Brevet FR2815508A1 — publié le 20020419

La présente invention concerne de manière générale une méthode d'estimation de canal dans un système de télécommunication mobile et plus particulièrement une méthode d'estimation de canal descendant par une station de base. Dans un système de télécommunication mobile, une station de base transmet des signaux à destination de terminaux mobiles et en reçoit de ceux-ci. Les canaux de transmission de la station de base vers les terminaux mobiles sont appelés canaux descendants (downlink) et, réciproquement, les canaux de transmission des terminaux mobiles vers la station de base sont appelés canaux montants (uplink). Chaque canal de transmission, montant ou descendant, comprend une pluralité de trajets entre un émetteur et un récepteur, chaque trajet étant caractérisé par un retard, une direction d'arrivée, une atténuation et une rotation de phase. L'effet de l'atténuation et de la rotation de phase peut être modélisé simplement par un coefficient multiplicatif complexe caractéristique du trajet. Il est connu d'utiliser un réseau d'antennes pour faire de la formation de faisceaux et/ou de l'annulation d'interférences selon une ou plusieurs directions. Le traitement d'antenne consiste en une pondération des sorties des différentes antennes par des coefficients complexes suivie d'une sommation des sorties pondérées, les coefficients étant choisis de manière à obtenir le diagramme d'antenne équivalente souhaité. On peut ainsi former un faisceau dans la direction ou les directions d'arrivée du signal utile tout en plaçant des zéros dans les directions d'arrivée des signaux interférents. La formation de faisceaux (dite aussi formation de voies) a été appliquée à la téléphonie mobile, notamment pour diriger un faisceau de réception d'une station de base vers un terminal mobile (liaison montante). La station de base est alors équipée d'une antenne adaptative (dite " antenne intelligente ") capable de pointer dans les directions d'arrivée des trajets de propagation d'un signal transmis par un terminal mobile. Lorsqu'un système de téléphonie mobile fonctionne selon un mode d'accès à répartition par codes (CDMA pour Code Division Multiple Access), les signaux en provenance des différents terminaux mobiles sont séparés par des filtrages adaptés aux signatures des différents usagers. Les signatures employées doivent présenter de bonnes propriétés de corrélation, à savoir de faibles valeurs d'inter-corrélation et un pic d'auto-corrélation très prononcé. La première de ces deux caractéristiques permet de séparer les signaux en provenance des différents usagers. Bien entendu, dans la pratique, cette séparation n'est pas parfaite et dépend d'un facteur d'orthogonalité entre les différents canaux de transmission. La seconde caractéristique permet, entre autres, de séparer temporellement les pics de corrélation en sortie du filtrage adapté et donc d'isoler les signaux d'un usager s'étant propagés selon différents trajets. Afin d'améliorer le rapport signal à bruit, la diversité de trajets peut être exploitée en combinant ces signaux dans un récepteur en râteau dit encore récepteur RAKE. Les coefficients complexes utilisés dans les différentes branches du récepteur sont choisis égaux aux conjugués des coefficients multiplicatifs complexes introduits par les trajets concernés. A cette fin, le récepteur effectue une estimation du canal montant. En pratique, il détermine, grâce à des symboles pilotes transmis par le terminal mobile, les coefficients d'atténuation et les rotations de phase subies par le signal le long des trajets constituant le canal. L'opération de filtrage résultante est un filtrage adapté au filtre équivalent du canal. Outre une estimation du canal montant, il peut être intéressant de disposer au niveau de la station de base d'une estimation du canal descendant. En effet, la station de base peut alors émettre, dans les directions des trajets montants, des signaux précompensés en phase de sorte qu'ils se retrouvent en phase au niveau du terminal mobile. Une telle précompensation présente l'avantage d'améliorer le rapport sur bruit en réception. Afin de disposer d'une estimation du canal descendant au niveau de la station de base, on peut envisager d'estimer ce dernier au niveau du terminal mobile et de transmettre l'estimation obtenue à la station de base. Toutefois, lorsque le canal présente des variations rapides de sa fonction de transfert, par exemple lorsque le terminal mobile se déplace rapidement, l'estimation doit être transmise très fréquemment, ce qui mobilise des ressources très importantes de transport. Bien entendu, à l'inverse, si l'estimation est transmise peu fréquemment, la station de base ne pourra suivre l'évolution du canal descendant et ne pourra donc effectuer correctement la précompensation de phase. Le but de l'invention est de proposer une méthode d'estimation de canal descendant par la station de base ne nécessitant pas la transmission d'une quantité importante d'information par