ES2339399T3 - Procedimiento de codificacion espacio-temporal para sistema de comunicacion de doble antena de tipo uwb de impulsos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de codificación espacio-temporal para sistema de transmisión UWB que comprende dos elementos de radiación, codificando dicho procedimiento un bloque de símbolos de información (S = (a1, a2, a3, a4)) pertenecientes a una constelación de modulación PPM o de modulación compuesta PPM-PAM, que presenta un número de posiciones temporales superior o igual a 3, en una secuencia de vectores (C01, C02, C11, C12), estando destinadas las componentes de un vector a modular una señal UWB de impulsos para un elemento de radiación de dicho sistema y para un intervalo de transmisión dado (Tf), caracterizado porque un primer y un segundo de dichos vectores se obtienen por medio de una primera combinación lineal de una primera y una segunda pareja de dichos símbolos y porque un tercer y un cuarto de dichos vectores se obtienen por medio de una segunda combinación lineal de dichas parejas primera y segunda de dichos símbolos, utilizando las combinaciones lineales primera y segunda coeficientes escalares (α,β, -β, α) cuyas respectivas relaciones son sensiblemente iguales al número áureo y a su opuesto, experimentando uno de dichos vectores además una permutación circular de sus componentes antes de modular dicha señal UWB de impulsos.

Description

Procedimiento de codificación espacio-temporal para sistema de comunicación de doble antena de tipo UWB de impulsos.

Campo técnico

La presente invención se refiere a la vez al campo de las telecomunicaciones en banda ultraancha o UWB
(Ultra Wide Band) y al de los sistemas de múltiples antenas de codificación espacio-temporal o STC (Space Time Coding).

Estado de la técnica anterior

Los sistemas de telecomunicación inalámbrica de tipo de múltiples antenas se conocen ampliamente en el estado de la técnica. Estos sistemas utilizan una pluralidad de antenas en la emisión y/o la recepción y se denominan, según el tipo de configuración adoptada, MIMO (Multiple Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) o SIMO (Single Input Multiple Output). En lo sucesivo se empleará el mismo término MIMO para cubrir las variantes MIMO y MISO mencionadas anteriormente. El aprovechamiento de la diversidad espacial en la emisión y/o la recepción permite, en estos sistemas, ofrecer capacidades de canal claramente superiores a las de los sistemas de una única antena clásicos (o SISO por Single Input Single Output). Esta diversidad espacial se completa generalmente mediante una diversidad temporal por medio de una codificación espacio-temporal. En una codificación de este tipo, un símbolo de información que va a transmitirse se codifica sobre varias antenas y varios instantes de transmisión. Se conocen dos grandes categorías de sistemas MIMO con codificación espacio-temporal: los sistemas de codificación reticular o STTC (Space Time Trellis Coding) y los sistemas de codificación por bloques o STBC (Space Time Block Coding). En un sistema de codificación reticular, el codificador espacio-temporal puede verse como una máquina de estados finitos que proporciona P símbolos de transmisión a las P antenas en función del estado actual y del símbolo de información que va a codificarse. La decodificación en la recepción se realiza mediante un algoritmo de Viterbi multidimensional cuya complejidad aumenta de manera exponencial en función del número de estados. En un sistema de codificación por bloques, un bloque de símbolos de información que va a transmitirse se codifica en una matriz de símbolos de transmisión, correspondiendo una dimensión de la matriz al número de antenas y correspondiendo la otra a los instantes consecutivos de transmisión.

La figura 1 representa esquemáticamente un sistema 100 de transmisión MIMO con codificación STBC. Un bloque de símbolos de información S = (a_{1}, ..., a_{b}), por ejemplo una palabra binaria de b bits o más generalmente de b símbolos M-arios, se codifica en una matriz espacio-temporal:

1

donde los coeficientes c_{1,p}, t = 1, ..., T; p = 1, ..., P del código son por regla general coeficientes complejos que depende de los símbolos de información, P es el número de antenas utilizadas en la emisión, T es un entero que indica la extensión temporal del código, es decir, el número de instantes de utilización del canal o PCU (Per Channel Use).

La función f que en todo vector S de símbolos de información hace corresponder la palabra de código espacio-temporal C se denomina función de codificación. Si la función f es lineal se dice que el código espacio-temporal es lineal. Si los coeficientes c_{1-p} son reales, el código espacio-temporal se dice que es real.

