MXPA05004245A - Algoritmo para deteccion diferencial de simbolos multiples. - Google Patents

Abstract

Se emplea un metodo para la evaluacion de la fase diferencial de M-ary datos de comunicacion en el cual los datos consisten de N simbolos secuenciales rj...rN, cada uno de los cuales tiene M fases transmitidas. Las secuenciales seleccionadas de N-1 elementos que representan posibles secuencias de diferenciales de fase son evaluadas usando la deteccion diferencial de simbolos multiples. Usando r1 como referencia para cada estimacion diferencial de fase, son seleccionados sN-1 secuencias diferenciales de fase en forma de (P2i, P3i ..., PNi) para i=1 a s para evaluar el conjunto de simbolos, donde s es predeterminada y 1<s<M. Cada conjunto de s valores de estimacion diferencial de fase son elegidos sobre la base de si estan mas cerca en valor al valor diferencial de fase transmitida real. Esas s estimaciones diferencial de fase pueden ser determinadas matematicamente como aquellas que producen los resultados maximos usando la deteccion diferencial convencional.

Description

European patent (AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, — before the expiraticn of llie time litnií for amending the ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LU, MC, NL, PT, RO, claims and ¡o be republislwd in the. evenl of receipt of SR, SI, SK, TR), OAPI patent (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, atnendnxenls GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG). For nvo-íelter codes and other abbrevtations. refet to the "Guid- Pubtished: ance Notes on Codes and Abbreviation " appearing at the begin- — yviih ¡memaüonai sear repon ning of ea h regular issue of the. PCT Gazeite.

ALGORITMO PARA DETECCION DIFERENCIAL DE SIMBOLOS MULTIPLES CAMPO DE LA INVENCION Esta invención se relaciona con la detección diferencial de modulación de cambio de fase múltiple (MPSK) en sistemas de comunicación. La invención se relaciona, de manera general, con comunicaciones digitales, incluyendo, pero sin limitarse a sistemas CDMA.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Convencionalmente , los receptores de comunicación usan dos tipos de detección de señal modulada por MPSK: detección coherente y detección diferencial. En la detección coherente, se detecta una referencia de la fase portadora en el receptor, contra la cual se comparan fases de símbolos posteriores para estimar la fase de información real . La detección diferencial procesa la diferencia entre las fases recibidas de dos símbolos consecutivos para determinar la fase real . La fase de referencia es la fase del primero de los dos símbolos consecutivos, contra los cuales es tomada la diferencia. Aunque la detección diferencial elimina la necesidad de procesar la referencia de la fase portadora en el receptor, requiere una relación de señal a ruido mayor a un porcentaje de error de símbolo dado . La detección diferencial en un canal de Ruido 2 Gaussiano Blanco Aditivo (AWGN) . es preferida sobre la detección coherente cuando la simplicidad de implementación y robustez toman importancia sobre el desempeño de la sensibilidad del receptor. La detección diferencial también es .preferida cuando es difícil generar una señal de referencia de desmodulación coherente. Para la detección diferencial de la modulación de cambio de fase múltiple ( PSK) , la información de la fase de entrada es codificada diferencialmente en el transmisor, entonces la desmodulación es implementada comparando la fase recibida entre intervalos de símbolo consecutivos. Por lo tanto, para una operación apropiada, la fase de referencia portadora recibida deberá ser constante sobre al menos dos intervalos de símbolo. La detección diferencial de símbolos múltiples ( SDD) usa más de dos símbolos consecutivos y puede proporcionar un mejor desempeño del porcentaje de error que la detección diferencial convencional (DD) que usa únicamente dos símbolos consecutivos . Como en el caso de la DD, la MSDD requiere que la fase de referencia portadora recibida sea constante sobre los intervalos de símbolo consecutivos usados en el proceso. La discusión detallada de la MSDD y la Detección de Símbolos Múltiples (MSD) se encuentran en, "Múltiple-Symbol Differential Detection of MPSK" (Divsalar et al., 3 IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, Vol . 38, No. 3, Marzo 1990) y "Múltiple-Symbol Detection for Orthogonal Modulation in CDMA System" (li et al., IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, Vol. 50, No. 1, Enero 2001). La MPSK MSDD convencional es explicada en conjunto con las FIGURAS 1 y 2 más adelante. La FIGURA 1 muestra un canal de comunicación AWGN 101 con una secuencia de señal MPSK r que comprende N símbolos consecutivos r...rN recibidos por el receptor 110. El símbolo rk representa el késimo componente de la secuencia de N de longitud r donde 1 <_ k < N. El valor para x¼ es un vector representado por la Ecuación (1) : que tiene una energía de símbolo Es, intervalo de símbolo Ts y fase transmitida >k donde j = V-I . El valor de nk es una muestra tomada de un proceso de ruido Gaussiano blanco complejo estacionario con una media de cero. El valor de #k es una desviación de fase de canal aleatoria arbitraria introducida por el canal y se asume que está distribuido uniformemente en el intervalo (-p,p) . Aunque la desviación de fase de canal es desconocida, la detección diferencial opera convencionalmente asumiendo que 9k es 4 constante a través del intervalo de símbolos observados rz a rN. Para la MPSK diferencial (D PSK) , la información de fase es codificada diferencialmente en el transmisor, y la fase transmitida f¾ es representada por: donde ?f¾ es la diferencial de la fase de información transmitida correspondiente al keS1110 intervalo · de transmisión que toma uno de M valores distribuidos uniformemente dentro del conjunto O= m=0 , 1, ... ,M-l} alrededor del círculo unitario, como en el esquema del mapa de Gray. Por ejemplo, para QPSK, p/2 , p o 3p/2 para cada k de 1 a N. Se asumió por simplicidad que el valor arbitrario de la fase Qk es constante (?^=?) sobre la longitud de M de la secuencia observada. En el receptor, se logró la detección óptima usando la detección diferencial de símbolos . múltiples (MSDD) seleccionando una secuencia estimada de diferenciales de fase {?f?,? 2,...,?f?_?}. 1° cual maximiza la siguiente estadística de decisión: 5 Por la Ecuación (3) , la señal recibida es observada sobre N intervalos de tiempo de símbolo seleccionando a la vez simultáneamente la secuencia de fase de estimado óptima La suma de vector maximizada de la secuencia señal de longitud de N rk, proporciona la detección de probabilidad máxima, donde la diferencial de la fase estimada d es la diferencia entre la fase estimada m+\ Y la estimación de la primera fase f?.

