Comparison of different MIMO antenna arrays and user's effect on their performances

Multiple-input multiple-output (MIMO) systems have entailed a great enhancement in wireless communications performances. The use of multiple antennas at each side of the radio link has been included in recent drafts and standards such as WLAN, WIMAX, or DVB-T2. The MIMO performances depend on the antenna array characteristics and thus several aspects have to be taken into account to design MIMO antennas. In the literature, many articles can be found in terms of capacity or antenna design, but in this article, different types of antenna arrays for MIMO systems are measured in a reverberation chamber with and without a phantom as a user's head. As a result, the MIMO performances are degraded by the user in terms of efficiency, diversity gain, and capacity. Omnidirectional antennas such as monopoles with high radiation efficiency offer the highest performance for a rich scattering nonline of sight indoor environment.

Efecto del tamaño de la ventana de promediado y la histéresis variable en algoritmos de handover horizontal en redes convergentes

En las redes convergentes inalámbricas, el traspaso horizontal entre distintos puntos de acceso de la red WLAN es una gran fuente de degradación de la calidad de la VoIP y otros servicios conversacionales en tiempo real. Esto es debido a que este tipo de redes no fueron concebidas originalmente para soportar este tipo de servicios, y los traspasos siguen un protocolo ¿cortar antes de realizar¿, produciéndose interrupciones en la comunicación motivadas por el tiempo que necesitan los terminales en volver a asociarse a la red. En este artículo se estudia el efecto que tienen el tamaño de la ventana de promediado de la señal, la histéresis variable y el retardo del handover por parecido entre potencia de puntos de acceso de destino sobre el número de traspasos y las caídas de la potencia de señal por debajo del valor de sensibilidad del terminal, causantes principales de las interrupciones en la comunicación, y, con ello, de la degradación de la calidad de las comunicaciones.

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.

Contribución a la localización en interiores basada en comunicaciones inalámbricas

