Diseño de beamformers para arquitecturas rf-mimo simplificadas

Résumé

Los sistemas multiantena en comunicaciones inalámbricas han recibido enorme atención por parte de la comunidad científica en la última década, existiendo ya en la actualidad múltiples estándares y productos comerciales que incorporan estas técnicas tanto en redes de área local (802.11n), como metropolitanas (WiMAX) o celulares (LTE-A). En los sistemas multiantena convencionales, a menudo llamados sistemas MIMO (multiple-input multiple-output), las señales recibidas por cada antena tienen que ser demoduladas a banda base y adquiridas de forma independiente. En consecuencia, los costes del hardware, el tamaño y el consumo de energía de los sistemas MIMO convencionales aumentan proporcionalmente al número de antenas, lo que explica en parte su todavía limitado despliegue comercial, especialmente en terminales móviles de bajo coste. Para reducir estos problemas, recientemente se ha propuesto y desarrollado dentro del proyecto MIMAX, financiado por la UE, una nueva arquitectura denominada RF-MRB (radio-frequency maximum-ratio beamforming) en la que parte del procesado espacial se realiza directamente en el dominio de radio-frecuencia. Esencialmente, esta nueva arquitectura consigue reducir significativamente el coste, consumo y tamaño del transceptor MIMO mediante la combinación lineal (beamforming) directamente en el frontal de RF de las señales recibidas por las distintas antenas. Una arquitectura similar puede emplearse en el transmisor. Aunque estas arquitecturas de combinación analógica sólo pueden procesar un único flujo de datos y, por lo tanto, su ganacia de multiplexado está limitada, todavía pueden aprovechar toda la diversidad espacial y la ganancia de array del canal MIMO. Continuando con esta línea de investigación, en esta tesis se proponen y estudian tres nuevas arquitecturas RF-MIMO con el fin de reducir aún más la complejidad de los sistemas MIMO sin tener por ello un alto impacto en su rendimiento. En la primera arquitectura, denominada RF-RWB (real-weight beamforming), se aplica en cada rama de RF un sign switch seguido por un amplificador de ganancia variable (variable gain amplifier o VGA). Esencialmente, esta arquitectura equivale a aplicar un beamformer con coeficientes reales (en lugar de coeficientes complejos como en la arquitectura RF-MRB y en los algoritmos de conformación banda base habituales) directamente en RF. El segundo esquema, denominado RF-EPB (equal-phase beamforming), sólo aplica un VGA en cada rama de RF. Desde el punto de vista del diseño del beamformer, esta estructura se traduce en que los coeficientes del conformador están restringidos a ser reales y no negativos. Por último, la tercera arquitectura, que hemos denominado RF-EGB (equal-gain beamforming), sólo permite modificar las fases de las señales de RF mediante desfasadores analógicos. Desde el punto de vista banda base, cada arquitectura plantea un problema diferente de beamforming, en el que los coeficientes de los combinadores en transmisión/recepción han de tener pesos reales (RF-RWB), pesos reales no negativos (RF-EPB) o pesos complejos con módulos constantes (RF-EGB). Asumiendo un conocimiento perfecto del canal en transmisión y recepción, en la tesis consideramos el problema de diseño de los beamformers con restricciones adicionales en los coeficientes. El diseño de los mismos se lleva a cabo para canales con desvanecimiento plano (flat-fading) y canales selectivos en frecuencia con modulación OFDM (orthogonal frequency division multiplexing). Para canales MIMO flat-fading se considera en particular el problema de diseñar los beamformers de transmisión y recepción que maximizan la relación señal a ruido. Para el caso de canales selectivos en frecuencia, se propone una función de coste general que depende de un único parámetro, . Este parámetro establece un compromiso entre la energía y la selectividad frecuencial del canal SISO (single-input single-output) equivalente (esto es, el canal resultante después de la aplicación de los beamformers analógicos). La función de coste propuesta engloba otros criterios existentes para el diseño de los beamformers. Así, para valores particulares del parámetro el criterio propuesto se reduce a la minimización del error cuadrático medio (criterio MinMSE), la maximización de la capacidad del sistema (criterio MaxCAP), o la maximización de la relación señal a ruido (criterio MaxSNR). En general, la función de coste propuesta conduce a problemas de optimización no convexos. Sin embargo, bajo el criterio MaxSNR los casos SIMO (single-input multiple-output) y MISO (multiple-input single-output), tienen solución cerrada o pueden ser reformulados como problemas convexos. Explotando este hecho, se propone un procedimiento de optimización que alterna entre las soluciones de los casos SIMO y MISO para encontrar una solución (subóptima) para el caso MIMO. Para los demás criterios, se propone un algoritmo sencillo y eficiente de descenso por gradiente. Una adecuada inicialización del algoritmo de descenso de gradiente resulta esencial para acelerar la convergencia del mismo. En la tesis se propone emplear como punto inicial la solución obtenida de un problema convexo relajado, demostrándose su efectividad. Las prestaciones de los algoritmos de beamforming analógico propuestos han sido exhaustivamente evaluadas en comparación a la arquitectura original RF-MRB y a un sistema MIMO convencional. El estudio se ha realizado considerando el estándar IEEE 802.11a para redes de área local, que emplea transmisiones OFDM en la banda de 5 GHz. Las conclusiones del estudio nos permiten afirmar que las arquitecturas propuestas representan una interesante alternativa a los sistemas MIMO convencionales y a la arquitectura RF-MRB, ya que permiten reducir notablemente el coste y la complejidad con tan sólo una reducción menor en sus prestaciones. Es también destacable que la arquitectura RF-EGB, que optimiza sólo la fase de las señales de entrada, obtiene mejores resultados que la RF-EPB, la cual optimiza únicamente su amplitud.