Tesis:
Contribución al diseño de esquemas de transmisión-recepción para sistemas de comunicaciones de nueva generación con múltiples antenas.
- Autor: GOMEZ CALERO, Carlos
- Título: Contribución al diseño de esquemas de transmisión-recepción para sistemas de comunicaciones de nueva generación con múltiples antenas.
- Fecha: 2009
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/2865/
- Director/a 1º: MARTINEZ RODRIGUEZ-OSORIO, Ramón
- Resumen: En los últimos años, el mercado de las telecomunicaciones ha sufrido un crecimiento importante gracias, entre otros, al aumento de la demanda en comunicaciones inalámbricas. Se ha tendido a sustituir las conexiones de cable por conexiones inalámbricas y ello ha supuesto un gran impacto en las redes de acceso. Sistemas como los de acceso a internet, la telefonía móvil o comunicaciones entre dispositivos cercanos, han aumentado el número de usuarios que se han movido a la tecnología inalámbrica. Todo ello, junto con los nuevos servicios que ofrecen los operadores, demanda mayores velocidades de transmisión y una mejora de la calidad para las nuevas aplicaciones de usuario, lo que ha generado un abanico de oportunidades en investigación. Desde el punto de vista de procesado de señal, se han desarrollado nuevas técnicas de modulación o codificación que permiten mejorar las prestaciones frente a las actuales. Dado que el objetivo es maximizar la eficiencia espectral y el ancho de banda es limitado, se han buscado nuevas técnicas. Una vez explotada la diversidad en frecuencia, tiempo e incluso código, se ha propuesto la diversidad espacial como un método alternativo para mejorar la calidad de las señales e incrementar la tasa binaria. Así, surgieron los sistemas multi-antena. Los sistemas inalámbricos con múltiples antenas en transmisión y recepción han suscitado gran interés en los últimos años. Esta tecnología se conoce como MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), mediante la cual se ha demostrado un aumento en la tasa binaria, con lo que se ha propuesto para los nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricos. Las prestaciones logradas con los sistemas MIMO dependen de factores tales como el canal radio de propagación, los algoritmos de procesado y el número y características del array de antenas. Así, el objetivo principal de esta Tesis ha sido investigar las prestaciones que ofrecen los sistemas con múltiples antenas atendiendo a las distintas características del canal radio creado mediante el diseño de antenas y la realización de medidas. Así pues, se ha contribuido al estudio, diseño y caracterización de esquemas en transmisión y recepción para MIMO para sistemas de comunicaciones de nueva generación, como son WLAN o DVB-T2. En concreto, se abordan esquemas desde una perspectiva del array de antenas e implementación real, teniendo en cuenta aspectos electromagnéticos, de propagación de canal y procesado de señal para evaluar su influencia en las prestaciones de sistemas MIMO. En primer lugar, se han estudiado distintos tipos de arrays de antenas para evaluar sus prestaciones en sistemas MIMO. Para ello, se han diseñado diferentes arrays en base a su polarización, diagrama o aplicación. Además, ha realizado un estudio de los diferentes parámetros de un array de antenas y cómo afectan a los sistemas MIMO, centrándose en el parámetro de capacidad. Así pues se tienen en cuenta parámetros electromagnéticos para incluirlos en modelos de canal, así como ver la implicación en algoritmos de procesado espacio-temporales. Por otro lado, se han evaluado las prestaciones de las antenas diseñadas a través de medidas en cámara reverberante. En segundo lugar, se han diseñado y desarrollado demostradores MIMO para la banda de ISM, donde se encuentran numerosos sistemas de comunicaciones. Considerando el uso de plataformas Software-Defined-Radio (SDR), se han realizado varios prototipos, uno de ellos de banda estrecha y otro de banda ancha incluyendo la técnica OFDM. Por otro lado, se han analizado esquemas de procesado MIMO para el futuro estándar de la televisión digital terrestre (DVB-T2). Una de las técnicas a incluir es el uso de múltiples antenas. Sin embargo, es necesario diseñar nuevos esquemas para que el sistema sea compatible con el actual, además de realizar la estimación de canal MIMO. Además, y aprovechando la experiencia obtenida en el desarrollo de los demostradores MIMO para WLAN, se ha diseño e implementado un prototipo para DVB-T2 para caracterizar el canal MIMO. Y, por último, para evaluar las diferentes prestaciones MIMO mediante medidas, haciendo uso de los demostradores MIMO implementados, se han realizado campañas de medidas de canal MIMO para distintos entornos y atendiendo a diferentes aplicaciones (WLAN y DVB-T2). En primer lugar se han llevado a cabo medidas en interiores con las diferentes antenas para WLAN implementadas, incluyendo varios posibles escenarios como son oficinas y pasillos. Y, por otro lado, se han