ES2286532T3 - Metodo de modulacion en un sistema de comuncaciones tetra. - Google Patents
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Abstract
Un método para hacer funcionar un sistema de comunicaciones móviles TETRA, caracterizado porque comprende: usar el esquema de modulación DQPSK p/4 de TETRA para transmisiones en el sistema; y caracterizándose porque comprende: usar otro esquema de modulación, diferente, para otras transmisiones en el sistema; y señalizar, en un canal modulado mediante el esquema DQPSK p/4, una indicación de la disponibilidad de un canal con esquema de modulación diferente.
Description
Método de modulación en un sistema de
comunicaciones TETRA.
La presente invención se refiere a sistemas de
comunicaciones, y, en particular, a métodos de modulación usados en
sistemas de comunicaciones móviles.
Los sistemas de comunicaciones móviles digitales
modernos, tales como TETRA (Radio troncal terrestre), consisten, a
menudo, en una disposición celular de estaciones de base en una zona
geográfica. Las unidades móviles funcionan en las células junto con
las estaciones de base del sistema usando uno de varios canales de
frecuencia disponibles para transmitir señalización y tráfico.
Usualmente, la ubicación de los sitios de base (estaciones) y las
frecuencias disponibles para el funcionamiento se acuerdan con las
autoridades reguladoras cuando se despliega un sistema de
comunicaciones.
Puede darse el caso que, durante un periodo de
tiempo, se deseen mejoras en un sistema de comunicaciones. Podría
ser, por ejemplo, por razones de capacidad del sistema (por ejemplo,
porque el número de usuarios que deseen usar el sistema haya
aumentado), o porque el sistema tenga que soportar aplicaciones de
comunicaciones que requieran frecuencias de datos más elevadas.
Aunque a menudo se producen avances técnicos en
el diseño de sistemas de comunicaciones que pueden ayudar a
satisfacer tales requisitos nuevos, puede ser costoso reemplazar
equipos existentes en una red de comunicaciones existente por
equipos nuevos con prestaciones superiores. Muchas veces resulta
difícil (y/o caro) conseguir frecuencias y sitios de base nuevos
para mejorar un sistema de comunicaciones existente.
En términos generales, por tanto, cuando se
trate de aumentar las prestaciones de un sistema de comunicaciones
existente, sería deseable que ello no requiriera frecuencias ni
sitios de base nuevos y que las inversiones en equipos nuevos se
redujeran al nivel más bajo posible.
Por otro lado, dado un sistema de comunicaciones
existente que use una norma de comunicaciones existente, sería
deseable, también, que cualquier mejora del sistema fuese compatible
con la norma de comunicaciones existente (por ejemplo, desde el
punto de vista de su formato y estructura de transmisión).
Por ejemplo, en relación con el sistema TETRA,
sería deseable que cualquier mejora del sistema use, también, la
estructura de ventanas y tramas de la TETRA original (TETRA 1) (es
decir, cuatro ventanas de tiempo por trama, dieciocho tramas por
multitrama, etc.), y la separación de 25 kHz entre canales usada por
la TETRA estándar.
Los solicitantes son conscientes del deseo de
poder ofrecer mayores frecuencias de transmisión de datos en
sistemas de comunicaciones TETRA existentes. Un modo de conseguirlo
sería usar un esquema de modulación con capacidad para una
frecuencia de bits superior.
La norma TETRA existente usa modulación por
desplazamiento de fase, en cuadratura, y codificación diferencial
(DQPSK \pi/4), que codifica, por diferencia, dos bits por cada
símbolo de modulación, y permite una frecuencia, en bruto, de 36
kbits/s. Podrían conseguirse, en bruto, frecuencias de bits más
elevadas usando diferentes esquemas de modulación. Pero los
solicitantes creen que esquemas de modulación de nivel superior,
tales como modulación de amplitud en cuadratura de 16 o 32 estados
(QAM-16/QAM-32), modulación por
desplazamiento de fase con 16 estados (16 PSK), etc., requerirían
un cambio relativamente grande en los equipos de la TETRA actual
desde el punto de vista del diseño del transceptor. Por otro lado,
los solicitantes creen que, en el entorno de las comunicaciones
móviles, tales niveles elevados de modulación que permiten estas
técnicas de modulación pueden no ser muy eficaces ya que pueden
requerir razones portadora/interferencia y señal/ruido muy
elevadas.
El documento WO 00/39974 describe el uso de una
modulación por desplazamiento de fase con 8 estados en un sistema
de comunicaciones que usa un modulador de 8 niveles para
señalización de modulación de 8 y cuatro niveles. El documento
US-A-6014375 describe un protocolo
de interfaz aérea de canal de banda estrecha para uso con sistemas
de comunicaciones TETRA.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, se ofrece un método para hacer funcionar un sistema de
comunicaciones móviles TETRA, que comprende:
usar el esquema de modulación DQPSK \pi/4 de
TETRA para transmisiones en el sistema, caracterizándose el método
porque comprende:
usar otro esquema de modulación diferente para
otras transmisiones en el sistema; y
señalizar, en un canal modulado mediante el
esquema DQPSK \pi/4, una indicación de la disponibilidad de un
canal con esquema de modulación diferente.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención, se proporciona una estación de comunicaciones para un
sistema de comunicaciones móviles TETRA, que comprende:
medios para realizar transmisiones usando el
esquema de modulación DQPSK \pi/4 de TETRA, y caracterizándose
porque comprende:
medios para realizar transmisiones usando otro
esquema de modulación diferente; y
medios para señalizar, en un canal modulado
mediante el esquema DQPSK \pi/4, una indicación de la
disponibilidad de un canal con esquema de modulación diferente.