le terminal mobile. A cette fin, l'invention est définie par une méthode d'estimation d'un canal descendant entre une station de base et un terminal mobile dans un système de télécommunication mobile, selon laquelle ladite station de base estime le canal montant entre ledit terminal mobile et ladite station de base, déduit des variations du canal montant, celles du canal descendant, et estime à un second instant ledit canal descendant à partir d'une estimation initiale à un premier instant et des variations dudit canal descendant entre lesdits premier et second instants. L'estimation initiale du canal descendant est, par exemple, obtenue par le terminal mobile et transmise par celui-ci à la station de base. Selon un premier mode de réalisation, l'estimation du canal montant comprend, pour chaque trajet (i) de propagation dudit canal, l'estimation d'un premier coefficient multiplicatif complexe (cu) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une première fréquence (f) se propageant suivant ledit trajet et l'estimation du canal descendant comprend, pour chacun des mêmes trajets, l'estimation d'un second coefficient multiplicatif complexe (cid) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une seconde fréquence (fd) se propageant suivant ledit trajet. Avantageusement, pour un trajet (i) donné et un intervalle de temps (At) donné, la variation du second coefficient multiplicatif complexe (Acd) pendant ledit intervalle de temps est calculée à partir de la variation du premier coefficient multiplicatif complexe (Ac/) pendant ledit intervalle de temps selon: Ad/Ic?=falf, y /'l. Les seconds coefficients multiplicatifs complexes (c,@) des différents trajets peuvent être obtenus par sommation dans le temps de leurs variations respectives (Acd) ainsi que de valeurs initiales (cd(0)) transmises par le terminal mobile. Selon un second mode de réalisation, l'estimation du canal montant comprend, pour chaque direction (@) appartenant à une pluralité (N) de directions échantillonnant angulairement une zone servie par ladite station de base, l'estimation d'un premier coefficient multiplicatif complexe (cku) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une première fréquence (f,), émis par le terminal mobile et arrivant à ladite station de base substantiellement dans ladite direction et l'estimation du canal descendant comprend, pour chacune desdites directions (0,) l'estimation d'un second coefficient multiplicatif complexe (ckd) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une seconde fréquence (fd) émis par ladite station de base dans cette direction à destination dudit terminal mobile. Avantageusement, pour une direction (0k) donnée et un intervalle de temps (At) donné, la variation du second coefficient multiplicatif complexe (Acf) pendant ledit intervalle de temps est calculée à partir de la variation du premier coefficient multiplicatif complexe (Ack) pendant ledit intervalle de temps selon: At/Ckl f=d /lA /cr. - Les seconds coefficients multiplicatifs complexes (cakd) dans les différentes directions peuvent être obtenus par sommation dans le temps de leurs variations respectives (Acf) ainsi que de valeurs initiales (ckd(0)) transmises par le terminal mobile. L'invention est également définie par un dispositif d'estimation de canal descendant destiné à être monté dans une station de base d'un système de télécommunication mobile et comprenant des moyens pour mettre en oeuvre la méthode qui vient d'être exposée. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: la Fig. 1 représente de manière schématique un canal de transmission entre une station de base et un terminal mobile; la Fig. 2 représente de manière schématique un premier mode de réalisation de l'invention; la Fig. 3 représente de manière schématique un second mode de réalisation de l'invention. L'idée générale à la base de l'invention est de proposer une méthode d'estimation du canal descendant à partir d'une estimation du canal montant et éventuellement d'une information de mise à jour transmise par le terminal mobile. La Fig. 1 représente un canal de transmission entre une station de base et un terminal mobile. Le canal comprend une pluralité de trajets T1, T2,. ..,Tp, chaque trajet i introduisant une atténuation et une rotation de phase du signal S pouvant être modélisées par un coefficient multiplicatif complexe ci=ai.exp(ivij+jç,)o ai est le coefficient d'atténuation du trajet i, vi=2zjl/c est la rotation de phase sur ledit trajet, Li est la longueur du trajet, c la vitesse de propagation de la lumière, f est la fréquence utilisée, q. est la polarisation du signal incident. Nous supposerons par la suite que les trajets du canal montant sont identiques à ceux du canal descendant. Le signal reçu par la station de base et celui reçu par le terminal mobile s'expriment alors respectivement par: R.