ES2292223T3 - Sistemas de comunicacion sin hilos con acceso multiple por division espacial. - Google Patents

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Abstract

SE EXPONE UN PROCEDIMIENTO Y UN APARATO PARA INCREMENTAR LA CAPACIDAD Y CALIDAD DE LA COMUNICACION INALAMBRICA ENTRE UNA SERIE DE USUARIOS REMOTOS Y UNA ESTACION BASE. UTILIZANDO MEDICIONES EN UNA MATRIZ DE ANTENAS RECEPTORAS EN LA ESTACION BASE, LOS PARAMETROS DE MULTIPLES SEÑALES SE TRANSMITEN A LA ESTACION BASE DESDE UNA SERIE DE USUARIOS EN EL MISMO CANAL, CALCULANDOSE Y UTILIZANDOSE PARA OBTENER LAS POSICIONES Y VELOCIDADES DE LOS USUARIOS. LOS EMPLAZAMIENTOS Y OTROS PARAMETROS DE LAS SEÑALES RELACIONADAS SE UTILIZAN PARA CALCULAR LAS ESTRATEGIAS DE DEMULTIPLEXADO ESPACIAL APROPIADAS, RECONSTRUYENDO LAS SEÑALES INDIVIDUALES TRANSMITIDAS A PARTIR DE LAS MEDICIONES DE LOS RECEPTORES, Y REDUCIENDO LA INTERFERENCIA A NIVELES ACEPTABLES. ESTA INFORMACION DE LOCALIZACION NO DISPONIBLE HASTA AHORA SE UTILIZA PARA RESOLVER EL PROBLEMA DE LA TRANSFERENCIA. ESTA INFORMACION SE EMPLEA TAMBIEN PARA CALCULAR UNA ESTRATEGIA DE MULTIPLEXADO ESPACIAL APROPIADA PARA LA TRANSMISION SIMULTANEA DE SEÑALESA LOS USUARIOS EN EL MISMO CANAL. ESTE PUEDE SER EL MISMO O UNO DISTINTO DE LOS CANALES DE RECEPCION ANTES MENCIONADOS. EN COMBINACION, LOS SISTEMAS DE TRANSMISION Y RECEPCION ESTABLECEN ENLACES MULTIPLES DUPLEX BILATERALES EN EL MISMO CANAL, MEDIANTE LA RECEPCION Y TRANSMISION DIRECTIVAMENTE DE SEÑALES EN LA ESTACION BASE SOLAMENTE. ESTA INVENCION PUEDE SER IMPLEMENTADA TAMBIEN EN LOS EMPLAZAMIENTOS MOVILES PARA MEJORAR LA CALIDAD DE LA SEÑAL, Y PARA ESTABLECER LOS ENLACES DE COMUNICACIONES PUNTO A PUNTO ENTRE MULTIPLES USUARIOS MOVILES. ADICIONALMENTE, LA IMPLEMENTACION DE AMBAS FUNCIONES DE TRANSMISION Y RECEPCION EN LA ESTACION BASE NO ES PRECISA. UNA ESTACION BASE CON UN SISTEMA DE SOLO RECEPCION MEJORARA LA CALIDAD DE LA SEÑAL RECIBIDA Y POR TANTO LA CAPACIDAD ADEMAS DE MITIGAR EL PROBLEMA DE LA TRANSFERENCIA.

Description

Sistemas de comunicación sin hilos con acceso múltiple por división espacial.
Campo de la invención
El campo de esta invención se refiere por lo general a redes de información y a redes de comunicaciones sin hilos de acceso múltiple y, en particular, a un procedimiento ya un aparato para explotar la información recogida por matrices de sensores distribuidos espacialmente para aumentar de manera sustancial el número y la calidad de los canales de comunicaciones en redes sin hilos mediante el establecimiento de enlaces directivos desde el punto de vista espacial capaces del funcionamiento "full-duplex" en entornos no estacionarios sin aumentar la cantidad de espectro de frecuencia asignado.
Antecedentes
Los sistemas de comunicaciones sin hilos están compuestos por lo general de uno o más emplazamientos centrales locales, a los que aquí se denomina estaciones base a través de las cuales el transmisor/receptores sin hilos consiguen acceder a una red de información mayor. Las estaciones base dan servicio a una área local en la que están localizados un número de usuarios sin hilos, fijos o móviles. La función de la estación base es reenviar mensajes a y desde usuarios de toda la red. En sistemas móviles celulares, por ejemplo, esta tarea es realizada mediante el reenvío de mensajes a y la recepción de señales desde una Oficina de Conmutación de Telefonía Móvil (MTSO). Un usuario sin hilos establece un enlace de comunicaciones bidireccional ("full-duplex") con uno o más de los demás usuarios que tienen también algún acceso a la red solicitando primero el acceso a la red a través de la estación base local. Esta comunicación se lleva a cabo en redes de comunicaciones móviles celulares o en redes de ordenadores de área local sin hilos (LAN), por ejemplo, mediante la modulación adecuada de las ondas electromagnéticas.
Los sistemas de comunicación sin hilos convencionales requieren que los usuarios transmitan señales en diferentes canales de frecuencia, usen diferentes esquemas de codificación en los mismos canales de frecuencia o se transmitan en intervalos de tiempo que no se solapen para que las señales se puedan recibir correctamente. Un aspecto de la presente invención describe un procedimiento y un aparato para separar múltiples mensajes en la misma frecuencia, código o canal de tiempo usando el hecho de que están en diferentes canales espaciales. De aquí en adelante en este documento, el término canal se usará para denotar cualquiera de los canales convencionales (frecuencia, tiempo, código) o cualquier combinación de los mismos. El término canal espacial se refiere al nuevo concepto único para la presente invención.
La comunicación sin hilos se está convirtiendo en una forma creciente de comunicaciones (D. Goodman, "Tendencias en Comunicaciones Celulares e Inalámbricas", IEEE Communications Magazine, de junio de 1991) y la demanda de dicho servicio continúa creciendo. Ejemplos incluyen redes de comunicación móvil celular, redes de ordenadores de área local sin hilos, redes de telefonía sin hilos, teléfonos inalámbricos, redes de comunicaciones por satélite, TV por cable sin hilos, sistemas de radiobúsqueda de usuarios, módems de alta frecuencia (HF) y más. Las implementaciones actuales de estos sistemas de comunicaciones están todas ellas confinadas a bandas de funcionamiento de frecuencia limitada ya sea por consideraciones prácticas o como ocurre más a menudo el caso, por medio de reglamentación gubernamental. Cuando se haya alcanzado la capacidad de estos sistemas, la demanda de más servicio se debe cumplir mediante la asignación de más espectro de frecuencias a la aplicación particular junto con intentos para utilizar el espectro asignado de una manera más eficiente. A la luz del principio físico básico de que la transmisión de la información requiere ancho de banda, las limitaciones fundamentales de una cantidad finita de espectro que se pueda utilizar en la práctica presenta una barrera sustancial para cumplir una demanda exponencialmente creciente de la transmisión de la información sin hilos. Debido a que, como ya se ha demostrado en la última década, la cantidad de espectro de frecuencia que se puede usar en la práctica no se puede conservar al ritmo de la demanda, existe una necesidad crítica de nueva tecnología para aumentar la capacidad de dichos sistemas para la transferencia de información (D. Goodman, op. cit., G. Calhoun. Radio digital celular, Artech House 1988). Esta invención está dirigida directamente a esta necesidad y es compatible con la actual así como con los futuros esquemas y normas de modulación (D. Goodman, "Redes de Información sin hilos de segunda generación". IEEE Trans. on Veh, Tech. Volumen 40, núm. 2, mayo de 1991).
En sistemas de comunicación sin hilos convencionales, una estación base da servicio a muchos canales por medio de diferentes esquemas de acceso múltiple, siendo los más comunes el Acceso Múltiple por División en Frecuencia (FDMA), el Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA), y más recientemente el Acceso Múltiple por División de Código (CDMA). Todos los sistemas actuales emplean FDMA en el que el ancho de banda de frecuencia disponible se trocea en múltiples canales de frecuencia y las señales se transmiten de manera simultánea, con un máximo de una por canal en un momento dado. Todos los sistemas sin hilos emplean en la actualidad también TDMA, una técnica en la que múltiples usuarios comparten un canal de frecuencia común haciéndolo en diferentes momentos, en el que cuando un usuario no necesita por más tiempo el canal asignado al mismo, el canal se reasigna a otro usuario.
En sistemas de comunicaciones sin hilos convencionales, TDMA se está explotando también sobre un nivel más detallado. Los datos analógicos tales como los datos de voz se digitalizan, se comprimen y después se envían en ráfagas sobre un canal de frecuencia asignado en ranuras de tiempo asignadas. Mediante el intercalado de múltiples usuarios en las ranuras de tiempo disponibles, se puede conseguir un aumento de la capacidad (es decir, el número de usuarios simultáneos) del sistema. Esto requiere modificaciones sustanciales en el hardware del receptor de la estación base así como en las propias unidades móviles, sin embargo, como las actuales unidades analógicas no son capaces de explotar esta tecnología. Por consiguiente, se tuvo que adoptar una estándar de modo dual que soporte tanto los nuevos esquemas de transmisión digital como los viejos esquemas de transmisión analógica.
CDMA permite que múltiples usuarios compartan un canal de frecuencia común mediante el uso de esquemas de modulación codificados. La tecnología implica el preprocesado de la señal que se vaya a transmitir mediante su digitalización, modulación de un tren de impulsos codificados de banda ancha, y la transmisión de la señal codificada modulada en el canal asignado. Se ha dado a múltiples usuarios distintos códigos cuyos descodificadores en los receptores están preparados para detectar. Si están apropiadamente diseñados, el número de usuarios simultáneos de dicho sistema se puede ver aumentado sobre los sistemas de comunicaciones sin hilos convencionales. Mientras teóricamente el sonido, sin embargo, la tecnología aún tiene que ser probada. Existen problemas prácticos sustanciales con el esquema, siendo el más importante un requisito restrictivo para la precisión y el control rápido de la potencia de los transmisores sin hilos. Dichos problemas pueden viciar la utilidad de CDMA en redes de comunicaciones sin hilos. En el caso de que CDMA sobreviva, sin embargo, el concepto SDMA descrito en este documento se puede aplicar directamente para aumentar de manera adicional la capacidad y el rendimiento del sistema.
Las técnicas anteriormente mencionadas representan varios intentos de empaquetar de manera más eficiente un número creciente de señales dentro de canales de frecuencia de ancho fijo. Estas técnicas no explotan la dimensión espacial cuando se establecen los canales. Los presentes inventores han descubierto que, además de los esquemas tradicionales, la dimensión espacial se puede explotar para aumentar de manera significativa la calidad de los enlaces de comunicaciones, reducir la cantidad requerida de potencia transmitida y aumentar de la manera más importante el número de canales a la que puede dar servicio una estación base sin la asignación de más canales de frecuencia. Se hará referencia a esta técnica en este documento de aquí en adelante como Acceso Múltiple por División Espacial (SDMA).
En sistemas de comunicaciones sin hilos convencionales, la explotación de la dimensión espacial está limitada a lo que se hace referencia como diversidad y sectorización espaciales. En la diversidad espacial, la más comúnmente asociada con los sistemas móviles, se emplean dos antenas solamente en recepción, y la que tenga la señal más intensa en el ancho de banda de interés se elige para el procesado adicional, o se aplica algún procedimiento para combinar las dos salidas (P. Balaban y J. Salz, "Combinación de Diversidad Dual y Ecualización en Radio Móvil Digital Celular". IEEE Trans. acerca de Veh. Tech, vol. 40, núm. 2, mayo de 1991). Aunque esto lleva a una menor mejora en la calidad de la señal recibida, no hay un incremento en la capacidad del sistema.
Para aumentar la capacidad de sistemas celulares, los proveedores de servicio han estado instalando más emplazamientos de celdas, reduciendo el área cubierta por cada uno de los emplazamientos de forma que más usuarios puedan acceder al sistema. La idea es que la señales lo suficientemente alejadas no interferirán con las fuentes locales ya que la potencia se disipa rápidamente en el espacio cuando más alejado está el transmisor del receptor. La aproximación directa para aumentar la capacidad es, sin embargo, completamente costosa ya que la cantidad de hardware del emplazamiento de la celda requerida es proporcional al número de emplazamientos de celda, que a su vez es inversamente proporcional al cuadrado del factor por el que el radio efectivo de cada celda se disminuye. De hecho, la economía actual de la situación dicta que los proveedores de servicios ofertan preciados espectros de frecuencia antes de incluso considerar la instalación de nuevos emplazamientos de celdas (G. Calhoun, Radio Digital Celular, Artech House 1988). Además, la estrategia empeora también en gran medida el problema de traspasos como se ha tratado además ya que los usuarios entran y abandonan las celdas más a menudo que cuando las celdas son más pequeñas.
