375 research outputs found

    Performance Analysis of Dual-User Macrodiversity MIMO Systems with Linear Receivers in Flat Rayleigh Fading

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    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

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    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

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    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 großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große Anzahl an Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen FĂ€llen der naheliegende Ansatz, ein kohĂ€renter EmpfĂ€nger 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 „Impulse Radio UWB”-Systeme mit niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohĂ€renter EmpfĂ€nger zum Einsatz. InkohĂ€rente Signaldetektion stellt insofern einen vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgĂŒnstige und robuste Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in AnwendungsfĂ€llen wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte GerĂ€te 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 zunĂ€chst ein inkohĂ€renter Combining-Verlust spezifiziert, welcher auftritt im Gegensatz zu kohĂ€renter Detektion mit Maximum Ratio Multipath Combining. Dieser Verlust hĂ€ngt von dem Produkt aus der LĂ€nge des Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab. Um den Verlust durch inkohĂ€rentes Combining zu reduzieren und somit die Leistungseffizienz des EmpfĂ€ngers zu steigern, werden verbesserte Combining-Methoden fĂŒr Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger EmpfĂ€nger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen „Integrate and Dump”-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 inkohĂ€rentes Combining verringert. Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohĂ€renter Demodulation. Im Vergleich zum AnalogempfĂ€nger besitzt ein DigitalempfĂ€nger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den Mehrfachzugriffscode kohĂ€rent und beschrĂ€nkt das inkohĂ€rente Combining auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewĂ€hrleisten. 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 inkohĂ€renten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stĂ€rkere 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 ausfĂ€llt. 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 AbhĂ€ngigkeit 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 inkohĂ€rente EmpfĂ€nger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger Datenrate ein großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohĂ€rentem Combining-Verlust und StabilitĂ€t gegenĂŒber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept fĂŒr UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohĂ€rente oder inkohĂ€rente EmpfĂ€nger, 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 „Direct Sequence”-UWB-Systemen in den Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der großen Anzahl der empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw. Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die FunktionalitĂ€t des Systems durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst werden. Um sie zu eliminieren, wird die „Widely Linear”-Rangreduzierung benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr große Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate). ZusĂ€tzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollstĂ€ndig ausnutzen, was sich in verbesserten SchĂ€tzergebnissen widerspiegelt. Allgemeine kann die Methode der „Widely Linear”-Rangreduzierung auch in andern Bereichen angewendet werden, z.B. in „Direct Sequence”-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.● 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.● We propose to use optical orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an analog non-coherent receiver. The “analog” 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.● 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).● 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

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    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

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    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

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    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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