Alexis Paolo García Ariza Sistemas MIMO como Alternativa para el Control del Efecto ...

38 Pages·2005·0.72 MB·Spanish

Sistemas MIMO como Alternativa para el Control
del Efecto Multitrayectoria y de la Interferencia
Co-Canal en Sistemas de Radio Móvil Satelital
y Terrestre
Alexis Paolo García Ariza
E3T- Universidad Industrial de Santander
[email protected]
Fecha de recepción: 29-07-2004 Fecha de aceptación: 17-11-2004
ABSTRACT supported by the Alban Program -
The Multiple Inputs Multiple High Level Scholarships for Latin
Outputs -MIMO- Systems are advan- America-. The research will be deve-
ced technique both the radio signal lopment at Communications Depar-
fading control, problem associated to tment of Polytechnic University of
multipath effects, and co-channel in- Valencia -UPV- like author’s Docto-
terference mitigation in mobile sys- ral work.22
tems, using array antennas and spa-
ce-time processing.1 This technique KEY WORDS
lets improve the wireless systems Antenna arrays, bandwidth, capaci-
performance and increase its data ty, channel, coherent bandwidth, Do-
transmission capacity under dynamic ppler effect, DS-CDMA, fading, im-
environments. The paper presents pulse response, MIMO channel, mo-
both the basic concepts over multi- bile systems, multipath, propagation,
path propagation in mobile satellite satellites, space-time processing, sta-
and terrestrial systems, and a resear- tistics.
ch proposal in MIMO techniques for
DS-CDMA systems. This research is RESUMEN
presented to European Union for Ra- Una técnica avanzada para el control
dioGIS-UIS and MCG-UPV groups, del desvanecimiento de señales de
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& TELEMÁTICA
radio, problema asociado a efectos de UPV ante la Comunidad Europea por
propagación multitrayectoria, y la medio del Programa Alban de Becas
mitigación de la interferencia co-ca- de Alto Nivel para América Latina.
nal en sistemas móviles, son los Sis- Esta investigación se llevará a cabo
temas de Múltiples Entradas y Múl- en el Departamento de Comunicacio-
tiples Salidas (MIMO-Multiple nes de la Universidad Politécnica de
Inputs Multiple Outputs1 basados en Valencia -UPV- como trabajo de Doc-
arreglos de antenas y procesado de torado por parte del autor.22
señales espacio-temporales, los cua-
les buscan mejorar el desempeño de PALABRAS CLAVES
los sistemas inalámbricos aumentan- Ancho de banda, ancho de banda co-
do la capacidad de transmisión de herente, arreglo de antenas, canal,
datos bajo entornos dinámicos. En capacidad, desvanecimiento, DS-
este artículo se presentan los concep- CDMA, efecto Doppler, estadística,
tos básicos sobre propagación multi- MIMO, multitrayectoria, procesado
trayectoria en sistemas móviles sa- espacio-tiempo, propagación, res-
telitales y terrestres, y la propuesta puesta al impulso, satélites, sistema
de investigación en técnicas MIMO móvil.
para sistemas DS-CDMA planteada
por los Grupos RadioGIS-UIS y MCG- Clasificación : C
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I. INTRODUCCIÓN th Orbit, o HEO: Highly Elliptical
Antes de abordar lo relacionado con Orbit, 37, 76 en plataformas de gran
la propuesta de investigación en téc- altitud (HAP: High-Altitude Pla-
nicas MIMO, se describirán las ca- tform,71, 75 en sistemas de radio ba-
racterísticas de propagación de un ses en tierra (sistemas TDMA: Time
canal inalámbrico para sistemas Division Multiple Access, GSM: Glo-
móviles basados en satélites y radio bal System for Mobile Communica-
bases en tierra bajo consideraciones tion, CDMA: Code Division Multi-
de desvanecimiento a pequeña esca- ple Access1, 35, 51 y WCDMA: Wide-
la, efectos multitrayectoria o multi- band Code Division Multiple Acce-
path y sistemas multiusuario. La ss,34 y en sistemas para interiores o
razón de esta metodología en el de- Indoor (en túneles,36 oficinas, esta-
sarrollo del contenido obedece más ciones, etc.).48
a un objetivo didáctico, pues el tema
Hasta la fecha se han empleado dife-
no ha sido estudiado ampliamente en
rentes técnicas de control para los
Colombia.