La sectorización es similar en espíritu y es otra técnica convencional para aumentar la capacidad haciendo esencialmente que a cada área local se le dé el servicio por medio de cada celda más pequeña, añadiendo de esta forma más celdas a la red. Esto se lleva a cabo en una localización común mediante el empleo de antenas directivas, es decir, antenas de recepción en el emplazamiento de celda que recibe las transmisiones móviles es un sector particular solamente. Las patentes relacionadas con este concepto celular básico han sido publicadas en favor de Motorola en 1997 (V. Graziano, "Matriz de antenas para un sistema de comunicaciones celulares de RF", la patente de los Estados Unidos número 4.128.746, 13/1977, U.S. CI. 179-2 EB), Harris Corporation en 1985 (M. Barnes, "Sistema y procedimiento de telefonía móvil celular", Patente de los Estados Unidos número 4.829.554, 55/1985, U.S. CI. 379-58). NEC Corporation en 1986 (M. Makino, "Sistema de comunicaciones radio móviles", Patente de los Estados Unidos número 4.575.582, C.I.P. 4.796.291, 3/1986, U.S. CI. 358-58), y Sony Corporation (T. Kunihiro, "Teléfono inalámbrico", Patente de los Estados Unidos número 4.965.849, 9/1989, U.S. CI. 455-34) por nombrar unas pocas. Con los recientes desarrollos en tecnología digital que hacen factible desde el punto de vista económico la transmisión y la recepción digital de la información, existen un número significativo de patentes en estas áreas que incluyen también S. Hattori y colaboradores, "Sistema de comunicaciones móviles", Patente de los Estados Unidos número 4.947.452, 10/1989, U.S. CI. 455-33: S. Hattori colaboradores, "Sistema de comunicaciones móviles", Patente de los Estados Unidos número 4.955.082, 1/1989, U.S. CI. 455-33; T. Shimizu y colaboradores, "Procedimiento y sistema de comunicaciones de alto caudal de tráfico para una estación móvil digital cuando se cruza un límite de zona durante una sesión", Patente de los Estados Unidos número 4.989.204, 12/1989, U.S. CI. 370-94.1; T. Freeburg y colaboradores, "Sistema de telefonía de datos celular y teléfono celular de datos para el mismo", Patente de los Estados Unidos número 4.837.800, 13/1988, U.S. CI. 379-59; y R. Mahany, "Sistema y procedimiento de comunicaciones de datos radio móviles", Patente de los Estados Unidos número 4.910.794, 6/1988, U.S. CI. 455-67. Aunque la sectorización aumenta la capacidad, tiene un potencial limitado para cumplir con la demanda futura y está fundamentalmente limitada por los principios físicos básicos que no permiten el diseño de sectores excesivamente pequeños sin antenas excesivamente grandes. Además, como la sectorización es simplemente otro procedimiento para aumentar el número de celdas, el problema de traspaso que se trata con detalle adicional, se empeora.
En los sistemas convencionales anteriormente mencionados, se supone que solamente hay una unidad móvil a la vez transmitiendo en una celda dada a una frecuencia dada. Otros transmisores que transmiten de manera activa en el canal de la misma frecuencia en el mismo instante de tiempo son considerados como interferencia cocanal, una situación que los sistemas actuales intentan evitar ya que conduce a una degradación del funcionamiento significativa. La interferencia cocanal, de hecho, es un factor principal en la determinación de cómo de a menudo (espacialmente) se reutilizan los canales de frecuencia, es decir, se asignan a diferentes celdas (W. Lee, Sistemas de Telecomunicación celulares móviles. McGraw-Hill, 1989). El problema de la interferencia cocanal infunde a todos los sistemas de comunicaciones sin hilos, no solamente a las comunicaciones móviles celulares, y se han formulado intentos para resolver esto en los sistemas actuales sobre la premisa de que las señales cocanal representan interferencias que se han de eliminar y que solamente se encuentra disponible una salida de antena/receptor para la tarea.
Sistemas convencionales en los que la supresión de la interferencia se realiza usando filtros adaptativos en el dominio del tiempo y la salida de una única antena incluyen F. Gutleber, "Sistema de cancelación de la interferencia para un sistema de comunicaciones de acceso de abonado móvil", Patente de los Estados Unidos número 4.434.505, 14/1982, U.S. CI. 455-50, y Y. Shimura, "Estación base capaz de supervisar la ocurrencia de interferencia en cada transmisión", Patente de los Estados Unidos número 4.837.801, 8/1987, U.S. CI. 379-61. Estas técnicas se basan en la suposición de estacionariedad estadística, es decir, que las características de canal no cambian muy rápidamente. En el entorno de comunicaciones móviles en el que la profundidad del desvanecimiento de Rayleigh (40 dB) a velocidades de hasta 200 H: es un factor dominante, las suposiciones estacionarias se sabe que no son válidas, y el funcionamiento de estas técnicas convencionales se sabe que es completamente susceptible a errores en las suposiciones hechas. En particular, en presencia de múltiples copias retrasadas de la misma señal, (es decir, multitrayecto especular), estos filtros adaptativos pueden anular la señal deseada.
También se han desarrollado técnicas de filtrado adaptativo en el dominio del tiempo para mejorar la calidad del canal para la transmisión digital en presencia del desvanecimiento de Rayleigh anteriormente mencionado que provoca interferencia entre símbolos en el receptor. Ejemplos de técnicas convencionales para tratar este tipo de interferencia incluyen J. Proakis, "Ecualización adaptativa para radio móvil digital TDMA", IEEE Trans. sobre Veh. Tech. Volumen 40, número 2, mayo de 1991, y otras numerosas referencias técnicas en la literatura gratuita. También se han adoptado técnicas de ecualización similares en el sistema GSM digital actual. Los sistemas anteriores son completamente compatibles con la técnica SDMA y se pueden incorporar en el paso de demodulación como se hace actualmente en la práctica.
Más recientemente, se han emprendido investigaciones sobre la posibilidad de combinar las salidas de más de una antena para mejorar la calidad de la señal mediante la eliminación de la interferencia cocanal. En el contexto de LAN y PBX sin hilos, se ha descrito un esquema de ecualización adaptativo multicanal por parte de J. Winter, "Sistema PBX/LAN sin hilos con combinación óptima", Patente de los Estados Unidos U.S. número 4.639.914, 9/1984, U.S. C. 370-110.1. Este procedimiento se basa en la asignación de código (CDMA) a un número conocido de transmisores y en el ajuste de la circuitería de control de potencia. También requiere duplexación por división en el tiempo, es decir, la transmisión y la recepción en la estación base y en los terminales sin hilos debe ocurrir en instantes de tiempo diferentes en la misma frecuencia. Este requisito es el resultado del hecho de que la información en la dimensión espacial no se explota por completo; no se calculan localizaciones de fuente. La suposición estacionaria anteriormente mencionada también es crítica para la técnica y por lo tanto no es aplicable al entorno móvil. Además, depende de la modulación y solamente está diseñada para LAN sin hilos entre oficinas que usen tecnología de transmisión digital.
En el contexto de combatir simplemente el problema móvil celular del desvanecimiento Rayleigh en el receptor móvil, un procedimiento de incorporar antenas plurales se describe también por P. Balaban y J. Salz, op. cit. En este documento como en técnicas similares bien conocidas, se hacen varias suposiciones que se refieren a las características temporales de la señal de interés y su relación respecto a las señales de interferencia cocanal y en base a las mismas, se construye un filtro variable en el tiempo con la mejor reconstrucción posible de la señal de interés como su único propósito. El funcionamiento de esta técnica se sabe también que es completamente susceptible a errores en las suposiciones hechas, de manera específica la suposición de canal estacionario. De hecho, la implementación de unidad móvil de la técnica SDMA mitiga en gran medida el desvanecimiento Rayleigh.
Las características indeseadas de las técnicas adaptativas anteriormente mencionadas son una consecuencia del hecho de que solamente se explotan propiedades de dominio en el tiempo supuestas de las señales recibidas, y que una de las señales presentes en los datos se trata de manera diferente de las restantes señales, es decir, las interferentes cocanal. Se ha descubierto que las interferentes cocanal simplemente representan una pluralidad de usuarios intentando acceder al sistema de manera simultánea en el mismo canal. De acuerdo con esto, una realización de la presente invención hace posible gestionar esta situación con independencia del tipo de modulación (analógica o digital) y en presencia de múltiples llegadas de la misma señal (es decir, multitrayecto especular). Ésta es una ventaja significativa sobre las técnicas convencionales descritas con anterioridad.
La explotación eficiente de la dimensión espacial para aumentar la capacidad requiere la capacidad de separar un número de usuarios que comunican de manera simultánea sobre el mismo canal al mismo tiempo en la misma área local (celda). Como se explicará, una realización de la presente invención realiza esta separación mediante la distinción de las señales en base a su ángulo de llegada, información que se usa para averiguar la localización de los transmisores. El proceso de localización del transmisor de acuerdo con esta realización de la invención proporciona hasta este momento ventajas inesperadas sobre las técnicas convencionales.
La localización de señales en el espacio usando los datos recogidos por una matriz de sensores se ha llevado a cabo en campos distintos a las comunicaciones sin hilos. Tal es el caso, por ejemplo, en el seguimiento de aviones y otros objetos aeroespaciales que usen radares de matriz fasada. Ejemplos de matrices con dicha estructura incluyen R. Roy y colaboradores, "Procedimientos para estimar las localizaciones de la fuente de señal y parámetros de la señal que usan una matriz de pares de sensores de señal", Patente de los Estados Unidos número 4.750.147, 3/1985, U.S. CI. 364-800, y R. Roy y colaboradores, "Procedimientos y configuraciones para la recepción de la señal y estimación de parámetros", Patente de los Estados Unidos número 4.965.732, 7/1987, U.S. CI. 364-460. Las matrices usadas, sin embargo, se requiere que posean una estructura especial, es decir, los sensores se produzcan en pares de elementos idénticos. La presente invención no está limitada al uso de dicha estructura de matriz especializada.
El documento EP 0405372 describe una antena de matriz de haz múltiple que puede generar múltiples haces usando ponderaciones adecuadas en una red de ponderación.
Un artículo de Swales y colaboradores titulado "La mejora del funcionamiento de antenas de estación base adaptativas multihaz para sistemas radio celulares móviles terrestres" (Transacciones IEEE sobre tecnología en vehículos, febrero de 1990, volumen 39, número 1, páginas 56 a la 67) describe un sistema de comunicaciones celular en el que se usa la transmisión direccional para reducir la interferencia cocanal entre celdas. CDMA se usa para cada transmisor dentro de una celda y hay reutilización cocanal entre celdas. No hay reutilización de un único canal convencional.
Anderson y colaboradores: "Una matriz adaptativa para sistemas de comunicaciones móviles" trata el uso de técnicas de antena adaptativa para aumentar la capacidad de canal, mediante el uso de una matriz de antenas en la estación base para obtener sensibilidad direccional, y rechazo a la interferencia cocanal.
Sumario de la invención
La presente invención proporciona un sistema de comunicaciones sin hilos para transmitir señales a una pluralidad de receptores situados en localizaciones respectivas, el mencionado sistema de comunicaciones usando al menos uno de los canales de frecuencia, canales de código y canales de tiempo para la comunicación con los mencionados receptores, comprendiendo el mencionado sistema: un medio de combinación para combinar las señales que se vayan a transmitir a un conjunto de receptores en un canal de comunicaciones único que comprende un canal de frecuencia, si se usan canales de frecuencia en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de código, si se usan canales de código en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de tiempo si se usan canales de tiempo en el sistema de comunicaciones, para formar una pluralidad de diferentes combinaciones de la señal; y un medio de transmisión que incluye antenas plurales de transmisión y los respectivos transmisores plurales para la transmisión de las mencionadas señales combinadas a cada uno de los mencionados conjuntos de receptores en el mencionado canal de comunicaciones; el mencionado medio de combinación estando dispuesto para suministrar una respectiva combinación de señal diferente a cada una de las mencionadas antenas de transmisión de forma que en la combinación las mencionadas antenas de transmisión transmitan dichas señales a cada uno de los mencionados conjuntos de receptores en el mencionado canal de comunicaciones de una manera espacialmente directiva de forma que cada uno de los mencionados conjuntos de receptores reciba las señales dirigidas al mismo; y el mencionado medio de combinación estando además dispuesto para formar una pluralidad de diferentes combinaciones de señal usando información que caracterice al mencionado medio de transmisión, y al menos un parámetro predeterminado relacionado con la localización de cada uno de los mencionados conjuntos de receptores.
La presente invención también proporciona un sistema de comunicaciones sin hilos para transmitir señales a y para recibir señales desde una pluralidad de medios transceptores posicionados en respectivas localizaciones, el mencionado sistema de comunicaciones usando al menos uno de los canales de frecuencia, canales de código y canales de tiempo para la comunicación con el mencionado medio transceptor, el mencionado sistema comprendiendo: un medio de recepción que incluye de antenas de recepción espacialmente distribuidas para hacer medidas de las señales recibidas en uno o en más canales de recepción, las mencionadas señales recibidas siendo el resultado de las señales transmitidas por cada uno de los conjuntos de los mencionados medios transceptores, dichas medidas hechas por las mencionadas antenas de recepción comprendiendo diferentes combinaciones de las mencionadas señales transmitidas en el canal o en cada uno de los canales de recepción; un medio de procesado que incluye un medio para estimar el número de las mencionadas señales recibidas por medio de análisis estadístico y/o mediante el uso del conocimiento de características de las señales transmitidas por cada uno de los mencionados conjuntos de los mencionados medios de transmisión, y un medio de estimación de parámetros para estimar los parámetros de las mencionadas señales recibidas, al menos uno de los mencionados parámetros estando relacionado con la localización de cada uno de los mencionados conjuntos de los mencionados medios transceptores; un medio de separación para estimar de manera simultánea las mencionadas señales transmitidas en el canal o en cada uno de los canales de recepción a partir de las mencionadas medidas mediante la separación de las mencionadas señales recibidas usando el mencionado número estimado de señales recibidas y mediante la asociación de las mencionadas señales recibidas respectivas con cada uno de los mencionados conjuntos de los mencionados medios transceptores; un medio de combinación para combinar las señales que se vayan a transmitir a cada uno de los mencionados conjuntos del mencionado medio transceptor en un canal de transmisión de la señal comprendiendo un canal de frecuencia, si se usan canales de frecuencia en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de código, si se usan canales de código en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de tiempo, si se usan canales de tiempo en el sistema de comunicaciones, usando los mencionados parámetros, para formar una combinación de señal diferente para cada uno de los mencionados conjuntos de medios transceptores, y un medio de transmisión que incluye antenas de transmisión plurales y los respectivos transmisores multicanal plurales para transmitir las mencionadas señales combinadas a cada uno de los mencionados conjuntos de medios transceptores en el mencionado canal de transmisión; el mencionado medio de combinación estando configurado para suministrar una respectiva mencionada combinación de señal diferente al mencionado medio de transmisión de forma que en combinación con las mencionadas antenas de transmisión transmitan las mencionadas señales a cada uno de los mencionados conjuntos de los mencionados medios transceptores en el mencionado canal de transmisión de una manera espacialmente directiva de forma que cada uno de los mencionados conjuntos de medios transceptores reciba señales dirigidas a los mismos; el mencionado medio de combinación estando dispuesto de manera adicional para formar la mencionada pluralidad de diferentes combinaciones de señal usando información que caracteriza al mencionado medio de transmisión, y al menos un parámetro predeterminado relacionado con la localización de cada uno de los mencionados conjuntos de medios transceptores; y el mencionado sistema estando dispuesto de forma que la recepción de señales en el canal de recepción o en cada uno de los canales de recepción desde cada uno de los medios transceptores y la transmisión de señales en el canal de transmisión a cada uno de los mencionados conjuntos de los mencionados medios transceptores pueda tener lugar de manera simultánea, estableciendo de esta forma enlaces de comunicaciones "full-dúplex" en el canal o en cada uno de los canales.
