Técnicas de procesado de señal basadas en múltiples antenas para redes inalámbricas con modulaciones OFDM

Peer Reviewe

Técnicas de procesado de señal basadas en múltiples antenas para redes inalámbricas con modulaciones OFDM

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Simulación de MIMO-OFDM en el downlink de LTE

El crecimiento de las telecomunicaciones en estos últimos años ha sido realmente vertiginoso. Los usuarios cada vez exigen una mayor movilidad y un mayor ancho de banda, además de la mejor calidad de servicio posible y una mayor cobertura. Pretenden disponer de cualquier tipo de aplicación en cualquier lugar y en cualquier momento. Esta tendencia implica una enorme fijación en la actualidad por las redes de comunicaciones inalámbricas de alta capacidad. Recientemente en España y en otros países del mundo se ha producido el lanzamiento de la red LTE, lo que ha supuesto una enorme evolución con respecto a los sistemas móviles anteriores. Esta nueva tecnología constituye el camino hacia las comunicaciones 4G, sin llegar a cumplir los requisitos de velocidad y tasa de datos de la misma, por lo que se considerará como una tecnología 3.9G. La evolución de este estándar constituirá LTE-Advanced y en este caso sí que se cumplirían las condiciones necesarias fijadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para ser calificado como 4G. LTE (Long Term Evolution) rompe con el diseño de sistemas anteriores donde era posible el transporte de voz y datos. En este caso únicamente es posible la transmisión y la recepción de datos ya que la red se basa completamente en el protocolo IP. Este trabajo fin de grado se basa en la simulación del enlace descendente de LTE mediante el uso de Matlab. La Release 8 de 3GPP define MIMO-OFDM como el método para implementar este DL. Los moduladores a utilizar según el estándar son el QPSK, el 16-QAM y el 64-QAM. Esta combinación de las tecnologías MIMO y OFDM resulta altamente beneficiosa. OFDM supone una mayor defensa contra los errores surgidos debido a los canales multitrayecto. Por otro lado MIMO consiste en el uso de varias antenas, lo que implica un enorme aumento de la velocidad de transmisión y proporciona al sistema una alta robustez. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), divide el ancho de banda en portadoras ortogonales entre sí, esta ortogonalidad implica que se puedan poner bastantes subportadoras juntas, lo que aumenta la eficiencia espectral. La rejilla de recursos servirá para organizar de forma eficiente los recursos radio para el envío de la información y la introducción de señales piloto. Estas señales de referencia tendrán la función de indicar las variaciones originadas por los efectos del canal y ayudar a que el ecualizador las corrija. Por otro lado para evitar la interferencia intersimbólica ISI, se usará un prefijo cíclico. Esto supone que el sistema sea robusto frente a los canales multitrayecto. La implementación del modelo de bloques de OFDM en Matlab será básica para el funcionamiento de todos los sistemas del presente proyecto independientemente del número de antenas y del tipo de modulador a utilizar. MIMO (Multiple Input Multiple Output) consiste en el uso de varias antenas en el transmisor y en el receptor. Fundamentalmente el incremento del número de antenas y de los flujos de información conlleva una mejora en el rendimiento, debido al aumento de la capacidad del sistema y la cancelación de interferencias. Con cada antena del sistema existirá una rejilla de recursos diferente. Cada una de estas rejillas dispondrá de unas posiciones para medir cuales son los cambios producidos por el canal, el uso de estas posiciones concretas significa que en el resto de rejillas de recursos esa determinada posición no puede usarse y así el ecualizador calculará los efectos del canal de forma correcta. Finalmente después de la implementación de todos los sistemas posibles y tras la validación de los mismos, se realizará una valoración de los resultados obtenidos con el objetivo de determinar las características fundamentales de todos ellos y las posibilidades que ofrecen.The growth of the telecommunications has been significantly fast in the last few years. The users demand a greater mobility and more bandwidth as well as the best possible quality of service and better coverage. They want to have any application, in any place, at any time. Nowadays this trend implies a huge fixation by the high-capacity wireless communications. Recently in Spain and in other countries in the world, the LTE network launch has occurred which has been a great evolution over earlier mobile systems. This new technology is the way to the fourth-generation communications, without fulfilling the requirements of speed and data rate of the same, and this is the reason why it is considered like a 3.9 G technology. The evolution of this standardization will turn in LTE-Advanced and in this situation, the essential conditions set by International Telecommunications Union to be considered 4G would be achieved. LTE (Long Term Evolution) has changed the design of previous systems where the communication was with data and voice. In this case, only the transmission and reception of data are possible because the network is completely based on the Internet Protocol. This final project consists in the simulation of the LTE downlink using Matlab. Release 8 in 3GPP defines MIMO-OFDM as the method to carry this downlink. The modulators for this technology are QPSK, 16-QAM and 64-QAM, according to the standard. The use of MIMO and OFDM together is really beneficial. OFDM means a greater defense against the multipath channel mistakes. On the other hand, MIMO uses some antennas, the consequences are a great increase of the transmission speed and a system more efficient. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) divides the bandwidth into some orthogonal carriers, this orthogonality means that it is possible to use many carriers together in order to improve spectral efficiency. The resource grid serves to organize the radio resources in an efficient way to send the information and to introduce the pilot signals. The function of the reference signals is to show the changes caused by the channel and to help the equalizer repair it. A cyclic prefix is used to avoid inter-symbol interference. The use of the cyclic prefix makes the system strong against multipath channels. MIMO (Multiple Input Multiple Output) entails using some antennas in the transmitter and in the receiver. The increased number of antennas and information flows mainly involve an improvement in performance, due to the system‟s capacity gain and the interference cancellation. There is a different resource grid with each antenna of system. Every one of these grids have some positions to measure what changes have been produced by the channel, the use of these specific positions implies that this resource cannot be used by the other time-frequency grids and, thereby, the equalizer can calculate the channel effects correctly. Finally, after the implementation of all possible systems and their validation, an evaluation of the results is done in order to define the main features of all of them and the possibilities that they provide.Ingeniería de Sistemas de Comunicacione

