WO2006103295A1 - Dispositif et procede pour accroitre la robustesse ou la capacite des systemes de communication sans fil - Google Patents

Dispositif et procede pour accroitre la robustesse ou la capacite des systemes de communication sans fil Download PDF

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Definitions

  • the invention particularly relates to a method and a device for increasing the capacity of wireless telecommunications systems, in particular by providing diversity to a reception system.
  • diversity is understood as the ability to use multiple copies of the same transmitted signal. Each copy has been degraded or distorted (channel or interference) independent.
  • the reception diversity notably makes it possible to greatly increase the performance of the receiver and therefore the robustness or the capacity of the telecommunications link.
  • reception and / or emission sensor networks is an effective means when the processing adapted to the transmission and / or reception is implemented.
  • the invention is based in particular on a new approach by transmitting simultaneously through several propagation channels, the superposition of the messages to be transmitted.
  • the invention relates to a method for increasing the capacity of a wireless communications system comprising at least two users Ui and U 2 communicating by means of at least one frequency band Fi, F 2, characterized in that the flow of information Si (t) of the first user Ui and the information flow s 2 (t) of the second user U 2 are traveling in at least one and the same frequency band.
  • the method according to the invention makes it possible in particular to increase the performance of the demodulation in a system compared to the conventional system, a band, a flow.
  • One of the advantages of the present invention is that it allows the receiver to benefit from additional diversity compared to the conventional case where each transmitter exclusively uses the frequency band which has been dedicated to it.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the method according to the invention
  • FIG. 2 schematizes a device architecture for implementing the invention
  • Figure 1 shows schematically the steps implemented in the case of a system using two frequencies. This can be extended to any system including a number of frequencies and users greater than 2.
  • the system represented in FIG. 2 comprises several users Ui emitting information flows across several frequency bands, a receiver R comprising in particular a processor P adapted to implement the steps of the method according to the invention.
  • the user Ui transmits in a frequency band Fi and the user U 2 in a frequency band F 2 .
  • the method includes transmitting the flows Si (t) and s 2 (t) of each of the users on each of the frequency bands.
  • the sum of the two information flows or flows of interest coming from the two users propagates.
  • a user transmits with a power 2 times lower, which helps to reduce the transmission power to avoid increasing the power transmitted in a cell.
  • the signals received by the receiver express themselves:
  • each transmitter emits with a lower power than it uses in the case a band, a frequency.
  • One of the interests of the process is to bring what the skilled person calls diversity to the receiver. In the case of multi-path degraded transmission channels, this diversity can improve the performance of reception systems without consuming more bandwidth or increasing power.
  • the method according to the invention also applies for downlinks. For example, when it is desired to transmit to several users from an access point, it is possible to bring diversity to the receiver.
  • the system comprises three users referenced by their signals Si, S 2 , S 3 to which it is desired to transmit information and three frequencies, on each frequency F 1 , F 2 and F 3 , a pair of signals ⁇ si, s 2 ) or ⁇ si, s 3 ) or ⁇ s 2 , s 3 ) is transmitted.
  • the demodulation can be simplified when the number of users simultaneously using the same frequency band is not too high.
  • a receiver type RAKE filter adapted to the channel and the code
  • the method also applies to another type of access, by modulation.
  • a downlink rather than using a frequency or time slot to transmit streams to a user, it is possible to share a multilevel modulation between different users.
  • the dedicated stream is transmitted on the real part for, for example, the even bits and the imaginary part are dedicated to another user.
  • one of the axes serves to transmit the odd bits of the first user and the other axis serves the second user.
  • fewer channels are used than users.
  • the choice of channels to use is based on their statistical independence.
  • FIG. 2 represents performance curves obtained by implementing the method according to the invention.
  • the simulation parameters used are:
  • the system uses Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulation with a multiple access system that is either frequency or time.
  • OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing
  • different transmitters can share this resource by simultaneously communicating with the constraint that the receiving system embeds the method of separation of multiple streams.
  • the method has been implemented for an OFDM modulation using 64 subcarrier, of which only 52 are used to transmit data.
  • the system uses an OFDM modulation with a multiple access system either frequency or time.
  • different transmitters can share this resource by simultaneously communicating with the constraint that the receiving system embeds the method of separation of multiple streams.
  • the performances of the process are simulated and compared to a process which does not use the principle of the invention where the process is not implemented.
