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    Performance improvements in wireless CDMA communications utilizing adaptive antenna arrays

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    This dissertation studies applications of adaptive antenna arrays and space-time adaptive processing (STAP) in wireless code-division multiple-access (CDMA) communications. The work addresses three aspects of the CDMA communications problems: (I) near-far resistance, (2) reverse link, (3) forward link. In each case, adaptive arrays are applied and their performance is investigated. The near-far effect is a well known problem which affects the reverse link of CDMA communication systems. The near-far resistance of STAP is analyzed for two processing methods: maximal ratio combining and optimum combining. It. is shown that while maximal ratio combining is not near-far resistant, optimum combining is near-far resistant when the number of cochannel interferences is less than the system dimensionality. The near-far effect can be mitigated by accurate power control at the mobile station. With practical limitations, the received signal power at a base station from a power-controlled user is a random variable clue to power control error. The statistical model of signal-to-interference ratio at the antenna array output of a base station is presented, and the outage probability of the CDMA reverse link is analyzed while considering Rayleigh fading, voice activity and power control error. New analytical expressions are obtained and demonstrated by computer simulations. For the application of an adaptive antenna. array at the forward link, a receiver architecture is suggested for the mobile station that utilizes a small two-antenna array For interference suppression. Such a receiver works well only when the channel vector of the desired signal is known. The identifying spreading codes (as in IS-95A for example) are used to provide an adaptive channel vector estimate, and control the beam steering weight, hence improve the receiver performance. Numerical results are presented to illustrate the operation of the proposed receiver model and the improvement in performance and capacity

    Opportunistic communications in large uncoordinated networks

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    (English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Catal脿) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexist猫ncia de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una 脿rea geogr脿fica donada a causa de la interfer猫ncia entre sistemes. Conseq眉entment, la gesti贸 d'interfer猫ncia juga un paper fonamental per a facilitar la coexist猫ncia de diversos serveis de comunicaci贸 heterogenis. No obstant aix貌, les estrat猫gies cl脿ssiques de gesti贸 d'interfer猫ncia requereixen informaci贸 lateral originant la necessitat de coordinaci贸 i cooperaci贸 entre sistemes, que no sempre 茅s pr脿ctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una soluci贸 potencial al problema de la gesti贸 de les interfer猫ncies entre sistemes. El principi b脿sic de les comunicacions oportunistes 茅s explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interfer猫ncies entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la infer猫ncia dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interfer猫ncia en els nodes de comunicaci贸 coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les t猫cniques de comunicaci贸 oportunistes m茅s prominents consisteixen en el disseny d'estrat猫gies de precodificaci贸/descodificaci贸 adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat aix貌, les solucions cl脿ssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecci贸 i la necessitat de cooperaci贸 intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicaci贸 oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest prop貌sit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecci贸 independent del mecanisme d'identificaci贸 de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interfer猫ncies m铆nimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de m脿xima relaci贸 de senyal a interfer猫ncia (SIR), que 茅s 貌ptim en condicions de no cooperaci贸. La metodologia proposada permet dissenyar una fam铆lia de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels s铆mbols modulats dins de l'espai nul detectat, que 茅s clau per minimitzar la densitat d鈥檌nterfer猫ncia indu茂da. Les solucions proposades s贸n invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enlla莽 de retroalimentaci贸 i, tot i aix铆, realitzar una detecci贸 coherent de forma d'ona. Sota l鈥檃bs猫ncia de coordinaci贸, el disseny de la forma d'ona es basa 煤nicament en la informaci贸 de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la soluci贸 proposada 茅s robusta a aquest desajust, tamb茅 s'estudia el disseny de receptors millorats fent 煤s de t猫cniques de detecci贸 de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitr脿riament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretaci贸 en el domini freq眉encial. Aquest comportament asimpt貌tic permet adaptar la soluci贸 proposada a entorns selectius en freq眉猫ncia fent 煤s d'un prefix c铆clic i estudiar una modulaci贸 eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisi贸 de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s鈥檈studia l'impacte de l'煤s de m煤ltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'an脿lisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicaci贸 oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Espa帽ol) El incremento de los dispositivos inal谩mbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inal谩mbricos que comparten los mismos recursos en un 谩rea geogr谩fica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gesti贸n de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicaci贸n heterog茅neos. Sin embargo, las estrategias cl谩sicas de gesti贸n de interferencia requieren informaci贸n lateral originando la necesidad de coordinaci贸n y cooperaci贸n entre sistemas, que no siempre es pr谩ctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una soluci贸n potencial al problema de la gesti贸n de las interferencias entre sistemas. El principio b谩sico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inal谩mbricas y adaptar las se帽ales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicaci贸n coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las t茅cnicas de comunicaci贸n oportunistas m谩s prominentes consisten en el dise帽o de estrategias de precodificaci贸n/descodificaci贸n adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones cl谩sicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detecci贸n y la necesidad de cooperaci贸n intra-sistema. Esta tesis propone dise帽ar un esquema de comunicaci贸n oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodolog铆as existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este prop贸sito, se introduce un modelo generalizado de error de detecci贸n independiente del mecanismo de identificaci贸n del espacio nulo que permite el dise帽o de soluciones que exhiben interferencias m铆nimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de m谩xima relaci贸n de se帽al a interferencia (SIR), que es 贸ptimo en condiciones de no cooperaci贸n. La metodolog铆a propuesta permite dise帽ar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los s铆mbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentaci贸n sin renunciar a la detecci贸n coherente de forma de onda. En ausencia de coordinaci贸n, el dise帽o de la forma de onda se basa 煤nicamente en la informaci贸n del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la soluci贸n propuesta es robusta a este desajuste, tambi茅n se estudia el dise帽o de receptores mejorados usando t茅cnicas de detecci贸n de subespacio activo. Cuando el n煤mero total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretaci贸n en el dominio frecuencial. Este comportamiento asint贸tico permite adaptar la soluci贸n propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo c铆clico y estudiar una modulaci贸n eficiente derivada del esquema de multiplexado por divisi贸n de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de m煤ltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El an谩lisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicaci贸n oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el n煤mero de sensores empleado se traduce en una mejora en t茅rminos de SIR.Postprint (published version
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