Brevet FR2828034A1 — publié le 20030131

sous-paquets de parité. STATioN RADIO A DIVERSITE D'EMISSION EN BOUCLE FERMEE, ET PROCEDE DE CONTROLE D'EMISSION D'UNE TELLE STATION La présente invention concerne les méthodes de diversité d'émission utilisées dans certains systèmes de radiocommunication. Dans ces méthodes, un même signal radio est émis dans des conditions différentes par plusieurs antennes de la station émettrice, ce qui améliore la détection du signal par le récepteur, notamment en la rendant moins sensible aux évanouissements de canal. Il en résulte une meilleure efficacité spectrale du système. L'invention est plus particulièrement concernée par les méthodes de diversité d'émission dites en boucle fermée, dans lesquelles les paramètres d'émission du signal sur les différentes antennes sont déterminés à partir de données de rétroaction retournées par la station réceptrice distante et dépendant de la qualité de réception des ondes radio. En général, ces données de rétroaction sont calculées à partir des réponses impuisionnelles estimées correspond ant aux ca naux de propagation relatifs a ux diffé rentes anten nes. La station émettrice applique alors un déphasage à chaque antenne, de telle sorte que les signaux des différentes antennes parviennent à la station réceptrice approximativement en phase. La diversité d'émission en boucle fermée offre un gain significatif, à condition que les données de rétroaction soient remontées et appliquées assez rapidement. Ceci suppose que les variations des canaux de propagation ne soient pas trop rapides. Une telle méthode de diversité d'émission en boucle fermée est notamment prévue dans les réseaux cellulaires de troisième génération de type UMTS ( détaillée en est donnée dans la section 7 de la spécification technique 3G TS 25.214, " Physical layer procedures (FDD) - Release 1999 ", version 3.6.0, publiée en mars2001 par le 3GPP (" 3rd Generation Partnership Project "). Une station de base d'un tel réseau peut posséder deux antennes pour une même cellule, par lesquelles elle diffuse respectivement deux signaux de balise distincts sur des canaux communs appelés CPICH (" Common Pilot - 2 Channel "). Lorsque la diversité d'émission en boucle fermoe est activée pour un terminal mobile en communication dans la cellule, celui-ci détecte les réponses impuisionnelles ho, h1 propres aux deux antennes sur la base de ces signaux de balise connus a priori, et détermine un vecteur normalisé optimal g qui maximise la quantité gH.K.g, o K est la matrice de covariance des ponses impuisionnelles, de la forme K = ho ho ho h1 ( H h1.ho hjH.hi transposé conjugué. La direction de ce vecteur optimal g est indiquée à la station de base dans un canal de signalisation montant. La station de base applique des coefficients de pondération correspondants (phase eVou amplitude) pour l'émission par les deux antennes des signaux dédiés destinés au terminal mobile en question. En principe, le gain procuré par une telle méthode de diversité d'émission en boucle fermée peut être accru en équipant les stations de base de plus de deux antennes d'émission et en prévoyant un nombre correspondant de signaux de balise pour l'estimation des réponses impuisionnelles par les mobiles. Toutefois, la multiplication des signaux de balise peut être indésirable car elle augmente le niveau général d'interférence étant donné que ces signaux de balise sont émis à relativement forte puissance pour être détectés de façon fiable dans toute la cellule. De plus, un opérateur cellulaire ne peut pas étendre de cette fa,con la méthode à de plus de deux antennes si les terminaux mobiles et l'interface de sig nalisation rad io ne sont pas modifiés en con séquence. Or u ne tel le modification échappe généralement au contrôle de l'opérateur. Un but de la présente invention est de permettre malgré tout de mettre en _uvre une méthode de diversité d'émission en boucle fermée avec N > M antennes d'émission lorsque les stations destinataires ne prennent en compte que M signaux de balise. L'invention propose ainsi un procédé de contrôle d'émission d'une première station radio ayant N antennes d'émission vers une seconde station radio, N étant un nombre plus grand que 2, comprenant les étapes suivantes: - 3 diffuser M signaux de