DEPLOYMENT OF ANTENNA ARRAY FOR DATA RETRIEVAL IN CDMA ENVIROMENT

Doctoral thesis Portuguese OPEN
RICARDO ZELENOVSKY (2001)
  • Publisher: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO
  • Subject: ANTENAS ADAPTATIVAS | ADAPTATIVE ANTENNAS | DIRECAO DE CHEGADA | DIRECTION-OF-ARRIVAL | RECUPERACAO DIGITAL | DIGITAL RESTORATION | SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES

Este trabalho de tese trata do emprego de arranjos de antenas em ambientes de comunicação móvel,dando-se ênfase ao canal de dados reverso do Sistema IS-95. Propõe-se dois estimadores: um para a direção de chegada dos sinais e outro para outros dados. Inicialmente é apresentado um estudo sobre arranjos de antenas e dos principais detalhes do sistema IS-95,especialmente a multiplicidade de acesso via divisão por códigos (CDMA).Aborda-se em seguida o problema da estimação da direção da chegada(DOA), onde se constata que os algoritmos mais conhecidos na literarura especializada, tais como Atraso-e-Soma, Capon, MUSIC e ESPRIT, não apresentam desempenho satisfatório quando empregados em ambiente CDMA. Por isso, propõe-se uma versão do método de estimação de máxima verossimilhança (ML) que utiliza a técnica denominada de EM (-Expectation Maximization-).Seu emprego permitir fracionar o problema de otimização multidimensional gerado pelo estimador ML, em últimas estimações de menor dimensão,simplificando sobremaneira a solução. O estimador proposto além da DOA,permite ainda estimar a atenuação e a defasagem dos sinais incidentes. Através de simulações, constata-se que este estimador EM apresenta um desempenho bastante satisfatório.Para tornar mais completa a análise, faz-se ainda uma comparação da variância do erro na estimação da DOA comolimitante de Cramér-Rao. Em presença de multipercursos, propõe-se quatro versões de um estimador de dados, sendo que uma delas utiliza a estrutura de treliça e objetiva a decisão sequencial dos dados. O desenvolvimento de tais estimadores faz uso de bases de espaços vetoriais para representar as funções de walsh, sendo que as operações aritméticas convencionais . Através de simulações constata-se que essas versões apresentam diferentes relações entre de desempenho e custo computacional, o que permite flexibilidade na adequação do seu emprego. This thesis deals with antenna arrays when used in mobile communication environment, but the emphasis is on the reverse data link of IS-95. Two estimators are proposed: one for the direction-of-arrival (DOA) and other for the data. Initially, study of the antenna arrays is presented together with the main details of the IS-95 System, especially the details related to the code division multiple access (CDMA). After that, the problem of dirction- of-arrival estimation is discussed. It is shown that mostly of the known estimators, such as Delay-and-Sum, Capon, MUSIC and ESPRIT, do not offer reasonable performance when used in CDMA environment. Therefore, a new Maximum- Likelihood (ML) method is proposed using the so-called Expectation Maximization (EM) algorithm. The main advantage of using such approach is due to the fact that multidimensional optimization required by ML estimation can be split into several problems of lower dimension, thus simplifying the solution. The proposed estimator, besides the DOA estimation, also allows the estimation of attenuation and phase shift of the arriving signals. Simulations show that EM-estimator offers a fair performance when compared to other methods. In order to properly access the statistical significance of this study, the of DOA-estimation erro´s variance is compared with the Cramér-Rao Lower Bound (CRLB). Under a multipath environment, four versions of a data estimator are proposed, and one of them do employ trellis. In the development of such estimators, vector basis are used to represent the Walsh functions and the module-2 operations are replaced by convenient ordinary arithmetic operations. By means of simulation, it is shown that these versions present different levels of performance and computational cost thus allowing to choose the method according to the environmentn conditions. Este trabajo de tese trata del empleo de arreglos de antenas en ambientes de comunicación móvil, con énfasis en el canal de datos reverso del Sistema IS-95. Se proponen dos estimadores: uno para la dirección de llegada de las señales y otro para el resto de los datos. Inicialmente se presenta un estudio sobre arreglos de antenas y los principales detalles del sistema IS-95,especialmente la multiplicidad de acceso vía división por códigos (CDMA). Se aborda el problema de la estimación de la dirección de llegada(DOA), donde se constata que los algoritmos más conocidos en la literarura especializada, tales como Atraso-y-Suma, Capon, MUSIC y ESPRIT, no tiene un desempeño satisfactorio cuando son utilizados en ambiente CDMA. Por eso, se propone una versión del método de estimación de máxima verosimilitud(ML) que utiliza la técnica denominada de EM (-Expectation Maximization-).Su empleo permite fraccionar el problema de optimización multidimensional generado por el estimador ML, en estimaciones de menor dimensión,simplificando la solución. El estimador propuesto, además de la DOA, permite estimar la atenuación y el defasaje de las señales incidentes. A través de simulaciones, se constata que el estimador EM tiene un desempeño bastante satisfactorio. Para un análisis más completo se comparan las varianza del error en la estimación de la DOA como límite de Cramér-Rao. En presencia de multitrayectoria, se proponen cuatro versiones de un estimador de datos, donde una de ellas utiliza la extructura de celosía y objetiva la decisión secuencial de los datos. El desarrollo de tales estimadores utiliza bases de espacios vectoriales para representar las funciones de walsh, con las operaciones aritméticas convencionales . A través de simulaciones se observa que esas versiones presentan diferentes relaciones entre de desempeño y el costo computacional, que permite flexibilidad en la adecuación de su empleo.
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