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Interferometría de portadores

La interferometría de portadora (CI) es un esquema de espectro ensanchado diseñado para ser utilizado en un sistema de comunicación de multiplexación por división de frecuencia ...

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La interferometría de portadora (CI) es un esquema de espectro ensanchado diseñado para ser utilizado en un sistema de comunicación de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) para multiplexación y acceso múltiple , lo que permite que el sistema admita múltiples usuarios al mismo tiempo en la misma banda de frecuencia.

Al igual que MC-CDMA , CI-OFDM distribuye cada símbolo de datos en el dominio de la frecuencia. Es decir, cada símbolo de datos se transmite a través de múltiples subportadoras OFDM. Sin embargo, a diferencia de MC-CDMA, que utiliza códigos Hadamard de fase binaria (valores de código de 0 o 180 grados) o pseudorruido binario, los códigos CI son códigos ortogonales de valor complejo . En el caso más simple, los valores del código CI son coeficientes de una matriz de transformada discreta de Fourier (DFT). Cada fila o columna de la matriz DFT proporciona un código de distribución CI ortogonal que distribuye un símbolo de datos. La distribución se logra multiplicando un vector de símbolos de datos por la matriz DFT para producir un vector de símbolos de datos codificados; luego, cada símbolo de datos codificado se asigna a una subportadora OFDM mediante un bin de entrada de una transformada rápida de Fourier inversa (IFFT). Se puede seleccionar un bloque de subportadoras contiguas o, para lograr una mayor diversidad de frecuencia, se pueden utilizar subportadoras no contiguas distribuidas en una banda de frecuencia amplia. Se añade un intervalo de guarda, como un prefijo cíclico (CP), a la señal CI-OFDM de banda base antes de que la señal sea procesada por un front-end de radio para convertirla en una señal de RF, que luego es transmitida por una antena.

Una ventaja significativa de CI-OFDM sobre otras técnicas OFDM es que la dispersión CI moldea las características en el dominio del tiempo de la forma de onda transmitida. Por lo tanto, las señales CI-OFDM tienen una relación de potencia pico a promedio (PAPR), o factor de cresta , mucho menor en comparación con otros tipos de OFDM. [ 1 ] Esto mejora considerablemente la eficiencia energética y reduce el costo de los amplificadores de potencia utilizados en el transmisor de radio.

Un receptor CI-OFDM elimina el prefijo cíclico de una transmisión CI-OFDM recibida y realiza la demodulación OFDM con una DFT (por ejemplo, una FFT), la cual se utiliza habitualmente en receptores OFDM. Los valores de los símbolos de dispersión CI se obtienen de sus respectivas subportadoras mediante un proceso de mapeo inverso y pueden ecualizarse para compensar el desvanecimiento por trayectos múltiples o procesarse para la demultiplexación espacial . El desdispersor CI realiza una DFT inversa sobre los símbolos de dispersión para recuperar los símbolos de datos originales.

Transmisor y receptor CI-OFDM
Transmisor y receptor CI-OFDM

Dado que la codificación CI puede moldear las características del dominio del tiempo de la forma de onda transmitida, puede utilizarse para sintetizar diversas formas de onda, como señales de espectro ensanchado de secuencia directa [ 2 ] y de modulación por desplazamiento de frecuencia [ 3 ] [4]. La ventaja radica en que el receptor puede seleccionar la ecualización en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia según la cantidad de dispersión presente en el canal de transmisión. En entornos con alta dispersión, la ecualización en el dominio de la frecuencia mediante FFT requiere menos cálculos que la ecualización convencional en el dominio del tiempo y ofrece un rendimiento sustancialmente superior.

Historia del CI

La CI fue introducida por Steve Shattil, científico de Idris Communications, en la patente estadounidense n.° 5,955,992, [ 4 ] presentada el 12 de febrero de 1998, y en el primero de muchos artículos [ 5 ] en abril de 1999. El concepto se inspiró en el bloqueo de modos óptico , en el que la síntesis en el dominio de la frecuencia mediante una cavidad resonante produce las características deseadas en el dominio del tiempo en la señal óptica transmitida. En los sistemas de radio, los usuarios comparten las mismas subportadoras, pero utilizan diferentes códigos CI ortogonales para lograr el acceso múltiple por interferencia de portadora (CIMA) mediante mecanismos de interferometría espectral .