La estimación de la secuencia de fase de información transmitida es obtenida a partir de la secuencia de fase estimada usando la Ecuación (5) . m <% =S? Ec. (5) El valor de f/, es una estimación de la diferencial de la fase trtansmitida ?f¾. Puesto ? (1 < k <_ N-l) toma uno de M valores de O distribuidos uniformemente {2 t??/?, m=0, 1, ... ,M-1] , la detección MSDD convencional busca todas las secuencias de diferencial de fase posibles y existen M1'1 de esas fases. El desempeño del porcentaje de error mejora incrementando la longitud de la 6 secuencia observada N, la cual es seleccionada preferiblemente como N = 4 o N-5. Como un ejemplo, para la modulación 16PSK con N=5 , el número de secuencias diferenciales de fase a buscar es 164=65536. Como es evidente por este número considerablemente grande de secuencias, la simplicidad de la secuencia de búsqueda es sacrificada para lograr un desempeño de porcentaje de error deseable . La FIGURA 2 muestra el diagrama de flujo de proceso para el algoritmo 200, que efectúa la SDD convencional. Este comienza con el paso 201 donde se observan N símbolos consecutivos r* para k=l hasta N. A continuación, los siguientes conjuntos posibles de secuencias de diferencial de fase donde cada ?f? , para J =1 a N-l,es uno del conjunto de valores de fase distribuidos uniformemente en el conjunto O={2pp?/?, m=0, 1, ... ,M-l} . Existen v'1 conjuntos posibles. La FIGURA 5 muestra un ejemplo de un arreglo de esos conjuntos, donde N=4 y M=4 , lo cual ilustra los 4_1=64 conjuntos posibles de secuencias de diferencial de fase. En el paso 203, cada secuencia de fase posible es intentada en la expresión I , que da un total de M valores . continuación, en el paso 204, se encuentra el valor máximo para el paso 203, el cual indica la secuencia diferencial 7 de fase mejor estimada. Finalmente, en el paso 205, es estimada la secuencia de fase de estimación final a partir de usando la Ecuación (5) y se obtienen los bits de información de la transformación del mapa de Gray entre fases y bits. Aunque la MSDD proporciona un desempeño de error mucho mejor que la DD convencional (símbolo por símbolo) , la complejidad de la MSDD es significativamente mayor. Por lo tanto, es deseable proporcionar un método y sistemas mejorados para la MSDD con menos complejidad.