En la figura 1, se ha designado con 110 a un codificador espacio-temporal. En cada instante de utilización de canal t, el codificador proporciona al multiplexor 120 el t-ésimo vector línea de la matriz C. El multiplexor transmite a los moduladores 130_{1}, ..., 130_{P} los coeficientes del vector línea y las señales moduladas se transmiten por las antenas
140_{1}, ..., 140_{P}.

El código espacio-temporal se caracteriza por su tasa de transmisión, es decir, por el número de símbolos de información que transmite por instante de utilización de canal (PCU). El código se dice que está a una tasa de transmisión completa si es P veces más elevado que la tasa de transmisión relativa a una utilización de una única antena (SISO).

El código espacio-temporal se caracteriza además por su diversidad que puede definirse como el rango de la matriz C. Se tendrá una diversidad máxima si para dos palabras de código C_{1} y C_{2} cualesquiera correspondientes a dos vectores S_{1} y S_{2}, la matriz C_{1}-C_{2} es de rango completo.

El código espacio-temporal se caracteriza por último por su ganancia de codificación que traduce la distancia mínima entre diferentes palabras del código. Puede definirse como:

2

o, de manera equivalente, para un código lineal:

3

donde det(C) significa el determinante de C y C^{H} es la matriz conjugada traspuesta de C. Para una energía de transmisión por símbolo de información, la ganancia de codificación está limitada.

Un código espacio-temporal será tanto más resistente al desvanecimiento cuanto más elevada sea su ganancia de codificación.

Un ejemplo de codificación espacio-temporal para un sistema MIMO de dos antenas de transmisión se ha propuesto en el artículo de J-C Belfiore et al. titulado "The Golden code: a 2x2 full-rate space-time code with non-vanishing determinants" publicado en IEEE Transactions on Information Theory, vol. 51, N.º 4, páginas 1432-1436, abril de 2005.

El código propuesto, denominado código áureo, se basa en una doble extensión algebraica K del cuerpo de los números racionales Q : K = Q(i,\theta) donde i = \sqrt{-1} es la raíz del polinomio X^{2}+1 y \theta es el número áureo \theta = \frac{1 + \sqrt{5}}{2}, raíz del polinomio X^{2}-X-1. El código áureo puede representarse por la matriz siguiente:

4

donde S = (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}) es un vector de símbolos de información. a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4} son símbolos complejos de una constelación 2^{b}-QAM, subconjunto de Z[i] donde Z es el anillo de los enteros. \theta_{1} = \frac{1 - \sqrt{5}}{2} es la raíz conjugada de \theta, \alpha = 1+i(1-\theta) y \alpha_{1} = 1+i(1-\theta_{1}).

El código áureo presenta la ventaja de estar en diversidad máxima y a tasa de transmisión completa en el sentido definido anteriormente. Además, presenta la ganancia de codificación más elevada que se haya podido obtener hasta ahora.

Otro campo de las telecomunicaciones es objeto actualmente de investigaciones considerables. Se trata de los sistemas de telecomunicación UWB, previstos especialmente para el desarrollo de las futuras redes personales inalámbricas (WPAN). Estos sistemas tienen como especificidad que trabajan directamente en banda de base con señales de banda muy ancha. Se entiende generalmente por señal UWB una señal conforme a la máscara espectral estipulada en la reglamentación del FCC del 14 de febrero de 2002 y revisada en marzo de 2005, es decir, esencialmente una señal en la banda espectral de 3,1 a 10,6 GHz y que presenta un ancho de banda de al menos 500 MHz a -10 dB. En la práctica, se conocen dos tipos de señales UWB, las señales multibanda OFDM (MB-OFDM) y las señales UWB de tipo de impulsos. En lo sucesivo se presta a atención únicamente a estas últimas.

Una señal UWB de impulsos está constituida por impulsos muy cortos, normalmente del orden de varias centenas de picosegundos, distribuidos en el interior de una trama. Con el fin de reducir la interferencia multiacceso (MAI por Multiple Access Interference), se asigna un código de saltos temporales (TH por Time Hopping) distinto a cada usuario. La señal emitida o con destino a un usuario k puede escribirse por tanto en la forma:

5

\newpage

donde w es la forma del impulso elemental, T_{c} es una duración fragmentaria (o elemento de código), T_{s} es la duración de un intervalo elemental con N_{s} = N_{c}T_{c} donde N_{c} es el número de elementos de código en un intervalo, siendo la trama total de duración T_{f} = N_{s}T_{s} donde N_{s} es el número de intervalos en la trama. La duración de impulso elemental se elige inferior a la duración de elemento de código, es decir T_{w}\leqT_{c}. La secuencia c_{k}(n) para n = 0, ..., N_{s}-1 define el código de salto temporal del usuario k. Las secuencias de saltos temporales se eligen con objeto de minimizar el número de colisiones entre impulsos pertenecientes a secuencias de salto temporal de usuarios diferentes.

