Exploiting polarization diversity through quaternion algebra for improving MIMO-OFDM systems

Orientador: Luís Geraldo Pedroso Meloni Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Neste trabalho é explorada uma expansão de sistemas de comunicação MIMO-OFDM, incluindo a diversidade de polarização, através da álgebra de quatérnions. A utilização da álgebra de quatérnions permite melhorias no desempenho em diversas métricas do sistema de comunicações. Sistemas MIMO baseados em STBC tradicionais, i.e. projetos ortogonais complexos, possuem seu desempenho limitado quando são usadas mais de duas antenas transmissoras. O mesmo não ocorre em projetos ortogonais quaterniônicos, permitindo ganhos de diversidade maiores, sem comprometer a complexidade do receptor. A exploração da diversidade de polarização também se mostrou benéfica na estimação da STO e CFO, para sincronismo OFDM. Nesta pesquisa, dois métodos de sincronismo, um baseado em símbolo de treinamento, o outro, em prefixo cíclico, são generalizados para a álgebra de quatérnions, atingindo vantagens significativas em relação ao caso complexo. Finalmente, é estudada a melhoria na precisão obtida para serviços de localização, no modelo OTDoA, conforme implementado pelo PRS nos padrões LTE, para um sistema generalizado para sinais polarizados. Para condições de boa SNR, é observado uma melhoria de 2,5 m no desvio padrão da estimação, entre o sistema proposto, e a implementação proposta no padrão LTE e 5G NR Abstract: An expansion of MIMO-OFDM in communication systems, including polarization diversity, is explored in this work through the use of quaternion algebra. The use of quaternion algebra allows improvements over a number of performance figures. Traditional STBC based MIMO communication systems, based on orthogonal designs, have some inherent limitations, apparent when more than two transmitting antennas are in use. The same caveats are not present for quaternion orthogonal designs, allowing greater diversity gains, without compromising the receiver complexity. The use of polarization diversity presents benefits for STO and CFO estimation on OFDM synchronization also. This research presents two approaches for synchronism estimation, one based on training symbols and the other based on cyclic prefix. Both of them are generalized to quaternion algebra, attaining substantive improvements over the complex case. Lastly, the accuracy of OTDoA based location estimation, through the use of PRS in LTE systems is also compared to a proposed polarized system. An improvement of up to 2.5 m is observed, in good SNR conditions, between the proposed generalization, and the current LTE and 5G NR approaches