La presente invención puede proporcionar de esta manera un procedimiento y un aparato para aumentar la capacidad y mejorar la calidad de las redes de comunicaciones sin hilos. Recogiendo de manera apropiada y procesando posteriormente las medidas del sensor espacialmente distribuidas, se pueden estimar las localizaciones espaciales de múltiples fuentes que transmiten de manera simultánea información en un canal común y se pueden reconstruir las formas de onda de la señal individual. Usando la información de localización y una matriz de transmisor diseñada de manera apropiada, la información se transmite de manera simultánea a las fuentes sobre un canal común sin crear interferencia cocanal que en cualquier otro caso comprendería los enlaces de comunicaciones bidireccionales "full-duplex". Única para un aspecto de la invención, es la estimación de las localizaciones de fuente y la demultiplexación espacial de múltiples señales en el mismo canal y un procedimiento para establecer la comunicación entre múltiples transmisores y receptores en el mismo canal.
Con relación a la puesta en mercado de comunicaciones móviles celulares en particular, se ha acordado por lo general que existen cuatro áreas de importancia principal que no parecen ser tratables por medio de técnicas convencionales (G. Calhoun, op. cit.):
1.
defectos en la cobertura del área al que da servicio la red de estaciones base,
2.
defectos en el procesado de las llamadas por parte de las estaciones base y el MTSO,
3.
carencia de la privacidad y de la seguridad de las comunicaciones, y
4.
el problema de la transmisión de datos digitales.
El consenso entre los que sean expertos en la técnica del diseño de los sistemas de comunicaciones es que se requiere un avance tecnológico para resolver estos problemas críticos. De manera interesante, no se menciona el problema de la capacidad en esta lista particular, aunque es el principal tema de toda la monografía (G. Colhoun, op. cit.). Esta invención es un avance tecnológico que trata directamente las primeras tres cuestiones, es compatible con cualquiera de las soluciones potenciales para la cuarta y trata directamente la preocupación principal, que es la de incrementar la capacidad de las redes de comunicaciones sin hilos actuales sin aumentar el ancho de banda asignado.
Los defectos en el área de cobertura son simplemente debidos al hecho de que los sistemas celulares están actualmente construidos en base de un simple modelo geométrico de área de cobertura, por ejemplo, el área cubierta por una estación base en particular es un objeto geométrico simétrico cuyas colecciones son capaces de recubrir un gran área geográfica con un mínimo solapado. El hexágono es un ejemplo primario. Desafortunadamente, ésta es una estrategia de diseño deficiente que no tiene en cuenta ni la topología del área urbana (configuración de rascacielos, colinas, áreas de vegetación densa, etc.) ni la distribución no uniforme de usuarios potenciales del sistema, por ejemplo, autopistas que se convierten en espacios de aparcamiento en hora punta, retrasando las programaciones de las personas y creando una demanda de servicios de comunicaciones móviles altamente concentrados en una área en particular o punto caliente). Estas cuestiones se sabe ahora que son excesivamente importantes en el diseño apropiado de redes de emplazamiento celular, pero las técnicas convencionales no indican una solución. Las celdas no tienen límites bien definidos y las irregularidades del mundo real pueden reducir seriamente la eficiencia del sistema celular. Un estudio de AT&T (J. Whitehead, "Diseño de sistema celular: Una disciplina de ingeniería emergente", IEEE Communications Magazine, vol. 24, número 2, febrero de 1986, pág. 10), concluyó que "el tráfico irregular, el terreno y las situaciones de crecimiento limitan la eficiencia espectral de lo ortodoxo [diseños celulares] a aproximadamente la mitad de la ideal".
Un aspecto de esta invención supera el problema de la cobertura del área. Mediante el procesado de manera apropiada de las salidas de múltiples antenas en las estaciones base, se consigue un incremento en la ganancia efectiva del receptor y las señales de potencia significativamente más baja que las que se pueden recibir en dispositivos convencionales se detectan y son capaces de ser procesadas. Esto mitiga directamente en gran medida el problema de la caída de la señal. Además, con estaciones base cooperantes, varias estaciones base pueden dar servicio a la misma área geográfica durante períodos de uso de pico por medio de la asignación dinámica de canales entre estaciones base, eliminando por lo tanto los puntos calientes cuando y donde ocurran.
Los defectos en el procesado de llamadas son una preocupación principal en la industria celular. El problema básico surge debido al hecho de que las llamadas se deben transferir en un proceso denominado traspaso desde una estación base a otra a medida que la unidad móvil se mueve des una celda a una celda adyacente. El problema con los sistemas celulares actuales es que la localización de la unidad móvil es desconocida y claramente por lo tanto tampoco se conoce su dirección de movimiento (o para esta cuestión incluso si se está moviendo o está en reposo). Sin esta información, el sistema celular no tiene idea de a qué celda se debería realizar el traspaso. Los sistemas actuales confían solamente en los niveles de potencia recibida para averiguar si intentar un traspaso, y a qué celda se debería asignar la llamada o el enlace (G. Huensch y colaboradores, "Comunicaciones radio móviles digitales celulares", Patente de los Estados Unidos número 4.475.010, 27/1983, U.S. CI. 179-2 EB). Debido a las irregularidades anteriormente mencionadas en el área de cobertura, existe una probabilidad significativa de que la llamada será pasada a una celda inapropiada, una celda que esté lo suficientemente lejos que una vez que la unidad móvil cambie de posición en una pequeña cantidad, el error de asignación pase a ser obvio.
De acuerdo con algunos operadores celulares, este es un problema sustancial. El sistema celular en Los Ángeles ha experimentado problemas considerables de diafonía. Puede conseguir una alta elevación, su propia señal se debilita y comienza a oír otra conversación. En lugar de eso, puede perder la llamada. (S. Titch, "Para PacTel Mobile. Mayor no es Mejor", Communications Week, 27 de enero de 1986, pág. 54). El primer director de desarrollo celular para Motorola ha declarado que en cualquier lugar del 10% al 25% del tiempo, el sistema cometió errores de decisión cuando un usuario se desplazó de una celda a otra celda. Cuando la conmutación cometió un error, asignó la llamada de abonado a un emplazamiento de celda distante en lugar de a la celda más cercana. El sistema comenzaría entonces a dar servicio a un abonado diferente en la misma frecuencia en la misma celda como el primer abonado. El resultado fue el desastre celular. Cuando ocurre esta situación, los abonados oyen las conversaciones de los otros abonados en sus canales. Se les corta o, si tienen suerte [?], el canal es un canal ruidoso. Este problema ocurre lo suficientemente a menudo para ser irritante. (M. Cooper, "Lo celular no funciona - Si el sistema está correctamente diseñado". Personal Communications, junio de 1985, página 41). Además del problema de la diafonía, la prueba del montaje indica que variaciones locales en la intensidad de la señal provocan tasas significativamente altas de traspasos que las predichas en base a límites de celdas duras, y esta carga aumentada en la conmutación central es la causa de preocupación de que la capacidad del sistema celular se puede reducir.
Un aspecto de esta invención supera el problema de defectos en el procesado de la llamada. Mediante la proporción de una estimación de las localizaciones y de las velocidades de las unidades celulares hasta este momento no disponibles, se pueden iniciar estrategias de traspaso inteligente. Esto cumple directamente la necesidad de que los operadores celulares conozcan la localización y la velocidad de la unidad móvil. Acoplados con la capacidad incrementada de procesar señales de baja potencia, los anteriores aspectos de la presente invención consiguen una mejora significativa en el funcionamiento de sistemas de comunicaciones celulares.
La privacidad es otra cuestión de gran importancia para la industria celular. La naturaleza insegura de los sistemas actuales (cualquiera puede escuchar ilegalmente a todos los canales móviles) es un factores críticos que tienen impacto en las ventas del sistema a clientes implicados en transacciones comerciales sensibles así como muchos usuarios gubernamentales. Los operadores celulares se están dando cuenta de que se debe encontrar alguna solución positiva (G. Calhoun, op. cit.). La raíz del problema es que en sistemas actuales, las señales se transmiten por medio de antenas no direccionales lo más uniformemente posible sobre la región o el sector al que dan servicio, y pueden ser interceptadas por receptores localizados prácticamente en cualquier lugar de las cercanías. Una solución a este problema es el encriptado. Sin embargo, esto requiere hardware analógico a digital (des)encriptado a analógico tanto en el lado de la celda como en la unidad móvil, o la conversión a un nuevo estándar digital, siendo ambas soluciones más bien costosas.
Otro aspecto de esta invención proporciona una mejora significativa en mantener la privacidad. Utilizando el conocimiento de la localización del receptor deseado, el transmisor de la estación base está diseñado para transmitir la señal deseada esencialmente en esa dirección solamente. Mediante la transmisión de la señal solamente en esa dirección, se mitigan en gran medida las escuchas. Para interceptar la señal, la persona que realiza escuchas debe estar en la misma región geográfica, una condición que ocurrirá raramente en la práctica. El grado hasta el que se puede localizar en el espacio la señal transmitida desde la estación base a la unidad móvil es una función directa del número de antenas de transmisión disponibles. Como se sabe bien, en dispositivos convencionales tales como antenas de matriz fasada, los denominados anchos de haz de energía transmitida dependen directamente de la apertura de la antena y del número y la localización de las antenas de transmisión. De esta forma, la seguridad del sistema desde la estación base a la unidad móvil se puede aumentar fácilmente a costa de aumentar el hardware del transmisor en las estaciones base. Aunque no se necesita en esta invención, se puede emplear el mismo sistema en la unidad móvil empleando múltiples antenas de recepción y de transmisión para localizar la estación base (eléctricamente) más cercana y transmitir de manera selectiva en esa dirección. El inconveniente es el aumento significativo en la complejidad de la unidad móvil.
La carencia de compatibilidad de sistemas celulares analógicos actuales con la transmisión de datos digitales no es una cuestión de importancia principal en la actualidad. La mayoría de los usuarios están preocupados por la transmisión de voz y los anchos de banda actualmente asignados (30 kHz por canal) son suficiente para ese propósito. Sin embargo, fundamentalmente limitan la cantidad de datos que se pueden transmitir con éxito a aproximadamente 10 kb/s en teoría, y aproximadamente a 1200 b/s en la práctica debido a la pobre calidad del canal. A medida que aumentan las demandas de los usuarios, se tendrán que revisar la necesidad de transmisión de datos a alta velocidad sobre la red celular y el sistema actual.
A este respecto, otro aspecto de esta invención depende del esquema de modulación de la señal. Funciona igualmente bien con modulación analógica que con modulación digital de las señales de fuente. De hecho, una de las principales preocupaciones en aplicar técnicas de espectro expandido digitales en la industria móvil celular es la interferencia entre símbolos resultado de las reflexiones multitrayecto. Este problema se mitiga en una realización de la presente invención mediante el empleo de múltiples antenas, se pueden detectar las diferentes direcciones de llegada asociadas con diferentes trayectos desde la misma fuente, y se puede realizar el aislamiento espacial de las múltiples llegadas desde los mismos. Una segunda preocupación con la modulación digital es la necesidad de mantener una relación señal a ruido tan grande como sea posible para mantener las tasas de error de bit tan bajas como sea posible. Mediante el empleo de una realización de esta invención, la intensidad de las señales recibidas en la estación base se puede mejorar de manera significativa sobre los sistemas existentes para la misma cantidad de potencia transmitida proporcionando de esta manera una mejora significativa en el funcionamiento del sistema.
Como no se conocen en los sistemas convencionales las localizaciones de las unidades sin hilos, la única estrategia razonable es la transmisión uniforme y no direccional (en acimut) desde sitios de celdas a las unidades sin hilos. Única para una realización de esta invención, sin embargo, es la capacidad para estimar la localización de múltiples transmisores en el mismo canal. Esta información, hasta la fecha no explotable, se usa para diseñar estrategias eficientes para la transmisión múltiple cocanal de la señal desde el sitio de celda a la unidad sin hilos. Bien conocido en sistemas convencionales es el diseño de matrices de antenas para transmitir de manera selectiva energía en direcciones prescritas como una función de la frecuencia (H. Rosen, "Sistemas de Comunicaciones por Satélite de haz dirigido", Patente de los Estados Unidos número 4.972.151, 9/1985, U.S. CL 342-354). Como un resultado no esperado de esta invención, se hace posible la transmisión selectiva espacialmente de múltiples señales cocanal desde el sitio de celda a las unidades sin hilos. Además, se minimiza la cantidad de potencia transmitida en direcciones distintas a la dirección deseada por el receptor, mitigando de manera adicional el problema de la interferencia cocanal.
