Deterministic Cramer-Rao bound for strictly non-circular sources and analytical analysis of the achievable gains

Recently, several high-resolution parameter estimation algorithms have been developed to exploit the structure of strictly second-order (SO) non-circular (NC) signals. They achieve a higher estimation accuracy and can resolve up to twice as many signal sources compared to the traditional methods for arbitrary signals. In this paper, as a benchmark for these NC methods, we derive the closed-form deterministic R-D NC Cramer-Rao bound (NC CRB) for the multi-dimensional parameter estimation of strictly non-circular (rectilinear) signal sources. Assuming a separable centro-symmetric R-D array, we show that in some special cases, the deterministic R-D NC CRB reduces to the existing deterministic R-D CRB for arbitrary signals. This suggests that no gain from strictly non-circular sources (NC gain) can be achieved in these cases. For more general scenarios, finding an analytical expression of the NC gain for an arbitrary number of sources is very challenging. Thus, in this paper, we simplify the derived NC CRB and the existing CRB for the special case of two closely-spaced strictly non-circular sources captured by a uniform linear array (ULA). Subsequently, we use these simplified CRB expressions to analytically compute the maximum achievable asymptotic NC gain for the considered two source case. The resulting expression only depends on the various physical parameters and we find the conditions that provide the largest NC gain for two sources. Our analysis is supported by extensive simulation results.Comment: submitted to IEEE Transactions on Signal Processing, 13 pages, 4 figure

Advanced array signal processing algorithms for multi-dimensional parameter estimation

