Numerical Evaluation and Monte Carlo Simulation for Performance Analysis of 4G LTE Networks

Two main and fundamental key performance indicators which have been used to evaluate the performance of the wireless communication systems are the Bit Error Rate (BER), and the data throughput or its related channel capacity bound. For a system using one antenna at the transmitter and one antenna at the receiver and in non fading AWGN channel, the evaluation of the BER for most of the known modulation schemes is well known. Using more antennas at the transmitter and at the receiver and also in more realistic fading channel models, such as Rayleigh, Rician and Nakagami, the evaluation becomes more complex and necessitates the use and the development of advanced mathematical tools. In this context, the theory of BER evaluation had experienced an important evolution during the past decade. Initially, the evaluation of the BER performance was based on a classical approach where the Gaussian Q-function (also known as Gaussian Probability Integral) was used. Instead of using the alternative representation of the Gaussian Q-function, the Marcum Q-function was used to derive an approximate expression of BER analysis of Alamouti-MRC scheme with imperfect channel state information in Rician fading channel. In LTE, the BER is mainly evaluated by simulation and to the best of our knowledge, the BER analysis is rarely treated in the literature. One of our goal is to develop in this thesis some closed form expressions of the BER for the main MIMO schemes as used in LTE. To study the performance of LTE systems, a MATLAB based downlink physical layer simulator for Link Level Simulation (LLS) has been developed. A System Level Simulation of the Simulator is also available. The main goal of this proposed research work is to provide accurate BER analysis for different modulation schemes and their comprehensive comparison adopted in LTE network

Performance analysis of MIMO-OFDM systems using complex Gaussian quadratic forms

En este trabajo se proponen aportaciones originales para el análisis de prestaciones en sistemas multiantena con múltiples portadoras, mediante el desarrollo de nuevas técnicas matemáticas para el cálculo de probabilidades de error. Así, ha sido posible analizar el efecto de no idealidades (estimación de canal imperfecta, offset de continua, desbalanceo I/Q…) en las prestaciones de sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricas

Performance Evaluation and Analysis of Mimo Schemes in LTE Networks Environment

RÉSUMÉ Dans cette thèse, nous proposons d'évaluer et d’analyser les performances des configurations radio à antennes multiples à l'émission et/ou la réception (MIMO) dans l’environnement des réseaux LTE (Long Term Evolution). Plus spécifiquement, on s’intéresse à la couche physique de l'interface radio OFDM-MIMO de ces réseaux. Après une introduction rapide aux réseaux LTE et aux techniques MIMO, on présente dans une première étape, une analyse théorique du taux d'erreur binaire en fonction du rapport signal sur bruit des deux principaux codes spatio-temporels de la norme LTE, à savoir le codage SFBC 21 (Space Frequency Block Coding) et le codage FSTD 42 (Frequency Switch Transmit Diversity). On développe les équations analytiques du taux d'erreur binaire de ces codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale qui sont par la suite comparées à des valeurs obtenues par simulations Monte-Carlo. Dans une deuxième étape, on considère l’évaluation de la capacité du canal résultant de l’utilisation de ces mêmes codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh. Pour fin de comparaison, on propose par la suite d’évaluer par simulation leur débit effectif. Les résultats montrent que la capacité peut effectivement être presque atteinte en pratique. Le deuxième volet de cette thèse considère les performances des systèmes MIMO utilisant la sélection d’antennes. Nous utilisons la théorie d'ordre statistique pour développer des équations analytiques relatives au taux d’erreur binaire des systèmes avec sélection d'antennes du coté récepteur dans un canal d'évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale. Afin de valider numériquement les résultats de notre analyse, un algorithme à sélection d’antenne au récepteur a été développé et utilisé en simulation. Dans un dernier temps, on évalue l'effet de la corrélation spatiale entre les antennes. L’étude est faite à partir de simulations et d’un modèle de corrélation spatiale basé sur le produit Kronecker de deux matrices de corrélation relatives respectivement à l'émission et à la réception.----------ABSTRACT This thesis considers both an analysis and a numerical evaluation of the performance of MIMO radio systems in the LTE network environment. More specifically we consider the physical layer of the OFDM-MIMO based radio interface. As a first step we present a theoretical analysis of the bit error rate of the two space-time codes adopted by the LTE norm, namely the SFBC 21 and FSTD 42 codes, as a function of the signal upon noise ratio. Analytical expressions are given for transmission over a Rayleigh channel without spatial correlation which are then compared with Monte-Carlo simulations. As a second step, we consider the capacity of the channel obtained by using these codes on a Rayleigh fading channel. Results show that simulated throughput almost reaches the capacity limit. As a different topic, this thesis considers also MIMO systems based on antenna selection. By using order statistics we develop analytical expressions for the error rate on a Rayleigh channel without antenna correlation. In order to validate our numerical results, an algorithm implementing antenna selection at the receiver has been developed and used in the simulations. As a last step the effect of antenna correlation is investigated through the use of simulations and a model of spatial antenna correlation based on the Kronecker product of two correlation matrices related to the transmitting and receiving elements of the MIMO scheme

