Blind Channel Estimation for STBC Systems Using Higher-Order Statistics

International audienceThis paper describes a new blind channel estimation algorithm for Space-Time Block Coded (STBC) systems. The proposed method exploits the statistical independence of sources before space-time encoding. The channel matrix is estimated by minimizing a kurtosis-based cost function after Zero-Forcing equalization. In contrast to subspace or Second-Order Statistics (SOS) approaches, the proposed method is more general since it can be employed for the general class of linear STBCs including Spatial Multiplexing, Orthogonal, quasi-Orthogonal and Non-Orthogonal STBCs. Furthermore, unlike other approaches, the method does not require any modification of the transmitter and, consequently, is well-suited for non-cooperative context. Numerical examples corroborate the performance of the proposed algorithm

A Survey of Blind Modulation Classification Techniques for OFDM Signals

Blind modulation classification (MC) is an integral part of designing an adaptive or intelligent transceiver for future wireless communications. Blind MC has several applications in the adaptive and automated systems of sixth generation (6G) communications to improve spectral efficiency and power efficiency, and reduce latency. It will become a integral part of intelligent software-defined radios (SDR) for future communication. In this paper, we provide various MC techniques for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signals in a systematic way. We focus on the most widely used statistical and machine learning (ML) models and emphasize their advantages and limitations. The statistical-based blind MC includes likelihood-based (LB), maximum a posteriori (MAP) and feature-based methods (FB). The ML-based automated MC includes k-nearest neighbors (KNN), support vector machine (SVM), decision trees (DTs), convolutional neural networks (CNNs), recurrent neural networks (RNNs), and long short-term memory (LSTM) based MC methods. This survey will help the reader to understand the main characteristics of each technique, their advantages and disadvantages. We have also simulated some primary methods, i.e., statistical- and ML-based algorithms, under various constraints, which allows a fair comparison among different methodologies. The overall system performance in terms bit error rate (BER) in the presence of MC is also provided. We also provide a survey of some practical experiment works carried out through National Instrument hardware over an indoor propagation environment. In the end, open problems and possible directions for blind MC research are briefly discussed

Blind channel estimation for space-time block codes : novel methods and performance Studies

[abstract] This work is based on a study of blind source separation techniques in order to estimate coe cients in transmission systems using Alamouti codi cation with two transmit antennas and one receive antenna. Most of present standards include pilot symbols to estimate the channel in reception. Since these symbols do not deliver user's data, their use decrease transferring quantity and also the system capacity. On the other hand, algorithms of blind separation are less precise when estimating channel coe cients than those supervised, but achieving a higher transferring rate. In this work we will deal with Alamouti codi cation system as a typical problem of blind sources separation where the signals transmitted and the channel coe cients must be estimated according to lineal and instantaneous mixtures (observations). Orthogonal structure required by Alamouti codi cation allows us to solve this problem by decomposing eigenvalues and eigenvectors of matrices calculated from di erent statistics of the observations. These algorithms could be classi ed as those using second order statistics and those using higher order statistics. Algorithms based on second order statistics work with correlation matrix of observations. They are computationally less expensive, but require a lineal precoder in order to balance the power of the signals transmitted. One of our contributions is being able to determine in an empirical way how the power decompensation should be done in order to reduce the proabibility of error in the system. On the other hand, algorithms dealing with high level statistics are based on diagonalize one or several high level cumulant matrices deriving into a major computational cost in the receiver. As an advantage we must point out that they do not require to include a lineal precoder to do the power decompensation. In this work we will prove that the output of these techniques depends on the level of eigenvalue of the diagonalized matrix spreading. This idea will be used by us in order to achieve the optimal cumulant matrix and also to propose a new algorithm that increases the output in relation to those already proposed by other authors. Another important contribution of this present study is to propose a detailed comparison between channel estimation techniques in simulated scenarios, considering channels with Rayleigh and Rice distribution, and in real scenarios in ISM of 2.4 GHz band, by using a MIMO testbed developed in Universidade da Coruña. [Resumen] En este trabajo se realiza un estudio de técnicas de separación ciega de fuentes para la estimación de los coeficientes en sistemas de transmisión que emplean la codificación de Alamouti con 2 antenas transmisoras y 1 antena receptora. La mayoría de los estándares actuales incluyen símbolos piloto para estimar el canal en recepción. Dado que estos símbolos no transportan datos del usuario, su utilización decrementa la tasa de transferencia y degrada el rendimiento del sistema. Por otro lado, los algoritmos de separación ciega son menos precisos en la estimación de los coeficientes de canal que los supervisados pero consiguen una tasa de transferencia mayor. En el presente trabajo, modelaremos el sistema de codificación de Alamouti como un problema típico de separación ciega de fuentes donde las se~nales transmitidas y los coeficientes del canal deben ser estimados a partir de mezclas lineales e instantáneas (observaciones). La estructura ortogonal impuesta por la codificación de Alamouti permite resolver este problema mediante la descomposición de autovalores y autovectores de matrices calculadas a partir de diferentes estadísticos de las observaciones. Estos algoritmos pueden ser clasificados en aquellos que utilizan estadísticos de segundo orden y aquellos que emplean estadísticos de orden superior. Los algoritmos que emplean estadísticos de segundo orden trabajan con la matriz de correlación de las observaciones, son computacionalmente poco costosos pero requieren de un precodificador lineal para descompensar la potencia de las se~nales transmitidas. Una de nuestras aportaciones es la de determinar de forma empírica cómo debe realizarse la descompesación de potencia de cara a reducir la probabilidad de error del sistema. Por otro lado, los algoritmos que trabajan con estadísticos de orden superior se basan en diagonalizar una o varias matrices de cumulantes de orden superior, lo que conlleva un mayor coste computacional en el receptor. Como ventaja debe resaltarse que no requieren incluir un precodificador lineal que realice la descompensación de potencia. En este trabajo mostraremos que el rendimiento de estas técnicas depende del grado de dispersión de los autovalores de la matriz que se diagonaliza. Utilizaremos esta idea para obtener la matriz de cumulantes óptima y para formular un nuevo algoritmo que supera en rendimiento a los propuestos previamente por otros autores. Otra aportación relevante del presente trabajo es presentar una detallada comparación de las técnicas de estimación de canal en entornos simulados, considerando canales con ditribución Rayleigh y Rice, y en entornos reales en la banda ISM de 2.4 GHz mediante el empleo de una plataforma de transmisión MIMO desarrollada en la Universidade da Coruña

