Le tematiche da me sviluppate hanno avuto per oggetto:

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1 Dott. CLAUDIO SACCHI RELAZIONE SULL'ATTIVITA' E LE RICERCHE SVOLTE ALLA CONCLUSIONE DEL III ANNO DEL XV CICLO DEL CORSO DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E INGEGNERIA DELLO SPAZIO 1. TEMATICHE DI RICERCA Le tematiche da me sviluppate hanno avuto per oggetto: 1) Metodi di ricezione per sistemi DS/CDMA satellitari basati sulla stima delle statistiche del rumore in ricezione e sulla cancellazione dell interferenza agente sul segnale dell utente desiderato; 2) Metodi di acquisizione del sincronismo di portante in sistemi di trasmissione digitale satellitare a banda larga operanti in banda W; 3) Studio delle specifiche di un sistema di trasmissione satellitare riconfigurabile basato su tecnologie di tipo software radio; 1.1. Metodi di ricezione per sistemi DS/CDMA satellitari basati sulla stima delle statistiche del rumore in ricezione La tematica di ricerca di cui al punto 1 ha riguardato l applicazione di algoritmi di cancellazione dell interferenza utilizzati per la stima di segnali multilivello in presenza di rumore non Gaussiano ed in condizioni di basso rapporto segnale/rumore (algoritmo di Shen e Nikias) alla ricezione DS/CDMA su reti satellitari geostazionarie. Questo lavoro ha fatto seguito alle analisi prestazionali del modem satellitare CDMA per applicazioni multimediali su reti geostazionarie sviluppato nel corso del progetto ASI-CNIT ( ), dal titolo: Servizi multimediali su reti eterogenee interconnesse via satellite, tematica da me portata avanti nel corso del primo anno di dottorato. Tali analisi hanno evidenziato un forte degrado delle prestazioni in funzione del numero crescente di utenti, come è nella logica di un sistema DS/CDMA asincrono, quale quello definito in sede di progetto. Per ridurre gli effetti degradanti dell interferenza di accesso multiplo, sono stati proposti nel corso del progetto ASI- CNIT algoritmi di ricezione multi-utente di tipo LMMSE, che forniscono prestazioni accettabili nel caso di canale modellato in maniera AWGN, al prezzo di una complessità computazionale non trascurabile. L approccio proposto in questa sede, invece, prescinde da ciò che è stato implementato nel corso del progetto, considerando una tecnica alternativa, che ha fornito risultati interessanti. Già da alcuni anni a questa parte sono state sperimentate con successo tecniche di elaborazione del segnale per la stima di deboli segnali multilivello, annegati da un interferenza non Gaussiana. La più celebre di queste tecniche è basata sull algoritmo di Shen e Nikias, così detto dagli autori dell articolo in cui tale metodologia è stata descritta. Tale algoritmo consiste in una stima dell interferenza agente sul segnale desiderato basata sulla stima delle statistiche del rumore agente sul segnale e sul modellamento non Gaussiano di tale interferenza mediante una funzione di densità di probabilità parametrizzata da tali statistiche.