LA INVENCION Es empleado un método de evaluación de fase de detección diferencial de símbolos múltiples M-ario datos de comunicación en el cual los datos consisten de N símbolos secuenciales ??...rN, cada uno de los cuales tiene M fases transmitidas. Las secuencias seleccionadas de N-l elementos que representan posibles secuencias de diferenciales de fase son evaluadas usando la detección diferencial de símbolos múltiples. ? continuación, usando r como referencia para cada estimación de diferencial de fase, las secuencias de diferencial de fase s'1 son seleccionadas en la forma de (P2i, P31, ···, ni) para i=l hasta s para evaluar el conjunto de símbolos, donde s se predeterminó y 1 < s < M. En lugar de intentar cada uno de los M valores 8 de diferencial de fase posibles durante la estimación, el subconjunto reducido de s valores de estimación de diferencial de fase son elegidos sobre la base de ser más cercanos en valor al valor de la diferencial de fase transmitido real. Los s estimados de la diferencial de fase pueden ser determinados matemáticamente como aquellos que producen los resultados máximos en la expresión de detección diferencial r +r e~jfik Cada una de las s1'1 secuencias de diferencial de fase son entonces evaluadas usando MSDD para determinar la secuencia de fase de probabilidad máxima final. La secuencia de fase final resultante puede ser usada para determinar las estimaciones de fase de información y los bits de información de fase por la transformación del mapa de Gray.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La FIGURA 1 muestra una representación de un flujo de símbolos de canal para un receptor. La FIGURA 2 muestra un diagrama de flujo de proceso de un algoritmo 200 para la MSDD convencional. La FIGURA 3A muestra un diagrama de flujo de proceso de un algoritmo 300 para la MSDD de complejidad reducida . La FIGURA 3B muestra un diagrama de flujo de 9 proceso detallado para el paso 302 de la FIGURA 3A. Las FIGURAS 4A, 4B, 4C muestran un diagrama de bloques de una implementación del algoritmo de MSDD de complejidad reducida. La FIGURA 5 muestra una tabla de posibles secuencias de fase procesadas por un algoritmo de MSDD convencional . La FIGURA 6 muestra gráficamente una comparación de los desempeños del porcentaje de error de símbolos para los algoritmos MSDD convencional y simplificado.

DESCRIPCION DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La FIGURA 3A muestra un algoritmo de MSDD 300 que reduce la complejidad de búsqueda de la MSDD del algoritmo 200, usando un concepto de búsqueda de subcon unto. Primero, en el paso 301, son observados N símbolos consecutivos ¿ para 1<_ k < N-1. En el paso 302, son seleccionados de sw"2 conjuntos de secuencias de estimación de diferencial de fases {ß?, /¾,..., ß?-?] como estimaciones óptimas de entre el conjunto completo de vf' estimaciones de fase intentadas sobre el algoritmo 200. Pasando a la FIGURA 3B, el paso 302 es descrito mas adelante con mayor detalle. En el paso 302A, la señal recibida inicial r2 es seleccionada como una referencia 10 preferida para determinar diferenciales de fase entre rx y cada rk subsiguiente. En el paso 302B, un subconjunto candidato pequeño de s estimaciones de diferencial de fase {fíki, ß)?2, ¦ ¦ ¦ , ks) (1< k < N-1), todas las M fases posibles {2nm/M, ra - 0, ?,...,?-l) donde l<s< M y es predeterminada. Las s estimaciones de fase que son seleccionadas son las mas cercanas en valor a la diferencial de fase real ?F^. Para obtener los valores más cercanos para las estimaciones de diferencial de fase, cada ß ¾ es aplicada a la expresión 2 de DD convencional de la cual son seleccionadas las s estimaciones de diferencial de fases (/?ki, ß??? ¦ ¦ ¦ , ?ks) que producen el valor resultante máximo. Con la inclusión de este paso de proceso de DD símbolo por símbolo (302B) , como puede observarse que el algoritmo 300 es una combinación de MSDD y procesamiento DD. En el paso 302C, existen ahora sN_1 conjuntos de secuencias de diferencial de fase óptimas, donde Pk = {fíkir fí2, · · ¦ r fis} ¦ Regresando a la FIGURA 3A, el resultado del paso 302 es las sN"1 secuencias de fases (P1( P2, ... PN-I) · Esas son las candidatas de diferencial de fase de probabilidad máxima.