Adaptive Coded Modulation Classification and Spectrum Sensing for Cognitive Radio Systems. Adaptive Coded Modulation Techniques for Cognitive Radio Using Kalman Filter and Interacting Multiple Model Methods

The current and future trends of modern wireless communication systems place heavy demands on fast data transmissions in order to satisfy end users’ requirements anytime, anywhere. Such demands are obvious in recent applications such as smart phones, long term evolution (LTE), 4 & 5 Generations (4G & 5G), and worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) platforms, where robust coding and modulations are essential especially in streaming on-line video material, social media and gaming. This eventually resulted in extreme exhaustion imposed on the frequency spectrum as a rare natural resource due to stagnation in current spectrum management policies. Since its advent in the late 1990s, cognitive radio (CR) has been conceived as an enabling technology aiming at the efficient utilisation of frequency spectrum that can lead to potential direct spectrum access (DSA) management. This is mainly attributed to its internal capabilities inherited from the concept of software defined radio (SDR) to sniff its surroundings, learn and adapt its operational parameters accordingly. CR systems (CRs) may commonly comprise one or all of the following core engines that characterise their architectures; namely, adaptive coded modulation (ACM), automatic modulation classification (AMC) and spectrum sensing (SS). Motivated by the above challenges, this programme of research is primarily aimed at the design and development of new paradigms to help improve the adaptability of CRs and thereby achieve the desirable signal processing tasks at the physical layer of the above core engines. Approximate modelling of Rayleigh and finite state Markov channels (FSMC) with a new concept borrowed from econometric studies have been approached. Then insightful channel estimation by using Kalman filter (KF) augmented with interacting multiple model (IMM) has been examined for the purpose of robust adaptability, which is applied for the first time in wireless communication systems. Such new IMM-KF combination has been facilitated in the feedback channel between wireless transmitter and receiver to adjust the transmitted power, by using a water-filling (WF) technique, and constellation pattern and rate in the ACM algorithm. The AMC has also benefited from such IMM-KF integration to boost the performance against conventional parametric estimation methods such as maximum likelihood estimate (MLE) for channel interrogation and the estimated parameters of both inserted into the ML classification algorithm. Expectation-maximisation (EM) has been applied to examine unknown transmitted modulation sequences and channel parameters in tandem. Finally, the non-parametric multitaper method (MTM) has been thoroughly examined for spectrum estimation (SE) and SS, by relying on Neyman-Pearson (NP) detection principle for hypothesis test, to allow licensed primary users (PUs) to coexist with opportunistic unlicensed secondary users (SUs) in the same frequency bands of interest without harmful effects. The performance of the above newly suggested paradigms have been simulated and assessed under various transmission settings and revealed substantial improvements