D-BLAST MIMO Perfomance Analysis over SDR-USRP

Este artículo describe la implementación de la técnica basada en multiplexación espacial D–BLAST sobre equipos de radio definido por software (SDR) específicamente usando USRP Ettus Research x310; con el objetivo de afrontar el problema de la diversidad espacial que posee el esquema de MIMO Alamouti, al no poder incrementar el número de antenas del transmisor respecto al del receptor. El escenario de simulación fue en un ambiente indoor usando las herramientas de programación gráfica con el software Labview Communications, logrando un diseño más robusto de codificación basado en la no linealidad de ecuaciones matriciales, mitigando, de este modo, a través de la redundancia de información los efectos de la interferencia que genera el incremento propio de las antenas en el transmisor. Los resultados experimentales evaluados fueron la tasa de error de bit (BER) y la tasa de error de símbolo (SER) para determinar la efectividad de la diversidad espacial. La ganancia lograda fue alrededor de 10 dB y 7 dB en MIMO 2×2 y MIMO 3×2 respectivamente, usando la técnica D–BLAST simétrica.This paper describes the implementation of technique based on D–BLAST spatial multiplexing over Software Defined Radio (SDR) equipment; specifically, using Universal Software Peripheral Radio (USRP) Ettus Research x310; with the aim of solve the problem of spatial diversity that the MIMO Alamouti scheme has, since it is not possible to increase the number of antennas of the transmitter with respect to the receiver. The simulation scenario was in an indoor environment using graphical programming tools with the Labview Communications Software, achieving a more robust coding design based on the nonlinearity of matrix equations, in this way, the effects of interference were mitigating through the redundancy of information due to the increase of the antennas at the transmitter. The experimental results evaluated were bit error rate (BER) and symbol error rate (SER) to determine the effectiveness of spatial diversity. The gain achieved was around 10dB and 7dB in MIMO 2×2 and MIMO 3×2 respectively, using the symmetric D–BLAST technique

