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Performance Analysis of Dual-User Macrodiversity MIMO Systems with Linear Receivers in Flat Rayleigh Fading
The performance of linear receivers in the presence of co-channel
interference in Rayleigh channels is a fundamental problem in wireless
communications. Performance evaluation for these systems is well-known for
receive arrays where the antennas are close enough to experience equal average
SNRs from a source. In contrast, almost no analytical results are available for
macrodiversity systems where both the sources and receive antennas are widely
separated. Here, receive antennas experience unequal average SNRs from a source
and a single receive antenna receives a different average SNR from each source.
Although this is an extremely difficult problem, progress is possible for the
two-user scenario. In this paper, we derive closed form results for the
probability density function (pdf) and cumulative distribution function (cdf)
of the output signal to interference plus noise ratio (SINR) and signal to
noise ratio (SNR) of minimum mean squared error (MMSE) and zero forcing (ZF)
receivers in independent Rayleigh channels with arbitrary numbers of receive
antennas. The results are verified by Monte Carlo simulations and high SNR
approximations are also derived. The results enable further system analysis
such as the evaluation of outage probability, bit error rate (BER) and
capacity.Comment: 24 pages, 7 figures; IEEE Transaction of Wireless Communication 2012
Corrected typo
Initial synchronisation of wideband and UWB direct sequence systems: single- and multiple-antenna aided solutions
This survey guides the reader through the open literature on the principle of initial synchronisation in single-antenna-assisted single- and multi-carrier Code Division Multiple Access (CDMA) as well as Direct Sequence-Ultra WideBand (DS-UWB) systems, with special emphasis on the DownLink (DL). There is a paucity of up-to-date surveys and review articles on initial synchronization solutions for MIMO-aided and cooperative systems - even though there is a plethora of papers on both MIMOs and on cooperative systems, which assume perfect synchronization. Hence this paper aims to ?ll the related gap in the literature
Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital
ï»żUltrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen
signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es
sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und
Wissenschaftler gelöst werden mĂŒssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart
groĂen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine groĂe Anzahl an
Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden
gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie
effektiv zu erfassen. AuĂerdem ist in vielen FĂ€llen der naheliegende
Ansatz, ein kohÀrenter EmpfÀnger im Sinne eines signalangepassten Filters
oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden
Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere
Lösungsmöglichkeiten eingegangen.
Im ersten Abschnitt geht es um âImpulse Radio UWBâ-Systeme mit
niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohÀrenter EmpfÀnger
zum Einsatz. InkohÀrente Signaldetektion stellt insofern einen
vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgĂŒnstige und robuste
Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in AnwendungsfÀllen
wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte GerÀte mit langer
Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den fĂŒr die KanalschĂ€tzung
und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der
Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenĂŒber
Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige
Interferenz) zur Folge hat.
Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde
zunÀchst ein inkohÀrenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher
auftritt im Gegensatz zu kohÀrenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath
Combining. Dieser Verlust hÀngt von dem Produkt aus der LÀnge des
Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab.
Um den Verlust durch inkohÀrentes Combining zu reduzieren und somit die
Leistungseffizienz des EmpfÀngers zu steigern, werden verbesserte
Combining-Methoden fĂŒr Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger
EmpfÀnger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen
âIntegrate and Dumpâ-Filter implementiert ist, wird fĂŒr UWB-Systeme
mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dĂŒnn
besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren
wird eine Regel fĂŒr die Code-Auswahl vorgestellt, welche die StabilitĂ€t
des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den
Verlust durch inkohÀrentes Combining verringert.
Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohÀrenter
Demodulation. Im Vergleich zum AnalogempfÀnger besitzt ein
DigitalempfÀnger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von
einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den
Mehrfachzugriffscode kohÀrent und beschrÀnkt das inkohÀrente Combining
auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein
schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um
einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewÀhrleisten. Diese Digitaltechnik
macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller
Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen
Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur
den inkohÀrenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stÀrkere
Resistenz gegenĂŒber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der
Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die
Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher
Analog-Digital-Wandler gering ausfÀllt. Weiterhin zeigt sich, dass im
Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse
zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die
Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in
AbhÀngigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart.
Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die
Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur
UnterdrĂŒckung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting
aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass
inkohÀrente EmpfÀnger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger
Datenrate ein groĂes Potential aufweisen.
AuĂerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen
Kompromiss zwischen inkohÀrentem Combining-Verlust und StabilitÀt
gegenĂŒber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept
fĂŒr UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohĂ€rente oder inkohĂ€rente
EmpfÀnger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche
Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich
verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale
Signalverarbeitungstechnik mit kostengĂŒnstigen Analog-Digital-Wandlern.
Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser
Sensorfunknetze dar.
Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung
fĂŒr hohe Datenraten mit âDirect Sequenceâ-UWB-Systemen in den
Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der groĂen Anzahl der
empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw.
Intrasymbolinterferenzen. AuĂerdem kann die FunktionalitĂ€t des Systems
durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst
werden. Um sie zu eliminieren, wird die âWidely Linearâ-Rangreduzierung
benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das
Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr groĂe
Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate).
ZusÀtzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung
die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollstÀndig
ausnutzen, was sich in verbesserten SchÀtzergebnissen widerspiegelt.
Allgemeine kann die Methode der âWidely Linearâ-Rangreduzierung auch in
andern Bereichen angewendet werden, z.B. in âDirect
Sequenceâ-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global
System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the
design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband
(UWB) communication systems. Based on different data rate applications,
this work is divided into two parts, where energy efficient and robust
physical layer solutions are proposed, respectively.
Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath
arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low
data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a
simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques
that increase the power efficiency and the interference robustness of
non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct
sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in
severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system
performance may also be deteriorated by multi-user interference and
narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal
processing techniques at the receiver to suppress these interferences.
Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and
receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on
non-coherent detection.â We analyze the bit error rate performance of
non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss,
i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum
ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very
helpful for the design of transmission schemes and receive techniques
innon-coherent UWB communication systems.â We propose to use optical
orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an
analog non-coherent receiver. The âanalogâ means that the major part of
the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The
introduced semi-analytical method can help us to easily select the time
hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference
and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.â The main
contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions
in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is
based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed
but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption.
Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the
non-coherent combining loss but also offers a higher interference
robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress
strong multi-user interference and is thus advantageous in separating
simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the
difficulty of implementing long analog delay lines and make differential
UWB detection possible. They also facilitate the development of various
digital signal processing techniques such as multi-user detection and
non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced
modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).â Furthermore, we
present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where
both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage
is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower
than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully
digital solutions. It opens up various research activities in the
application field of wireless sensor networks.
Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank
techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB
systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank
techniques are designed to improve the convergence performance and the
interference robustness especially when the received vector contains a
large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The
widely linear processing takes full advantage of the second-order
statistics of the non-circular signals and enhances the estimation
performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a
great potential in the applications of other systems such as Direct
Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple
Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or
in other areas such as beamforming
Modeling and Analysis of Cellular Networks Using Stochastic Geometry: A Tutorial
