Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Diseño y configuración de una red de comunicaciones en un Centro de Contactos - Contact Center

Este proyecto muestra una solución de red para una empresa que presta servicios de Contact Center desde distintas sedes distribuidas geográficamente, utilizando la tecnología de telefonía sobre IP. El objetivo de este proyecto es el de convertirse en una guía de diseño para el despliegue de soluciones de red utilizando los actuales equipos de comunicaciones desarrollados por el fabricante Cisco Systems, Inc., los equipos de seguridad desarrollados por el fabricante Fortinet y los sistemas de telefonía desarrollados por Avaya Inc. y Oracle Corporation, debido a su gran penetración en el mercado y a las aportaciones que cada uno ha realizado en el sector de Contact Center. Para poder proveer interconexión entre las sedes de un Contact Center se procede a la contratación de un acceso a la red MPLS perteneciente a un operador de telecomunicaciones, quien provee conectividad entre las sedes utilizando la tecnología VPN MPLS con dos accesos diversificados entre sí desde cada una de las sedes del Contact Center. El resultado de esta contratación es el aprovechamiento de las ventajas que un operador de telecomunicaciones puede ofrecer a sus clientes, en relación a calidad de servicio, disponibilidad y expansión geográfica. De la misma manera, se definen una serie de criterios o niveles de servicio que aseguran a un Contact Center una comunicación de calidad entre sus sedes, entendiéndose por comunicación de calidad aquella que sea capaz de transmitirse con unos valores mínimos de pérdida de paquetes así como retraso en la transmisión, y una velocidad acorde a la demanda de los servicios de voz y datos. Como parte de la solución, se diseña una conexión redundante a Internet que proporciona acceso a todas las sedes del Contact Center. La solución de conectividad local en cada una de las sedes de un Contact Center se ha diseñado de manera general acorde al volumen de puestos de usuarios y escalabilidad que pueda tener cada una de las sedes. De esta manera se muestran varias opciones asociadas al equipamiento actual que ofrece el fabricante Cisco Systems, Inc.. Como parte de la solución se han definido los criterios de calidad para la elección de los Centros de Datos (Data Center). Un Contact Center tiene conexiones hacia o desde las empresas cliente a las que da servicio y provee de acceso a la red a sus tele-trabajadores. Este requerimiento junto con el acceso y servicios publicados en Internet necesita una infraestructura de seguridad. Este hecho da lugar al diseño de una solución que unifica todas las conexiones bajo una única infraestructura, dividiendo de manera lógica o virtual cada uno de los servicios. De la misma manera, se ha definido la utilización de protocolos como 802.1X para evitar accesos no autorizados a la red del Contact Center. La solución de voz elegida es heterogénea y capaz de soportar los protocolos de señalización más conocidos (SIP y H.323). De esta manera se busca tener la máxima flexibilidad para establecer enlaces de voz sobre IP (Trunk IP) con proveedores y clientes. Esto se logra gracias a la utilización de SBCs y a una infraestructura interna de voz basada en el fabricante Avaya Inc. Los sistemas de VoIP en un Contact Center son los elementos clave para poder realizar la prestación del servicio; por esta razón se elige una solución redundada bajo un entorno virtual. Esta solución permite desplegar el sistema de VoIP desde cualquiera de los Data Center del Contact Center. La solución llevada a cabo en este proyecto está principalmente basada en mi experiencia laboral adquirida durante los últimos siete años en el departamento de comunicaciones de una empresa de Contact Center. He tenido en cuenta los principales requerimientos que exigen hoy en día la mayor parte de empresas que desean contratar un servicio de Contact Center. Este proyecto está dividido en cuatro capítulos. El primer capítulo es una introducción donde se explican los principales escenarios de negocio y áreas técnicas necesarias para la prestación de servicios de Contact Center. El segundo capítulo describe de manera resumida, las principales tecnologías y protocolos que serán utilizados para llevar a cabo el diseño de la solución técnica de creación de una red de comunicaciones para una empresa de Contact Center. En el tercer capítulo se expone la solución técnica necesaria para permitir que una empresa de Contact Center preste sus servicios desde distintas ubicaciones distribuidas geográficamente, utilizando dos Data Centers donde se centralizan las aplicaciones de voz y datos. Finalmente, en el cuarto capítulo se presentan las conclusiones obtenidas tras la elaboración de la presente memoria, así como una propuesta de