En resumen, las realizaciones de esta invención tratan cuestiones y problemas clave que hacen frente a la industria de las comunicaciones móviles celulares así como otras redes de comunicaciones sin hilos esencialmente mediante la restauración de la propiedad de servicio de línea de hilos, la de comunicación punto a punto, perdida cuando se eliminaron los cables en favor de la transmisión y la recepción de área amplia (omnidireccional) de la radiación (electromagnética). No se han hecho intentos en técnicas convencionales para:
1.
explotar la información recogida por una matriz de sensores con el propósito de detectar y estimar la localización de múltiples señales en el mismo canal (frecuencia) al mismo tiempo,
2.
estimar de manera simultánea todas las señales transmitidas, o
3.
usar la información espacial para transmitir de manera simultánea y de manera selectiva diferentes señales a uno o más usuarios en el mismo canal (frecuencia),
Los procesos anteriores son únicos para las realizaciones de esta invención y producen resultados útiles nuevos e inesperados en redes de comunicaciones sin hilos. Aunque las mejoras conseguidas pueden aumentar la complejidad del hardware, dichos costes son fácilmente desplazables por la mejora de la atención en el funcionamiento y en la capacidad. Además, como no se necesitan emplear la multiplexación y la demultiplexación espaciales en las unidades móviles, el coste de aumentar la calidad y la capacidad de las redes sin hilos actuales se pueden conservar en un mínimo, aunque también se puede realizar una mejora adicional en el funcionamiento del sistema por medio de la implementación de la unidad móvil de la multiplexación y demultiplexación espacial.
De acuerdo con esto, este procedimiento y este aparato tienen las siguientes ventajas sobre la tecnología actual:
1.
las realizaciones de la invención permitirán el uso simultáneo de cualquier canal convencional (frecuencia, tiempo o código) por parte de múltiples usuarios, ninguno de los cuales ocupan la misma localización en el espacio, incrementando por lo tanto la capacidad de las redes de información sin hilos actuales,
2.
las realizaciones de la invención proporcionan seguimiento de las fuentes móviles, mitigando los problemas de traspaso y de gestión de la señal presentes en sistemas de comunicaciones móviles celulares convencionales,
3.
la invención depende del tipo de modulación de la señal particular y por lo tanto es compatible con esquemas de modulación actuales y esperados en el futuro en sistemas de comunicaciones sin hilos,
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4.
las realizaciones de la invención proporcionan una calidad de señal mejorada tanto en los transmisores como en los receptores,
5.
las realizaciones de la invención proporcionan una seguridad en la comunicación mejorada mediante la transmisión de señales solamente en direcciones preferidas limitando por lo tanto la cantidad de radiación no intencionada,
6.
las realizaciones de la invención permiten que se efectúe una disminución en la potencia de transmisor en el sitio de la celda mediante la transmisión directiva a la vez que se mejora la calidad de la señal,
7.
las realizaciones de la invención disminuyen de manera significativa la degradación de la señal, debida a la interferencia cocanal permitiendo por lo tanto la reutilización de frecuencias de las celdas adyacentes de manera más frecuente, incrementando además la capacidad del sistema,
8.
la implementación de las realizaciones de la unidad móvil de la invención se pueden efectuar con muchas de las ventajas anteriormente mencionadas aplicándolas también a la unidad móvil,
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Aunque las ventajas anteriores se han descrito en el contexto de comunicaciones sin hilos, existe un número de aplicaciones en otras áreas. Por ejemplo, el sistema de una realización de la invención se puede usar como un dispositivo de medida del diagnóstico para la calidad de la cobertura del sitio de la celda. Aquí, no se requiere la transmisión selectiva; el sistema de recepción se transporta a través del área de cobertura y se supervisan las intensidades y las direcciones de llegada de las señales transmitidas desde la estación base. Hay m sistemas conocidos actualmente disponibles para realizar esta función. La información obtenida de esta manera es importante para valorar la calidad del servicio también desde localizaciones de sitio de celda propuestos. Objetos y ventajas adicionales serán aparentes a partir de la consideración de los dibujos y asegurando la descripción detallada.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de unidades convencionales múltiples sin hilos que transmiten y reciben con éxito sobre diferentes canales.
La figura 2 es una ilustración gráfica de la interferencia cocanal resultante de varias unidades múltiples sin hilos que transmiten en el mismo canal, un factor crítico en la limitación de la capacidad de los sistemas actuales de comunicaciones sin hilos.
La figura 3 es una ilustración gráfica de la interferencia cocanal resultante de la transmisión en radiodifusión de múltiples señales en el mismo canal a múltiples unidades sin hilos, un factor crítico en la limitación de la capacidad de los sistemas de comunicaciones sin hilos actuales.
La figura 4 es un diagrama de bloques del sistema SDMA que recibe y que transmite con éxito múltiples señales en un canal de acuerdo con una realización de la invención, consiguiendo de esta manera un incremento en la capacidad por medio de permitir a múltiples usuarios acceder a un canal de manera simultánea.
La figura 5 es un desglose del procesador de señal SDMA (SDMAP) de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 6 es una ilustración gráfica de la recepción de señal múltiple cocanal en el sitio central de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 7 es un desglose del receptor del sitio central multicanal SDMA de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 8 es una ilustración gráfica de la transmisión múltiple de señal múltiple cocanal desde el sitio central de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 9 es un desglose del transmisor del sitio central multicanal SDMA de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 10 es una ilustración gráfica de múltiples procesadores SDMA empleados para aumentar la capacidad de la estación base de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 11 contiene el seguimiento DOA y los resultados de copia de la señal para dos transmisores de FM en movimiento casi coincidentes en un entorno de desvanecimiento severo de Rayleigh.
La figura 12 ilustra el seguimiento DOA de transmisores de FM con seguimientos cruzados en un entorno de desvanecimiento de Rayleigh.
La figura 13 ilustra la compatibilidad del concepto SDMA con tecnología SDMA propuesta, la localización exitosa y la demultiplexación espacial de tres transmisores digitales de espectro expandido.
La figura 14 ilustra la efectividad del esquema de multiplexación espacial SDMA robusto, único para esta invención, para la transmisión directiva de señales a receptores sin hilos en la misma frecuencia.
Descripción detallada
La figura 1 muestra un ejemplo de redes de comunicaciones sin hilos actuales. Las unidades de transmisor/receptor sin hilos (20, 22, 24) para los propósitos de ilustración mostradas como unidades móviles vehiculares, están asignadas a distintos canales (frecuencia) y por lo tanto se les permite que comuniquen de manera simultánea. Un receptor multicanal (26) explota el hecho de que están en diferentes canales de frecuencia para separar correctamente las señales (28, 30, 32) que son entonces posteriormente demoduladas y se pasan a lo largo del resto de la red. Un transmisor multicanal (40) transmite señales (34, 36, 38) a las unidades sin hilos (20, 22, 24) en otro conjunto de frecuencias distintas. Por ejemplo, en sistemas de comunicaciones móviles celulares actuales, las unidades móviles reciben transmisiones desde las estaciones base en canales 45 MHz por encima de aquellos canales de frecuencia que transmiten información a las estaciones base. Esto permite la transmisión y la recepción simultáneas de información tanto en la estación base como en las unidades móviles.
La figura 2 muestra una desventaja de los sistemas de comunicaciones sin hilos actuales. Las unidades sin hilos (20, 22, 24) que transmiten en el mismo canal convencional (la misma frecuencia portadora f_{c1} en este diagrama) no pueden ser determinadas en el receptor (26) debido al hecho de que no hay forma en los sistemas actuales de distinguir una señal de otra cuando comparten el mismo canal. La salida del receptor (28) es una combinación de todas las señales presentes en el canal incluso después de la conversión a una frecuencia inferior a la frecuencia de banda
base f_{b}.
La figura 3 muestra una desventaja similar de los sistemas de comunicaciones sin hilos actuales con respecto a la comunicación desde el transmisor de la estación base (40) a los receptores remotos. La función del transmisor multicanal es convertir a una frecuencia superior las señales desde la frecuencia de banda base f_{b} a una de las frecuencias portadoras multicanal para la transmisión a la unidad móvil. Las unidades sin hilos (20, 22, 24) en un canal particular (la misma frecuencia portadora f_{c1} en este diagrama) reciben una combinación de múltiples señales transmitidas desde el transmisor de la estación base (40) en ese canal de frecuencia (34). Esto es debido al hecho de que no hay un procedimiento en los sistemas actuales para evitar que todas las señales transmitidas en el mismo canal de frecuencia alcancen a todos los receptores de una celda dada o de un sector de la misma fijados para recibir las señales en un canal particular. las señales recibidas en las unidades sin hilos son combinaciones de todas las señales transmitidas en ese canal.
La figura 6 es una ilustración del procedimiento usado por: una realización de esta invención para superar el problema anteriormente mencionado de la recepción de señal múltiple en una o en más estaciones base. Múltiples señales provenientes de unidades sin hilos (20, 22, 24) que se transmiten en el mismo canal son recibidas por una matriz de sensores y receptores (42). Estas señales cocanal son demultiplexadas espacialmente por medio de un demultiplexor espacial (46) que está controlado por medio de un Procesador de Señal de Acceso Múltiple por División Espacial (SDMAP) (48). Las señales demultiplexadas (50) son entonces enviadas a demoduladores de la señal como bien se sabe.
La figura 8 es una ilustración del procedimiento usado por una realización de esta invención para superar el problema anteriormente mencionado de la recepción de señal múltiple en la unidad sin hilos móvil. Múltiples señales (64) provenientes de los demoduladores de señal, que se suponen todas que están en el mismo canal de frecuencia para propósitos de ilustración, son combinadas de manera apropiada por medio de un multiplexor espacial (66) bajo el control del SDMAP (48) para eliminar toda la interferencia cocanal en las unidades sin hilos (20, 22, 24). Estas señales (68) se envían a los transmisores multicanal (70) y posteriormente se transmiten por medio de una matriz de antenas a las unidades sin hilos (20, 22, 24). Como se indica en la ilustración, por medio del diseño apropiado del multiplexor espacial, la unidad sin hilos (20) no recibe ninguna de las señales que se están transmitiendo a las unidades (22) o (24), y de manera similar, para las otras dos unidades. Junto con la figura 6, se establecen así una pluralidad de enlaces "full-duplex". La capacidad para establecer más de un enlace "full-duplex" de manera simultánea en el mismo canal (frecuencia) es única para el sistema SDM.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques de una realización de un sistema SDMA que recibe de manera exitosa múltiples señales en un canal y que transmite múltiples señales en otro canal mediante el uso de diferentes canales espaciales. El propósito de la figura es indicar que estos mensajes son radiodifundidos en los mismos canales (frecuencias), desde las unidades móviles a la estación base en f_{c1} y desde la estación base a las unidades sin hilos en f_{c2} al mismo tiempo. Esta es una situación no permitida hasta ahora ya que los mensajes interfieren unos con otros en los sistemas actuales como se indica en la figura 2 y en la figura 3. Las señales transmitidas en el mismo canal por las unidades sin hilos (20, 21, 24) son recibidas en la estación base por múltiples antenas. La salida de cada una de las m_{r} antenas se envía, a un receptor multicanal como es en la práctica en sistemas actuales para una única antena. Las m_{r} antenas pueden ser antenas individuales o una única antena de plato de alimentación múltiple como se conoce bien. Aquí se hace referencia a cada alimentación de una única antena de plato de alimentación múltiple como una antena.
El receptor multicanal coge una entrada de antena y tiene una salida para cada canal de frecuencia que es capaz de procesar. Por ejemplo, en sistemas celulares analógicos actuales, el receptor consiste en un banco de filtros paso banda, cada uno de dichos filtros sintonizado a cada uno de los canales de frecuencia asignados a esa estación base. En una realización de esta invención, cada uno de dichos receptores está asignado a cada una de las antenas como se muestra en la figura 7 (102, 104, 106). En otra realización, se conmutan varias antenas a través de un circuito de conmutación de alta velocidad a un solo receptor. La salida de los receptores multicanal para un canal particular (frecuencia) es una pluralidad de señales (112, 114, 116), una señal de ese canal para cada par antena/receptor. Estas señales se procesan como un grupo por medio del SDMAP/Demultiplexor espacial (120) para recuperar las señales originales transmitidas (122, 124, 126). Aunque el diagrama implica que un único SDMAP y demultiplexor espacial está dedicado a cada canal, en otra realización se multiplexan varios canales en un único SDMAP y demodulador espacial.
Con referencia de nuevo a la figura 4, en una realización, las salidas del receptor (44) son digitalizadas después de la conversión de frecuencia inferior a banda base en los receptores multicanal (42) y se transmiten en formato digital a los SDMAP (48) y a los multiplexores espaciales (46). Las salidas de los demultiplexores espaciales (50) son, en una realización, demoduladas digitalmente y son convertidas a analógicas para su transmisión a través de la red de conmutación (58), y en otra realización, son convertidas a analógicas antes de la demodulación. En otra realización adicional de esta invención, la conversión A/D de las salidas analógicas recibidas (44) se realiza en los SDMAP, y las señales digitales (44) se envían a los demultiplexores espaciales (46) donde los circuitos de ponderación y de suma analógicos digitalmente controlados demultiplexan espacialmente las señales analógicas (44) y las señales analógicas de salida (50) se envían a los demoduladores analógicos.
