Mejora de recepción de señal en redes inalámbricas aplicando técnicas de filtrado y diversidad

Abstract

La constante evolución de las técnicas aplicadas en los medios de transmisión en comunicaciones inalámbricas de todo tipo es un hecho evidente con un aumento considerable en los últimos años. A pesar de que, inicialmente, estas redes fueran concebidas para complementar la carencia de redes cableadas en ciertos entornos, estos despliegues han sufrido un desarrollo importante y una mayor relevancia que va creciendo paulatinamente a medida que van surgiendo nuevos servicios y aplicaciones. Las técnicas de estimación de canal son temáticas de interés actual al estudiar la aplicación de técnicas de filtrado adaptativo en los sistemas inalámbricos considerando el grado de heterogeneidad que caracteriza a estas redes. En el campo de las redes inalámbricas se ha producido y se sigue produciendo un importante número de avances que permiten intuir unos escenarios sensiblemente alejados de los que existen en la actualidad. Hay diferentes motivos detrás de este hecho, pero la revolución que han originado las comunicaciones desde finales del siglo pasado probablemente sea el que, en mayor medida, pueda justificarlo. Además, hay que tener en cuenta los avances que se están produciendo en un campo tan íntimamente relacionado, como es el de la electrónica, la cual aparece como gran catalizadora de la eclosión de las nuevas tecnologías que permiten llevar a cabo la evolución en las comunicaciones antes mencionada. Por otro lado, se debe considerar el florecimiento de diferentes tecnologías como las redes de área local inalámbricas (Wireless Local Area Network o WLAN) entroncadas en la norma IEEE 802.11, conocidas comúnmente como redes WiFi. Su irrupción ha supuesto un gran cambio en la manera en la que los usuarios se conectan a Internet, dando lugar a la aparición de nuevos modelos de negocio (como los hot-spots) y favoreciendo la difusión de dispositivos que son capaces de emplear de igual forma redes licenciadas como GSM, UMTS como redes sin licencia como WLAN. Otro ejemplo serían las redes de área personal, agrupadas en el estándar IEEE 802.15, enfocadas a redes sensoriales, capaces de ofrecer diferentes servicios o aplicaciones en función de las características del individuo. Por último, hay que añadir otras tecnologías, como IEEE 802.16 (o Wimax), donde existen dos variantes, una de acceso fijo y otra de movilidad completa, lo que no hace más que refrendar el hecho de que una de las características comunes en lo que se refiere a los escenarios de comunicación en el futuro sería la elevada heterogeneidad de los mismos. En esta Tesis se realiza un análisis del impacto de las técnicas de diversidad en transmisión y recepción y el filtrado Kalman en diferentes comunicaciones inalámbricas de área personal, local y metropolitana con el objeto de obtener un aumento de la eficiencia en diferentes entornos, principalmente en aquellos escenarios críticos en los que la calidad de la señal es muy débil. Este tipo de sistemas, tradicionalmente denominadas redes ad hoc, se caracterizaron originalmente por permitir el establecimiento de comunicaciones en aquellas situaciones en las que la presencia de una infraestructura subyacente no estuviera garantizada. Esta Tesis afronta, en primer lugar, la evaluación cuantitativa de la mejora que es posible alcanzar al utilizar técnicas de diversidad espacial en entornos de redes inalámbricos más o menos complejos. Un primer aspecto que es razonable considerar es la mejora que se consigue; mediante técnicas de simulación, para determinar la ganancia que se logra. Estas pruebas se realizan para diferentes tipos de redes en función de su área de cobertura. Se analizan también otras mejoras adicionales, utilizando técnicas mixtas, en el dominio espaciotemporal que permiten modular el peso que tienen las diferentes señales recibidas así como diversos parámetros y restricciones a considerar, a la hora de determinar la alternativa de comunicación óptima. Por último, se considera la aplicación de técnicas más avanzadas, que permiten la correcta recepción de señal en entornos muy críticos, en este caso, utilizando para ello, redes neuronales recursivas, con filtrado Kalman y usando el algoritmo de Gauss-Newton para la fase de entrenamiento y testeo.

The constant evolution of techniques applied in the transmission media in wireless communications of all types is an obvious fact with a considerable increase in recent years. Although, initially, these networks were designed to supplement the lack of wired networks in certain environments, these deployments have had an important development and greater emphasis that is growing gradually as new emerging services and applications. The channel estimation techniques are areas of current interest in order to study the application of adaptive filtering techniques in wireless systems considering the degree of heterogeneity that characterizes these networks. In the field of wireless networks has occurred and is still happened an important number of advances that also suggests a few scenarios significantly away from those that exist today. There are several reasons behind this, but the revolution of communications that have originated from the end of the last century is probably to a greater extent, be justified. In addition, we must note that the progress taking place in a field so closely related, such as electronics, which appears as a major catalyst for the emergence of new technologies to carry out the evolution of the communications mentioned above. On the other hand, we must consider the flowering of different technologies such as wireless local area networks (Wireless Local Area Network or WLAN) related to IEEE 802.11 standard, commonly known as WiFi networks. His emergence has been a major change in the way in which users connect to the Internet, resulting in the breakthrough of new business models (such as hotspots) and encouraging the dissemination of devices that are able to use likewise licensed as GSM networks, UMTS and unlicensed as WLAN networks. Another example would be personal area networks, clustered in the IEEE 802.15 standard, focusing on sensor networks that provide different services or applications based on individual characteristics. Finally, add other technologies such as IEEE 802.16 (or WiMAX), which has two variants, one fixed access and a full mobility, which only serves to endorse the fact that one of the common characteristics about communications scenarios in the future is the large heterogeneity of them. In this thesis, an analysis of the impact of diversity techniques for transmission and reception and Kalman filtering in various personal, local and metropolitan area wireless communications, in order to obtain an increased efficiency in different environments, mainly in those critical scenarios in which the quality of the signal is very weak. Such systems traditionally called ad hoc networks, originally characterized by allowing the establishment of communications in situations where the presence of an underlying infrastructure was not guaranteed.This thesis faces, first the quantitative evaluation of the improvement which are achievable using spatial diversity techniques in wireless network environments more or less complex. The first aspect that is reasonable to consider is the improvement achieved, simulation techniques to determine the gain is achieved. These tests are performed for different types of networks in terms of their coverage area. It also discusses other improvements, using mixed techniques, in the space-time domain to modulate the weight that the different signals received on the various parameters and constraints to consider, when determining the optimal communication alternative. Finally, we consider the application of more advanced technique, allowing the correct signal reception in very critical environments in this case, using recursive neural networks, Kalman filtering, and using Gauss-Newton algorithm for phase training and testing.