2 Facendo seguito ad alcune analisi riportate in letteratura, si è potuto evincere come in un sistema DS/CDMA operante su canale a singolo percorso (quale ad esempio il canale satellitare in reti geostazionarie che sfruttano la banda Ka per la trasmissione) il segnale ricevuto in uscita dal filtro adattato sia costituito da una componente di segnale desiderato corrotta da rumore Gaussiano, dall interferenza di accesso multiplo, che in generale non è modellabile in maniera Gaussiana se non per un numero elevato di utenti, e da interferenze esterne (dovute a rumori atmosferici o a trasmettitori analogici insistenti sulla stessa banda) modellabili in maniera non Gaussiana ed impulsiva data la loro natura non stazionaria e burst. Considerata la natura sostanzialmente autoregressiva dell interferenza di accesso multiplo (dimostrata in maniera euristica, non formale), appare pertanto sensato considerare in un sistema CDMA asincrono operante su rete satellitare (simile a quello visto nell ambito del progetto ASI-CNIT) l aggiunta di uno stadio ulteriore di ricezione basato sulla stima blind dell interferenza totale agente sul sistema (non Gaussiana, per quanto detto sopra) e capace di rimuovere almeno in parte tale interferenza, migliorando così le prestazioni del sistema (vedi Figura 1). s(t) From the channel Matched filter Z i,1 Dynamic system Density Function Signal Detection Estimation b i,1 Global Noise Statistics Estimation INTERFERENCE CANCELLATOR Figura 1. Sistema di ricezione CDMA basato sull algoritmo di Shen e Nikias Nella trattazione del problema è stato utilizzato un modello di distribuzione non Gaussiana di tipo Gaussiano Generalizzato (GG), parametrizzabile mediante la varianza e la kurtosis normalizzata (statistica di ordine 4 che regola l altezza delle code della distribuzione). I risultati ottenuti in termini di bit-error-rate (vedi Figura 2) mostrano un miglioramento assai significativo delle prestazioni conseguite dal nuovo sistema di ricezione rispetto al ricevitore convenzionale a filtro adattato, specialmente in presenza di interferenza di accesso multiplo e disturbi esterni di tipo impulsivo. Il cancellatore di interferenza utilizzato è pertanto in grado di adattarsi in maniera efficace al rumore globalmente presente sul canale, sia il rumore auto-generato dal sistema (interferenza di accesso multiplo), sia il rumore esterno (interferenze impulsive). Ulteriori sviluppi potranno riguardare l utilizzo del cancellatore di interferenza sopra descritto nell ambito di canali multipath, considerando l utilizzo di un ricevitore convenzionale di tipo rake, onde sfruttare la diversità offerta dalle tecniche Spread Spectrum.

3 Figura 2. Curve del BER di un sistema DS/CDMA con guadagno di processo N=31, K = 12 utenti, e rumore additivo esterno di tipo impulsivo: ricevitore convenzionale (rossa), ricevitore con cancellazione dell interferenza (blu) 1.2. Metodi di acquisizione del sincronismo di portante in sistemi di trasmissione digitale satellitare a banda larga operanti in banda W Questa tematica di ricerca si configura come prosecuzione delle attività di ricerca relative all esperimento DAVID-DCE, di cui mi sono occupato nel corso delle attività di ricerca del secondo anno di dottorato. L esperimento DAVID era, come noto, finalizzato allo sfruttamento della banda W (80-95GHz) per trasmissioni a banda ultra-larga su reti satellitari a bassa orbita. Le soluzioni tecnologiche concordate nell esperimento dai diversi partner scientifici ed industriali, tuttavia, lasciavano la porta aperta a sperimentazioni ulteriori che la sede CNIT di Genova sezione DIBE ha portato avanti autonomamente oltre la conclusione della fase B dell esperimento in questione. Tali sperimentazioni hanno riguardato essenzialmente l utilizzo di tecniche di modulazione spettralmente efficienti per trasmettere a bit-rate molto elevato, lasciando inalterata la larghezza di banda in trasmissione pari a 100MHz, indicata nell esperimento originario come un sostanziale vincolo imposto dalla fattibilità hardware del sistema. In particolare, si è scelto di utilizzare una modulazione 16- QAM per trasmettere ad una rate di canale pari a 400Mb/s (contro i 100Mb/s ottenibili mediante la modulazione SP-BPSK con codifica di Manchester utilizzata nelle simulazioni dell esperimento originario). Le restanti condizioni sulle non linearità e non idealità del sistema (distorsioni lineari e non lineari, rumore di fase, ecc...) sono state mantenute, onde riprodurre in laboratorio condizioni di simulazione il più possibile realistiche. Il problema maggiore che si è dovuto affrontare e che ha riguardato le attività di ricerca relative a questa tematica, è stato quello