Multi-dimensional high-resolution parameter estimation is a fundamental problem in a variety of array signal processing applications, including radar, mobile communications, multiple-input multiple-output (MIMO) channel estimation, and biomedical imaging. The objective is to estimate the frequency parameters of noise-corrupted multi-dimensional harmonics that are sampled on a multi-dimensional grid. Among the proposed parameter estimation algorithms to solve this problem, multi-dimensional (R-D) ESPRIT-type algorithms have been widely used due to their computational efficiency and their simplicity. Their performance in various scenarios has been objectively evaluated by means of an analytical performance assessment framework. Recently, a relatively new class of parameter estimators based on sparse signal reconstruction has gained popularity due to their robustness under challenging conditions such as a small sample size or strong signal correlation. A common approach towards further improving the performance of parameter estimation algorithms is to exploit prior knowledge on the structure of the signals. In this thesis, we develop enhanced versions of R-D ESPRIT-type algorithms and the relatively new class of sparsity-based parameter estimation algorithms by exploiting the multi-dimensional structure of the signals and the statistical properties of strictly non-circular (NC) signals. First, we derive analytical expressions for the gain from forward-backward averaging and tensor-based processing in R-D ESPRIT-type and R-D Tensor-ESPRIT-type algorithms for the special case of two sources. This is accomplished by simplifying the generic analytical MSE expressions from the performance analysis of R-D ESPRIT-type algorithms. The derived expressions allow us to identify the parameter settings, e.g., the number of sensors, the signal correlation, and the source separation, for which both gains are most pronounced or no gain is achieved. Second, we propose the generalized least squares (GLS) algorithm to solve the overdetermined shift invariance equation in R-D ESPRIT-type algorithms. GLS directly incorporates the statistics of the subspace estimation error into the shift invariance solution through its covariance matrix, which is found via a first-order perturbation expansion. To objectively assess the estimation accuracy, we derive performance analysis expressions for the mean square error (MSE) of GLS-based ESPRIT-type algorithms, which are asymptotic in the effective SNR, i.e., the results become exact for a high SNR or a small sample size. Based on the performance analysis, we show that the simplified MSE expressions of GLS-based 1-D ESPRIT-type algorithms for a single source and two sources can be transformed into the corresponding Cramer-Rao bound (CRB) expressions, which provide a lower limit on the estimation error. Thereby, ESPRIT-type algorithms can become asymptotically efficient, i.e., they asymptotically achieve the CRB. Numerical simulations show that this can also be the case for more than two sources. In the third contribution, we derive matrix-based and tensor-based R-D NC ESPRIT-type algorithms for multi-dimensional strictly non-circular signals, where R-D NC Tensor-ESPRIT-type algorithms exploit both the multi-dimensional structure and the strictly non-circular structure of the signals. Exploiting the NC signal structure by means of a preprocessing step leads to a virtual doubling of the original sensor array, which provides an improved estimation accuracy and doubles the number of resolvable signals. We derive an analytical performance analysis and compute simplified MSE expressions for a single source and two sources. These expressions are used to analytically compute the NC gain for these cases, which has so far only been studied via Monte-Carlo simulations. We additionally consider spatial smoothing preprocessing for R-D ESPRIT-type algorithms, which has been widely used to improve the estimation performance for highly correlated signals or a small sample size. Once more, we derive performance analysis expressions for R-D ESPRIT-type algorithms and their corresponding NC versions with spatial smoothing and derive the optimal number of subarrays for spatial smoothing that minimizes the MSE for a single source. In the next part, we focus on the relatively new concept of parameter estimation via sparse signal reconstruction (SSR), in which the sparsity of the received signal power spectrum in the spatio-temporal domain is exploited. We develop three NC SSR-based parameter estimation algorithms for strictly noncircular sources and show that the benefits of exploiting the signals’ NC structure can also be achieved via sparse reconstruction. We develop two grid-based NC SSR algorithms with a low-complexity off-grid estimation procedure, and a gridless NC SSR algorithm based on atomic norm minimization. As the final contribution of this thesis, we derive the deterministic R-D NC CRB for strictly non-circular sources, which serves as a benchmark for the presented R-D NC ESPRIT-type algorithms and the NC SSR-based parameter estimation algorithms. We show for the special cases of, e.g., full coherence, a single snapshot, or a single strictly non-circular source, that the deterministic R-D NC CRB reduces to the existing deterministic R-D CRB for arbitrary signals. Therefore, no NC gain can be achieved in these cases. For the special case of two closely-spaced NC sources, we simplify the NC CRB expression and compute the NC gain for two closely-spaced NC signals. Finally, its behavior in terms of the physical parameters is studied to determine the parameter settings that provide the largest NC gain.Die hochauflösende Parameterschätzung für mehrdimensionale Signale findet Anwendung in vielen Bereichen