This paper presents a tutorial on stochastic geometry (SG)-based analysis for cellular networks. This tutorial is distinguished by its depth with respect to wireless communication details and its focus on cellular networks. This paper starts by modeling and analyzing the baseband interference in a baseline single-tier downlink cellular network with single antenna base stations and universal frequency reuse. Then, it characterizes signal-to-interference-plus-noise-ratio and its related performance metrics. In particular, a unified approach to conduct error probability, outage probability, and transmission rate analysis is presented. Although the main focus of this paper is on cellular networks, the presented unified approach applies for other types of wireless networks that impose interference protection around receivers. This paper then extends the unified approach to capture cellular network characteristics (e.g., frequency reuse, multiple antenna, power control, etc.). It also presents numerical examples associated with demonstrations and discussions. To this end, this paper highlights the state-of-the-art research and points out future research directions
MIMO Systems
In recent years, it was realized that the MIMO communication systems seems to be inevitable in accelerated evolution of high data rates applications due to their potential to dramatically increase the spectral efficiency and simultaneously sending individual information to the corresponding users in wireless systems. This book, intends to provide highlights of the current research topics in the field of MIMO system, to offer a snapshot of the recent advances and major issues faced today by the researchers in the MIMO related areas. The book is written by specialists working in universities and research centers all over the world to cover the fundamental principles and main advanced topics on high data rates wireless communications systems over MIMO channels. Moreover, the book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity
Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems
Un dels aspectes claus en el disseny i gestiĂł de les xarxes sense fils d'accĂ©s de banda ampla Ă©s l'Ășs eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda Ă©s un bĂ© escĂ s i preuat que sÂŽha d'explotar i gestionar de la forma mĂ©s eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint aixĂ un baix retard i una baixa pĂšrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys sÂŽhan desenvolupat nombroses tĂšcniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiĂšncia espectral. Entre aquestes tĂšcniques destaca l'Ășs de mĂșltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizaciĂł conjunta de la capa d'accĂ©s al medi i la capa fĂsica (fent Ășs de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) tambĂ© permet incrementar sensiblement l'eficiĂšncia espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi Ă©s l'estudi i desenvolupament de noves tĂšcniques d'adaptaciĂł de l'enllaç i gestiĂł dels recursos rĂ dio aplicades sobre sistemes d'accĂ©s rĂ dio de propera generaciĂł (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissiĂł es realitza fent servir un esquema multiportadora amb mĂșltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues lĂnies d'investigaciĂł, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de mĂșltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignaciĂł de recursos rĂ dio i prioritzaciĂł dels paquets (scheduling) Ă©s proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat tĂ© com a principal caracterĂstica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permĂšs tambĂ© reduir els requeriments de senyalitzaciĂł i combinar de forma Ăłptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accĂ©s rĂ dio, millorant encara mĂ©s l'eficiĂšncia espectral del sistema. En cas d'enllaços amb mĂșltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecciĂł del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecciĂł de la codificaciĂł espai- (frequĂšncia-) temps. Finalment es donen una sĂšrie de recomanacions per tal de combinar totes dues lĂnies d'investigaciĂł, aixĂ con un estat de l'art de les tĂšcniques proposades per altres autors que combinen en part la gestiĂł dels recursos rĂ dio i els esquemes de transmissiĂł amb mĂșltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestiĂłn de las redes inalĂĄmbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma mĂĄs eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo asĂ un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los Ășltimos años el nĂșmero de tĂ©cnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas tĂ©cnicas destaca el uso de mĂșltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultĂĄneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimizaciĂłn conjunta de la capa de acceso al medio y la capa fĂsica (utilizando informaciĂłn de estado del canal para gestionar de manera Ăłptima los recursos) tambiĂ©n permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas tĂ©cnicas de adaptaciĂłn del enlace y la gestiĂłn de los recursos radio, y su posterior aplicaciĂłn sobre los sistemas de acceso radio de prĂłxima generaciĂłn (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisiĂłn se realiza sobre un sistema de transmisiĂłn multiportadora con mĂșltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos lĂneas de investigaciĂłn, la primera para casos de una Ășnica antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de mĂșltiples antenas en cada lado. Para el caso de una Ășnica antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignaciĂłn de los recursos radio asĂ como de priorizaciĂłn de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal caracterĂstica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido tambiĂ©n reducir los requisitos de señalizaciĂłn asĂ como combinar de forma Ăłptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con mĂșltiples antenas en transmisiĂłn y recepciĂłn, se presenta un nuevo esquema de adaptaciĂłn en el cual se combina la selecciĂłn de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selecciĂłn del esquema de codificaciĂłn espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas lĂneas de investigaciĂłn, asĂ como un estado del arte de las tĂ©cnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestiĂłn de los recursos radio y los esquemas de transmisiĂłn con mĂșltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission
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