Outage probability formulas for cellular networks (contributions for MIMO, CoMP and time reversal features)

L étude de dimensionnement d un réseau cellulaire est une phase de conception qui doit permettre de déterminer les performances d un système dans une configuration donnée. Elle inclut l étude de couverture et l analyse de trafic. De complexes simulations sont possibles pour connaître les paramètres de performances d un réseau mais seules les études analytiques fournissent des résultats rapides. Par ailleurs, pour faire face à la demande de hauts débits, à la rareté du spectre fréquentiel et à l impossibilité d émettre à de plus fortes puissances, de nouvelles techniques de transmissions sont apparues. Nous sommes ainsi passés d un système classique à une seule antenne à des systèmes à multiple antennes et même à des scénarios de coopération entre stations de base. Dans cette thèse, nous proposons des modèles analytiques pour l étude des performances, notamment en termes de probabilités de coupure, de ces évolutions des réseaux cellulaires. Dans une première phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à une antenne émettrice et une antenne réceptrice (SISO). Nous proposons deux méthodes d étude de l impact conjoint de l affaiblissement de parcours, de l effet de masque et des évanouissements rapides. Nous étudions, par la suite, un système à large bande utilisant le retournement temporel comme technique de transmission. Dans une deuxième phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à antennes multiple à l émission ou à la réception (MISO/MIMO) implémentant les schémas de diversité Alamouti et de combinaison par rapport maximal (MRC). Ensuite, nous considérons un système multicellulaire multi-utilisateurs à précodage de forçage à zéro (ZFBF).The implementation of cellular systems have aroused issues related to the design of cellular networks termed to as network dimensioning. It includes the coverage estimation and thetraffic analysis. Simple models and methods are required to reduce the time consumption of these two analysis. At the same time, the growing demand for higher data rates constrained by the scarcity of frequency spectrum, and the requirements in terms of power consumption reduction make the telecommunication community think about new transmission techniques moving from the classical single antenna systems to multiple antenna systems and even the newly envisaged cooperative systems. In this thesis, we provide analytical models to assess the performance of these different cellular network evolutions in terms of outage probabilities. In a first study, we consider multicellular single input single output (SISO) systems. First, we propose two accurate methods to study the joint impact of path-loss, shadowing and fast fading. This system has so far been studied either considering the only impact of path-loss and Rayleigh fading, or considering the same channel model as in our case but providing very complex outage probability expressions. Then, we provide an outage probability expression in a wideband communication context implementing the Time Reversal (TR) transmission technique considering the impact of fast fading. In a second study, we focus on multiple antenna systems. We study the performance of a Multiple Input Multiple Output (MIMO) system implementing a transmit and a receivediversity schemes namely the Alamouti code and the Maximum Ratio Combining (MRC).PARIS-Télécom ParisTech (751132302) / SudocSudocFranceF