der Signalverarbeitung in Mehrantennensystemen. Zu den Anwendungsgebieten zählen beispielsweise Radar, die Mobilkommunikation, die Kanalschätzung in multiple-input multiple-output (MIMO)-Systemen und bildgebende Verfahren in der Biosignalverarbeitung. In letzter Zeit sind eine Vielzahl von Algorithmen zur Parameterschätzung entwickelt worden, deren Schätzgenauigkeit durch eine analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit objektiv bewertet werden kann. Eine verbreitete Methode zur Verbesserung der Schätzgenauigkeit von Parameterschätzverfahren ist die Ausnutzung von Vorwissen bezüglich der Signalstruktur. In dieser Arbeit werden mehrdimensionale ESPRIT-Verfahren als Beispiel für Unterraum-basierte Verfahren entwickelt und analysiert, die explizit die mehrdimensionale Signalstruktur mittels Tensor-Signalverarbeitung ausnutzt und die statistischen Eigenschaften von nicht-zirkulären Signalen einbezieht. Weiterhin werden neuartige auf Signalrekonstruktion basierende Algorithmen vorgestellt, die die nicht-zirkuläre Signalstruktur bei der Rekonstruktion ausnutzen. Die vorgestellten Verfahren ermöglichen eine deutlich verbesserte Schätzgüte und verdoppeln die Anzahl der auflösbaren Signale. Die Vielzahl der Forschungsbeiträge in dieser Arbeit setzt sich aus verschiedenen Teilen zusammen. Im ersten Teil wird die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit von Matrix-basierten und Tensor-basierten ESPRIT-Algorithmen betrachtet. Die Tensor-basierten Verfahren nutzen explizit die mehrdimensionale Struktur der Daten aus. Es werden für beide Algorithmenarten vereinfachte analytische Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler für zwei Signalquellen hergeleitet, die lediglich von den physikalischen Parametern, wie zum Beispiel die Anzahl der Antennenelemente, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, oder die Anzahl der Messungen, abhängen. Ein Vergleich dieser Ausdrücke ermöglicht die Berechnung einfacher Ausdrücke für den Schätzgenauigkeitsgewinn durch den forward-backward averaging (FBA)-Vorverarbeitungsschritt und die Tensor-Signalverarbeitung, die die analytische Abhängigkeit von den physikalischen Parametern enthalten. Im zweiten Teil entwickeln wir einen neuartigen general least squares (GLS)-Ansatz zur Lösung der Verschiebungs-Invarianz-Gleichung, die die Grundlage der ESPRIT-Algorithmen darstellt. Der neue Lösungsansatz berücksichtigt die statistische Beschreibung des Fehlers bei der Unterraumschätzung durch dessen Kovarianzmatrix und ermöglicht unter bestimmten Annahmen eine optimale Lösung der Invarianz-Gleichung. Mittels einer Performanzanalyse der GLS-basierten ESPRIT-Verfahren und der Vereinfachung der analytischen Ausdrücke für den Schätzfehler für eine Signalquelle und zwei zeitlich unkorrelierte Signalquellen wird gezeigt, dass die Cramer-Rao-Schranke, eine untere Schranke für die Varianz eines Schätzers, erreicht werden kann. Im nächsten Teil werden Matrix-basierte und Tensor-basierte ESPRIT-Algorithmen für nicht-zirkuläre Signalquellen vorgestellt. Unter Ausnutzung der Signalstruktur gelingt es, die Schätzgenauigkeit zu erhöhen und die doppelte Anzahl an Quellen aufzulösen. Dabei ermöglichen die vorgeschlagenen Tensor-ESPRIT-Verfahren sogar die gleichzeitige Ausnutzung der mehrdimensionalen Signalstruktur und der nicht-zirkuläre Signalstruktur. Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren wird erneut durch eine analytische Beschreibung objektiv bewertet und Spezialfälle für eine und zwei Quellen betrachtet. Es zeigt sich, dass für eine Quelle keinerlei Gewinn durch die nicht-zirkuläre Struktur erzielen lässt. Für zwei nicht-zirkuläre Quellen werden vereinfachte Ausdrücke für den Gewinn sowohl im Matrixfall also auch im Tensorfall hergeleitet und die Abhängigkeit der physikalischen Parameter analysiert. Sind die Signale stark korreliert oder ist die Anzahl der Messdaten sehr gering, kann der spatial smoothing-Vorverarbeitungsschritt mit den verbesserten ESPRIT-Verfahren kombiniert werden. Anhand der Performanzanalyse wird die Anzahl der Mittellungen für das spatial smoothing-Verfahren analytisch für eine Quelle bestimmt, die den Schätzfehler minimiert. Der nächste Teil befasst sich mit einer vergleichsweise neuen Klasse von Parameterschätzverfahren, die auf der Rekonstruktion überlagerter dünnbesetzter Signale basiert. Als Vorteil gegenüber den Algorithmen, die eine Signalunterraumschätzung voraussetzen, sind die Rekonstruktionsverfahren verhältnismäßig robust im Falle einer geringen Anzahl zeitlicher Messungen oder einer starken Korrelation der Signale. In diesem Teil der vorliegenden Arbeit werden drei solcher Verfahren entwickelt, die bei der Rekonstruktion zusätzlich die nicht-zirkuläre Signalstruktur ausnutzen. Dadurch kann auch für diese Art von Verfahren eine höhere Schätzgenauigkeit erreicht werden und eine höhere Anzahl an Signalen rekonstruiert werden. Im letzten Kapitel der Arbeit wird schließlich die Cramer-Rao-Schranke für mehrdimensionale nicht-zirkuläre Signale hergeleitet. Sie stellt eine untere Schranke für den Schätzfehler aller Algorithmen dar, die speziell für die Ausnutzung dieser Signalstruktur entwickelt wurden. Im Vergleich zur bekannten Cramer-Rao-Schranke für beliebige Signale, zeigt sich, dass im Fall von zeitlich kohärenten Signalen, für einen Messvektor oder für eine Quelle, beide Schranken äquivalent sind. In diesen Fällen kann daher keine Verbesserung der Schätzgüte erzielt werden. Zusätzlich wird die Cramer-Rao-Schranke für zwei benachbarte nicht-zirkuläre Signalquellen vereinfacht und der maximal mögliche Gewinn in Abhängigkeit der physikalischen Parameter analytisch ermittelt. Dieser Ausdruck gilt als Maßstab für den erzielbaren Gewinn aller Parameterschätzverfahren für zwei nicht-zirkuläre Signalquellen