realizado medidas del canal de propagación MIMO en UHF para DVB-T2. Las contribuciones de esta Tesis se han visto reflejadas en varios artículos publicados tanto en revistas técnicas como en congresos nacionales e internacionales de reconocido prestigio en el ámbito de antenas, propagación y procesado de señal en comunicaciones. Abstract In the last years, the telecommunications market has suffered an important increase thanks to the growing demand in wireless communications. The cable connections have been replaced by wireless connections and it has entailed a great impact in the access networks. Services such as internet access, mobile phone or communication among close devices have increased the number of users which have moved to the wireless technology. The incoming new services offered by operators added to the discussed above, demand higher data rate and an enhancement of the quality for the new user applications, which has generated a variety of research chances. From the signal processing point of view, new techniques have been developed regarding the modulation or coding, which allow enhancing the performances comparing to the current systems. Since the objective is to maximize the spectral efficiency and due to the fact that the bandwidth is limited, new techniques have been studied. Once the frequency, time and even code diversity have been exploited, the spatial diversity has been proposed as an alternative method to improve robustness against channel impairments and to increase the data rate. Regarding that, the multi-antenna systems emerged. Wireless systems with multiple antennas in transmission and reception have entailed a great interest in the last years. This technology is known as MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) and thanks to it an increase in the data bit rate has been demon¬strated. Thus, it has been proposed for the new wireless communication systems. The performances obtained by MIMO systems depend on the factors such as the radio propa¬gation channel, the processing algorithms and the number and the characteristics of the antenna array. Therefore, the main objective of this Thesis has been to research the per¬formances offered by systems with multiple antennas regarding the different characteristics of the created MIMO radio channel by the realization of measurements and designing new antennas. Thus, it has been contributed to the study, design and characterization of the trans¬mission and reception schemes for MIMO for new generation communication systems, such as WLAN and DVB-T2. Particularly, schemes from an antenna array and real im-plementation perspective are dealt, taking into account channel propagation and signal processing aspects to evaluate their influence on the MIMO performances. First of all, different types of antenna arrays have been studied to evaluate their performances in MIMO systems. To do that, different types of antenna arrays have been designed based on their polarization, radiation pattern or application. Moreover, a studio of the different antenna array parameters and how they affect to the MIMO capacity has been realized. So, electromagnetic parameters are taking into account to be included in channel models, and check their impact in space-time algorithms. On the other hand, the designed antennas performances have been evaluated by measurements in reverberant chamber. Secondly, MIMO demonstrators for the ISM band (where several communications systems are working) have been designed and developed. Considering the use of Software-Defined-Radio (SDR) platforms, two prototypes have been carried out, one for narrow band and the other for wide band including the OFDM technique. On the other hand, MIMO processing schemes have been analyzed for the future standard of digital terrestrial television (DVB-T2). One of the techniques to be included is the use of multiple antennas. However, it is necessary to realize new schemes to make the system compatible with the current one, besides doing the MIMO channel estimation. Moreover, and taking in advantage the experience obtained in the developing of the MIMO demonstrators for WLAN, a prototype for DVB-T2 has been designed and implemented in order to characterize the MIMO channel. Finally, to evaluate the MIMO performances by means of measurements, several mea¬surements campaigns with the developed MIMO demonstrators have been carried out for different environment and regarding to different applications (WLAN and DVB-T2). On one hand, indoor measurements have been done with the implemented antennas for WLAN, including several scenarios such as offices and corridors. And, on the other hand, channel measurements in UHF have been carried out for DVB-T2 systems. The contributions of this Thesis have been presented in several papers published in national and international technical journals and well-known conferences in the area of antennas, propagation and signal processing for communications.