Algoritmi di compensazione congiunta di I/Q imbalance e CFO in trasmissioni OFDMA/SC-FDMA

La tecnologia wireless è la grande novità degli ultimi anni nelle telecomunicazioni; in particolare, l’accesso wireless a larga banda si sta dimostrando una valida alternativa alle tecnologie cablate che sono fortemente diffuse nel cosiddetto “ultimo miglio”. Ad esempio, l’ente Analysis, Research and Consultancy (ARC) prevede che avremo centinaia di milioni di installazioni wireless fisse nel mondo, sia in casa che nelle aziende, dato destinato a crescere esponenzialmente negli anni.
I grandi vantaggi della tecnologia wireless sono, oltre ovviamente a non richiedere l’uso di cavi, i bassi costi e la facilità di installazione. Le applicazioni sono numerose: televisione digitale interattiva, videofonia fissa e mobile, connessioni wireless Internet ad ampio raggio e a larga banda, video sorveglianza del territorio. Un caso particolarmente interessante è la copertura wireless di un comprensorio sciistico, come è accaduto in Austria all’Amade Ski Resort, dove le strutture sono interconnesse con link fino a 11 Mbps su tutto il comprensorio, che, a sua volta è connesso ad Internet.
Oltre ai problemi tipici dei collegamenti radio, quali la perdita per propagazione e l’interferenza, la tecnologia wireless risente particolarmente della presenza di un canale selettivo in frequenza, a causa della propagazione per cammini multipli o per l’impiego di reti a singola frequenza portante (SFN). Per combattere la selettività del canale ed aumentare il numero di utenti che possono essere gestiti, sono stati proposti sistemi multiportante o OFDM, nei quali l’ampiezza di un singolo canale (sottoportante) è tale da non risentire della selettività in frequenza del canale radio. Una simile evoluzione si è riscontrata nelle tecniche di accesso multiplo, che hanno recentemente visto nascere la tecnica OFDMA, basata sulla modulazione OFDM, che assegna agli utenti una o più sottoportanti, all’interno sulla banda disponibile.
Uno dei punti critici della tecnica OFDMA è l’elevato rapporto tra potenza di picco e potenza media (PAPR), che non consente un uso di amplificatori non lineari ad elevata potenza (HPA) utilizzati in trasmissione. Per questo motivo, è stata proposta esiste una variante di OFDMA, chiamata SC-FDMA, che consiste in una precodifica (DFT) aggiuntiva in trasmissione e una decodifica (IDFT) in ricezione. Il segnale SC-FDMA risulta avere delle fluttuazioni meno evidenti rispetto al segnale OFDMA, per cui il PAPR risulta più basso e quindi è possibile utilizzare gli HPA in modo più efficiente.
I sistemi OFDMA/SC-FDMA, tuttavia, richiedono algoritmi in ricezione molto accurati per compensare le degradazioni dovute alla mancanza di sincronizzazione in tempo e/o frequenza e agli squilibri di ampiezza e fase (I/Q imbalance) degli oscillatori impiegati in trasmissione e in ricezione.
In questo lavoro di tesi, vengono proposti ed analizzati alcuni algoritmi utilizzati in ricezione in un collegamento uplink OFDMA/SC-FDMA. Un primo obiettivo della tesi è derivare il modello matematico che descrive la trasmissione e la ricezione di un segnale OFDMA in uplink, portando in conto gli effetti dei canali dispersivi visti dai differenti utenti, gli offset in frequenza, e gli I/Q imbalance.
Sulla base del modello sono stati proposti vari algoritmi di equalizzazione, come quelli basati sull’approccio MMOE per la compensazione degli offset di frequenza e dell’I/Q imbalance. Le prestazioni degli algoritmi proposti sono state valutate mediante una serie di simulazioni Montecarlo al calcolatore in ambiente Matlab.
Il lavoro di tesi è articolato come segue:
Capitolo 1: dopo una breve introduzione sulla modulazione OFDM, si presentano gli aspetti principali delle tecniche di accesso OFDMA e SC-FDMA. In particolare, si discutono le differenti modalità di allocazione delle portanti ai differenti utenti, e si mettono in luce i principali vantaggi e svantaggi rispetto ad altre tecniche di accesso. Infine, si descrivono brevemente alcuni standard basati su OFDMA/SC-FDMA.
Capitolo 2: in esso si deriva il modello matematico che descrive la trasmissione e la ricezione di un segnale OFDMA/SC-FDMA. In particolare, si presenta un unico modello per il trasmettitore, mentre si analizzano diver- si tipi di equalizzatori tempo-varianti e tempo-invarianti usati in ricezione.
Viene valutata infine una versione FRESH di un particolare equalizzatore tempo-varianti, che consente in modo semplice di stimare i coefficienti dei ricevitori a partire dai dati ricevuti.
Capitolo 3: in esso si analizzano le prestazioni di un sistema OFDMA/SCFDMA in differenti scenari di interesse, al variare degli offset di frequenza, della tipologia di canale scelto, e della presenza di I/Q imbalance. Le simulazioni sono state eseguite implementando in Matlab i modelli analitici derivati nel Capitolo 2.