Contribución al estudio del modelado de canal: desarrollo e implementación de modelos y herramientas aplicados a plataformas de gran altitud

The intention of this thesis work is to collaborate with the study of the channel modeling in the field of wireless communication, by means of geometric and probabilistic analysis used to propose models and to develop tools applied to high altitude platforms (HAPs). In this document several concepts such as probability applied to engineering, communications theory and the analog and digital signal processing are involved. For this reason, throughout the text the most important concepts related to this topics are developed, which were later used to conform the theory that support the obtained results. The sequence of the chapters have been designed to establish in first instance a familiarization with the concept of the channel modeling, precedents, progress and future lines, later to present the theoretical foundations and issues involved in the development of this theory, ending with the presentation of the generated results. So the distribution of the chapters is presented as follows. Chapter I: Provides an introduction to the channel modeling concept, a brief history of its origins, the factors to consider for its study and their trends based on the development of the new systems of wireless communications, highlighting the high altitude platforms (HAPs) as a viable technological alternative to provide the future personal communication services. Chapter II: Defines the concept of the large-scale propagation, and are presented the models corresponding to Okumura, Hata, PCS extension to Hata, Walfish Ikegami, and brief description of the deterministic models. Chapter III: Emphasizes in the concept of small-scale propagation, including the concept of multipath propagation, factors influencing small-scale fading, fading produced by rain and the models of Rice-Holmberg, J. Chebil, Crane and ITU-R P.530-10. • Chapter IV & V: The chapters show respectively the methodology and the obtained results in this research, whose content is presented in the following order: The estimation of the losses in a fixed wireless system considering the dispersion provided by common materials of construction. The generation of multipath propagation model for a high altitude platform (HAP) based on circular straight cone geometry. The generation of rain attenuation maps for Mexico in operation frequencies of satellites and HAPs systems, based on the ITU-R. P.618 recommendation and the data provided by the National Meteorological Service. The development and implementation of complementary tools to the study of channel modeling, including: The implementation of the physical layer corresponding to the standard 802.16e (WiMAX). The implementation of an adaptive noise cancellation filter using Simulink and the digital signal processor DSK6713 of Texas Instruments. The transfer of the model corresponding to the “Modulation 16-QAM: (Simulink)” to the digital signal processor DSK6713. The implementation of a digital modem FSK using two digital signal processors (DSK6713), for the independent operation of the transmitter and the receiver. The conformation of this document tries to offer to the reader the foundation of the channel modeling theory in the environment of the wireless communications, deepening into the study of scenarios and tools concerning to high altitude platforms (HAPs), where the obtained results were described step by step having as intention to serve as a guide to reproduce them, to complement them and to use them as point of launch for future works.

El propósito de este trabajo de tesis radica en colaborar con el estudio del modelado de canal en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas, por medio de análisis geométricos y probabilísticos utilizados para proponer modelos y desarrollar herramientas aplicadas a plataformas de gran altitud (HAPs). En este documento se involucran varios conceptos como la probabilidad aplicada a la ingeniería, la teoría de las comunicaciones y el procesamiento de señales analógicas y digitales. Por tal motivo, a lo largo del texto son desarrollados los conceptos más importantes en alusión a estos tópicos, los cuales fueron utilizados para conformar la teoría comprendida en los resultados obtenidos en este trabajo de investigación. La secuencia de los capítulos ha sido diseñada para establecer en primera instancia una familiarización con el concepto del modelado de canal, sus antecedentes, desarrollo y líneas futuras, para posteriormente presentar los fundamentos teóricos y vertientes involucradas en el desarrollo de esta teoría, terminando con la presentación de los resultados generados. En base a lo anterior, la distribución de los capítulos se encuentra conformada de la siguiente manera: Capítulo I: Provee una introducción al concepto del modelado de canal, una breve historia de sus orígenes, los factores a considerar para su estudio y sus tendencias en función del desarrollo de los nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricos, destacando a las plataformas de gran altitud (HAPs) como alternativa tecnológica viable para proveer los servicios de comunicaciones personales futuros. Capítulo II: Define el concepto de la propagación de las señales a gran escala, y se presentan los modelos de Okumura, Hata, la extensión PCS al modelo de Hata, el modelo de Walfish Ikegami, y una breve descripción de los modelos determinísiticos. Capítulo III: Puntualiza en el concepto de la propagación de las señales a pequeña escala, se define el concepto de la propagación multicamino, los factores que intervienen en el desvanecimiento, el desvanecimiento producido por la presencia de lluvia, y se presentan los modelos de Rice-Holmberg, J. Chebil, Crane e ITU-R P.530-10. • Capítulo IV & V: Muestran respectivamente la metodología y los resultados obtenidos en este trabajo de investigación, cuyo contenido es presentado en el siguiente orden: La estimación de las pérdidas en un sistema inalámbrico fijo considerando materiales comunes de dispersión. La generación de un modelo de propagación multicamino basado en la geometría de un cono circular recto aplicado a una plataforma de gran altitud (HAP). La generación de mapas de atenuación por lluvia para México en frecuencias de operación de sistemas satelitales y HAPs, basados en la recomendación ITU-R. P.618 y en datos proporcionados por el Servicio Meteorológico Nacional. Desarrollo e implementación de herramientas complementarias al estudio del modelado de canal, incluyendo: La implementación de una cadena de comunicaciones basada en la capa física del estándar 802.16e (WiMAX). La implementación de un filtro adaptivo cancelador de ruido empleando Simulink y el procesador digital de señales DSK6713 de Texas Intruments. La transferencia del modelo correspondiente a la “Modulación 16-QAM: (Simulink)”, al procesador digital de señales DSK6713. La implementación de un modem digital FSK empleando dos procesadores digitales de señales (DSK6713), para la operación independiente del transmisor y del receptor. La conformación de este documento procura brindar al lector los fundamentos de la teoría del modelado de canal en el entorno de las comunicaciones inalámbricas, profundizando en el estudio de escenarios y herramientas concernientes a plataformas de gran altitud (HAPs), donde los resultados obtenidos fueron descritos paso a paso con la intención de servir de guía para reproducirlos, complementarlos, y utilizarlos como punto de partida para emprender trabajos futuros.