Aspectos de sincronización en frecuencia para sistemas multiportadora

Abstract

En esta tesis se tratan diversos aspectos que contribuyen a incrementar el desempeño de los sistemas de comunicaciones modernos. Entre los desafíos más importantes están la compen sación de los efectos del canal de comunicaciones, la sincroni-zación en frecuencia y las limitaciones en el ancho de banda de transmisión. Los estándares modernos son capaces de proveer a los usuarios diferentes tipos de calidad de servicio. Esto exige gran flexibilidad en el manejo de los recursos de radio y alta robustez frente a las interferencias. El multiplexa-do por división en frecuencias ortogonales (OFDM), es el es-quema de modulación multiportadora que se esta adoptando en la mayoría de los estándares para lograr dichas exigencias. Entre las desventajas de la implementación práctica de OFDM están la sensibilidad a errores de sincronismo en frecuencia y el alto consumo de potencia en la amplificación. El error de sincronismo en frecuencia destruye la ortogonalidad entre las subportadoras de OFDM lo que disminuye notablemente el desempeño del sistema, por ese motivo es necesario estimar y compensar dicho error. Para tal fin se propuso una familia de algoritmos de estimación de errores de sincronismo basados en una aproximación más exacta de la estadística de la señal de entrenamiento. En consecuencia, los estimadores obte-nidos tienen mejor desempeño que los propuestos anterior-mente. Considerando una incipiente línea de investigación, se propuso un estimador de frecuencia basado en filtrado notch que es útil para la estimación de errores de sincronismo en sistemas multiportadora. El algoritmo funciona de manera itera-tiva procesando la información en bloques, lo que resulta ade-cuado para estimaciones basadas en una secuencia de entre-namiento. El acceso mútiple por división de frecuencias ortogonales (OFDMA) está basado en OFDM y utiliza conjun-tos de subportadoras para trasmitir la información de cada usuario. En este caso también es necesario estimar y compen-sar los errores de sincronismo, operaciones que requieren una elevada carga computacional. En esta tesis se propone un esquema de compensación de errores de sincronismo que permite reducir notoriamente la complejidad del sistema sin degradar considerablemente el desempeño. La modulación multiportadora basada en banco de filtros (FBMC) se ha pro-puesto recientemente como alternativa a OFDMA ya que es menos sensible a errores de sincronismo en frecuencia. Con el fin de determinar cual sistema es el más adecuado, se pre-senta una comparación entre OFDMA y FBMC en un contexto realista, teniendo en cuenta tanto el desempeño como la complejidad de implementación. Además de las temáticas principales antes mencionadas, en esta tesis se tratan de manera complementaria cuestiones relacionadas con nuevos sistemas de comunicaciones en estado de desarrollo, que permiten abordar los problemas de escasez espectral y de amplificación de una señal de amplio rango dinámico. Estu-dios recientes demuestran que el espectro es un recurso escaso pero muchas veces desperdiciado. La solución para este problema puede ser la asignación dinámica de ancho de banda, lo que permite que varios sistemas o redes compartan la misma banda de frecuencias. Estos sistemas están compuestos por dispositivos llamados radios cognitivas que tienen que realizar tareas de sensado espectral a fin de determinar si alguna banda de interés está o no disponible. Se supone que las señales involucradas en el proceso de sen-sado son OFDM, debido a que este esquema es ampliamente utilizado en la actualidad. Por consiguiente, en esta tesis se estudian técnicas de detección y diferenciación de señales basadas en características estadísticas de dicha modulación. El alto rango dinámico de las señales OFDM produce un alto consumo de potencia que puede ser inaceptable, sobretodo en dispositivos móviles. Para evitar el problema es posible concebir un sistema híbrido en el cual se utilice OFDM en el enlace de bajada y modulacion de portadora simple en el enlace de subida. En este sistema la ecualización en el enlace de subida no es trivial como en el caso de OFDM. Se ha propuesto entonces, un ecualizador con realimentación de decisión en el dominio frecuencia y adaptación de mínimos cuadrados recursiva, que permite mejorar el desempeño tanto en la velocidad de convergencia de los coeficientes del filtro, como en el seguimiento de las variaciones del canal de comunicaciones.

In this thesis are discussed several aspects that contribute to increase the performance of modern communication systems. Among the most important challenges are the compensation of communication channel effects, frequency synchronization and transmission bandwidth limitations. Modern standards are able to provide different quality of services to the users. This requires a high flexibility in the management of radio resources and high robustness against channel interference. The ortho-gonal frequency-division multiplexing (OFDM), is the multi-carrier modulation scheme that is being adopted in most of modern standards to achieve the required specifications. Among the disadvantages of OFDM practical implementation are the sensitivity to frequency synchronization errors and the high consumption of the power amplifier. The frequency synchronization error destroys the orthogonality of OFDM subcarriers which decreases the system performance signi-ficantly, for this reason it is necessary to estimate and compensate this error. To that end, it is proposed a new family of algorithms for carrier frequency offset estimation, based on a more accurate approximation of the training signal statistics. As a consequence, obtained estimators have better performance that previous proposals. Considering an emerging line of research, it is also proposed a frequency estimator based on notch filtering that is useful for estimation of frequency synchronization errors in multicarrier systems. The algorithm is iterative and process the information in a bock basis, which results appropriate for estimations based on a training sequence. Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) is based on OFDM and employs a set of subcarriers to transmit the information of each user. In this case also it is necessary to estimate and compensate syn-chronization errors, operations that require a high computa-tional load. In this thesis is proposed a compensation scheme for frequency synchronization errors that allows to reduce significantly the system complexity without degrading noto-riously the performance. The filter bank based multicarrier (FBMC) modulation has been recently proposed as an alter-native to OFDMA since it is less sensitive to frequency syn-chronization errors. In order to establish which system is the more appropriate, it is presented a comparison between OFDMA and FBMC in a realistic context, taking into account performance and implementation complexity. In addition to the key issues mentioned above, in this thesis are discussed in a complementary manner topics related to new commu-nications systems in early development stages, that address the problems of spectral scarcity and high dynamic range power amplification. Recent studies show that the spectrum is a scarce resource but often wasted. The solution to this pro-blem may be the dynamic bandwidth allocation, allowing multiple systems or networks to share the same frequency band. These systems consist of devices called cognitive radios, that have to sense the spectrum to determine if the frequency band of interest is available or not.It is supposed that signals involved in the sensing process are OFDM, since this scheme is currently wide adopted. In conclusion, in this thesis are studied signal detection and differentiation tech-niques based on statistical features of this modulation. The high dynamic range of OFDM leads to a high power consump-tion that could be unacceptable, mainly in mobile devices. To avoid the problem is possible to conceive an hybrid system that employ OFDM in the downlink and single carrier modula-tion in the uplink. In this system the equalization in the uplink is not trivial as for the OFDM case. Then, it is proposed a frequency domain decision feedback equalizer and recursive least squares adaptation, that improves the performance both in convergence speed and tracking of communication channel variations.