Técnicas Combinadas de Decomposição de Constelações e Modulação em Magnitude para Transmissão Mono-Portadora Eficiente: Prova de Conceito em Plataformas SDR

Abstract

Atendendo as exigências tecnológicas face ao crescente uso de serviços multimédia e streaming em ambiente móvel, há um grande esforço para que as comunicações consigam acompanhar este aumento de consumo de largura de banda. Desta forma, é esperado que o futuro das redes wireless passe pelo uso de ondas milimétricas. As ondas milimétricas permitem que as antenas convencionais sejam substituídas por antenas de menor dimensão, podendo ser agrupadas formando um esquema de múltipla entrada e múltipla saída (MIMO). Com este conceito é possível aumentar os ganhos de capacidade. No entanto, as ondas milimétricas ao operarem a uma largura de banda elevada, revelam algumas limitações, nomeadamente, perdas em espaço livre, efeitos de difração e perdas por obstáculos, mas também dificuldades de implementação em hardware, nomeadamente ao nível da eficiência do andar front-end de amplificação. Nesta dissertação, é feito foco na transmissão do dispositivo móvel para a estação base, onde as restrições de consumo de potência do front-end de amplificação são mais relevantes devido as limitações de bateria dos dispositivos móveis. Considera-se, por isso, o uso de comunicações mono-portadora (SC - Single Carrier), uma vez que os sinais transmitidos apresentam uma razão potência de pico vs potência média (PAPR) menor que as comunicações multi-portadora (MC Multi Carrier). Contudo as comunicações SC que fazem uso de constelações de ordem elevada (M-QAM) e em que é usado filtragem de Nyquist próxima da banda mínima de forma a conseguir um aumento de eficiência espectral, produzem sinais com um PAPR elevado. Nesta dissertação é apresentada uma técnica para decompor qualquer constelação M-ária como uma soma de várias componentes polares. Assim, uma vez que os sinais OQPSK têm baixas flutuações em envolvente, devido ao seu desfasamento temporal entre a componente em fase e a componente em quadratura, é possível amplificar de forma eficiente as diversas componentes OQPSK combinando as mesmas posteriormente formando uma constelação de ordem elevada. Combinando a técnica de decomposição com técnicas de modulação em magnitude em anel (RMM - Ring Magnitude Modulation) é possível uma amplificação eficiente com recurso a amplificadores não lineares. Realizou-se um desempenho por simulação sendo apresentado resultados obtidos através da curva de BER para o caso de M=16 e foi feito uma prova de conceito implementando a referida técnica em plataformas de rádio definidas por software.

With regard to the technological demands associated with an increasingly larger usage of multimedia services and streaming in mobile environments, there is a considerable effort to ensure that communications can keep in line with this bandwidth growing consumption. It is, therefore, expected that the future of wireless networks lies in millimetric waves. In fact, millimetric waves allow replacing conventional antennas with smaller ones that can be grouped together to create multiple input multiple output schemes (MIMO). This concept enables increasing capacity gains. Millimetric waves operating at a high bandwidth, however, reveal some limitations, namely, free space losses, diffraction effects, as well as losses related with obstacles. Not only these, but there are also hardware implementation adversities, specifically regarding the efficiency level of the front-end level of amplification.The focus of this thesis is the transmission from the mobile device to the base station, where the power consumption restrictions of the amplification's front-end are more relevant, given the limitations associated with mobile devices' batteries. For that reason, the usage of Single Carrier (SC) communications is considered, since the transmitted signals result in a lower Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) when compared to Multi Carrier (MC) communications. Nevertheless, SC communications that make use of M-ary Quadrature Amplitude Modulation (M-QAM) and in which minimal band, Nyquist filtering is used to achieve a higher spectral efficiency, produce higher PAPR signals. In this dissertation, a technique that allows decomposing any M-ary constellation in a sum of several polar components is presented. This way, and because OQPSK signals possess low envelope fluctuations, (related with the time lag between their phase and quadrature components), IT is possible to amplify efficiently the different OQPSK components, and combining them after in order to form a high order constellation. By associating the decomposition technique with Ring Magnitude Modulation (RMM) techniques, an efficient amplification can be obtained, when relying on non-linear amplifiers. A simulation performance was executed, with the obtained results being presented through a BER curve, where M=16, and a proof of concept was conducted, by implementing the mentioned technique in software-defined radio platforms.