4 dell acquisizione di sincronismo di portante in presenza di un Doppler shift elevatissimo quale quello riscontrato nell uplink in banda W (2.5MHz). Gli schemi di recupero del sincronismo di portante per modulazioni M-QAM presentati in letteratura manifestavano chiaramente problemi di efficienza in presenza di derive di frequenza di portante di simile portata. Come risultato della ricerca è stato sviluppato uno schema di recupero di portante basato su un doppio PLL, mostrato in Figura 3: Figura 3. Sistema di recupero di portante per trasmissioni satellitari in banda W con modulazione 16- QAM Tale schema, il cui dettaglio di funzionamento omettiamo per brevità in questa sede, riesce a garantire una rapida e precisa convergenza, evitando le ambiguità di fase tipiche di parecchi loop di recupero del sincronismo di portante di stato dell arte. La curva della BER mostrata in Figura 4 evidenzia per il sistema 16-QAM considerato in tutte le sue non linearità e non idealità (solo il recupero del sincronismo di clock è assunto ideale: aspetti relativi al sincronismo di clock potranno costituire un tema di ricerca futura) uno scostamento della caratteristica reale di circa 2.5dB rispetto a quella ideale, risultato considerato accettabile in applicazioni come quelle da noi considerate Studio delle specifiche di un sistema di trasmissione satellitare riconfigurabile basato su tecnologie di tipo software radio Nel terzo anno di ricerca, mi sono occupato anche dello studio e dell emissione delle specifiche di un sistema di trasmissione satellitare riconfigurabile che utilizza tecnologie di tipo software radio. Questa attività è stata portata avanti nell ambito del progetto ASI-CNIT 2001: Studio, Progetto e Realizzazione di Rete Satellitare Riconfigurabile a Qualità del Servizio Garantita per Applicazioni Multimediali, il quale si configura come una prosecuzione dell attività del progetto ASI-CNIT terminato nel Gli obiettivi del progetto sono molto ambiziosi e mirano a realizzare, partendo dalla piattaforma modem DSP implementata nel corso del

5 progetto ASI-CNIT, un prototipo HW/SW di rete satellitare totalmente riconfigurabile, a qualità del servizio garantita. In questa prima fase di emissione delle specifiche, che ha ricoperto un arco di tempo di circa sette mesi, sono stati esaminati in dettaglio gli standard di trasmissione satellitare a banda larga prossimi venturi (S-UMTS e DVB-RCS) e ne è stata verificata la compatibilità con il prototipo di modem satellitare già a disposizione. In tal modo si sono gettate le basi per la realizzazione nei successivi due anni di attività progettuale di un dimostratore completo che consentirà, di gestire via software ed in maniera totalmente riconfigurabile dall utente diversi standard di trasmissione satellitare, utilizzando uno stesso dispositivo sia per trasmissioni su rete a bassa orbita, che su rete geostazionaria. Una delle idee maggiormente innovative emerse nel corso dell attività di definizione delle specifiche del sistema ha riguardato l interfaccia software di riconfigurazione dei terminali di comunicazione. Tale interfaccia dovrà essere basata su librerie grafiche a blocchi, ove ogni blocco rappresenterà una determinata funzione di elaborazione del segnale relativa ad un determinato standard. La connessione dei diversi blocchi costituirà la configurazione attuale del sistema di trasmissione. I risultati del progetto dovrebbero costituire una base importante per la realizzazione futura di dispositivi di trasmissione satellitare multi-standard, ove le tecnologie software radio dovrebbero ricoprire un ruolo di primo piano, lo stesso che ricopriranno tra breve nelle comunicazioni wireless terrestri. Figura 4. Caratteristica ideale della BER di un sistema 16-QAM (blu) e curva ottenuta dalle simulazioni sul sistema reale operante in banda W (nera)