balise depuis la première station, M étant un nombre plus grand que 1 et plus petit que N. chaque signal de balise étant associé à un vecteur de répartition à N composantes et étant appliqué à chacune des N antennes après pondération par une composante correspondante du vecteur de répartition associé; - évaluer la réception des M signaux de balise par la seconde station, pour déterminer des données de rétroaction communiquées à la première station; - faire varier dans le temps les vecteurs de répartition associés aux M signaux de balise; - traiter les données de rétroaction successivement reçues par la première station pour déterminer un coefficient de pondération respectif pour chacune des N antennes; et - émettre un signal radio dédié depuis la première station à destination de la seconde station, ledit signal dédié étant appliqué à chacune des N antennes d'émission après pondération par le coefficient déterminé pour ladite antenne. La première station répartit les M signaux de balise sur les N antennes et en fait varier dans le temps cette répartition. Ce processus est transparent pour la seconde station qui se comporte comme si la première station n'avait que M antennes, en évaluant M réponses impuisionnelles et en retournant des données de rétroaction correspondantes. Lorsque la répartition varie, la première station récupère des informations sur des combinaisons différentes des canaux pilotes qui, au bout d'un certain nombre de combinaisons, lui permettent d'avoir une idée des coefficients de pondération optimaux à appliquer aux N antennes. En particulier, le traitement des données de rétroaction peut comprendre une estimation d'une matrice à N lignes et N colonnes à partir de données de rétroaction obtenues pour plusieurs combinaisons de vecteurs de répartition, le terme situé à la (i+1)-ième et à la 0+1)-ième colonne de ladite matrice, pour O proportionnels aux composantes dudit vecteur propre. Dans la généralité du procédé, les vecteurs de répartition peuvent être quelconques. Il est cependant commode de prévoir que chaque vecteur de ré partition associé à u n sig nal de bal ise ait u ne seu le com posante non n u l le, ce qui revient à effectuer une rotation des signaux de balise sur les antennes d'émission. Un autre aspect de la présente invention se rapporte à une station radio à diversité d'émission en boucle fermoe, comprenant N antennes d'émission, des moyens de diffusion de M signaux de balise, et des moyens d'émission d'au moins un signal radio dédié à destination d'une station radio distante respective, avec 1 appara^'tront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - 5 - la fgure 1 est un schéma synoptique d'un exemple de station de base selon l'invention; et - la figure 2 est un schéma synoptique d'un terminal mobile coopérant avec une telle station de base. L'invention est décrite ci-après dans un exemple d'application à un réseau cellulaire UMTS dans le cas particulier o N = 4 et M = 2. Les réseaux UMTS utilisent une technique à large bande d'accès multiple avec répartition par codes (W-CDMA, " Wideband Code Division Multiple Access "). Les symboles transmis sont multipliés par des codes 0 d'étalement constitués d'échantillons appelés " chips " dont la cadence (3,84 Mchip/s dans le cas de l'UMTS) est supérieure à celle des symboles transmis. Les codes d'étalement distinguent différents canaux physiques qui sont superposés sur la même ressource de transmission constituée par une fréquence porteuse. Les propriétés d'auto- et d'intercorrélation des codes d'étalement permettent au récepteur de séparer les canaux physiques et d'extraire les symboles qui lui sont destinés. Pour l'UMTS en mode FDD (" Frequency Division Duplex ") sur la liaison descendante, un code de brouillage (" scrambling code ") est alloué à chaque émetteur-récepteur correspondant à une cellule desservie par une station de base, et différents canaux physiques dans cette cellule sont distingués par des codes de canal (" channelization codes ") mutuellement orthogonaux. L'émetteur-récepteur peut aussi utiliser plusieurs codes de brouillage mutuellement orthogonaux, I'un d'entre eux étant un code de brouillage primaire. Sur la liaison montante, I'émetteur-récepteur utilise le code de brouillage pour séparer les terminaux