Modulo de procesado de senal de unMIMO-Testbed OFDM para medidas de antenas

reconfigurablesC. Gomez-Calero, J. Mora, L. Cuellar, L. de Haro, R. Martnez

{carlosgc,jmora,luiscn,leandro,ramon}@gr.ssr.upm.esDepartamento de Senales, Sistemas y Radiocomunicaciones

Universidad Politecnica de MadridCiudad Universitaria s/n, 28040 Madrid.

AbstractMultiple-Input Multiple-Output (MIMO) systemshave been considered as a solution to increase the data rate andquality of signals in the next generation wireless communicationsystems. The performances of these systems depend on threemain aspects: channel propagation characteristics, processingalgorithms and antenna array configurations. In order to obtainMIMO channel measurements at ISM band (2.45 GHz) takeninto account the use of different antennas such as reconfi-gurables, a MIMO-testbed which uses OFDM technique hasbeen designed and implemented in order to carry out themeasurements in indoor scenarios. In this paper, the signalprocessing module is described which is based on Software-Radioplatform.

I. INTRODUCCIONTradicionalmente se han usado diversos metodos de multi-

plexacion para optimizar las fuentes disponibles, tales comola frecuencia, tiempo o codigo. En los ultimos anos, laexplotacion del dominio espacial tambien ha sido consideradacomo un modo muy interesante de incrementar la capacidadde los sistemas inalambricos. Por lo tanto, se han consideradonuevos metodos y esquemas para hacer uso de la diversidadespacial del canal, tales como el uso de multiples antenas aambos lados del radioenlace, conocido como sistemas MIMO(Multiple-Input Multiple-Output). Estos sistemas basan suconfiguracion en situar multiples antenas a ambos lados delenlace con el objetivo de obtener diversidad o multiplexacionespacial. Varios estudios teoricos [1], [2] han demostrado unincremento en capacidad con el despliegue de estos sitemas.

Por otro lado, la tecnica de OFDM (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing) ha sido adoptada para la transmisionde senales sobre canales inalambricos en varios estandares desistemas como son el DAB, DVB-T y los estandares IEEE802.11a/g de LAN y IEEE 802.16a, MAN. Ademas, estatecnica se presenta como un candidato potencial para la 4Gde comunicaciones moviles inalambricas. En este sentido,se han realizado diversos estudios y esquemas para utilizarsistemas MIMO con OFDM como son [3], [4]. Ademas, seesta desarrollando el estandar IEEE 802.11n para introducirMIMO con OFDM en sistemas WLAN.

Las prestaciones logradas en un sistema MIMO dependeprincipalmente de tres aspectos: las caractersticas de propa-gacion del canal, los algoritmos MIMO usados en transmisiony recepcion y, finalmente, la configuracion del array de antenacon sus caractersticas de radiacion.

As pues, para evaluar las prestaciones de las diferentes an-tenas, esquemas de codificacion y medias de canal en diferen-

tes entornos se han desarrollado prototipos y demostradores.En este artculo se describe el diseno y la implementaciondel procesado de senal, basado en Software-Radio, de undemostrador MIMO de banda ancha a 2.45 GHz que incluyeOFDM. Una de las ventajas de este demostrador es quepermite medidas de canales MIMO para diferentes tipos deantena y configuraciones, como son las antenas reconfigura-bles [5].

II. MIMO-TESTBEDEl esquema general del MIMO testbed es el mostrado en

la Fig. 1. Permite la utilizacion de hasta 4 antenas tantoen el transmisor como en el receptor. El funcionamientodel sistema es como sigue: en primer lugar se generan lassenales a transmitir en el PC. Esto se realiza en lo quellamaremos procesado en tiempo diferido (offline). Una vezesas senales generadas, se introducen a la parte de procesadoen tiempo real (online), que esta formado por plataformasSDR (Software-Defined Radio) y se encarga de enviar lassenales al siguiente subsistema. Este es el denominado moduloo subsistema de radiofrecuencia RF y tiene como objetivoamplificar, filtrar y subir las senales en frecuencia para suenvo. Para que eso ocurra, es necesario el subsistema deantena, cuya finalidad reside en transmitir al medio las senalesprocedentes de la etapa anterior. Ademas, cabe senalar quela senal transmitida se centra en la frecuencia de 2.45 GHz.En el lado del receptor se realiza la operacion contraria alcaso del transmisor. Es decir, se reciben las senales a travesde las antenas, se amplifican, filtran y bajan en frecuencia,se muestrean y se enva al PC receptor para su posteriorprocesado offline. Ademas, se anade un modulo que controlalas diferentes configuraciones de la antena reconfigurable bajomedida.