fenómenos asociados a la propagación
Siguiendo este objetivo, el describir multitrayectoria y la interferencia
los sistemas inalámbricos, sus am- multiusuario, como esquemas de ac-
bientes de propagación multitrayec- ceso múltiple robustos, modulaciones
toria, los fenómenos asociados, y al- digitales apropiadas, esquemas de
gunas técnicas utilizadas, permitirá ecualización y codificación,48, 51 y arre-
al lector entender de una forma más glos de antenas.1, 51 Todas estas técni-
rápida las técnicas MIMO planteadas cas presentan diseños específicos
para el control del desvanecimiento
para cada sistema inalámbrico debi-
a pequeña escala, o más explícita-
do a que las variaciones en amplitud
mente, para el control de la rápida
y fase en la señal resultante de la
fluctuación en amplitud de una señal
sumatoria destructiva o constructiva
de radio sobre un corto periodo o una
de las múltiples versiones de la se-
distancia corta en relación con la lon-
ñal original dependen de la intensi-
gitud de onda de la señal, en busca
dad de las señales recibidas, del tiem-
de incrementar la capacidad de los
po de propagación de las versiones
sistemas de comunicación móvil.
multitrayectoria y del ancho de ban-
Con estas consideraciones de peque- da de la señal, lo que está directamen-
ña escala y procesado espacio-tempo- te relacionado con el entorno de pro-
ral en MIMO, los efectos de gran es- pagación y el sistema de comunica-
cala (asociados a la difracción de la ción utilizado. En esta discriminación
señal, causada por obstrucciones en de sistemas, entornos y aplicaciones,
el trayecto de propagación) pueden se ha planteado la propuesta Proce-
ser ignorados y los demás ser contro- sado Espacio-Temporal para Canales
lados para mejorar el desempeño de de Múltiples Entradas y Múltiples
los sistemas de comunicaciones mó- Salidas (MIMO) en Sistemas DS-
viles basados en satélites (en órbitas CDMA De Cuarta Generación En
GEO: Geoestationary Orbit, LEO: Entornos Urbanos Con Terreno Irre-
Low Earth Orbit, MEO: Medium Ear- gular,22 en busca de obtener ventajas
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adicionales en relación con otras al- la propagación de las ondas electro-
ternativas analizadas, pues se podrá magnéticas sobre las cuales se trans-
controlar simultáneamente el efecto mite la información. En este sentido,
multitrayectoria y la interferencia co- el fenómeno de multitrayectoria en el
canal. canal, ocasionado por múltiples re-
flexiones, difracciones y dispersión de
En esta línea de investigación viene
la señal transmitida y que llegan al
trabajando desde hace tres años el
receptor, crea efectos de desvaneci-
grupo de investigación en Radiocomu-
miento a pequeña escala, de los cua-
nicaciones y Sistemas de Información
les los tres más importantes son:
Geográfica-GIS, RadioGIS, asociado
a la Escuela de Ingenierías Eléctri- • Rápidos cambios en la intensidad
ca, Electrónica y Telecomunicaciones- de la señal sobre una corta distan-
E3T de la Universidad Industrial de cia de viaje o en intervalos.8
Santander, realizando labores en la
• Modulación de frecuencia aleato-
apropiación de conocimiento y gene-
ria debido a cambios Doppler48 en
ración de nuevas alternativas en el
diferentes señales multitrayecto-
área de propagación de ondas electro-
ria.
