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Modulo de procesado de senal de unMIMO-Testbed OFDM para medidas
de antenas
reconfigurablesC. Gomez-Calero, J. Mora, L. Cuellar, L. de Haro,
R. Martnez
{carlosgc,jmora,luiscn,leandro,ramon}@gr.ssr.upm.esDepartamento
de Senales, Sistemas y Radiocomunicaciones
Universidad Politecnica de MadridCiudad Universitaria s/n, 28040
Madrid.
AbstractMultiple-Input Multiple-Output (MIMO) systemshave been
considered as a solution to increase the data rate andquality of
signals in the next generation wireless communicationsystems. The
performances of these systems depend on threemain aspects: channel
propagation characteristics, processingalgorithms and antenna array
configurations. In order to obtainMIMO channel measurements at ISM
band (2.45 GHz) takeninto account the use of different antennas
such as reconfi-gurables, a MIMO-testbed which uses OFDM technique
hasbeen designed and implemented in order to carry out
themeasurements in indoor scenarios. In this paper, the
signalprocessing module is described which is based on
Software-Radioplatform.
I. INTRODUCCIONTradicionalmente se han usado diversos metodos de
multi-
plexacion para optimizar las fuentes disponibles, tales comola
frecuencia, tiempo o codigo. En los ultimos anos, laexplotacion del
dominio espacial tambien ha sido consideradacomo un modo muy
interesante de incrementar la capacidadde los sistemas
inalambricos. Por lo tanto, se han consideradonuevos metodos y
esquemas para hacer uso de la diversidadespacial del canal, tales
como el uso de multiples antenas aambos lados del radioenlace,
conocido como sistemas MIMO(Multiple-Input Multiple-Output). Estos
sistemas basan suconfiguracion en situar multiples antenas a ambos
lados delenlace con el objetivo de obtener diversidad o
multiplexacionespacial. Varios estudios teoricos [1], [2] han
demostrado unincremento en capacidad con el despliegue de estos
sitemas.
Por otro lado, la tecnica de OFDM (Orthogonal FrequencyDivision
Multiplexing) ha sido adoptada para la transmisionde senales sobre
canales inalambricos en varios estandares desistemas como son el
DAB, DVB-T y los estandares IEEE802.11a/g de LAN y IEEE 802.16a,
MAN. Ademas, estatecnica se presenta como un candidato potencial
para la 4Gde comunicaciones moviles inalambricas. En este
sentido,se han realizado diversos estudios y esquemas para
utilizarsistemas MIMO con OFDM como son [3], [4]. Ademas, seesta
desarrollando el estandar IEEE 802.11n para introducirMIMO con OFDM
en sistemas WLAN.
Las prestaciones logradas en un sistema MIMO
dependeprincipalmente de tres aspectos: las caractersticas de
propa-gacion del canal, los algoritmos MIMO usados en transmisiony
recepcion y, finalmente, la configuracion del array de antenacon
sus caractersticas de radiacion.
As pues, para evaluar las prestaciones de las diferentes
an-tenas, esquemas de codificacion y medias de canal en
diferen-
tes entornos se han desarrollado prototipos y demostradores.En
este artculo se describe el diseno y la implementaciondel procesado
de senal, basado en Software-Radio, de undemostrador MIMO de banda
ancha a 2.45 GHz que incluyeOFDM. Una de las ventajas de este
demostrador es quepermite medidas de canales MIMO para diferentes
tipos deantena y configuraciones, como son las antenas
reconfigura-bles [5].
II. MIMO-TESTBEDEl esquema general del MIMO testbed es el
mostrado en
la Fig. 1. Permite la utilizacion de hasta 4 antenas tantoen el
transmisor como en el receptor. El funcionamientodel sistema es
como sigue: en primer lugar se generan lassenales a transmitir en
el PC. Esto se realiza en lo quellamaremos procesado en tiempo
diferido (offline). Una vezesas senales generadas, se introducen a
la parte de procesadoen tiempo real (online), que esta formado por
plataformasSDR (Software-Defined Radio) y se encarga de enviar
lassenales al siguiente subsistema. Este es el denominado moduloo
subsistema de radiofrecuencia RF y tiene como objetivoamplificar,
filtrar y subir las senales en frecuencia para suenvo. Para que eso
ocurra, es necesario el subsistema deantena, cuya finalidad reside
en transmitir al medio las senalesprocedentes de la etapa anterior.