En la presente invención, un sistema TETRA usa
otro esquema de modulación junto con la modulación TETRA DQPSK
\pi/4 existente. Dicho de otro modo, en el sistema coexistirán
canales modulados mediante los dos esquemas de modulación. En tal
caso, una disposición de este tipo soportará, simultáneamente,
equipos de la TETRA estándar y equipos de la TETRA mejorada,
manteniendo así la compatibilidad entre los sistemas (y los equipos)
antiguo y nuevo. Preferiblemente, por la misma razón, un sistema de
este tipo usará los canales TETRA de 25 kHz normales con ambos
formatos de modulación.
En la presente invención se usa, del modo
apropiado, señalización en un canal modulado mediante el esquema
DQPSK-\pi/4 para indicar la disponibilidad de los
otros canales con frecuencia de modulación superior. Se cree que,
en un sistema TETRA que soporte esquemas de modulación diferentes,
la previsión de la señalización de la disponibilidad de canales con
esquema de modulación diferente en un canal DQPSK \pi/4 TETRA
"estándar" es nueva y ventajosa. Por ejemplo, una disposición
de este tipo permitiría a tales sistemas TETRA soportar todavía
equipos de la TETRA estándar existentes además de los equipos de la
TETRA mejorada que puedan soportar esquemas de modulación nuevos.
En la presente invención los esquemas de modulación adicionales
podrían ser del tipo deseado, pero, típicamente, pueden
proporcionar frecuencias de modulación mejoradas, tales como 3 o
más bits por codificación de símbolo (por ejemplo, 4 o 6 bits por
codificación de símbolos). Tales esquemas de modulación podrían,
por ejemplo, comprender esquemas QAM (modulación de amplitud en
cuadratura), tales como QAM-4 (de 4 estados),
QAM-16 (de 16 estados) y/o QAM-64
(de 64 estados), así como el esquema de modulación particular de la
realización preferida de la presente invención.
En la presente invención se prefiere utilizar,
en la medida de lo posible, las técnicas de sincronización
empleadas actualmente por la TETRA existente, aunque ello no sea
esencial. Así, para la sincronización inicial, las ráfagas de
sincronización que proporcionan el mecanismo de sincronización
inicial y bloqueo de frecuencia, preferiblemente, se mantienen
invariables y usan modulación DQPSK \pi/4.
En una realización particularmente preferida, el
otro esquema de modulación diferente comprende un esquema de
modulación con desplazamiento de fase y codificación diferencial de
tres bits por símbolo.
Esta realización propone un esquema de
modulación de nivel superior para uso en un sistema TETRA que
codifica 3 bits por cada símbolo de modulación. Ello significa que
el nivel de modulación no es tan elevado como para incurrir en los
problemas expuestos en lo que antecede.
Por otro lado, como el esquema de modulación de
la presente realización usa modulación por desplazamiento de fase
con codificación diferencial, presenta muchas similitudes con el
esquema de modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA existente. Ello
significa que se reducen, en gran medida, los cambios necesarios
para que los equipos de la TETRA existente puedan usar el esquema
de modulación nuevo.
Por ejemplo, sólo cambios menores en el
modulador TETRA pueden permitir conmutar entre la modulación DQPSK
\pi/4 de la TETRA existente y el esquema de modulación de la
presente realización. Igualmente, el desmodulador para el esquema
de modulación de la presente realización es, efectivamente, el mismo
que para la TETRA existente, con la excepción de que es necesario
incorporar un circuito de determinación de correspondencia inversa
de símbolos.
Además, el esquema de modulación de la presente
realización puede usar, y, preferiblemente, usa, la misma
frecuencia de símbolos, el mismo filtro de raíz de coseno realzado
(RRC) y la misma separación entre canales que los sistemas de la
TETRA existente. Ello significa que, por ejemplo, puede mantenerse
la estructura de ventanas y tramas de la TETRA existente, y que en
el sistema puede seguir existiendo señalización y tráfico de la
modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA existente (empleándose la
modulación de nivel superior, por ejemplo, sólo para transmisiones
de datos en paquetes).
Así, el esquema de modulación de la presente
realización puede usarse para aumentar las prestaciones de un
sistema TETRA existente, de manera que no sean necesarias
frecuencias ni estaciones de base nuevas y que las inversiones en
equipos nuevos sean relativamente reducidas. Además, la invención
puede emplearse en sistemas TETRA instalados en terreno virgen para
mejorar la capacidad del sistema TETRA básico. Por ejemplo, merced
al esquema de modulación de la presente realización, cuando se use
la misma frecuencia de 18000 símbolos/s que en la TETRA existente,
la frecuencia de bits resultante, en bruto, será de 54000 bits/s (un
aumento del 50% en relación con la modulación DQPSK \pi/4 de la
TETRA existente).
En una realización particularmente preferida, el
esquema de modulación usado consiste en modulación por
desplazamiento de fase \pi/8 con ocho estados y codificación
diferencial, que codifica 3 bits por cada símbolo y cada intervalo
de símbolos presenta una rotación \pi/8 de fase. Tal esquema de
modulación es similar a la modulación por desplazamiento de fase
con ocho estados conocida, pero, en la presente realización, la
modulación se realiza de modo diferencial.