Muchas aplicaciones de los principios de CI se publicaron en docenas de solicitudes de patentes posteriores, artículos de conferencias y artículos de revistas. CI en OFDM con salto de frecuencia se describe en la solicitud de patente internacional WO 9941871. [ 6 ] CI en comunicaciones de fibra óptica y MIMO se describe en US 7076168. [ 7 ] US 6331837 [ 8 ] describe la demultiplexación espacial utilizando señales multicarrier que elimina la necesidad de múltiples antenas receptoras. La codificación CI de señales de referencia se divulga en US 7430257. [ 9 ] El uso de CI para codificación de red lineal y codificación cebolla se divulga en US 20080095121 [ 10 ] en la que se utilizan códigos lineales aleatorios basados ​​en el canal multipath natural para codificar señales transmitidas enrutadas por nodos en una red peer-to-peer de múltiples saltos.

La similitud entre el procesamiento de arreglos de antenas y el procesamiento de CI se reconoció desde los primeros trabajos en CI. Cuando CI se combina con arreglos de fase , el cambio de fase continuo entre subportadoras hace que el patrón de haz del arreglo escanee en el espacio, lo que logra diversidad de transmisión y representa una forma temprana de diversidad de retardo cíclico . [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Se han estudiado combinaciones de codificación CI con precodificación MIMO, [ 14 ] y la idea de usar CI en sistemas de antenas distribuidas precodificadas MIMO con coordinación central se divulgó por primera vez en una solicitud de patente provisional en 2001. [ 15 ] La radio definida por software (SDR) basada en CI que implementaba cuatro pilas de protocolo diferentes se desarrolló en Idris en 2000 y se describió en US 7418043. [ 16 ]

Descripción matemática

En spread-OFDM, la propagación se realiza a través de subportadoras ortogonales para producir una señal de transmisión expresada por x = F −1 Sb donde F −1 es una DFT inversa, S es una matriz de código spread-OFDM y b es un vector de símbolos de datos. La DFT inversa normalmente emplea un factor de sobremuestreo, por lo que su dimensión es KxN (donde K > N es el número de muestras en el dominio del tiempo por bloque de símbolo OFDM), mientras que la dimensión de la matriz de código spread-OFDM es NxN .

En el receptor, la señal OFDM ensanchada recibida se expresa mediante r = HF −1 Sb , donde H representa una matriz de canal. Dado que el uso de un prefijo cíclico en OFDM cambia la matriz de canal tipo Toeplitz en una matriz circulante, la señal recibida se representa mediante

r = F −1 Λ H FF −1 Sb

= F −1 Λ H Sb

donde la relación H = F −1 Λ H F proviene de la definición de una matriz circulante, y Λ H es una matriz diagonal cuyos elementos diagonales corresponden a la primera columna de la matriz de canal circulante H . El receptor emplea una DFT (como es típico en OFDM) para producir

y = Λ H Sb .

En el caso trivial, S = I , donde I es la matriz identidad, da como resultado OFDM regular sin dispersión.

La señal recibida también se puede expresar como:

r = F −1 Λ H FF −1 ( Λ C F ) b ,

donde S = Λ C F , y C es una matriz circulante definida por C = F −1 Λ C F , donde Λ C es la matriz diagonal de la matriz circulante. Por lo tanto, la señal recibida, r , se puede escribir como

r = F −1 Λ H Λ C Fb = F −1 Λ C Λ H Fb ,

y la señal y después de la DFT del receptor es y = Λ C Λ H Fb

La matriz de dispersión S puede incluir una matriz diagonal de pre-ecualización (por ejemplo, Λ C = Λ H −1 en el caso de forzado a cero), o la ecualización puede realizarse en el receptor entre el DFT (demodulador OFDM) y el DFT inverso (desexpansor CI).

En el caso más simple de CI-OFDM, la matriz de dispersión es S = F (es decir, Λ C = I , por lo que la matriz de dispersión CI es simplemente la matriz DFT NxN ). Dado que la DFT sobremuestreada de OFDM es KxN , con K > N , la matriz de dispersión CI básica se comporta como un filtro de conformación de pulsos sinc que asigna cada símbolo de datos a un pulso desplazado cíclicamente y posicionado ortogonalmente formado a partir de una superposición de subportadoras OFDM. Otras versiones de CI pueden producir formas de pulso alternativas seleccionando diferentes matrices diagonales Λ C.