Técnicas avanzadas de comunicaciones radio para 5G con MIMO masivo

En las últimas décadas, se ha producido en la sociedad un cambio drástico en la manera de comunicarse; se podría considerar que ha tenido lugar una revolución en las comunicaciones y, tras ella, la necesidad de ser capaces de transmitir la información de manera más rápida (tras una mejora de tasa binaria), eficaz, en mayores cantidades y con menor probabilidad de error (QoS, quality-of-service) se ha convertido en un objetivo necesario para satisfacer la demanda que las nuevas tecnologías de comunicación requieren para una sociedad cada vez más conectada. Estos requisitos son especialmente buscados en tecnologías de transmisión inalámbricas donde serán caso de estudio las técnicas avanzadas de comunicación de los sistemas de comunicaciones de banda ancha celulares de quinta generación (5G) que sean capaces de cumplir con los requisitos que los avances tecnológicos y la sociedad demandan. Entre las diversas tecnologías de transmisión inalámbricas, en este estudio, se hará hincapié en el novedoso método de Múltiples entradas-Múltiples salidas (Multiple-Input and Multiple-Output, MIMO) con el que se consigue aumentar la tasa binaria y reducir la tasa de error de bit usando múltiples antenas tanto para la transmisión como para la recepción. Junto con MIMO, la técnica de transmisión usada y estudiada en el trabajo, por sus ventajas, es la multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM). Posteriormente, se analizará uno de los métodos más avanzados de radiocomunicación MIMO, denominado como MIMO Masivo (Massive MIMO), en el que el número de antenas en transmisión y recepción aumentan considerablemente. Los múltiples canales que se generan en estos entornos masivos, requieren una gran cantidad de información piloto para su estimación. Esto se traduce en una pérdida de tasa binaria y al problema de interferencia entre pilotos de distintas celdas se le conoce como Contaminación de Pilotos (Pilot Contamination). Se estudiarán diversos escenarios con varias redes de celdas en los que se tienen en cuenta diferentes factores (distancia entre estaciones de transmisión) y entornos (desvanecimientos de señal por interferencias, contaminación de señales piloto…). Finalmente, se tratará de analizar y simular posibles soluciones para uno de los mayores problemas de MIMO Masivo en redes celulares, la contaminación de pilotos (Pilot Contamination).In recent years, mobile communications with a large variety of services have been occupying more and more space in the radio-electric spectrum due to the great diversity of devices that transmit in similar radio frequencies (RF) and has arisen, due to new technologies emerging from communications and the need to transmit more information at a much higher transmission rate. Telephony services with a high amount of data transmission, high-quality television broadcasting services (HDTV broadcasting) or telephony services with a large amount of data transmission (5G) are some of the new needs in today's technology. There are new techniques to take full advantage of the radio-electric spectrum, since this is a limited resource. In order to maintain a high special efficiency, the modulation technique that combines the best features is Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM. It is the modulation technique used in this project, which is useful for the propagation of the multiple paths (multipath propagation). This technique consists of transmitting modulated information on a high number of subcarriers that are multiplexed at frequency generating what is called the OFDM symbol, formed by the element of the subchannels that are orthogonal to each other. This orthogonality gives rise to the high efficiency spectral efficiency sought in addition to providing gain in frequency diversity and improving the performance of the physical layer. Another of the techniques that are very attractive to achieve solutions in the speed of information transmission in wireless links and, therefore, obtain maximum efficiency, the combination of OFDM technology with multiple antenna technologies in transmission and reception (MIMO - Multiple input and multiple output) which could lead to the best solution [3]. Systems of multiple antennas offer a greater increase of the capacity of transmission than systems of transmission SISO (Single-Input and Single-Exit). This MIMO-OFDM combination offers a multitude of advantages and solutions in an effective way, the problems previously mentioned allow to improve the performance reducing the effect of interferences, being in this way the transmission technique used jointly in this project. Among the objectives of this work, one of them is to present both techniques, design a communications system, present the functionality for mobile devices of the fifth generation of mobile communications (5G), introduce its functionality, advantages and offer a solution to the technical problem that it faces. The data on transmission quality will be analyzed on a channel that simulates an OFDM-MIMO communication environment in which a multitude of parameters can be found, among them, the number of transmissions and receivers. MIMO is a technique in which several antennas are used in transmission and reception (For example: MIMO 4x4) to improve the quality, capacity, robustness and speed of the link which has been seen significantly improved by the number of antennas in transmission and reception (For example: 16x64). This increase in antennas in MIMO systems is called Massive MIMO (Massive MIMO). It's a revolutionary technology that has many advantages over standard MIMO and increases its efficiency and energetic consumption [4]. Despite the fact that the results offered by the MIMO system arise a series of problems that specifically affect Massive MIMO environments, as mutual coupling or the problem with spatial correlation between antennas [5]. The project analyzed a series of scenarios that simulate an advanced environment of Massive MIMO, a derivative of the OFDM-MIMO system, in which the behavior of its effects is reflected, proposing possible solutions to the problem of pilot contamination. which causes a bad estimation of the channel resulting in poor performance. These scenarios simulate a red base with 64 transmitting/receiving antennas and 16 mobile antennas/mobile devices that transmit information from mobile devices to the base of the station (uplink). The cells (with hexagonal shape) neighboring the main cell generate interference that in this condition can be affected problem of pilot contamination.Ingeniería en Tecnologías de Telecomunicació

