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Técnicas ciegas de detección para sistemas MIMO

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117 pages

Los sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) han surgido como un nuevo paradigma dentro del ámbito tecnológico de las comunicaciones inalámbricas, prometiendo dar respuesta a la necesidad creciente de altas velocidades de trasferencia de datos junto con una mayor eficiencia espectral de transmisión. La desventaja de estos sistemas es su mayor complejidad de procesamiento digital y la multiplicación de los recursos hardware de radiofrecuencia. A lo largo de este proyecto proporcionamos una visión general de los sistemas de comunicaciones MIMO, destacando aquellas características que les diferencian de los sistemas tradicionales de comunicaciones inalámbricas. Posteriormente nos centramos en el análisis de un conjunto de técnicas lineales de detección para receptores MIMO, tanto semiciegas como ciegas, ya presentadas por distintos investigadores, lo que nos ayuda al desarrollo de una nueva técnica lineal ciega de detección que mejore algunas características. Adicionalmente, proponemos una técnica de ordenación y sincronización temporal de flujos de datos detectados para estos sistemas. Llevamos también a cabo un conjunto de pruebas sobre estos algoritmos mediante simulaciones numéricas para evaluar su rendimiento comparado. Finalmente, exponemos las conclusiones del trabajo realizado y proponemos futuras líneas de trabajo que pueden ser abordadas.
Ingeniería de Telecomunicación
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
PROYECTOFINDECARRERA
DEINGENIERÍADETELECOMUNICACIONES
TÉCNICAS CIEGAS DE DETECCIÓN PARA
SISTEMAS MIMO
Autor: PABLO PISONERO OVILO
Director: JOAQUÍN MÍGUEZ ARENAS
Madrid, Enero de 2012Proyecto: Técnicas Ciegas de Detección para Sistemas MIMO.
Tipo de proyecto: Proyecto de Fin de Carrera.
Autor: Pablo Pisonero Ovilo.
Director: Joaquín Míguez Arenas.
Fecha de lectura: 9 de Enero de 2012.
Calificación:
Tribunal
Presidente: Ángel Bravo Santos.
Secretario: Luca Martino.
Vocal: Elisa Molanes López.
iiiivAgradecimientos
A mi familia, mis padres y mi hermano, sin los cuales no sería la persona
que he llegado a ser.
A mis amigos y toda la gente que ha estado al lado mío a lo largo de los
años ofreciendo apoyo, Laura, Sandra, Susana, Belén, María, Rubén, Sergio,
Jose, Jaime, Miguel, Javi...
A Joaquín, por su paciencia a lo largo del tiempo para permitirme acabar
este proyecto.
vviResumen
Los sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) han surgido como
un nuevo paradigma dentro del ámbito tecnológico de las comunicaciones
inalámbricas, prometiendo dar respuesta a la necesidad creciente de altas
velocidades de trasferencia de datos junto con una mayor eficiencia espectral
de transmisión. La desventaja de estos sistemas es su mayor complejidad
de procesamiento digital y la multiplicación de los recursos hardware de
radiofrecuencia.
A lo largo de este proyecto proporcionamos una visión general de los
sistemas de comunicaciones MIMO, destacando aquellas características que
les diferencian de los sistemas tradicionales de comunicaciones inalámbricas.
Posteriormente nos centramos en el análisis de un conjunto de técnicas
lineales de detección para receptores MIMO, tanto semiciegas como ciegas,
ya presentadas por distintos investigadores, lo que nos ayuda al desarrollo de
unanuevatécnicalinealciegadedetecciónquemejorealgunascaracterísticas.
Adicionalmente, proponemos una técnica de ordenación y sincronización
temporaldeflujosdedatosdetectadosparaestossistemas.Llevamostambién
a cabo un conjunto de pruebas sobre estos algoritmos mediante simulaciones
numéricas para evaluar su rendimiento comparado. Finalmente, exponemos
las conclusiones del trabajo realizado y proponemos futuras líneas de trabajo
que pueden ser abordadas.
viiviiiÍndice general
Lista de figuras xi
Lista de tablas xiii
1. Introducción 1
1.1. Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4. Organización de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Comunicaciones en sistemas MIMO 5
2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Modelo de señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1. Modelado de canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2. Función de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3. Capacidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1. Expresiones de la capacidad . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2. Multiplexado espacial y solución óptima . . . . . . . . 11
2.4. Diversidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1. Diversidad en recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.2. Diversidad en transmisión y codificación espacio-
temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5. Diseño de sistemas MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.1. Arquitectura de sistemas MIMO . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.2. Aspectos de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3. Revisión de técnicas de detección para sistemas MIMO 19
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. Arquitectura y modelo de señal . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3. Detección óptima de máxima verosimilitud . . . . . . . . . . . 25
3.4. Técnicas semiciegas de detección . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.1. Detección semiciega basada en el principio de máxima
verosimilitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.2. Detección semiciega basada en CMA . . . . . . . . . . 35
ix3.5. Técnicas ciegas de detección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.1. Detección ciega iterativa basada en CMA . . . . . . . . 42
3.5.2. Detección ciega paralela basada en CMA . . . . . . . . 47
4. Técnica ciega de detección MIMO de máxima verosimilitud
con correlaciones cruzadas 51
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2. Arquitectura y modelo de señal . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3. Función de verosimilitud regularizada . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4. Inicialización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5. Algoritmo de búsqueda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6. Superficie de verosimilitud regularizada . . . . . . . . . . . . . 62
4.7. Sincronización de flujos de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5. Simulaciones y análisis 67
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2. Simulaciones y análisis de la técnica de detección MV-CC . . . 68
5.3. Simulaciones y análisis de la técnica de ordenación y
sincronización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4. Simulacionesyanálisiscomparativosdelastécnicasdedetección 85
6. Conclusiones 95
6.1. Resultados del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2. Líneas futuras de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.Glosario 99
Bibliografía 101
x

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