III. PLATAFORMA SOFTWARE-RADIOEl modulo de procesado del demostrador MIMO se encarga

realizar las tareas correspondientes al procesado de senal,tanto en transmision como en recepcion. Para describirlo, esteapartado se divide en las siguientes partes: la plataforma SDRutilizada (procesado online), la comunicacion entre los DSPsy el PC y, por ultimo, el procesado offline.

En lo que referente al procesado en tiempo real, se han uti-lizado plataformas DSP TMS320C6203 de Texas Instrumentsy FPGAs Virtex II de Xilinx. Las cuatro cadenas transmisorasdigitales se implementan en una placa DSP Quad Pentek 4292

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Fig. 1. Esquema general del MIMO testbed

y dos placas upconverters digitales Pentek 6229. En el ladocorrespondiente a la recepcion, las cuatro cadenas receptorasconsisten en otra placa DSP Quad Pentek 4292 y dos placasdigitales downconverters Pentek 6235.

La senal enviada desde el PC es recibida y almacenada en lamemoria SDRAM de cada uno de los DSPs correspondientes.A continuacion, se envan dichas senales al transmisor digital6229 que se encarga de filtrar y subir la senal de banda basea una FI de 40 MHz para su posterior conversion digital aanalogico y salida a la parte de RF. Para ello, es necesaria unasincronizacion de los transmisores digitales con el objetivode que todas las antenas transmitan la informacion a partirdel mismo instante de tiempo. En recepcion se realiza laoperacion inversa.

La comunicacion entre los modulos de FPGAs-DSPs ylos PCs se lleva a cabo a traves de libreras especficaspara las plataformas SDR seleccionadas, lo que permite lacomunicacion con Matlab va protocolo TCP/IP. Esto esposible gracias al stream API de Swiftnet, que provee unmedio para mover streams de datos entre el host y la placaen tiempo real.

IV. PROCESADO DE SENALDebido a que el objetivo es tener un demstrador de banda

ancha, se emplera la tecnica OFDM, ya que es eficiente paratransmitir datos sobre canales selectivos en frecuencia. La ideaprincipal es dividir en frecuencia un canal de banda anchaen estrechos subcanales. As, cada subcanal es un canal condesvanecimiento plano a pesar de la naturaleza selectiva enfrecuencia de un canal de banda ancha. Para generar dichossubcanales en OFDM, se aplica una transformada rapidainversa de Fourier (IFFT) a un bloque de N smbolos de datos:

x(n) =1

N

N1k=0

X(k)ej2pifckn

N (1)

Para evitar interferencia entre smbolos (ISI) debida al en-sanchamiento del retardo del canal, se insertan en el bloque unprefijo cclico. Este prefijo cclico se conoce como intervalode guarda (GI), donde el numero de muestras del prefijocclico, debera ser mayor que la longitud de la respuesta alimpulso del canal. Los efectos de las muestras del prefijocclico eliminan la ISI y convierten la convolucion entre lossmbolos transmitidos y el canal a una convolucion circular.As pues, la transformada rapida de Fourier (FFT) se utilizaen el receptor para recuperar el bloque de smbolos recibidos.

TABLA IPARAMETROS PRINCIPALES DE LA SENAL OFDM

Parametro Smbolo ValorFrecuencia de muestreo Fs 6.25 MHzTiempo util de smbolo Tu 1024/Fs = 163.84 s

Tiempo de guarda Tg Ts/8 = 40.96 sTiempo de smbolo Ts 184.32 s

Separacion entre portadoras f 1/Tu 6.1 kHzNumero de portadoras N 768

Ancho de banda BW 4687500 Hz

En la Tabla I se detallan los parametros mas caractersticosdel sistema.

A. Estructura de tramaEn el transmisor se genera contnuamente una trama com-

puesta por 8 smbolos OFDM, como muestra la Fig. 2. Elprimer smbolo se utiliza para sincronizacion del receptory es un smbolo nulo. Despues, se introduce el smbolo dereferencia que se utilizara en el receptor para estimar el canal.Posteriormente se incluyen 6 smbolos de datos. Estos, debidoa que el objetivo es medir el canal, se generan aleatoriamente.

Fig. 2. Estructura de la trama enviada

B. Estimacion de canalLa estimacion de canal en sistemas MIMO es una etapa

muy importante ya que, en los sistemas MIMO las presta-ciones de los algoritmos dependen de dicha estimacion.

La senal recibida en cada portadora viene dada por lasiguiente expresion

Rk = HkXk +Nk (2)

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donde X es el vector de senales enviadas por cada antena, Hindica la matriz del canal MIMO y N representa el ruido enel canal, todo ello para la subportadora k-esisma. La matrizdel canal MIMO viene expresada segun

Hk =

h1,1,k h1,MT ,k.

