On implementation aspects of decode and forward and compress and forward relay protocols

In this work, the common relay protocols Decode-and-Forward and Compress-and-Forward (CF) are investigated from a practical point of view: This involves on the one hand the impact of imperfections like channel and carrier phase stimation errors and on the other hand, the question of how to implement relay protocol specific signal processing like quantization for CF which is modeled in information theory simply by additive quantizer noise. To evaluate the performance, achievable rates are determined either numerically with the help of the Max-Flow Min-Cut theorem or by link level simulations.Diese Arbeit untersucht die Relay-Protokolle Decode-and-Forward und Compress-and-Forward (CF) mit dem Fokus auf einer praktischen Umsetzung. Es werden sowohl Störeinflüsse wie Kanal- und Phasenschätzfehler betrachtet als auch spezielle Kompressionsverfahren für das CF Protokoll implementiert. Von großer Bedeutung ist hier die Kompression in Form der Quantisierung, weil diese in der Informationstheorie lediglich durch Quantisierungsrauschen modelliert wird. Zur Auswertung der Leistungsfähigkeit der Protokolle werden die erzielbaren Raten entweder numerisch oder durch Simulation bestimmt

UNDERWATER COMMUNICATIONS WITH ACOUSTIC STEGANOGRAPHY: RECOVERY ANALYSIS AND MODELING

In the modern warfare environment, communication is a cornerstone of combat competence. However, the increasing threat of communications-denied environments highlights the need for communications systems with low probability of intercept and detection. This is doubly true in the subsurface environment, where communications and sonar systems can reveal the tactical location of platforms and capabilities, subverting their covert mission set. A steganographic communication scheme that leverages existing technologies and unexpected data carriers is a feasible means of increasing assurance of communications, even in denied environments. This research works toward a covert communication system by determining and comparing novel symbol recovery schemes to extract data from a signal transmitted under a steganographic technique and interfered with by a simulated underwater acoustic channel. We apply techniques for reliably extracting imperceptible information from unremarkable acoustic events robust to the variability of the hostile operating environment. The system is evaluated based on performance metrics, such as transmission rate and bit error rate, and we show that our scheme is sufficient to conduct covert communications through acoustic transmissions, though we do not solve the problems of synchronization or equalization.Lieutenant, United States NavyApproved for public release. Distribution is unlimited

Polynomial matrix decomposition techniques for frequency selective MIMO channels

For a narrowband, instantaneous mixing multi-input, multi-output (MIMO) communications system, the channel is represented as a scalar matrix. In this scenario, singular value decomposition (SVD) provides a number of independent spatial subchannels which can be used to enhance data rates or to increase diversity. Alternatively, a QR decomposition can be used to reduce the MIMO channel equalization problem to a set of single channel equalization problems. In the case of a frequency selective MIMO system, the multipath channel is represented as a polynomial matrix. Thus conventional matrix decomposition techniques can no longer be applied. The traditional solution to this broadband problem is to reduce it to narrowband form by using a discrete Fourier transform (DFT) to split the broadband channel into N narrow uniformly spaced frequency bands and applying scalar decomposition techniques within each band. This describes an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based system. However, a novel algorithm has been developed for calculating the eigenvalue decomposition of a para-Hermitian polynomial matrix, known as the sequential best rotation (SBR2) algorithm. SBR2 and its QR based derivatives allow a true polynomial singular value and QR decomposition to be formulated. The application of these algorithms within frequency selective MIMO systems results in a fundamentally new approach to exploiting spatial diversity. Polynomial matrix decomposition and OFDM based solutions are compared for a wide variety of broadband MIMO communication systems. SVD is used to create a robust, high gain communications channel for ultra low signal-to-noise ratio (SNR) environments. Due to the frequency selective nature of the channels produced by polynomial matrix decomposition, additional processing is required at the receiver resulting in two distinct equalization techniques based around turbo and Viterbi equalization. The proposed approach is found to provide identical performance to that of an existing OFDM scheme while supporting a wider range of access schemes. This work is then extended to QR decomposition based communications systems, where the proposed polynomial approach is found to not only provide superior bit-error-rate (BER) performance but significantly reduce the complexity of transmitter design. Finally both techniques are combined to create a nulti-user MIMO system that provides superior BER performance over an OFDM based scheme. Throughout the work the robustness of the proposed scheme to channel state information (CSI) error is considered, resulting in a rigorous demonstration of the capabilities of the polynomial approach

Expectation propagation as a solution for digital communication systems.

