Un Approccio Unitario alla Teoria dell Informazione e della Stima in Sistemi di Trasmissione Numerica

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Fausta Cavaliere
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1 Un Approccio Unitario alla Teoria dell Informazione e della Stima in Sistemi di Trasmissione Numerica Candidato: Enzo Alberto Candreva Supervisor: Prof. Giovanni E. Corazza

2 Tema di Ricerca Analisi e progetto di sistemi di Telecomunicazione punto di partenza: Teoria dell Informazione analisi delle non-idealità: Teoria della Stima Le innovazioni proposte permettono di incrementare la capacità di un sistema, ovviando a disturbi realisticamente presenti. 2

3 Contenuti Innovazioni nei sistemi multiportante Innovazioni nei sistemi a portante singola 3

4 Innovazioni in Sistemi Multiportante 4

5 Valutazione della Capacità per Sistemi OFDM La capacità alla Shannon è utile come prima valutazione Per essere più accurati occorre tenere in conto: Alfabeti discreti sulle sottoportanti Correlazione del fading tra le sottoportanti Errori di stima del canale 5

6 Valutazione della Capacità per Sistemi OFDM Effetto degli alfabeti finiti 6 = = = = = ) ( ) ( log 1 log ) ( ) ( ) ; ( M i i M j j x y p x y p E M M Y X H X H Y X I Κ

7 Valutazione della Capacità per Sistemi OFDM Effetto dell errore di stima ( ρ ε ) 2 P C = E, log / 1 ρ ε ε P + N Correlazione del canale [ bit symb] 7

8 Valutazione della Capacità per Sistemi OFDM Distribuzione cumulativa dell informazione portata da un simbolo OFDM: 1024 sottoportanti, fading alla Rayleigh SNR medio = 0dB E.A. Candreva, G.E. Corazza, and A. Vanelli-Coralli, On the Constrained Capacity of OFDM in Rayleigh Fading Channels, ISSSTA

9 Single Frequency Networks La tecnologia OFDM ha permesso la realizzazione di Single Frequency Networks per sistemi terrestri Enorme risparmio di risorse spettrali Non usate in ambito satellitare La sovrapposizione dei beams genera dei nulli 9

10 Single Frequency Networks Soluzione: generazione di un multipath artificiale differente per ogni beam I parametri sono scelti in modo da evitare le somme distruttive La capacità del sistema riesce ad essere piatta sulla regione servita dal satellite Maggior riuso delle bande per la trasmissione satellitare Flessibilità nell allocazione della banda 10

11 Single Frequency Networks G.E. Corazza, C. Palestini, E.A. Candreva, A. Vanelli Coralli The Single Frequency Satellite Network Concept: Multiple Beams for Unified Coverage Globecom

12 Innovazioni in Sistemi a Portante Singola 12

13 Ottimizzazione delle Costellazioni Le modulazioni ormai classiche sono state progettate per un canale AWGN Le non linearità presenti nella trasmissione satellitare richiedono un compromesso distanziare i punti aumenta la resistenza al rumore mantenere un inviluppo costante aumenta la resistenza alla distorsione 13

14 Ottimizzazione delle Costellazioni Approccio seguito Ottimizzare un espressione della probabilità d errore Al variare del punto di lavoro dell amplificatore varia la forma della costellazione ottima PSK per amplificatore saturo, APSK per una distorsione moderata 14

15 Ottimizzazione delle Costellazioni E.A. Candreva, G.E. Corazza, A. Vanelli Coralli On the Optimization of Signal Constellations for Satellite Channels IWSSC

16 Modifiche allo Union Bound Lo Union Bound permette di approssimare la probabilità d errore di un qualsiasi sistema di modulazione Richiede M(M-1)/2 valutazioni della funzione erfc Altri bound sono più accurati ma significativamente più complessi 16

17 Modifiche allo Union Bound È possibile ottenere una maggiore accuratezza a parità di complessità 32 APSK 17

18 Stima di rapporto Segnale-Rumore Il tradizionale stimatore ML per il rapporto segnale-rumore (SNR) può essere modificato mantenendo simili prestazioni dimezzando il numero di moltiplicazioni eseguite Questo nuovo sistema può essere applicato dove il canale abbia variazioni molto lente (apparati fissi) dove la complessità sia cruciale (reti di sensori) 18

19 Stima di rapporto Segnale-Rumore d k 1 N p Re[ ] [ ] 2 Pˆs r k 2 1 N p + γˆ Pˆr Pˆn Stimatore ML 19

20 Stima di rapporto Segnale-Rumore r k d k 1 Re[ ] [ ] 2 N p [ Im [ ] ] 2 2 N p Pˆs γˆ Pˆn Stimatore a Complessità Ridotta E.A. Candreva, G.E. Corazza, A. Vanelli Coralli, A reduced Complexity SNR Estimator Best Student Paper Award at ICSSC

21 Stima di rapporto Segnale-Rumore Red.Compl. est - anal. mod. Red.Compl. est - simulations ML est - simulations Theoretical Lower Bound Normalized MSE E s /N 0 [db] 21

22 Obiettivi raggiunti 6 mesi trascorsi presso la Stanford University (supervisor: Prof. John M. Cioffi) Pubblicazioni: [1] E.A. Candreva, G.E. Corazza, and A. Vanelli-Coralli, On the Optimization of Signal Constellations for Satellite Channels, Proceedings of International Workshop on Satellite and Space Communications 2007 (IWSSC2007), September 12-14, 2007, Salzburg, Austria, pp ; [2] E.A. Candreva, G.E. Corazza, and A. Vanelli-Coralli, On the Constrained Capacity of OFDM in Rayleigh Fading Channels, Proceedings of International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications 2008 (ISSSTA 2008), Bologna, Italy, August 2008; [3] E.A. Candreva, G.E. Corazza, and A. Vanelli-Coralli A Reduced Complexity SNR Estimator, Proceedings of the 29th AIAA International Communications Satellite Systems Conference, ICSSC 2009, Edimburgh, UK, June 2009 (received the Best Student Paper Award); [4] G.E. Corazza, C. Palestini, E.A. Candreva, and A. Vanelli-Coralli The Single Frequency Satellite Network Concept: Multiple Beams for Unified Coverage, GLOBECOM 2009, Hawaii, USA, December [5] E.A. Candreva, G.E. Corazza and A. Vanelli-Coralli A Tighter Upper Bound on the Error Probability of Signals in White Gaussian Noise, to be submitted to ASMS 2010; [6] F. Bastia, C. Bersani, E.A. Candreva, S.Cioni, G.E. Corazza, M. Neri, C. Palestini, M. Papaleo, S. Rosati, and A Vanelli-Coralli, LTE Air Interface over Broadband Satellite Networks, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Vol. 2009; [7] E.A. Candreva, G.E. Corazza, and A. Vanelli Coralli A Reduced Complexity Data-Aided SNR Estimator to be submitted to IEEE Communication Letters; [8] S. Rosati, E.A. Candreva, G.E. Corazza and A.Vanelli-Coralli OFDM schemes with quasi-constant envelope, to be submitted to IEEE Transactions on Communications; [9] E.A. Candreva, G.E. Corazza and A. Vanelli-Coralli, Pilot Design and Optimum Information Transfer in OFDM Systems, to be sumbitted to IEEE Transactions on Communications. 22

23 Grazie per l attenzione! 23

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