Advanced signal processing concepts for multi-dimensional communication systems

Die weit verbreitete Nutzung von mobilem Internet und intelligenten Anwendungen hat zu einem explosionsartigen Anstieg des mobilen Datenverkehrs geführt. Mit dem Aufstieg von intelligenten Häusern, intelligenten Gebäuden und intelligenten Städten wächst diese Nachfrage ständig, da zukünftige Kommunikationssysteme die Integration mehrerer Netzwerke erfordern, die verschiedene Sektoren, Domänen und Anwendungen bedienen, wie Multimedia, virtuelle oder erweiterte Realität, Machine-to-Machine (M2M) -Kommunikation / Internet of Things (IoT), Automobilanwendungen und vieles mehr. Daher werden die Kommunikationssysteme zukünftig nicht nur eine drahtlose Verbindung über Gbps bereitstellen müssen, sondern auch andere Anforderungen erfüllen müssen, wie z. B. eine niedrige Latenzzeit und eine massive Maschinentyp-Konnektivität, während die Dienstqualität sichergestellt wird. Ohne bedeutende technologische Fortschritte zur Erhöhung der Systemkapazität wird die bestehende Telekommunikationsinfrastruktur diese mehrdimensionalen Anforderungen nicht unterstützen können. Dies stellt eine wichtige Forderung nach geeigneten Wellenformen und Signalverarbeitungslösungen mit verbesserten spektralen Eigenschaften und erhöhter Flexibilität dar. Aus der Spektrumsperspektive werden zukünftige drahtlose Netzwerke erforderlich sein, um mehrere Funkbänder auszunutzen, wie zum Beispiel niedrigere Frequenzbänder (typischerweise mit Frequenzen unter 10 GHz), mm-Wellenbänder (einige hundert GHz höchstens) und THz-Bänder. Viele alternative Technologien wie Optical Wireless Communication (OWC), dynamische Funksysteme und zellulares Radar sollten ebenfalls untersucht werden, um ihr wahres Potenzial abzuschätzen. Insbesondere bietet OWC ein großes, aber noch nicht genutztes optisches Band im sichtbaren Spektrum, das Licht als Mittel zur Informationsübertragung nutzt. Daher können zukünftige Kommunikationssysteme als zusammengesetzte Hybridnetzwerke angesehen werden, die aus einer Anzahl von verschiedenen drahtlosen Netzwerken bestehen, die auf Funk und optischem Zugang basieren. Auf der anderen Seite ist es eine große Herausforderung, fortschrittliche Signalverarbeitungslösungen für mehrere Bereiche von Kommunikationssystemen zu entwickeln. Diese Arbeit trägt zu diesem Ziel bei, indem sie Methoden für die Suche nach effizienten algebraischen Lösungen für verschiedene Anwendungen der digitalen Mehrkanal-Signalverarbeitung demonstriert. Insbesondere tragen wir zu drei verschiedenen Anwendungsgebieten bei, d.h. Wellenformen, optischen drahtlosen Systemen und mehrdimensionaler Signalverarbeitung. Gegenwärtig ist das Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing (CP-OFDM) die weit verbreitete Multitragetechnik für die meisten Kommunikationssysteme. Um jedoch die CP-OFDM-Nachteile in Bezug auf eine schlechte spektrale Eingrenzung, Robustheit in hoch asynchronen Umgebungen und Unflexibilität der Parameterwahl zu überwinden, wurden viele alternative Wellenformen vorgeschlagen. Solche Mehrfachträgerwellenformen umfassen einen Filter bank Multicarrier (FBMC), ein Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM), einen Universal Filter Multicarrier (UFMC) und ein Unique Word Orthogonal Orthogonal Frequency Division Multiplexing (UW-OFDM). Diese neuen Luftschnittstellenschemata verwenden verschiedene Ansätze, um einige der inhärenten Mängel bei CP-OFDM zu überwinden. Einige dieser Wellenformen wurden gut untersucht, während andere sich noch in den Kinderschuhen befinden. Insbesondere die Integration von Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) -Konzepten mit UW-OFDM und UFMC befindet sich noch in einem frühen Forschungsstadium. Daher schlagen wir im ersten Teil dieser Arbeit neuartige lineare und sukzessive Interferenzunterdrückungstechniken für MIMO UW-OFDM-Systeme vor. Das Design dieser Techniken zielt darauf ab, Empfänger mit einer geringen Rechenkomplexität zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendbarkeit von Space-Time Block Codes (STBCs) auf UW-OFDM und UFMC-Wellenformen. Zu diesem Zweck stellen wir neue Techniken zusammen mit Detektionsverfahren vor. Wir vergleichen auch die Leistung dieser Wellenformen mit unseren vorgeschlagenen Techniken mit den anderen Wellenformen des Standes der Technik, die in der Literatur vorgeschlagen wurden. Wir zeigen, dass raumzeitblockierte UW-OFDM-Systeme mit den vorgeschlagenen Methoden nicht nur andere Wellenformen signifikant übertreffen, sondern auch zu Empfängern mit geringer Rechnerkomplexität führen. Der zweite Anwendungsbereich umfasst optische Systeme im sichtbaren Band (390-700 nm), die in Plastic Optical Fibers (POFs), Multimode-Fasern oder OWC-Systemen wie der Kommunikation über Visible Light Communication (VLC) verwendet werden können. VLC kann Lösungen für eine Reihe von Anwendungen anbieten, einschließlich drahtloser lokaler, persönlicher und Körperbereichsnetzwerke (WLAN, WPAN und WBANs), Innenlokalisierung und -navigation, Fahrzeugnetze, U-Bahn- und Unterwassernetze und bietet eine Reihe von Datenraten von wenigen Mbps zu 10 Gbps. VLC nutzt voll sichtbare Light Emitting Diodes (LEDs) für den doppelten Zweck der Beleuchtung und Datenkommunikation bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Daher verwenden solche Systeme Intensitätsmodulation und Direct Detection (IM / DD), wodurch gefordert wird, dass das Sendesignal reellwertig und positiv sein sollte. Dies impliziert auch, dass die herkömmlichen Wellenformen, die für die Radio Frequency (RF) Kommunikation ausgelegt sind, nicht direkt verwendet werden können. Zum Beispiel muss eine hermetische Symmetrie auf das CP-OFDM angewendet werden, um ein reellwertiges Signal zu erhalten (oft als Discrete Multitone Transmission (DMT) bezeichnet), das im Gegenzug die Bandbreiteneffizienz verringert. Darüber hinaus begrenzt die LED / LED-Treiberkombination die elektrische Bandbreite. Alle diese Faktoren erfordern die Verwendung spektral effizienter Übertragungsverfahren zusammen mit robusten Entzerrungsschemata, um hohe Datenraten zu erzielen. Deshalb schlagen wir im zweiten Teil der Arbeit Übertragungsverfahren vor, die für solche optischen Systeme am besten geeignet sind. Insbesondere demonstrieren wir die Leistung der PAM-Blockübertragung mit Frequenzbereichsausgleich. Wir zeigen, dass dieses Schema nicht nur leistungsstärker ist, sondern auch alle modernen Verfahren wie CP-DMT-Schemata übertrifft. Wir schlagen auch neue UW-DMT-Schemata vor, die vom UW-OFDM-Konzept abgeleitet sind. Diese Schemata zeigen auch ein sehr überlegenes Bitfehlerverhältnis (BER) -Performance gegenüber den herkömmlichen CP-DMT-Schemata. Der dritte Anwendungsbereich konzentriert sich auf mehrdimensionale Signalverarbeitungstechniken. Bei der Verwendung von MIMO, STBCs, Mehrbenutzerverarbeitung und Mehrträgerwellenformen bei der drahtlosen Kommunikation ist das empfangene Signal mehrdimensional und kann eine multilineare Struktur aufweisen. In diesem Zusammenhang können Signalverarbeitungstechniken, die auf einem Tensor-Modell basieren, gleichzeitig von mehreren Formen von Diversität profitieren, um Mehrbenutzer-Signaltrennung / -entzerrung und Kanalschätzung durchzuführen. Dieser Vorteil ist eine direkte Konsequenz der Eigenschaft der wesentlichen Eindeutigkeit, die für matrixbasierte Ansätze nicht verfügbar ist. Tensor-Zerlegung wie die Higher Order Singular Value Decomposition (HOSVD) und die Canonical Polyadic Decomposition (CPD) werden weithin zur Durchführung dieser Aufgaben empfohlen. Die Leistung dieser Techniken wird oft mit zeitraubenden Monte-Carlo-Versuchen bewertet. Im letzten Teil der Arbeit führen wir eine Störungsanalyse erster Ordnung dieser Tensor-Zerlegungsmethoden durch. Insbesondere führen wir eine analytische Performanceanalyse des Semi-algebraischen Frameworks für approximative Canonical polyadic decompositions Simultaneous matrix diagonalizations (SECSI) durch. Das SECSI-Framework ist ein effizientes Werkzeug zur Berechnung der CPD eines rauscharmen Tensor mit niedrigem Rang. Darüber hinaus werden die erhaltenen analytischen Ausdrücke in Bezug