Tesis doctoral
| Título | Caracterización y modelado de canales inalámbricos con variaciones temporales y diversidad espacial |
| Estado | Finalizado |
| Autor | Adrián Sauco Gallardo |
| Director/es | Luis Díez del Río , Unai Fernández Plazaola |
| Universidad | Universidad de Málaga |
| Centro | Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación |
| Departamento | Ingeniería de Comunicaciones |
| Fecha lectura | 22-09-2023 |
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Esta tesis doctoral analiza algunas de las características de los canales inalámbricos,
principalmente el efecto de sus variaciones temporales o el del uso de técnicas de diver-
sidad espacial. De estos se ha estudiado el canal radio y el canal acústico subacuático.
Del primero se han considerado las técnicas de diversidad espacial conmutadas, de nuevo
en auge en el contexto de las redes distribuidas de relays, y el análisis de estadísticos de
orden superior que sinteticen la información de cómo evolucionan temporalmente estos
canales con discontinuidades inherentes a su definición. Del segundo, se ha obtenido un
modelo de canal acústico móvil en aguas someras, con el cual se ha realizado un simulador
capaz de computar las respuestas variantes de canal acústico que se establecen entre dos
móviles sumergidos en entornos marítimos de poca profundidad. Este simulador resulta
una herramienta de gran utilidad para investigar esos canales, ya que sus propiedades
poco convencionales hacen que su caracterización mediante campañas de medidas sea
todo un reto. Los resultados obtenidos, tanto para uno como para otro, se han publicado
en revistas de alto impacto y presentado en congresos nacionales e internacionales. Por
ello, se opta por presentar esta tesis doctoral como compendio de publicaciones.
El canal radio se caracteriza por la variabilidad de la potencia de señal recibida en
cada instante, la cual se da tanto a largo plazo como a corto plazo. La variabilidad
a corto plazo se produce por las interferencias tanto constructivas como destructivas
que provoca la propagación multicamino. En el canal radio es habitual poder tomar
consideraciones de banda estrecha que permiten modelar las variaciones como una señal
aleatoria conocida como fading. El estudio en términos estadísticos del fading ha dado
lugar a modelos de canales radio con extraordinaria transcendencia en el desarrollo de
las comunicaciones a través de ellos. Una de las técnicas que se utiliza para mitigar
los efectos del fading es la diversidad en recepción. Esta consiste en recibir distintas
versiones de la señal transmitida, lo cual puede conseguirse de distintas maneras. Una
de las más comunes es la diversidad espacial, la cual tradicionalmente ha consistido
en dotar a los receptores de distintas antenas; aunque este tipo de diversidad también
se puede obtener actualmente estableciendo vías de comunicación a través de distintas
estaciones retransmisoras (relays). De entre las distintas técnicas de diversidad existentes,
este trabajo se centra en las técnicas conmutadas, las cuales consisten en cambiar de
versión de señal recibida a conveniencia según varíe la potencia con la que se recibe cada
una. Tanto algunos esquemas de retransmisión que se emplean en las redes de relays como
las técnicas de diversidad conmutadas provocan discontinuidades en la potencia de señal
recibida, lo cual dificultaba el análisis de estadísticos de orden superior que modelaran
la variabilidad temporal de esta. En este trabajo se emplea un enfoque novedoso para el
estudio de estos estadísticos con el que se obtienen distintas expresiones cerradas para
ellos. Este estudio permite concluir cómo se comporta temporalmente el fading en un
sistema capaz de conmutar entre distintas fuentes de diversidad, admitiendo todo tipo de
distribuciones estadísticas y modelos de correlación temporal para la señal aleatoria. En la
línea de este trabajo también se presenta un análisis en condiciones de alta SNR para los
estadísticos de orden superior que concluye que estos son asintóticamente independientes
de la correlación temporal.
El canal acústico subacuático, y especialmente el de aguas someras, está considera-
do entre los más hostiles canales de comunicación. Estos se comportan como un filtro
paso bajo con altas pérdidas de propagación, y se caracterizan por la baja velocidad de
propagación de la onda en el medio. Esto último provoca significativos ensanchamientos
Doppler de las señales no solo en las comunicaciones móviles, sino incluso en condiciones
cuasiestáticas donde la única variabilidad es provocada por las condiciones climáticas que
perturban la geometría del canal con oleaje o corrientes. Además, el canal de aguas so-
meras destaca por un acentuado efecto multicamino que realza la variabilidad temporal.
Este es provocado por la superficie y el fondo marinos, que actúan como reflectores de
onda. La propagación multicamino, unida a la baja velocidad de propagación, provocan
un perfil de alta dispersión temporal en la respuesta impulsiva del canal. Los canales,
donde la dispersión es significativa tanto en la frecuencia como en el tiempo, se conocen
como canales overspread. Estos son canales cuyas respuestas duran más que el tiempo que
estas mismas tardan en variar significativamente, lo cual dificulta extraordinariamente
obtener una caracterización significativa mediante sondeo en campañas de medición. Por
ello, este trabajo también presenta el modelo matemático para un simulador de cana-
les acústicos móviles en aguas someras. Se parte de un modelo del canal en condiciones
estáticas mediante un enfoque geométrico basado en el trazado de rayos entre transmisor
y receptor. Los distintos caminos de propagación se caracterizan por una respuesta en
frecuencia construida a partir de las expresiones que se encuentran en la literatura para
la absorción y los coeficientes de reflexión. Estas respuestas se superponen considerando
los distintos retardos de propagación para obtener la respuesta al impulso del canal a
partir de la transformada de Fourier inversa. A partir de la respuesta estática construida
se proponen distintas estructuras de sistemas que permiten la obtención de respuestas
temporalmente variantes a partir de distintas respuestas invariantes. Este modelo ha sido
contrastado con los resultados de una campaña de medidas de un canal real en términos
de la función de scattering, la cual presenta la distribución de la potencia de un canal
en la frecuencia y en el tiempo. La investigación realizada ha llevado a confirmar que
estos canales pueden resultar overspread incluso para bajas velocidades de navegación de
los transceptores. Además, un análisis detallado de la respuesta variante de estos canales
también ha llevado a concluir que los canales acústicos subacuáticos no son recíprocos
en lo que a la movilidad de los transceptores se refiere. Esto es, que la respuesta de los
canales no se da en términos de la velocidad relativa entre transmisor y receptor, sino
que es necesario tener en cuenta las velocidades absolutas de cada uno.
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