mobiles émetteurs, et éventuellement le code de canal pour séparer les canaux physiques issus d'un même terminal. Pour chaque canal physique, le code d'étalement global est le produit du code de canal et du code de brouillage. Le facteur d'étalement (égal au rapport entre la cadence des chips et la cadence des symboles) est une puissance de 2 comprise entre 4 et 512. Ce facteur est choisi en fonction du débit de symboles à transmettre sur le canal. Les canaux physiques comprennent des canaux dédiés (DPCH, " Dedicated Physical Channel ") et des canaux communs. - 6 Dans le sens descendant, les canaux communs comprennent des canaux pilotes (CPICH) sur lesquels sont transmis des signaux de balise. Ces signaux de balise permettent aux term i na ux mobiles de sélection ner l' émetteu r- récepteur avec lequel la liaison radio est de la meilleure qualité. Dans le cas o la diversité d'émission en boucle fermée est mise en _uvre sur la liaison descendante, les canaux pilotes permettent aussi aux terminaux mobiles de déterminer l'information de rétroaction à retourner à la station de base. La structure du signal de balise émis sur un CPICH est décrite dans la section 5.3.1. de la spécification technique 3G TS 25.211, version 3.3.0, " Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (FDD) - Release 1999 ", publiée en juin 2000 par le 3GPP. Le CPICH primaire possède un code de canal constant égal à 1 et un facteur d'étalement égal à 256. Lorsque la diversité d'émission est mise en _uvre, le CPICH primaire porte deux signaux de balise notés CPICHO et CPICH1 sur la figure 1. Le signal de balise CPICHO est composé de symboles complexes constants égaux à 1+j. Le signal de balise CPICH1 est composé d'une succession de paires de symboles complexes alternativement égaux à 1 +j et à -1 j. Ces deux signaux sont donc orthogonaux si on les observe sur une durée couvrant suffisamment de symboles. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un module qui assemble le signal numérique d'un DPCH destiné à un terminal mobile donné à partir des symboles d'un sous-canal de données (DPDCH, " Dedicated Physical Data Channel ") et d'un sous-canal de contrôle (DPCCH, " Dedicated Physical Control Channel "). La séquence de symboles complexes issue du module 10 est modulée par le code de canal cch alloué au DPCH au moyen d'un multiplieur 11. Un amplificateur à gain réglable 12 multiplie la sortie du multiplieur 11 par un facteur de puissance, déterminé de façon connue en soi par une procédure de contrôle de puissance. Le signal complexe résultant s, qui constitue la contribution du DPCH au signal émis dans la cellule par la station de base, est distribué sur N = 4 voies pour être émis par l'intermédiaire des quatre antennes 15 de la station de base. Sur chaque voie i (0 0 I'antenne 15 de la voie par l'intermédiaire du duplexeur 20. La figure 2 montre la partie émission d'un terminal mobile UMTS émettant selon un seul DPCH. Le module 25 assemble le signal numérique complexe relatif à ce DPCH à partir des symboles fournis sur les sous-canaux de données DPDCH et de contrôle DPCCH. Ce signal numérique est modulé par un code de brouillage cScr au moyen du multiplieur 26. L'amplificateur 27 applique le gain déterminé par la procédure de contrôle de puissance sur la liaison montante, et l'étage radio 28 met en forme le signal radio fourni à l'antenne 29 du terminal par l'intermédiaire du duplexeur 30. Dans le sens de la réception, le terminal mobile a un étage radio 31 qui assure les traitements d'amplification, de transposition de fréquence, de filtrage et de numérisation pour former un signal en bande de base s' à partir du signal radio capté par l'antenne 29. Le signal en bande de base s' est sondé par un module 32 servant à estimer les réponses impuisionnelles des canaux descendants pertinents pour le terminal mobile. Ces réponses impuisionnelles estimées permettent au récepteur 33, qui peut être classiquement de type a rake ", de récupérer les signaux destinés au terminal mobile. Pour estimer une réponse impuisionnelle, le module de sondage 32 comporte, de façon classique, un filtre adapté au code d'étalement du canal considéré (produit du code de canal et du code de brouillage). Pendant la réception d'un symbole pilote, connu a priori