Comparativa entre el uso de técnicas MIMO y SISO en sistemas interiores de televisión digital terrestre con estándar ISDB-TB, en un ambiente simulado.

El objetivo del trabajo es comparar la transmisión con el estándar de televisión digital terrestre adoptado por Ecuador, ISDB-Tb, sin técnicas de diversidad espacial (SISO), tal como lo indica la norma; y la transmisión con un estándar modificado, el cual cuente con técnicas de diversidad (MIMO). Mediante simulaciones computacionales se realizan transmisiones de una trama de bits a través del estándar de estudio, del mismo que se obtienen valores de relaciones señal ruido (SNR) que servirán de base para la comparativa; el trabajo consiste en modificar el sistema ISDBTb simulado, de tal forma que permita la inserción de técnicas de diversidad espacial, lo que una vez conseguido permite realizar nuevas transmisiones de la misma trama anteriormente usada, para obtener otros valores de relaciones señal ruido, que se compararán a los datos tomados inicialmente. Como resultado final se obtiene, de forma cuantitativa, la mejora en términos de robustez como consecuencia de la inserción de diversidad espacial MIMO 2x2 en el estándar de televisión digital terrestre ISDB-Tb; para lo que se presentan gráficas comparativas de BER vs SNR entre sistemas SISO y MIMO 2x2. Se demuestra con esta investigación que es posible combatir la hostilidad del medio de propagación radioeléctrica, mitigando las consecuencias del multitrayecto por interferencias, gracias a la implementación de técnicas de diversidad espacial. Se recomienda ahondar en investigaciones de técnicas de diversidad que permitan además de fortalecer una transmisión en términos de robustez, el aprovechamiento de ancho de banda para la transmisión de datos de mayor calidad.The objective of the work is to compare the transmission with the terrestrial digital television standard adopted by Ecuador, ISDB-Tb, without spatial diversity techniques (SISO), as the norm indicates; and the transmission with a modified standard, which has diversity techniques (MIMO). Through computational simulations, transmissions of a bit frame are carried out through the study standard, from which values of signal-to-noise ratios (SNR) are obtained, which will serve as the basis for the comparison; the work consists of modifying the simulated ISDB-Tb system, in such a way that it allows the insertion of spatial diversity techniques, which once achieved allows to make new transmissions of the same plot previously used, to obtain other values of signal-tonoise ratios, which will be compared to the data initially taken and the conclusions of this work can be defined from them. As a final result we obtain, in a quantitative way, the improvement in terms of robustness as a consequence of the insertion of spatial diversity MIMO 2x2 in the digital terrestrial television standard ISDB-Tb; for which comparative graphs of BER vs SNR are presented between SISO and MIMO 2x2 systems. This research shows that it is possible to combat the hostility of the radio propagation medium, mitigating the consequences of multipath interference, thanks to the implementation of spatial diversity techniques

Transmisión multiportadora sin prefijo cíclico para comunicaciones radio de alta capacidad