magnéticas para la planificación, op-
timización y gestión de sistemas de • Dispersiones en el tiempo (ecos)
comunicaciones inalámbricos en en- causadas por retardos en la pro-
tornos andinos. En el marco de su pagación multitrayectoria.51
plan de trabajo y consolidación, y gra-
El desvanecimiento a pequeña esca-
cias al apoyo de los grupos I2T (Gru-
la, o simplemente desvanecimiento,
po de Investigación en Informática y
es un término para describir la rápi-
Telecomunicaciones) de la Universi-
da fluctuación de la amplitud de una
dad ICESI y MCG (Mobile Commu-
señal de radio en un corto periodo o
nication Group) de la Universidad Po-
durante el viaje de ésta en una dis-
litécnica de Valencia-UPV, RadioGIS
tancia corta en relación a su longi-
ha planteado una propuesta de inves-
tud de onda,8 tal como se aprecia en
tigación22 que permitirá al grupo
la Figura 1. Considerando el desva-
adentrarse en nuevas alternativas
necimiento, los efectos de perdidas a
con perspectivas de aplicación regio-
gran escala (ver en la Figura 2 la lí-
nal y global para sistemas móviles
nea con variación lenta respecto a la
satelitales y terrestres.
posición) pueden ser ignorados, como
los ocasionados por sombreado o Sha-
II. PROPAGACIÓN
dowing y cuya relación física está
MULTITRAYECTORIA
dada por lo general por efectos de di-
Y DESVANECIMIENTO
fracción debido a obstrucciones en el
A PEQUEÑA ESCALA
trayecto del transmisor al receptor.51
Para analizar los procesos y técnicas
utilizados en los equipamientos de El desvanecimiento a pequeña esca-
comunicación inalámbrica que bus- la es causado por la interferencia en-
can la correcta recepción y transmi- tre dos o más versiones de la señal
sión de la información en entornos di- transmitida cuando llegan al recep-
námicos, es relevante comprender tor con muy poco tiempo de diferen-
los diferentes fenómenos asociados a cia. Estas señales son llamadas Se-
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& TELEMÁTICA
ñales de Multitrayectoria o multipa- cambio constante en el canal de pro-
th, y son combinadas en la antena pagación de la señal, lo que disipa
receptora para obtener una señal re- energía en amplitud, fase y tiempo.
sultante la cual puede variar de gran Estos efectos producen múltiples ver-
forma en amplitud (en un rango de siones de la señal transmitida que lle-
35 a 40dB en distancias aproximadas ga a la antena receptora, desplaza-
a media longitud de onda, tal como das una respecto a la otra en tiempo
se aprecia en las Figuras 1 y 2) y fase, y orientación espacial, tal como se
dependiendo de la distribución de in- aprecia en la Figura 3 para un siste-
tensidad, del tiempo relativo de pro- ma móvil terrestre tipo Indoor, en la
pagación de las ondas y del ancho de Figura 4 para un sistema móvil te-
banda de la señal transmitida (el cual rrestre Outdoor, y en la Figura 5 para
varía de un sistema a otro). un sistema satelital. De estos tipos
Factores físicos en un canal inalám- de propagación multitrayectoria se
brico terrestre y satelital destaca que los tiempos de viaje de
las ondas son distintos y el modelado
Algunos factores físicos en el canal de
de cada uno de los canales se debe
propagación influyen en el desvane-
hacer con consideraciones estadísti-
cimiento a pequeña escala; los prin-
cas diferentes, lo que en últimas se
cipales son:
traduce en el diseño de equipos de co-
1) Propagación Multitrayectoria: municaciones específicos para cada
La presencia de objetos reflectores y entorno y la aplicación de técnicas de
dispersores en el entorno crea un mitigación de diferentes variantes.
Figura 1. Señal bajo desvanecimiento a pequeña escala. Tomado de: García
A., Alexis Paolo. Análisis de cobertura y de Densidad de Potencia Bajo un
Entorno Andino. Universidad Industrial de Santander-E3T, Maestría en In-
genierías, Línea de Telecomunicaciones, Julio de 2004.
