Caracterização do canal de propagação direccional em banda larga para sistemas rádio móvel

Abstract

Este trabalho aborda a caracterização do canal de propagação direccional em banda larga para sistemas rádio móvel. Inicia-se com o estudo dos mecanismos de propagação relevantes em comunicações móveis. Seguidamente, é apresentada a caracterização teórica do canal rádio como sendo um canal linear e variante no tempo, são definidos parâmetros que permitem avaliar o desempenho destes canais em sistemas de comunicação e são também apresentados alguns modelos de canal direccional. Após o estudo teórico, apresenta-se um breve resumo das técnicas usadas vulgarmente para medir a resposta impulsiva do canal rádio. Descreve-se depois um sistema experimental, desenvolvido no âmbito deste trabalho, baseado num analisador de redes vectorial, numa plataforma de posicionamento X-Y (duas dimensões) e num computador de controlo. O sistema usa o método de varrimento em frequência e permite medir, adquirir e armazenar a resposta em frequência do canal em vários pontos do espaço correspondentes às posições dos elementos de um agregado virtual. Embora o sistema desenvolvido permita implementar agregados bidimensionais de forma genérica, neste trabalho apenas se usou um agregado rectangular uniforme. Com o auxílio deste sistema foram realizadas, no ‘campus’ da Universidade de Aveiro, campanhas de medidas que providenciaram os dados experimentais usados neste trabalho. Tendo em conta que o canal rádio móvel fica caracterizado se forem conhecidos os parâmetros das componentes multipercurso mais significativas, designadamente, a amplitude, o atraso e a direcção de chegada (azimute e elevação), foram estudadas algumas das técnicas de processamento de sinal espacial-temporal que têm sido usadas para estimar os referidos parâmetros. Estas técnicas podem ser subdivididas em estimação espectral ou estimação paramétrica tendo sido dada maior relevância ao estudo das últimas. São apresentados detalhes sobre a implementação e desempenho do algoritmo SAGE (Space-Alternating Generalized Expectation-Maximization). Este algoritmo é baseado em estimativas de máxima verosimilhança e permite decompor o problema de optimização multidimensional, necessário para estimar todos os parâmetros conjuntamente, em vários problemas de optimização unidimensionais, cada um calculando apenas a estimativa de um dos parâmetros de uma das componentes multipercurso. Por último, são apresentados os resultados da comparação dos parâmetros obtidos a partir das medidas experimentais, com o auxílio do algoritmo SAGE, com aqueles obtidos a partir dos resultados de simulação de traçado de raios.

This work deals with the wideband directional propagation channel characterization for mobile radio systems. First the propagation mechanisms relevant in mobile communications are highlighted. Afterwards, the characterization of the radio channel as a linear time variant channel is presented, a few parameters that allow the evaluation of the channel impact on communication systems are defined and some directional channel models are also presented. After the theoretical study, the most used techniques for measuring the radio channel impulse response are briefly summarized. Then, an experimental system developed on the framework of this work, that uses a vector network analyser, a X-Y (two dimensional) positioning platform and a controlling computer is described. Employing the frequency sweeping method, the system measures, acquires and saves the channel frequency response in a few space locations that correspond to the elements position of a virtual array. Although, the developed system has the capability of generating two-dimensional arrays with any geometry, in this work only uniform rectangular arrays were considered. With this system some measurement campaigns were made at the University of Aveiro campus that provided the experimental data used along this work. Since the radio channel is fully characterized if the parameters of the most relevant multipath components are known, namely, the amplitude, the delay and the direction of arrival (azimuth and elevation), a few spatial-temporal signal processing techniques that have been applied for parameter estimation were studied. These techniques may be classified by spectral estimation or parametric estimation, and special attention was given to the latter category. Details on the implementation and performance of the SAGE (Space-Alternating Generalized Expectation-Maximization) algorithm are given. This algorithm is based on maximum likelihood estimates and allows the decomposition of the multidimensional optimization problem necessary to obtain the estimations of all parameters simultaneously, into several onedimensional optimization problems, each providing only the estimation of one parameter of one multipath component. At last, results on the comparison between the parameters obtained from experimental measurements, using the SAGE algorithm, and those obtained from ray tracing simulation results are presented.