auf die Momente zweiter Ordnung des Rauschens formuliert, so dass abgesehen von einem Mittelwert von Null keine Annahmen über die Rauschstatistik erforderlich sind. Wir zeigen, dass die abgeleiteten analytischen Ergebnisse eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den Monte-Carlo-Simulationen zeigen.The widespread use of mobile internet and smart applications has led to an explosive growth in mobile data traffic. With the rise of smart homes, smart buildings, and smart cities, this demand is ever growing since future communication systems will require the integration of multiple networks serving diverse sectors, domains and applications, such as multimedia, virtual or augmented reality, machine-to-machine (M2M) communication / the Internet of things (IoT), automotive applications, and many more. Therefore, in the future, the communication systems will not only be required to provide Gbps wireless connectivity but also fulfil other requirements such as low latency and massive machine type connectivity while ensuring the quality of service. Without significant technological advances to increase the system capacity, the existing telecommunications infrastructure will be unable to support these multi-dimensional requirements. This poses an important demand for suitable waveforms with improved spectral characteristics and signal processing solutions with an increased flexibility. Moreover, future wireless networks will be required to exploit several frequency bands, such as lower frequency bands (typically with frequencies below 10 GHz), mm-wave bands (few hundred GHz at the most), and THz bands. Many alternative technologies such as optical wireless communication (OWC), dynamic radio systems, and cellular radar should also be investigated to assess their true potential. Especially, OWC offers large but yet unexploited optical band in the visible spectrum that uses light as a means to carry information. Therefore, future communication systems can be seen as composite hybrid networks that consist of a number of different wireless networks based on radio and optical access. On the other hand, it poses a significant challenge to come up with advanced signal processing solutions in multiple areas of communication systems. This thesis contributes to this goal by demonstrating methods for finding efficient algebraic solutions to various applications of multi-channel digital signal processing. In particular, we contribute to three different scientific fields, i.e., waveforms, optical wireless systems, and multi-dimensional signal processing. Currently, cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing (CP-OFDM) is the widely adopted multicarrier technique for most of the communication systems. However, to overcome the CP-OFDM demerits in terms of poor spectral containment, poor robustness in highly asynchronous environments, and inflexibility of parameter choice, and many alternative waveforms have been proposed. Such multicarrier waveforms include filter bank multicarrier (FBMC), generalized frequency division multiplexing (GFDM), universal filter multicarrier (UFMC), and unique word orthogonal frequency division multiplexing (UW-OFDM). These new air interface schemes take different approaches to overcome some of the inherent deficiencies in CP-OFDM. Some of these waveforms have been well investigated while others are still in its infancy. Specifically, the integration of multiple-input multiple-output (MIMO) concepts with UW-OFDM and UFMC is still at an early stage of research. Therefore, in the first part of this thesis, we propose novel linear and successive interference cancellation techniques for MIMO UW-OFDM systems. The design of these techniques is aimed to result in receivers with a low computational complexity. Another focus area is the applicability of space-time block codes (STBCs) to UW-OFDM and UFMC waveforms. For this purpose, we present novel techniques along with detection procedures. We also compare the performance of these waveforms with our proposed techniques to the other state-of-the-art