Este trabajo fin de grado está orientado en una de las líneas de investigación seguidas en la actualidad para conseguir aumentar la capacidad de los sistemas de comunicaciones. Se ha centrado el trabajo en el marco de la modulación multiportadora Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) por ser una de las técnicas más utilizadas en la actualidad en sistemas de banda ancha. El objetivo será aumentar la tasa de transmisión de un sistema de comunicaciones suprimiendo o reduciendo el prefijo cíclico, Cyclic Prefix (CP), perteneciente a OFDM. Se analizan y muestran las consecuencias en forma de interferencias que se tienen como resultado de no utilizar un CP mayor que la respuesta al impulso del canal. Las interferencias que se han encontrado son las denominadas como ISI (Inter-Symbol Interference) por no introducir un intervalo de guarda suficiente entre los símbolos OFDM e ICI (Inter-Carrier Interference) por la pérdida de ortogonalidad entre las subportadoras, provocando estas unos pésimos resultados en el sistema. Para poder combatir estos efectos se explicará y se implementará un algoritmo de cancelación de interferencias llamado “Cancelación residual de ISI” (RISIC). Este algoritmo consiste en realizar una combinación de cancelación de cola y una reconstrucción cíclica. Se ha analizado si los resultados obtenidos compensan el aumento de complejidad introducida en el sistema. Además, en este trabajo se investiga cómo esta técnica puede ser implementada en estándares actuales como Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) o LTE (Long Term Evolution), y así poder conseguir mayores velocidades de transmisión de datos.This final degree project deals with the research lines followed at present for increasing the capacity of communications systems. We have focused our work in multicarrier modulation Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) for being one of the techniques used today in broadband systems. The goal that we want to achieve will be to increase the transmission rate of a communication system by eliminating or reducing the Cyclic Prefix (CP) pertaining to OFDM. Consequences are analyzed and displayed in the form of interference effects as result as not using a CP higher than the channel impulse response. The interferences that have been found are named ISI (Inter-Symbol Interference). This is because ISI doesn't introduce enough guard interval between OFDM symbols and ICI (Inter-Carrier Interference) for the loss of orthogonality between subcarriers and it provokes dismal system results. To combat these effects will be discussed and implemented an algorithm called interference cancellation "Residual ISI Cancellation" (RISIC). This algorithm is to perform a combination of tail cancellation cyclic reconstruction. We have analyzed if the results outweigh the increased complexity introduced into the system. In addition, this final degree project investigates how this technique can be implemented in existing standards such as WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) or Long Term Evolution (LTE), so you can achieve higher data transmission speeds.Ingeniería de Sistemas de Comunicacione

"Análisis de Desempeño de un Sistema MIMO-OFDM con Predicción de Canal"

