Tesis:
On the development of a very fast simulator for TH-UWB systems.
- Autor: MARJANOVIC, MARINA
- Título: On the development of a very fast simulator for TH-UWB systems.
- Fecha: 2007
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico:
- Director/a 1º: PAEZ BORRALLO, José Manuel
- Resumen: Los impulsos de radio de banda ultra ancha y salto en el tiempo (IR-TH-UWB) es una tecnología relativamente nueva que puede tener un fuerte impacto en el rendimiento de las comunicaciones inalámbricas. Resistencia a la propagación multi-trayecto, bajos niveles de potencia, elevada capacidad, coexistencia con otros sistemas, capacidad de penetración en paredes, son algunas de las características que hacen que este sistema sea muy atractivo para Comunicaciones Inalámbricas de corto alcance, tales como Redes de Área Local inalámbricas (WLAN) y Redes de Área Personal inalámbricas (WPAN). Esta tecnología hace uso de pulsos de muy corta duración para transmitir grandes cantidades de datos digitales sobre un rango de frecuencias muy amplio a muy bajos niveles de potencia. Desafortunadamente, para el procesamiento de señales de banda ultra ancha, es necesaria una razón de muestreo extremadamente grande. En una aproximación sencilla, con una razón de muestreo constante, la longitud del array que contiene las muestras de bits, puede ser muy grande, dependiendo de la relación entre el ciclo útil y la tasa binaria. Ya que este array tiene que pasar a través de la cadena de bloques que modela el canal y la respuesta del receptor, es obvio que un elevado número de convoluciones tienen que ser realizadas. Por lo tanto, aun en ordenadores muy rápidos, el tiempo total de cómputo para estimar la BER puede ser muy alto. Este hecho reduce considerablemente la eficiencia del simulador. Además, como se menciona en esta tesis, aplicando descomposición de señal directa/ en cuadratura a las señales de UWB, que es una técnica fundamental usada para acortar el tiempo de simulación requerido, no es posible mitigar una elevada frecuencia de muestreo. En esta tesis, un sistema TH-UWB con modulación por posición de pulsos (PPM) es simulado utilizando el simulador de sistema de alta velocidad, el cual constituye una innovación de nuestro grupo de investigación. Este método aprovecha las ventajas de algunas de las propiedades de estos tipos de sistemas para facilitar un proceso rápido y directo que supere los diseños previos varios órdenes de magnitud, independientemente de la razón de muestreo. Comparándolo con los simuladores previos, la frecuencia de muestreo puede ser tan elevada como se necesite, ya que el tiempo de simulación no depende de esta. La señal transmitida es almacenada en el vector de forma de onda llamado Transmitted Distorted Received (TDR), por lo tanto, no es necesario operar con las muestras de señal en cada simulación. La única influencia de la razón de muestreo es en la longitud del vector de forma de onda TDR. La complejidad del algoritmo es lineal con el número de usuarios, tramas, componentes multitrayectos y ramas del receptor RAKE. Para desarrollar el código de simulación, un paso importante en cada proceso de simulación, es la definición de los atributos del dispositivo físico que afecta los productos de simulación requeridos, esto es, la tasa de bits erróneos (BER). Uno de estos atributos en sistemas IR-TH-UWB es la sincronización que produce la alineación de los relojes de relojes en transmisión y en recepción, de manera tal que la información puede ser intercambiada con exactitud. Particularmente con PPM, la sincronización es esencial para la correcta desmodulación de las señales recibidas, ya que la información es portada en la posición que tienen los pulsos en el tiempo. Otra tarea crítica para la operación satisfactoria de los sistemas de UWB es la detección multi-usuario. Algunas publicaciones muestran que el receptor MMSE tiene el mejor rendimiento en términos de SINR a expensas de una elevada complejidad de cómputo, ya que requiere de la inversión de la matriz cada vez que la secuencia de esparcimiento cambia. Por lo tanto, no existe mucha literatura relacionadas con estos tópicos, especialmente en sistemas de UWB en la presencia de entornos reales con multitrayecto. Desafortunadamente, ya que la señal transmitida es almacenada en el vector de forma de onda TDR, resulta difícil extraerla. Por lo tanto la implementación de aquellas tareas (sincronización, estimación de canal y detección multi-usuario) podrían ser un gran problema en la simulación del sistema. Por lo tanto, la presente tesis se compone de dos portes. En la primera parte se propone un sistema del tipo PPM IR-TH-UWB con un procedimiento de sincronización conjunta de símbolo, trama y chip, en un entorno multitrayecto denso. Se asume que el canal es estimado usando Modulación Asistida por Formas de onda Pilotos (PWAM) y dicha sincronización es lograda a partir de maximizar la energía del canal multitrayecto estimado. Basado en este método para la sincronización en combinación con el método PWAM para la estimación de canal, las operaciones FFT que son usadas en muchos trabajos, son evitadas y el algoritmo presenta muy baja complejidad. Adicionalmente y con la finalidad de incrementar aun más la velocidad del proceso de simulación, este método es implementado en un algoritmo de ensanchamiento temporal. Por lo tanto, los algoritmos que