Pré-filtragem no espaço-frequência para o sistema MC-CDMA

Abstract

O trabalho desta tese enquadra-se na área de comunicações móveis, mais especificamente em sistemas de portadora múltipla. O MC-CDMA, que combina a modulação OFDM com o espalhamento na frequência, é um dos candidatos mais promissores para a interface-ar dos futuros sistemas de comunicações móveis – 4G. O objectivo desta tese é propor e avaliar técnicas de pré-filtragem e de codificação, projectadas no espaço-frequência/tempo para o sistema MC-CDMA, no sentido descendente (Downlink). Inicialmente, são discutidos conceitos teóricos fundamentais para se compreender o mecanismo físico de propagação inerente às comunicações móveis, apresentando-se depois vários sistemas de portadora múltipla. É dada especial atenção ao sistema convencional MC-CDMA. Este sistema é importante porque serve de referência ao desempenho obtido com as técnicas de transmissão propostas nesta tese. Estas técnicas são projectadas tendo em conta as restrições em termos de complexidade do terminal móvel. Assim, a estação base é equipada com um agregado de antenas e o terminal móvel com uma antena, sendo neste último, apenas implementadas técnicas de detecção mono-utilizador. Assumindo, que a estação base conhece a resposta do canal antes da transmissão, são propostas diferentes estratégias de transmissão: os filtros são projectados no espaço-frequência para o sistema MC-CDMA combinados com ou sem equalização no terminal móvel; e o filtro é projectado apenas na frequência para o sistema MC-CDMA com codificação no espaço-frequência/tempo. O algoritmo é baseado na minimização da potência transmitida sujeita à total eliminação da interferência de acesso múltiplo e das distorções provocadas pelo canal rádio móvel. Todos os esquemas propostos são validados e comparados, através de simulações, em cenários típicos de interiores e exteriores. Como principal conclusão desta tese, destaca-se a significativa melhoria de desempenho obtido com estas técnicas, relativamente ao sistema convencional MC-CDMA. Além disso, este desempenho é conseguido com um terminal móvel de reduzida complexidade. Assim, estas técnicas permitem aumentar significativamente a capacidade do sistema e, simultaneamente, transferir grande parte da complexidade do terminal móvel para a estação base.

The scope of this thesis targets multi-carrier modulation techniques for mobile radio communications system. MC-CDMA combining multi-carrier modulation and spreading in the frequency domain is widely viewed as a promising candidate for 4G air interfaces. The aim of this thesis is to propose and evaluate pre-filtering and coding techniques designed in space and frequency/time for the downlink MC-CDMA system. Initially, the fundamental propagation mechanisms inherent to mobile radio communications are discussed and then several multi-carrier schemes are presented. Furthermore, special attention is given to the conventional MCCDMA system, since it can be used as the reference benchmark performance for the advanced transmission techniques proposed in this thesis. These transmission schemes are designed taking into account the complexity constraints at the mobile terminal. Hence, the basestation is equipped with an antenna array and the mobile terminal comprises a single antenna and single user detection scheme. Based on the assumption that the basestation has prior channel knowledge, different transmission strategies are proposed: spacefrequency pre-filtering schemes combined with single user equalizers at the MT for the MC-CDMA system; frequency pre-filtering scheme for spacefrequency/ time coding MC-CDMA system. The algorithm is based on the minimization of the transmitted power subject to MAI and channel distortion elimination. The proposed pre-filtering schemes are assessed and compared through simulations in typical indoor and pedestrian scenarios. This work concluded that with the proposed pre-filtering schemes, we obtain a considerable performance improvement in typical indoor and outdoor scenarios with a low complexity mobile terminal design and allow a transfer of implementation complexity from the mobile to the basestation.