Por lo general, una función del SDMAP (48) es calcular las señales de control apropiadas para el demultiplexor espacial (46) y el multiplexor espacial (66) mediante el procesado de la información recibida desde el receptor (42) y la información proporcionada por el controlador SDMA (72). El SDMAP también envía información del seguimiento y otra información de parámetros de la señal al controlador SDMA (72) para su uso en la asignación de canal y el traspaso inteligente. A continuación se da una descripción detallada del SDMAP.
Los demultiplexores espaciales (46 de la figura 4) demultiplexan las salidas (44) de los receptores multicanal (42). Esta función se realiza para cada canal de recepción (frecuencia) asignado al sitio de celda. En una realización, en cada uno de los canales el demultiplexor espacial combina de manera apropiada las señales (44) para proporcionar una salida para cada una de las señales presentes en ese canal (C1 en la figura 7). Aquí, apropiadamente combinadas significa combinadas de forma que la señal proveniente de cada unidad sin hilos en un canal aparece en la salida apropiada del demultiplexor espacial. Esto es un aspecto único de esta invención.
Las salidas (50) del demultiplexor espacial (46 en la figura 4) para un canal particular son las señales independientes transmitidas desde las unidades sin hilos a la estación base en ese canal, y se envían a los demoduladores como se hace en los sistemas actuales. Las señales demoduladas se encaminan después a través de una red de conmutación (58) a su destino apropiado como se hace en la actualidad.
Las señales destinadas para las unidades móviles se obtienen a partir de la misma red de conmutación (58) y se dirigen a los moduladores de señal (62) como se hace en los sistemas actuales. Las señales en banda base moduladas (64) se envían a multiplexores espaciales (66) donde son procesadas de manera apropiada bajo la dirección del SDMAP (48) para su transmisión a las unidades móviles. En esta ilustración, estas unidades sin hilos se supone que son las mismas que aquéllas cuyas señales fueron recibidas en los receptores (42). Éste no necesita ser el caso y no es una restricción para la invención actual; en este documento son las mismas por propósitos ilustrativos solamente.
Se emplean transmisores multicanal (70) similares en estructura a los receptores (42), habiendo un transmisor para cada una de las m_{r} antenas transmisoras como se muestra en la figura 9 (152, 154, 156). Cada transmisor combina de manera apropiada las salidas de cada canal asignado a la estación base para el propósito de transmisión de las señales a través de la antena asociada a las unidades sin hilos como en los sistemas actuales.
La función del multiplexor espacial (66) mostrada en la figura 9 es multiplexar una o más señales (64) en un canal particular (C1 en la figura 9), pero diferentes canales espaciales. El multiplexor espacial (66) combina de manera apropiada las señales (64) y proporciona una salida para el canal particular (C1 en la figura 9) en cada uno de los transmisores (40). Aquí, apropiadamente combinados quiere decir combinados de forma que cada unidad sin hilos reciba solamente la señal destinada a la misma. Ninguna otra señal llega a esa unidad sin hilos particular en ese canal (frecuencia). Éste es un aspecto único de la invención.
La multiplexación espacial se realiza para cada uno de los canales (C1, C2, ..., Cn, en la figura 9). En una realización, se proporciona un multiplexor espacial para cada canal. En otra realización, la tarea de multiplexar para varios canales se realiza por medio del mismo hardware del multiplexor. Si las señales (64) procedentes del modulador de la señal (62) son analógicas, en una realización el multiplexor espacial está compuesto de componentes analógicos controlados digitalmente. En otra realización, las señales (62) se digitalizan en caso de que sea necesario, se combinan de manera apropiada en el multiplexor espacial, después se envían a los transmisores para la conversión D/A y la transmisión a las unidades sin hilos.
El Procesador de señal de acceso múltiple por división espacial (SDMAP)
La figura 5 muestra un desglose de un Procesador de señal de Acceso Múltiple por División Espacial (SDMAP) (48). La función del SDMAP incluye la determinación de cuántas señales están presentes en un canal particular, la estimación de los parámetros de la señal tales como la localización espacial de los transmisores (es decir, las direcciones de llegada DOA y la distancia desde la estación base), y la determinación de los esquemas apropiados de demultiplexación y multiplexación espaciales. Las entradas (44) al SDMAP incluyen las salidas de los receptores de la estación base, uno para cada antena de recepción. En una realización, los receptores realizan la detección en cuadratura de las señales como en los sistemas actuales, en cuyo caso existe una salida de componentes (señales) en fase (I) y en cuadratura (Q) desde cada canal que se encuentre tras cada una de las antenas. En otra realización, se usa un único componente convertido a una frecuencia inferior, I o Q o una combinación de los mismos. En una realización, los receptores digitalizan los datos antes de pasarlos al SDMAP. En otra realización, la digitalización se realiza en el compresor de datos (160) como se ha mencionado con anterioridad.
En una realización de la invención, el SDMAP lleva a cabo su tarea obteniendo primero estimaciones de parámetros importantes relacionados con la señal, tales como sus direcciones de llegada (DOA) sin explotar las propiedades temporales de la señal. Esto es apropiado, por ejemplo, en situaciones en las que se emplean los esquemas de modulación analógicos y existe poco conocimiento acerca de la forma de onda de la señal. En una segunda realización, se pueden usar secuencias de formación conocidas colocadas en los flujos de datos digitales para el propósito de ecualización de canal junto con información de la matriz de sensores para calcular las estimaciones de parámetros de la señal tales como DOA y los niveles de potencia de la señal. Esta información se usa entonces para calcular los pesos apropiados (76) para un demultiplexor espacial implementado en esta realización como un combinador lineal, es decir, una operación de ponderación y suma. En una tercera realización, los parámetros relacionados con TOA provenientes del estimador de parámetros se usan junto con los parámetros de correlación de la señal para averiguar qué señales son versiones multitrayecto de una señal común. Los retardos relativos se calculan entonces de forma que las señales se puedan combinar de manera coherente, aumentando de esta forma la calidad de las señales estimadas. La capacidad para explotar la información de la matriz de sensores de esta manera es única para esta invención.
Sin embargo, en otra realización de esta invención, la función del demultiplexor espacial se realiza junto con la estimación de otros parámetros de fuente tales como los DOA. Como un ejemplo de una de dichas realizaciones de este tipo, la propiedad de módulo constante (es decir, la amplitud constante) de varias señales de comunicaciones tales como las formas de onda de señales codificadas por desplazamiento de fase (PSK) y señales FM analógicas se pueden explotar junto con las propiedades de la matriz de antenas de recepción para estimar de manera simultánea las formas de onda de fuente así como sus DOA usando algoritmos de módulo constante multicanal (CMA) que son bien conocidos.
En otra realización, se pueden usar filtros de Kalman ampliados, también bien conocidos (C. Chui y C. Chen, Filtrado de Kalman con Aplicaciones en tiempo real, Springer - Verlag, 1991) para explotar estas propiedades y propiedades similares. En estas realizaciones y en realizaciones similares, la función del demultiplexor espacial (46) se supone en el SDMAP (48), y las salidas del SDMAP (76) son señales demultiplexadas espacialmente para ser enviadas a los demoduladores.
Con referencia a la figura 5 de nuevo, la compresión de datos (160) se realiza para reducir la cantidad de datos, y en una realización consiste en la acumulación de una matriz de covarianza de muestras que implica las sumas de los productos externos de las salidas de receptor muestradas en un canal particular. Tras esto, se hace referencia a estas salidas muestreadas como vectores de datos, y existe uno de dichos vectores de datos en cada instante de muestreo para cada uno de los canales asignados a una estación base en particular. En otra realización, los datos comprimidos son simplemente los vectores de datos sin procesar. Si las señales I y Q (44) son las salidas de los receptores, cada vector de datos es una colección de m_{r} números complejos, uno para cada uno de los pares de receptor/antena.
En una tercera realización, la compresión de datos incluye también el uso de información conocida de la señal tal como la secuencias de formación presentes en los sistemas digitales sin hilos (D. Goodman, "Redes de Información sin Hilos de Segunda Generación", IEEE Trans. de Veh. Tech., Vol. 40, número 2, mayo de 1991) y respuestas de transpondedor de unidad móvil en sistemas analógicos actuales para calcular el tiempo de llegada (TOA) de una señal periódica distinta característica, un parámetro que contiene información de valor relacionada con la distancia entre los sitios de celda y el transmisor sin hilos que es explotado en esta realización.
Los datos comprimidos (162) se pasan a un detector de señal (164) para la detección del número de señales presentes en el canal. En una realización, se emplean los esquemas estadísticos de detección junto con la información proveniente de un controlador SDMA (72) para estimar el número de fuentes presentes en el canal. Esta información y los datos (comprimidos) (168) se envían a un estimador de parámetros (170) en el que se obtienen las estimaciones de los parámetros de la señal incluyendo aquéllos relacionados con las localizaciones de fuente (por ejemplo, DOA e intervalo).
Las estimaciones de parámetros relacionados con la localización (172) se pasan a un seguidor de fuente (174). En una realización, la función del seguidor de fuente se mantiene para hacer un seguimiento de las posiciones de cada uno de los transmisores como una función del tiempo. Esto se implementa por medio de técnicas conocidas de filtrado no lineal tales como el filtrado de Kalman ampliado anteriormente mencionado (EFK). En otra realización, se hace un seguimiento también de las velocidades y de las aceleraciones de cada una de las unidades sin hilos en un canal particular. las entradas al EFK en una realización incluyen los DOA y los TOA provenientes de la estación base local. En otra realización las medidas de DOA y de TOA provenientes de otros sitios de celda cercanos también recibiendo transmisiones desde las unidades móviles se incorporan junto con las localizaciones conocidas de los sitios de celda para mejorar de manera adicional la precisión de la estimación de un EFK como bien se conoce. Las salidas del seguidor (174) se envían junto con los datos (comprimidos) (176) a un controlador de demultiplexor espacial (178) para controlar la función del demultiplexor espacial, y a un controlador de multiplexor espacial (180) para controlar la función del multiplexor espacial.
Controlador SDMA
La figura 10 visualiza un controlador SDMA (72) que supervisa la asignación de canal, y una pluralidad de sistemas SDMA (202, 204, 206). Como se ha mencionado con anterioridad, cada sistema SDMA recibe señales (44a, 44b, 44c) provenientes de los receptores multicanal (42) y envía señales (68a, 68b, 68c) a los transmisores multicanal (70) para la transmisión a las unidades sin hilos. El sistema SDMA también comunica la información (seguimiento) (182a, 182b, 182c) como se ha mencionado con anterioridad al controlador SDMA y recibe información (182a, 182b, 182c) desde el controlador SDMA. Lo que no se muestra en esta ilustración es un enlace entre las estaciones base y su acceso a una red de área amplia a través de una red de conmutación. Aunque dichos enlaces están presentes en las redes celulares móviles actuales y en las redes LAN, ciertamente no se necesitan en esta invención. La comunicación punto a punto entre unidades sin hilos a través de la estación base es posible sin entrar en una red de área amplia.
La función del sistema SDMA se realiza para cada uno de los canales (202, 204, 206), denotados como CH 1, CH 2, ..., CH n, en la figura 10 asignados a una estación base para la recepción. En una realización, existe un sistema SDMA independiente para cada canal SDMA. En otra realización, se procesan varios canales en el mismo sistema SDMA.
Un objetivo del controlador SDMA (72) es evitar que las unidades sin hilos pasen a ser coincidentes en canal (frecuencia o código), tiempo y espacio (localización) espacial. Como se requiere, el controlador ordena a las unidades sin hilos que cambien a diferentes canales (frecuencia o código) a través de esquemas de mensajería estándar tales como los que están presentes en sistemas sin hilos actuales.
En una realización, los controladores SDMA en varios sitios de celda (190, 194, 200) envían información de seguimiento y de asignación de frecuencia, además de otros parámetros pertinentes de fuente tales como la potencia de la señal, referente a todas las unidades móviles en su celda (192, 196, 198) a un supervisor de estación base (220). Por ejemplo, en comunicaciones móviles celulares, el supervisor es el MTSO. Esta información se usa para mitigar los problemas anteriormente mencionados de traspaso presentes en sistemas sin hilos actuales. Con el conocimiento de las localizaciones y de las velocidades de todos los transmisores y el conocimiento de las áreas cubiertas por cada una de las celdas, se pueden implementar estrategias eficientes y fiables de traspaso.
En otra realización, la función del controlador SDMA incluye la retransmisión a cada estación base las localizaciones y las asignaciones de canal de coches y celdas vecinas. Esta información se usa en los controladores de multiplexor y de demultiplexor espaciales en el SDMAP para mejorar el funcionamiento de los multiplexores y demultiplexores espaciales. También se llevan a cabo mejoras adicionales en la capacidad en este documento permitiendo la asignación dinámica de canales de recepción y de transmisión entre los varios sitios de celdas y las unidades móviles. La capacidad para hacer un seguimiento de múltiples transmisores en redes de comunicaciones sin hilos y las mejoras significativas hechas con relación a la capacidad del sistema y a la calidad son únicas para la invención.
