Ricezione widely-linear per sistemi multiportante CDMA con codifica spazio tempo

IV
ricezione grazie all’impiego di segnali di controllo scambiati con la stazione base o, in alternativa,
mediante l’impiego di dispositivi GPS montati sui terminali mobili.
In questo lavoro di tesi, l’attenzione Ł rivolta principalmente ai sistemi MC-CDMA quasi-sincroni
e l’obiettivo Ł quello di realizzare ricevitori che siano in grado di sopprimere ef cacemente la MAI,
ovvero di progettare ricevitori  near-far resistant , come di solito sono indicati tali ricevitori in lette-
ratura [36]. In particolare, a tale proposito si Ł considerato un sistema con due antenne in trasmissioni,
che utilizzano una strategia di codi ca molto considerata in letteratura [13]-[14], nota come codi -
ca di Alamouti. L’impiego di piø antenne in trasmissione offre ulteriori gradi di libert nella sintesi
del ricevitore, potendo sfruttare la diversit spaziale introdotta in trasmissione, e consente di rende-
re la trasmissione piø robusta nei confronti del fenomeno del multipath. In ricezione Ł stata invece
considerata una strategia di rivelazione multiutente MMSE di tipo widely-linear (WL-MMSE) che,
a differenza della rivelazione lineare, consiste nell’elaborare il segnale ricevuto e il suo complesso
coniugato [19]. L’approccio widely-linear, come documentato in letteratura [18, 20, 21, 39], con-
sente di migliorare signi cativamente le capacit di soppressione dei disturbi, MAI e/o interferenza
esterna a banda stretta, in sistemi a singola portante e a singola antenna che impiegano formati di
modulazione non circolari, e si Ł dimostrato offrire vantaggi anche per sistemi OFDM (Orthogonal
Frequency-Division Multiplex) [37]. In questo lavoro di tesi si intende studiare i vantaggi che la stra-
tegia di elaborazione widely-linear offre, con riferimento a sistemi MC-CDMA con due antenne in
trasmissione.
Il lavoro di tesi Ł articolato come segue.
Il Capitolo 1, dopo una breve presentazione delle principali tecniche ibride OFDM/CDMA, pre-
senta il modello del canale di comunicazione, e a partire dal modello del segnale MC-CDMA con
singola antenna in trasmissione e singola antenna in ricezione, si descrive il modello oggetto di analisi
di questa tesi, ovvero MC-CDMA con due antenne in trasmissione e singola antenna in ricezione, con
codi ca spazio-tempo di Alamouti.
Il Capitolo 2 Ł dedicato alla sintesi e all’analisi del ricevitore MMSE lineare (L-MMSE), illu-
strando in particolare i limiti di tale approccio nel caso di modulazioni circolari.
Il Capitolo 3 Ł dedicato alla sintesi e all’analisi del ricevitore WL-MMSE, evidenziando in par-
ticolare le differenze rispetto a quello lineare e mettendo in luce i vantaggi e gli svantaggi che tale
approccio comporta.
Nel Capitolo 4 sono presentate le prestazione dei ricevitori L-MMSE ed WL-MMSE mediante
simulazioni Monte Carlo condotte al calcolatore.
A conclusione di questa introduzione, desidero esprimere la mia gratitudine ai Proff. Luigi Paura e
Francesco Verde che con le loro osservazioni e suggerimenti, hanno contribuito in maniera signi ca-
tiva alla realizzazione di questo lavoro. Desidero, inoltre, ringraziare la mia famiglia per il sostegno
ricevuto nel corso di questi anni di studio, e Stefania per la vicinanza mostrata nei momenti dif cili.
Capitolo 1
Sistemi CDMA multiportante : modelli
matematici del segnale e del canale
Recentemente, gli schemi ad accesso multiplo basati su diverse combinazioni della tecnica di multi-
plazione a divisione di codice (CDMA) e OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplex), hanno
attratto notevole attenzione nel campo delle comunicazioni radio per l’erogazione di servizi multime-
diali. Ci Ł principalmente dovuto alla necessit di trasmettere ad elevati bit rate in ambienti carat-
terizzati da una forte ostilit del canale radio. Per dare una risposta ef cace a tutte le problematiche
relative a questi sistemi di comunicazione, l’impiego di tecniche ibride OFDM/CDMA sembra essere
una soluzione attraente.
Le prime proposte dei sistemi OFDM/CDMA risalgono approssimativamente al 1993. In tale
periodo, sono stati proposti l’Multicarrier CDMA (MC-CDMA) da N. Yee, J.P. Linnartz, G. Fettweis
[2], da K. Fazel e L. Papke [3], da A. Chouly, A. Brajal e S. Jourdan [4], il Multicarrier Direct-
Sequence CDMA (MC-DS-CDMA) da V. DaSilva e E.S. Sousa [5], e il Multitone CDMA da L.
Vandendorpe [6]. Sebbene l’attenzione sar rivolta in questa tesi esclusivamente alla tecnica MC-
CDMA, per completezza, nel seguito si descriveranno brevemente anche le altre tecniche di tipo
CDMA/OFDM.