.

.

.

.

.

.

.

.

hMR,1,k hMR,MT ,k

(3)

donde cada elemento de la matriz representa la respuesta delcanal entre cada par de antenas transmisor-receptor.

Por otro lado, se han estudiado diferentes maneras deobtener el canal. Para ello, utilizaremos como pilotos codigosortogonales que permitan en el receptor separar las diferentescontribuciones de cada antena. Debido a que el numero deantenas maximo es 4, es necesaria una matriz de 4 4elementos. En nuestro caso, utilizaremos la matriz de pilotos:

P =

1 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 1

(4)

donde el numero de filas representa el espacio y las columnaspueden representar tanto el tiempo como la frecuencia. Enuna primera opcion se eligio la frecuencia, por lo que de estemodo, se asuma que el canal era invariante en 4 subportado-ras. Sin embargo, y con el objetivo de medir canales selectivosen frecuencia, se opto por el tiempo como eje en las columnas.

Para una mejor sincronizacion en el receptor, multiplicamosla matriz de pilotos P por una senal pseudoaleatoria (S). Aspues, en el receptor para cada subportadora k, tendremos (2)con

Xk = SkP (5)Si tomamos

Yk = XHk

(XkX

Hk

)1 (6)

para estimar el canal multiplicamos la senal recibida por Y,obteniendo:

Hk = RkYk

= Hk (SkP)Yk +NkYk

= Hk +NkYk (7)En la Fig. 3 se muestra el canal MIMO estimado basado en

el esquema anterior utilizando el testbed. Para ello, se unieroncada antena transmisora con su respectiva receptora (h11 =h22 = h33 = h44 = 1), con el objetivo de ver la ortogonalidadde los pilotos.

Por otro lado, y una vez que se ha obtenido el canal enel receptor, se calcula la capacidad del canal MIMO. Dadoque no se conoce el canal en el transmisor y por ende, sedistribuye equitativamente la potencia por cada una de lasantenas transmisoras, la capacidad en cada subportadora kviene expresada por

Ck = log2

[det

(IMR +

MTHkH

Hk

)]bps/Hz (8)

donde IMR es la matriz identidad de tamano MRMR, MTes el numero de antenas transmisoras y es la relacion senala ruido.

05

10 2448 2449 2450 2451 2452

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Frequency [MHz]

|H1j|

Time (ms)

dB

h11h12h12h14

Fig. 3. |h1j(t, f)| para el caso medido de h11 = 1, hij = 0 para i 6= j

V. RECEPTOREl receptor del MIMOTestbed es la parte mas compleja

del sistema. Una vez que las senales son bajadas a banda basey convertidas de analogico a digital, pasan a ser procesadasen la FGPA donde se realiza el sincronismo y la FFT.

A. Modulo de sincronismoEl modulo de sincronismo se encarga de estimar el

comienzo del smbolo de referencia que sigue al smbolo nulodentro de la trama. Genera como salidas la senal que recibea la entrada, una senal que indica un intervalo donde estacontenido el smbolo de referencia, una senal que indican elcomienzo del smbolo de referencia dentro de ese intervaloy los valores del maximo del resultado de la autocorrelaciondentro del intervalo (Fig. 4).

El modulo detector de smbolo es una maquina de estadosque detecta el final del smbolo nulo, genera una ventanatemporal que nos asegure que hemos almacenado el smbolode referencia completo y mientras observa el resultado de laautocorrelacion para localizar el indice que se corresponde conel inicio del smbolo. Para la sincronizacion en el tiempo conel smbolo de referencia y estimar el CFO (Carrier FrequencyError) nos valemos del esquema basado en la autocorrelaciondel prefijo cclico [6].

Fig. 4. Modulo de sincronismo

B. Modulo FFTEste modulo recibe las senales de salida de los modulos de

sincronismo de los canales 1 y 2. Las senales se almacenanen un buffer independiente para cada uno de los canales. Laescritura en estos bufferes esta controlada por la senal que segenera en el modulo de sincronismo. Cuando ambos bufferesestan llenos, tenemos una captura completa del smbolo de

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referencia para ambos canales. La maquina de estados aldetectar este evento manda secuencialmente los 1024 datosdel smbolo, a partir del ndice, al modulo que realiza la FFTde 1024 puntos. Este modulo es compartido por el canal 1 y 2,debido al alto consumo de recursos en la FPGA. La maquinade estados se encarga de conmutar entre los datos de los 2canales y almacenarlos en el buffer de salida correspondiente.