du terminal mobile, la sortie de ce filtre adapté est multipliée par le complexe conjugué de ce symbole pilote, ce qui produit une observation de la réponse impuisionnelle, représentée par un vecteur de dimension L, o L est la longueur considérée pour les réponses - 8 impuisionnelles, exprimée en nombre de chips. L'estimation est obtenue en moyennant ces observations sur quelques dizaines de symboles pilotes. Dans le cas des canaux dédiés, les symboles pilotes font partie du DPCCH. Pour les CPICH, les signaux transmis ne se composent que de symboles pilotes. Lorsque le mode de diversité d'émission en boucle fermée est activé dans une cellule pour le terminal mobile, l'orthogonalité des signaux de balise CPICHO et CPICH1 permet au module 32 du terminal d'estimer séparément le vecteur de réponse impuisionnelle ho correspondant au signal CPICHO et le vecteur de réponse impuisionnelle h1 correspondant au signal CPICH 1. A partir de ces M = 2 réponses impuisionnelles estimées ho, h1, un mod u le 34 calcu le le vecte u r de pon dération normal isé g q ui maxim ise la quantité gH.K.g, o K est la matrice de covariance des réponses impuisionnelles, donnée par K = O 1. Ce vecteur g correspond au h1H. ho h1H.h' 1s vecteur propre normalisé de la matrice K qui est associée à sa valeur propre de plus grand module. Le module 34 n'effectue pas nécessairement la diagonalisation de la matrice K, compte tenu de la quantification dont fait l'objet le vecteur g. Dans l'état actuel de la norme (voir spécification 3G TS 25.214 précitée), cette quantification est réalisée sur quatre bits, de sorte qu'il suffit au module 34 de tester seize possibilités pour le vecteur g quantifié, et de sélectionner celle qui maximise quantité gH.K.g. Les bits de quantification du vecteur g sont fournis à un module 35 pour être insérés dans les champs FBI (" Feedback Information ") du sous- canal montant DPCCH. Le sous-champ D du champ FBI, qui occupe un bit toutes les tranches temporelles de 666,us, sert à transmettre ces bits de quantification (voir section 5.2.1 de la spécification technique 3GTS25. 211 précitée). Le temps nécessaire pour remonter les données de rétroaction, décrivant un vecteur g sélectionné par le module 34, est donc de 2,666 ms. Revenant à la figure 1, la partie réception 40 de l'émetteur-récepteur de la station de base détecte les signaux transmis sur les différents canaux montants, et en particu lier fou rn it à un mod u le 4 1 les bits successifs d u sous champ FBI-D du DPCCH montant. Le module 41 décode les bits FBI pour obtenir les vecteurs de pondération quantifiés g de dimension M = 2 successivement déterminés au niveau du terminal mobile. La station de base a un module de contrôle des pondérations 42 qui traite les vecteurs 9 successifs récupérés par le décodeur 41 pour calculer les coefficients de pondération complexes Wo-w3 respectivement destinés à l'émission du signal dédié s par l'intermédiaire des N = 4 antennes 15. Le module 42 fait également varier la répartition des M = 2 signaux de balise CPICHO, CPICH1 en commandant un module 43 de configuration du CPICH. o Pour cela, le module de contrôle fournit au module de configuration M vecteurs de répartition de dimension N. respectivement associés aux M signaux de balise. Dans le cas considéré o M = 2, le vecteur de répartition aO - -bo a = a2 est associé au signal CPICHO, et le vecteur de répartition b = b3 est associé au signal CPICH1, de telle sorte que la contribution du CPICH envoyée par le module de configuration 43 au sommateur 17 de la voie i soit égale à P.(aj.CPICHO + bj.CPICH1), o P est un gain déterminé par la puissance d'émission requise sur le CPICH. Le module de contrôle 42 fait varier dans le temps les vecteurs a et b, en les modifiant par exemple tous les 10 à 30 ms. Il traite ensuite les vecteurs g récupérés pour les différentes combinaisons (a, b) afin d'évaluer les coefficients de pondération optimaux w;. Ces coeffficients w; sont les composantes du vecteur propre normalisé wO W = w1 associé à la valeur propre de module maximal de la matrice de w2 _w3 - k'oo k 01 k 02 k 03 covariance K=H'H.H'= ko k11 k12k13, o H' = [h'o, h'1, h'2, h'3] est la 21 k 2223 k'30 k'31 k 32k 33 - 10 matrice de taille N x N dont les colonnes correspondent aux vecteurs de