Mimo Testbed OFDM par

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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

  • 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)

    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

  • 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 d