Advanced Algebraic Concepts for Efficient Multi-Channel Signal Processing

Unsere moderne Gesellschaft ist Zeuge eines fundamentalen Wandels in der Art und Weise wie wir mit Technologie interagieren. Geräte werden zunehmend intelligenter - sie verfügen über mehr und mehr Rechenleistung und häufiger über eigene Kommunikationsschnittstellen. Das beginnt bei einfachen Haushaltsgeräten und reicht über Transportmittel bis zu großen überregionalen Systemen wie etwa dem Stromnetz. Die Erfassung, die Verarbeitung und der Austausch digitaler Informationen gewinnt daher immer mehr an Bedeutung. Die Tatsache, dass ein wachsender Anteil der Geräte heutzutage mobil und deshalb batteriebetrieben ist, begründet den Anspruch, digitale Signalverarbeitungsalgorithmen besonders effizient zu gestalten. Dies kommt auch dem Wunsch nach einer Echtzeitverarbeitung der großen anfallenden Datenmengen zugute. Die vorliegende Arbeit demonstriert Methoden zum Finden effizienter algebraischer Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen mehrkanaliger digitaler Signalverarbeitung. Solche Ansätze liefern nicht immer unbedingt die bestmögliche Lösung, kommen dieser jedoch häufig recht nahe und sind gleichzeitig bedeutend einfacher zu beschreiben und umzusetzen. Die einfache Beschreibungsform ermöglicht eine tiefgehende Analyse ihrer Leistungsfähigkeit, was für den Entwurf eines robusten und zuverlässigen Systems unabdingbar ist. Die Tatsache, dass sie nur gebräuchliche algebraische Hilfsmittel benötigen, erlaubt ihre direkte und zügige Umsetzung und den Test unter realen Bedingungen. Diese Grundidee wird anhand von drei verschiedenen Anwendungsgebieten demonstriert. Zunächst wird ein semi-algebraisches Framework zur Berechnung der kanonisch polyadischen (CP) Zerlegung mehrdimensionaler Signale vorgestellt. Dabei handelt es sich um ein sehr grundlegendes Werkzeug der multilinearen Algebra mit einem breiten Anwendungsspektrum von Mobilkommunikation über Chemie bis zur Bildverarbeitung. Verglichen mit existierenden iterativen Lösungsverfahren bietet das neue Framework die Möglichkeit, den Rechenaufwand und damit die Güte der erzielten Lösung zu steuern. Es ist außerdem weniger anfällig gegen eine schlechte Konditionierung der Ausgangsdaten. Das zweite Gebiet, das in der Arbeit besprochen wird, ist die unterraumbasierte hochauflösende Parameterschätzung für mehrdimensionale Signale, mit Anwendungsgebieten im RADAR, der Modellierung von Wellenausbreitung, oder bildgebenden Verfahren in der Medizin. Es wird gezeigt, dass sich derartige mehrdimensionale Signale mit Tensoren darstellen lassen. Dies erlaubt eine natürlichere Beschreibung und eine bessere Ausnutzung ihrer Struktur als das mit Matrizen möglich ist. Basierend auf dieser Idee entwickeln wir eine tensor-basierte Schätzung des Signalraums, welche genutzt werden kann um beliebige existierende Matrix-basierte Verfahren zu verbessern. Dies wird im Anschluss exemplarisch am Beispiel der ESPRIT-artigen Verfahren gezeigt, für die verbesserte Versionen vorgeschlagen werden, die die mehrdimensionale Struktur der Daten (Tensor-ESPRIT), nichzirkuläre Quellsymbole (NC ESPRIT), sowie beides gleichzeitig (NC Tensor-ESPRIT) ausnutzen. Um die endgültige Schätzgenauigkeit objektiv einschätzen zu können wird dann ein Framework für die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit beliebiger ESPRIT-artiger Algorithmen diskutiert. Verglichen mit existierenden analytischen Ausdrücken ist unser Ansatz allgemeiner, da keine Annahmen über die statistische Verteilung von Nutzsignal und Rauschen benötigt werden und die Anzahl der zur Verfügung stehenden Schnappschüsse beliebig klein sein kann. Dies führt auf vereinfachte Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler, die Schlussfolgerungen über die Effizienz der Verfahren unter verschiedenen Bedingungen zulassen. Das dritte Anwendungsgebiet ist der bidirektionale Datenaustausch mit Hilfe von Relay-Stationen. Insbesondere liegt hier der Fokus auf Zwei-Wege-Relaying mit Hilfe von Amplify-and-Forward-Relays mit mehreren Antennen, da dieser Ansatz ein besonders gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis verspricht. Es wird gezeigt, dass sich die nötige Kanalkenntnis mit einem einfachen algebraischen Tensor-basierten Schätzverfahren gewinnen lässt. Außerdem werden Verfahren zum Finden einer günstigen Relay-Verstärkungs-Strategie diskutiert. Bestehende Ansätze basieren entweder auf komplexen numerischen Optimierungsverfahren oder auf Ad-Hoc-Ansätzen die keine zufriedenstellende Bitfehlerrate oder Summenrate liefern. Deshalb schlagen wir algebraische Ansätze zum Finden der Relayverstärkungsmatrix vor, die von relevanten Systemmetriken inspiriert sind und doch einfach zu berechnen sind. Wir zeigen das algebraische ANOMAX-Verfahren zum Erreichen einer niedrigen Bitfehlerrate und seine Modifikation