réponse impuisionnelle h''associés aux canaux de propagation respectifs entre les N antennes 15 de la station de base et le terminal mobile. Cette matrice de covariance K' n'est pas accessible au terminal mobile, qui n'a pas connaissance des manipulations effectuées par le module de contrôle 42. La matrice K de taille M x M, estimée par le module 32 du terminal mobile, a pour expression: K = x* z] (1) z y o x = aH..K'.a et y = bH.K'.b sont des nombres réels positifs et z = aH.K'.b est 0 un nombre complexe. Le vecteur propre normalisé g associé à la valeur propre de module maximal de cette matrice K a pour expression: S (y / X) - 1 + + z 2 1 2S (2) 2 1( 2) Ixl 72+ o S est un facteur de normalisation, X1 = z/x et \2 = (y/xP1. Chaque fois que des données de rétroaction complètes sont retournées par le terminal pour une combinaison (a, b), le module de contrôle 42 de la station de base obtient ainsi la direction du vecteur g donnée par le rapport t = 271, c'est-à-dire une relation entre les quantités z/x \2 + \22 + 12112 et y/x qui dépendent des composantes de la matrice K'. Cette relation est approchée compte tenu des erreurs d'estimation de la matrice K par le terminal et de la quantification qu'il opère sur le vecteur g avant de le transmettre. La matrice K' a N(N+1)/2 termes indépendants puisque k'jj =k'jj pour O donc de 9 combinaisons (a, b) quand N = 4. Il existe de nombreuses manières de choisir ces combinaisons (a, b). De plus, on peut augmenter le nombre de combinaisons et procéder à une estimation de la matrice K" selon le maximum de vraisemblance. Chaque fois qu'un vecteur g est récupéré par la station de base pour une combinaison de vecteurs de répartition a, b, le module de contrôle 42 peut ainsi mettre à jour la matrice K" par un calcul d'interpolation, ce qui lui permet de s'adapter plus rapidement aux variations du canal et de réduire l'incidence des erreurs de quantification des vecteurs g par le terminal. Une possibilité est de prendre, pour O K" proportion nel le à K' et donc d'estimer ies coeffcients d e pondé ration Wo-W3. Ceux-ci peuvent être obtenus en diagonalisant la matrice K" ou en sélectionnant un vecteur normalisé W dans un ensemble discret de façon à maximiser WH.K".W. La méthode exposée requiert un temps de l'ordre de 9 fois le temps nécessaire à l'acquisition d'un jeu de données de rétroaction, pendant lequel l es caractéristiq ues d u canal ne doivent pas trop varier. Elle se ra d onc appliquée essentiellement à des terminaux mobiles lents. Ceuxci peuvent être détectés de manière connue par estimation de vitesse sur la base de l'observation des signaux radio reçus par la station de base. La méthode peut aussi être appliquée systématiquement dans des cellules o on sait que les terminaux sont presque toujours statiques ou lents (par exemple à l'intérieur de - 12 certains bâtiments). - 13 REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle d'émission d'une première station radio ayant N antennes d'émission (15) vers une seconde station radio, N étant un nombre plus grand que 2, comprenant les étapes suivantes: - diffuser M signaux de balise (CPICH0, CPICH1) depuis la première station, M étant un nombre plus grand que 1 et plus petit que N. chaque signal de balise étant associé à un vecteur de répartition (a, b) à N composantes et étant appliqué à chacune des N antennes après pond ération par u ne com posante correspond ante d u vecteu r de répartition associé; - évaluer la réception des M signaux de bailse par la seconde station, pour déterminer des données de rétroaction communiquées à la première station; - faire varier dans le temps les vecteurs de répartition associés aux M 1s signaux de balise; traiter les données de rétroaction successivement reçues par la première station pour déterminer un coefficient de pondération respectif (Wo-w3) pour chacune des N antennes; et - émettre un signal radio dédié depuis la première station à destination de la seconde station, ledit signal dédié étant appliqué à chacune des N antennes d'émission après pondération par le coefficient déterminé pour ladite antenne. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement des don nées de rétroaction com prend u ne estimation d' u n e matrice à N lig nes et N 2s colonnes à partir de données de rétroaction obtenues pour plusieurs combinaisons de vecteurs de répartition (a, b), le terme situé à la (i+1)-ième et à la 0+1)-ième colonne de ladite matrice, pour 0 seconde station, et (.)H désigne le transposé conjugué. - 14 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le traitement des données de rétroaction comprend le calcul d'un vecteur propre correspondant à une valeur propre de module maximal de ladite matrice à N lignes et N colonnes, les coefficients de pondération respectifs (Wo-w3) pour les N antennes étant proportionnels aux composantes dudit vecteur propre. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ladite matrice à N lignes et N colonnes est estimée sur la base des données de rétroaction obtenues pour (N-1)(N+2)/2 combinaisons distinctes successives de vecteurs de répartition (a, b). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel l'estimation de ladite matrice à N lignes et N colonnes comprend une mise à jour de lad ite matrice par interpolation su r la base des don nées de rétroaction obtenues pour chaque combinaison de vecteurs de répartition (a, b) 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque vecteur de répartition (a, b) associé à un signal de balise (CPICHO, CPICH1) a une seule composante non nulle. 7. Station radio à diversité d'émission en boucle fermée, comprenant N antennes d'émission (15), des moyens de diffusion de M signaux de balise, et des moyens d'émission d'au moins un signal radio dédié à destination d'une station radio distante respective, N et M étant des nombres plus grands que 1, da ns laq u el le les moyens de diffusion com prennent des moyens (42) pour associer chacun des M signaux de balise à un vecteur de répartition respectif à N composantes (a, b), et des moyens (43) pour appliquer chacun des M signaux de balise à chacune des N antennes après pondération par une composante correspondante du vecteur de répartition associé, et dans laquelle les moyens d'émission du signal radio dédié à destination d'une station radio distante comprennent des moyens (42) de traitement de données de rétroaction reçues de ladite station distante pour déterminer un coefficient de pondération respectif (Wo-w3) pour chacune des N antennes, et des moyens (16-20) pour appliquer ledit signal dédié à chacune - 15 des N antennes d'émission après pondération par le coefficient déterminé pour ladite antenne, caractérisée en ce que N > M, en ce que les rnoyens de diffusion comprennent en outre des moyens (42) pour faire varier dans le temps les vecteurs de répartition (a, b) associés aux M signaux de balise, et en ce que les moyens de traitement (42) sont agencés pour déterminer les coefficients de pondération respectifs pour les N antennes (15) sur la base de données de rétroaction successivement reçues pour des combinaisons différentes de vecteurs de répartition. 8. Station radio selon la revendication 7, dans laquelle les moyens de traitement des données de rétroaction comprennent des moyens (42) d'esti mation d' u ne matrice à N lig nes et N colon n es à pa rti r de don nces de rétroaction obtenues pour plusieurs combinaisons de vecteurs de répartition (a, b), le terme situé à la (i+1)-ième et à la 0+1)-ième colonne de ladite matrice, pour 0 d'émission et ladite station distante, et (.)H désigne le transposé conjugué. 9. Station radio selon la revendication 8, dans laquelle les moyens de traitement des données de rétroaction comprennent des moyens (42) de calcul d'un vecteur propre correspondant à une valeur propre de module maximal de lad ite matrice à N lig nes et N colonnes, l es coefficients de pondération respectifs (Wo-w3) pour les N antennes étant proportionnels aux composantes dudit vecteur propre. 10. Station radio selon la revendications 8 ou 9, dans lequel les moyens d'estimation de la matrice à N lignes et N colonnes comprennent des moyens d' interpolation pour mettre à jou r ladite matrice sur la base des données de rétroaction obtenues pour chaque combinaison de vecteurs de répartition (a, b). - 10 11. S1adon radio salon rune quelconque des revendicdons O 10, dans laqueNe chaque voyeur de impaction (a, b)sssociA un Signal de baNse (CPICHO, CPICH1) a une seule composante non nude. 12. Station radio Solon [une quelconque des revendicadons 6 11,