Propiedades útiles

  1. PAPR bajo ( factor de cresta )
  2. Baja sensibilidad a la distorsión no lineal
  3. Baja sensibilidad al desplazamiento de la frecuencia portadora
  4. Resistencia a desvanecimientos profundos (nulos espectrales)

Véase también

Referencias

  1. ↑ Tecnologías multiportadoras para la comunicación inalámbrica (  ed. 2002). Stanford, California: Springer. 30 de noviembre de 2001. ISBN 9780804725071.
  2. ↑ Zhiqiang Wu; Nassar, C.; Shattil, S. (2001). "DS-CDMA de banda ultraancha mediante innovaciones en la configuración del chip". 54.ª Conferencia de Tecnología Vehicular del IEEE. VTC Otoño 2001. Actas (Cat. No. 01CH37211) . Vol. 4. págs. 2470–2474 . doi : 10.1109/VTC.2001.957194 . ISBN   978-0-7803-7005-0. S2CID 28052623 . 
  3. ↑ Natarajan, B.; Nassar, CR; Shattil, S. (2001). "Bluetooth mejorado e IEEE 802.11 (FH) mediante implementación multicarrier de la capa física". Simposio IEEE de Tecnologías Emergentes de 2001 sobre Comunicaciones de Banda Ancha para la Era de Internet. Resumen del simposio (Cat. No. 01EX508) . págs. 129–133 . doi : 10.1109/ETS.2001.979440 . ISBN  978-0-7803-7161-3. S2CID 16077120 . 
  4. ↑ US 5955992 , "Cavidad de retroalimentación con desplazamiento de frecuencia utilizada como controlador de antena de matriz en fase y transmisor de espectro ensanchado de acceso múltiple con interferencia de portadora"
  5. ↑ Nassar, CR; Natarajan, B.; Shattil, S. (1999). "Introducción de la interferencia de portadora al acceso múltiple de espectro ensanchado". Simposio de Tecnologías Emergentes IEEE de 1999. Comunicaciones y sistemas inalámbricos (IEEE Cat. No. 99EX297) . págs. 4.1 – 4.5 . doi : 10.1109/ETWCS.1999.897312 . hdl : 2097/4274 . ISBN  978-0-7803-5554-5. S2CID 37339498 . 
  6. ↑ WO9941871 , "Sistema y método de acceso múltiple"
  7. ↑ US 7076168 , "Método y aparato para utilizar interferometría multicarrier para mejorar las comunicaciones por fibra óptica"
  8. ↑ US 6331837 , "Multiplexación por interferometría espacial en comunicaciones inalámbricas"
  9. ↑ US 7430257 , "Subcapa multicarrier para canal de secuencia directa y codificación de acceso múltiple"
  10. ↑ US 20080095121 , "Redes de interferometría de portadoras"
  11. ↑ Zekavat, Seyed Alireza; Nassar, Carl R.; Shattil, Steve (2000). "Barrido espacial de antena inteligente para direccionalidad combinada y diversidad de transmisión". Journal of Communications and Networks . 2 (4): 325– 330. doi : 10.1109/JCN.2000.6596766 . S2CID 18877233 . 
  12. ↑ Zekavat, SA; Nassar, CR; Shattil, S. (2002). "Combinación de DS-CDMA (con formas de chip CI) y matrices de antenas inteligentes de haz oscilante: aprovechamiento de la diversidad de transmisión, la diversidad de frecuencia y la direccionalidad". 2002 IEEE International Conference on Communications. Actas de la conferencia. ICC 2002 (Cat. No.02CH37333) . Vol. 2. pp. 742–747 . doi : 10.1109/ICC.2002.996954 . ISBN   978-0-7803-7400-3. S2CID 33663974 . 
  13. ↑ Shattil, S.; Nassar, CR (1999). "Sistemas de control de arreglos para protocolos multicarrier mediante una cavidad de retroalimentación con desplazamiento de frecuencia". RAWCON 99. Conferencia IEEE de Radio y Comunicaciones Inalámbricas de 1999 (Cat. No. 99EX292) . págs. 215–218 . doi : 10.1109/RAWCON.1999.810968 . ISBN  978-0-7803-5454-8. S2CID 108425375 . 
  14. ↑ Barbosa, PR; Zhiqiang Wu; Nassar, CR (2003). "MIMO-OFDM de alto rendimiento mediante interferometría de portadora". GLOBECOM '03. Conferencia Global de Telecomunicaciones IEEE (IEEE Cat. No. 03CH37489) . Vol. 2. págs. 853–857 . doi : 10.1109/GLOCOM.2003.1258360 . ISBN   978-0-7803-7974-9. S2CID 20747953 . 
  15. ↑ Solicitud de patente estadounidense n.º 60286850, “Método y aparato para utilizar la interferometría de portadores para procesar señales multiportadoras”
  16. ↑ US 7418043 , "Protocolo de transmisión multicarrier de alto rendimiento adaptable por software"