Filtered multi-carrier modulations for industrial wireless communications based on cognitive radio

Abstract

Doktoretza-tesi honetako helburu nagusia, hari gabeko komunikazio industrialetarako fidagarritasun maila onargarria eman dezakeen maila fisikoko modulazio bat aurkitzea da. Eremu industrialetako radio bidezko kanaletan ematen diren komunikazioetarako baldintza bereziki aurkakoak direla eta, helburu hori lortzea benetako erronkatzat jo liteke. Gainera, modulazio horrek \Radio Cognitiva" deritzoten teknikekin bateragarria izan beharra dauka, hauek hari gabeko komunikazioen fidagarritasuna hobetzeko gaitasuna baitute. Bibliografian oinarrituz, gaur egungo baliabideekin hari gabeko komunikazio industrial kasu ugariri konponbidea emateko aukera badela ondoriozta genezake, baina ez kasu guztiei ordea. Hari gabeko kanalen egoera bereziki aurkakoa denerako eta komunikazio sistemek denbora muga bereziki zorrotzak bete behar dituztenerako, ezta erantzun nahikoa ona eman lezakeen hari gabeko komunikazio sistema industrialik bibliografia zientifikoan. Hori dela eta, doktoretza tesi honetan, \Radio Cognitiva" delakoa eta 5G-rako aurreikusita dauden filtro bankuetan oinarrituriko modulazio multigarraiatzaileak bezalako teknologia hasiberrietara jotzen dugu, aurrez aipaturiko arazoari konponbide berriak bilatu nahian. Bibliografian dauden filtro bankuetan oinarrituriko modulazio multi-garraiatzaileak aztertu eta ondoren beraien egokitasuna ebaluatzen dugu, kanal dispertsiboen aurkako sendotasuna eta \Radio Cognitiva" teknikekin izan lezaketen bateragarritasuna irizpide hartuz. Ebaluaketa horretan oinarrituz, doktoretza-tesi honetan \Radio Cognitiva" teknikekin bateragarria den WCP-COQAM proposatzen dugu modulazio industrial gisa. Modulazio teknika berau erakusteaz gain, bibliografian eskuragarri ez dauden WCP-COQAM-rentzat sinkronizazio eta kanal estimazio teknikak ere aurkezten ditugu.

El objetivo principal de esta tesis doctoral consiste en encontrar una modulación de capa física capaz de proporcionar robustez y fiabilidad suficientes a sistemas de comunicaciones inalámbricas industriales. Esto supone un desafío, dadas las adversas condiciones del canal inalámbrico propias de entornos industriales. Además, dicha modulación debería presentar una alta compatibilidad con las técnicas de Radio Cognitiva, debido al potencial de éstas para mejorar la fiabilidad de las comunicaciones inalámbricas. Basándonos en la bibliografía, concluimos que las soluciones presentes en el estado del arte actual cubren una amplia variedad de escenarios dentro de las comunicaciones inalámbricas industriales, pero no todas. Para los escenarios con canales altamente dispersivos y requerimientos de tiempo especialmente estrictos, no existe ninguna solución en la industria ni dentro de la bibliografía científica. En esta tesis doctoral nos centramos en tecnologías incipientes como la Radio Cognitiva y las modulaciones multi-portadora con bancos de filtros para 5G para tratar de buscar nuevas soluciones al problema anteriormente descrito. Por lo tanto, analizamos algunas de las técnicas multi-portadora con bancos de filtros presentes en la bibliografía científica y las evaluamos basándonos en su robustez frente a canales altamente dispersivos y su compatibilidad con la Radio Cognitiva. Basándonos en dicha evaluación, proponemosWCP-COQAM como posible candidata a modulación industrial compatible con Radio Cognitiva. Además de la propia técnica de modulación, presentamos métodos de sincronización y estimación de canal para la misma que no se encuentran presentes en el estado del arte.

The main goal of this doctoral thesis is to find a physical layer modulation able to provide high enough robustness and reliability levels for wireless industrial communications systems. Considering the harsh wireless channel conditions of industrial environments, that goal implies a considerable challenge. Besides, this modulation should be highly compatible with Cognitive Radio techniques, due to their potential to improve the reliability of wireless communications. Based on the bibliography, we conclude that the existent solutions in the current state of the art cover a wide range of wireless industrial communications scenarios, but not all of them. There is no solution, neither in the industry nor in the scientific bibliography, for those scenarios involving highly dispersive wireless channels and particularly stringent timeliness requirements. In this doctoral thesis, we focus on upcoming technologies such as Cognitive Radio and multi-carrier modulations based on filter banks for 5G, in order to search new solutions for the aforementioned problem. Therefore, we analyse some of the multi-carrier modulations based on filter banks of the scientific bibliography and we evaluate them in terms of robustness against highly dispersive channels and in terms of compatibility with Cognitive Radio. In this doctoral thesis we propose the modulation WCP-COQAM as possible candidate for industrial wireless modulation and compatible with Cognitive Radio. In addition to the modulation technique itself, we also introduce some synchronization and channel estimation techniques which are not present in the state of the art.