trabajos futuros, que permitirían junto con el proyecto actual, realizar una solución técnica completa incluyendo otras áreas tecnológicas necesarias en una empresa de Contact Center. Todas las ilustraciones y tablas de este proyecto son de elaboración propia a partir de mi experiencia profesional y de la información obtenida en diversos formatos de la bibliografía consultada, excepto en los casos en los que la fuente es mencionada. ABSTRACT This project shows a network solution for a company that provides Contact Center services from different locations geographically distributed, using the Telephone over Internet Protocol (ToIP) technology. The goal of this project is to become a design guide for performing network solutions using current communications equipment developed by the manufacturer Cisco Systems, Inc., firewalls developed by the manufacturer Fortinet and telephone systems developed by Avaya Inc. and Oracle Corporation, due to their great market reputation and their contributions that each one has made in the field of Contact Center. In order to provide interconnection between its different sites, the Contact Center needs to hire the services of a telecommunications’ operator, who will use the VPN MPLS technology, with two diversified access from each Contact Center’s site. The result of this hiring is the advantage of the benefits that a telecommunications operator can offer to its customers, regarding quality of service, availability and geographical expansion. Likewise, Service Level Agreement (SLA) has to be defined to ensure the Contact Center quality communication between their sites. A quality communication is understood as a communication that is capable of being transmitted with minimum values of packet loss and transmission delays, and a speed according to the demand for its voice and data services. As part of the solution, a redundant Internet connection has to be designed to provide access to every Contact Center’s site. The local connectivity solution in each of the Contact Center’s sites has to be designed according to its volume of users and scalability that each one may have. Thereby, the manufacturer Cisco Systems, Inc. offers several options associated with the current equipment. As part of the solution, quality criteria are being defined for the choice of the Data Centers. A Contact Center has connections to/from the client companies that provide network access to teleworkers. This requires along the access and services published on the Internet, needs a security infrastructure. Therefore is been created a solution design that unifies all connections under a single infrastructure, dividing each services in a virtual way. Likewise, is been defined the use of protocols, such as 802.1X, to prevent unauthorized access to the Contact Center’s network. The voice solution chosen is heterogeneous and capable of supporting best-known signaling protocols (SIP and H.323) in order to have maximum flexibility to establish links of Voice over IP (IP Trunk) with suppliers and clients. This can be achieved through the use of SBC and an internal voice infrastructure based on Avaya Inc. The VoIP systems in a Contact Center are the key elements to be able to provide the service; for this reason a redundant solution under virtual environment is been chosen. This solution allows any of the Data Centers to deploy the VoIP system. The solution carried out in this project is mainly based on my own experience acquired during the past seven years in the communications department of a Contact Center company. I have taken into account the main requirements that most companies request nowadays when they hire a Contact Center service. This project is divided into four chapters. The first chapter is an introduction that explains the main business scenarios and technical areas required to provide Contact Center services. The second chapter describes briefly the key technologies and protocols that will be used to carry out the design of the technical solution for the creation of a communications network in a Contact Center company. The third chapter shows a technical solution required that allows a Contact Center company to provide services from across geographically distributed locations, using two Data Centers where data and voice applications are centralized. Lastly, the fourth chapter includes the conclusions gained after making this project, as well as a future projects proposal, which would allow along the current project, to perform a whole technical solution including other necessary technologic areas in a Contact Center company All illustrations and tables of this project have been made by myself from my professional experience and the information obtained in various formats of the bibliography, except in the cases where the source is indicated.