52 research outputs found

    Information Theory of underspread WSSUS channels

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    The chapter focuses on the ultimate limit on the rate of reliable communication through Rayleigh-fading channels that satisfy the wide-sense stationary (WSS) and uncorrelated scattering (US) assumptions and are underspread. Therefore, the natural setting is an information-theoretic one, and the performance metric is channel capacity. The family of Rayleigh-fading underspread WSSUS channels constitutes a good model for real-world wireless channels: their stochastic properties, like amplitude and phase distributions match channel measurement results. The Rayleigh-fading and the WSSUS assumptions imply that the stochastic properties of the channel are fully described by a two-dimensional power spectral density (PSD) function, often referred to as scattering function. The underspread assumption implies that the scattering function is highly concentrated in the delay-Doppler plane. Two important aspects need to be accounted for by a model that aims at being realistic: neither the transmitter nor the receiver knows the realization of the channel; and the peak power of the transmit signal is limited. Based on these two aspects the chapter provides an information-theoretic analysis of Rayleigh-fading underspread WSSUS channels in the noncoherent setting, under the additional assumption that the transmit signal is peak-constrained

    Characterisation and Modelling of Indoor and Short-Range MIMO Communications

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    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

    MIMO transmission for 4G wireless communications

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    Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

    Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

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    This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

    Capacity and performance analysis of advanced multiple antenna communication systems

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    Multiple-input multiple-output (MIMO) antenna systems have been shown to be able to substantially increase date rate and improve reliability without extra spectrum and power resources. The increasing popularity and enormous prospect of MIMO technology calls for a better understanding of the performance of MIMO systems operating over practical environments. Motivated by this, this thesis provides an analytical characterization of the capacity and performance of advanced MIMO antenna systems. First, the ergodic capacity of MIMO Nakagami-m fading channels is investigated. A unified way of deriving ergodic capacity bounds is developed under the majorization theory framework. The key idea is to study the ergodic capacity through the distribution of the diagonal elements of the quadratic channel HHy which is relatively easy to handle, avoiding the need of the eigenvalue distribution of the channel matrix which is extremely difficult to obtain. The proposed method is first applied on the conventional point-to-point MIMO systems under Nakagami-m fading, and later extended to the more general distributed MIMO systems. Second, the ergodic capacity of MIMO multi-keyhole and MIMO amplify-and-forward (AF) dual-hop systems is studied. A set of new statistical properties involving product of random complex Gaussian matrix, i.e., probability density function (p.d.f.) of an unordered eigenvalue, p.d.f. of the maximum eigenvalue, expected determinant and log-determinant, is derived. Based on these, analytical closedform expressions for the ergodic capacity of the systems are obtained and the connection between the product channels and conventional point-to-point MIMO channels is also revealed. Finally, the effect of co-channel interference is investigated. First, the performance of optimum combining (OC) systems operating in Rayleigh-product channels is analyzed based on novel closed-form expression of the cumulative distribution function (c.d.f.) of the maximum eigenvalue of the resultant channel matrix. Then, for MIMO Rician channels and MIMO Rayleigh-product channels, the ergodic capacity at low signal-to-noise ratio (SNR) regime is studied, and the impact of various system parameters, such as transmit and receive antenna number, Rician factor, channel mean matrix and interference-tonoise- ratio, is examined
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