RR-ANOMAX zum Erreichen einer hohen Summenrate. Für den Spezialfall, in dem die Endgeräte nur eine Antenne verwenden, leiten wir eine semi-algebraische Lösung zum Finden der Summenraten-optimalen Strategie (RAGES) her. Anhand von numerischen Simulationen wird die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren bezüglich Bitfehlerrate und erreichbarer Datenrate bewertet und ihre Effektivität gezeigt.Modern society is undergoing a fundamental change in the way we interact with technology. More and more devices are becoming "smart" by gaining advanced computation capabilities and communication interfaces, from household appliances over transportation systems to large-scale networks like the power grid. Recording, processing, and exchanging digital information is thus becoming increasingly important. As a growing share of devices is nowadays mobile and hence battery-powered, a particular interest in efficient digital signal processing techniques emerges. This thesis contributes to this goal by demonstrating methods for finding efficient algebraic solutions to various applications of multi-channel digital signal processing. These may not always result in the best possible system performance. However, they often come close while being significantly simpler to describe and to implement. The simpler description facilitates a thorough analysis of their performance which is crucial to design robust and reliable systems. The fact that they rely on standard algebraic methods only allows their rapid implementation and test under real-world conditions. We demonstrate this concept in three different application areas. First, we present a semi-algebraic framework to compute the Canonical Polyadic (CP) decompositions of multidimensional signals, a very fundamental tool in multilinear algebra with applications ranging from chemistry over communications to image compression. Compared to state-of-the art iterative solutions, our framework offers a flexible control of the complexity-accuracy trade-off and is less sensitive to badly conditioned data. The second application area is multidimensional subspace-based high-resolution parameter estimation with applications in RADAR, wave propagation modeling, or biomedical imaging. We demonstrate that multidimensional signals can be represented by tensors, providing a convenient description and allowing to exploit the multidimensional structure in a better way than using matrices only. Based on this idea, we introduce the tensor-based subspace estimate which can be applied to enhance existing matrix-based parameter estimation schemes significantly. We demonstrate the enhancements by choosing the family of ESPRIT-type algorithms as an example and introducing enhanced versions that exploit the multidimensional structure (Tensor-ESPRIT), non-circular source amplitudes (NC ESPRIT), and both jointly (NC Tensor-ESPRIT). To objectively judge the resulting estimation accuracy, we derive a framework for the analytical performance assessment of arbitrary ESPRIT-type algorithms by virtue of an asymptotical first order perturbation expansion. Our results are more general than existing analytical results since we do not need any assumptions about the distribution of the desired signal and the noise and we do not require the number of samples to be large. At the end, we obtain simplified expressions for the mean square estimation error that provide insights into efficiency of the methods under various conditions. The third application area is bidirectional relay-assisted communications. Due to its particularly low complexity and its efficient use of the radio resources we choose two-way relaying with a MIMO amplify and forward relay. We demonstrate that the required channel knowledge can be obtained by a simple algebraic tensor-based channel estimation scheme. We also discuss the design of the relay amplification matrix in such a setting. Existing approaches are either based on complicated numerical optimization procedures or on ad-hoc solutions that to not perform well in terms of the bit error rate or the sum-rate. Therefore, we propose algebraic solutions that are inspired by these performance metrics and therefore perform well while being easy to compute. For the MIMO case, we introduce the algebraic norm maximizing (ANOMAX) scheme, which achieves a very low bit error rate, and its extension Rank-Restored ANOMAX (RR-ANOMAX) that achieves a sum-rate close to an upper bound. Moreover, for the special case of single antenna terminals we derive the semi-algebraic RAGES scheme which finds the sum-rate optimal relay amplification matrix based on generalized eigenvectors. Numerical simulations evaluate the resulting system performance in terms of bit error rate and system sum rate which demonstrates the effectiveness of the proposed algebraic solutions