  • This study focuses on the upstream link and the technique to separate the different flows of different users is a maximum likelihood algorithm with flexible output.
  • the modulation used is a BSPK
  • the propagation channels are assumed to be known and independent between the users and the resources (time or frequency).
  • the parameters of the waveform are those of the 802.11a standard whose aspects of corrective coding.
  • the transmitted total powers remain constant whatever the transmission method used in order to obtain relevant comparisons.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour accroître la capacité d'un système de communications sans fil comprenant au moins deux utilisateurs U<SUB>1</SUB> et U<SUB>2</SUB> communiquant au moyen d'au moins une bande de fréquence F<SUB>1</SUB>, F<SUB>2</SUB> caractérisé en ce que le flux d'informations s<SUB>1</SUB>

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR ACCROITRE LA ROBUSTESSE OU LA CAPACITE DES SYSTEMES DE COMMUNICATION SANS FIL
L'invention concerne notamment un procédé et un dispositif permettant d'accroître la capacité des systèmes de télécommunications sans fil, notamment en apportant de la diversité à un système de réception.
Dans la description, la diversité s'entend comme la capacité à utiliser plusieurs copies d'un même signal émis. Chaque copie a subi des dégradations ou des distorsions (canal ou interférences) indépendantes.
Dans les canaux de propagation à évanouissements ou subissant des interférences, la diversité de réception permet notamment d'accroître grandement les performances du récepteur et donc la robustesse ou la capacité du lien de télécommunications.
Pour apporter de la diversité au lien de télécommunication, l'utilisation de réseaux de capteurs à la réception et/ou à l'émission est un moyen efficace lorsque les traitements adaptés à l'émission et/ou à la réception sont mis en œuvre.
Un des inconvénients de ces méthodes est qu'elles nécessitent l'utilisation de plusieurs voies de réception ou d'émission.
Un procédé connu de l'art antérieur décrit par exemple dans le livre de Proakis, Digital Communication, chapitre 8, 4ΘmΘ édition, Mc Graw- HiII, utilise la diversité fréquentielle ou temporelle du canal de propagation au moyen d'un système de « codage canal ». Les informations utiles sont d'abord traitées pour introduire de la redondance. Ces informations codées sont ensuite transmises au travers de canaux de propagations différents afin d'apporter de la diversité au décodeur. L'invention repose notamment sur une nouvelle approche en transmettant simultanément au travers de plusieurs canaux de propagations, la superposition des messages à transmettre. L'invention concerne un procédé pour accroître la capacité d'un système de communications sans fil comprenant au moins deux utilisateurs Ui et U2 communiquant au moyen d'au moins une bande de fréquence F-i , F2 caractérisé en ce que le flux d'informations Si(t) du premier utilisateur Ui et le flux d'informations s2(t) du deuxième utilisateur U2 circulent dans au moins une même bande de fréquence.
Le procédé selon l'invention permet notamment d'augmenter les performances de la démodulation dans un système par rapport au système classique, une bande, un flux. Un des intérêts de la présente invention est qu'elle permet de faire bénéficier le récepteur d'une diversité supplémentaire comparé au cas classique où chaque émetteur utilise de façon exclusive la bande de fréquence qui lui a été dédiée.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donnée à titre illustratif et nullement limitatif, annexé des figures qui représentent :
• La figure 1 un schéma de principe du procédé selon l'invention, • La figure 2 schématise une architecture de dispositif permettant de mettre en œuvre l'invention,
• La figure 3 des résultats des performances obtenues en mettant en œuvre l'invention.
La figure 1 schématise les étapes mises en œuvre dans le cas d'un système utilisant deux fréquences. Ceci peut s'étendre à tout système comprenant un nombre de fréquences et d'utilisateurs supérieur à 2.
Le système représenté à la figure 2 comprend plusieurs utilisateurs Ui émettant des flux d'informations à travers plusieurs bandes de fréquences, un récepteur R comprenant notamment un processeur P adapté à mettre en œuvre les étapes du procédé selon l'invention. L'utilisateur Ui émet dans une bande de fréquence Fi et l'utilisateur U2 dans une bande de fréquence F2. Le procédé consiste notamment à transmettre les flux Si(t) et s2(t) de chacun des utilisateurs sur chacune des bandes de fréquence. Ainsi, sur chaque bande de fréquence la somme des deux flux informatifs ou flux d'intérêts provenant des deux utilisateurs se propage.
