Aline de Oliveira Pinto Silva
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821495/CA
Detecção de Sinais em Sistema de
Comunicações de Banda Ultra-Larga
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do
grau de Mestre pelo Programa de Pós–graduação em Engenharia
Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica da PUC–Rio
Orientador
:
Prof. Raimundo Sampaio Neto
Co–Orientador: Prof. César Augusto Medina Sotomayor
Rio de Janeiro
Dezembro de 2010
Aline de Oliveira Pinto Silva
Detecção de Sinais em Sistema de
Comunicações de Banda Ultra-Larga
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821495/CA
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção
do grau de Mestre pelo Programa de Pós–graduação em Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica do Centro
Técnico Cientı́fico da PUC–Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Prof. Raimundo Sampaio Neto
Orientador
Centro de Estudos em Telecomunicações — PUC-Rio
Prof. César Augusto Medina Sotomayor
Co–Orientador
Centro de Estudos em Telecomunicações — PUC-Rio
Prof. José Mauro Pedro Fortes
Centro de Estudos em Telecomunicações — PUC-Rio
Prof. Sérgio Lima Netto
COPPE — UFRJ
Prof. Ernesto Leite Pinto
IME
Prof. José Eugênio Leal
Coordenador Setorial do Centro Técnico Cientı́fico — PUC–Rio
Rio de Janeiro, 3 de Dezembro de 2010
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total
ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do
autor e do orientador.
Aline de Oliveira Pinto Silva
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821495/CA
Graduou-se em Engenharia de Telecomunicações pela Universidade Federal Fluminense (UFF) em 2007. Após graduação
trabalhou como engenheira na empresa Huawei do Brasil, atuando até agosto de 2008 na fase de implantação de rede 3G
no nordeste do Brasil.
Ficha Catalográfica
Silva, Aline de Oliveira Pinto
Detecção de sinais em sistema de comunicações de
banda ultra-larga / Aline de Oliveira Pinto Silva; orientador:
Raimundo Sampaio Neto; co–orientador: César Augusto Medina Sotomayor. - 2010.
110 f: il. (color.) ; 30,0 cm
1. Dissertação (mestrado) - Pontifı́cia Universidade
Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia
Elétrica, 2010.
Inclui bibliografia.
1. Engenharia Elétrica – Tese. 2. Comunicações em Banda
Ultra-Larga;. 3. Detecção Assistida;. 4. Detecção Cega com
Posto Reduzido.. I. Sampaio Neto, Raimundo. II. Medina Sotomayor, César Augusto. III. Pontifı́cia Universidade Católica
do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Elétrica. IV.
Tı́tulo.
CDD: 621-3
À minha famı́lia.
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Agradecimentos
Em gratidão pela conclusão deste mestrado, devo, em primeiro lugar,
agradecer à pessoa que me deu a coragem pra começar. Agradeço ao meu
marido, Diogo, que me deu o incentivo necessário para largar tudo pelo
mestrado. Agradeço igualmente ao meu pai, Afonso, por sempre apoiar com
entusiasmo esta decisão e à minha mãe, Denise, por seu exemplo de dedicação
aos estudos. Agradeço aos meus avós, Aluı́sio e Lea, por todo apoio e carinho
não só durante este momento, mas durante toda a minha vida.
Agradeço especialmente àqueles que me conduziram nesta jornada, aos
meus professores e especialmente ao meu co-orientador, César. Por último, o
meu agradecimento mais profundo ao meu orientador, Raimundo, que esteve
ao meu lado o tempo todo, direcionando com sabedoria este trabalho e me
dando a segurança de sempre poder contar com ele em todas as situações.
Ao CNPq e à PUC-Rio, pelos auxı́liios concedidos, sem os quais este
trabalho não poderia ter sido realizado.
Resumo
Silva, Aline de Oliveira Pinto; Sampaio Neto, Raimundo; Medina
Sotomayor, César Augusto. Detecção de Sinais em Sistema de
Comunicações de Banda Ultra-Larga. Rio de Janeiro, 2010.
110p. Dissertação de Mestrado — Departamento de Engenharia
Elétrica, Pontifı́cia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Sistemas de banda ultra-larga (UWB, do inglês ultra wideband ) para comunicações ganharam interesse especial da comunidade acadêmica e industrial
nos últimos tempos. A regulamentação da máscara espectral de 3,6 a 10,1
GHz, nos Estados Unidos, permitindo operação não licenciada na faixa do
espectro UWB em coexistência com outros sistemas, trouxe novos desafios,
atraindo atenção dos órgãos de padronização internacionais. Este trabalho
foca nas especificações do padrão IEEE 802.15.4a para camada fı́sica UWB
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em seus elementos chave, como a estrutura do sı́mbolo, tecnologia Direct
Sequence UWB (DS-UWB), modulação BPM-BPSK e time hopping. Nesta
dissertação é proposto um diagrama de recepção baseado em amostragem
à taxa de chip e produto escalar com um vetor aqui definido chamado de
código efetivo. Nesta dissertação também são propostas duas formas de estimação deste código efetivo, uma com pilotos e outra cega. É proposto
também um processamento de redução de posto baseado em duas etapas,
interpolação e decimação, ambas dimensionadas através de um processo de
otimização conjunta. Este bloco de redução de posto foi acrescentado ao
receptor com estimador cego e assim propõe-se também o método de estimação cega reduced rank. Estes três métodos propostos foram analisados
para cenários com canal fixo e canal fixo com parâmetros aleatórios, com
um ou múltiplos usuários.
