Técnicas basadas en decisión para sistemas MIMO

Abstract

[Resumen] En esta tesis veremos dos esquemas para sistemas de comunicaciones inalámbricas con múltiples antenas en el transmisor y en el receptor (MIMO, del inglés Multiple-Input Multiple-Output) que van a llevar gran parte del procesado de se˜nal desde los receptores al transmisor: aquéllos que implementan técnicas de ecualización en transmisión (también conocidas como precodificación) y los que emplean codificación de canal. Puesto que en sistemas dúplex por división de frecuencia (FDD, del inglés Frequency Division Duplex) no es posible estimar el canal en el enlace ascendente, ya que no son recíprocos, éste debe ser estimado en el receptor durante el enlace descendente y enviado al transmisor a través de un canal de retorno, usualmente limitado en ancho de banda. La mayoría de los estándares de comunicaciones inalámbricas hacen uso de este canal de realimentación para enviar periódicamente información desde los receptores al transmisor. Sin embargo, ninguno de estos estándares, incluso los que se encuentran en desarrollo, hacen uso de esta información para decidir si el transmisor debe enviar o no símbolos piloto, de forma que estos símbolos son enviados por el transmisor sin tener en cuenta si el receptor realmente los necesita para realizar el seguimiento de las variaciones temporales del canal. Esta situación produce una fuerte degradación del sistema en cuanto a eficiencia espectral, energía transmitida y velocidad de transmisión. Los objetivos de las soluciones propuestas en los esquemas con precodificación tratarán de optimizar el uso de este canal de retorno a través del cual el transmisor obtiene la información del canal (CSI, del inglés Channel State Information), que necesita para construir los filtros del precodificador, de simplificar de esta forma el transmisor y evidentemente el receptor, además de reducir la cantidad de símbolos piloto enviada desde el transmisor al receptor. En el caso de las soluciones propuestas en los esquemas con codificación de canal, en particular, con codificación de Alamouti, la finalidad de las mismas es alcanzar los dos últimos objetivos que acabamos de mencionar. A lo largo de este trabajo nos referiremos a estas soluciones basadas en decisión como soluciones híbridas. Una cuestión importante es cómo determinar cuando el canal ha sufrido una variación significativa. Para ello, planteamos en esta tesis una regla de decisión sencilla la cual, en función de unos umbrales que se obtienen en una fase de entrenamiento previa a la transmisión, determinará si es necesario o no el envío de pilotos desde el transmisor y la estimación del canal en el receptor. Tal y como veremos en los resultados de simulación por ordenador que mostraremos en este trabajo, en el caso de canales MIMO con fluctuaciones de nivel no muy acusadas se consigue una reducción muy importante tanto en el número de símbolos piloto enviados desde el transmisor al receptor como en el coste computacional del receptor derivado de la estimación del canal.

[Resumo] Nesta tese veremos dous esquemas para sistemas de comunicacións inarámicas con múltiples antenas no trasmisor e no receptor (MIMO, do inglés Multiple-Input Multiple- Output) que van a levar a meirande parte do procesado de sinal dende os receptores ao trasmisor: aqueles que implementan técnicas de ecualización en trasmisión (tamén co˜necidas como precodificación) e os que empregan codificación da canle. Posto que en sistemas dúplex por división en frecuencia (FDD, do inglés Frequency Division Duplex) non é posible estimar a canle no enlace ascendente, xa que non son recíprocas, a canle ten que ser estimada no receptor durante o enlace descendente e enviada ao trasmisor a través da canle de retorno, usualmente limitada en canto a ancho de banda. A maior parte dos estándares de comunicacións inarámicas fan uso desta canle de realimentación para enviar periódicamente información dende os receptores ao trasmisor. Nembargantes, ningún destes estándares, mesmo os que se atopan en fase de desenvolvemento, empregan esta información para decidir se o trasmisor debe enviar ou non símbolos piloto, de xeito que estes símbolos son enviados polo trasmisor sen ter en conta se no receptor realmente fan falla para realizar o seguimento das variacións temporais da canle. Esta situación produce unha forte degradación do sistema en canto a eficiencia espectral, enerxía trasmitida e velocidade de trasmisión. Os obxetivos das solucións propostas nos esquemas con precodificación tratarán de optimizar o uso da canle de retorno a través da cal o trasmisor vai obter a información da canle (CSI, do inglés Channel State Information), que precisa para construír os filtros do precodificador, de simplificar desta forma o trasmisor e evidentemente o receptor, ademáis de reducir a cantidade de símbolos piloto enviada dende o trasmisor ao receptor. No caso das solucións propostas nos esquemas con codificación da canle, máis en concreto con codificación de Alamouti, a finalidade das mesmas é acadar os dous últimos obxetivos que mencionabamos anteriormente. Ao longo deste traballo, ímonos referir a estas solucións baseadas en decisión como solucións híbridas. Unha cuestión importante é cómo determinar cando a canle ven de sufrir unha variación significativa. Para conseguir isto, plantexamos nesta tese unha regla de decisión moi sinxela que, en función duns umbrais que se obte˜nen nunha fase de entrenamento previa á trasmisión, vai determinar se é necesario ou non o envío de pilotos dende o trasmisor e a estimación da canle no receptor. Tal e como veremos nos resultados de simulación por ordenador que amosaremos neste traballo, no caso de canles MIMO con fluctuacións de nivel non moi acusadas imos conseguir unha diminución moi importante tanto no número de símbolos piloto enviados dende o trasmisor ao receptor como no custo computacional do receptor derivado da estimación da canle.

[Abstract] In this work we focus on two schemes for wireless communication systems with multiple antennas at both the transmitter and the receiver sides of the link, so-called Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, which lead most of signal processing tasks from the receiver to the transmitter: schemes implementing transmit equalizing (also termed as precoding), and those with channel coding. Since it is not possible in Frequency Division Duplex (FDD) systems to estimate the channel during the uplink because the channels are not reciprocal, it has to be obtained at the receiver in the downlink via estimation to be sent to the transmitter through a feedback channel, usually strongly limited in terms of bandwidth.Most recent wireless standardsmake use of such a feedback channel to send periodically information from the receiver to the transmitter. However, any standard, even those recently developed, uses that information to decide if the transmitter has to transmit or not pilot symbols, so that the pilots are sent independently from the need of the receiver for time–varying channel tracking.This situation produces a strong system degradation in terms of spectral efficiency, transmitted energy, and effective transmission rate. The goals of the proposed solutions for precoding schemes will try to optimize the feedback channel use that facilitates to the transmitter channel information, so-called Channel State Information (CSI), essential for precoder filter updating, to simplify both transmitter and receiver, and also to decrease the amount of pilots required by the receiver from the transmitter for estimation purposes. On the other hand, in the proposed solutions for channel coding, in particular for Alamouti coding, the goals agree with the last two points already explained in the case of precoding. In the following, such techniques based on decision are termed as hybrid solutions. An important question is how to determine when the channel has suffered a significant variation. For that purpose, in this thesis we will propose a simple decision rule, which determines if the sending of pilots from the transmitter is required or not as a function of fixed thresholds obtained by means of a training step prior to transmission. As it can be seen fromthe computer simulation results shown throughout this work, for MIMO channels with smooth level fluctuations a significant reduction of both pilots, sent by the transmitter to the receiver, and receiver computational cost, derived from channel estimation, can be achieved.