Resultados de simulación
La figura 11 ilustra la capacidad del sistema de una realización de la invención para hacer un seguimiento de manera simultánea de múltiples transmisores en el mismo canal, y para demultiplexar espacialmente las señales recibidas para estimar las formas de onda transmitidas de manera individual. La matriz de recepción está compuesta de una matriz de elementos lineal uniforme de 10 elementos espaciados media longitud de onda, es decir, 17 cm a 850 MHz. Los dos transmisores de FM se mueven uno hacia el otro y realmente cruzan los trayectos, es decir, los DOA están en un punto durante el mismo intervalo. Se simula un entorno de desvanecimiento severo de Rayleigh con una tasa de desvanecimiento en exceso de 100 Hz. Las salidas del receptor se procesan en bloques de 400 vectores de datos (0,05 véase los datos muestreados a 8 kHz). A pesar del hecho de que los transmisores están separados menos de 2º a 1,7 segundos, aproximadamente 30 m de separación 1 km desde la estación base, las formas de onda de la señal individual son reconstruidas de manera precisa como se muestra en la ilustración inferior. Esta figura manifiesta de una manera clara la eficacia de esta realización mientras dicho funcionamiento no ha sido conseguido en el sistema actual. La capacidad para separar fuentes cocanal en la proximidad cercana unas de otras y de demultiplexar espacialmente de manera exitosa las señales recibidas es única para esta invención.
La figura 12 es una continuación de la figura 11 que ilustra la capacidad del sistema de una realización de la invención para hacer un seguimiento de manera simultánea múltiples transmisores en el mismo canal donde se cruzan las trayectorias. En el punto medio del intervalo de estimación, los transmisores están en el mismo DOA. Como se puede ver fácilmente, el sistema SDMA hace un seguimiento de los DOA de los transmisores de manera simultánea. La capacidad para hacer el seguimiento cortando las trayectorias de los transmisores cocanal desde las medidas DOA hechas por una matriz de sensores es única para esta realización de la invención y no se ha llevado a cabo en los sistemas sin hilos actuales.
La figura 13 ilustra la compatibilidad del concepto SDMA con tecnología CDMA propuesta. Se simulan tres fuentes a 20º, 40º y 60º con respecto al eje de línea de una matriz lineal uniforme de 10 elementos de elementos de antena omnidireccional. Las velocidades en baudios son 1 MHz, 1 MHz y 500 kHz respectivamente, y la relación señal a ruido efectiva (SNR) es de aproximadamente 0 dB. La traza superior muestra la salida del primer elemento de antena, y la SNR se ve claramente que está casi en 0 dB, es decir, las amplitudes de señal y de ruido son casi iguales. Las cuatro trazas más pequeñas inferiores muestran tres señales demultiplexadas espacialmente y el ángulo de la salida de la primera antena para comparación. Indican claramente la capacidad del sistema SDMA para no solamente demultiplexar espacialmente las transmisiones digitales CDMA, sino también para indicar la mejora en el funcionamiento que se puede conseguir. Existe un factor aproximadamente de 10 de mejora en la SNR de salida del demultiplexor espacial que es completamente evidente. Las estimaciones DOA se basaron en sólo 200 instantáneas, y no solamente fue el número de señales (3) detectadas correctamente por el detector SDMA, los DOA estimados estaban todos dentro de 0,5º de los valores verdaderos. La capacidad de obtener estimaciones de dicha calidad, y demultiplexar espacialmente señales digitales de espectro expandido en estos entornos interferentes cocanal es única para esta realización de esta invención.
La figura 14 ilustra la mejora del esquema de multiplexación espacial robusto SDMA sobre técnicas convencionales. En la simulación, se situaron tres transmisores a 40º, 50º y 90º respectivamente con respecto al eje de línea de una matriz lineal uniforme de 10 elementos separados \lambda/2. las direcciones estimadas de llegada en base a 1000 vectores de datos estaban dentro de 0,05º de los tres valores, y los vectores de ponderación de multiplexado espacial se calcularon en base a los mismos. La ilustración muestra los resultados del diseño del multiplexor espacial para la transmisión al receptor a 90º; un objetivo de diseño siendo la minimización de potencia en la dirección de los receptores a 40º y 50º. La superioridad del multiplexor espacial robusto SDMA sobre el multiplexor determinístico convencional es claramente manifiesta.
Funcionamiento de las realizaciones de la invención Definiciones
En la siguiente discusión, el término estación base se usa para referirse a un sitio con el que comunican las unidades sin hilos (móviles) (en este documento denominadas usuarios). Las estaciones base se distinguen de las unidades sin hilos solamente en que a menudo tienen acceso dedicado y continuo a una red de distribución de área amplia de banda ancha a través de la que se pueden transmitir de manera simultánea muchas señales. Esto no es una restricción de la invención actual como se ha mencionado con anterioridad. El término canal se usa para denotar cualquiera de los canales convencionales (frecuencia, tiempo, código) o cualquier combinación de los mismos. El término canal espacial se refiere al nuevo concepto único para esta patente.
Notación
Dentro de la región a la que da servicio una estación base, los usuarios del sistema sin hilos envían señales y reciben señales a y desde la estación base. Denótese las señales de usuario en banda base individuales por medio de s_{r} (\omega_{i}, \theta_{j}^{i}, t), donde
\bullet
\omega_{i} i = 1, ..., n, denota el canal i-ésimo de n canales y puede denotar, por ejemplo, un canal de frecuencia en un sistema FDMA, una ranura de frecuencia-tiempo en un sistema FDMA/TDMA o un canal de frecuencia y un código en un sistema FDMA/CDMA.
\bullet
\theta_{j}^{i}, j = 1, ..., d_{j}, denota la dirección el j-ésimo de d_{i} usuarios que usan el canal \omega_{i}, y
\bullet
t es un índice de tiempo.
Estas señales en banda base son las salidas de los moduladores de señal que son apropiados para la convención de modulación del sistema como se hace de manera convencional. Las entradas a estos moduladores son los mensajes de usuarios que desean enviar sobre por la red. No existen restricciones acerca de los mensajes individuales; pueden ser analógicos o digitales, datos o voz. Estas señales en banda base son convertidas a una frecuencia superior, por ejemplo, usadas para modular una portadora de RF, y las señales resultantes son radiodifundidas por los usuarios de manera omnidireccional en los sistemas convencionales.
En los sistemas convencionales, se asigna un canal convencional \omega_{i} a cada usuario concurrente sobre el que transmiten señales a la estación base. En la práctica actual, se asigna un segundo canal para recibir información desde la estación base. Como en la práctica actual, cuando cesa un requisito de usuario para los canales, éstos son reasignados.
Las señales de los distintos canales son recibidas de manera simultánea por la estación base y la función del receptor es demultiplexar y convertir a una frecuencia inferior las entradas a señales de banda base s_{r} (\omega_{1}, t), ..., (\omega_{n}, t). Dicho receptor puede ser visto como teniendo una entrada y n salidas. Se hará referencia a un receptor que realiza esta función como un receptor multicanal. Esto se ilustra de manera gráfica en la figura 1.
De manera análoga, las señales en banda base que son transmitidas desde la estación base a los usuarios son denotadas como s_{tx} (\omega_{i}, \theta_{j}^{i}, t), donde
\bullet
\omega_{i} i = 1, ..., n, denota el canal i-ésimo de n canales y puede denotar, por ejemplo, un canal de frecuencia en un sistema FDMA, una ranura de frecuencia-tiempo en un sistema FDMA/TDMA o un canal de frecuencia y un código en un sistema FDMA/CDMA.
\bullet
\theta_{j}^{i} , j = 1, ..., d_{j}, denota la dirección el j-ésimo de d_{i} usuarios que usan el canal \omega_{i}.
\vskip1.000000\baselineskip
Las señales en banda base de los distintos canales son las entradas al transmisor que las convierte a una frecuencia superior y multiplexa las señales para su transmisión. Dicho transmisor se puede ver como teniendo n entradas y una salida. Se hará referencia en este documento a un transmisor que realice esta función como un transmisor multicanal. Esto se ilustra de manera gráfica en la figura 1.
Para los propósitos de la discusión consiguiente, el número de usuarios que envían información a la estación base se supone que es el número de usuarios que reciben información desde la estación base. Éste no es un requisito de la invención. Además, los n canales asignados a la estación base a, por propósitos ilustrativos, se supone que son asignados en pares, uno para la transmisión y el otro para la recepción. Éste tampoco es un requisito de la invención. De hecho, en una realización de la invención, se asignan menos canales de recepción de estación base (transmisión desde el usuario) en favor de más canales de transmisión de estación base (recepción por el usuario) conduciendo a un posible incremento en la capacidad del sistema para un número fijado de canales. La capacidad para conseguir este aumento en la capacidad es otro aspecto único de una realización de la invención.
Considérese una estación base que comprenda una colección de m_{r} antenas para la recepción de las señales entrantes. En este documento se hará referencia a dicha colección como una matriz de antenas de recepción. También hay disponible una colección de m_{tx} antenas para la transmisión de la señal, a la que se hace referencia en este documento como una matriz de antenas de transmisión. En general, éstas son dos matrices físicamente diferentes con diferentes configuraciones y diferentes frecuencias operativas. Sin embargo, en sistemas en los que la recepción y la transmisión no necesiten ocurrir de manera simultánea, la misma matriz podría servir tanto como matriz de antenas de recepción y matriz de antenas de transmisión. Además, la invención no requiere que la transmisión y la recepción esté en frecuencias separadas.
En una realización de la invención, se pueden asignar múltiples usuarios a cada uno de los canales \omega_{i}. La salida j-ésima del receptor multicanal k-ésimo (que recibe la señal desde la antena k-ésima de m_{r} antenas) tiene la siguiente forma:
\vskip1.000000\baselineskip
100 
\vskip1.000000\baselineskip
donde:
\bullet
a_{k} (\omega_{i}, \theta_{j}^{i}) es la ganancia y la respuesta en fase de la antena k-ésima y del receptor multicanal, para el canal i-ésimo para una señal que llegue desde \theta_{j}^{i}, y
\bullet
n_{k}^{t}(t) es un término de ruido no deseado que incorpora las imperfecciones en las antenas y en el equipo de recepción, las fuentes de interferencia y el ruido.
Recogiendo las salidas i-ésimas de los m_{r} receptores^{1} multicanal (recepción de las señales desde las m_{r} antenas) en un vector, se obtiene la siguiente ecuación:
^{1} En una configuración más general, el número de receptores multicanal se puede reducir mediante la conmutación de las salidas de las antenas a un número más pequeño de receptores multicanal.
\vskip1.000000\baselineskip
101 
\newpage
donde:
102
La anterior discusión se refiere a la descripción matemática de las señales recibidas en la estación base en el sistema SDMA. Las ecuaciones que describen la transmisión desde la estación base en el sistema SDMA tienen en mucho la misma estructura. La matriz de transmisión está compuesta de m_{tx} elementos de transmisión. La entrada de señal modulada al transmisor k-ésimo en un canal, \omega_{i}, viene denotada por x_{tx}^{k}(\omega_{i}, t). Esta señal que entra en el transmisor k-ésimo se multiplexa espacialmente con los otros canales, se convierte a una frecuencia superior a la frecuencia de portadora y se transmite por medio de la antena k-ésima. Debido a las características del transmisor y de la antena, la señal en banda base del canal \omega_{i}, transmitida por la antena es una función de la dirección en la que se radiodifunde en el medio.
\vskip1.000000\baselineskip
103 
\vskip1.000000\baselineskip
donde a^{j}_{tx} (\omega_{i}, \theta) denota la ganancia y las características de fase de la antena k-ésima y el transmisor para el canal j-ésimo como una función de la dirección \theta. Recogiendo las entradas j-ésimas para los m_{tx} transmisores (que alimentan las m_{tx} antenas) en un vector, y sumando juntas las contribuciones de todas las señales banda base en el canal \omega_{i}, se obtiene la siguiente ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
104 
\vskip1.000000\baselineskip
donde:
105
Diferentes canales son tratados a partir de esta etapa de manera separada. El mismo procesado (cf. Fig. 4) tiene lugar para cada uno de los canales \omega_{i}. De esta forma, se suprime el índice i en la siguiente discusión, y la ecuación (0.2) se puede escribir de la siguiente manera:
\vskip1.000000\baselineskip
106 
\vskip1.000000\baselineskip
donde: A_{r} = [a_{r}(\theta_{1}), ..., a_{r}(\theta_{d}) y s_{r}(t) = [s_{r}(\theta_{1}, t), ..., s_{r}(\theta_{d}, t)]^{T}, y la ecuación (0.4) se puede escribir de la siguiente manera:
\vskip1.000000\baselineskip
107
La figura 4 muestra un diagrama de bloques del procesador SDMA para un canal. La salida del bloque receptor (figura 4.42 y figura 7, 102.104.106) es x_{r}(t). Esta señal es una entrada al Procesador de señal de Acceso Múltiple por División Espacial (SDMAP) (Figura 5.48).
Se supone un modelo del vector de ganancia y las características de fase para recibir a_{r}(\theta) y transmitir a^{j}_{tx}(\theta) conocido para \theta en el intervalo de interés. El SDMAP explota esta información junto con las propiedades conocidas de s_{r}(\theta_{j}, t), por ejemplo, secuencias de formación y propiedades de módulo constante, para:
1.
comprimir de manera apropiada los datos entrantes (figura 5, 160).
2.
estimar el número de señales presentes en el canal (figura 5, 164).
3.
estimar las direcciones de llegada (DOA) de los frentes de onda entrantes y otros parámetros de la señal (figura 5, 170).
4.
hacer un seguimiento de las localizaciones de los usuarios en el canal (figura 5, 174).
5.
estimar la estructura de correlación espacial de las señales recibidas, \varepsilon{s(t)s(t)^{-}}, (figura 5, 180).