Se ha representado en la figura 2A una señal TH-UWB asociada a un usuario k. Con el fin de transmitir un símbolo de información dado procedente de o con destino a un usuario k, se modula generalmente la señal TH-UWB con ayuda de una modulación de posición (PPM por Pulse Position Modulation), es decir para la señal modulada:

6

donde \varepsilon es un retardo de modulación (dither) sensiblemente inferior a la duración de elemento de código T_{c} y
d_{k} \in{0, ..., M-1} es la posición M-aria PPM del símbolo.

De manera alternativa, los símbolos de información pueden transmitirse por medio de una modulación de amplitud (PAM). En este caso, la señal modulada puede escribirse:

7

donde a^{(k)} = 2m'-1-M' con m' = 1, ..., M', es el símbolo M'-ario de la modulación PAM. Por ejemplo, puede utilizarse una modulación BPSK (M' = 2).

Las modulaciones PPM y PAM también pueden combinarse en una modulación compuesta M.M'-aria. La señal modulada tiene por tanto la siguiente forma general:

8

El alfabeto de esta modulación de cardinal M.M' se ha representado en la figura 3. Para cada una de las M posiciones temporales, son posibles M' amplitudes de modulación. Un símbolo (d,a) del alfabeto puede estar representado por una secuencia a_{m}, m = 0, ..., M-1 con a_{m} = \delta(m-d)a donde d es una posición de la modulación PPM, una amplitud de la modulación PAM y \delta(.) la distribución de Dirac.

En lugar de separar los diferentes usuarios por medio de códigos de saltos temporales, también es posible separarlos por códigos ortogonales, por ejemplo, códigos de Hadamard, como en DS-CDMA. Se habla entonces de DS-UWB (Direct Spread UWB). En este caso se tiene para la expresión de la señal no modulada, correspondiente a (5):

9

donde, b^{(k)}_{n}, n = 0, ..., N_{s} - 1 es la secuencia de ensanchamiento del usuario k. Se remarca que la expresión (9) es análoga a la de una señal DS-CDMA clásica. No obstante difiere por el hecho de que los elementos de código no ocupan toda la trama sino que están distribuidos en el periodo T_{s}. Se ha representado en la figura 2B una señal DS-UWB asociada a un usuario k.

Como anteriormente, los símbolos de información pueden transmitirse por medio de una modulación PPM, de una modulación PAM o de una modulación compuesta PPM-PAM. La señal DS-UWB modulada en amplitud correspondiente a la señal TH-UWB (7) puede expresarse, conservando las mismas notaciones:

10

Por último, se conoce combinar códigos de saltos temporales y códigos de ensanchamiento espectral para ofrecer accesos múltiples a los diferentes usuarios. Se obtiene así una señal UWB de impulsos TH-DS-UWB de forma general:

11

Se ha representado en la figura 2C una señal TH DS-UWB asociada a un usuario k. Esta señal puede modularse mediante una modulación compuesta PPM-PAM M.M'-aria. Por tanto se obtiene para la señal modulada:

12

Se conoce del estado de la técnica la utilización de las señales UWB en sistemas MIMO. En este caso, cada antena transmite una señal UWB modulada en función de un símbolo de información o de un bloque de tales símbolos (STBC).

Las técnicas de codificación espacio-temporal desarrolladas inicialmente para señales de banda estrecha o para DS-CDMA no se aplican adecuadamente a las señales UWB de impulsos. En efecto, los códigos espacio-temporales conocidos, como el código áureo, son generalmente de coeficientes complejos y llevan por consiguiente una información de fase. Ahora bien, es excesivamente difícil recuperar esta información de fase en una señal de banda tan ancha como la de las señales UWB de impulsos. El soporte temporal muy estrecho de los impulsos se presta mucho mejor a una modulación en posición (PPM) o en amplitud (PAM).

Una codificación espacio-temporal de las señales UWB se ha propuesto en el artículo de Chadi Abou-Rjeily et al. titulado "Space-Time coding for multiuser Ultra-Wideband communications" publicado en IEEE Transactions on Communications, septiembre de 2005 y disponible en www.tsi.enst.fr.

