Channel and frequency offset estimation schemes for multicarrier systems

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaO presente trabalho aborda o problema da estimação de canal e da estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com múltiplas configurações de antenas no transmissor e no receptor. Nesta tese é apresentado o estudo teórico sobre o impacto da densidade de pilotos no desempenho da estimação de canal em sistemas OFDM e são propostos diversos algoritmos para estimação de canal e estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com antenas únicas no transmissor e receptor, com diversidade de transmissão e MIMO. O estudo teórico culmina com a formulação analítica do erro quadrático médio de um estimador de canal genérico num sistema OFDM que utilize pilotos dedicados, distribuidos no quadro transmitido em padrões bi-dimensionais. A formulação genérica é concretizada para o estimador bi-dimensional LS-DFT, permitindo aferir da exactidão da formulação analítica quando comparada com os valores obtidos por simulação do sistema abordado. Os algoritmos de estimação investigados tiram partido da presença de pilotos dedicados presentes nos quadros transmitidos para estimar com precisão os parâmetros pretendidos. Pela sua baixa complexidade, estes algoritmos revelam-se especialmente adequados para implementação em terminais móveis com capacidade computacional e consumo limitados. O desempenho dos algoritmos propostos foi avaliado por meio de simulação do sistema utilizado, recorrendo a modelos aceites de caracterização do canal móvel multipercurso. A comparação do seu desempenho com algoritmos de referência permitir aferir da sua validade. ABSTRACT: The present work focus on the problem of channel estimation and frequency offset estimation in OFDM systems, with different antenna configurations at both the transmitter and the receiver. This thesis presents the theoretical study of the impact of the pilot density in the performance of the channel estimation in OFDM systems and proposes several channel and frequency offset algorithms for OFDM systems with single antenna at both transmitter and receiver, with transmitter diversity and MIMO. The theoretical study results in the analytical formulation of the mean square error of a generic channel estimator for an OFDM system using dedicated pilots, distributed in the transmitted frame in two-dimensional patterns. The generic formulation is implemented for the two-dimensional LS-DFT estimator to verify the accuracy of the analytical formulation when compared with the values obtained by simulation of the discussed system. The investigated estimation algorithms take advantage of the presence of dedicated pilots present in the transmitted frames to accurately estimate the required parameters. Due to its low complexity, these algorithms are especially suited for implementation in mobile terminals with limited processing power and consumption. The performance of the proposed algorithms was evaluated by simulation of the used system, using accepted multipath mobile channel models. The comparison of its performance with the one of reference algorithms measures its validity

Descripción hardware de algortimos de estimación de canal y sincronización tiempo frecuencia para un sistema 2x2 MIMO-OFDM

La sociedad actual, cada vez más, demanda banda ancha y movilidad, por lo que se requieren cada vez más, sistemas de comunicaciones que cumplan estas dos premisas. Así, hoy en día, existe un gran interés por las redes de comunicaciones inalámbricas de alta capacidad. El empleo de la modulación “Orthogonal Frecuency Division Multiplexing” (OFDM) combinada con técnicas multi-antena “Multiple-Input Multiple-Output” (MIMO) es uno de los métodos más atractivos para implementar sistemas de comunicaciones inalámbricos de alta capacidad. La modulación ODFM presenta una gran robustez ante canales selectivos en frecuencia, ya que divide el espectro de frecuencias en canales que presentan un desvanecimiento prácticamente plano, posibilitando así una sencilla igualación de los mismos. Por otra parte, las técnicas MIMO proporcionan diversidad y permiten un aumentar la capacidad del sistema de comunicación inalámbrico. Los sistemas que utilizan estas técnicas son conocidos como sistemas MIMOOFDM. Una FPGA (Field Programmable Gate Array) es un dispositivo semiconductor constituido por una serie de bloques lógicos programables (CLBs, Configurable Logic Blocs) que se interconectan a través de una matriz de interconexión programable electrónicamente. En los últimos años, las plataformas de desarrollo basadas en FPGAs han evolucionado considerablemente y la aparición de nuevas herramientas de diseño hardware, ha hecho posible que se pueda emplear este tipo de dispositivos para aplicaciones que antiguamente se destinaban a los ASIC (Circuito integrado para aplicaciones especificas) El presente proyecto trata de completar un sistema de comunicaciones basado en los conceptos descritos en los párrafos anteriores, es decir, sistemas MIMOOFDM y plataformas de desarrollo basadas en FPGAs. Así, el fin del presente proyecto es diseñar los módulos de estimación de canal y sincronización tiempo-frecuencia de un sistema de comunicaciones basado en el estándar IEEE 802.16d-2004 (Wimax fijo) utilizando MIMO 2x2, modulación OFDM y BPSK (Binary Phase Shift Keying) para la modulación de datos. El diseño de los módulos de estimación de canal y sincronización tiempo-frecuencia han sido realizados mediante una plataforma de desarrollo sobre FPGA basada en Simulink®. ____________________________________________________________________________________________________________Current society, nowadays, demand more broadband services and mobility, then, telecommunication systems which achieve these requirements, are required. The Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation combined with Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) techniques are one of the most interesting methods to provide broadband wireless telecommunication systems. OFDM modulation provides immunity in frequency selective fading channels. On the other hand, MIMO techniques provide diversity and allow increasing the capability in the wireless telecommunication systems. A Field Programmable Gate Array (FPGA) is a semiconductor device composed of Configurable Logic Blocs (CLBs) which are interconnected by means of a programmable interconnection matrix. In the last years, developments platforms based on FPGAs have considerably evolved, and the appearance of new Hardware design tools, has made possible the use of this kind of devices in applications which were planned for ASICs (Application-Specific Integrated Circuit). The main goal of this project is to complete a telecommunication system based on the concepts described in the previous paragraphs: MIMO-OFDM systems and developments platforms based on FPGAs. Then, the goal of this project is to design the channel estimation and the time-frequency synchronization modules of a telecommunication system based on IEEE 802.16d-2004 (Fixed Wimax) using MIMO 2x2, OFDM modulation and BPSK (Binary Phase Shift Keying) for data modulation. The design of the channel estimation and timefrequency modules have been made by means of a development platform on FPGA based in Simulink®.Ingeniería de Telecomunicació