6.
calcular un esquema de demultiplexación espacial apropiado (figura 5, 180) en base a las estimaciones anteriores y a la información proveniente del controlador SDMA (figura 5, 72) y configurar de manera apropiada el demultiplexor espacial (figura 5, 46 y figura 7, 46) de forma que las señales entrantes independientes se puedan separar como se muestra en la figura 6, 59, y
7.
calcular un esquema de multiplexación espacial apropiado (figura 5, 180) en base a las estimaciones anteriores y a la información proveniente del controlador SDMA (figura 5, 72) y configurar de manera apropiada el multiplexor espacial (figura 5, 66 y figura 9, 66) de forma que las múltiples señales transmitidas no interfieran unas con otras en los sitios de recepción deseados como se muestra en la figura 8.
El demultiplexor espacial (figura 4, 46) toma como entrada la salida de los receptores, x_{r}(t) y el esquema de demultiplexación calculado en el SDMAP. La salida multicanal del demultiplexor contiene una estimación de las señales en banda base de los d canales espaciales s_{r}(\theta_{j}, t), j = 1, ..., d, obtenidas mediante la combinación de las salidas del receptor de una manera apropiada para pasar la señal deseada a la vez que se cancela de manera coherente a los usuarios no deseados del mismo canal. Además, la cantidad relativa de ruido de fundo se disminuye en el multiplexor espacial, mejorando de esta forma la calidad de la señal de salida en comparación con los sistemas actuales. Las señales en banda base independientes se pasan sobre demoduladores de señales estándar (figura 4, 52) que demodulan y ecualizan los mensajes como se hace en los sistemas actuales.
El demultiplexor espacial se implementa en hardware analógico o en hardware digital. En una realización analógica, la conversión analógica a digital (A/D) tiene lugar en el SDMAP, y en la realización digital, la conversión A/D tiene lugar en los receptores. La demultiplexación espacial se realiza analógica o digitalmente, y la conversión apropiada A/D o D/A de las señales en banda base tiene lugar para hacer de interfaz con los demoduladores de la señal.
El multiplexor espacial (figura 4, 66) tomo como entrada las señales de mensaje en banda base provenientes de los moduladores de señal (figura 4, 62) y el esquema de multiplexación calculado en el SDMAP (48). La salida multicanal se multiplexa espacialmente de forma que cuando se multiplexa temporalmente, se convierte a una frecuencia más alta y se transmite a través de la matriz de antenas de transmisión, el mensaje destinado al usuario en la dirección \theta_{j} es:
1.
añadido de manera coherente en la dirección de \theta_{j},
2.
cancelado de manera coherente en las direcciones de los otros usuarios del mismo canal, y
3.
minimizado en todas las demás direcciones.
El multiplexor espacial hace lo anterior de manera simultánea para todos los canales espaciales, \theta_{j}, j= 1, ..., d. De esta manera, y_{tx}(\theta, t) en la ecuación (0.6) es igual a s_{tx}(\theta_{j}, t), para \theta = \theta_{j}, con j = 1, ..., d, mediante la elección apropiada del esquema de multiplexación cuando se forma x_{tx}(t).
El multiplexor espacial se puede implementar usando técnicas ya sean analógicas o digitales. La conversión apropiada A/D y D/A de la entrada/salida se realiza para hacer de interfaz con el modulador de señal y con los transmisores.
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Detalles de una Realización Particular de la invención SDMA
Para ejemplificar el procedimiento SDMA se dan a continuación ejemplos detallados de los diferentes pasos tomados.
Compresión de datos
En una realización particular, la compresión de datos se lleva a cabo mediante la formación de una matriz de covarianza a partir de los datos recibidos
108
donde N es el número de vectores de datos (o instantáneas), x(t_{k}), usados. Se realizan según sea apropiado el suavizado espacial y/o el promediado delante/atrás, ambos bien conocidos. Estas operaciones se pueden describir de manera matemática por medio de una transformación de R dada por:
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109
Los subespacios de señal y de ruido, E_{s} y E_{n} se calculan usando técnicas matemáticas bien conocidas tales como descomposiciones de valores propios (EVD) y descomposiciones de valor singular (SVD)
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110
donde
111 
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112 
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113 
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114 
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115
Estas ecuaciones describen el procesado de un bloque de datos, es decir, modo de lote. De manera alternativa, los datos se pueden procesar de manera recursiva con las anteriores cantidades actualizadas como nuevos datos que pasasen a estar disponibles. Dichas técnicas son bien conocidas.
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Detector de la señal
En una realización particular, la detección de la señal se lleva a cabo usando criterios estadísticos tales como la Longitud de Descripción Mínima (MDL), un Criterio de Información (AIC) o detección de Ajuste de Subespacio Ponderado (WSF), todos ellos bien conocidos. La información proveniente del controlador SDMA que pertenecen al número de fuentes localmente asignadas a ese canal en particular también se usa en el detector para configurar un límite inferior sobre el número estimado de señales presentes.
Estimador de parámetro de señal
En una realización particular, se emplea un estimador de Probabilidad Máxima para obtener las estimaciones de estimaciones de parámetros de señal, \hat{\theta}, la estimación de la covarianza de la señal del emisor, \hat{S}, y la estimación de varianza de ruido, \hat{\sigma}^{2}. Éstas se obtienen mediante la minimización de la siguiente función de coste
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116 
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117 
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Las técnicas para realizar la minimización son bien conocidas. En otras realizaciones, se pueden usar algoritmos que hacen uso de subespacios de señal y de ruido para estimar los parámetros de la señal.
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Seguidor de Fuente
En una realización particular, un filtro de Kalman ampliado (EFK) toma estimaciones DOA provenientes del estimador DOA como entradas, y estimaciones de salida del estado cinemático del transmisor, es decir, su posición y su velocidad como una función del tiempo. Dichos filtros son bien conocidos (Chui, op. cit.). En otra realización, las estimaciones DOA provenientes de una pluralidad de estaciones base que reciben las señales de una pluralidad de usuarios son procesadas en un EFK en el controlador SDMA para obtener las estimaciones de localización de los usuarios, y las estimaciones de localización se comunican de vuelta a las estaciones base por medio del controlador SDMA. En otra realización adicional, la información de tiempo de llegada (TOA) obtenida en las estaciones base a partir de las propiedades conocidas de la señal usando técnicas bien conocidas anteriormente descritas, se usan junto con las estimaciones DOA para estimar las localizaciones de usuario. En general, se prefiere la realización que explota toda la información disponible relativa a la localización del transmisor. La capacidad para localizar usuarios usando dichas medidas hechas en las estaciones base es única para una realización de la invención.
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Controlador de Demultiplexor
En una realización particular, se realiza el cálculo de un conjunto apropiado de pesos W_{r} = [w_{r}(\theta_{1}), ..., w_{r}(\theta_{d})], un conjunto w_{r}(\theta_{k}) para cada señal, s_{r}(\theta_{k}, t) que se vaya a demultiplexar. El cálculo de los pesos apropiados en esta realización implica la covarianza de ruido y la estimación de correlación de la señal a partir de las cuales se calculan pesos de copia de señal estructurados de manera estocástica de la siguiente manera:
118 
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119 
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120 
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123 
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124
y \odot denota la multiplicación con referencia a elementos.
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Controlador de Multiplexor
En una realización particular, se usan las mismas fórmulas matemáticas usadas por el controlador de demultiplexor para calcular los pesos de demultiplexado, para calcular la colección apropiada de pesos de multiplexado. W_{tx} = [w_{tx}(\theta_{1}), ..., w_{tx}(\theta_{d})]. En cada conjunto, w_{tx}(\theta_{k}), un peso, w_{tx}^{k}(\theta_{k}), k = 1, ..., m_{tx}, se calcula para cada uno de las m_{tx} antenas de transmisión. Un conjunto de pesos se calcula para cada una de las señales que se vaya a transmitir.
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Demultiplexor
En una realización particular, el demultiplexado espacial de la señal s_{r}(\theta_{k}, t) se consigue por medio de la multiplicación de la salida de los receptores, x_{r}(t), por el peso apropiado, w_{r}(\theta_{k}), obteniendo entonces su suma
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125 
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Se hará referencia de aquí en adelante a este proceso como una copia de la señal.
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Multiplexor
En una realización particular, el multiplexado espacial de las señales de transmisión, s_{tx}(\theta_{k}, t), se consigue mediante la multiplicación de las señales independientes s_{tx}(\theta_{k}, t) por el conjunto apropiado de pesos de multiplexado w_{tx}(\theta_{k}). La señal modulada espacialmente resultante tiene la forma
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126 
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donde s_{tx}(t) = [s_{tx}(\theta_{1},t), ..., s_{tx}(\theta_{d}, t)]^{T}.
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Controlador SDMA
Una función del controlador SDMA es el evitar que las unidades sin hilos se conviertan en coincidentes en el canal (frecuencia o código), tiempo y espacio (localización) espacial. Como se requiere, el controlador da órdenes a las unidades sin hilos para cambiar a diferentes canales (frecuencia o código) a través de esquemas de mensajería estándar presentes en sistemas sin hilos actuales. En una realización particular, esto se realiza por medio del cálculo de una medida ponderada de la proximidad de todos los usuarios de la celda. Las separaciones de localización espacial del usuario en forma de pares (es decir, diferencias DOA) son ponderadas de manera inversamente proporcional al ancho de banda máximo de la matriz de antenas de recepción en las dos DOA, y la medida de la diferencia de frecuencia es un valor binario, que toma el valor 1 si las frecuencias son diferentes y el valor 0 si las frecuencias son la misma.
Denotando el canal asignado al usuario i por medio de w_{i}, su DOA por \theta_{i}(t) y el ancho de banda de la matriz en el DOA i por \theta_{i}^{BW}(t), se puede escribir una medida de la distancia D_{ij}(t) de la siguiente manera:
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127 
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donde \delta(\omega_{i}, \omega_{j}) es 1 si \omega_{i} = \omega_{j} y 0 si \omega_{i} \neq \omega_{j}. Cuando D_{ij}(t) < \gamma para cualquier par de usuarios {i, j}, donde \gamma en una realización se fija constante casi a la unidad, se realiza una reasignación de frecuencias mediante encontrando:
128
donde t_{s} es el instante en el que D_{ij}(t) < \gamma. Esto es, se selecciona el valor de k que maximiza la nueva medida de distancia el usuario apropiado, i o j, se conmuta al canal \omega_{k} para transmitir a la estación base. este mismo algoritmo se emplea para seleccionar canales en los que transmitan las estaciones base a usuarios simplemente sustituyendo los parámetros de la matriz de antena de recepción con los parámetros de la matriz de antena de transmisión en la ecuación 0.27. En otra realización, la intensidad y la dirección de viaje de la señal se usan para desarrollar estrategias de conmutación más robustas. En realizaciones alternativas, se realiza una optimización similar usando información proveniente de una pluralidad de estaciones base en un supervisor de estaciones base para asignar canales de transmisión y de recepción entre múltiples estaciones base y múltiples usuarios comprendiendo el sistema sin hilos.
De esta manera, es claro de ver que la presente invención es un procedimiento y un aparato para aumentar la capacidad y mejorar la calidad de redes de comunicaciones sin hilos. Se pueden estimar las localizaciones de múltiples fuentes de manera simultánea transmitiendo información en un canal común y se pueden reconstruir las formas de onda de la señal individual. La información se transmite de manera simultánea a las fuentes de un canal común sin crear interferencia cocanal que en cualquier otro caso comprometa los enlaces de comunicaciones bidireccionales ("full-duplex"). Además, la invención puede proporcionar el seguimiento de fuentes móviles, mitigando los problemas de los traspasos y de la gestión de las señales y es compatible con esquemas de modulación actuales y futuros en sistemas de comunicaciones sin hilos.
Mientras que la descripción anterior contiene ciertas especificidades, no se deberían interpretar como limitaciones en el alcance de la invención, sino más bien como una ejemplificación de una realización preferida y una aplicación de la misma. Son posibles muchas otras configuraciones equivalentes sin salirse del alcance de la reivindicaciones anejas. Por ejemplo, las realizaciones alternativas pueden:
1.
ser usadas para supervisar la calidad del servicio proporcionado por las localizaciones de sitio de celdas propuestas.
2.
ser usadas para aumentar la seguridad mediante la transmisión de señales solamente en direcciones preferidas, limitando por lo tanto también la cantidad de radiación no deseada.
3.
ser implementadas sobre unidades móviles, dotando por lo tanto a las unidades móviles con muchas de las anteriormente mencionadas ventajas, y proporcionando de manera adicional la capacidad de dar servicio punto a punto cuando las unidades móviles transmitan y reciban de manera direccional a y desde unas a otras.
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Números de referencia en los dibujos
20.
transmisor y receptor de la unidad móvil 1
22.
transmisor y receptor de la unidad móvil 2
24.
transmisor y receptor de la unidad móvil d
26.
receptor multicanal convencional
28.
salida de canal 1 del receptor multicanal convencional
30.
salida de canal 2 del receptor multicanal convencional
32.
salida de canal d del receptor multicanal convencional
34.
entrada de canal 1 al transmisor multicanal convencional
36.
entrada de canal 2 al transmisor multicanal convencional
38.
entrada de canal d al transmisor multicanal convencional
40.
transmisor multicanal convencional
42.
receptores multicanal convencionales
44.
salidas de receptor multicanal convencional
46.
demultiplexores espaciales
48.