Según las limitaciones planteadas anteriormente, el código espacio-temporal propuesto es real. Por ejemplo, para una configuración de dos antenas en emisión, el código puede escribirse:

13

con \beta = \frac{1}{\sqrt{1 + \theta ^{2}}} y \beta_{1} = \frac{1}{\sqrt{1 + \theta ^{2}_{1}}}; S = (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4} es un vector de símbolos de información PAM, es decir, a_{i}
\in {-M' + 1, ..., M'-1}.

En este mismo artículo, se propone la generalización de este código espacio-temporal a la codificación de un bloque de símbolos de información perteneciente a un alfabeto PPM-PAM. Para una configuración con dos antenas de emisión, este código puede expresarse mediante la matriz de tamaño 2Mx2:

14

Cada símbolo de información a_{i} = (a_{i,0}, ..., a_{i,M-1} es, en este caso, un vector que representa un elemento del alfabeto PPM-PAM con a_{i,m} = a_{i}\delta(m-d_{i}) donde a_{i} es un elemento del alfabeto PAM y d_{i} del alfabeto PPM. El bloque de símbolos de información codificados por el código C no es otro que S = (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}).

Más precisamente, el bloque de símbolos de información S da lugar a la generación de las señales UWB según las expresiones dadas a continuación. Se ha supuesto, para simplificar las notaciones, una utilización monousuario (sin indexación por k, ni secuencia de ensanchamiento).

La antena 1 transmite la señal durante la duración de la primera trama T_{f}:

15

señal, que corresponde al primer vector columna de las M primeras líneas del código (14).

La antena 2 transmite la señal simultáneamente durante la duración de la primera trama T_{f}:

16

señal que corresponde al segundo vector columna de las M primeras líneas del código.

La antena 1 transmite a continuación durante la duración de la segunda trama, tomando de nuevo el origen de los tiempos en el comienzo de la trama:

17

señal que corresponde al primer vector columna de las M últimas líneas del código.

Por último, la antena 2 transmite la señal simultáneamente durante la duración de la segunda trama:

18

señal que corresponde al segundo vector columna de las M últimas líneas del código.

El código espacio-temporal definido anteriormente presenta muy buenos rendimientos en cuanto a diversidad. No obstante, su ganancia de codificación es inferior a la del código áureo definido por (4). Además, el término escalar \sqrt{2} que aparece en la matriz (14) crea, en cada trama, un desequilibrio energético entre las antenas.

El objetivo de la presente invención es proponer un código espacio-temporal real para un sistema MIMO de señales UWB de impulsos que presenta una ganancia de codificación superior a las de los códigos conocidos para tales sistemas, en particular el código definido por (14). Además, el objetivo de la presente invención es prever un código espacio-temporal que presenta en cada trama una distribución de energía equilibrada entre las antenas.

Descripción de la invención

La presente invención se define mediante un procedimiento de codificación espacio-temporal para un sistema de transmisión UWB que comprende dos elementos de radiación, codificando dicho procedimiento un bloque de símbolos de información (S = (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4})) perteneciente a una constelación de modulación PPM o de modulación compuesta PPM-PAM, que presenta un número de posiciones temporales superior o igual a 3, en una secuencia de vectores (C^{0}_{1}, C^{0}_{2}, C^{1}_{1}, C^{1}_{2},) estando destinadas las componentes de un vector a modular una señal UWB de impulsos para un elemento de radiación de dicho sistema y para un intervalo de transmisión dado (T_{f}). Según este procedimiento, un primer y un segundo de dichos vectores se obtienen por medio de una primera combinación lineal de una primera y una segunda pareja de dichos símbolos y porque un tercer y un cuarto de dichos vectores se obtienen por medio de una segunda combinación lineal de dichas parejas primera y segunda de dichos símbolos, utilizando las combinaciones lineales primera y segunda coeficientes escalares (\tilde{\alpha}, \tilde{\beta}, - \tilde{\beta}, \tilde{\alpha}) cuyas relaciones respectivas son sensiblemente iguales al número áureo y a su opuesto, experimentando uno de dichos vectores además una permutación circular de sus componentes antes de modular dicha señal UWB de impulsos.