1.1 Sistemi ibridi CMDA/OFDM, schemi e struttura dei trasmettitori
Prima di descrivere i tre principali schemi di tipo CDMA/OFDM, Ł opportuno descrivere la struttura
di un trasmettitore DS-CDMA (1.1). Se indichiamo con aj(i) la sequenza di simboli di informazione
del j-mo utente e con ψa(t) l’impulso di chip, l’equivalente passabasso del segnale trasmesso pu 
essere scritto:
sDSj (t)=
∞∑
i=−∞
aj(i)pa,j(t− iTs) (1.1)
dove
pa,j(t) =
GDS∑
m=1
cmj ψa(t−mTc) (1.2)
2 Sistemi CDMA multiportante : modelli matematici del segnale e del canale
Figura 1.1. Schema DS-CDMA.
dove {cmj }
GDSm=1 rappresenta la sequenza di codice dell’utente, Ts il periodo di simbolo del sistema
ed, in ne, Tc(= Ts/GDS) rappresenta il periodo di chip del sistema CDMA. La lunghezza GDS
della sequenza di codice Ł anche detta processing gain. Si osservi che tale schema si riferisce ad
un sistema a singola portante (f0) con spreading nel dominio del tempo. Descriviamo ora il segnale
CDMA/OFDM.
1.1.1 Sistemi CDMA/OFDM con spreading nel dominio del tempo: MC-DS-CDMA
Un modo per ottenere un segnale CDMA/OFDM Ł quello di impiegare uno spreading nel dominio del
tempo. Piø precisamente, il trasmettitore MC-DS-CDMA, (Fig. 1.2), diversi ca i  ussi provenienti
dal convertitore seriale-parallelo con un dato codice di spreading nel dominio del tempo, cos , lo
spettro risultante di ogni sottoportante pu soddisfare la condizione di ortogonalit con il minimo
della separazione in frequenza [5]. Questo schema pu ridurre il data rate in ogni sottoportante, in
modo tale che un tempo di chip piø esteso, rende piø facile la sincronizzazione della sequenza di
spreading. Il Multicarrier DS-CDMA Ł stato proposto originariamente per i canali di comunicazione
in up-link, poichŁ questa caratteristica Ł valida per stabilire un canale (quasi-)sincrono. Il segnale
trasmesso pu allora essere scritto come
sMDj (t)=
∞∑
i=−∞
Nc∑
k=1
GMD∑
m=1
bkj (i)c
m
j pc(t− (m− 1)Tc − iT ′s) cos(2pi(f0 +m∆f ′)t) (1.3)
1.1 Sistemi ibridi CMDA/OFDM, schemi e struttura dei trasmettitori 3
Figura 1.2. Schema MC-DS-CDMA.
dove
pc(t) =
{
1, 0 ≤ t ≤ Tc;
0, altrimenti ; , (1.4)
Nc Ł il numero delle sottoportanti, GMD Ł il processing gain, bkj (i) Ł i-ma informazione binaria
di ingresso alla k-ma sottoportante, cmj Ł m-mo chip della sequenza codice, T ′s(= NcTs) e Tc(=
T ′s/GMD), sono il periodo di simbolo e il periodo di chip per ogni sottoportante, rispettivamente, ed,
in ne, ∆f ′ = 1/Tc, Ł la separazione in frequenza delle sottoportanti.
1.1.2 Sistemi CDMA/OFDM multitone: MT-CDMA
Il trasmettitore MT-CDMA diversi ca il  usso di dati convertito in seriale/parallelo usando un dato
codice nel dominio del tempo cos lo spettro di ogni sottoportante prima dell’operazione di spreading
pu soddisfare la condizione di ortogonalit con il minimo della separazione in frequenza[6]. Lo sche-
ma MT-CDMA utilizza uno spreading code piø lungo in proporzione con il numero di sottoportanti,
se comparato con un normale DS-CDMA e quindi, il sistema pu servire piø utenti che il DS-CDMA.
Il segnale trasmesso pu essere scritto come
sMTj (t)=
∞∑
i=−∞
Nc∑
k=1
GMT∑
m=1
bkj (i)c
m
j pc(t− (m− 1)Tc − iT ′s) cos(2pi(f0 +m∆f ′′)t) (1.5)
4 Sistemi CDMA multiportante : modelli matematici del segnale e del canale
Figura 1.3. Schema MC-CDMA.
dove bkj (i) Ł l’i-ma informazione binaria in ingresso alla k-ma sottoportante, cmj Łm-mo chip della
sequenza codice, ∆f ′′(= 1/Ts) Ł la separazione delle sottoportanti,pc(t) Ł l’impulso de nito in (1.4),
T ′s e Tc, sono rispettivamente il pediodo di simbolo e la periodo di chip.
1.1.3 Sistemi CDMA/OFDM con spreading nel dominio della frequenza: MC-CDMA
Il trasmettitore MC-CDMA diversi ca (Fig 1.3) il  usso dati originale su differenti sottoportanti uti-
lizzando un dato codice di spreading nel dominio della frequenza [2]-[4]. Nel down-link di un canale
di comunicazione mobile, si pu utilizzare un codice Hadamard-Walsh come un ottimo set ortogo-
nale, in quanto non si deve prestare attenzione alla caratteristica di auto-correlazione del codice di
spreading. Il segnale trasmesso dal j-mo utente pu essere scritto come
sMCj (t)=
∞∑
i=−∞
GMC∑
m=1
aj(i)c
m
j ps(t− iTs) cos(2pi(f0 +m∆f)t) (1.6)
dove aj(i) Ł i-ma informazione binaria, cmj Łm-mo chip della sequenza codice, Ts Ł il periodo di
simbolo, ∆f = 1/Ts Ł la separazione in frequenza delle sottoportanti, mentre ps(t) Ł l’impulso
de nito da
ps(t) =
{
1, 0 ≤ t ≤ Ts;
0, altrimenti ;