On models and methods for direction of arrival estimation of signals in digital wireless communication systems

Nesta tese tratamos do problema de estimação de direção de chegada de sinais digitalmente modulados, especificamente encontrado no enlace reverso de sistemas de comunicação semfiomultiusuário em que a estação rádio-base é composta por um arranjo de antenas, posicionadas de acordo com alguma geometria pré-definida. Os objetivos principais da tese são: esclarecer detalhes normalmente não tratados na descrição dos modelos de dados considerados na literatura existente, em especial, a respeito das condições de enlace e do sistema receptor necessárias para suportar a validade dos modelos empregados; agrupar alguns dos métodos de estimação existentes mais relevantes para o contexto tratado e avaliar suas vantagens e desvantagens; e introduzir o método de estimação desenvolvido nas pesquisas do período de doutorado, o qual representa a contribuição maior da tese em termos de metodologia. A solução proposta é fundamentada no critério da máxima verossimilhança e as análises de desempenho feitas através de simulações numéricas mostram que o estimador fornece resultados com qualidade próxima ao limite definido pelo limitante de Cramér-Rao. Algumas características importantes do método são: i) capacidade de operar com qualquer número de fontes se o número de antenas for maior ou igual a dois e o número de snapshots for suficientemente maior que a cardinalidade do espaço de sinal; ii) a qualidade da estimação não é afetada pela separação angular entre as fontes; e iii) possibilidade de operar com arranjos descalibrados.This thesis deals with the problem of estimating the direction of arrival of digitally modulated signals, specifically found in the uplink of multiuser wireless communication systems where the base station uses an antenna array. The main objectives of the thesis are: to clarify some details normally not treated in the description of the data models assumed in the existing literature, specially, on link and receiver conditions that are necessary to validate the employed models; to present some of the most relevant estimation methods to the current context and to evaluate their advantages and disadvantages; and to introduce the estimation method developed in the researches during the doctoral period, which represents the greater contribution of the thesis in terms of metodology. The proposed solution is fundamented in the maximum likelihood criterion and the performance analysis done through numerical simulations show that the estimator yields results with a quality close to that defined by the Cramér-Rao bound. Some important characteristics of the method are: i) capacity to operate with any number of sources if the number of antennas is greater than or equal to two and the number of snapshots is sufficiently greater than the cardinality of the signal space; ii) the estimation quality does not depend on the angle separation between sources; and iii) possibility to operate with uncalibrated arrays