{ 4,.exp-j(2rf..L/c+)Su (1) Rd=[ ai.exp-j(2n'd.L/c+ e)Sd (2) i=l) o Su et R, sont respectivement le signal émis et le signal reçu sur la liaison montante, Sd et Rd sont respectivement le signal émis et le signal reçu sur la liaison descendante, Fd et f. les fréquences utilisées respectivement sur la liaison descendante et la liaison montante. On notera cr=ai.exp-j(2;-fi.LIc+q) et c1d=.exp-j(2zfd.L/c+) les coefficients multiplicatifs complexes relatifs au trajet i du canal montant et du canal descendant, respectivement. La Fig. 2 illustre un récepteur de station de base selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif comprend un réseau d'antennes (201),...,(20L), par exemple un réseau linéaire ou un réseau circulaire uniforme, chaque sortie d'antenne étant filtrée par une batterie de filtres adaptés (211),...,(21p) à la signature de l'utilisateur et aux différents trajets i=1..P. Les signaux de sortie des filtres correspondants à un même trajet i sont pondérés et sommés dans des formateurs de voies (221),...,(22p). Les formateurs de voies (220) forment des faisceaux dans les directions d'arrivée des trajets i=l..P. Pour ce faire, ils reçoivent des estimateurs (231),...,(23p) les valeurs estimées, Oi, des directions d'arrivée des différents trajets. Les sorties des formateurs de voies sont ensuite soumises à une combinaison (MRC) dans un filtre RAKE (29). Une estimation des coefficients multiplicatifs complexes, ciu, relatifs aux différents trajets du canal montant est effectuée par des estimateurs trajets (241),. ..,(24p) recevant les signaux de sortie des formateurs de voies (221),..., (22p). Les coefficients multiplicatifs ciu peuvent, par exemple, être déterminés classiquement grâce à des symboles pilotes transmis par le terminal mobile. Avantageusement, l'estimation des coefficients multiplicatifs et des directions d'arrivée sera effectuée de manière conjointe, ainsi que décrit dans la demande de brevet française n 00 11160 déposée le 29.08. 2000 au nom de la demanderesse. Les coefficients ci' sont transmis à des filtres différentiateurs (251),...,(25p) et leurs conjugués complexes au filtre RAKE (29). Les filtres différentiateurs (25i) calculent respectivement: ACU= At.At exp(-j(2,f/LIc+e)-j,(2ifLlc)e L]A, (3) ou At est l'intervalle de temps entre deux estimations consécutives de ci, expression qui peut être approximée par: Ac?;-j. (2 nf Lddc).c?.7-At (4) si l'on considère que les coefficients d'atténuation sur les différents trajets varient peu au cours de l'intervalle de temps At. Ces valeurs sont divisées en (261),...,(26p) par les coefficients complexes cU puis multipliées par le coefficient f/fu en (26'l),...,(26'p) et transmises aux intégrateurs (271),...,(27p). Ces intégrateurs effectuent le calcul suivant: ha( t + At)=ca( t)( l+ri( t).At) (5) o ip(t) est la sortie du multiplieur (260) et cd(O) sont P valeurs initiales transmises par le terminal mobile. Afin d'éviter une dérive due à l'intégration, une estimation des c" est effectuée et transmise à intervalles réguliers par le terminal mobile, les intégrateurs (270) étant réinitialisés à chaque rafraîchissement. La fréquence de rafraîchissement est choisie suffisamment faible pour ne pas engendrer un débit trop élevé sur la liaison montante. On a: Acd =-j.(2#fdLIc).C4..Lt At (6) Les valeurs cid sont transmises à un module (28) de précompensation de phase et de formation de voies. Ce module calcule à partir d'un signal Sd à émettre sur le canal descendant, des signaux cd*.Sd précompensés en phase. Chaque signal précompensé c,.Sd est ensuite pondéré par des coefficients d'antennes de manière à former un faisceau d'émission dans la direction 0/ du trajet incident correspondant. Si l'on suppose que les trajets du canal descendant sont identiques à ceux du canal montant, les signaux précompensés arrivent en phase au niveau du terminal mobile, ce qui permet d'améliorer le rapport signal sur bruit à la réception. La Fig. 3 illustre un récepteur de station de base selon un second mode de réalisation de l'invention. Le dispositif comprend un réseau d'antennes (301),...,(30L) ainsi qu'un formateur de voies (32) formant des faisceaux dans N directions échantillonnant angulairement une zone servie par la station de base, par exemple, pour un réseau linéaire, dans les directions équiréparties &,=k. zN, k=O,..,N-1. Le canal montant peut être modélisé par un vecteur à N composantes C"=(cu,c,.. j*,4)r o cz=ak. exp-j(22nf.Lk/c+k) si le canal présente un trajet de longueur Lk dans la direction 0 et cO-- sinon. De même, le canal descendant peut être modélisé par un vecteur C (c -c,..,.a ó)o ck?=ak.exp-j(2 dJlIc+q) et c, =Oavec la même convention. Les N sorties du formateur de voies (32) sont fournies à un module d'estimation de canal (34) estimant les composantes du vecteur C. Les composantes de ce vecteur sont ensuite transmises à un filtre différentiateur (35) évaluant la variation du vecteur 7' pendant l'intervalle de temps At séparant deux estimations consécutives. La variation de ce vecteur peut s'écrire &c=(AcgAc{,..ACI) o Ack =-j.