Brevet FR2716055A1 — publié le 19950811

STATION DE BASE POUR SYSTEMES DE RADIOCOMMUNICATION NUMERIQUES, A FILTRAGE SPATIO-TEMPOREL L'invention concerne les stations de base à réseau d'antennes ou de capteurs pour systèmes de radiocommunica- tion numérique avec des mobiles, dans lesquels les informa- tions en provenance des mobiles sont transmises sous forme de message constitué de symboles successifs, débutant par une séquence de référence qui est particulière à chaque mobile, les séquences de référence des différents mobiles étant différentes, avantageusement mutuellement orthogona- les. L'invention trouve un intérêt particulier dans les systèmes de radiocommunication à accès multible à réparti- tion dans le temps, dits AMRT ou TDMA, dans lesquels un mobile se voit affecter, pour une communication donnée, les tranches temporelles de même numéro d'ordre de trames successives, à une fréquence porteuse donnée. Dans les systèmes actuels de ce type, l'antenne - ou le réseau d'antennes - de la station de base a des lobes d'émission et de réception fixes, ce qui interdit à plu- sieurs mobiles de communiquer simultanément avec la station de base à la même fréquence. On a déjà proposé d'écarter cette limitation en munis- sant la station de base d'un réseau d'antennes qu'on peut qualifier de mutuellement décorrélées, fournissant des signaux de sortie statistiquement indépendamment. Ces signaux de sortie sont appliqués à des filtres purement spatiaux d'isolement des contributions des différents mobiles, éventuellement en utilisant les séquences de référence. Cette approche est basée sur un modèle de propagation suivant lequel les trajets multiples à partir d'un même mobile sont, vus de la station de base, contenus dans un cône d'angle au sommet faible (S. Anderson et al, An adaptive array for mobile communication systems, IEEE Trans. on vehicular technology, vol. 40, No. 1, Feb. 1991, pages 230-236). Cette hypothèse s'est révélée erronée. De toute façon, cette approche exigerait un nombre d'antennes ou plus généralement de capteurs très élevé chaque fois que le nombre de trajets est important. L'invention vise à fournir une station de base pour un système du type cidessus défini, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notam- ment en ce qu'elle permet de différencier les communications recues de plusieurs émetteurs mobiles à la même fréquence porteuse avec un nombre réduit d'antennes et de plus permet, dans la plupart des cas, d'effectuer une égalisation en même temps que l'isolement des émetteurs. L'invention part d'une première constatation pratique, qui est que les trajets multiples sont, sauf cas exception- nel, nombreux et présentent des angles d'arrivée à la station de base dispersés. Elle utilise également la constatation que le filtrage spatial, pour être efficace dans l'égalisation, exige que le nombre de trajets soit supérieur au nombre de symboles intervenant dans l'interfé- rence intersymbole, cette condition n'étant pas toujours réalisée. De plus, il faut un nombre de capteurs décorrélés au moins égal au nombre de symboles intervenant dans l'IIS. Pour atteindre le résultat ci-dessus, l'invention propose une station de base comportant N capteurs, d'ordre k=l, .... N, décorrélés, destinée à un système de radiocommu- nication numérique utilisant des séquences de référence prédéterminées formées chacune d'une séquence de symboles di, provenant d'un émetteur mobile i, o n=l, .... Ld, Ld étant la longueur de la séquence, station caractérisée en ce qu'elle comporte, pour chacun des mobiles pouvant être recus simultanément, des moyens de détermination des coefficients d'un filtre spatio-temporel complexe Wi minimisant, pour chaque émetteur mobile d'ordre i: ad ( hi. Xnd1:,,) 2 n-p o Xn,, est le vecteur de données, à la réception, qui correspond à l'émission du symbole di,n de la séquence de référence de l'émetteur mobile d'ordre i = Xn= [.xInxn1 *. x1lp.. X n-p.. x2 * l l'exposant 1, ..., N indiquant le numéro d'ordre du capteur (N étant inférieur à la longueur de l'interférence intersym- boles et supérieur au nombre de mobiles) et l'indice indi- quant le temps (p étant la longueur du filtrage temporel, supérieure à 1). Lorsque les communications entre la station de base et les mobiles sont à la même fréquence dans les deux sens (multiplex alterné), les filtres obtenus à la station de base pour la réception sont évidemment également utilisables à l'émission. Cela reste vrai lorsque la différence entre la fréquence d'émission et de réception est faible. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, et de la comparaison qui en est faite avec une station de base à filtrage purement spatial. La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne, et qui est un schéma synoptique simplifié d'un récepteur comportant un filtre spatio- temporel de sélection d'un émetteur mobile parmi plusieurs. On utilisera dans le texte les notations ci-après: i: numéro d'émetteur mobile parmi les m émetteurs mobiles à différencier par filtrage; di,n: symbole de référence provenant de l'émetteur i (1 S i: m) et d'ordre n=l,. ,Ld (Ld étant la longueur de la séquence) ; {ain} : symbole modulé émis par l'émetteur i à l'instant n; 1/T: débit de symboles; k: numéro de capteur, avec k=l,...,N; gk() : gain du capteur k; An: vecteur de données émises (ain}, dont la partie relative au i-ème émetteur mobile contient des symboles appartenant à la séquence de référence du i-ième vecteur; Xn: vecteur de données, telles que reçues par les N cap- teurs, qui correspond à l'émission du symbole di, de la séquence de référence; 6k: distance du capteur k au capteur 1; L: longueur de l'interférence intersymboles (taille du canal) ; Wi: vecteur optimal de filtrage spatio-temporel d'anten- nes pour la séquence de référence et l'émetteur d'ordre i; p: taille de la partie temporelle du filtrage...DTD: On rappellera tout d'abord que le vecteur complexe de filtrage optimal Wi de sélection d'un émetteur d'ordre i est celui qui minimise: ( WI. X -di,,) ,a(1) si on utilise le critère de la somme des moindre carrés des écarts, Wi' étant la matrice hermitienne transposée conjuguée de Wi. La solution de ce problème de minimisation est: VI =E (Xn.X-) -1. E (X, 2di a) (2) qui fait apparaître la matrice de corrélation, spatiotemporelle dans le cas de l'invention: S ( Xn.Xn) Dans le cas de l'invention, cette matrice est spatio- temporelle. Elle doit être inversible. Elle l'est si: N.p 2 m (L + p - 1) N.p étant la taille de la matrice. Cette condition peut également s'écrire: (N - m) p 2 m (L - 1) Toutefois, on envisagera tout d'abord, à titre de comparaison, le cas d'un filtrage purement spatial. Filtraae spatial Le vecteur de données X, à la réception, correspondant au symbole di, émis par le mobile i, ne fait intervenir que des données correspondant au même temps de réception et provenant des m émetteurs mobiles. Ce vecteur X. est la somme de m vecteurs Xni représentant chacun la contribution d'un des m mobiles o Xin est de la forme: h1l h2i1:i ain+ nmax (3) h1 hL2 i2 X i 2 hli, 2h2i, 2 hi, 2 Xn- h iN h iN hLi N ai, n-nm i n qu'on peut écrire X',, =HiA,n (3bis) Xn peut alors s'écrire: Xn X =H An o H contient les colonnes des matrices Hi et An, = [Al,n. A,n]T (vecteur de données émises). Dans le cas d'un tel filtrage purement spatial, l'opti- misation à partir de la séquence de référence du mobile i, mémorisée à la réception, pour retrouver un mobile i parmi les autres, consiste à rechercher le vecteur de filtrage de capteurs W1 qui minimise (4) o Xn correspond à l'émission du symbole di, de la séquence de référence (remplaçant ai,n de la formule 3). En règle générale, les émetteurs mobiles ne sont pas mutuellement synchronisés, de sorte que le vecteur de données X, correspond à l'émission par le mobile i de sa séquence de référence, mais pas nécessairement à l'émission par les autres mobiles de leur séquence de référence. L'optimisation est effectuée, une fois la synchronisation réalisée par un procédé qui peut être l'un de ceux habi- tuellement utilisés. Par exemple, dans le cas du GSM, la synchronisation trame est effectuée à partir d'une interro- gation faite par la station de base sur une fréquence différente des fréquences de transfert de messages. Sur la base du temps d'aller-retour mesuré, la station de base est à même de déterminer l'emplacement relatif des différentes séquences de référence, avec un écart de quelques bits seulement. Par ailleurs, l'équation (3) montre que chaque X,, est formé de combinaisons linéaires de L symboles émis consé- cutifs. La sommation de l'équation (4) ne peut donc porter que sur Ld-L+l termes. Une solution du problème, si elle existe, est donnée par la ou les solutions du système linéaire: Z (XnX'n) Wi =(Xndi,,) (5) La matrice E(XXn+) s'écrit HEAnA+nH+, o An est un vecteur de données émises. Pour isoler l'émetteur i, on utilise un vecteur An tel que sa partie relative au ième mobile contient des symboles appartenant à la séquence de référence du mobile i. D'autre part 2 Xndin = H Andi,n Une condition nécessaire et suffisante pour retrouver les symboles est que, à la fois: - la matrice H soit de rang égal à son nombre de colonnes: et - S = AnAn' soit inversible. Cela n'est réalisé que dans certaines conditions en cas de filtrage spatial. 