Dans le cas de deux utilisateurs, dans chaque bande, un utilisateur transmet avec une puissance 2 fois plus faible, ce qui contribue à diminuer la puissance d'émission pour éviter d'accroître la puissance transmise dans une cellule.
En notant Si(t) le premier flux et s2(t) le second flux correspondant respectivement aux utilisateurs Ui et U2 et en considérant que la perturbation apportée par le canal de propagation est composée d'un bruit additif gaussien bu(t) avec 1 ≤ u≤2 et d'une atténuation αι υ , par exemple suivant une loi de Rayleigh, avec la fréquence / vérifiant 1 </< 2 et l'indice des utilisateurs u vérifiant ~\ ≤ u≤2, les signaux reçus par le récepteur s'expriment :
Z1 (t) = CtIs1 (0 + a\s2 (0 + bx (0 Z2 (t) = al S1 (0 + Or2 2S2 (t) + b2 (0
Ces observations peuvent s'écrire sous la forme matricielle suivante :
Figure imgf000005_0001
A partir de ce modèle de signal, les techniques de détection conjointe et d'égalisation connues de l'Homme du métier peuvent être appliquées sur les observations pour estimer les signaux utiles transmis vers un point d'accès. Selon un mode de réalisation, chaque émetteur émet avec une puissance inférieure à celle qu'il utilise dans le cas une bande, une fréquence. L'un des intérêts du procédé est d'apporter ce que l'homme de métier appelle de la diversité au récepteur. Dans le cas de canaux de transmissions dégradés par des trajets multiples cette diversité permet d'améliorer les performances des systèmes de réceptions sans consommer plus de bande ni augmenter la puissance.
L'enseignement technique explicité ci-dessus s'applique pour une liaison montante de plusieurs utilisateurs vers un point d'accès utilisant plusieurs fréquences, ou accès multiple par répartitions de fréquences.
Il s'applique aussi dans le domaine temporel, accès multiple à répartition dans le temps, ou même avec un accès multiple à répartitions par code. Le procédé selon l'invention s'applique aussi pour des liens descendants. Par exemple lorsque l'on souhaite transmettre vers plusieurs utilisateurs depuis un point d'accès, il est possible d'apporter de la diversité au récepteur.
Dans le cas où le système comporte trois utilisateurs référencés par leurs signaux Si, S2, S3 vers qui on souhaite transmettre des informations et trois fréquences, sur chaque fréquence F1, F2 et F3, un couple de signaux {si,s2) ou {si,s3) ou {s2,s3) est transmis.
Dans le cas simple d'un canal composé d'un affaiblissement de Rayleigh et d'un bruit additif, les observations exploitables par le récepteur sont :
Z1 (t) = O1(S1(O + S2 (O) + ^i (O
Z2 (0 = «2 (S1 (0 + S3 (0) + b2 (0 Z3 (0 = «3 (s2 (0 + S3 (0) + b3 (0
Avec ces observations, le procédé construit les signaux suivants, comme premier traitement au niveau du récepteur : *) = *-> +*-> - ,(0
«, «2 a,
= 2.^(0 + - fe (0 -+ fc^(0 — fe,(0
«, α,
ou encore
Figure imgf000007_0001
II est ensuite possible d'appliquer les techniques de détection conjointe connues de l'Homme du métier sur ces observations pour déterminer ou estimer les signaux ou les symboles qui ont été transmis.
Dans le cas de la liaison descendante, en utilisant le procédé avec des techniques à étalement de spectre, la démodulation peut être simplifiée lorsque le nombre d'utilisateurs utilisant simultanément la même bande de fréquence n'est pas trop élevée. Dans ce cas, un récepteur de type RAKE (filtre adapté au canal et au code) suffit et donc, l'utilisation de deux bandes pour apporter suffisamment de diversité.
Sans sortir du cadre de l'invention, le procédé s'applique aussi à un autre type d'accès, par modulation.
Dans une liaison descendante, plutôt que d'utiliser une fréquence ou slot temporel pour transmettre des flux vers un utilisateur, il est possible de partager une modulation multiniveaux entre différents utilisateurs.
