24. El aparato de la reivindicación 18, que
comprende además medios para evaluar la calidad de la señal al
comienzo de una ventana de tiempo y para procesar el resto de la
ventana de tiempo recibida, basándose en dicha evaluación.
25. El aparato de la reivindicación 24, en el
que dichos medios para efectuar la evaluación de la calidad de la
señal incluyen medios para determinar una correlación entre un valor
de la calidad del primer bit y el resto de la ventana de
tiempo.
26. El aparato de la reivindicación 24, en el
que dicha señal de comunicaciones es del tipo dúplex por división
de tiempo (TDD) y dichos medios para efectuar la evaluación de la
calidad de la señal incluyen medios para determinar una correlación
entre un primer bit y la calidad del canal.
27. El aparato de la reivindicación 24, en el
que dicha señal de comunicaciones es del tipo dúplex por división
de frecuencia (FDD) y dichos medios para efectuar la evaluación de
la calidad de la señal incluyen medios para determinar una
correlación entre un segmento corto de una señal piloto recibida y
la calidad del canal.
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