Es decir, los s valores de Pi que están más cerca en valor a la diferencial de fase real ?F?, los s valores para P2 son los más cercanos a la diferencial de fase real ?F2 y así sucesivamente. En el paso 303, todas las sN_1 secuencias de 11 fases posibles (PX, P2, . .. PH-I) son intentadas dentro de la expresión Esos conjuntos de fases candidatas se reducen significativamente en número en comparación con el algoritmo 200 puesto que s<M y st~1<MN~1. Cuando s es muy pequeña, el número de secuencias de diferencial de fase a buscar se vuelva mucho menor, lo cual conduce a un ahorro de complejidad significativo. Como un ejemplo, para s=2, N=4 y =4 , existirán ocho (8) conjuntos de secuencias de diferencial de fase que resultaran. Este es un subconjunto más pequeño de las sesenta y cuatro (64) secuencias de diferencial de fase mostradas en la FIGURA 5, las cuales serían procesadas en un algoritmo de MSDD convencional, como el algoritmo 200. En el paso 304, los vectores resultantes máximos para el paso 303 determinan la secuencia de diferencial de fase óptimas {ß , ß2, · .. , ß-s-i] · Los pasos 303 y 304 en una combinación pueden ser expresados por la siguiente estadística de decisión: ? ' ??-?' EC. (6) e-jflm-l 12 Cuando s=M, la estadística es simplemente ?""a?a =? En el paso 305, la secuencia de fases de información final {?F?,? 2,...,? /?_,} es estimada a partir de la secuencia de diferencial de fase óptima ß, ß2? · · ¦ t ß-?] usando la ecuación (7) y los bits de información de fases son obtenidos por la transformación del mapa de Gray.

?=?? Ec. (7) k=l La FIGURA 4 muestra un diagrama de bloques de la implementación paralela de MSDD 400, donde N=4, s=2. Desde N=4, existen N-l=3 circuitos de selección paralelos 401, 402, 403 para determinar s""1 (es decir, 8) (Pl7 P2, P3) de fases candidatas. El circuito de selección 401 comprende los bloques de retraso 410, 411; el conjugador 412, el multiplicador 413, el multiplicador 415¾: (k=0 a N-l) , los bloques de amplitud 416k (k=0 a N-1) , el bloque de decisión 417, los multiplicadores 418, 419 y el conmutador 450. El símbolo de entrada rk+3 pasa a través de los retrasos 410, 411 para establecer el ¾ como símbolo de referencia y r^+i. como el símbolo consecutivo contra el cual va a ser estimada la diferencial de fase. La salida del conjugador 412 produce el conjugado ¾*, el cual cuando se multiplica con el símbolo consecutivo rk+1 por el multiplicador 413, 13 produce un valor de diferencia de fase. A continuación, la diferencia de fase es multiplicada por los multiplicadores 415k a cada fase en el conjunto de ?k donde =(2nk/M, k=0, 1, M-l) . A continuación, los productos son pasados a través de los bloques de amplitud 415¾ y alimentados al bloque de decisión 417, el cual selecciona s=2 entradas máximas para el subconj nto Pi = [ß??. /¾2? ¦ Las salidas del bloque 401 son los productos rk+\e-¡fkl ' salidas rk+ie- fiiZ con los multiplicadores 418, 419. Los circuitos de decisión 402 y 403 comprenden conjuntos paralelos de elementos similares de acuerdo a lo descrito para el bloque 401. El circuito de decisión 402 incluye los bloques de retraso 420, 421, los cuales permiten el procesamiento del símbolo de referencia rk con rk+2, por lo que el bloque de decisión 427 elige las fases candidatas P2 = [/?k3, ß ? ¦ De igual modo, el bloque 403 incluye el bloque de retraso 431 para permitir que el bloque de decisión 437 seleccione las diferenciales de fase candidatas P3= [?ks, 3k6] por el símbolo de referencia rk y el símbolo rk+3. La sumador a 404 suma las combinaciones alternadas de las salidas de los bloques 401, 402 y 403 alternadas por los conmutadores 450, 451, 452, respectivamente mas el símbolo de referencia r*. Puesto que s=2, existen 23=8 combinaciones de secuencia de diferencial dee fase (??, P2, P3) producida por conmutadores 450, 451, 14 452. El bloque de decisión 405 selecciona la secuencia de diferencial de fase óptimas {ß , ß2, ß?) la cual es la secuencia de diferencial de fases (Pi, P2, P3) que produce la suma máxima. La FIGURA 6 muestra el desempeño del porcentaje de error del símbolo (SER) del algoritmo MSDD 16PSK, donde s=2 para diferentes longitudes de observación del símbolo N=3,4 y 5. Como se muestra en la FIGURA 6, el algoritmo MSDD de complejidad reducida 300 con s=2 proporciona casi el mismo desempeño el algoritmo MSDD original 200 donde s=M. Esto se debe a que el algoritmo MSDD 300 selecciona una de las dos fases más cercanas entre el vector r, c_,8, (l k<N-l)y r± para maximizar la estadística de la Ecuación (6) . Por lo tanto, 2<s<M, el desempeño es esencialmente el mismo que para s=2, el cual significa que no existe beneficio en incrementar la complejidad del algoritmo 300 a s>2. Por lo tanto, los resultados óptimos se obtienen usando la elección más simple posible para s, es decir s=2. La Tabla 1 muestra la comparación de complejidad del algoritmo 300 con s=2 para la longitud de observación del símbolo de N=5 contra el algoritmo 200. El número de secuencia del diferencial del fase a buscarse se redujo significativamente, dando como resultado velocidades de procesamiento más rápidas. 15 Tabla 1 M Modulación Núm . De Núm. De Factor de Factor de secuencias de secuencias reducción velocidad diferencial de (x veces de fase a diferencial mas buscar por el de fase a rápido) MSDD 200 buscar por el MSDD 300 (s11-1) 4 4PSK 256 16 16 12 8 8PSK 4096 16 256 229 16 16PSK 65536 16 4096 3667

