OFDMA/SC-FDMA aided space-time shift keying for dispersive multi-user scenarios

Motivated by the recent concept of Space-Time Shift Keying (STSK) developed for achieving a flexible diversity versus multiplexing gain trade-off, we propose a novel Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)/Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) aided multi-user STSK scheme for frequency-selective channels. The proposed OFDMA/SC-FDMA STSK scheme is capable of providing an improved performance in dispersive channels, while supporting multiple users in a multiple antenna aided wireless system. Furthermore, the scheme has the inherent potential of benefitting from the low-complexity single-stream Maximum-likelihood (ML) detector. Both an uncoded and a sophisticated near-capacity coded OFDMA/SC-FDMA STSK scheme were studied and their performances were compared in multiuser wideband Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) scenarios. Explicitly, OFDMA/SC-FDMA aided STSK exhibits an excellent performance even in the presence of channel impairments due to the frequency-selectivity of wideband channels and proves to be a beneficial choice for high capacity multi-user MIMO systems

Detection and processing of phase modulated optical signals at 40 Gbit/s and beyond

This thesis addresses demodulation in direct detection systems and signal processing of high speed phase modulated signals in future all-optical wavelength division multiplexing (WDM) communication systems where differential phase shift keying (DPSK) or differential quadrature phase shift keying (DQPSK) are used to transport information. All-optical network functionalities -such as optical labeling, wavelength conversion and signal regeneration- are experimentally investigated. Direct detection of phase modulated signals requires phase-to-intensity modulation conversion in a demodulator at the receiver side. This is typically implemented in a one bit delay Mach-Zehnder interferometer (MZI). Two alternative ways of performing phase-to-intensity modulation conversion are presented. Successful demodulation of DPSK signals up to 40 Gbit/s is demonstrated using the proposed two devices. Optical labeling has been proposed as an efficient way to implement packet routing and forwarding functionalities in future IP-over-WDM networks. An in-band subcarrier multiplexing (SCM) labeled signal using 40 Gbit/s DSPK payload and 25 Mbit/s non return-to-zero(NRZ) SCM label, is successfully transmitted over 80 km post-compensated non-zero dispersion shifted fiber (NZDSF) span. Using orthogonal labeling, an amplitude shift keying (ASK)/DPSK labeled signal using 40 Gbit/s return-to-zero (RZ) payload and 2.5 Gbit/s DPSK label, is generated. WDM transmission and label swapping are demonstrated for such a signal. In future all-optical WDM networks, wavelength conversion is an essential functionality to provide wavelength flexibility and avoid wavelength blocking. Using a 50 m long highly nonlinear photonic crystal fiber (HNL-PCF), with a simple four-wave mixing (FWM) scheme, wavelength conversion of single channel and multi-channel high-speed DPSK signals is presented. Wavelength conversion of an 80 Gbit/s RZ-DPSK-ASK signal generated by combining different modulation formats is also reported. Amplitude distortion accumulated over transmission spans will eventually be converted into nonlinear phase noise, and consequently degrade the performance of systems making use of RZ-DPSK format. All-optical signal regeneration avoiding O-E-O conversion is desired to improve signal quality in ultra long-haul transmission systems. Proof-of-principle numerical simulation results are provided, that suggest the amplitude regeneration capability based on FWM in a highly nonlinear fiber (HNLF). The first reported experimental demonstration of amplitude equalization of 40 Gbit/s RZ-DPSK signals using a 500 m long HNLF is presented. Using four possible phase levels to carry the information, DQPSK allows generation of high-speed optical signals at bit rate that is twice the operating speed of the electronics involved. Generation of an 80 Gbit/s DQPSK signal is demonstrated using 40 Gbit/s equipment. The first demonstration of wavelength conversion of such a high-speed signal is implemented using FWM in a 1 km long HNLF. No indication of error floor is observed. Using polarization multiplexing and combination of DQPSK with ASK and RZ pulse carving at a symbol rate of 40 Gbaud, a 240 Gbit/s RZ-DQPSK-ASK signal is generated and transmitted over 50 km fiber span with no power penalty. In summary, we show that direct detection and all-optical signal processing -including optical labeling, wavelength conversion and signal regeneration- that already have been studied intensively for signals using conventional on-off keying (OOK) format, can also be successfully implemented for high-speed phase modulated signals. The results obtained in this work are believed to enhance the feasibility of phase modulation in future ultra-high speed spectrally efficient optical communication systems

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

On the physical layer security characteristics for MIMO-SVD techniques for SC-FDE schemes

partially supported by the FCT -Fundacao para a Ciencia e Tecnologia and Instituto de Telecomunicacoes under projects UID/EEA/50008/2019. PES3N POCI-01-0145-FEDER-030629.Multi-Input, Multi-Output (MIMO) techniques are seeing widespread usage in wireless communication systems due to their large capacity gains. On the other hand, security is a concern of any wireless system, which can make schemes that implement physical layer security key in assuring secure communications. In this paper, we study the physical layer security issues of MIMO with Singular Value Decomposition (SVD) schemes, employed along with Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization (SC-FDE) techniques. More concretely. the security potential against an unintended eavesdropper is analysed, and it is shown that the higher the distance between the eavesdropper and the transmitter or receiver, the higher the secrecy rate. In addition, in a scenario where there is Line of Sight (LOS) between all users, it is shown that the secrecy rate can be even higher than in the previous scenario. Therefore, MIMO-SVD schemes combined with SC-FDE can be an efficient option for highly secure MIMO communications.publishersversionpublishe

PERFORMANCE EVALUATION OF A MULTICARRIER MIMO SYSTEM BASED ON DFT-PRECODING AND SUBCARRIER MAPPING

The ever-increasing end user demands are instigating the development of innovative methods targeting not only data rate enhancement but additionally better service quality in each subsequent wireless communication standard. This quest to achieve higher data rates has compelled the next generation communication technologies to use multicarrier systems e.g. orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), while also relying on the multiple-input multiple-output (MIMO) technology. This paper is focused on implementing a MIMO-OFDM system and on using various techniques to optimize it in terms of the bit-error rate performance. The test case considered is a system implementation constituting the enabling technologies for 4G and beyond communication systems. The bit-error rate optimizations considered are based on preceding the OFDM modulation step by Discrete Fourier Transform (DFT) while also considering various subcarrier mapping schemes. MATLAB-based simulation of a 2 × 2 MIMO-OFDM system exhibits a maximum of 2 to 5 orders of magnitude reduction in bit-error rate due to DFT-precoding and subcarrier mapping respectively at high signal-to-noise ratio values in various environments. A 2-3dBs reduction in peak-to-average power ratio due to DFT-precoding in different environments is also exhibited in the various simulations