Determinar con buena precisión la posición en la que se encuentra un terminal móvil, cuando éste se halla inmerso en un entorno de interior (centros comerciales, edificios de oficinas, aeropuertos, estaciones, túneles, etc), es el pilar básico sobre el que se sustentan un gran número de aplicaciones y servicios. Muchos de esos servicios se encuentran ya disponibles en entornos de exterior, aunque los entornos de interior se prestan a otros servicios específicos para ellos. Ese número, sin embargo, podría ser significativamente mayor de lo que actualmente es, si no fuera necesaria una costosa infraestructura para llevar a cabo el posicionamiento con la precisión adecuada a cada uno de los hipotéticos servicios. O, igualmente, si la citada infraestructura pudiera tener otros usos distintos, además del relacionado con el posicionamiento. La usabilidad de la misma infraestructura para otros fines distintos ofrecería la oportunidad de que la misma estuviera ya presente en las diferentes localizaciones, porque ha sido previamente desplegada para esos otros usos; o bien facilitaría su despliegue, porque el coste de esa operación ofreciera un mayor retorno de usabilidad para quien lo realiza. Las tecnologías inalámbricas de comunicaciones basadas en radiofrecuencia, ya en uso para las comunicaciones de voz y datos (móviles, WLAN, etc), cumplen el requisito anteriormente indicado y, por tanto, facilitarían el crecimiento de las aplicaciones y servicios basados en el posicionamiento, en el caso de poderse emplear para ello. Sin embargo, determinar la posición con el nivel de precisión adecuado mediante el uso de estas tecnologías, es un importante reto hoy en día. El presente trabajo pretende aportar avances significativos en este campo. A lo largo del mismo se llevará a cabo, en primer lugar, un estudio de los principales algoritmos y técnicas auxiliares de posicionamiento aplicables en entornos de interior. La revisión se centrará en aquellos que sean aptos tanto para tecnologías móviles de última generación como para entornos WLAN. Con ello, se pretende poner de relieve las ventajas e inconvenientes de cada uno de estos algoritmos, teniendo como motivación final su aplicabilidad tanto al mundo de las redes móviles 3G y 4G (en especial a las femtoceldas y small-cells LTE) como al indicado entorno WLAN; y teniendo siempre presente que el objetivo último es que vayan a ser usados en interiores. La principal conclusión de esa revisión es que las técnicas de triangulación, comúnmente empleadas para realizar la localización en entornos de exterior, se muestran inútiles en los entornos de interior, debido a efectos adversos propios de este tipo de entornos como la pérdida de visión directa o los caminos múltiples en el recorrido de la señal. Los métodos de huella radioeléctrica, más conocidos bajo el término inglés “fingerprinting”, que se basan en la comparación de los valores de potencia de señal que se están recibiendo en el momento de llevar a cabo el posicionamiento por un terminal móvil, frente a los valores registrados en un mapa radio de potencias, elaborado durante una fase inicial de calibración, aparecen como los mejores de entre los posibles para los escenarios de interior. Sin embargo, estos sistemas se ven también afectados por otros problemas, como por ejemplo los importantes trabajos a realizar para ponerlos en marcha, y la variabilidad del canal. Frente a ellos, en el presente trabajo se presentan dos contribuciones originales para mejorar los sistemas basados en los métodos fingerprinting. La primera de esas contribuciones describe un método para determinar, de manera sencilla, las características básicas del sistema a nivel del número de muestras necesarias para crear el mapa radio de la huella radioeléctrica de referencia, junto al número mínimo de emisores de radiofrecuencia que habrá que desplegar; todo ello, a partir de unos requerimientos iniciales relacionados con el error y la precisión buscados en el posicionamiento a realizar, a los que uniremos los datos correspondientes a las dimensiones y realidad física del entorno. De esa forma, se establecen unas pautas iniciales a la hora de dimensionar el sistema, y se combaten los efectos negativos que, sobre el coste o el rendimiento del sistema en su conjunto, son debidos a un despliegue ineficiente de los emisores de radiofrecuencia y de los puntos de captura de su huella. La segunda contribución incrementa la precisión resultante del sistema en tiempo real, gracias a una técnica de recalibración automática del mapa radio de potencias. Esta técnica tiene en cuenta las medidas reportadas continuamente por unos pocos puntos de referencia estáticos, estratégicamente distribuidos en el entorno, para recalcular y actualizar las potencias registradas en el mapa radio. Un beneficio adicional a nivel operativo de la citada técnica, es la prolongación del tiempo de usabilidad fiable del sistema, bajando la frecuencia en la que se requiere volver a capturar el mapa radio de potencias completo. Las mejoras anteriormente citadas serán de aplicación directa en la mejora de los mecanismos de posicionamiento en interiores basados en la infraestructura inalámbrica de comunicaciones de voz y datos. A partir de ahí, esa mejora será extensible y de aplicabilidad sobre los servicios de localización (conocimiento personal del lugar donde uno mismo se encuentra), monitorización (conocimiento por terceros del citado lugar) y seguimiento (monitorización prolongada en el tiempo), ya que todos ellas toman como base un correcto posicionamiento para un adecuado desempeño. ABSTRACT To find the position where a mobile is located with good accuracy, when it is immersed in an indoor environment (shopping centers, office buildings, airports, stations, tunnels, etc.), is the cornerstone on which a large number of applications and services are supported. Many of these services are already available in outdoor environments, although the indoor environments are suitable for other services that are specific for it. That number, however, could be significantly higher than now, if an expensive infrastructure were not required to perform the positioning service with adequate precision, for each one of the hypothetical services. Or, equally, whether that infrastructure may have other different uses beyond the ones associated with positioning. The usability of the same infrastructure for purposes other than positioning could give the opportunity of having it already available in the different locations, because it was previously deployed for these other uses; or facilitate its deployment, because the cost of that operation would offer a higher return on usability for the deployer. Wireless technologies based on radio communications, already in use for voice and data communications (mobile, WLAN, etc), meet the requirement of additional usability and, therefore, could facilitate the growth of applications and services based on positioning, in the case of being able to use it. However, determining the position with the appropriate degree of accuracy using these technologies is a major challenge today. This paper provides significant advances in this field. Along this work, a study about the main algorithms and auxiliar techniques related with indoor positioning will be initially carried out. The review will be focused in those that are suitable to be used with both last generation mobile technologies and WLAN environments. By doing this, it is tried to highlight the advantages and disadvantages of each one of these algorithms, having as final motivation their applicability both in the world of 3G and 4G mobile networks (especially in femtocells and small-cells of LTE) and in the WLAN world; and having always in mind that the final aim is to use it in indoor environments. The main conclusion of that review is that triangulation techniques, commonly used for localization in outdoor environments, are useless in indoor environments due to adverse effects of such environments as loss of sight or multipaths. Triangulation techniques used for external locations are useless due to adverse effects like the lack of line of sight or multipath. Fingerprinting methods, based on the comparison of Received Signal Strength values measured by the mobile phone with a radio map of RSSI Recorded during the calibration phase, arise as the best methods for indoor scenarios. However, these systems are also affected by other problems, for example the important load of tasks to be done to have the system ready to work, and the variability of the channel. In front of them, in this paper we present two original contributions to improve the fingerprinting methods based systems. The first one of these contributions describes a method for find, in a simple way, the basic characteristics of the system at the level of the number of samples needed to create the radio map inside the referenced fingerprint, and also by the minimum number of radio frequency emitters that are needed to be deployed; and both of them coming from some initial requirements for the system related to the error and accuracy in positioning wanted to have, which it will be joined the data corresponding to the dimensions and physical reality of the environment. Thus, some initial guidelines when dimensioning the system will be in place, and the negative effects into the cost or into the performance of the whole system, due to an inefficient deployment of the radio frequency emitters and of the radio map capture points, will be minimized. The second contribution increases the resulting accuracy of the system when working in real time, thanks to a technique of automatic recalibration of the power measurements stored in the radio map. This technique takes into account the continuous measures reported by a few static reference points, strategically distributed in the environment, to recalculate and update the measurements stored into the map radio. An additional benefit at operational level of such technique, is the extension of the reliable time of the system, decreasing the periodicity required to recapture the radio map within full measurements. The above mentioned improvements are directly applicable to improve indoor positioning mechanisms based on voice and data wireless communications infrastructure. From there, that improvement will be also extensible and applicable to location services (personal knowledge of the location where oneself is), monitoring (knowledge by other people of your location) and monitoring (prolonged monitoring over time) as all of them are based in a correct positioning for proper performance.