In the context of digital communications, a digital receiver is required to provide an estimation of the transmitted symbols. Nowadays channel decoders highly benefit from soft (probabilistic) estimates for each transmitted symbol rather than from hard decisions. For this reason, digital receivers must be designed to provide the probability that each possible symbol was transmitted based on the received corrupted signal. Since exact inference might be unfeasible in terms of complexity for high-order scenarios, it is necessary to resort to approximate inference, such as the linear minimum mean square error (LMMSE) criterion. The LMMSE approximates the discrete prior information of the transmitted symbols with a Gaussian distribution, which causes a degradation in its performance. In this thesis, an alternative approximate statistical technique is applied to the design of a digital probabilistic receiver in digital communications. Specifically, the expectation propagation (EP) algorithm is investigated to find the Gaussian posterior probability density function (pdf) that minimizes the Kullback-Leibler (KL) divergence with respect to the true posterior pdf. Two different communication system scenarios are studied: a single-input singleoutput (SISO) digital communication system with memory channel and a multipleinput multiple-output (MIMO) system with memoryless channel. In the SISO scenario, three different designs of a soft standalone and turbo equalizer based on the EP algorithm are developed: the block or batch approach, the filter-type version that emulates theWiener filter behavior and the smoothing equalizer which proceeds similarly to a Kalman smoother. Finally, the block EP implementation is also adapted to MIMO scenarios with feedback from the decoder. In both scenarios, the EP is applied iteratively, including a damping mechanism and a control to avoid negative values of variances, which would lead to instabilities (specially for high-order constellations). Experimental results included through the thesis show that the EP algorithm applied to communication systems greatly improves the performance of previous approaches found in the literature with a complexity slightly increased but still proportional to that of the LMMSE. These results also show the robustness of the algorithm even for high-order modulations, large memory channels and high number of antennas. Major contributions of this dissertation have been published in four journal (one of them is still under review) and two conference papers. One more paper will be submitted to a journal soon. All these papers are listed below: • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, Rafael Boloix-Tortosa, Eva Arias de Reyna and Pablo M. Olmos, "Expectation Propagation as Turbo Equalizer in ISI Channels," IEEE Transactions on Communications, vol. 65, no.1, pp. 360-370, Jan 2017. • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, Eva Arias de Reyna and Pablo M. Olmos, "Turbo EP-based Equalization: a Filter-Type Implementation," IEEE Transactions on Communications, Sep 2017, Accepted. [Online] Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/8353388/ • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, Eva Arias-de-Reyna and Pablo M. Olmos, "Probabilistic Equalization With a Smoothing Expectation Propagation Approach," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 5, pp. 2950-2962, May 2017. • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes and Eva Arias-de-Reyna, "Equalization with Expectation Propagation at Smoothing Level," To be submitted. [Online] Available: https://arxiv.org/abs/1809.00806 • Irene Santos and Juan José Murillo-Fuentes, "EP-based turbo detection for MIMO receivers and large-scale systems," IEEE Transactions on Vehicular Technology, May 2018, Under review. [Online] Available: https://arxiv.org/abs/1805.05065 • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, and Pablo M. Olmos, "Block expectation propagation equalization for ISI channels," 23rd European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2015), Nice, 2015, pp. 379-383. • Irene Santos, and Juan José Murillo-Fuentes, "Improved probabilistic EPbased receiver for MIMO systems and high-order modulations," XXXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2018), Granada, 2018.En el ámbito de las comunicaciones digitales, es necesario un receptor digital que proporcione una estimación de los símbolos transmitidos. Los decodificadores de canal actuales se benefician enormemente de estimaciones suaves (probabilísticas) de cada símbolo transmitido, en vez de estimaciones duras. Por este motivo, los receptores digitales deben diseñarse para proporcionar la probabilidad de cada posible símbolo que fue transmitido en base a la señal recibida y corrupta. Dado que la inferencia exacta puede no ser posible en términos de complejidad para escenarios de alto orden, es necesario recurrir a inferencia aproximada, como por ejemplo el criterio de linear minimum-mean-square-error (LMMSE). El LMMSE aproxima la información a priori discreta de los símbolos transmitidos con una distribución Gaussiana, lo cual provoca una degradación en su resultado. En esta tesis, se aplica una técnica alternativa de inferencia estadística para diseñar un receptor digital probabilístico de comunicaciones digitales. En