Estima e igualación ciega de canales MIMO con y sin redundancia espacial

Abstract

La mayor parte de los sistemas de comunicaciones requieren el conocimiento previo del canal, el cual se suele estimar a partir de una secuencia de entrenamiento. Sin embargo, la transmisión de símbolos piloto se traduce en una reducción de la eficiencia espectral del sistema, lo que imposibilita que se alcancen los límites predichos por la Teoría de la Información. Este problema ha motivado el desarrollo de un gran número de técnicas para la estima e igualación ciega de canal, es decir, para la obtención del canal o la fuente sin necesidad de transmitir una señal de entrenamiento. Normalmente, estas técnicas se basan en el conocimiento previo de ciertas características de la señal, tales como su pertenencia a un alfabeto finito, o sus estadísticos de orden superior. Sin embargo, en el caso de sistemas de múltiples entradas y salidas (MIMO), se ha demostrado que los estadísticos de segundo orden de las observaciones proporcionan la información suficiente para resolver el problema ciego.<br/><br/>El objetivo de esta Tesis consiste en la obtención de nuevas técnicas para la estima e igualación ciega de canales MIMO, tanto en sistemas con redundancia espacial, como en casos más generales en los que las fuentes no presentan ningún tipo particular de estructura. De manera general, los métodos propuestos se basan en los estadísticos de segundo orden de las observaciones. Sin embargo, las técnicas se presentan desde un punto de vista determinista, es decir, los algoritmos propuestos explotan directamente la estructura de las matrices de datos, lo que permite obtener resultados más precisos cuando se dispone de un número reducido de observaciones. Adicionalmente, la reformulación de los criterios propuestos como problemas clásicos del análisis estadístico de señales, ha permitido la obtención de algoritmos adaptativos eficientes para la estima e igualación de canales MIMO.<br/> <br/>En primer lugar se aborda el caso de sistemas sin redundancia. Más concretamente, se analiza el problema de igualación ciega de canales MIMO selectivos en frecuencia, el cual se reformula como un conjunto de problemas de análisis de correlaciones canónicas (CCA). La solución de los problemas CCA se puede obtener de manera directa mediante un problema de autovalores generalizado. Además, en esta Tesis se presenta un algoritmo adaptativo basado en la reformulación de CCA como un conjunto de problemas de regresión lineal acoplados. De esta manera, se obtienen nuevos algoritmos bloque y adaptativos para la igualación ciega de canales MIMO de una manera sencilla. Finalmente, el método propuesto se basa, como muchas otras técnicas ciegas, en el conocimiento a priori del orden del canal, lo que constituye un problema casi tan complicado como el de la estima o igualación ciega. Así, en el caso de canales de una entrada y varias salidas (SIMO), la combinación de la técnica propuesta con otros métodos para la estima ciega del canal permite obtener un nuevo criterio para extracción del orden de este tipo de canales<br/><br/>En segundo lugar se considera el problema de estima ciega de canal en sistemas con algún tipo de redundancia o estructura espacial, con especial interés en el caso de sistemas con codificación espacio-temporal por bloques (STBC). Específicamente, se propone una nueva técnica para la estima ciega del canal, cuya complejidad se reduce a la extracción del autovector principal de una matriz de correlación modificada. El principal problema asociado a este tipo de sistemas viene dado por la existencia de ciertas ambigüedades a la hora de estimar el canal. En esta Tesis se plantea el problema de identificabilidad de una manera general, y en el caso de códigos ortogonales (OSTBCs) se presentan varios nuevos teoremas que aseguran la identificabilidad del canal en un gran número de casos. Adicionalmente, se proponen varias técnicas para la resolución de las ambigüedades, tanto en el caso OSTBC como para códigos más generales. En concreto, se introduce el concepto de diversidad de código, que consiste en la combinación de varios códigos STBC. Esta técnica permite resolver las indeterminaciones asociadas a un gran número de problemas, y en su versión más sencilla se reduce a una precodificación no redundante consistente en una simple rotación o permutación de las antenas transmisoras.<br/><br/>En definitiva, en esta Tesis se abordan los problemas de estima e igualación ciega de canal en sistemas MIMO, y se presentan varias técnicas ciegas, cuyas prestaciones se evalúan mediante un gran número de ejemplos de simulación.

The majority of communication systems need the previous knowledge of the channel, which is usually estimated by means of a training sequence. However, the transmission of pilot symbols provokes a reduction in bandwidth efficiency, which precludes the system from reaching the limits predicted by the Information Theory. This problem has motivated the development of a large number of blind channel estimation and equalization techniques, which are able to obtain the channel or the source without the need of transmitting a training signal. Usually, these techniques are based on the previous knowledge of certain properties of the signal, such as its belonging to a finite alphabet, or its higher-order statistics. However, in the case of multiple-input multiple-output (MIMO) systems, it has been proven that the second order statistics of the observations provide the sufficient information for solving the blind problem.<br/><br/>The aim of this Thesis is the development of new blind MIMO channel estimation and equalization techniques, both in systems with spatial redundancy, and in more general cases where the sources do not have any particular spatial structure. In general, the proposed methods are based on the second order statistics of the observations. However, the techniques are presented from a deterministic point of view, i.e., the proposed algorithms directly exploit the structure of the data matrices, which allows us to obtain more accurate results when only a reduced number of observations is available. Additionally, the reformulation of the proposed criteria as classical statistical signal processing problems is exploited to obtain efficient adaptive algorithms for MIMO channel estimation and equalization.<br/><br/>Firstly, we consider the case of systems without spatial redundancy. Specifically, we analyze the problem of blind equalization of frequency selective MIMO channels, which is reformulated as a set of canonical correlation analysis (CCA) problems. The solution of the CCA problems can be obtained by means of a generalized eigenvalue problem. In this Thesis, we present a new adaptive algorithm based on the reformulation of CCA as a set of coupled linear regression problems. Therefore, new batch and adaptive algorithms for blind MIMO channel equalization are easily obtained. Finally, the proposed method, as well as many other blind techniques, is based on the previous knowledge of the channel order, which is a problem nearly as complicated as the blind channel estimation or equalization. Thus, in the case of single-input multiple-output (SIMO) channels, the combination of the proposed technique with other blind channel estimation methods provides a new criterion for the order extraction of this class of channels.<br/><br/>Secondly, we consider the problem of blind channel estimation in systems with some kind of redundancy or spatial structure, with special interest in space-time block coded (STBC) systems. Specifically, a new blind channel estimation technique is proposed, whose computational complexity reduces to the extraction of the principal eigenvector of a modified correlation matrix. The main problem in these cases is due to the existence of certain ambiguities associated to the blind channel estimation problem. In this Thesis the general identifiability problem is formulated and, in the case of orthogonal codes (OSTBCs), we present several new theorems which ensure the channel identifiability in a large number of cases. Additionally, several techniques for the resolution of the ambiguities are proposed, both in the OSTBC case as well as for more general codes. In particular, we introduce the concept of code diversity, which consists in the combination of several STBCs. This technique avoids the ambiguities associated to a large number of problems, and in its simplest version it reduces to a non-redundant precoding consisting of a single rotation or permutation of the transmit antennas.<br/><br/>In summary, in this Thesis the blind MIMO channel estimation and equalization problems are analyzed, and several blind techniques are presented, whose performance is evaluated by means of a large number of simulation examples.