waveforms that has been proposed in the literature. We demonstrate that space-time block coded UW-OFDM systems with the proposed methods not only outperform other waveforms significantly but also results in receivers with a low computational complexity. The second application area comprises of optical systems in the visible band (390-700 nm) that can be utilized in plastic optical fibers (POFs), multimode fibers or OWC systems such as visible light communication (VLC). VLC can provide solutions for a number of applications including wireless local, personal, and body area networks (WLAN, WPAN, and WBANs), indoor localization and navigation, vehicular networks, underground and underwater networks, offering a range of data rates from a few Mbps to 10 Gbps. VLC takes full advantage of visible light emitting diodes (LEDs) for the dual purpose of illumination and data communications at very high speeds. Because of the incoherent nature of the LED sources, such systems employ intensity modulation and direct detection (IM/DD), thus demanding that the transmit signal should be real-valued and positive. This also implies that the conventional waveforms designed for the radio frequency (RF) communication cannot be directly used. For example, a Hermitian symmetry has to be applied to the CP-OFDM spectrum to obtain a real-valued signal (often referred to as discrete multitone transmission (DMT)) that in return reduces the bandwidth efficiency. Moreover, the LED/LED driver combination limits the electrical bandwidth. All these factors require the use of spectrally efficient transmission schemes along with robust equalization schemes to achieve high data rates. Therefore, in the second part of the thesis, we propose transmission schemes that are best suited for such optical systems. Specifically, we demonstrate the performance of PAM block transmission with frequency domain equalization. We show that this scheme is not only more power efficient but also outperforms all of the state-of-the-art schemes such as CP-DMT schemes. We also propose novel UW-DMT schemes that are derived from the UW-OFDM concept. These schemes also show a much superior bit error ratio (BER) performance over the conventional CP-DMT schemes. The third application area focuses on multi-dimensional signal processing techniques. With the use of MIMO, STBCs, multi-user processing, and multicarrier waveforms in wireless communications, the received signal is multidimensional in nature and may exhibit a multilinear structure. In this context, signal processing techniques based on a tensor model can simultaneously benefit from multiple forms of diversity to perform multi-user signal separation/equalization and channel estimation. This advantage is a direct consequence of the essential uniqueness property that is not available for matrix based approaches. Tensor decompositions such as the higher order singular value decomposition (HOSVD) and the canonical polyadic decomposition (CPD) are widely recommended for performing these tasks. The performance of these techniques is often evaluated using time consuming Monte-Carlo trials. In the last part of the thesis, we perform a first-order perturbation analysis of the truncated HOSVD and the Semi-algebraic framework for approximate Canonical polyadic decompositions via Simultaneous matrix diagonalizations (SECSI). The SECSI framework is an efficient tool for the computation of the approximate CPD of a low-rank noise corrupted tensor. Especially, the SECSI framework shows a much improved performance and comparatively low-complexity as compared to the conventional algorithms such as alternative least squares (ALS). Moreover, it also facilitates the implementation on a parallel hardware architecture. The obtained analytical expressions for both algorithms are formulated in terms of the second-order moments of the noise, such that apart from a zero-mean, no assumptions on the noise statistics are required. We demonstrate that the derived analytical results exhibit an excellent match to the Monte-Carlo simulations