Procesador de señal de Acceso Múltiple por División Espacial (SDMAP)
50.
señales demultiplexadas espacialmente
52.
demoduladores de señal
54.
señales demoduladas a la red de conmutación
56.
red de área amplia
58.
red de conmutación
60.
señales desde la red de conmutación
62.
moduladores de señal
64.
señales moduladas para ser transmitidas
66.
multiplexores espaciales
68.
señales multiplexadas espacialmente a los transmisores
70.
transmisores multicanal convencionales
72.
controlador central
74.
señales de control de multiplexor espacial
76.
señales de control de demultiplexor espacial
78.
controlador central/enlace de comunicaciones SDMAP
100.
señales combinadas espacialmente recibidas en la estación base
102.
receptor multicanal para antena 1
104.
receptor multicanal para antena 2
106.
receptor multicanal para antena m_{r}
112.
salida de canal 1 desde el receptor 1
114.
salida de canal 1 desde el receptor 2
116.
salida de canal 1 desde el receptor m_{r}
120.
SDMAP y demultiplexor espacial
122.
salida 1 de demultiplexor espacial
124.
salida 2 de demultiplexor espacial
126.
salida d de demultiplexor espacial
132.
entrada de señal 1 al canal 1 del multiplexor espacial
134.
entrada de señal 2 al canal 1 del multiplexor espacial
136.
entrada de señal d al multiplexor espacial de canal 1
138.
SDMAP y multiplexor espacial
142.
entrada de señal al canal 1 del transmisor 1
144.
entrada de señal al canal 1 del transmisor 2
146.
entrada de señal al canal 1 del transmisor m_{tx}
152.
transmisor multicanal para la antena 1
154.
transmisor multicanal para la antena 2
156.
transmisor multicanal para la antena m_{tx}
160.
compresor de datos
162.
señales al detector de señales desde el compresor de datos
164.
detector de señal
166.
señales al seguidor de fuente desde el compresor de datos
168.
señales al estimador de parámetros desde el detector de señal
170.
estimador de parámetros
172.
señales al seguidor de fuente desde el estimador de parámetros
174.
seguidor de fuente
176.
salidas del seguidor de fuente
178.
controlador del demultiplexor espacial
180.
controlador de demultiplexor espacial
182.
salidas de seguidor al controlador central
184.
señales del controlador central al SDMAP
190.
estación base 1
192.
enlace de estación base 1 al supervisor de estación base
194.
estación base 2
196.
enlace de estación base 2 al supervisor de estación base
198.
enlace de estación base n_{b} al supervisor de estación base
200.
estación base n_{b}
202.
procesador SDMA para canal 1
204.
procesador SDMA para canal 2
206.
procesador SDMA para canal n
220.
supervisor de estación base
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La invención se define en las reivindicaciones independientes 1 y 5. Realizaciones adicionales se definen por medio de las reivindicaciones dependientes.

Claims (12)

1. Un sistema de comunicaciones sin hilos para transmitir señales a una pluralidad de receptores (20, 22, 24) posicionados en localizaciones respectivas, el mencionado sistema de comunicaciones usando al menos uno de los canales de frecuencia, canales de código y canales de tiempo para la comunicación con los mencionados receptores (20, 22, 24), comprendiendo el mencionado sistema:
un medio de combinación (66, 138, 180) para combinar señales que se vayan a transmitir a un conjunto de receptores (20, 22, 24) en un canal de comunicaciones único comprendiendo un canal de frecuencia, si se usan canales de frecuencia en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de código, si se usan canales de código en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de tiempo, si se usan canales de tiempo en el sistema de comunicaciones, para formar una pluralidad de diferentes combinaciones de la señal; y
un medio de transmisión (70, 152, 154, 156) que incluye una pluralidad de antenas de transmisión y los respectivos transmisores plurales para transmitir las mencionadas señales combinadas a cada uno del mencionado conjunto de receptores (20, 22, 24) en el mencionado canal de comunicaciones; el mencionado medio de combinación (66, 138, 180) estando dispuesto para suministrar una respectiva mencionada combinación de señal diferente a cada una de las mencionadas antenas de transmisión de forma que en combinación, las mencionadas antenas de transmisión transmitan las mencionadas señales a cada uno de los mencionados conjuntos de receptores (20, 22, 24) en el mencionado canal de comunicaciones de una manera directiva espacialmente de forma que cada uno del mencionado conjunto de receptores (20, 22, 24) reciba señales dirigidas al mismo; y
el mencionado medio de combinación (60, 138, 180) estando además dispuesto para formar la mencionada pluralidad de diferentes combinaciones de señal usando la información que caracteriza al mencionado medio de transmisión (70, 152, 154, 156), y al menos un parámetro predeterminado relacionado con la localización de cada uno del mencionado conjunto de receptores (20, 22, 24).
2. El sistema sin hilos de la reivindicación 1, en el que el mencionado medio de transmisión (70, 152, 154, 156) comprende un transmisor multicanal (70, 152, 154, 56) para cada mencionada antena de transmisión para transmitir las mencionadas señales combinadas sobre canales plurales.
3. El sistema de comunicaciones sin hilos de la reivindicación 2, en el que el mencionado sistema comprende una pluralidad de los mencionados medios de combinación (66, 138, 180) y de los mencionados medios de transmisión (70, 152, 154, 156) en una pluralidad correspondiente de localizaciones, e incluye:
un medio (220) para seleccionar con respecto a cada una de las mencionadas señales que se vayan a transmitir a cada uno del mencionado conjunto de los mencionados receptores (20, 22, 24), un mencionado medio de transmisión particular (70, 152, 154, 156) desde el que transmitir las mencionadas señales a cada uno del mencionado conjunto de los mencionados receptores (20, 22, 24); y
en cada localización, un medio (72) para obtener las señales constitutivas para cada uno de los mencionados canales plurales, dichas señales constitutivas siendo combinadas en el mencionado medio de combinación (66, 138, 180) usando la mencionada información que caracteriza al mencionado medio de transmisión (70, 152, 154, 156), y el mencionado al menos uno, parámetro predeterminado relacionado con la localización de cada uno del mencionado conjunto de dichos receptores (20, 22, 24).
4. El sistema de comunicaciones sin hilos de la reivindicación 3, comprendiendo de manera adicional un medio (72) para asignar cada uno del mencionado conjunto de dichos receptores (20, 22, 24) a uno de los mencionados canales.
5. Un sistema de comunicaciones sin hilos para transmitir señales y para recibir señales desde una pluralidad de medios transceptores (20, 22, 24) posicionados en localizaciones respectivas, el mencionado sistema de comunicaciones usando al menos uno de canales de frecuencia, canales de código y canales de tiempo para la comunicación con el mencionado medio transceptor (20, 22, 24), comprendiendo el mencionado sistema:
un medio de recepción (42, 102, 104, 106) que incluye antenas plurales de recepción distribuidas de manera espacial para hacer medidas de las señales recibidas en uno o más canales de recepción, las mencionadas señales recibidas siendo el resultado de las señales transmitidas por cada uno de los conjuntos del mencionado medio transceptor (20, 22, 24), dichas medidas hechas por las mencionadas antenas de recepción comprendiendo diferentes combinaciones de las mencionadas señales transmitidas en el canal o en cada uno de los canales de recepción;
un medio de procesado (48, 120, 72) que incluye un medio (144) para estimar el número de las mencionadas señales recibidas por medio del análisis estadístico y/o mediante el uso del conocimiento de las características de las señales transmitidas por cada uno del mencionado conjunto de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24), y un medio de estimación de parámetros (170) para estimar parámetros de las mencionadas señales recibidas, al menos uno de los mencionados parámetros estando relacionado con la localización de cada uno del mencionado conjunto de dichos medios transceptores (20, 22, 24);
un medio de separación (46, 178) para estimar de manera simultánea las mencionadas señales transmitidas en el canal o en cada uno de los canales de recepción a partir de las medidas mediante la separación de las mencionadas señales recibidas usando el mencionado número estimado de señales recibidas y mediante la asociación de las respectivas mencionadas señales recibidas con cada uno de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24);
un medio de combinación (66, 138, 180) para combinar las señales que se hayan de transmitir a cada uno del mencionado conjunto de dichos medios transceptores (20, 22, 24) en un canal de transmisión de la señal comprendiendo un canal de frecuencia, si se usan canales de frecuencia en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de código, si se usan canales de código en el sistema de comunicaciones, en combinación con un canal de tiempo, si se usan canales de tiempo en el sistema de comunicaciones, usando los mencionados parámetros para formar una combinación de señal diferente para cada uno del mencionado conjunto de medios transceptores (20, 22, 24); y
un medio de transmisión (70, 152, 154, 156) incluyendo antenas de transmisión plurales y respectivos transmisores multicanal plurales para transmitir las mencionadas señales combinadas a cada uno del mencionado conjunto de medios transceptores (20, 22, 24) en el mencionado canal de transmisión;
el mencionado medio de combinación (66, 138, 180) estando configurado para suministrar una respectiva mencionada combinación de señal diferente a los mencionados medios de transmisión (70, 152, 154, 156) de forma que en combinación con las mencionadas antenas de transmisión transmitan las mencionadas señales a cada uno del mencionado conjunto de medios transceptores (20, 22, 24) en el mencionado canal de transmisión de una manera espacialmente directiva de forma que cada uno de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24) reciba las señales dirigidas al mismo;
el mencionado medio de combinación (66, 138, 180) estando además configurado para formar una pluralidad de diferentes combinaciones de señal usando la información que caracteriza al mencionado medio de transmisión (70, 152, 154, 156) y al menos un parámetro predeterminado relacionado con la localización de cada uno del mencionado conjunto de medios transceptores (20, 22, 24); y
el mencionado sistema estando configurado de forma que la recepción de señales en el canal o en cada uno de los canales de cada uno de los medios transceptores (20, 22, 24) y la transmisión de señales en el canal de transmisión a cada uno del mencionado conjunto de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24) pueda tener lugar de manera simultánea, estableciendo de esta manera un enlace de comunicaciones "full-duplex" en el canal o en cada uno de los canales.
6. El sistema de comunicaciones sin hilos de la reivindicación 5, en el que:
el mencionado medio (164) para estimar el número de señales recibidas comprende un medio de análisis estadístico para determinar el número aparente de las mencionadas señales recibidas mediante el empleo de procedimientos estadísticos usando valores propios de una matriz de covarianza calculados usando las mencionadas medidas; y
el mencionado medio de estimación de parámetros (170) comprende un medio para determinar el número actual de las mencionadas señales recibidas, a partir de las mencionadas medidas usando un medio de optimización para obtener los mencionados parámetros a partir de un criterio adecuado en base a las mencionadas medidas y un modelo de las mencionadas medidas en términos de los mencionados parámetros.
7. El sistema de comunicaciones sin hilos de la reivindicación 5 o de la reivindicación 6, en el que el mencionado sistema de procesado (48, 120, 72) incluye
un medio de seguimiento (174) para el filtrado no lineal de al menos uno de los mencionados parámetros estimados relacionados con la localización de cada uno del mencionado conjunto de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24) para determinar los parámetros seguidos; y
dicho medio de separación (46, 178) está adaptado para usar los mencionados parámetros seguidos y el mencionado número estimado de señales recibidas para separar las mencionadas señales recibidas.
8. El sistema de comunicaciones sin hilos de la reivindicación 7, en el que el mencionado medio de seguimiento (174) es operativo para hacer un seguimiento de las localizaciones y del estado cinemático de los mencionados transceptores (20, 22, 24).
\newpage
9. El sistema de comunicaciones sin hilos de una cualquiera de las reivindicaciones 5 a la 8, en el que el mencionado medio de separación (46, 178) incluye un medio para combinar de manera adicional una pluralidad de las mencionadas señales recibidas asociadas con cada uno de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24).
10. El sistema de comunicaciones sin hilos de una cualquiera de las reivindicaciones 5 a la 9, en el que el mencionado sistema comprende una pluralidad de los mencionados medios de combinación (66, 138, 180), y los mencionados medios de transmisión (70, 152, 154, 156) en una correspondiente pluralidad de localizaciones; e incluye:
un medio para seleccionar con respecto a cada una de las mencionadas señales que se vayan a transmitir a cada uno del mencionado conjunto de mencionados medios transceptores (20, 22, 24), un mencionado particular medio de transmisión (70, 152, 154, 156) desde el que transmitir las mencionadas señales a cada uno del mencionado conjunto de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24); y
en cada una de las localizaciones, un medio (72) para obtener señales constitutivas para el canal de transmisión,
en el que el mencionado medio de combinación (66, 138) está configurado para combinar las mencionadas señales constitutivas usando la mencionada información que caracteriza al mencionado medio de transmisión (70, 152, 154, 156) y el mencionado al menos uno, parámetro predeterminado relacionado con la localización de cada uno del mencionado conjunto de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24).
11. El sistema de comunicaciones sin hilos de una cualquiera de las reivindicaciones 5 a la 10, en el que el mencionado sistema comprende una pluralidad distribuida de los mencionados medios de recepción (42, 102, 104, 106), los mencionados medios de procesado (48, 120, 72) y los mencionados medios de separación (46, 178); e
incluyendo un medio (220) para asignar cada uno del mencionado conjunto de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24) a uno de los mencionados canales de recepción, y para seleccionar al menos uno de los mencionados medios de separación (48, 120, 72) para separar las mencionadas medidas para obtener las mencionadas señales transmitidas en los respectivos mencionados canales de recepción.
12. El sistema de comunicaciones sin hilos de una cualquiera de las reivindicaciones 5 a la 11, en el que el mencionado sistema comprende una pluralidad de mencionados medios de combinación (66, 138, 180) en una pluralidad correspondiente de localizaciones; e
incluyendo un medio (72) en cada una de las localizaciones para asignar cada uno de los medios transceptores (20, 22, 24) a uno de los mencionados canales de transmisión, y para seleccionar al menos uno de los mencionados medios de combinación (66, 138, 180) para combinar las mencionadas señales que se vayan a transmitir a cada uno de los mencionados medios transceptores (20, 22, 24) en los respectivos mencionados canales de transmisión.
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