Las comunicaciones inalámbricas en que el canal de transmisión inalámbrico se define por efectos de dispersión por movimiento y obstáculos físicos entre transmisor y receptor, son un claro ejemplo de los retos que se enfrentan para lograr una comunicación efectiva mediante un ambiente ruidoso. La demanda de múltiples servicios de telecomunicaciones, como transmisión de voz, video y datos, ha hecho que la capacidad de transmisión y recepción de los sistemas de comunicaciones aumente para lograr grandes tasas de transmisión de datos con baja cantidad de errores recibidos, que hagan la comunicación confiable y utilizando el mínimo de recursos como espectro radioeléctrico y energía (potencia). Los sistemas de cuarta generación (4G) han llegado en los últimos años, con diversas tecnologías, para cumplir con los requerimientos impuestos; en estos sistemas se utilizan técnicas como el uso de múltiples antenas (Multiple Input – Multiple Output, MIMO), modulación (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), codificación, estimación y predicción de canal para adaptar el sistema a las condiciones de este, y así lograr el objetivo de obtener una transmisión confiable. En este trabajo se evalúan diferentes técnicas lineales y no lineales de predicción del canal inalámbrico, cuyas muestras con distribución Rayleigh han sido generadas y aplicadas sobre un sistema MIMO-OFDM. El sistema MIMO-OFDM se desarrolló con una descripción a nivel de sistemas usando el lenguaje de SystemC para obtener medidas de desempeño del mismo sobre el canal de comunicaciones, al cual se adapta utilizando la relación señal a ruido del canal estimado y predicho. La adaptación al canal o enlace de comunicaciones (Link Adaptation) se obtuvo en relación a esquemas de modulación para aumentar o disminuir la tasa de transmisión y de errores de bit (BER – Bit Error Rate) de acuerdo con las condiciones de ruido del canal. El análisis de desempeño del sistema y las técnicas de predicción de canal fue determinado por métricas de cantidad de errores, precisión de la predicción realizada, tasa de transmisión, latencia, complejidad computacional y utilización de memoria. A partir de allí se hicieron comparaciones de desempeño entre técnicas lineales y no lineales que permitieron establecer la viabilidad de la implementación de estas en un sistema de comunicaciones real. La investigación fue llevada a cabo usando una descripción del sistema a nivel de capa física cuya evaluación en banda base da la posibilidad de validar el comportamiento del mismo con respecto al procesamiento de señales generadas en forma de trama de datos binaria con distribución uniforme. Los resultados obtenidos muestran que los algoritmos de predicción de canal generan un aumento de aproximadamente el 7% mínimo en la latencia del sistema MIMO-OFDM y además existe una relación entre el funcionamiento y la complejidad computacional de los algoritmos estudiados.Abstract. Wireless communications, where the channel is defined by spread effects and physical obstacles between transmitter and receiver, are a clear example of the challenges faced in order to have an effective communication in noisy environments. Demand for multiple communication systems, such as voice, video and data, have made transmission and reception capabilities of nowadays communication systems to increase in order to accomplish high transmission and low reception error rates that makes wireless communications more reliable with the use of minimum radio spectrum and power. Fourth generation (4G) systems have come in the recent years with diverse technologies, to fit requirements imposed; in this systems multiple techniques such as multiple antennas at transmitter and receiver, modulation, coding channel estimation and prediction are used to adjust the system to channel conditions. In this work different techniques are evaluated for linear and non-linear prediction of n time spaces of the wireless channel, whose samples have been generated and applied to a MIMO-OFDM system. The MIMO-OFDM system has been developed on a system – level description with SystemC in order to enable performance measures of the communication system adaptation over a noisy wireless channel using Signal to Noise ratio (SNR) measured of the estimated and/or predicted channel. Link adaptation was made around different modulation schemes to increase or decrease transmission data rates and Bit Error Rate (BER) according to channel noise conditions. Performance analysis for the system and its channel prediction techniques was determined by metrics of number of errors, prediction error, transmission rate, latency, computational complexity and memory usage. Comparison between linear and non-linear prediction techniques in order to establish the viability of implementation of such techniques in real communication systems was also performed as one of the main goals for this work. Research on this topic was performed using a system level description of the physical layer of the MIMO-OFDM system whose evaluation in base band gives the possibility to validate system behaviour in relation to signal processing of randomly generated bit frames with a uniform distribution. Results show that channel prediction algorithms increase latency of the MIMO-OFDM system in about 7%, and also that there is a relationship between performance and computational complexity for the studied algorithms.Maestrí