1. Condition de rang sur H: Il faut que la matrice H ait un rang égal à son nombre de colonnes. Pour cela, - son nombre de lignes N doit être supérieur ou égal à son nombre de colonnes, qui est m.L, et - ses colonnes doivent être indépendantes. Ces conditions ne sont pas remplies si un des mobiles est en vue directe, car toutes les lignes de Hi sont alors proportionnelles; elles ne le sont pas non plus si le mobile i est vu par un nombre de trajets strictement infé- rieur à L. 2. Condition de rang sur S = E An. An' : Il faut que Ld L+l soit supérieur à la taille de S, qui est m.L, donc que Ld soit supérieure à (m+ l)L-l. La contraintelci-dessus est très atténuée par mise en oeuvre de l'invention, qu'on décrira maintenant. Filtraae spatio-temnorel Dans ce cas, le vecteur de données X,, contient non seulement le résultat de mesures effectuées sur chaque capteur à un instant donné n, mais aussi ceux de mesure effectuées à des instants passés n-1, ..., n-p+l. Les vecteurs Xn1 (contribution de lémetteur i au temps n) s'écrivent alors: n n-1 Xli n-p+l1 X2, i Xn= x2, i n x2,i Xn :np+l x2,i n XN,i ' n-p+ l 'N,i C'est à dire, mais en omettant certains termes, -h 1 h h 10 0 ai,n+nmax 21 1 hL a. L il i 1 i,1 Li 0 h h2 hL hiN i, il# i,N l(-Xnp1 i a. a, n-ni. 1 2 L 0 0 h. h h.' 1 2 hLO O h. i h h2 h. 20 0 i,2 1,2 i,2 '=O h1 h2 hL (6) i, 2i,2 hl,2 3i (n-iNiNin-p+2) h 1 h2 hL O 0 a. i,N i,N l, 1 2 h O O h. h L 1,Ni,N i,N o p désigne la taille de la partie temporelle du filtrage. Comme dans le cas du filtrage spatial, une solution n'existe, en l'absence de bruit, que si deux conditions sont satisfaites, portant l'une sur la matrice H de transfert de l'équation (6), l'autre sur S = 2 An.A'n. Mais la condition de rang sur H est beaucoup moins contraignante que dans le cas du filtrage purement spatial. Pour que le nombre de lignes soit supérieur au nombre de colonnes, il suffit que: Np2m(L+p-1) ou encore que: N-m)p2m(L-1) (7) ce qui laisse une latitude de choix sur le compromis entre le nombre N de capteurs et le nombre de mesures passées et mémorisées pour remplir la condition. Le nombre N de capteurs doit cependant rester supérieur au nombre m de mobiles à différencier. Si cette condition est remplie, le seul cas o le filtrage spatiotemporel est en défaut est celui o on souhaite isoler un mobile en vue directe. Dans le cas o le mobile d'ordre 1 est en vue directe, l'équation (6) devient en effet: xnIli 0 0 0 g( (01) 0 n-1 xn-p.* o 0 g) ( xn 0 X2, 1 g2 (01) ehêî1/ s1:O Si 0 1 x0)e2 ls I Sn-1 xnl = i- n5 x, n- p_ 0 t Cependant deux trajets suffisent pour permettre l'isolement d'un émetteur mobile et, à plus forte raison, une solution existe pour tout mobile vu par un nombre de rayons strictement inférieur à L, mais supérieur à 1. La condition de rang sur S s'écrit: m(L+p-l) Dans la pratique, les signaux sont accompagnés de bruit et E(XnX'n) est alors toujours inversible. La solution correspondante donnée par l'équation (2) tend simplement asymptotiquement vers la solution de norme minimum (corres- pondant à l'absence de bruit) lorsque le niveau de bruit tend vers zéro. Par ailleurs, les capteurs peuvent présenter une disposition autre que linéaire, ce qui évite la présence d'une zone aveugle. Enfin, l'utilisation d'antennes polarisées comme capteurs permet de réduire le nombre d'emplacements de capteurs nécessaires. La description qui suit d'un mode particulier de réalisation se réfère à la figure unique qui l'accompagne et qui est un synoptique de principe d'un dispositif. Le dispositif est, par exemple, utilisable pour isoler un émetteur mobile parmi plusieurs émetteurs reçus par une station de base d'une installation de téléphonie cellulaire numérique. Si par exemple cette installation correspond à la norme GSM, chaque canal de transmission entre un émetteur mobile et un capteur constitue un filtre de réponse impulsionnelle finie, habituellement à six coefficients, ce qui revient à dire que l'étalement des retards de propagation relatifs aux différents trajets est d'environ cinq symboles. Dans le cas d'un filtrage d'isole- ment purement spatial, il faudrait disposer d'au moins quinze capteurs décorrélés pour séparer trois mobiles. Le dispositif montré de façon simplifiée sur la figure (deux antennes décorrélées 10 seulement étant représentées) est destiné à isoler les messages provenant d'un émetteur mobile 12, émettant périodiquement une séquence de référence diI, ..... di,A. Cette séquence est stockée avec les autres dans