Este esquema de modulación preferida usa,
preferiblemente, una correspondencia por código de Gray, por la que
cada grupo consecutivo de 3 bits se usa para representar un cambio
de fase de ^{+}/_{-} \pi/8, ^{+}/_{-} 3\pi/8,
^{+}/_{-} 5\pi/8 y ^{+}/_{-} 7\pi/8, y que puede
representarse mediante:
S(k) = S \
(k-1) \ exp \ [jD \phi
(k)]
- \quad
- S(0) = 1
siendo S(k) el símbolo de
orden k en la ráfaga, k = 1, 2,..., n, y n el número total de
símbolos en una
ráfaga.
Preferiblemente, cuando se usa este esquema de
modulación, el cambio de fase entre símbolos consecutivos se
relaciona con los bits de modulación del modo siguiente:
para k = 1, 2,...,
n.
El esquema de modulación de la presente
realización preferida, si bien permite, en bruto, una frecuencia de
bits mayor para la misma frecuencia de símbolos, presenta muchas
similitudes con el esquema de modulación DQPSK \pi/4 existente ya
usado en TETRA. Ello significa que, como se ha expuesto en lo que
antecede, las modificaciones necesarias para que un sistema de
radio TETRA existente que soporte modulación DQPSK \pi/4 pueda
usar esta modulación son pequeñas, por lo que se facilita, por
ejemplo, la conversión al esquema de modulación de mayores
prestaciones con un coste de desarrollo reducido, y, potencialmente,
la posibilidad de actualizaciones de, solamente, lógica, en los
equipos existentes.
El nuevo esquema de modulación propuesto
mediante las presentes realizaciones puede ser usado, directamente,
en canales TETRA existentes y con la estructura de ventanas y tramas
de la TETRA 1 existente, etc., y, preferiblemente, se usa de ese
modo.
Preferiblemente, la sincronización de tramas en
el esquema de modulación alternativo con frecuencia de bits
incrementada, se consigue usando una secuencia de instrucción
integrada, de manera similar que en la TETRA existente, pero usando
la secuencia de instrucción la técnica de modulación de nivel
superior.
Preferiblemente, la sincronización de símbolos
(instante de muestreo) se logra usando técnicas de la TETRA
existente. Ello resulta posible cuando la frecuencia de símbolos sea
la misma, porque las características de modulación son
similares.
Por otro lado, las técnicas de desmodulación
usadas en el otro método de modulación pueden seleccionarse del
modo deseado, pero, por ejemplo, cuando se use el método de
modulación por desplazamiento de fase \pi/8 con ocho estados y
codificación diferencial, por su similitud con la modulación DQPSK
\pi/4, se prefiere, con rotundidad, usar las técnicas de
desmodulación de la TETRA existente, en la medida de lo posible.
\global\parskip0.930000\baselineskip
Los cambios que pueden ser necesarios en el
desmodulador para el esquema de modulación con frecuencia de datos
mejorada de las realizaciones preferidas de la presente invención
incluyen un paso adicional, o modificado, de determinación de
correspondencia inversa de símbolos (en relación con el desmodulador
DQPSK \pi/4), con objeto de establecer una correspondencia entre
símbolos detectados diferencialmente y bits, correspondiendo 3 bits
por cada símbolo. Por otro lado, si el algoritmo de sincronización
de tramas para ráfagas de datos por paquetes se ejecuta mediante
correlación compleja, entonces, debe adaptarse del esquema DQPSK
\pi/4 al esquema de modulación nuevo. (Si el algoritmo de
sincronización de tramas se ejecuta de modo subsiguiente a la
detección diferencial, entonces, no es necesario hacer cambios, a
excepción de, posiblemente, ajustes en la longitud y la posición de
la secuencia de instrucción en la ráfaga.) Finalmente, puede ser
necesario ajustar el desmultiplexor de ráfagas (conversión de
ráfaga en canal lógico) para tratar el nuevo formato de ráfaga del
esquema de modulación nuevo (con su número mayor de bits en el canal
lógico de datos por paquetes).
Los métodos de acuerdo con la presente invención
pueden ponerse en práctica, al menos parcialmente, usando lógica,
es decir, programas informáticos. Se observará así que, considerada
desde otros puntos de vista, la presente invención ofrece lógica
informática destinada, específicamente, a ejecutar los métodos
descritos en lo que antecede, una vez instalada en medios de
tratamiento de datos. Tal programa informático comprende medios de
codificación para ejecutar dichos métodos cuando el programa se
ejecute merced a medios de tratamiento de datos.
Se apreciará que no todas las operaciones del
método de la invención tienen que ejecutarse mediante lógica
informática.
A continuación se describirán algunas
realizaciones preferidas de la presente invención sólo a modo de
ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra el diagrama de constelación
de símbolos de una realización preferida del esquema de modulación
para uso con la presente invención;
la figura 2 muestra el modo en que puede
mejorarse la arquitectura de modulador/transmisor y de
receptor/desmo-
dulador de la TETRA estándar, con el fin de soportar el esquema de modulación de la figura 1;
dulador de la TETRA estándar, con el fin de soportar el esquema de modulación de la figura 1;
la figura 3 muestra una realización preferida de
estructuras de ráfaga TETRA cuando se usa el esquema de modulación
de la figura 1; y
la figura 4 muestra una realización preferida de
la estructura de control de errores que debe usarse en un canal
lógico TETRA cuando se use el esquema de modulación de la figura
1.
La presente invención comprende un sistema TETRA
en el que coexisten canales TETRA con modulación DQPSK \pi/4
estándar y canales TETRA que usan un esquema de modulación con
frecuencia de datos mejorada. El sistema usa canales TETRA de 25
kHz de la TETRA normal con los dos formatos de modulación. Por
tanto, ambos grupos de canales usan la estructura de ventanas de
tiempo y tramas así como la frecuencia de símbolos de la TETRA
estándar. Está previsto señalizar, del modo apropiado, un canal
modulado mediante el esquema DQPSK \pi/4 con el fin de indicar la
disponibilidad de los canales modulados con frecuencia de datos
superior.
La figura 1 es el diagrama de constelación de
símbolos del esquema de modulación de datos mejorada usado en la
presente realización adicionalmente al esquema de modulación
DQPSK-\pi/4 de la TETRA estándar. La figura 1
muestra cada uno de los 8 cambios de fase permitidos entre símbolos
consecutivos (como se describirá en lo que sigue, se usan 3 bits
por símbolo con codificación Gray) en este esquema de modulación con
frecuencia de datos mejorada.
El esquema de modulación mostrado en la figura 1
usa modulación por desplazamiento de fase \pi/8 con ocho estados
y codificación diferencial, que codifica 3 bits por cada símbolo. El
esquema de modulación usa una correspondencia de código de Gray,
por la que cada grupo consecutivo de 3 bits se usa para representar
un cambio de fase de ^{+}/_{-} \pi/8, ^{+}/_{-} 3\pi/8,
^{+}/_{-} 5\pi/8 y ^{+}/_{-} 7\pi/8. El esquema de
modulación puede representarse mediante:
S(k) = S \
(k-1) \ exp \ [jD \phi
(k)]
- \quad
- S(0) = 1
siendo S(k) el símbolo de
orden k en la ráfaga, k = 1, 2,..., n, y n el número total de
símbolos en la
ráfaga.
En esta realización, el cambio de fase entre
símbolos consecutivos se relaciona con los bits de modulación del
modo siguiente:
para k = 1, 2,...,
n.
\global\parskip1.000000\baselineskip
En esta realización preferida, como se ha
descrito anteriormente, este esquema de modulación se usa en los
canales de la TETRA estándar (es decir, separación y estructura de
ventanas y tramas) y con la frecuencia de símbolos de la TETRA
estándar. Ello significa que hay 18000 símbolos/s como en la TETRA
existente, pero el esquema de modulación nuevo permite, en bruto,
una frecuencia de bits mejorada de 54000 bits/s (3 bits por cada
símbolo).
La figura 2 muestra el modo en que la
arquitectura de modulador/transmisor y de desmodulador/receptor de
la TETRA estándar puede modificarse con el fin de soportar este
esquema de modulación de nivel superior, conjuntamente con la
modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA existente.
Como se muestra en la figura 2, en el transmisor
(modulador), una fuente 1 de bits entrega bits en "canales
lógicos" para su transmisión. A continuación, un multiplexor 2 de
ráfagas dispone los bits, junto con secuencias de instrucción, en
un formato particular conocido como ráfaga. Entonces, un codificador
diferencial 3 codifica los bits a modo de muestras complejas (I,
Q), y el filtro 4 de aumento de frecuencia de muestra aumenta la
frecuencia de muestreo de una a cuatro muestras por símbolo, para el
filtro 5 de banda de base. El convertidor 6 digital/analógico
convierte la señal digital en una señal analógica para la etapa 7 de
transmisor de frecuencia de radio (RF), que aumenta la frecuencia
de la señal de banda de base hasta la RF final de portadora y
transmite la ráfaga.
Los diferencias principales entre el transmisor
de la arquitectura para la modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA
existente y el esquema de modulación con frecuencia de datos
mejorada de la presente realización consisten en un cambio en el
modulador para obtener la modulación con frecuencia de datos
mejorada que usa 3 bits por cada símbolo, y un cambio en el
multiplexor 2 de ráfagas para establecer el formato de la estructura
de ráfaga modificada (véase en lo que sigue), que incluye un número
mayor de bits en cada canal lógico.
La arquitectura de receptor/desmodulador
correspondiente se muestra, también, en la figura 2. En el receptor,
el receptor 8 de RF reduce la frecuencia de la señal de RF a banda
de base y el convertidor 9 analógico-digital
convierte la señal de banda de base analógica en digital, para su
tratamiento digital. Típicamente, el convertidor 9 A/D entrega
cuatro muestras complejas por cada símbolo. Un filtro 10 de banda de
base, elimina de la señal digital, merced a un filtrado adicional,
todo tipo de señales y ruido de canales adyacentes. A continuación,
la señal filtrada es entregada a un filtro 11 reductor de frecuencia
de muestra, que selecciona el instante óptimo de muestreo para cada
símbolo recibido y reduce la frecuencia de muestreo a una muestra
compleja por cada símbolo.
Luego, las señales recibidas son desmoduladas
diferencialmente en el desmodulador diferencial 12, para
convertirlas en pares de valores complejos (I, Q) que representen
bits. A continuación, un circuito 13 de determinación de
correspondencia inversa de símbolos convierte la representación (I,
Q) en bits. En el caso de modulación DQPSK \pi/4 se trata de una
correspondencia 1:1, representando cada valor I y Q un bit de
probabilidad (soft bit) o un bit, 0 o 1, de datos (hard bit). En el
caso del esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada de
la presente realización, I, Q y el valor |I| - |Q| representan 3
bits.
A continuación, un sincronizador 14 de tramas
identifica los bordes de la ráfaga de transmisión utilizando una
secuencia de instrucción de la ráfaga, y el desmultiplexor 15 de
ráfagas divide la ráfaga de transmisión recibida para convertirla
en canales lógicos, con destino a un colector 16 de bits.
Se describirá ahora una realización preferida
del funcionamiento de un receptor/desmodulador que puede usarse con
la presente realización.