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Figura 2. Señal bajo desvanecimiento a grande y pequeña escala. Tomado
de: García A., Alexis Paolo, Análisis de cobertura y de Densidad de Potencia
Bajo un Entorno Andino. Universidad Industrial de Santander-E3T, Maes-
tría en Ingenierías, Línea de Telecomunicaciones, Julio de 2004.
2) Velocidad Relativa: El movi- velocidad que el móvil, entonces este
miento relativo entre el transmisor efecto domina el desvanecimiento a
(satélite, radio base o punto de acce- pequeña escala.48
so) y el móvil produce una modula-
4) El Ancho de Banda de la Se-
ción en frecuencia aleatoria debido a
ñal: Si el ancho de banda de la señal
diferentes efectos Doppler48, 51 en cada
transmitida es más grande que el “an-
una de las componentes multitrayec-
cho de banda” del canal multitrayec-
toria (ver Figura 6). Si la función ρ(t)
toria, la señal recibida puede ser dis-
describe la distancia entre el trans-
torsionada (debido a los tiempos di-
misor y el receptor respecto al tiem-
ferentes de recepción de todas las
po, ésta dependerá del rango, veloci-
componentes de frecuencia del espec-
dad y aceleración relativos. Desde el
tro de la señal modulada y a que es-
punto de vista de aplicación, las li-
tos retrasos relativos son grandes
mitaciones en el procesado de seña-
comparados con la unidad básica de
les en sistemas de comunicaciones
información transmitida sobre el ca-
móviles para el control de este fenó-
nal; usualmente un símbolo o un bit),
meno, se relacionan con la intensidad
pero la intensidad no decaerá dema-
de la señal recibida, el ruido, y los
siado sobre un área local (el desva-
cambios de nivel debido al paso de la
necimiento a pequeña escala de la
señal por los bloques de RF, IF y Ban-
señal no será significante sobre todo
da Base, donde en este último se es-
el espectro). Si la señal transmitida
pera el desplazamiento Doppler siga
tiene un ancho de banda estrecho
siendo perceptible para su detección
comparado con el del canal, la ampli-
y control.
tud de la señal cambiará rápidamen-
3) Velocidad de Objetos Cercanos: te, pero la señal no se distorsionará
Si los objetos del entorno se encuen- en el tiempo (todo el ancho de banda
tran en movimiento, inducen un efec- se verá afectado por los mismos tiem-
to Doppler variando el tiempo en las pos de propagación y presentará una
componentes multitrayectoria. Si los atenuación constante de todo el es-
objetos cercanos se mueven a mayor pectro). Un ejemplo muy claro donde
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se aprovecha este fenómeno es el es- cia Directa: Direct Sequence CDMA),
quema de acceso múltiple CDMA (es- permitiendo controlar el fenómeno de
quema de espectro expandido) utili- Interferencia Intersímbolo (ISI: Inter-
zado en sistemas satelitales y terres- symbol Interference) y otros proble-
tres,35, 37 donde se demuestra aún mas mas asociados a la propagación mul-
su potencialidad al aplicarlo en sis- titrayectoria y a la interferencia co-
temas MIMO,9, 39, 40, 58, 60 utilizando téc- canal.51, 76
nicas DS-CDMA (CDMA de Secuen-
Figura 3. Modelo de efecto multitrayectoria en un entorno Indoor. Tomado
de: García A., Alexis Paolo. Seminario de Comunicaciones Móviles. Diapositi-
vas de clase. Universidad Industrial de Santander-E3T, Jul. 2004.
Figura 4. Modelo de efecto multitrayectoria en un entorno Outdoor. Tomado
de: García A., Alexis Paolo. Seminario de Comunicaciones Móviles. Diapositi-
vas de clase. Universidad Industrial de Santander-E3T, Jul. 2004
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& TELEMÁTICA
Figura 5. Entorno local de propagación en un sistema de comunicación móvil
satelital. Tomado de: García Ariza, Alexis Paolo, “Comunicaciones Satelitales,
Ciclo IV-Cohorte IV”, Texto Guía para el curso de Comunicaciones Satelitales
de la Especialización en Telecomunicaciones de la Escuela de Ingenierías Eléc-
trica, Electrónica y Telecomunicaciones, UIS. Publicación impresa, Junio de
2004, p.36.
Una forma más clara de comprender encontrarse en un entorno Indoor), las
la relación entre el ancho de banda dos trayectorias se cancelarían en fre-
del canal y el ancho de banda de la cuencias correspondientes a múltiplos
señal (entendiéndose que una señal de 10 MHz. De esta forma, la señal de
puede comportarse como de banda 1 MHz experimentaría aproximada-
ancha o de banda angosta dependien- mente una atenuación constante y el
do de los retardos de propagación canal podría considerarse de banda
multitrayectoria del canal), es hacer angosta. Pero si el retardo de diferen-
una comparación de una señal de cia se incrementa a 1 µs (como se en-
ancho de banda constante sometida contraría en un entorno Outdoor), la
a dos entornos diferentes de propa- amplitud del canal variaría significa-
gación que ocasionen retrasos multi- tivamente a través del ancho de ban-
trayectoria distintos. Como ejemplo, da de la señal (cada 1 MHz) y éste se-
podría pensarse en una señal de an- ría un canal de banda ancha. La com-
cho de banda de 1 MHz transmitida paración entre estos dos casos se pue-
de apreciar más claramente al anali-
en un entorno Indoor, y esa misma
zar las funciones de transferencia del
señal transmitida en un entorno
canal51 presentadas en la Figura 7.
Outdoor, tal como se aprecia en las
Figuras 3 y 4 respectivamente. Si se Existe una característica adicional en
consideran sólo dos trayectos de pro- un sistema de comunicación móvil
pagación y para el primer caso un satelital que afecta los factores físi-
retardo de diferencia entre compo- cos del canal inalámbrico, la veloci-
nentes de sólo 0.1 µs (como podría dad del satélite. En un ambiente sa-
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telital el fenómeno de desvanecimien- basados en órbitas LEO, MEO, HEO
to a pequeña escala se asocia al en- y sistemas HAP), lo que introduce un
torno local (sector cercano al recep- factor de complejidad debido a los di-
tor), como se aprecia en la Figura 5, ferentes ángulos de visibilidad entre
y el cual es muy similar al caso de el transmisor y el receptor,75 y donde
propagación presentado en un siste- prima la velocidad del satélite, la cual
ma móvil terrestre. La diferencia con puede oscilar en un rango aproxima-
este último radica en que tanto el re- do de 8 a 4 km/s según la altura de
ceptor como el satélite pueden encon- su órbita,58 tal como se aprecia en la
trarse en movimiento (i.e. sistemas Figura 8.
Figura 6. Ejemplos del efecto Doppler
Figura 7. Función de Transferencia del canal con dos trayectorias de propaga-
ción: retrasos relativos de 1 µs y 0.1 µs. Tomado de: Saunders, Simon R.. Anten-
nas and propagation for wireless communication systems. West Sussex : John
Wiley & Sons, 1999. p. 237.
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Figura 8. Variación de la velocidad orbital en sistemas satelitales de media-
na y baja altitud. Tomado de: García Ariza, Alexis Paolo, “Comunicaciones
Satelitales, Ciclo IV-Cohorte IV”, Texto Guía para el curso de Comunicaciones
Satelitales de la Especialización en Telecomunicaciones de la Escuela de Inge-
nierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones, UIS. Publicación impre-
sa, Junio de 2004, p.15.
Figura 9. Respuesta al impulso de un canal multitrayectoria. Tomado de: Gar-
cía A., Alexis Paolo. Seminario de Comunicaciones Móviles. Diapositivas de cla-
se. Universidad Industrial de Santander-E3T, Jul. 2004.
Figura 10. Sistema MIMO multiusuario en el cual todos los usuarios están
equipados con arreglos de antenas para transmisión y recepción
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