Claims (1)

16 REIVINDICACIONES 1. Sistema para efectuar detección diferencial de símbolos múltiples en un receptor de comunicación para un conjunto recibido de N símbolos rk secuenciales (r1 a rN) , teniendo cada par de símbolos consecutivos una diferencial de fase de entre M fases donde M > 2, que comprende: N-l circuitos de selección paralelos, cada uno para producir un conjunto de S fases candidatas a partir del conjunto (?k = 2 yrk/M, k=0, 1, ... ,M-1) , donde 1<S< / cada circuito de selección comprende: elementos de retraso para permitir la evaluación de los símbolos secuenciales; multiplicadores para producir productos paralelos (r¾;) (e-^k) ; un elemento de decisión para elegir S fases candidatas las cuales producen los S valores máximos dentro r\ + rk+ie 'JÍ^ \ ' y S multiplicadores para producir los productos { ^+Í) ( -^'^) , donde (i= 1 a N-l) y ß' ? representa una de las S fases candidatas seleccionadas; una sumadora para sumar las salidas del producto de N-l circuito de selección y un elemento de decisión para evaluar las SN_1 secuencias de fase de los N-l circuitos de selección paralelos y seleccionar la secuencia de fase que produce el valor del producto máximo. 2. Sistema para efectuar detección diferencial de símbolos múltiples en un receptor de comunicación por un conjunto recibido de N símbolos r¾ secuenciales (rx a rN) , 17 teniendo cada par de símbolos consecutivo una diferencial de fase de entre M fases donde M > 2, que comprende: N-l circuitos de selección paralelos, cada uno para producir un conjunto de S fases candidatas a partir del conjunto (/3k = 2 Ttk/M, k=0, 1, ... ,M-1) , donde 1<S<M, cada circuito de selección comprende: elementos de retraso para permitir la evaluación de los símbolos secuenciales ; M multiplicadores para producir productos paralelos (rjj (e-^k) ; un elemento de decisión de selección para elegir S fases candidatas hasta ß^? las cuales son fases cercanas de las M fases por cada k, seleccionada del conjunto (2 k/M, k=0, 1, ... ,M-1) ;y S multiplicadores para producir los productos (rk+i) (e-^'k) , donde (i= 1 a N-l) y /3'k representa una de las S fases candidatas seleccionadas; una sumadora para sumar las salidas del producto de N-l circuito de selección; y un elemento de decisión de salida para evaluar las S1^"1 secuencias de fase de los N-l circuitos de selección paralelos y seleccionar la secuencia de fase que produce el valor del producto máximo . 3. Sistema según la reivindicación 2, donde el elemento de decisión de selección elige S fases candidatas ß? a /5ks las cuales producen los S valores más grandes . 4. Sistema según la reivindicación 2, donde el elemento de decisión de salida evalúa cada una de las S11"1 secuencias de fase en la expresión y se selecciona la secuencia de fase que produce el resultado máximo . 5. Sistema según la reivindicación 2, donde S=2 y las dos fases más cercanas ? ß^2 son determinadas. 6. Sistema según la reivindicación 2, donde M=4, N=4, y S=2, las fases ß a ?ks son seleccionadas del conjunto (0, p/2, p, 3p/2) , para producir S11"1 conjuntos de fases: (?2?,?3?,?4?) , (P21, P31, P42) , (P21, P32 , P4i) , (P21, P32, P42) , (P22,P3l,P4l) , (P22,P31,P42) , (P22,P32,P4l) , (P22 , 32 , P42 ) ·