Linear Transmit-Receive Strategies for Multi-user MIMO Wireless Communications

Die Notwendigkeit zur Unterdrueckung von Interferenzen auf der einen Seite und zur Ausnutzung der durch Mehrfachzugriffsverfahren erzielbaren Gewinne auf der anderen Seite rueckte die raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren (Space Division Multiple Access, SDMA) in den Fokus der Forschung. Ein Vertreter der raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren, die lineare Vorkodierung, fand aufgrund steigender Anzahl an Nutzern und Antennen in heutigen und zukuenftigen Mobilkommunikationssystemen besondere Beachtung, da diese Verfahren das Design von Algorithmen zur Vorcodierung vereinfachen. Aus diesem Grund leistet diese Dissertation einen Beitrag zur Entwicklung linearer Sende- und Empfangstechniken fuer MIMO-Technologie mit mehreren Nutzern. Zunaechst stellen wir ein Framework zur Approximation des Datendurchsatzes in Broadcast-MIMO-Kanaelen mit mehreren Nutzern vor. In diesem Framework nehmen wir das lineare Vorkodierverfahren regularisierte Blockdiagonalisierung (RBD) an. Durch den Vergleich von Dirty Paper Coding (DPC) und linearen Vorkodieralgorithmen (z.B. Zero Forcing (ZF) und Blockdiagonalisierung (BD)) ist es uns moeglich, untere und obere Schranken fuer den Unterschied bezueglich Datenraten und bezueglich Leistung zwischen beiden anzugeben. Im Weiteren entwickeln wir einen Algorithmus fuer koordiniertes Beamforming (Coordinated Beamforming, CBF), dessen Loesung sich in geschlossener Form angeben laesst. Dieser CBF-Algorithmus basiert auf der SeDJoCo-Transformation und loest bisher vorhandene Probleme im Bereich CBF. Im Anschluss schlagen wir einen iterativen CBF-Algorithmus namens FlexCoBF (flexible coordinated beamforming) fuer MIMO-Broadcast-Kanaele mit mehreren Nutzern vor. Im Vergleich mit bis dato existierenden iterativen CBF-Algorithmen kann als vielversprechendster Vorteil die freie Wahl der linearen Sende- und Empfangsstrategie herausgestellt werden. Das heisst, jede existierende Methode der linearen Vorkodierung kann als Sendestrategie genutzt werden, waehrend die Strategie zum Empfangsbeamforming frei aus MRC oder MMSE gewaehlt werden darf. Im Hinblick auf Szenarien, in denen Mobilfunkzellen in Clustern zusammengefasst sind, erweitern wir FlexCoBF noch weiter. Hier wurde das Konzept der koordinierten Mehrpunktverbindung (Coordinated Multipoint (CoMP) transmission) integriert. Zuletzt stellen wir drei Moeglichkeiten vor, Kanalzustandsinformationen (Channel State Information, CSI) unter verschiedenen Kanalumstaenden zu erlangen. Die Qualitaet der Kanalzustandsinformationen hat einen starken Einfluss auf die Guete des Uebertragungssystems. Die durch unsere neuen Algorithmen erzielten Verbesserungen haben wir mittels numerischer Simulationen von Summenraten und Bitfehlerraten belegt.In order to combat interference and exploit large multiplexing gains of the multi-antenna systems, a particular interest in spatial division multiple access (SDMA) techniques has emerged. Linear precoding techniques, as one of the SDMA strategies, have obtained more attention due to the fact that an increasing number of users and antennas involved into the existing and future mobile communication systems requires a simplification of the precoding design. Therefore, this thesis contributes to the design of linear transmit and receive strategies for multi-user MIMO broadcast channels in a single cell and clustered multiple cells. First, we present a throughput approximation framework for multi-user MIMO broadcast channels employing regularized block diagonalization (RBD) linear precoding. Comparing dirty paper coding (DPC) and linear precoding algorithms (e.g., zero forcing (ZF) and block diagonalization (BD)), we further quantify lower and upper bounds of the rate and power offset between them as a function of the system parameters such as the number of users and antennas. Next, we develop a novel closed-form coordinated beamforming (CBF) algorithm (i.e., SeDJoCo based closed-form CBF) to solve the existing open problem of CBF. Our new algorithm can support a MIMO system with an arbitrary number of users and transmit antennas. Moreover, the application of our new algorithm is not only for CBF, but also for blind source separation (BSS), since the same mathematical model has been used in BSS application.Then, we further propose a new iterative CBF algorithm (i.e., flexible coordinated beamforming (FlexCoBF)) for multi-user MIMO broadcast channels. Compared to the existing iterative CBF algorithms, the most promising advantage of our new algorithm is that it provides freedom in the choice of the linear transmit and receive beamforming strategies, i.e., any existing linear precoding method can be chosen as the transmit strategy and the receive beamforming strategy can be flexibly chosen from MRC or MMSE receivers. Considering clustered multiple cell scenarios, we extend the FlexCoBF algorithm further and introduce the concept of the coordinated multipoint (CoMP) transmission. Finally, we present three strategies for channel state information (CSI) acquisition regarding various channel conditions and channel estimation strategies. The CSI knowledge is required at the base station in order to implement SDMA techniques. The quality of the obtained CSI heavily affects the system performance. The performance enhancement achieved by our new strategies has been demonstrated by numerical simulation results in terms of the system sum rate and the bit error rate

Wavelet Theory

The wavelet is a powerful mathematical tool that plays an important role in science and technology. This book looks at some of the most creative and popular applications of wavelets including biomedical signal processing, image processing, communication signal processing, Internet of Things (IoT), acoustical signal processing, financial market data analysis, energy and power management, and COVID-19 pandemic measurements and calculations. The editor’s personal interest is the application of wavelet transform to identify time domain changes on signals and corresponding frequency components and in improving power amplifier behavior