La presente invención se define asimismo mediante un dispositivo de codificación espacio-temporal para poner en práctica dicho procedimiento. Para ello, el dispositivo comprende:

- elementos de memoria de entrada para memorizar cuatro símbolos de información, estando constituido cada símbolo de información por M componentes con M\geq3, pudiendo adoptar cada componente M' valores donde M'\geq1;

- una primera pluralidad de primeros módulos que reciben cada uno una componente de un primer símbolo de información y una componente del mismo rango de un segundo símbolo de información, efectuando cada módulo dichas combinaciones lineales primera y segunda de dichas componentes para proporcionar un primer y un segundo valores de salida;

- una segunda pluralidad de segundos módulos que reciben cada uno una componente de un tercer símbolo de información y una componente del mismo rango de un cuarto símbolo de información, efectuando cada módulo dichas combinaciones lineales primera y segunda de dichas componentes para proporcionar un primer y un segundo valores de salida;

- elementos de memoria de salida para almacenar respectivamente los primeros valores y los segundos valores de salida de los módulos primeros y segundos;

- medios para permutar las direcciones de escritura o de lectura de uno de los elementos de salida según una permutación circular de orden M.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la invención aparecerán tras la lectura de un modo de realización preferido de la invención realizado con referencia a las figuras adjuntas, en las que:

la figura 1 representa esquemáticamente un sistema de transmisión MIMO con codificación STBC conocido del estado de la técnica;

las figuras 2A a 2C representan las formas respectivas de señales TH-UWB, DS-UWB y TH-DS-UWB;

la figura 3 representa un ejemplo de constelación de una modulación PPM-PAM;

la figura 4 representa esquemáticamente un sistema de transmisión MIMO que utiliza la codificación espacio-temporal según la invención;

la figura 5 representa esquemáticamente la estructura de un codificador espacio-temporal según un modo de realización de la invención;

la figura 6 representa esquemáticamente la estructura de un módulo elemental útil par la realización del codificador espacio-temporal de la figura 5.

Descripción detallada de modos de realización particulares

La idea en la que se basa la invención es la de crear un código espacio-temporal que prescinde a la vez de los valores complejos \alpha y \alpha_{1} que figuran en el código áureo (4), incompatibles como se ha mencionado con la utilización de señales UWB de impulsos, y de los escalares \sqrt{2} que figuran en los códigos (13) y (14), que son el origen de una distribución desequilibrada de la energía en las antenas.

El código espacio-temporal propuesto se aplica a los sistemas MIMO de dos antenas de transmisión que utilizan señales UWB de impulsos en las que los símbolos de información se modulan con ayuda de una modulación PPM-PAM con M\geq3 donde M es, como se definió anteriormente, el cardinal de la modulación PPM. Queda claro para el experto en la técnica que este tipo de modulación incluye, en particular, las modulaciones únicamente PPM con M\geq3. El código propuesto está representado por la matriz de dimensión 2Mx2, donde M es al igual que antes el cardinal de la modulación PPM:

19

con \tilde{\alpha} = \frac{1}{\sqrt{1 + \theta ^{2}}}; \tilde{\beta} = \frac{1}{\sqrt{1 + \theta ^{2}_{1}}}; \theta = \frac{1 + \sqrt{5}}{2}; a_{i} = (a_{i,0}, ..., a_{i,M-1}) siendo los símbolos de información al igual que antes y \Omega es una matriz de permutación circular de dimensión MxM. Por ejemplo, \Omega es un simple desplazamiento circular:

20

donde I_{M-1xM-1} es la matriz de identidad de tamaño M-1, 0_{1xM-1} es el vector línea nulo de tamaño M-1, 0_{M-1x1} el vector columna nulo de tamaño M-1.

Como puede constatarse, la matriz C es real y no presenta ponderación disimétrica según las antenas. Puede escribirse de manera más explícita:

21

A partir de la expresión (21), se ve que el efecto de la multiplicación por la matriz \Omega se traduce por una permutación circular sobre el primer vector columna de las M últimas líneas de la matriz C. Así, mientras que durante la primera trama (M primeras líneas de C), el orden cronológico de las posiciones PPM es idéntico para las dos antenas, para la segunda trama (M últimas líneas de C), por el contrario, las posiciones PPM relativas a los símbolos a_{3}, a_{4} experimentan una permutación circular, con respecto a las posiciones PPM de los símbolos a_{1}, a_{2}. En el ejemplo dado, la permutación circular es un simple desplazamiento circular. Dicho de otro modo, todo pasa como si durante la segunda trama la constelación PPM-PAM de los símbolos a_{3}, a_{4}, tal como se ilustra en la figura 3, hubiera sido objeto de una rotación cíclica de una posición hacia la derecha.

En general, la matriz \Omega es una matriz de permutación circular de orden M. Dado que con M\geq3, esta matriz no se reduce a una simple trasposición. Las expresiones (15) a (18), que dan las señales UWB generadas por las dos antenas durante las tramas primera y segunda, van a sustituirse, por tanto, por las expresiones (21) a (24) siguientes:

primera trama:

22

\newpage

segunda trama:

23

donde \sigma es una permutación circular del conjunto {0,1, ..., M-1}.

