Avaliação da probabilidade de erro de bit e da eficiência espectral de sistemas celulares MC-CDMA que utilizam detecção multiusuário

Orientador: Celso de AlmeidaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Uma técnica que combina múltiplo acesso por divisão de código (CDMA) e multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM) foi proposta como uma opção para futuros padrões de comunicações móveis. Esta técnica é conhecida como múltiplo acesso por divisão de código com multiportadoras (MC-CDMA), a qual além de herdar as vantagens das técnicas CDMA e OFDM, também possui uma inerente diversidade em frequência. Apesar de ser uma técnica de múltiplo acesso, MC-CDMA foi tipicamente estudada usando detectores de um único usuário no receptor. Além disso, alguns trabalhos que têm estudado seu desempenho com detectores multi-usuário usam apenas simulações. Ademais, cenários de uma célula são tipicamente considerados, embora sistemas móveis operem em ambientes celulares. Esta dissertação visa complementar parcialmente as pesquisas prévias sobre MC-CDMA. Em geral, este trabalho aborda o desempenho do enlace reverso de sistemas MC-CDMA em termos da taxa de erro de bit (BER) e da eficiência espectral celular. Para isto, um sistema celular que usa os esquemas de reuso de frequências fracionário (FFR) e suave (SFR) é suposto. Entrelaçamento no domínio da frequência é usado no transmissor dos equipamentos dos usuários e, detecção multiusuário e um arranjo de antenas são considerados nos receptores das estações radio base. O transmissor dos equipamentos dos usuários também realiza controle de potência perfeito. Além disso, ruído aditivo Gaussiano branco, perda de percurso e desvanecimento lento e seletivo que segue a distribuição de Rayleigh são considerados no modelo do canal. As contribuições desta dissertação são resumidas a seguir. Expressões fechadas são obtidas para avaliar a BER média de um sistema celular que usa os detectores multiusuário: zero-forcing (ZF), minimum mean square error (MMSE) e maximum likelihood detector (MU-MLD). Adicionalmente, a técnica signal space diversity (SSD) é usada no sistema celular MC-CDMA. Para isto, o MU-MLD precisa ser empregado no receptor da estação radio base. Uma expressão precisa para avaliar a BER média neste cenário é também derivada. Ademais, uma análise assintótica das expressões da BER é feita para se obter mais informações sobre a ordem da diversidade e o comportamento do sistema no regime de alta relação sinal-ruído mais interferência. A complexidade computacional dos detectores multi-usuário também é obtida em termos do número de operações complexas realizadas durante o processo de detecção. Em particular, o MU-MLD é implementado através de um algoritmo de decodificação esférica (SD), a fim de reduzir sua complexidade. Algumas técnicas são fornecidas para reduzir ainda mais a complexidade da SD. Finalmente, uma expressão para avaliar a eficiência espectral celular média do sistema MC-CDMA nos cenários FFR e SFR é obtida. Esta análise é baseada em um algoritmo que calcula os raios de cobertura da célula para cada modulação usada no sistema, assumindo que modulação adaptativa é empregada. Para todos os cenários, modulações BPSK e M-QAM são consideradas. Simulações de Monte Carlo corroboram a precisão da análise matemática apresentadaAbstract: A hybrid technique combining code division multiple access (CDMA) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been proposed as an option for future mobile communication standards. This technique is known as multicarrier code division multiple access (MC-CDMA), which, besides inheriting the advantages of CDMA and OFDM techniques, also possesses an inherent frequency diversity. Despite being a multiple access technique, MC-CDMA has been typically studied employing single-user detectors in the receiver. Moreover, some works that have studied their performance with multiuser detectors have done so far using only simulations. Furthermore, single cell scenarios are typically considered although mobile systems operate in cellular environments. This dissertation aims to partially complement previous research on MC-CDMA. In general, this work addresses the uplink performance of MC-CDMA systems in terms of the bit error rate (BER) and the cellular spectral efficiency. For this, a cellular system employing fractional frequency reuse (FFR) and soft frequency reuse (SFR) schemes is assumed. Frequency domain interleaving is performed in the transmitter into the user equipments and, multiuser detection and an antenna array are considered in the receivers at the base stations. The transmitter into the user equipments also performs perfect power control. Furthermore, additive white Gaussian noise, path-loss and slow frequency-selective Rayleigh fading are considered in the channel model. The contributions of this dissertation are summarized in the following. Closed-form expressions are derived to evaluate the mean BER of MC-CDMA cellular systems using the multiuser detectors: zero-forcing (ZF), minimum mean square error (MMSE) and maximum likelihood detector (MU-MLD). In addition, signal space diversity (SSD) is used in the MC-CDMA cellular system. For this, MU-MLD must be employed in the receiver at the base station. An accurate expression to evaluate the mean BER in this scenario is also derived. Moreover, an asymptotic analysis of the BER expressions is performed to obtain further insights of the diversity order and system behavior at the high signal-to-noise-plus-interference ratio regime. The computational complexity of the multiuser detectors is also obtained in terms of the number of complex operations performed during the detection process. In particular, MU-MLD is implemented via a sphere decoder (SD) algorithm in order to reduce its complexity. Some techniques are provided in order to further reduce the SD complexity. Finally, an expression to evaluate the mean cellular spectral efficiency of the MC-CDMA system in FFR and SFR scenarios is obtained. This analysis is based on an algorithm that calculates the cell coverage radius for each modulation used in the system, assuming that adaptive modulation is employed. For all analyzed scenarios, BPSK and M-QAM modulations are considered. Monte Carlo simulations corroborate the accuracy of the presented mathematical analysisDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia ElétricaCAPE

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