Influência do corpo humano sobre terminais de comunicação móvel e análise do erro da modelagem de canais de Kronecker

Abstract

Este trabalho foi dividido em duas partes. A primeira apresenta uma caracterização estatística do canal de comunicação sob a influência do corpo humano no terminal móvel, utilizando o conceito de super antena e modelos baseados em geometria estocástica. A influência dos perturbadores sobre o canal é percebida pela modificação dos diagramas de irradiação das antenas. Elementos PIFA, muito usados em terminais móveis por serem multi-bandas, são usados na montagem do terminal multi-antena, e a grande variação de posições e formas de segurar o terminal pelo modelo humano simulado possibilitou o estudo estatístico proposto. Concluímos neste trabalho que o corpo humano muda o canal de comunicação de uma distribuição Nakagami a uma Weibull para os cenários estudados. Além disso, a presença do corpo humano no campo próximo da antena resulta em uma pior taxa de cruzamento de nível, proporcional à distância entre o terminal e perturbadores. A segunda parte apresenta uma análise do desempenho do modelo de Kronecker. Este é comumente utilizado no projeto e análise esquemas de transmissão para sistemas MIMO. Este modelo é importante para se obter soluções matematicamente tratáveis, porém é criticado por ser irrealista. Neste trabalho é apresentada uma solução matemática para se determinar canais cujas estatísticas sejam tão longe de Kronecker quanto possível. O objetivo disto é mensurar o preço a ser pago por se utilizar um modelo tão simples e popular na literatura. Foram feitos estudos de casos utilizando algoritmos desenvolvidos a partir do modelo de Kronecker, a fim de avaliar a sua robustez. Os resultados obtidos indicam que, para os casos onde se busca obter uma alocação ótima de potência no transmissor e no projeto de sinais pilotos a suposição de Kronecker pode ser usada no desenvolvimento do algoritmo e proporciona um desempenho que é próximo ao ideal também para canais nos quais Kronecker não possui bom ajuste. Já para o terminal na presença do corpo humano, verifica-se que o modelo de Kronecker possui pior ajuste quando comparado com o cenário em que o terminal se encontra isolado. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This study was divided in two parts. The first part presents a statistical characterization of communication channel under influence of the human body on mobile terminal using the concept of super antenna and geometry-based stochastic models. The disturbances are inserted into the channel through modified radiation patterns. Multi-band PIFA elements are used in the assembly of the multi-antenna terminal. Many terminal positions are set resulting in different interactions between body, terminal and propagation channel. This large variety of positions enables the statistical study. We have concluded in this work that the human body changes the communication channel from a Nakagami to a Weibull distribution for the studied scenarios. Furthermore, its presence in antenna near field results in worse level cross rating proportional to the distance between the terminal and disturbers. The second part presents a performance analysis of the Kronecker model. This is commonly used in the analysis and design transmission schemes for MIMO systems. This model’s advantage is that mathematically tractable solutions can be obtained, but it is criticized for being unrealistic. This work presents a mathematical solution for determining channel parameters whose are as far as possible from Kronecker. The goal of this is to quantify the price to be paid for using a simple and popular model as Kronecker. Case studies are carried-out using algorithms based on the Kronecker model in order to assess their robustness. The results indicate that the Kronecker assumption can be used for obtaining a closed solution for cases where it seeks to obtain an optimal power allocation at the transmitter. Besides, this solution provides a close to ideal performance also for channels that could not be modeled by Kronecker model. Similar results are observed for a pilot signal design for channel estimation using the same assumption. Nevertheless, for the terminal in the presence of the human body, the results indicate an inefficient channel representation when the Kronecker model is used.