La matriz \Omega del código propuesto puede ser incluso una permutación circular asociada con un cambio de signo de uno cualquiera o de una pluralidad de sus elementos. En el caso del ejemplo dado en (20), las matrices:

24

con, \chi_{i} = \pm1, también pueden emplearse en el código C según la invención. Debe observarse que una permutación circular asociada con una inversión de signo vuelve a efectuar en la constelación PPM-PAM (véase la figura 3) una rotación cíclica respecto a las posiciones y una simetría con respecto al eje de amplitud nula de la constelación PAM para las posiciones afectadas por esta inversión.

De manera alternativa al código espacio-temporal definido por (19), pueden utilizarse incluso las siguientes variantes:

25

obtenidas por permutación de los vectores columna Mx1 diagonales o/y antidiagonales de (19).

Naturalmente, para las matrices (26), (27), (28), la matriz \Omega podrá adoptar las mismas variantes de forma que las ya previstas para (19), es decir, la de una permutación circular asociada o no a una inversión de signo de uno o de una pluralidad de sus elementos.

Además, es importante observar que, sea cual sea la forma del código previsto (19), (26), (27), (28), cualquier permutación sobre los índices de los símbolos a_{i} sigue siendo un código espacio-temporal en el sentido de la invención, puesto que una permutación de este tipo es equivalente a una simple redistribución temporal en el interior del bloque S = (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}).

Por último, los coeficientes \tilde{\alpha} y \tilde{\beta} de la matriz C están en una relación igual al número áureo y tal que \tilde{\alpha}^{2} + \tilde{\beta}^{2} = 1 (ganancia de energía igual a 1). Queda claro que valores homotéticos de \tilde{\alpha} y \tilde{\beta}, que conserven este valor de relación, conducen también a un código espacio-temporal en el sentido de la invención. En la práctica, los coeficientes \tilde{\alpha} y \tilde{\beta} se cuantifican en forma digital, lo que conduce a una relación ligeramente diferente al número áureo. Se ha podido mostrar que una desviación de esa relación de \pm10% alrededor del número áureo no alteraba significativamente los rendimientos del código espacio-temporal. Se entenderá en lo sucesivo que una relación sensiblemente igual al número áureo es una relación que se encuentra dentro de este intervalo de variación.

Sea cual sea la forma del código prevista (19), (26), (27), (28), esta última permite transmitir cuatro símbolos de información sobre dos antenas para dos utilizaciones del canal. Por consiguiente está a tasa de transmisión completa. Puede mostrarse igualmente que el código tiene diversidad máxima para M\geq3, \forallM'\geq1 y que, además, la ganancia de codificación es óptima en los casos siguientes:

(a) M' = 1 y M\geq3, es decir, para las modulaciones 3-PPM, 4-PPM, etc.

(b) M\geq4, \forall M'\geq1.

La figura 4 ilustra un ejemplo de sistema de transmisión que utiliza la codificación espacio-temporal según la invención.

El sistema 400 recibe símbolos de información por bloque S = (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}) donde los a_{i} son símbolos de una constelación PPM-PAM. De manera alternativa, los símbolos de información puede provenir de otra constelación M.M'-aria a condición de experimentar previamente una transcodificación (mapping) en la constelación PPM-PAM. Naturalmente, los símbolos de información pueden ser resultado de una o una pluralidad de operaciones ampliamente conocidas por el experto en la técnica tales como codificación de fuente, codificación de canal de tipo convolucional, por bloque o incluso turbocodificación en serie o en paralelo, entrelazado, etc.