Dans le cas de deux utilisateurs utilisant une modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), sur une fréquence, le flux qui lui est dédié est transmis sur la partie réelle pour, par exemple, les bits pairs et la partie imaginaire sont dédiés à un autre utilisateur. De même sur une autre fréquence, un des axes sert à transmettre les bits impairs du premier utilisateur et l'autre axe sert au second utilisateur.
Selon une variante de réalisation, dans le cas d'une liaison montante, on utilise moins de canaux que d'utilisateurs. Le choix des canaux à utiliser repose sur leur indépendance statistique.
Dans ce cas, il est possible en utilisant les informations issues du décodeur en combinaison avec un récepteur itératif de démoduler les différents flux informatifs transmis, selon un procédé connu par l'Homme du métier. Ceci peut être le procédé décrit dans la demande de brevet FR
03/14014 du demandeur.
La figure 2 représente des courbes de performances obtenues par la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Les paramètres de simulation utilisés sont :
• Le nombre d'émetteurs (# users),
• Le nombre de canaux utilisés (# Rx égal au nombre d'émetteurs #Rx=#users),
• Le nombre de trajets indépendants par canal de propagation (#paths). Ce dernier paramètre est intéressant en ce sans que le procédé exploite l'apport de diversité pour séparer les différents flux. On remarque que le gain d'un tel procédé est supérieur dans le cas où l'ordre de diversité est faible. En effet, c'est dans ces conditions que l'accroissement de l'ordre de diversité a le plus d'impact sur les performances.
Dans cet exemple, le système exploite une modulation OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) avec un système d'accès multiple soit fréquentiel, soit temporel. Ainsi différents transmetteurs peuvent se partager cette ressource en communiquant simultanément avec comme contrainte que le système de réception embarque le procédé de séparation des flux multiples. Dans ce contexte, le procédé a été mis en oeuvre pour une modulation OFDM utilisant 64 sous-porteuse, dont seulement 52 sont utilisées pour transmettre des données.
Dans cet exemple d'application, le système exploite une modulation OFDM avec un système d'accès multiple soit fréquentiel soit temporel. Ainsi, différents transmetteurs peuvent se partager cette ressource en communiquant simultanément avec comme contrainte que le système de réception embarque le procédé de séparation des flux multiples.
Dans cette étude comparative les performances du procédé sont simulées et comparées à un procédé qui n'utilise pas le principe de l'invention cas ou le procédé n'est pas mis en œuvre. Cette étude se focalise sur le lien montant et la technique pour séparer les différents flux des différents utilisateurs est un algorithme du maximum de vraisemblance à sortie souple. La modulation utilisée est une BSPK, les canaux de propagations sont supposés connus et indépendants entre les utilisateurs et les ressources (temporelles ou fréquentielles). Les paramètres de la forme d'onde reprennent ceux du standard 802.11 a dont les aspects de codage correcteur. Dans l'exemple donné les puissances totales transmises restent constantes quel que soit le procédé de transmission utilisé afin d'obtenir des comparaisons pertinentes.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé pour accroître la capacité d'un système de communications sans fil comprenant au moins deux utilisateurs Ui et U2 communiquant au moyen d'au moins une bande de fréquence F1, F2, caractérisé en ce que le flux d'informations Si(t) du premier utilisateur Ui et le flux d'informations s2(t) du deuxième utilisateur U2 circulent dans au moins une même bande de fréquence.
2 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on transmet les deux flux si(t) et s2(t) de chacun des utilisateurs sur chacune des deux bandes de fréquence Fi et F2.
3 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les signaux reçus par le récepteur s'expriment :
Z1 (0 = O1 1S1 (O + O1S2 (O + bγ (O Z2 (O = al S1 (O + O2 2S2 (O + b2 (O où si(t) est le premier flux correspondant à un premier utilisateur Ui et s2(t) le second flux correspondant à un deuxième utilisateur U2 et la perturbation apportée par le canal de propagation est composée d'un bruit additif gaussien bu(t) avec ~\ < u<2 et d'une atténuation αι υ, avec la fréquence / vérifiant 1 </< 2 et l'indice des utilisateurs u vérifiant 1 ≤ u≤2.
4 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la communication est faite des utilisateurs vers un point d'accès.
5 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la communication est faite d'un point d'accès vers plusieurs utilisateurs. 6 - procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on diminue la puissance d'émission pour chaque utilisateur.
7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise moins de canaux de transmission que d'utilisateurs.
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