concreto, se investiga el algoritmo expectation propagation (EP) con el objetivo de encontrar la función densidad de probabilidad (pdf) a posteriori Gaussiana que minimiza la divergencia de Kullback-Leibler (KL) con respecto a la pdf a posteriori verdadera. Se estudian dos escenarios de comunicaciones digitales diferentes: un sistema de comunicaciones single-input single-output (SISO) con canales con memoria y un sistema multiple-input multiple-output (MIMO) con canales sin memoria. Para el escenario SISO se proponen tres diseños diferentes para un igualador probabilístico, tanto simple como turbo, que está basado en el algoritmo EP: una versión bloque, una versión filtrada que emula el comportamiento de un filtroWiener y una versión smoothing que funciona de forma similar a un Kalman smoother. Finalmente, la implementación del EP en bloque se adapta también para escenarios MIMO con realimentación desde el decodificador. En ambos escenarios, el EP se aplica de forma iterativa, incluyendo un mecanismo de damping y un control para evitar valores de varianzas negativas, que darían lugar a inestabilidades (especialmente, en constelaciones de alto orden). Los resultados experimentales que se incluyen en la tesis muestran que, cuando el algoritmo EP se aplica a sistemas de comunicaciones, se mejora notablemente el resultado de otras propuestas anteriores que existen en la literatura, con un pequeño incremento de la complejidad que es proporcional a la carga del LMMSE. Estos resultados también demuestran la robustez del algoritmo incluso para modulaciones de alto orden, canales con bastante memoria y un gran número de antenas. Las principales contribuciones de esta tesis se han publicado en cuatro artículos de revista (uno de ellos todavía bajo revisión) y dos artículos de conferencia. Otro artículo adicional se encuentra en preparación y se enviaría próximamente a una revista. Estos se citan a continuación: • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, Rafael Boloix-Tortosa, Eva Arias de Reyna and Pablo M. Olmos, "Expectation Propagation as Turbo Equalizer in ISI Channels," IEEE Transactions on Communications, vol. 65, no.1, pp. 360-370, Jan 2017. • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, Eva Arias de Reyna and Pablo M. Olmos, "Turbo EP-based Equalization: a Filter-Type Implementation," IEEE Transactions on Communications, Sep 2017, Aceptado. [Online] Disponible: https://ieeexplore.ieee.org/document/8353388/ • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, Eva Arias-de-Reyna and Pablo M. Olmos, "Probabilistic Equalization With a Smoothing Expectation Propagation Approach," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 5, pp. 2950-2962, May 2017. • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes and Eva Arias-de-Reyna, "Equalization with Expectation Propagation at Smoothing Level," En preparación. [Online] Disponible: https://arxiv.org/abs/1809.00806 • Irene Santos and Juan José Murillo-Fuentes, "EP-based turbo detection for MIMO receivers and large-scale systems," IEEE Transactions on Vehicular Technology, May 2018, En revisión. [Online] Disponible: https://arxiv.org/abs/1805.05065 • Irene Santos, Juan José Murillo-Fuentes, and Pablo M. Olmos, "Block expectation propagation equalization for ISI channels," 23rd European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2015), Nice, 2015, pp. 379-383. • Irene Santos, and Juan José Murillo-Fuentes, "Improved probabilistic EPbased receiver for MIMO systems and high-order modulations," XXXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2018), Granada, 2018

Application of Visual Simulation in Communication Systems

A communications system is a collection of individual communications networks, transmission systems, relay stations, tributary stations, and data terminal equipment (DTE) usually capable of interconnection and interoperation to form an integrated whole. The components of a communications system serve a common purpose, are technically compatible, use common procedures, respond to controls, and operate in unison. A typical communication link includes, at a minimum, three key elements: a transmitter, a communication medium (or channel), and a receiver. The ability to simulate all three of these elements is required in order to successfully model any end-to-end communication system. In order to achieve this target we have used a simulation software “VisSim” ,or Visual Simulator ,that allows us to use a graphical approach to simulation and modeling. With graphical programming, the diagram is the source code, depicted as an arrangement of nodes connected by wires. Each piece of data flows through the wires, to be consumed by nodes that transform the data mathematically or perform some action such as I/O. The visual simulator allows us to model end-to-end communication systems at the signal or physical level. We use VisSim/ Comm to build both transmitter and receiver models, filters and equalizers, as well as channel models and coding techniques from a first principles perspective, by selecting and connecting predefined blocks. In this project work we simulate a variety of models including analog, digital and mixed mode designs, and quickly simulate their behavior using the VisSim/Comm software and graphical programming

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