Capitolo 1
Introduzione
Lo sviluppo dei sistemi di comunicazione nel decennio passato, ha avuto un importante impatto sulla vita della persone e nella societ`a attuale. La richie-sta di modi di comunicare veloci e semplici e il trasferimento di informazioni globali oltre all’elaborazione real time rappresentano i requisiti base dei si-stemi di comunicazione moderni. Questa domanda si traduce, nella ricerca di tecnologie capaci di permettere alti rate ed alta mobilit`a. Purtroppo, i collegamenti wireless ed elevati rate di trasmissione, divengono inaffidabili e presentano basse capacit`a. Ci`o `e imputabile a diversi fattori come il multi-path, la presenza di interferenti ed il fading. Inoltre, il numero di sistemi di comunicazione che utilizzano l’interfaccia radio tender`a ad aumentare ren-dendo lo spettro frequenziale sempre pi`u affollato, e costringono i sistemi a condividere le limitate risorse frequenziali ancora disponibili. In questo contesto risulta molto importante l’uso di sistemi che presentano un’elevata efficenza spettrale. Quest’ultima richiesta `e una delle sfide che occorre af-frontare nella progettazione dei sistemi wireless del futuro. Nell’ambito delle reti wireless, una tecnica che efficientemente utilizza le risorse disponibili `e la MIMO-OFDM con multiplazione spaziale.
2 Capitolo 1. Introduzione
1.1
Motivazione
I sistemi che impiegano antenne multiple per la trasmissione e la ricezione di segnale risultano essere quelli pi`u promettenti per il miglioramento delle prestazioni dei sistemi wireless, senza per questo richiedere l’uso aggiunti-vo di risorse limitate, come potenza e banda frequenziale. Questi sistemi comunemente chiamati Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) rivestono una grande importanza, visto che permettono di incrementare notevolmente la capacit`a del sistema di comunicazione. Uno dei principali problemi nel-l’impiego di questi sistemi `e rappresentata della selettivit`a in frequenza del canale, che `e tanto pi`u distruttiva quanto pi`u ampia `e la banda impiegata. La modulazione OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) permette di risolvere questo problema. Infatti l’utilizzo di sottoportanti ortogonali tra-sforma il canale selettivo in un canale piatto in frequenza,rendendo il sistema immune al delay spread. La tecnica di spatial multiplexing permette di incre-mentare la capacit`a del sistema trasmettendo simultaneamente da antenne diverse flussi dati indipendenti, aumentando l’efficenza spettrale. Purtroppo, la presenza simultanea di pi`u flussi dati sullo stesso canale introduce dell’in-terferenza che va ad aggiungersi a quella generata dalla modulazione OFDM, pertanto in ricezione occorrer`a tenere conto di questo disturbo. Tuttavia, ci`o che pi`u degrada le prestazioni del nostro sistema `e la presenza di uno o pi`u utenti interferenti che trasmettono sulla stessa banda frequenziale del segnale utile. Questa interferenza cresce all’aumentare del numero di utenti attivi e inoltre a parit`a di utenti, essa risulta maggiore se gli utenti interferenti non sono sincronizzati con il segnale dell’utente utile. Per mitigare questa inter-ferenza in ricezione vengono impiegati particolari rivelatori che combinano i segnali ricevuti dalle varie antenne in ricezione, cancellando cos`ı il contributo di interferenza ed estraendo il segnale utile. Le prestazioni di questi rivelatori migliorano all’aumentare del numero di antenne in ricezione. Tuttavia, per
1.2 Sommario della tesi 3
poterli utilizzare occorre conoscere le statistiche del canale. Si devono quindi trovare dei metodi per potere stimare il canale, considerando anche che il ca-nale pu`o variare velocemente in presenza di terminali mobili. La complessit`a ed il costo dell’hardware sono altri importanti aspetti che bisogna valutare nella progettazione del ricevitore.
1.2
Sommario della tesi
Il presente lavoro di tesi `e incentrato sul sistema MIMO-OFDM e sulla tec-nica di spatial multiplexing in ambiente indoor ed in presenza di canale se-lettivo in frequenza. In particolare, la tecnica di spatial multiplexing verr`a impiegata al trasmettitore (su di un canale di uplink) e verranno valutate le prestazioni di due ricevitori. Il primo di questi, impiega un equalizzatore basato sul criterio MMSE che opera nel domino della frequenza ed utilizza un certo numero di rami a radio frequenza, in base alle prestazioni che si vo-gliono raggiungere. Il secondo si basa sull’orientazione del beam dell’array di antenne in ricezione verso il segnale utile. Questo permette di ridurre il nu-mero di rami a radio frequenza, e quindi il costo e la complessit`a del sistema. La teoria alla base dei sistemi MIMO `e esposta nel capitolo 2, dove vengono anche descritte le varie architetture di spatial multiplexing e dei ricevitori che si possono impiegare. Inoltre viene descritto l’impiego della modulazione OFDM su di un sistema MIMO. Nel capitolo 3 viene fornita una panoramica dei canali SISO e MIMO, e viene descritto il modello di canale impiegato. Nel capitolo 4 viene data una breve descrizione della modulazione OFDM. Il ricevitore che impiega l’equalizzatore MMSE `e presentato nel capitolo 5, dove viene affrontato il problema dalla presenza di un interferente asincrono, viene presentata la derivazione matematica necessaria alla realizzazione del sistema ed infine vengono esposti i risultati ottenuti dalle simulazione con-dotte. Nel capitolo 6 viene descritto il ricevitore che fa uso della tecnica di
4 Capitolo 1. Introduzione
beamforming, con la relativa derivazione matematica ed i risultati numerici ottenuti. Le conclusioni della tesi verranno fornite nell’ultimo capitolo.