El bloque de símbolos de información experimenta una operación de codificación en el codificador espacio-temporal 410. Más precisamente, el módulo 410 calcula los coeficientes de la matriz C que cumplen una de las expresiones (14), (26), (27), (28) o sus variantes. Los dos vectores columna c^{0}_{1}, c^{0}_{2}, constituidos por las M primeras líneas de C se transmiten respectivamente a los moduladores 420 y 425 UWB para la primera trama, a continuación los dos vectores columna c^{1}_{1}, c^{1}_{2} constituidos por las M últimas líneas de C, para la segunda trama. El índice superior indica en este caso la trama y el índice inferior el elemento 430 ó 435 de radiación. El modulador 420 UWB genera a partir de los vectores c^{0}_{1}, c^{1}_{1} las señales UWB de impulsos moduladas correspondientes. Asimismo, el modulador 425 UWB genera a partir de los vectores las señales UWB de impulsos moduladas correspondientes. Por ejemplo, si se utiliza la matriz de codificación espacio-temporal (19) como se indica en la figura, el modulador 420 UWB proporcionará sucesivamente las señales (21) y (23) mientras que el modulador 425 UWB proporcionará sucesivamente las señales (22) y (24). En general, las señales UWB de impulsos que sirven de soporte para la modulación pueden ser del tipo TH-UWB, DS-UWB o TH-DS-UWB. Las señales UWB de impulsos así moduladas se transmiten a continuación a los elementos 430 y 435 de radiación. Estos elementos de radiación pueden ser antenas UWB o bien diodos láser o DEL, que funcionan por ejemplo en el dominio infrarrojo, asociados a moduladores electro-ópticos. El sistema de transmisión propuesto puede utilizarse entonces en el campo de las telecomunicaciones ópticas inalámbricas.

La figura 5 ilustra un modo de realización ventajoso del codificador espacio-temporal 410 de la figura 4. El codificador utiliza un módulo 520 ó 525 elemental de dos entradas y dos salidas, que efectúa la operación lineal siguiente:

26

donde todos los valores son escalares; x,y son los valores de entrada; X,Y son los valores de salida.

Un ejemplo de módulo 520, 525 se ha ilustrado esquemáticamente en la figura 6. Los módulos 520, 525 pueden estar constituidos por multiplicadores y sumadores cableados como se indica, o bien realizarse por medio de operaciones microsecuenciadas.

El codificador espacio-temporal comprende un número 2M de tales módulos elementales que operan en paralelo. Según una variante de realización no representada, el codificador espacio-temporal puede contener simplemente un submúltiplo de estos 2M módulos, multiplexándose y demultiplexándose en el tiempo, respectivamente, los datos presentados en la entrada y los datos proporcionados en la salida.

Las componentes de los vectores a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4} se almacenan en la entrada en memorias intermedias 510. Los módulos 520 elementales efectúan la operación (29) sobre las M componentes de los vectores a_{1}, a_{2} y los módulos elementales 525 efectúan la misma operación sobre las componentes de los vectores a_{3}, a_{4}.

Los vectores columna c^{0}_{1}, c^{0}_{2} y c^{1}_{1}, c^{1}_{2}, relativos respectivamente a la primera y a la segunda trama se almacenan en las memorias intermedias 530 de salida.

La figura 5 ilustra el caso en el que la codificación espacio-temporal tiene la forma (19). Los valores X e Y en la salida de los módulos 520 elementales se escriben respectivamente en las memorias intermedias 530 de c^{0}_{1} y c^{1}_{2}. Los valores X e Y a la salida de los módulos elementales 525 se escriben respectivamente en las memorias intermedias 530 de c^{0}_{2} y c^{1}_{1}. Naturalmente la utilización de una codificación temporal del tipo (26),(27) o (28) conduciría a una escritura en memorias intermedias permutadas. En el caso ilustrado en la figura 5, la escritura de los valores X,Y en las memorias intermedias de salida de c^{0}_{1}, c^{0}_{2} y c^{1}_{2} se realiza en el mismo orden que el de las componentes de los vectores a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}. Por el contrario, la escritura en la memoria intermedia 530 de c^{1}_{1} se realiza según direcciones permutadas por la permutación circular \sigma. Según una variante de realización no representada, la escritura en la memoria intermedia de c^{1}_{1} también se realiza en el mismo orden que el de las componentes de los vectores a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4}, pero la lectura se realiza según direcciones permutadas por \sigma^{-1}. En ambos casos, se prevén medios de direccionamiento para permutar las direcciones de escritura o de lectura en la entrada o en la salida de la memoria intermedia 530.

Si están presentes inversiones de signo en la matriz \Omega, pueden tenerse en cuenta cambiando el signo de \tilde{\alpha} y/o \tilde{\beta} en el interior de los módulos 525 relativos a la o las componentes afectadas.

Las señales UWB transmitidas por el sistema ilustrado en la figura 4 pueden procesarse mediante un receptor de múltiples antenas de manera clásica. El receptor podrá comprender, por ejemplo, una fase de correlación de tipo Rake seguida de una fase de decisión, que utiliza por ejemplo un decodificador por esfera conocido por el experto en la técnica.