Ademas, cabe senalar quela senal transmitida se centra en la
frecuencia de 2.45 GHz.En el lado del receptor se realiza la
operacion contraria alcaso del transmisor. Es decir, se reciben las
senales a travesde las antenas, se amplifican, filtran y bajan en
frecuencia,se muestrean y se enva al PC receptor para su
posteriorprocesado offline. Ademas, se anade un modulo que
controlalas diferentes configuraciones de la antena reconfigurable
bajomedida.
III. PLATAFORMA SOFTWARE-RADIOEl modulo de procesado del
demostrador MIMO se encarga
realizar las tareas correspondientes al procesado de senal,tanto
en transmision como en recepcion. Para describirlo, esteapartado se
divide en las siguientes partes: la plataforma SDRutilizada
(procesado online), la comunicacion entre los DSPsy el PC y, por
ultimo, el procesado offline.
En lo que referente al procesado en tiempo real, se han
uti-lizado plataformas DSP TMS320C6203 de Texas Instrumentsy FPGAs
Virtex II de Xilinx. Las cuatro cadenas transmisorasdigitales se
implementan en una placa DSP Quad Pentek 4292
Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unin Cientfica
Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008.
ISBN: 978-84-612-6291-5
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Fig. 1. Esquema general del MIMO testbed
y dos placas upconverters digitales Pentek 6229. En el
ladocorrespondiente a la recepcion, las cuatro cadenas
receptorasconsisten en otra placa DSP Quad Pentek 4292 y dos
placasdigitales downconverters Pentek 6235.
La senal enviada desde el PC es recibida y almacenada en
lamemoria SDRAM de cada uno de los DSPs correspondientes.A
continuacion, se envan dichas senales al transmisor digital6229 que
se encarga de filtrar y subir la senal de banda basea una FI de 40
MHz para su posterior conversion digital aanalogico y salida a la
parte de RF. Para ello, es necesaria unasincronizacion de los
transmisores digitales con el objetivode que todas las antenas
transmitan la informacion a partirdel mismo instante de tiempo. En
recepcion se realiza laoperacion inversa.
La comunicacion entre los modulos de FPGAs-DSPs ylos PCs se
lleva a cabo a traves de libreras especficaspara las plataformas
SDR seleccionadas, lo que permite lacomunicacion con Matlab va
protocolo TCP/IP. Esto esposible gracias al stream API de Swiftnet,
que provee unmedio para mover streams de datos entre el host y la
placaen tiempo real.
IV. PROCESADO DE SENALDebido a que el objetivo es tener un
demstrador de banda
ancha, se emplera la tecnica OFDM, ya que es eficiente
paratransmitir datos sobre canales selectivos en frecuencia. La
ideaprincipal es dividir en frecuencia un canal de banda anchaen
estrechos subcanales. As, cada subcanal es un canal
condesvanecimiento plano a pesar de la naturaleza selectiva
enfrecuencia de un canal de banda ancha. Para generar
dichossubcanales en OFDM, se aplica una transformada rapidainversa
de Fourier (IFFT) a un bloque de N smbolos de datos:
x(n) =1
N
N1k=0
X(k)ej2pifckn
N (1)
Para evitar interferencia entre smbolos (ISI) debida al
en-sanchamiento del retardo del canal, se insertan en el bloque
unprefijo cclico. Este prefijo cclico se conoce como intervalode
guarda (GI), donde el numero de muestras del prefijocclico, debera
ser mayor que la longitud de la respuesta alimpulso del canal. Los
efectos de las muestras del prefijocclico eliminan la ISI y
convierten la convolucion entre lossmbolos transmitidos y el canal
a una convolucion circular.As pues, la transformada rapida de
Fourier (FFT) se utilizaen el receptor para recuperar el bloque de
smbolos recibidos.
TABLA IPARAMETROS PRINCIPALES DE LA SENAL OFDM
Parametro Smbolo ValorFrecuencia de muestreo Fs 6.25 MHzTiempo
util de smbolo Tu 1024/Fs = 163.84 s
Tiempo de guarda Tg Ts/8 = 40.96 sTiempo de smbolo Ts 184.32
s
Separacion entre portadoras f 1/Tu 6.1 kHzNumero de portadoras N
768
Ancho de banda BW 4687500 Hz
En la Tabla I se detallan los parametros mas caractersticosdel
sistema.