VI. ERRORES DE IMPLEMENTACION

Al ser un sistema real, se han analizado tambien los aspec-tos de implementacion, tales como errores de frecuencia portener distintos relojes de muestreo en transmision y recepcion,as como los errores producidos por usar distintos osciladoreslocales, distintos relojes internos a ambos lados del enlaceradio, ya que es necesaria una sincronizacion, estimacion deloffset de frecuencia y posterior correccion. Teniendo todolo anterior en cuenta, podemos incluir todos estos errores,obteniendo las senales recibidas segun

Rk = XkHk ej(2pik

TdTu

+2pikt(n)Tu

+0+2pikfTs

)+

Ik +Nk (9)donde Td representa el offset temporal del smbolo, t eloffset temporal del muestreo, 0 el offset de fase, f el offsetde frecuencia y Ik es la ICI (Inter-Carrier Interference) debidaal offset de frecuencia para la portadora k-esimia.

Estos errores se han tratado en la etapa de procesado demanera que se han mitigado estos efectos, teniendo muchocuidado de corregir todos los errores sin afectar a la matrizdel canal, ya que si corregimos toda la fase, eliminaremos elefecto del canal de propagacion.

VII. APLICACION MIMOTESTBED

Uno de los principales objetivos del testbed MIMO debanda ancha es que permita realizar medidas de antenasreconfigurables en diferentes entornos. As pues, se ha de-sarrollado una herramienta de facil manejo disenada en elentorno Matlab para la integracion de la parte de procesado yla parte de medidas. Concretamente, en la Fig. 5. se muestra laventana principal de la aplicacion, donde se van mostrando lospuntos medidos, las senales recibidas y la capacidad MIMOdel canal obtenida.

Fig. 5. Ventana principal de la aplicacion

Cabe senalar que el testbed tiene un scanner que puedebarrer cualquier punto en un area de hasta 6 6 [7]. Elesquema de funcionamiento es el siguiente: en cada punto demedida, se reciben 32 smbolos de pilotos donde se estimael canal, de modo que obtendremos la respuesta del mismotanto en frecuencia como en tiempo. Una vez hecho esto,se cambia la configuracion del array de antenas mediante unswitch conectado al PC por un puerto RS232 y se vuelve amedir. Cuando se terminan las configuraciones, se cambia elpunto del scanner y se vuelve a hacer todo el proceso. Estose detalla en la Fig. 6, donde se muestra el diagrama de flujodel sistema de medida.

Fig. 6. Diagrama de flujo del testbed

VIII. CONCLUSIONESSe ha presentado el diseno e implementacion del modulo

correspondiente al procesado de senal de un medidor de canalMIMO de banda ancha a la frecuencia de 2.45 GHz. El MIMOtestbed utiliza la tecnica OFDM, as como pilotos ortogonalespara la estimacion de canal. La etapa de sincronismo y FFTen el receptor se realiza en una FPGA. Ademas, se han pre-sentado los errores encontrados debidos a la implementacionreal, as como se ha descrito el funcionamiento del testbedpara el uso de antenas reconfigurables.

REFERENCIAS[1] A. Paulraj, D. Gore, R. Nabar, and H. Bolcskei, An overview of MIMO

communications - A key to gigabit wireless, Proceedings of the IEEE,vol. 92, no. 2, pp. 198 217, 2004.

[2] A. Goldsmith, S. Jafar, N. Jindal, and S. Vishwanath, Capacity limits ofMIMO channels, IEEE Journal on selected areas in communications,vol. 21, no. 5, June 2003.

[3] H. Sampath, S. Talwar, J. Tellado, V. Erceg, and A. Paulraj, A fourth-generation MIMO-OFDM broadband wireless system: design, perfor-mance, and field trial results, IEEE Communications Magazine, vol. 40,no. 9, pp. 143149, September 2002.

[4] H. Bolckei, D. Gesbert, and A. Paulraj, On the capacity of OFDM-basedspatial multiplexing systems, IEEE Transactions on Communications,vol. 50, no. 2, pp. 225234, February 2002.

[5] B. Cetiner, H. Jafarkhani, Q. Jiang-Yuan, J. H. J. Yoo, A. Grau, andF. D. Flaviis, Multifunctional reconfigurable MEMS integrated antennasfor adaptive MIMO systems, IEEE Communications Magazine, vol. 42,no. 12, pp. 6270, December 2004.

[6] J. van de Beek, M. Sandell, and P. Borjesson, ML estimation oftime and frequency offset in OFDM systems, Signal Processing, IEEETransactions on [see also Acoustics, Speech, and Signal Processing,IEEE Transactions on], vol. 45, no. 7, pp. 18001805, Jul 1997.

[7] J. Mora-Cuevas, C. Gomez-Calero, L. Cuellar, and L. de Haro, AWideband OFDM MIMO Measurement System for Antenna Evaluation,Antennas and Propagation International Symposium, 2008 IEEE, 5-12July 2007.

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