Biologically Inspired Sensing and MIMO Radar Array Processing

The contributions of this dissertation are in the fields of biologically inspired sensing and multi-input multi-output: MIMO) radar array processing. In our research on biologically inspired sensing, we focus on the mechanically coupled ears of the female Ormia ochracea. Despite the small distance between its ears, the Ormia has a remarkable localization ability. We statistically analyze the localization accuracy of the Ormia\u27s coupled ears, and illustrate the improvement in the localization performance due to the mechanical coupling. Inspired by the Ormia\u27s ears, we analytically design coupled small-sized antenna arrays with high localization accuracy and radiation performance. Such arrays are essential for sensing systems in military and civil applications, which are confined to small spaces. We quantitatively demonstrate the improvement in the antenna array\u27s radiation and localization performance due to the biologically inspired coupling. On MIMO radar, we first propose a statistical target detection method in the presence of realistic clutter. We use a compound-Gaussian distribution to model the heavy tailed characteristics of sea and foliage clutter. We show that MIMO radars are useful to discriminate a target from clutter using the spatial diversity of the illuminated area, and hence MIMO radar outperforms conventional phased-array radar in terms of target-detection capability. Next, we develop a robust target detector for MIMO radar in the presence of a phase synchronization mismatch between transmitter and receiver pairs. Such mismatch often occurs due to imperfect knowledge of the locations as well as local oscillator characteristics of the antennas, but this fact has been ignored by most researchers. Considering such errors, we demonstrate the degradation in detection performance. Finally, we analyze the sensitivity of MIMO radar target detection to changes in the cross-correlation levels: CCLs) of the received signals. Prior research about MIMO radar assumes orthogonality among the received signals for all delay and Doppler pairs. However, due to the use of antennas which are widely separated in space, it is impossible to maintain this orthogonality in practice. We develop a target-detection method considering the non-orthogonality of the received data. In contrast to the common assumption, we observe that the effect of non-orthogonality is significant on detection performance

Compact Formulations for Sparse Reconstruction in Fully and Partly Calibrated Sensor Arrays

Sensor array processing is a classical field of signal processing which offers various applications in practice, such as direction of arrival estimation or signal reconstruction, as well as a rich theory, including numerous estimation methods and statistical bounds on the achievable estimation performance. A comparably new field in signal processing is given by sparse signal reconstruction (SSR), which has attracted remarkable interest in the research community during the last years and similarly offers plentiful fields of application. This thesis considers the application of SSR in fully calibrated sensor arrays as well as in partly calibrated sensor arrays. The main contributions are a novel SSR method for application in partly calibrated arrays as well as compact formulations for the SSR problem, where special emphasis is given on exploiting specific structure in the signals as well as in the array topologies

Characterisation and Modelling of Indoor and Short-Range MIMO Communications

Over the last decade, we have witnessed the rapid evolution of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems which promise to break the frontiers of conventional architectures and deliver high throughput by employing more than one element at the transmitter (Tx) and receiver (Rx) in order to exploit the spatial domain. This is achieved by transmitting simultaneous data streams from different elements which impinge on the Rx with ideally unique spatial signatures as a result of the propagation paths’ interactions with the surrounding environment. This thesis is oriented to the statistical characterisation and modelling of MIMO systems and particularly of indoor and short-range channels which lend themselves a plethora of modern applications, such as wireless local networks (WLANs), peer-to-peer and vehicular communications. The contributions of the thesis are detailed below. Firstly, an indoor channel model is proposed which decorrelates the full spatial correlation matrix of a 5.2 GHzmeasuredMIMO channel and thereafter assigns the Nakagami-m distribution on the resulting uncorrelated eigenmodes. The choice of the flexible Nakagami-m density was found to better fit the measured data compared to the commonly used Rayleigh and Ricean distributions. In fact, the proposed scheme captures the spatial variations of the measured channel reasonably well and systematically outperforms two known analytical models in terms of information theory and link-level performance. The second contribution introduces an array processing scheme, namely the three-dimensional (3D) frequency domain Space Alternating Generalised Expectation Maximisation (FD-SAGE) algorithm for jointly extracting the dominant paths’ parameters. The scheme exhibits a satisfactory robustness in a synthetic environment even for closely separated sources and is applicable to any array geometry as long as its manifold is known. The algorithm is further applied to the same set of raw data so that different global spatial parameters of interest are determined; these are the multipath clustering, azimuth spreads and inter-dependency of the spatial domains. The third contribution covers the case of short-range communications which have nowadays emerged as a hot topic in the area of wireless networks. The main focus is on dual-branch MIMO Ricean systems for which a design methodology to achieve maximum capacities in the presence of Line-of-Sight (LoS) components is proposed. Moreover, a statistical eigenanalysis of these configurations is performed and novel closed-formulae for the marginal eigenvalue and condition number statistics are derived. These formulae are further used to develop an adaptive detector (AD) whose aim is to reduce the feasibility cost and complexity of Maximum Likelihood (ML)-based MIMO receivers. Finally, a tractable novel upper bound on the ergodic capacity of the above mentioned MIMO systems is presented which relies on a fundamental power constraint. The bound is sufficiently tight and applicable for arbitrary rank of the mean channel matrix, Signal-to-Noise ratio (SNR) and takes the effects of spatial correlation at both ends into account. More importantly, it includes previously reported capacity bounds as special cases

Machine learning algorithms for cognitive radio wireless networks

In this thesis new methods are presented for achieving spectrum sensing in cognitive radio wireless networks. In particular, supervised, semi-supervised and unsupervised machine learning based spectrum sensing algorithms are developed and various techniques to improve their performance are described. Spectrum sensing problem in multi-antenna cognitive radio networks is considered and a novel eigenvalue based feature is proposed which has the capability to enhance the performance of support vector machines algorithms for signal classification. Furthermore, spectrum sensing under multiple primary users condition is studied and a new re-formulation of the sensing task as a multiple class signal detection problem where each class embeds one or more states is presented. Moreover, the error correcting output codes based multi-class support vector machines algorithms is proposed and investigated for solving the multiple class signal detection problem using two different coding strategies. In addition, the performance of parametric classifiers for spectrum sensing under slow fading channel is studied. To address the attendant performance degradation problem, a Kalman filter based channel estimation technique is proposed for tracking the temporally correlated slow fading channel and updating the decision boundary of the classifiers in real time. Simulation studies are included to assess the performance of the proposed schemes. Finally, techniques for improving the quality of the learning features and improving the detection accuracy of sensing algorithms are studied and a novel beamforming based pre-processing technique is presented for feature realization in multi-antenna cognitive radio systems. Furthermore, using the beamformer derived features, new algorithms are developed for multiple hypothesis testing facilitating joint spatio-temporal spectrum sensing. The key performance metrics of the classifiers are evaluated to demonstrate the superiority of the proposed methods in comparison with previously proposed alternatives

Ultra wideband antenna array processing under spatial aliasing

Given a certain transmission frequency, Shannon spatial sampling limit de¯nes an upper bound for the antenna element spacing. Beyond this bound, the exceeded ambiguity avoids correct estimation of the signal parameters (i.e., array manifold crossing). This spacing limit is inversely proportional to the frequency of transmis- sion. Therefore, to meet a wider spectral support, the element spacing should be decreased. However, practical implementations of closely spaced elements result in a detrimental increase in electromagnetic mutual couplings among the sensors. Further- more, decreasing the spacing reduces the array angle resolution. In this dissertation, the problem of Direction of Arrival (DOA) estimation of broadband sources is ad- dressed when the element spacing of a Uniform Array Antenna (ULA) is inordinate. It is illustrated that one can resolve the aliasing ambiguity by utilizing the frequency diversity of the broadband sources. An algorithm, based on Maximum Likelihood Estimator (MLE), is proposed to estimate the transmitted data signal and the DOA of each source. In the sequel, a subspace-based algorithm is developed and the prob- lem of order estimation is discussed. The adopted signaling framework assumes a subband hopping transmission in order to resolve the problem of source associations and system identi¯cation. The proposed algorithms relax the stringent maximum element-spacing constraint of the arrays pertinent to the upper-bound of frequency transmission and suggest that, under some mild constraints, the element spacing can be conveniently increased. An approximate expression for the estimation error has also been developed to gauge the behavior of the proposed algorithms. Through con- ¯rmatory simulation, it is shown that the performance gain of the proposed setup is potentially signi¯cant, speci¯cally when the transmitters are closely spaced and under low Signal to Noise Ratio (SNR), which makes it applicable to license-free communication