Asymptotic SER and Outage Probability of MIMO MRC in Correlated Fading

This letter derives the asymptotic symbol error rate (SER) and outage probability of multiple-input multiple-output (MIMO) maximum ratio combining (MRC) systems. We consider Rayleigh fading channels with both transmit and receive spatial correlation. Our results are based on new asymptotic expressions which we derive for the p.d.f. and c.d.f. of the maximum eigenvalue of positive-definite quadratic forms in complex Gaussian matrices. We prove that spatial correlation does not affect the diversity order, but that it reduces the array gain and hence increases the SER in the high SNR regime.Comment: 10 pages, 2 figures, to appear in IEEE Signal Processing Letter

Esquemas distribuídos para seleção de múltiplas antenas em redes com retransmissores do tipo amplifica-e-encaminha

Orientador: José Cândido Silveira Santos FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A seleção de antena na transmissão tem sido apresentada como uma estratégia promissora para explorar os benefícios do uso de múltiplas antenas em sistemas de comunicações com retransmissores. No entanto, essa abordagem pode exigir um montante considerável de estimações de canal, transmissões de realimentação e atraso, dado que a sua implementação ótima e centralizada requer o monitoramento do estado do canal de todos os enlaces. Para aliviar essas deficiências, este trabalho propõe e analisa um conjunto de esquemas subótimos de seleção de antena na transmissão para sistemas com retransmissores do tipo amplifica-e-encaminha, os quais podem ser implementados de uma forma distribuída. Nos esquemas propostos, a antena é selecionada com base na informação local do estado de canal que está disponível na fonte, requerendo, portanto, um atraso e uma carga de realimentação pequenos e constantes. Tal abordagem é considerada em uso conjunto com diferentes técnicas, incluindo métodos de combinação de diversidade (combinação por máxima razão e combinação por seleção) no destino, protocolos de ganho fixo ou variável no relay, e transceptores com múltiplas antenas no relay. Além disso, para o caso particular em que o retransmissor tem ganho fixo e uma única antena, considera-se também o uso de um mecanismo de seleção de enlace na fonte. Para cada caso, o desempenho do sistema é avaliado em termos de probabilidade de outage, eficiência espectral e/ou vazão. O foco principal é direcionado à probabilidade de outage, para a qual são deduzidas expressões exatas e limitantes de desempenho. Uma análise assintótica é também efetuada para enriquecer a compreensão do comportamento do sistema quando operando sob alta relação sinal-ruído. Finalmente, como contribuição isolada, uma estratégia subótima e simples de alocação de potência é elaborada para um sistema com múltiplos retransmissores do tipo decodifica-e-encaminha, considerando-se enlaces com erros e codificação de fonte distribuídaAbstract: Transmit-antenna selection has been presented as a promising strategy for exploiting the benefits of multiple antennas in relaying communication systems. However, this approach may demand a considerable amount of channel estimations, feedback transmissions, and delay, since its optimal centralized implementation requires monitoring the channel state of all links. To alleviate those impairments, this work proposes and analyzes a set of suboptimal transmit-antenna selection schemes for amplify-and-forward relaying systems, which can be implemented in a distributed manner. In the proposed schemes, the antenna is selected based on the local channel-state information that is available at the source, thus requiring a low and constant delay/feedback overhead. Such an approach is considered along with different techniques, including diversity combining methods (maximal-ratio combining and selection combining) at the destination, fixed- and variable-gain protocols at the relay, and multi-antenna transceivers at the relay. A link-selection mechanism at the source is also considered for the special case of a single-antenna fixed-gain relay. For each case, the system performance is assessed in terms of outage probability, spectral efficiency, and/or throughput. The main focus is placed on the outage probability, for which exact or bound expressions are derived. An asymptotic analysis is also performed to provide further insights into the system behavior at high signal-to-noise ratio. Finally, as an isolated contribution, a simple suboptimal power allocation strategy is designed for a decode-and-forward multi-relay system with lossy intra-links and distributed source codingDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutora em Engenharia ElétricaCAPE

Performance Analysis of Optimal Single Stream Beamforming in MIMO Dual-Hop AF Systems

This paper investigates the performance of optimal single stream beamforming schemes in multiple-input multiple-output (MIMO) dual-hop amplify-and-forward (AF) systems. Assuming channel state information is not available at the source and relay, the optimal transmit and receive beamforming vectors are computed at the destination, and the transmit beamforming vector is sent to the transmitter via a dedicated feedback link. Then, a set of new closed-form expressions for the statistical properties of the maximum eigenvalue of the resultant channel is derived, i.e., the cumulative density function (cdf), probability density function (pdf) and general moments, as well as the first order asymptotic expansion and asymptotic large dimension approximations. These analytical expressions are then applied to study three important performance metrics of the system, i.e., outage probability, average symbol error rate and ergodic capacity. In addition, more detailed treatments are provided for some important special cases, e.g., when the number of antennas at one of the nodes is one or large, simple and insightful expressions for the key parameters such as diversity order and array gain of the system are derived. With the analytical results, the joint impact of source, relay and destination antenna numbers on the system performance is addressed, and the performance of optimal beamforming schemes and orthogonal space-time block-coding (OSTBC) schemes are compared. Results reveal that the number of antennas at the relay has a great impact on how the numbers of antennas at the source and destination contribute to the system performance, and optimal beamforming not only achieves the same maximum diversity order as OSTBC, but also provides significant power gains over OSTBC.Comment: to appear in IEEE Journal on Selected Areas in Communications special issue on Theories and Methods for Advanced Wireless Relay