En primer lugar, el receptor tiene que poder
sincronizar con la señal recibida. En la presente realización, la
sincronización se consigue, en la medida de lo posible, de acuerdo
con las técnicas empleadas actualmente en la TETRA existente.
Así, para la sincronización inicial, las ráfagas
de sincronización que proporcionan el mecanismo de sincronización
inicial y bloqueo de frecuencia son las mismas que las usadas en la
TETRA existente y emplean modulación DQPSK \pi/4. La
sincronización de tramas para una transmisión con modulación DQPSK
\pi/4 es, también, igual que en la TETRA existente. En el esquema
de modulación con frecuencia de datos mejorada, la sincronización
de tramas se consigue merced a una secuencia de instrucción
integrada de igual modo que en la TETRA existente, pero la
secuencia de instrucción se modula usando el esquema de modulación
con frecuencia de datos mejorada. Por último, en ambos esquemas de
modulación, la sincronización de símbolos (instante de muestreo) se
consigue usando técnicas de la TETRA existente, ya que en ambos
esquemas de modulación la frecuencia de símbolos es la misma y sus
características de modulación son similares.
Una vez recibida la señal, entonces, es
necesario desmodularla. En caso de señales con modulación DQPSK
\pi/4, tal desmodulación puede realizarse como en la TETRA
existente. En el caso del esquema de modulación con frecuencia de
datos mejorada, la técnica de desmodulación es muy similar a la del
sistema DQPSK \pi/4, por las similitudes entre los esquemas de
modulación. No obstante, existen algunas diferencias.
La principal diferencia consiste en la necesidad
de una operación adicional, o modificada, de correspondencia
inversa de símbolos, en relación con el desmodulador DQPSK \pi/4.
Ello se muestra en la figura 2 mediante un circuito 13 añadido de
determinación de correspondencia inversa de símbolos. Este circuito
de determinación de correspondencia inversa de símbolos convierte
los símbolos I, Q de banda de base complejos (los símbolos
detectados diferencialmente) en bits, correspondiendo 3 bits a cada
símbolo.
El desmultiplexor 15 de ráfagas (conversión de
ráfaga en canal lógico) tiene que ser modificado, también, para
tratar el nuevo formato de ráfaga del esquema de modulación de nivel
mejorado, y, en particular, el mayor número de bits en el canal
lógico de datos por paquetes en relación con la modulación
DQPSK-\pi/4.
Finalmente, puede ser necesario adaptar el
algoritmo de sincronización de tramas a las ráfagas de datos por
paquetes si la sincronización de tramas se realiza mediante
correlación compleja. Por otro lado, si la sincronización de tramas
se realiza de modo subsiguiente a la detección diferencial,
entonces, puede no ser necesario cambio alguno, aparte de ajustes
de la longitud y la posición de la secuencia de instrucción en la
ráfaga.
En el esquema de modulación con frecuencia de
datos mejorada de la presente realización se usan los mismos
filtros RRC y la misma frecuencia de símbolos que en el esquema de
modulación DQPSK \pi/4 existente. Se anticipa, también, que no
hay necesidad de banda de guarda dedicada para la modulación
mediante una única portadora usando el esquema de modulación con
frecuencia de datos mejorada.
Como el esquema de modulación con frecuencia de
datos mejorada de la presente realización aumenta el número de bits
que pueden transmitirse durante un periodo de tiempo determinado es
deseable modificar la estructura de ráfagas de TETRA cuando se use
el esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada, para
tenerlo en cuenta. La figura 3 muestra una realización preferida de
las estructuras de ráfagas discontinuas para enlaces de subida y
bajada que deben usarse cuando se emplee el esquema de modulación
con frecuencia de datos mejorada. Estas estructuras de ráfaga han
sido previstas para transmitir datos en paquetes y maximizar la
carga útil de datos, pero pueden usarse, también, para transmitir
información de señalización o datos en modo de circuito. Usan la
misma definición de secuencia de instrucción que en el caso de la
TETRA existente (pero truncada en un bit), y el mismo bloque de
transmisión. Otras estructuras de ráfaga podrían ser posibles, si se
desea.
Además, es necesario codificar, mediante código
de canal, los bits de datos transmitidos en las ráfagas de
transmisión del esquema de modulación con frecuencia de datos
mejorada. En la presente realización se usa codificación de canal
basada, más o menos, en la disponible de la TETRA existente
(Reed-Muller para el canal lógico AACH (canal
asignado de acceso) y código pinchado compatible en frecuencia
(RCPC) para el canal de datos por paquetes), con el fin de tratar
de garantizar cambios mínimos entre el esquema de modulación con
frecuencia de datos mejorada y la TETRA existente. Así, en una
realización preferida se emplea una codificación RCPC con
frecuencia de 2/3, como en el canal lógico SCH/F de TETRA. La figura
4 muestra la estructura de control de errores propuesta para este
tipo de canal lógico cuando se use la realización del esquema de
modulación con frecuencia de datos mejorada. Podrían utilizarse
otras técnicas de codificación de canal, si se desea.
Una consecuencia de usar la estructura de
codificación de canal mostrada en la figura 4 consiste en que la
estructura requiere un tamaño de canal que excede el máximo
soportado actualmente por la TETRA existente (432 bits), lo que
puede producir problemas de cifrado y con los descodificadores de
Viterbi. Un modo de evitar estos problemas (si se presentan) sería
dividir el canal lógico en dos mitades y codificar cada mitad por
separado.
Puede verse, a partir de lo que antecede, que
los cambios requeridos en la arquitectura del transmisor y del
receptor para usar el esquema de modulación con frecuencia de datos
mejorada de la presente realización son relativamente pequeños,
aunque algunos cambios son necesarios. El principal cambio y
principal aumento de la complejidad, reside en la necesidad de
tratar mayores bloques de bits en el modulador y el desmodulador.
Por tanto, cabe esperar que la complejidad de las partes del
transmisor y del receptor que traten bits aumente linealmente en
relación con la TETRA existente.
Por ejemplo, en la TETRA existente, el
aleatorizador, en la última operación de la codificación de canal,
se aplica, normalmente, a un bloque de 432 bits de longitud, en una
ráfaga. Esta longitud de bloque aumentaría a 690 bits en el caso de
la estructura de ráfaga del esquema de modulación con frecuencia de
datos mejorada de la presente realización, aumentando la
complejidad en la proporción 690/432, es decir, un 60%. Otros
elementos de la codificación/descodificación de canal aumentarían
su complejidad, también, de manera similar.
Pero este nivel de aumento es relativamente
pequeño, y, en cualquier caso, un aumento de este tipo será
necesario, siempre, en cualquier esquema de datos de alta velocidad
que trate un número mayor de bits por ráfaga de transmisión. Debe
hacerse notar, también, que una ventaja significativa de la presente
realización es que no hay aumento de complejidad en el dominio de
los símbolos complejos (puesto que el transmisor y el receptor
tratan el mismo número de símbolos por ráfaga que en la TETRA
existente).
Existirán, también, requisitos de memoria
adicionales para el esquema de modulación con frecuencia de datos
mejorada, lo que dará como resultado, de nuevo, esencialmente, la
necesidad de tratar más bits por ráfaga de transmisión. El aumento
de la memoria, probablemente, será del orden del 50%, en el caso de
algunas memorias temporales. Será necesario, también, un pequeño
aumento de la memoria del modulador, que requerirá una tabla de
consulta de 16 valores para definir los puntos de constelación del
esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada de la
presente realización (mientras que en la modulación DQPSK \pi/4 se
requieren, solamente, 8 valores). Será necesario, también,
almacenar una secuencia de instrucción nueva para la sincronización
de tramas del esquema de modulación con frecuencia de datos
mejorada, así como una porción pequeña de código nuevo para el
circuito de determinación de correspondencia inversa de símbolos en
el receptor. Pero, en general, los solicitantes creen, una vez más,
que estos requisitos de memoria adicionales son relativamente
pequeños.
Los solicitantes han realizado simulaciones del
esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada de la
presente realización para comparar sus prestaciones con la TETRA
existente que usa modulación DQPSK \pi/4. Las simulaciones se
realizaron usando la herramienta de simulación COSSAP y el propio
paquete de simulación de TETRA de los solicitantes. Se usaron
modelos de canales de propagación TU50 (típica urbana, velocidad de
vehículo 50 km/h) y estático de la TETRA estándar, con la ráfaga
discontinua de enlace de bajada mostrada en la figura 3. Se usó un
esquema de detección no coherente con el receptor, modelado con una
aritmética de coma fija, de modo subsiguiente a los convertidores
A/D. La cadena del receptor incluía modelos de las operaciones de
control automático de ganancia (AGC), de control automático de
frecuencia (AFC) y de sincronización de símbolos y tramas, además
del propio desmodulador. Las simulaciones no produjeron desviaciones
de CC o de frecuencia en la señal recibida. No obstante, se cree
que la inclusión de estos artefactos no afectó a los resultados de
modo significativo.
Se obtuvieron resultados de simulación del
sistema, con una frecuencia de portadora de 400 Mhz, para un
subgrupo de las combinaciones posibles de tipo de ráfaga, condición
de propagación y medición. Los errores y los resultados se
ofrecieron a modo de razón Es/No (energía por símbolo/densidad de
ruido), para permitir su comparación directa con los resultados de
la TETRA existente (es decir, energía por símbolo equivalente).
(Así, los resultados aparecían 1,8 dB más desfavorables que los
equivalentes de la razón Eb/No, energía por bit/densidad de
ruido).
La simulación se usó, primero, para medir la
razón valor máximo/valor medio. Ello se realizó utilizando dos
métodos, por simulación y mediante equipos de pruebas. Ambas
mediciones ofrecieron cifras, aproximadamente, 0,5 dB más elevadas
para el esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada que
para la modulación DQPSK \pi/4. Por tanto, la razón valor
máximo/valor medio no es significativamente peor que en el caso de
la modulación de la TETRA existente y puede usarse el mismo
transmisor que el de la TETRA existente. Los solicitantes creen,
también, que los requisitos de linealidad de 4 dB para la razón
valor máximo/valor medio del esquema de modulación con frecuencia
de datos mejorada de la presente realización no son
significativamente diferentes de los de la modulación DQPSK
\pi/4.
A continuación se realizaron mediciones de
sensibilidad usando la simulación para varios tipos de canales
diferentes.
En primer lugar, se consideró la proporción de
bits erróneos de canal estático no protegido, comparando la
modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA existente con el esquema de
modulación de frecuencia de datos mejorada de la presente
realización. Se simularon los canales de tráfico TCH 7.2/TCH 11.5
(canal con modulación DQPSK \pi/4 y canal equivalente con
modulación de frecuencia de datos mejorada). Se encontró en la razón
Es/No una diferencia de, aproximadamente, 6,5 dB, para una
proporción de bits erróneos igual a 10^{-5} (o de 4,7 dB en la
razón Eb/No).
El mismo análisis se realizó para la proporción
de bits erróneos no codificados respecto a la razón Es/No en un
canal TETRA TU50 no protegido, simulándose los mismos canales
lógicos. Se encontró que la diferencia entre la modulación DQPSK
\pi/4 y el esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada
era de, aproximadamente, 4 dB, para un nivel de bits erróneos del
2%.
Se realizaron otras simulaciones de canales
protegidos en condiciones de canal de propagación estático y TU50.
Se usó protección contra errores de transmisión sobre la base de la
corrección de errores de transmisión de la TETRA existente. Así, se
usó código de bloques Reed-Muller (30, 14) en el
canal lógico AACH y código RCPC de convolución en canales de
tráfico y señalización. El código Reed-Muller fue
descodificado por decisión firme (hard decision) en modo de
corrección de errores de bits individuales. Cuando se usó el código
RCPC con el esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada,
se ajustó la longitud del canal lógico para adaptarla al tipo de
ráfaga nueva del esquema de modulación, y el código fue pinchado con
una frecuencia básica de 2/3.
Estas simulaciones se realizaron para los
canales lógicos AACH y SCHF-H, en condiciones de
canal estático protegido y de canal de propagación TU50 protegido,
usando la misma codificación de canal. Se determinó el margen de
sensibilidad requerido entre los dos esquemas de modulación para que
cada canal lógico tuviera una razón (BER/MER) entre proporción de
bits erróneos y proporción de mensajes erróneos del 5%. Se encontró
que el margen de sensibilidad medio entre modulación DQPSK \pi/4
y esquema de modulación mejorada de la presente realización, para
una razón BER/MER del 5% en todos los canales lógicos, era de,
aproximadamente, 4,5 \pm ^{+}/_{-} 0,4 dB, y se mostraba muy
consistente en todos los escenarios simulados.
Se realizaron simulaciones, también, para
estimar el comportamiento frente a interferencias del esquema de
modulación con frecuencia de datos mejorada de la presente
realización. El análisis realizado consistió en una simulación de
interferencia C/I (portadora/interferencia). Se usaron dos modelos
de canal de propagación, la configuración C/I TU 50 normal, en la
que las trayectorias de interferencia principal y en el canal son
hechas desvanecer de acuerdo con un modelo TU 50, y una
configuración C/I "estática", en la que no se hicieron
desvanecer la señal deseada ni la de interferencia. En ambos casos,
las simulaciones se ejecutaron en condiciones SNR (razón
señal/ruido) de interferencia limitada (35 dB) y la razón C/I se
hizo variar con el fin de investigar la razón MER/BER entre
proporción de mensajes erróneos y proporción de bits erróneos.
La simulación se realizó con el esquema de
modulación con frecuencia de datos mejorada para los canales lógicos
TCH 11.5 (no codificado (no protegido)) y AACH (con codificación
Reed-Muller (protegido)) en condiciones estáticas
de interferencia co-canal y en condiciones
TU-50 de interferencia co-canal. Las
condiciones de canal de propagación TU 50 tuvieron lugar con una
razón portadora/ruido de 35 dB. Se realizó un análisis similar para
un canal lógico SCHF-H protegido en condiciones
estáticas de interferencia co-canal y en condiciones
TU-50 de interferencia
co-canal.
Los resultados de simulación de interferencia
mostraron que el margen necesario para satisfacer el mismo límite
de la razón C/I que en la modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA
existente era de, aproximadamente, 7 dB para el esquema de
modulación con frecuencia de datos mejorada de la presente
realización. Se encontró que para una razón C/I de 19 dB, la
proporción de mensajes erróneos del canal lógico
SCHF-H era superior al 20%, y se requirió una razón
C/I de, aproximadamente, 24 dB, para una proporción de mensajes
erróneos (MER) del 10%.
Los resultados de simulación muestran que para
cierto número de canales lógicos y condiciones de propagación
diferentes, existe un margen de funcionamiento de, aproximadamente,
4,5 dB entre el esquema de modulación con frecuencia de datos
mejorada de la presente realización y el esquema de modulación DQPSK
\pi/4 de la TETRA existente. Se encontró, también, que,
probablemente, sería necesario un límite superior de 24 dB para la
razón C/I de un sistema práctico. Este nivel de funcionamiento se
considera satisfactorio y compatible con los sistemas y los
requisitos de la TETRA existente.
A partir de lo que antecede puede verse que la
presente realización permite un aumento, en bruto, de la frecuencia
de 36 kbits/s de la TETRA existente hasta 54 kbits/s, pero
manteniendo la misma frecuencia de símbolos, el mismo filtro RRC y
la misma separación entre canales que en la TETRA existente. Por
tanto, la realización ofrece un método para mejorar la capacidad de
un sistema de comunicaciones móviles TETRA merced al uso de un
esquema de modulación de nivel superior en los canales de
comunicaciones de la TETRA existente, con el fin de permitir
mayores frecuencias de datos.
Por otro lado, como el esquema propuesto de
modulación con frecuencia de datos mejorada es similar a la
modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA existente, solamente se
requieren cambios menores en el modulador y el desmodulador para el
esquema de modulación con frecuencia de datos mejorada, permitiendo,
de ese modo, por ejemplo, conmutar de manera relativamente sencilla
entre la modulación DQPSK \pi/4 de la TETRA existente y el método
de modulación mejorada de la presente invención, y un grado elevado
de intercambiabilidad y flexibilidad entre modos de
funcionamiento.
Además, en sus realizaciones preferidas, al
menos, la razón valor máximo/valor medio del esquema de modulación
de la presente realización no es significativamente peor que la de
la TETRA existente, de modo que puede usarse el mismo transmisor
que en la TETRA existente. Por otro lado, los requisitos de
linealidad del esquema de modulación nuevo no son
significativamente diferentes de los de la modulación DQPSK \pi/4
actual usada en TETRA.
Por tanto, se anticipa que, para soportar el
nuevo esquema de modulación, las modificaciones en los equipos de
la TETRA existente serán relativamente pequeñas. En consecuencia, el
esquema con frecuencia de datos mejorada será relativamente fácil
de poner en práctica en un sistema TETRA existente.
Así, el esquema de modulación con frecuencia de
datos mejorada de la presente invención constituye una mejora de
complejidad relativamente baja para el sistema TETRA actual, pero
que, no obstante, puede ofrecer un aumento, en bruto, del 50% de la
frecuencia de bits en los canales TETRA de 25 kHz existentes.
De ese modo, puede usarse para ofrecer
frecuencias de datos superiores que la TETRA estándar existente, en
canales de tráfico de la TETRA existente y usando sitios existentes
en el plan de red celular, mientras que las modificaciones del
sistema TETRA estándar para permitir la frecuencia de datos mejorada
se mantienen en un nivel relativamente reducido.
Por tanto, la presente invención será ventajosa,
entre otras cosas, cuando se desee mejorar las prestaciones de un
sistema existente y cuando los fabricantes de sistemas TETRA deseen
mantener las inversiones en desarrollo y nuevos equipos en el nivel
más bajo posible.
Claims (14)
1. Un método para hacer funcionar un sistema de
comunicaciones móviles TETRA, caracterizado porque
comprende:
usar el esquema de modulación DQPSK \pi/4 de
TETRA para transmisiones en el sistema; y caracterizándose
porque comprende:
usar otro esquema de modulación, diferente, para
otras transmisiones en el sistema; y
señalizar, en un canal modulado mediante el
esquema DQPSK \pi/4, una indicación de la disponibilidad de un
canal con esquema de modulación diferente.
2. El método de la reivindicación 1, que
comprende:
usar un esquema de modulación por desplazamiento
de fase y codificación diferencial de 3 bits por cada símbolo como
el otro esquema de modulación diferente.
3. El método de las reivindicaciones 1 o 2, que,
además, comprende usar con el otro esquema de modulación diferente
la misma frecuencia de símbolos, el mismo filtro de raíz de coseno
realzado (RRC) y la misma separación entre canales usados con el
esquema de modulación DQPSK \pi/4 de TETRA.
4. El método de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que, además, comprende usar con el
otro esquema de modulación diferente la estructura de canales,
ventanas y tramas usadas con el esquema de modulación DQPSK \pi/4
de TETRA.
5. El método de la reivindicación 2, o de las
reivindicaciones 3 o 4 cuando dependan de la reivindicación 2, que
comprende:
usar el esquema de modulación por desplazamiento
de fase y codificación diferencial de 3 bits por cada símbolo para
transmisiones en el sistema cuando se desee una frecuencia de
transmisión de datos mayor; y
usar el esquema de modulación DQPSK \pi/4 de
TETRA para transmisiones en el sistema cuando se desee una
frecuencia de transmisión de datos menor.
6. El método de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que, además, comprende usar los
canales TETRA de 25 kHz con ambos esquemas de modulación.
7. El método de cualquiera las reivindicaciones
precedentes, que, además, comprende transmitir ráfagas de
sincronización para la sincronización inicial y el bloqueo de
frecuencia usando el esquema de modulación DQPSK \pi/4.
8. El método de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende transmitir una secuencia
de instrucción integrada para facilitar la sincronización de tramas
del otro esquema de modulación diferente.
9. Una estación de comunicaciones para un
sistema de comunicaciones móviles TETRA, que comprende:
medios (3) para realizar transmisiones usando el
esquema de modulación DQPSK \pi/4 de TETRA; y
caracterizándose porque comprende:
medios (3) para realizar transmisiones usando
otro esquema de modulación diferente; y
medios (1) para señalizar, en un canal modulado
mediante el esquema DQPSK \pi/4, una indicación de la
disponibilidad de un canal con esquema de modulación diferente.
10. La estación de comunicaciones de la
reivindicación 9, en la que los medios (3) para realizar
transmisiones usando otro esquema de modulación diferente
comprenden medios para realizar transmisiones usando un esquema de
modulación por desplazamiento de fase y codificación diferencial de
3 bits por cada símbolo.
11. La estación de comunicaciones de las
reivindicaciones 9 o 10, que comprende:
medios para usar el otro esquema de modulación
diferente para transmisiones en el sistema cuando se desee una
frecuencia de transmisión de datos mayor; y
medios para usar el esquema de modulación DQPSK
\pi/4 de TETRA para transmisiones cuando se desee una frecuencia
de transmisión de datos menor.
\newpage
12. La estación de comunicaciones de las
reivindicaciones 9, 10, u 11, que, además, comprende medios para
transmitir ráfagas de sincronización para la sincronización inicial
y el bloqueo de frecuencia usando el esquema de modulación DQPSK
\pi/4.
13. La estación de comunicaciones de las
reivindicaciones 9, 10, 11 o 12, que comprende medios para
transmitir una secuencia de instrucción integrada para facilitar la
sincronización de tramas del otro esquema de modulación
diferente.
14. Un programa informático que comprende medios
de codificación destinados a realizar todas las operaciones del
método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 cuando el
programa se ejecute en un sistema de tratamiento de datos.
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