A. Estructura de tramaEn el transmisor se genera contnuamente
una trama com-
puesta por 8 smbolos OFDM, como muestra la Fig. 2. Elprimer
smbolo se utiliza para sincronizacion del receptory es un smbolo
nulo. Despues, se introduce el smbolo dereferencia que se utilizara
en el receptor para estimar el canal.Posteriormente se incluyen 6
smbolos de datos. Estos, debidoa que el objetivo es medir el canal,
se generan aleatoriamente.
Fig. 2. Estructura de la trama enviada
B. Estimacion de canalLa estimacion de canal en sistemas MIMO es
una etapa
muy importante ya que, en los sistemas MIMO las presta-ciones de
los algoritmos dependen de dicha estimacion.
La senal recibida en cada portadora viene dada por lasiguiente
expresion
Rk = HkXk +Nk (2)
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donde X es el vector de senales enviadas por cada antena,
Hindica la matriz del canal MIMO y N representa el ruido enel
canal, todo ello para la subportadora k-esisma. La matrizdel canal
MIMO viene expresada segun
Hk =
h1,1,k h1,MT ,k.
.
.
.
.
.
.
.
.
hMR,1,k hMR,MT ,k
(3)
donde cada elemento de la matriz representa la respuesta
delcanal entre cada par de antenas transmisor-receptor.
Por otro lado, se han estudiado diferentes maneras deobtener el
canal. Para ello, utilizaremos como pilotos codigosortogonales que
permitan en el receptor separar las diferentescontribuciones de
cada antena. Debido a que el numero deantenas maximo es 4, es
necesaria una matriz de 4 4elementos. En nuestro caso, utilizaremos
la matriz de pilotos:
P =
1 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 1
(4)
donde el numero de filas representa el espacio y las
columnaspueden representar tanto el tiempo como la frecuencia.
Enuna primera opcion se eligio la frecuencia, por lo que de
estemodo, se asuma que el canal era invariante en 4 subportado-ras.
Sin embargo, y con el objetivo de medir canales selectivosen
frecuencia, se opto por el tiempo como eje en las columnas.
Para una mejor sincronizacion en el receptor, multiplicamosla
matriz de pilotos P por una senal pseudoaleatoria (S). Aspues, en
el receptor para cada subportadora k, tendremos (2)con
Xk = SkP (5)Si tomamos
Yk = XHk
(XkX
Hk
)1 (6)
para estimar el canal multiplicamos la senal recibida por
Y,obteniendo:
Hk = RkYk
= Hk (SkP)Yk +NkYk
= Hk +NkYk (7)En la Fig. 3 se muestra el canal MIMO estimado
basado en
el esquema anterior utilizando el testbed. Para ello, se
unieroncada antena transmisora con su respectiva receptora (h11
=h22 = h33 = h44 = 1), con el objetivo de ver la ortogonalidadde
los pilotos.
Por otro lado, y una vez que se ha obtenido el canal enel
receptor, se calcula la capacidad del canal MIMO. Dadoque no se
conoce el canal en el transmisor y por ende, sedistribuye
equitativamente la potencia por cada una de lasantenas
transmisoras, la capacidad en cada subportadora kviene expresada
por
Ck = log2
[det
(IMR +
MTHkH
Hk
)]bps/Hz (8)
donde IMR es la matriz identidad de tamano MRMR, MTes el numero
de antenas transmisoras y es la relacion senala ruido.
05
10 2448 2449 2450 2451 2452
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Frequency [MHz]
|H1j|
Time (ms)
dB
h11h12h12h14
Fig. 3. |h1j(t, f)| para el caso medido de h11 = 1, hij = 0 para
i 6= j
V. RECEPTOREl receptor del MIMOTestbed es la parte mas
compleja
del sistema. Una vez que las senales son bajadas a banda basey
convertidas de analogico a digital, pasan a ser procesadasen la
FGPA donde se realiza el sincronismo y la FFT.
A. Modulo de sincronismoEl modulo de sincronismo se encarga de
estimar el
comienzo del smbolo de referencia que sigue al smbolo nulodentro
de la trama. Genera como salidas la senal que recibea la entrada,
una senal que indica un intervalo donde estacontenido el smbolo de
referencia, una senal que indican elcomienzo del smbolo de
referencia dentro de ese intervaloy los valores del maximo del
resultado de la autocorrelaciondentro del intervalo (Fig. 4).