une mémoire 14 de la station de base. Chaque capteur 10 est suivi de moyens 16, de constitution classique et en tous cas non concernés par l'invention, notamment d'échantillonnage et de mise en forme, qui attaquent une ligne à retard 18 permettant de disposer simultanément de p échantillons successifs. Les lignes appartiennent à un filtre spatio-temporel qui comporte des multiplieurs 20, dont les coefficients sont déterminés par un organe de calcul 22. L'organe de calcul 22, les multiplieurs 20, les lignes à retard et un sommateur 22 constituent un filtre transversal, éventuellement adapta- tif. Pour cela, l'organe de calcul reçoit, d'une part, la séquence de référence de la mémoire, 14, d'autre part, le vecteur de données Xn, constitué par les sorties des éléments de retard successifs. Les sorties de tous les multiplieurs 20 sont appliquées sur les entrées du sommateur 22, qui fournit la sortie, qui est une évaluation ai de ain. L'organe de calcul 22 sera souvent prévu pour mettre en oeuvre l'algorithme des moindres carrés (équation (1) ci- dessus). L'algorithme peut être résolu soit par un traite- ment par blocs à ajustage, soit par un traitement adaptatif. Dans ce dernier cas, l'algorithme utilisé pourra être celui le plus approprié du point de vue de la rapidité de conver- gence et de la complexité du calcul, dans la famille des algorithmes RLS, LMS et ceux décrits dans l'article "A Set of Algorithms Linking NLMS and Block RLS Algorithms", de Montazeri et al., IEEE Trans. on Signal Processing, 1993, auquel on pourra se reporter. Dans la variation adaptative, le processus d'ajus- tage des coefficients du filtre peut commencer dès qu'une synchronisation a été sélectionnée et dès que le début de la séquence de référence, qui généralement a une longueur Ld très supérieure à la longueur L de l'interférence intersymbole, a été identifiée. A partir d'une valeur arbitraire des coefficients des multiplieurs 20 (valeur qui générale- ment sera déterminée expérimentalement pour une station donnée, en fonction par exemple de la prépondérance de certains trajets), l'adaptation s'effectue par un processus itératif classique et qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici. Les coefficients du filtre représentés par la matrice Wi sont progressivement ajustés. Le processus est arrêté dès la fin de la séquence de référence ou dès que les coeffi- cients n'évoluent plus. Les coefficients obtenus sont mémorisés et utilisés soit pour l'ensemble du message, soit jusqu'à approcher d'une nouvelle séquence de référence. REVENDICATIONS 1. Station de base à réseau de capteurs pour système de radiocommunication numérique avec des mobiles, dans lequel les informations en provenance de chaque mobile sont transmises sous forme d'un message constitué de symboles successifs, débutant par une séquence de référence qui est particulière à chaque mobile, les séquences de référence des différents mobiles étant différentes, la station de base comportant N capteurs Pour atteindre le résultat ci-dessus, l'invention propose une station de base comportant N capteurs, d'ordre k=l,..., N, décorrélés, destinée à un système de radiocommu- nication numérique utilisant des séquences de référence prédéterminées formées chacune d'une séquence de symboles di, provenant d'un émetteur mobile i, o n=l,..., Ld, Ld étant la longueur de la séquence, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour chacun des mobiles pouvant être reçus simultanément, des moyens de détermination des coefficients d'un filtre spatio-temporel complexe Wi minimisant, pour chaque émetteur mobile d'ordre i: ad &. (w;i. 'ndn n-p o Xn est le vecteur de données, à la réception, qui correspond à l'émission du symbole di, de la séquence de référence de l'émetteur mobile d'ordre i = Xn = [XIn, X1 x2 x2, XXn- ] l'exposant 1, .. ., N indiquant le numéro d'ordre du capteur (N étant inférieur à la longueur de l'interférence intersymboles et supérieur au nombre de mobiles) et l'indice indi- quant le temps (p étant la longueur du filtrage temporel, supérieure à 1). 2. Station de base selon la revendication 1, pour installation dans laquelle les communications entre la station de base et les mobiles sont sensiblement à la même fréquence dans les deux sens, caractérisée en ce que le filtre spatio-temporel de réception par la station de base est également utilisé à l'émission par la station de base. 3. Station de base selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de détermination des coefficients sont prévus pour déterminer les coeffi- cients du filtre Wi répondant à la condition: