Técnicas eficientes para OFDM en aplicaciones de canales de radio móviles

Abstract

El presente trabajo de Tesis está orientado al estudio y propuesta de soluciones de modelización y de técnicas de estimación y de predicción de canal robustas y de baja complejidad computacional para sistemas OFDM operando sobre canales de radio móviles. Se orienta además al desarro-llo de técnicas de asignación de recursos, para sistemas de acceso múltiple en este contexto, que incluyan en su formu-lación las imperfecciones típicas asociadas a implementaciones prácticas de la capa física del sistema. Las contribuciones de la misma pueden agruparse como se describe a continuación. Se estudian los modelos paramétricos y estadísticos común-mente utilizados para el modelado de un canal de radio y en base a estos se desarrolla una técnica de modelado híbrida que utiliza información estadística del canal, relacionada al tipo de aplicaciones móviles consideradas, junto con una estructura paramétrica basada en una descomposición de la trayectoria temporal del canal en una base ortonormal conocida. Este modelo de canal permite una evaluación sen-cilla de la cantidad de parámetros a estimar, así como también permite una solución de compromiso entre el error de modela-do y la complejidad de la estructura asociada.Basado en el modelo híbrido de canal formulado, y en la característica dis-tintiva de paralelización de un canal selectivo en frecuencia propia de los sistemas OFDM, se desarrolla un estimador de canal recursivo en el dominio tiempo que permite hacer un seguimiento eficiente de la evolución temporal de un canal plano en frecuencia. Además de permitir la obtención de un estimador robusto respecto de la forma del espectro Doppler del canal, la formulación propuesta resulta en un estimador de baja complejidad computacional dado que se evita la estima-ción directa de las componentes Doppler del canal, tarea que implica la utilización de técnicas de estimación espectral de alto costo computacional. Aplicando conceptos análogos a los utilizados para modelar la variación temporal del canal, se deriva una estructura aplicable al caso de canales selectivos en frecuencia, que hereda la característica de eficiencia computacional del estimador para canales planos al estar basada en el mismo criterio de diseño. La distribución de los recursos de canal en sistemas de múltiples usuarios es una problemática natural de los sistemas multiportadora, resultan-do su implementación crítica para el caso de canales móviles en donde la información de estado de canal varía significa-tivamente durante los intervalos de asignación de recursos. En este sentido, se desarrolla una extensión del esquema de estimación propuesto para ser aplicado a la predicción del estado futuro del canal. La solución obtenida resulta de baja complejidad comparada con soluciones similares disponibles en la literatura ofreciendo un horizonte de predicción lo suficien-temente amplio para su aplicación en esquemas de asignación de recursos móviles actuales. Finalmente, se evalúa el de-sempeño del conjunto estimador/predictor propuesto en un ambiente multiusuario realista, y se propone una técnica de caracterización del error de la predicción asociado a predicto-res de canal prácticos que, incluida en la formulación del diagramador de recursos del sistema, permite mejorar signi-ficativamente la eficiencia del mismo al tomar en considera-ción las imperfecciones en la información de estado de canal disponible, las cuales son inevitables en esquemas prácticos.

This Thesis is oriented to the study and proposal of modeling solutions, as well as robust techniques, for low computational complexity channel estimation and prediction for OFDM systems operating over mobile wireless channels. It is also oriented to the development of resource allocation techniques for multiple access systems in this context, which include the typical imperfections of practical implementations of the physical layer in the problem formulation. The main contributions can be grouped as follows. Parametric and statistical models commonly used for wireless channels are studied, and a novel hybrid modeling technique is developed. This novel technique uses statistical channel information related to the type of mobile applications considered, together with a parametric structure based on the decomposition of the channel trajec-tory over time into a known orthonormal basis. This channel model allows a simple evaluation of the number of parameters to be estimated, and also allows a trade-off between modeling error and the complexity of the associa-ted structure. Based on this hybrid channel model, and the distinctive parallelization characteristic of OFDM over a frequency selective fading channel, a time domain recur-sive channel estimator is developed that is capable of ecient tracking of the temporal evolution of a at fading channel. Besides of leading to an estimator robust to the shape of the channel Doppler spectrum, the proposed formu-lation results in a low computational complexity estimator because direct estimation of the channel Doppler compo-nents is avoided, task which involves the use of highly elaborated spectral estimation techniques. Applying analo-gous concepts to the ones used to model the time variation of the channel, an structure is derived to extend the re-sults to the case of frequency selective fading channels, which inherits the computational eciency of the at fading channel estimator as it is based on the same design crite-ria. Fair distribution of channel resources on multiuser systems is a natural concern in multicarrier systems, being its implementation critical for the case of mobile channels, where channel state information varies signifi-cantly over resource allocation intervals. For this setting, an extension of the proposed estimation scheme is developed for application in the prediction of future channel state information. The developed solution results of lower complexity than similar solutions available in the literature, obtaining a suficiently large prediction horizon for its application on current resource allocation schemes. Finally, the performance of the proposed channel estimator/predictor structure is evaluated on a realistic multiuser environment and a characterization technique is proposed for the prediction error associated to practical channel predictors. The inclusion of this characterization in the system resource scheduler formulation, allows a significant improvement on its eficiency as it takes into consideration imperfect channel state information, unavoi-dable when considering practical implementations.