6 2. ELENCO DELLE PUBBLICAZIONI [1] A. Conti, A. Verdoliva, C. Sacchi et. al., DSP-based CDMA satellite Modem: CNIT-ASI project, in: Software Radio, edito da E. Del Re, Springer- Verlag, 2001, pp [2] C. Sacchi, L.S. Ronga, A DSP-based DS/CDMA modem for multimedia applications over geo-stationary satellite networks, 2001 International Conference of Acoustic Speech and Signal Processing (ICASSP2001), Salt Lake City (USA), 4-11 Maggio 2001, Vol. 2, pp [3] G. Gera, C. Sacchi, C. Regazzoni, A neural network-based receiver for synchronous MC-CDMA variable-bit-rate transmissions over LEO satellite channels, 2001 IEEE-EURASIP Non-linear Signal and Image Processing Worskshop (NSIP2001), Baltimora (USA), 3-6 Giugno 2001, su CD-ROM. [4] C. Sacchi, G. Gera, C. Regazzoni, Performance evaluation of MC-CDMA techniques for variable bit-rate transmission in LEO satellite networks, 2001 IEEE International Conference on Communications (ICC 2001), Helsinki (SF) 7-11 Giugno 2001, pp [5] C. Sacchi, M. Guainazzo, C. Regazzoni, A Statistical-Hypothesis-Testing- Based Coarse Synchronisation Method for Asynchronous DS/CDMA Systems in Satellite Networks Applications, Proc. of 4th International Symposium on Wireless Personal Communications (WPCM01), Aalborg (DK), 9-12 Settembre 2001, Vol. 2, pp [6] G. Gera, C. Sacchi, C. Regazzoni, Neural Network-based Techniques For Channel Equalisation in Asynchronous MC-CDMA Variable-Bit-Rate Transmissions over LEO Satellite Networks, Proc. of 4th International Symposium on Wireless Personal Communications (WPCM01), Aalborg (DK), 9-12 Settembre 2001, Vol. 2, pp [7] C. Sacchi, G. Gera, C. Ragazzoni, Use of Multicarrier-CDMA Techniques for Asynchronous Variable-Bit-Rate Transmission Over Geostationary Satellite Networks, 2001 Ka-band Utilisation Conference, Santa Margherita Ligure (Italy), Settembre 2001, pp [8] M. Guainazzo, C. Sacchi, C. Regazzoni, A Serial Acquisition Scheme Based on Statistical-Hypothesis-Testing for Asynchronous DS/CDMA Systems, 2002 IEEE International Conference on Communications (ICC 2002), New York (USA), 28 Aprile 2 Maggio 2002, pp [9] M. Guainazzo, M. Peluffo, C. Sacchi, C. Regazzoni, A Higher Order Statics Based Blind Interference Cancellator for Asynchronous DS/CDMA Systems, Proc. of EUSIPCO 2002 Conference, Tolouse (F), Settembre 3-6, 2002, Vol. III, pp [10] C. Sacchi, G. Gera, C. Regazzoni, Neural Network-Based Techniques for Efficient Detection of Variable-Bit-Rate Signals in MC-CDMA Systems Working over LEO Satellite Networks, sottomesso a Signal Processing (Novembre 2001).

7 [11] C. Sacchi, G. Gera, C. Regazzoni, W-band Physical Layer Design Issues in the Context of the DAVID-DCE Experiment, sottomesso ad International Journal on Satellite Communications (Febbraio 2002). 3. PIANO DI STUDI Primo anno Corsi di SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONE I e II Secondo anno Terzo anno o Corso di SIGNAL PROCESSING ISSUES IN WIDEBAND SATELLITE COMMUNICATIONS nell ambito del dottorato in Scienze ed Ingegneria dello Spazio. o Corso di SERVIZI TELEMATICI MULTIMEDIALI DISTRIBUITI IN APPLICAZIONI PER L INTELLIGENZA DI AMBIENTE, nell ambito del Dottorato in Ingegneria Elettronica e Informatica. 4. TITOLO PROPOSTO PER LA TESI DI DOTTORATO Advanced Signal Processing and Data Transmission Techniques for New-Generation Multimedia Satellite Networks.