Palavras–chave
Comunicações em Banda Ultra-Larga;
Cega com Posto Reduzido.
Detecção Assistida;
Detecção
Abstract
Silva, Aline de Oliveira Pinto; Sampaio Neto, Raimundo (Advisor);
Medina Sotomayor, César Augusto (Co-advisor). Title. Rio de
Janeiro, 2010. 110p. MSc. Dissertation — Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifı́cia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Ultra-wideband (UWB) has attracted the attention of the industrial and
academic communities since its spectral regulation (3.6 to 10.1 GHz) in 2002
by the Federal Communications Commission (FCC) in the United States,
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allowing unlicensed operation at the noise floor, where UWB radios can
coexist with other RF systems. This work focus at the specifications of IEEE
802.15.4a standard for UWB physical layer. Elements like symbol structure,
Direct Sequence UWB technology (DS-UWB), BPM-BPSK modulation
and time hopping are designed as the standard. This work proposes a
receiver scheme based on sampling at chip rate followed by an inner product
operation with a vector, here defined and named effective code. Dataaided estimators and blind estimators of the effective code are proposed. A
reduced rank processing based in two steps: interpolation and decimation, is
examined. These steps are jointly dimensioned to optimize the output signal
to noise ratio (SNR). The proposed reduced rank processing is incorporated
to the blind estimator to produce a reduced rank blind estimator. These
three methods were tested using time invariant channels, with both fixed
and random parameters.
Keywords
UWB;
Data-Aided Detection;
Reduced-Rank Blind Detection.
Sumário
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1
Introdução
14
2 Sistemas de Banda Ultra-larga
2.1 Definição
2.2 História dos Sistemas UWB
2.3 Vantagens dos Sistemas UWB
2.4 Aplicações
18
18
19
20
22
3 Canal UWB
3.1 Fundamentos da Propagação UWB
3.1.1 Propagação por Multipercursos
3.1.2 Desvanecimento de Pequena Escala
3.1.3 Desvanecimento de Larga Escala
3.1.4 Ganho de Percurso
3.1.5 Incorporação de Efeitos das Antenas
3.1.6 Perfil de Decaimento de Potência (PDP)
3.2 Ambientes Cobertos pelo Modelo de Canal UWB
23
24
24
25
25
25
26
26
28
4 Modelo de Transmissão
4.1 Modulação
4.2 Transmissão de Sistema UWB com Apenas um Usuário
4.3 Codificação do Sı́mbolo UWB
30
30
31
33
5 Modelo de Recepção
5.1 Recepção de Sistema UWB com Apenas 1 Usuário
5.2 Receptor Modificado
5.3 Condições de Otimalidade do Receptor Modificado
35
35
41
46
6 Em Busca do Código Efetivo
6.1 Estimação com Pilotos
6.2 Estimação às Cegas
50
50
51
7 Detecção às Cegas com Posto Reduzido
7.1 Processamento de Posto Reduzido
7.2 Estimação às Cegas com Posto Reduzido
53
53
58
8 Modelo de Transmissão e Recepção com Múltiplo Acesso
8.1 Detecção na Presença de Interferência entre Usuários (IEU)
60
62
9 Em Busca do Código Efetivo em Caso de Múltiplos Usuários
9.1 Estimação com Pilotos
9.2 Estimação às Cegas
9.3 Estimação às Cegas com Posto Reduzido
66
66
68
70
10 Resultados
74
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10.1 Simulação de Sistema com um Único Usuário
10.2 Simulação de Sistema com Múltiplos Usuários
10.3 Cálculo das Estimativas
10.4 Canal Fixo
10.4.1 Resultados para Sistema com um Usuário com Canal Fixo
10.4.2 Resultados para Sistema com Múltiplos Usuários com Canal Fixo
10.5 Canal Fixo com Parâmetros Aleatórios
10.5.1 Resultados para Sistema com um Usuário com Canal Fixo com
Parâmetros Aleatórios
10.5.2 Resultados para Sistema com Múltiplos Usuários com Canal Fixo
com Parâmetros Aleatórios
75
77
79
81
81
85
90
91
94
11 Conclusão
104
Referências Bibliográficas
108
Lista de figuras
4.1 Estrutura do Sı́mbolo UWB
4.2 Constelação na Base de Sinais {f0(t), f1 (t)}
31
33
5.1 Diagrama de Recepção Ótima usando Filtro Casado
5.2 Diagrama de Recepção Ótima usando Filtro Casado às Funções da Base
5.3 Diagrama de Recepção Ótima usando Filtro Casado às Funções da Base com
37
38
Produto Escalar
Diagrama de Recepção Ótima usando Filtro Casado às Funções da Base com
Produto Escalar e Filtragem Dupla
Modificação no Receptor Ótimo
Diagrama de Recepção Modificado
40
5.4
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5.5
5.6
40
41
45
7.1 Diagrama do Reduced Rank
7.2 Composição do Bloco DecMind
54
55
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
8.10
8.11
8.12
62
62
62
63
63
