Técnicas de mejora de estimación de canal para sistemas de comunicaciones no estandarizados OFDM

Abstract

La modulación multiportadora OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es actualmente utilizada en diversos sistemas de comunicaciones; por ejemplo se emplea en MODEMs de alta velocidad mediante la tecnología DSL y sus variantes (xDSL). También es utilizada en sistemas de comunicaciones de banda ancha como: radiodifusión de audio digital DAB, radiodifusión de video digital DVB, redes inalámbricas de área local WLAN: IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, ETSI BRAN HIPERLAN/2, y redes inalámbricas de área amplia: IEEE 802.16 (WiMAX). Los esquemas anteriormente descritos emplean el modulador tradicional con prefijo cíclico, el CP-OFDM (Cyclic Prefix OFDM). El objetivo del prefijo cíclico es convertir la convolución lineal en convolución circular, lo que permite realizar una ecualización simple cuando el canal es conocido. Para la estimación del canal se emplea la modulación asistida por símbolo piloto PSAM (Pilot Symbol Assisted Modulation). Mediante esta técnica, por cada trama transmitida (conjunto de símbolos OFDM), una porción de los símbolos son conocidos en el transmisor y receptor; estos se denominan símbolos de entrenamiento o símbolos pilotos. El problema de la estimación por símbolo piloto es que se asume que el canal no varía (o varía muy poco) entre cada símbolo piloto transmitido, generalmente colocados al inicio de cada trama. Para canales variantes en el tiempo, se debe transmitir con mayor frecuencia los símbolos pilotos a fin de obtener una estimación adecuada del canal, lo que ocasiona una ineficiencia en el uso de la anchura de banda. Ante la necesidad de mejorar la eficiencia en el uso de la anchura de banda para sistemas OFDM, es que se estudiaron diversos métodos de estimación de canal existentes para estos sistemas (blind, semi blind y PSAM), esto en base a que sólo se puede aceptar una mejora de eficiencia de uso de canal si la probabilidad de error BER también es aceptable. Para sistemas OFDM una forma de mejorar el BER (disminuir su valor), es mejorar la técnica de estimación de canal; ya que esto conduce a una óptima ecualización de canal y por tanto a una adecuada recuperación de los bits de información. El trabajo se centra en el estudio e implementación de nuevos esquemas de modulación OFDM recientemente propuestos como el modulador ZP-OFDM (Zero Padding OFDM). Este modulador tiene la ventaja de permitir la recuperación de los símbolos transmitidos en el receptor, aún si el canal presenta coeficientes con valor cero o cercanos a cero (por ejemplo canales con desvanecimiento), en comparación al modulador CP-OFDM que no puede realizarlo. Este modulador propone el uso de un post fijo con sus todos sus valores iguales a cero, en reemplazo del uso de un prefijo que antes tenía como valor la extensión cíclica del símbolo transmitido (CP-OFDM). Como resultado de la investigación se propone un modulador OFDM que mejora la eficiencia del uso de anchura de banda, ofrecida por el estándar IEEE 802.11a. El modulador propuesto basa su etapa de estimación de canal en el uso de PSAM (modificado a diferencia del usado en CP-OFDM). También se emplea el esquema de modulación ZP-OFDM, con el que se obtuvo mejores resultados. La mejora en eficiencia introducida por el modulador propuesto se refleja en el incremento de todas las tasas de trasferencias ofrecidas por el estándar IEEE 802.11a, para valores de BER similares y/o más bajos que los soportados por el estándar. Sin embargo se sacrifica la banda de guarda originalmente propuesto en el estándar.

Multicarrier modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is currently used in various communications systems, eg. used in high-speed modems with DSL technology and its variants (xDSL). It is also used in systems such as broadband communications, DAB (Digital Audio Broadcasting), DVB (Digital Video Broadcasting), WLAN (Wireless Local Area Networks): IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, ETSI BRAN HIPERLAN/2, and wide-area wireless networks: IEEE 802.16 (WiMAX). The schemes described above employ the traditional modulator with cyclic prefix, CP-OFDM (Cyclic Prefix OFDM). The aim of the cyclic prefix is to convert the circular convolution linear convolution, which allows a simple equalizer when the channel is known. For the channel estimation is employed pilot symbol assisted modulation PSAM (Pilot Symbol Assisted Modulation). Using this technique, each transmitted frame (OFDM symbol set), a portion of the symbols are known at the transmitter and receiver, these symbols are called pilot or training symbols. The problem of pilot symbol estimate is the assumption that the channel does not vary (or varies very little) between each transmitted pilot symbol, usually placed at the beginning of each frame. For time-varying channels, must be transmitted more frequently pilot symbols to obtain an adequate estimate of the channel, resulting in an inefficient use of bandwidth. Given the need to improve efficiency in the use of bandwidth for OFDM systems is that they studied various channel estimation methods exist for these systems (blind, and semi-blind PSAM), this on the basis that you can only accept a better channel use efficiency if the probability of error is also acceptable BER. For OFDM systems a way to improve the BER (lower value) is to improve the channel estimation technique, as this leads to an optimal channel equalization and therefore adequate recovery of the bits of information. The work focuses on the study and implementation of new modulation schemes like OFDM recently proposed ZP-OFDM modulator (Zero Padding OFDM). This modulator has the advantage of allowing the recovery of the transmitted symbols at the receiver, even if the channel has coefficients with zero or near zero (eg fading channels) compared to CP-OFDM modulator can not do it. This modulator proposes the use of a fixed post with all zero values, replacing the use of a prefix before the extension was to value cyclical transmitted symbol (CP-OFDM). As a result of the research proposes an OFDM modulator that enhances the efficient use of bandwidth offered by the IEEE 802.11a standard. The proposed modulator is based channel estimation step in the use of PSAM (modified unlike the one used in CP-OFDM). It is also used modulation scheme ZP-OFDM, which was obtained with the best results. The improvement in efficiency introduced by the proposed modulator is reflected in the increase of all transfers rates offered by the IEEE 802.11a standard for similar BER values and/or lower than those supported by the standard. However, it sacrifices the guard band originally proposed in the standard.