Claims (10)

1. Procedimiento de codificación espacio-temporal para sistema de transmisión UWB que comprende dos elementos de radiación, codificando dicho procedimiento un bloque de símbolos de información (S = (a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4})) pertenecientes a una constelación de modulación PPM o de modulación compuesta PPM-PAM, que presenta un número de posiciones temporales superior o igual a 3, en una secuencia de vectores (C^{0}_{1}, C^{0}_{2}, C^{1}_{1}, C^{1}_{2}), estando destinadas las componentes de un vector a modular una señal UWB de impulsos para un elemento de radiación de dicho sistema y para un intervalo de transmisión dado (T_{f}), caracterizado porque un primer y un segundo de dichos vectores se obtienen por medio de una primera combinación lineal de una primera y una segunda pareja de dichos símbolos y porque un tercer y un cuarto de dichos vectores se obtienen por medio de una segunda combinación lineal de dichas parejas primera y segunda de dichos símbolos, utilizando las combinaciones lineales primera y segunda coeficientes escalares (\tilde{\alpha}, \tilde{\beta}, - \tilde{\beta}, \tilde{\alpha}) cuyas respectivas relaciones son sensiblemente iguales al número áureo y a su opuesto, experimentando uno de dichos vectores además una permutación circular de sus componentes antes de modular dicha señal UWB de impulsos.

2. Procedimiento de codificación espacio-temporal según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho vector que ha experimentado dicha permutación circular se somete a una inversión de una o una pluralidad de sus componentes antes de modular dicha señal UWB de impulsos.

3. Procedimiento de codificación espacio-temporal según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos vectores se definen por las componentes bloque Mx1 de la matriz de dimensión 2Mx2:

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o bien por las componentes bloque Mx1 de la matriz de dimensión 2Mx2:

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o bien por las componentes bloque Mx1 de la matriz de dimensión 2Mx2:

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o incluso por las componentes bloque Mx1 de la matriz de dimensión 2Mx2:

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en las que a_{1}, a_{2}, a_{3}, a_{4} son dichos símbolos de información, \tilde{\alpha}, \tilde{\beta} son los coeficientes escalares de dicha primera combinación lineal, - \tilde{\beta}, \tilde{\alpha} son los coeficientes escalares de dicha segunda combinación lineal, M es el orden de la modulación PPM y \Omega es una matriz MxM de permutación circular, que ha experimentado o no una inversión de signo de uno o de una pluralidad de sus coeficientes (\chi_{i}).

4. Procedimiento de transmisión de una pluralidad de símbolos de información pertenecientes a una constelación de modulación PPM o de modulación compuesta PPM-PAM que presenta un número de posiciones temporales superior o igual a 3, caracterizado porque dichos símbolos de información se codifican por medio de la codificación espacio-temporal según una de las reivindicaciones anteriores para proporcionar dichos vectores primero, segundo, tercero y cuarto, modulando las componentes de cada uno de estos cuatro vectores la posición o bien la posición y la amplitud de los impulsos que componen una señal UWB de impulsos para obtener cuatro señales UWB de impulsos moduladas, transmitiéndose estas cuatro señales respectivamente mediante un primer y un segundo elementos de radiación durante un primer y un segundo intervalos de transmisión.

5. Procedimiento de transmisión según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos de radiación son antenas UWB.

6. Procedimiento de transmisión según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos de radiación son diodos láser o diodos electroluminiscentes.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque dicha señal de impulsos es una señal TH-UWB.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque dicha señal de impulsos es una señal DS-UWB.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque dicha señal de impulsos es una señal TH-DS-UWB.

10. Dispositivo de codificación espacio-temporal para poner en práctica el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende:

- elementos (510) de memoria de entrada para memorizar cuatro símbolos de información, estando constituido cada símbolo de información por M componentes con M\geq3, pudiendo adoptar cada componente M' valores donde M'\geq1;

- una primera pluralidad de primeros módulos (520) que reciben cada uno una componente de un primer símbolo de información y una componente del mismo rango de un segundo símbolo de información, efectuando cada módulo dichas combinaciones lineales primera y segunda de dichas componentes para proporcionar un primer y un segundo valores de salida;

- una segunda pluralidad de segundos módulos (525) que reciben cada uno una componente de un tercer símbolo de información y una componente del mismo rango de un cuarto símbolo de información, efectuando cada módulo dichas combinaciones lineales primera y segunda de dichas componentes para proporcionar un primer y un segundo valores de salida;

- elementos (530) de memoria de salida para almacenar respectivamente los primeros valores y los segundos valores de salida de los módulos primeros y segundos;

- medios para permutar las direcciones de escritura o de lectura de uno de los elementos de salida según una permutación circular de orden M.