On geometry-base statistical channel models for MIMO wireles communications

Abstract

El uso de sistemas de comunicación de banda ancha de múltiple entradamúltiple salida (Multiple Input Multiple Output MIMO) es actualmente objeto de un interés considerable. Una razón para esto es el reciente desarrollo de sistemas de comunicación móvil de tercera generación (3G) y superiores, tales como la tecnología de banda ancha Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA, por sus siglas en inglés), la cual proporciona canales de radio de 5 MHz de ancho de banda. Para el diseño y la simulación de estos sistemas de radio móviles que usan propagación inalámbrica MIMO (como Wideband-CDMA por ejemplo), necesitamos modelos de canal que provean la requerida información espacial y temporal necesaria para el estudio de tales sistemas, esto es, los parámetros básicos de modelado en los dominios del espacio y el tiempo. Como ejemplo podemos mencionar, el valor cuadrático medio de la dispersión del retardo (Delay spread DS) el cual está directamente relacionado a la capacidad de un sistema de comunicación específico y nos da una idea aproximada de la complejidad del receptor. En esta tesis, se propone un modelo basado en geometría con enfoque en grupos (clusters) y es utilizado para el análisis en los dominios del espacio y el tiempo para condiciones estacionarias, y para representar los perfiles de potencia-angulo-retardo (Power Delay Angle Profiles PDAPs) de los componentes multi-trayectoria en ambientes urbanos. Además, se han derivado soluciones en formas cerradas para las expresiones en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo. La investigación previa sobre el modelado de canales cubre una amplia variedad de aspectos en varios niveles de detalle, incluyendo análisis para condiciones no estacionarias. Sin embargo el trabajo presentado en la literatura no incluye las relaciones entre los grupos (cluster) físicos y los PDAPs. El modelo propuesto basado en grupos (clusters) puede ser usado para mejorar aún más el desempeño en condiciones estacionarias de los sistemas de comunicaciones móviles actuales y futuros tales como los sistemas de comunicación MIMO de banda ancha. En la tesis también se presenta un análisis en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo respectivamente, a través de las funciones densidad de probabilidad (PDF) de la dirección de llegada (Direction of Arrival DOA) y el tiempo de llegada (Time of Arrival TOA) para el modelo basado en grupos. A fin de evaluar las funciones de probabilidad teóricas derivadas, éstas han sido comparadas con resultados experimentales publicados en la literatura. La comparación con estos resultados experimentales muestran una buena concordancia, no obstante la técnica de modelado presentada en esta tesis se encuentra limitada a condiciones estacionarias del canal. La condición de no estacionariedad se ubica más allá del alcance de esta tesis, es decir, el modelo propuesto no incorpora el efecto Doppler en los análisis. // The use of wideband Multiple Input Multiple Output (MIMO) communication systems is currently subject to considerable interest. One reason for this is the latest development of 3rd Generation mobile communication systems and beyond, such as the wideband technology: Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA), which provides 5 MHz wide radio channels. For the design and simulation of these mobile radio systems taking into account MIMO wireless propagation (e.g. like the wideband-CDMA), channel models are needed that provide the required spatial and temporal information necessary for studying such systems, i.e., the basic modeling parameters in the space-time domains, e.g., the root mean square (rms) delay spread (DS) is directly connected to the capacity of a specific communication system and gives a rough implication on the complexity of a receiver. In this thesis a channel modeling based on the clustering approach is proposed and used for analysis in the space-time domains for stationary conditions to represent the power delay angle profiles (PDAPs) of the multipath components (MPCs) in urban environments. In the thesis, closed-form expressions are derived in angular and time domains respectively. Previous research on channel modeling covers a wide variety of aspects in varying levels of detail, including analysis for non stationary conditions. However, the work presented in the literature has not included the relationship between the physical clusters and the PDAPs. The proposed clustering approach model can be used to further performance improvement in stationary conditions of current or future mobile radio systems like the Wideband MIMO communication systems. This thesis also presents an analysis in angular and time domain respectively through direction of arrival (DOA) and time of arrival (TOA) probability density functions (PDFs) for the clustering approach model. In order to evaluate the derived theoretical PDFs, these are compared with experimental results published in the literature. The comparison to experimental results shows good agreement, however the modeling approach proposed in this thesis is limited to stationary conditions of the channel. The non-stationary condition is outside the scope of this thesis, i.e., the clustering approach model proposed does not incorporate the Doppler effect in the analysis.