El modulo detector de smbolo es una maquina de estadosque
detecta el final del smbolo nulo, genera una ventanatemporal que
nos asegure que hemos almacenado el smbolode referencia completo y
mientras observa el resultado de laautocorrelacion para localizar
el indice que se corresponde conel inicio del smbolo. Para la
sincronizacion en el tiempo conel smbolo de referencia y estimar el
CFO (Carrier FrequencyError) nos valemos del esquema basado en la
autocorrelaciondel prefijo cclico [6].
Fig. 4. Modulo de sincronismo
B. Modulo FFTEste modulo recibe las senales de salida de los
modulos de
sincronismo de los canales 1 y 2. Las senales se almacenanen un
buffer independiente para cada uno de los canales. Laescritura en
estos bufferes esta controlada por la senal que segenera en el
modulo de sincronismo. Cuando ambos bufferesestan llenos, tenemos
una captura completa del smbolo de
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referencia para ambos canales. La maquina de estados aldetectar
este evento manda secuencialmente los 1024 datosdel smbolo, a
partir del ndice, al modulo que realiza la FFTde 1024 puntos. Este
modulo es compartido por el canal 1 y 2,debido al alto consumo de
recursos en la FPGA. La maquinade estados se encarga de conmutar
entre los datos de los 2canales y almacenarlos en el buffer de
salida correspondiente.
VI. ERRORES DE IMPLEMENTACION
Al ser un sistema real, se han analizado tambien los aspec-tos
de implementacion, tales como errores de frecuencia portener
distintos relojes de muestreo en transmision y recepcion,as como
los errores producidos por usar distintos osciladoreslocales,
distintos relojes internos a ambos lados del enlaceradio, ya que es
necesaria una sincronizacion, estimacion deloffset de frecuencia y
posterior correccion. Teniendo todolo anterior en cuenta, podemos
incluir todos estos errores,obteniendo las senales recibidas
segun
Rk = XkHk ej(2pik
TdTu
+2pikt(n)Tu
+0+2pikfTs
)+
Ik +Nk (9)donde Td representa el offset temporal del smbolo, t
eloffset temporal del muestreo, 0 el offset de fase, f el offsetde
frecuencia y Ik es la ICI (Inter-Carrier Interference) debidaal
offset de frecuencia para la portadora k-esimia.
Estos errores se han tratado en la etapa de procesado demanera
que se han mitigado estos efectos, teniendo muchocuidado de
corregir todos los errores sin afectar a la matrizdel canal, ya que
si corregimos toda la fase, eliminaremos elefecto del canal de
propagacion.
VII. APLICACION MIMOTESTBED
Uno de los principales objetivos del testbed MIMO debanda ancha
es que permita realizar medidas de antenasreconfigurables en
diferentes entornos. As pues, se ha de-sarrollado una herramienta
de facil manejo disenada en elentorno Matlab para la integracion de
la parte de procesado yla parte de medidas. Concretamente, en la
Fig. 5. se muestra laventana principal de la aplicacion, donde se
van mostrando lospuntos medidos, las senales recibidas y la
capacidad MIMOdel canal obtenida.
Fig. 5. Ventana principal de la aplicacion
Cabe senalar que el testbed tiene un scanner que puedebarrer
cualquier punto en un area de hasta 6 6 [7]. Elesquema de
funcionamiento es el siguiente: en cada punto demedida, se reciben
32 smbolos de pilotos donde se estimael canal, de modo que
obtendremos la respuesta del mismotanto en frecuencia como en
tiempo. Una vez hecho esto,se cambia la configuracion del array de
antenas mediante unswitch conectado al PC por un puerto RS232 y se
vuelve amedir. Cuando se terminan las configuraciones, se cambia
elpunto del scanner y se vuelve a hacer todo el proceso. Estose
detalla en la Fig. 6, donde se muestra el diagrama de flujodel
sistema de medida.
Fig. 6. Diagrama de flujo del testbed
VIII. CONCLUSIONESSe ha presentado el diseno e implementacion
del modulo
correspondiente al procesado de senal de un medidor de canalMIMO
de banda ancha a la frecuencia de 2.45 GHz. El MIMOtestbed utiliza
la tecnica OFDM, as como pilotos ortogonalespara la estimacion de
canal. La etapa de sincronismo y FFTen el receptor se realiza en
una FPGA. Ademas, se han pre-sentado los errores encontrados
debidos a la implementacionreal, as como se ha descrito el
funcionamiento del testbedpara el uso de antenas
reconfigurables.
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Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unin Cientfica
Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008.
ISBN: 978-84-612-6291-5