64
64
64
64
64
64
8.13
8.14
Sı́mbolo UWB composto por sinal de 4 usuários
Sinal de 4 usuários recebido no braço 0 do receptor
Sinal de 4 usuários recebido no braço 1 do receptor
Autocorrelação da assinatura efetiva 1
Correlação Cruzada da assinatura efetiva 1 e 2
Correlação Cruzada da assinatura efetiva 1 e 3
Correlação Cruzada da assinatura efetiva 1 e 4
Correlação Cruzada da assinatura efetiva 1 e 5
Correlação Cruzada da assinatura efetiva 1 e 6
Correlação Cruzada da assinatura efetiva 1 e 7
Correlação Cruzada da assinatura efetiva 1 e 8
Gráfico Contendo os Índices de Correlação entre o Código Efetivo do Usuário
1 e o Código Efetivo de Todos os Outros Usuário
Detalhe das Correlações Cruzadas em Deslocamento para a Esquerda
Detalhe das Correlações Cruzadas em Deslocamento para a Direita
9.1 Relação Sinal Interferência Antes e Depois de Interpolação e Decimação
65
65
65
72
10.1 Diagrama de Recepção para Métodos Propostos de Estimação do Código
Efetivo com Pilotos e às Cegas Full Rank
76
10.2 Diagrama de Recepção para o Método Proposto de Estimação do Código
Efetivo às Cegas Reduced Rank
77
10.3 Diagrama de Recepção para Métodos Propostos de Estimação do Código
10.4
10.5
10.6
Efetivo com Pilotos e às Cegas Full Rank
Diagrama de Recepção para o Método Proposto de Estimação do Código
Efetivo às Cegas Reduced Rank
Comparação da relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 8 dB, 1 Usuário em Canal Fixo.
Comparação da relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 20 dB, 1 Usuário em Canal Fixo.
78
79
82
82
10.7 Comparação das curvas de probabilidade de erro de bit para sistema com 1
usuário e canal invariante
84
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10.8 Comparação da Convergência da Relação Sinal Ruı́do para Eb /N0 = 8 dB, 8
Usuários em Canal Fixo.
10.9 Comparação da Convergência da Relação Sinal Ruı́do para Eb /N0 = 20 dB, 8
Usuários em Canal Fixo.
10.10Comparação das curvas de probabilidade de erro de bit para sistema com 8
usuário e canal invariante
10.11Comparação da Convergência da Relação Sinal Ruı́do para Eb /N0 = 8 dB, 4
Usuários em Canal Fixo.
10.12Comparação da Convergência da Relação Sinal Ruı́do para Eb /N0 = 20 dB, 4
Usuários em Canal Fixo.
10.13Comparação das curvas de probabilidade de erro de bit para sistema com 4
usuário e canal invariante
10.14Histograma da energia do sinal de código efetivo de 100 canais diferentes
normalizados para energia média unitária
10.15Comparação relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 8 dB, 1 Usuário em Canal Fixo com Parâmetros Aleatórios.
10.16Comparação relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 20 dB, 1 Usuário em Canal Fixo com Parâmetros Aleatórios.
10.17curvas de taxa de erro de bits para ....................................
10.18Comparação relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 8 dB, 8 Usuários em Canal Fixo com Parâmetros Aleatórios.
10.19Comparação relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 20 dB, 8 Usuários em Canal Fixo com Parâmetros Aleatórios.
10.20Razão entre a energia do sinal e energia da interferência em sua direção de
máximo, λmax em dB.
10.21Repetição da curva da Figura 10.19 com uso da assinatura efetiva exata para
caso de cálculo da RSRI referente à assinatura efetiva reduzida
10.22Razão entre a energia do sinal reduzido e energia da interferência em sua
direção de máximo, λmax em dB.
10.23Razão entre a energia do sinal reduzido e energia da interferência em sua
direção de máximo, λmax em dB.
10.24Comparação relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 8 dB, 4 Usuários em Canal Fixo com Parâmetros Aleatórios.
10.25Comparação relação sinal ruı́do conforme convergência da estimação, para
Eb /N0 = 20 dB, 4 Usuários em Canal Fixo com Parâmetros Aleatórios.
85
86
87
88
89
89
90
91
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93
94
95
96
97
99
100
101
102
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Lista de tabelas
4.1 Pontos da Constelação UWB
4.2 Sı́mbolos UWB e suas Representações na Constelação e Codificação
de Gray
33
10.1 Tabela de Parâmetros do Sı́mbolo UWB
10.2 Tabela de Parâmetros Referentes à Simulação
10.3 Tabela de Parâmetros Especı́ficos para Múltiplo Acesso
74
74
75
34
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Grandes realizações não são feitas por impulso, mas por uma soma de pequenas realizações.
Vincent Van Gogh