Optimización algorítmica orientada a la implementación en dispositivos reconfigurables de esquemas multiestándar y multiusuario para sincronismo de frecuencia en sistemas de comunicaciones inalámbricas basados en OFDM.

Esta Tesis investiga la sincronización de frecuencia para sistemas OFDM, multiestándar OFDM y multiusuario OFDMA. El objetivo de esta Tesis es la de proponer esquemas de sincronización con menor coste computacional que los métodos ya existentes para facilitar su implementación en dispositivos reconfigurables, como son las FPGAs. Por ello, además, se presenta un estudio y una propuesta de metodología usando herramientas de prototipado rápido que sirven para acelerar el proceso de implementación de un sistema DSP. En primer lugar se estudian los efectos de los errores de sincronización de frecuencia sobre las prestaciones de un sistema OFDM y se investigan los diferentes métodos de sincronización, proponiéndose nuevos métodos que reducen la carga computacional sin reducir prestaciones, e incluso, mejorándolas. Para ello se dividen los métodos en captura y seguimiento y estos a su vez se aplican a sistemas de comunicaciones basadas en paquetes, como 802.11g/n ó 802.16d, sistemas basados en transmisión continua, como DVB-T y en sistemas donde se espera gran movilidad, cómo LTE. A continuación, se propone una solución integrada para la sincronización de frecuencia de un sistema multiestándar. Para ello se proponen algoritmos que permitan la reutilización de sus bloques. De esta manera se facilitará una implementación con bajo número de recur- sos. En esta Tesis se propone un seguimiento de frecuencia en un sistema multiestándar que incluya las siguientes tecnologías: 802.11g, 802.16d, DVB-T/H y LTE. La última propuesta algorítmica de esta Tesis se centra en la sincronización en sistemas multiusuario OFDMA para el estándar 802.16e. Aunque existen métodos que obtienen buenas prestaciones, éstos requieren tal cantidad de operaciones que su implementación en una FPGA (la arquitectura destino considerada en esta Tesis) es prácticamente imposible, teniendo además en cuenta que la sincronización es sólo un subsistema de un sistema mucho más grande. En esta Tesis se ha propuesto un método iterativo en el que la estimación y la corrección se realizan de la forma menos costosa posible, algorítmicamente hablando. Este método puede, además, funcionar en todos las posibles modos del 802.16e. Tras el estudio algorítmico de la etapa de sincronización de frecuencia en OFDM y OFDMA, se presenta una metodología de implementación basada en herramientas de prototipado rápido y se explican los pasos a realizar cuando se construye un subsistema de comunicaciones inalámbricas. Se ha elegido esta metodología por ser habitual en el desarrollo de prototipos y porque permite realizar diseños y obtener resultados en un tiempo reducido. Para ello se ha implementado la captura de un CFO para el estándar 802.16d. Este es un ejemplo sencillo pero muy necesario en la sincronización de frecuencia que facilita el mostrar la metodología empleada. ABSTRACT This Thesis focuses on the frequency synchronization problem in OFDM, multistandard OFDM and OFDMA systems. The aim of this Thesis is to propose new synchronization schemes with a reduced computation complexity compared with previous methods from the literature in order to facilitate the implementation in hardware. In particular, implementations targeting reconfigurable hardware (FPGAs). Therefore, methodologies based on rapid prototyping tools that reduce the time and effort required to implement a DSP system are also analyzed and compared. First, the effects of a carrier frequency offset (CFO) are studied and shown. This CFO reduces the performance of the system. Therefore, a comparison of previous and new frequency synchronization methods is performed. The schemes proposed in this Thesis reduce the complexity of the algorithm with no performance penalty. In some cases, they even improve the performance. Acquisition and tracking schemes are evaluated. They are analyzed in terms of packet-based standards, as 802.11g/n or 802.16d, and continuous, as DVB-T, or mobile, as LTE. As a result, an integrated solution for frequency synchronization in a multistandard system is proposed. This system implements the following technologies: 802.11n, 802.16d, LTE, and DVB-T/H. The main goal in this case is that the basic algorithm structure is shared between the different OFDM-based standards, allowing for both, efficient implementations and efficient use of resources on a common baseband processing platform. The last algorithmic proposal in this Thesis focuses in frequency synchronization for multiuser OFDMA systems, as in the 802.16e standard. Although there are methods in the literature that achieve good theoretical performance, they require a very large amount of computations so their FPGA implementation becomes unfeasible. Besides, frequency synchronization is just a subsystem within a transceptor. In this Thesis, an iterative scheme where the estimation and correction of the frequency offsets are performed with a reduced number of computations is proposed. This can be used for all the modes proposed in the 802.16e standard. Once the algorithmic issues of the frequency synchronization problem in OFDM and OFDMA systems have been solved, an implementation methodology using rapid prototyping tools is presented and evaluated. The necessary steps for implementing a wireless communication system with these tools are explained. This implementation methodology has been selected because it is commonly used for system prototyping and it allows to obtain implementation results in short times. In particular, a CFO estimator for the 802.16d standard is implemented. This is a simple but very necessary frequency synchronization that facilitates the comprehension of the design methodology used.