Design and evaluation of OFDM radio interfaces for high mobility communications

Abstract

[Resumo] Nas dúas últimas décadas, as modulacións multiportadora emerxeron como una solución de baixa complexidade para combatir os efectos do multitraxecto en comuniacións sen fíos. Entre elas, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFOM) é posiblemente o esquema de modulación máis estudado, e tamén amplamente adoptado como alicerce de estándares da industria como WiMAX ou LTE. Sen embargo, OFDM é sensible a canles que varian ca tempo, unha característica dos escenarios con mobilidade, debido á aparición da interferencia entre portadoras (ICI). A implementación de equipamento hardware para o usuario final faise normalmente en chips dedicados, afnda que entornos de investigación, prefírense solucións máis flexibles. Unha aproximación popular é a coñecida como Software Defined Radio (SOR), onde os algoritmos de procesado de sinal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signal Processors (OSPs) e Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). O obxectivo deste traballo é dobre. Por un lado, definir unha arquitectura para implementacións de tempo real de capas físicas basadas en OFDM usando como referencia O estándar WiMAX, probada Dunha plataforma composta por OSPs e FPGAs. Por outra banda, estudar os efectos da selectividade en tempo no sinal OFDM, definindo métodos de estimación de canle que teñen en conta a ICI, e evaluándoos tanto en simulación como con medidas experimentais. Seguíronse dúas aproximacións para caracterizar o comportamento de formas de onda OFDM baixo condicións de mobilidade, unha basada nun emulador de canle que traballa en tempo real, e outra en inducir grandes ensanchamentos Doppler no sinal mediante a extensión da duración do símbolo OFOM.

[Resumen] En las dos últimas décadas, las modulaciones multiportadora han emergido como una solución de baja complejidad para combatir los efectos del multitrayecto en comunicaciones iDalámbricas. Entre ellas, Orthogonal Frequency Division Mulriplexing (OFDM) es posiblemente el esquema de modulación más estudiado, y también ampliamente adoptado como fundamento de estándares de la industria como WiMAX o LTE. Sin embargo, OFDM es sensible a canales que varían con el tiempo, una característica de los escenarios coo movilidad, debido a la aparicióo de la interferencia entre portadoras (ICI). La implementación de equipamiento hardware para el usuario final se hace normalmente en chips dedicados, aunque eo entornos de investigación, son preferibles soluciones más Hexibles. Una aproximación popular es la conocida como Software Defined Radio (SDR), donde los algOritmos de procesado de señal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signa! Processors (DSPs) y Field Programmable Gate AIrays (FPGAs). El objetivo de este trabajo es doble. Por un lado. definir una arquitectura para implementaciones de tiempo real de capas ¡lSicas basadas en OFDM usando como referencia el estándar WiMAX, probada en una plataforma compuesta por DSPs y FPGAs. Por otro lado, estudiar los efectos de la selectividad en tiempo en la señal OFDM, definiendo métodos de estimacióo de canal que tengan eo cueota la ICI, y evaluándolos tanto en simulación como con medidas experimenta1es. Se han seguido dos aproximaciones para caracterizar el comportamiento de formas de onda OFDM bajo condiciones de mobilidad, una basada en un emulador de canal que trabaja en tiempo real. y otra en inducir grandes ensanchamientos Doppler en la señal mediante la extensión de la duración del símbolo OFDM.

[Abstract] In Ihe last two decades, multicarrier modulations have emerged as a low complexity solulion to combal the effects of Ihe multipalh in wireless communicalions. Among Ihem, Orthogonal Frequency Division Mulliplexing (OFOM) is possibly Ihe mosl sludied modulation scheme, and has a1so been widely adopted as Ihe foundation of induslry standards such as WiMAX or LTE. However, OFOM is sensitive lo time selective channels, which are featured in mobility scenarlos, due lO Ihe appearance of Inler-Carrier Interference (ICI). Implemenlation of hardware equipmenl for Ihe end user is usually implemenled in dedicaled chips, bul in researeh environments, more flexible solutions are preferred. One popular approach is the so ealled Software Defined Radio (SOR), where the signal processing a1gorithms are implemented in reconfigurable hardware sueh as Digital Signal Processors (DSPs) and Field Prograrnmable Gate Arrays (FPGAs). The aim of Ibis work is two-fold. On the one hand, to define an architeclure for Ihe implementation of real-time OFOM-based physical layers, using as a reference Ihe WiMAX standard, and it is tested on a platform composed by DSPs and FPGAs. On the olher hand, to study Ihe effeets of !he time seleetivity on !he OFOM signal, defining channel estimation me!hods aware of !he ICI, and ils evaluation bo!h in simulation as well as experimental measuremenls. Two approaches have been followed to assess the behavior of OFOM waveforms under mobility conditions, one based on a real-time channel emulator, and the other on inducing large Doppler spreads in !he signal by extending the duration of Ihe OFDM symbols.