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments

Channel Estimation Architectures for Mobile Reception in Emerging DVB Standards

Throughout this work, channel estimation techniques have been analyzed and proposed for moderate and very high mobility DVB (digital video broadcasting) receivers, focusing on the DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2) framework and the forthcoming DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) standard. Mobility support is one of the key features of these DVB specifications, which try to deal with the challenge of enabling HDTV (high definition television) delivery at high vehicular speed. In high-mobility scenarios, the channel response varies within an OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) block and the subcarriers are no longer orthogonal, which leads to the so-called ICI (inter-carrier interference), making the system performance drop severely. Therefore, in order to successfully decode the transmitted data, ICI-aware detectors are necessary and accurate CSI (channel state information), including the ICI terms, is required at the receiver. With the aim of reducing the number of parameters required for such channel estimation while ensuring accurate CSI, BEM (basis expansion model) techniques have been analyzed and proposed for the high-mobility DVB-T2 scenario. A suitable clustered pilot structure has been proposed and its performance has been compared to the pilot patterns proposed in the standard. Different reception schemes that effectively cancel ICI in combination with BEM channel estimation have been proposed, including a Turbo scheme that includes a BP (belief propagation) based ICI canceler, a soft-input decision-directed BEM channel estimator and the LDPC (low-density parity check) decoder. Numerical results have been presented for the most common channel models, showing that the proposed receiver schemes allow good reception, even in receivers with extremely high mobility (up to 0.5 of normalized Doppler frequency).Doktoretza tesi honetan, hainbat kanal estimazio teknika ezberdin aztertu eta proposatu dira mugikortasun ertain eta handiko DVB (Digital Video Broadcasting) hartzaileentzat, bigarren belaunaldiko Lurreko Telebista Digitalean DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2 ) eta hurrengo DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) estandarretan oinarrututa. Mugikortasuna bigarren belaunaldiko telebista estandarrean funtsezko ezaugarri bat da, HDTV (high definition television) zerbitzuak abiadura handiko hartzaileetan ahalbidetzeko erronkari aurre egiteko nahian. Baldintza horietan, kanala OFDM (ortogonalak maiztasun-zatiketa multiplexing ) sinbolo baten barruan aldatzen da, eta subportadorak jada ez dira ortogonalak, ICI-a (inter-carrier interference) sortuz, eta sistemaren errendimendua hondatuz. Beraz, transmititutako datuak behar bezala deskodeatzeko, ICI-a ekiditeko gai diren detektagailuak eta CSI-a (channel state information) zehatza, ICI osagaiak barne, ezinbestekoak egiten dira hartzailean. Kanalaren estimazio horretarako beharrezkoak diren parametro kopurua murrizteko eta aldi berean CSI zehatza bermatzeko, BEM (basis expansion model) teknika aztertu eta proposatu da ICI kanala identifikatzeko mugikortasun handiko DVB-T2 eszenatokitan. Horrez gain, pilotu egitura egokia proposatu da, estandarrean proposatutako pilotu ereduekin alderatuz BEM estimazioan oinarritua. ICI-a baliogabetzen duten hartzaile sistema ezberdin proposatu dira, Turbo sistema barne, non BP (belief propagation) detektagailua, soft BEM estimazioa eta LDPC (low-density parity check ) deskodetzailea uztartzen diren. Ohiko kanal ereduak erabilita, simulazio emaitzak aurkeztu dira, proposatutako hartzaile sistemak mugikortasun handiko kasuetan harrera ona dutela erakutsiz, 0.5 Doppler maiztasun normalizaturaino.Esta tesis doctoral analiza y propone diferentes técnicas de estimación de canal para receptores DVB (Digital Video Broadcasting) con movilidad moderada y alta, centrándose en el estándar de segunda generación DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2 ) y en el próximó estándar DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld ). La movilidad es una de las principales claves de estas especificaciones, que tratan de lidiar con el reto de permitir la recepción de señal HDTV (high definition television) en receptores móviles. En escenarios de alta movilidad, la respuesta del canal varía dentro de un símbolo OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing ) y las subportadoras ya no son ortogonales, lo que genera la llamada ICI (inter-carrier interference), deteriorando el rendimiento de los receptores severamente. Por lo tanto, con el fin de decodificar correctamente los datos transmitidos, detectores capaces de suprimir la ICI y una precisa CSI (channel state information), incluyendo los términos de ICI, son necesarios en el receptor. Con el objetivo de reducir el número de parámetros necesarios para dicha estimación de canal, y al mismo tiempo garantizar una CSI precisa, la técnica de estimación BEM (basis expansion model) ha sido analizada y propuesta para identificar el canal con ICI en receptores DVB-T2 de alta movilidad. Además se ha propuesto una estructura de pilotos basada en clústers, comparando su rendimiento con los patrones de pilotos establecidos en el estándar. Se han propuesto diferentes sistemas de recepción que cancelan ICI en combinación con la estimación BEM, incluyendo un esquema Turbo que incluye un detector BP (belief propagation), un estimador BEM soft y un decodificador LDPC (low-density parity check). Se han presentado resultados numéricos para los modelos de canal más comunes, demostrando que los sistemas de recepción propuestos permiten la decodificación correcta de la señal incluso en receptores con movilidad muy alta (hasta 0,5 de frecuencia de Doppler normalizada)