(2,g. I/c).c,.Z--At avec la même hypothèse que celle faite en (4). Le vecteur Ac est ensuite multiplié en (36) par la matrice M=Diag(fd/fu. l/c). Le vecteur ainsi obtenu, &cd, est transmis à un intégrateur (37) qui effectue les calculs des composantes ck du vecteur C par: c#(t+At) z=ck(tXl+k(t).At). L'intégrateur est -d régulièrement réinitialisé avec un vecteur de rafraîchissement C (O) dont les composantes non nulles sont les estimations ckd fournies par le terminal mobile dans les directions de trajets Ok. Le vecteur C des composantes conjuguées ck est ensuite transmis à un module de précompensation de phase et de formation de voies dans les les directions Ok. De manière analogue au mode de réalisation précédent, ce module calcule à partir d'un signal Sd à émettre sur le canal descendant, des signaux ckd*.Sd précompensés en phase. Chaque signal précompensé ckd*.Sd est ensuite pondéré par des coefficients d'antennes de manière à former un faisceau d'émission dans la direction k.. Les dispositifs décrits ci-dessus ont été représentés par souci de simplicité sous forme de modules fonctionnels. Il va de soi, cependant, que les diverses fonctions peuvent être exécutées par un processeur programmé à cet effet ou par une pluralité de processeurs dédiés. REVENDICATIONS 1) Méthode d'estimation d'un canal descendant entre une station de base et un terminal mobile dans un système de télécommunication mobile, caractérisée en ce que ladite station de base estime le canal montant entre ledit terminal mobile et ladite station de base, déduit des variations du canal montant celles du canal descendant et estime à un second instant ledit canal descendant à partir d'une estimation initiale à un premier instant et des variations dudit canal descendant entre lesdits premier et second instants. 2) Méthode d'estimation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'estimation initiale du canal descendant est obtenue par le terminal mobile et transmise par celui-ci à la station de base. 3) Méthode d'estimation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'estimation du canal montant comprend, pour chaque trajet (i) de propagation dudit canal, l'estimation d'un premier coefficient multiplicatif complexe (cu) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une première fréquence (f.) se propageant suivant ledit trajet et que l'estimation du canal descendant comprend, pour chacun des mêmes trajets, l'estimation d'un second coefficient multiplicatif complexe (cid) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une seconde fréquence (îd) se propageant suivant ledit trajet. 4) Méthode d'estimation selon la revendication 3, caractérisée en ce que, pour un trajet (i) donné et un intervalle de temps (At) donné, la variation du second coefficient multiplicatif complexe (Acd) pendant ledit intervalle de temps est calculée à partir de la variation du premier coefficient multiplicatif complexe (Aq)pendant ledit intervalle de temps selon: Ac /d =f/fdu.AcIX/c,. ) Méthode d'estimation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les seconds coefficients multiplicatifs complexes (cid) des différents trajets sont obtenus par sommation dans le temps de leurs variations respectives (Acid) ainsi que de valeurs initiales (cd(O)) transmises par le terminal mobile. 6) Méthode d'estimation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'estimation du canal montant comprend, pour chaque direction (0k) appartenant à une pluralité (N) de directions échantillonnant angulairement une zone servie par ladite station de base, l'estimation d'un premier coefficient multiplicatif complexe (Ck) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une première fréquence (fr), émis par le terminal mobile et arrivant à ladite station de base substantiellement dans ladite direction et que l'estimation du canal descendant comprend, pour chacune desdites directions (tk) l'estimation d'un second coefficient multiplicatif complexe (ckd) traduisant l'atténuation et la rotation de phase subies par un signal à une seconde fréquence (fd) émis par ladite station de base dans cette direction à destination dudit terminal mobile. 7) Méthode d'estimation selon la revendication 6, caractérisée en ce que, pour une direction (Ok) donnée et un intervalle de temps (At) donné, la variation du second coefficient multiplicatif complexe (Ack) pendant ledit intervalle de temps est calcul.-- à partir de la variation du premier coefficient multiplicatif complexe (Ack)pendant ledit intervalle de temps selon: Ack/cd=fd/fu.Acr/cq. 8) Méthode d'estimation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les seconds coefficients multiplicatifs complexes (ckd) dans les différentes directions sont obtenus par sommation dans le temps de leurs variations respectives (Ack) ainsi que de valeurs initiales (ckd(O)) transmises par le terminal mobile. O10 9) Dispositif d'estimation de canal descendant destiné à être monté dans une station de base d'un système de télécommunication mobile, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mettre en oeuvre la méthode selon l'une des revendications précédentes.