esta tesis propone, puede relacionarse con canales con un gran numero de taps que son difíciles de estimar usando los algoritmos existentes. Gracias a esta aproximación, una baja complejidad para la implementación en tiempo real y un buen rendimiento en términos de BER contra relación señal a ruido (SNR) es obtenido. Las simulaciones muestran que estos sistemas sincronizados contribuyan a mitigar los efectos del corrimiento temporal. En la segunda parte de la tesis, el receptor MMSE para sistemas IR-TH-UWB usando un simulador de sistema de alta velocidad, es simulado. La implementación de cualquier detector multi-usuario fue también una tarea difícil (como lo fue para la sincronización) ya que una señal transmitida es rechazada en los TDR y no existe una estructura multi-usuario típica con matriz de correlación. Por lo tanto, aplicando este método en esta tesis, es lograda una nueva aproximación de una detección multi-usuario. Ya que la forma de onda es almacenada en los TDR, no es necesario operar con las muestras de señal en cada simulación. Por lo tanto, la matriz de correlación tiene que ser recalculada solamente cuando las condiciones del canal cambian. Dependiendo del tiempo de coherencia del canal y de la tasa binaria, es posible encontrar el número de bits que pueden ser simulados sin alterar la matriz de correlación. La única influencia de la razón de muestreo es en la longitud de los TDR. Los resultados derivados demuestran que este efecto es despreciable. Por consiguiente, puede ser considerado que la velocidad de simulación es aproximadamente independiente de la razón de muestreo. Ventajas adicionales de esta aproximación es que la complejidad del algoritmo es lineal con el número de usuarios, las tramas, las componentes multitrayecto y las ramas del receptor RAKE. Además, con esta aproximación, es posible reducir el proceso de simulación significativamente, evitando cualquiera operación de convolución que representa el mayor consumo de tiempo. Basados en esta aproximación, un número de operaciones de simulación necesarias para evaluar la matriz de recepción MMSE son reducidas. Por lo tanto, es posible procesar un gran número de muestras y estimar exactamente bajos valores de BER en un corto tiempo. Además, se deriva una fórmula teórica del rendimiento del detector MMSE para PPM IR-TH-UWB basados en esta nueva aproximación. Esta fórmula es validada a partir de la comparación de los resultados con otros obtenidos en investigaciones previas. Ambas tareas, sincronización y la nueva aproximación de detección multiusuario propuestas en esta tesis, aportan una buena realización en términos de baja complejidad, procesamiento rápido y un adecuado comportamiento de la BER en función de la relación señal a ruido (SNR). Todos los resultados son evaluados usando el algoritmo propuesto y las simulaciones son facilitadas para validar esta implementación. Estas demuestran que el tiempo de simulación crece linealmente con el número de usuarios y el número de tramas. El principal logro de esta tesis es un algoritmo para el calculo de un sistema completo PPM IR-TH-UWB cuya complejidad es Nh veces inferior comparado con resultados previos, donde Nh es un número de chips en aquellos sistemas. Por lo tanto, asumiendo un factor de esparcimiento grande de las señales de UWB, este algoritmo consigue salvar un elevado tiempo de cómputo comparado con los diseños previos. Esta tesis esta constituida por seis capítulos. En el primer capítulo se ofrece una panorámica de los fundamentos de los sistemas de UWB y dentro de este, algunos típicos incluyen: historia de UWB, características y aplicaciones de estos sistemas. En el segundo capítulo se incluye el diseño de un sistema de acceso múltiple UWB, incluyendo el diseño de un transmisor es revisado. Este capítulo presenta el modelo completo del sistema y el convenio de notaciones empleadas a lo largo de la tesis. También en el segundo capítulo se incluyen dos modelos estadísticos para canales de UWB son presentados, basados en datos reunidos a partir de medidas extensivas de la propagación UWB. Saleh-Valenzuela y basado en Saleh-Valenzuela, modelo propuesto por Intel que será empleado con estos propósitos en la tesis, será descrito. En adicción, se proporciona una descripción de una estructura receptora de simple usuario y multiusuario, asumiendo una sincronización y una estimación del canal perfecto que constituyen la contribución de esta tesis. El capítulo cuatro cubre las siguientes tareas: 1.- Diferencias entre UWB y sistemas tradicionales de banda estrecha y dificultades en el desarrollo del modelo. 2.- Una breve revisión de los fundamentos de las metodologías de simulación. 3.- Un nuevo simulador del sistema IR-TH-UWB que constituye un aporte de nuestro grupo de investigación y que será utilizado en interés de esta tesis. El capítulo cinco presenta la segunda parte de la contribución de esta tesis donde he implementado un receptor RAKE MMSE para sistemas de UWB usando un nuevo simulador de sistema de salto en tiempo, logrando una novedosa aproximación de detector multiusuario (MUD). Adicionalmente, es presentada una nueva fórmula teórica del rendimiento del detector MMSE para PPM IR-TH-UWB basado en esta nueva aproximación y en investigaciones previas es presentado. El capítulo seis presenta resultados de las simulaciones para verificar este acercamiento.