The Multi-Input Multi-Output (MIMO) Channel Modeling, Simulation and Applications

This thesis mainly focus on the Multi-Input Multi-Output (MIMO) channel modeling, simulation and applications. There are several ways to design a MIMO channel. Most of the examples are given in Chapter 2, where we can design channels based on the environments and also based on other conditions. One of the new MIMO channel designs based on physical and virtual channel design is discussed in Unitary-Independent- Unitary (UIU) channel modeling. For completeness, the different types of capacity are discussed in details. The capacity is very important in wireless communication. By understanding the details behind different capacity, we can improve our transmission efficiently and effectively. The level crossing rate and average duration are discussed.One of the most important topics in MIMO wireless communication is estimation. Without having the right estimation in channel prediction, the performance will not be correct. The channel estimation error on the performance of the Alamouti code was discussed. The design of the transmitter, the channel and the receiver for this system model is shown. The two different types of decoding scheme were shown - the linear combining scheme and the Maximum likelihood (ML) decoder. Once the reader understands the estimation of the MIMO channel, the estimation based on different antenna correlation is discussed. Next, the model for Mobile-to-Mobile (M2M) MIMO communication link is proposed. The old M2M Sum-of-Sinusoids simulation model and the new two ring models are discussed. As the last step, the fading channel modeling using AR model is derived and the effect of ill-conditioning of the Yule-Walker equation is also shown. A number of applications is presented to show how the performance can be evaluated using the proposed model and techniques

Performance analysis of multi-antenna and multi-user methods for 3G and beyond

Performance of cellular networks has become an issue with forecasted growing public demand for medium and high data rate services. Motivated by these expectations multi-antenna techniques such as transmit diversity (TD), channel-aware scheduling and multiple-input multiple-output (MIMO) transceivers have received a lot of enthusiasm within wireless communications community. We first focus on closed-loop (CL) TD and introduce extended mode 1 and 2 (e-mode 1 and 2) algorithms that are designed based on universal terrestrial radio access (UTRA) frequency division duplex (FDD) CL mode 1 and 2. We derive analytical performance results for e-mode 1 and 2 in terms of signal to noise ratio (SNR) gain, link capacity and bit error probability (BEP). We also consider the effect of feedback errors to the performance of closed-loop system. In the analysis of channel-aware scheduling we focus on on-off scheduling (OOS) where user's feedback consists of only a single bit. Performance results in both downlink and uplink clearly indicate that most of the achievable gain from channel-aware scheduling can be obtained with very scarce channel state information (CSI). Results also show that the design of feedback channel is of great importance because feedback errors may seriously degrade the system performance. The third topic of the thesis concentrates on MIMO techniques that can be implemented in UTRA FDD uplink without major revisions to the current air interface. We show that the UTRA FDD uplink coverage and capacity performance can be boosted by single-input multiple-output (SIMO) and MIMO transceivers. The information MIMO employing parallel multiplexing instead of transmit diversity shows its potential when extremely high user data rates are needed.Solukkoverkkojen suorituskyky on noussut tärkeään rooliin nopeiden datapalveluiden kasvuennusteiden myötä. Näiden kasvuodotusten perusteella moniantennitekniikat kuten lähetysdiversiteetti, kanavan huomioon ottava lähetyksen aikataulutus sekä useaa samanaikaista datavirtaa tukevat lähetinvastaanotinmenetelmät ovat saaneet osakseen paljon kiinnostusta langattoman tietoliikenteen tutkijayhteisössä. Tutkimuksessa keskitytään aluksi suljettua säätöä käyttäviin lähetysdiversiteettimenetelmiin, missä yhteydessä esitellään laajennetut moodien 1 ja 2 algoritmit, jotka on aiemmin kehitetty kolmannen sukupolven WCDMA järjestelmän suljetun säädön moodien 1 ja 2 pohjalta. Laajennetuille moodien 1 ja 2 algoritmeille johdetaan analyyttisiä suorituskykytuloksia käyttäen mittarina signaali-kohinasuhteen parannusta, linkin kapasiteettia sekä bittivirheiden todennäköisyyttä. Myös säätövirheiden vaikutusta järjestelmän suorituskykyyn tarkastellaan. Lähetyksen aikataulutuksen analyysi painottuu kytkettyyn aikataulutukseen, missä käyttäjän säätöinformaatio sisältyy yhteen bittiin. Sekä ylä- että alalinkin suorituskykytulokset osoittavat selvästi, että suurin osa mahdollisesta parannuksesta voidaan saavuttaa hyvin karkeaan kanavatilan informaatioon perustuen. Tulokset osoittavat myös, että säätökanavan suunnittelu on tärkeää, koska säätövirheet voivat vakavasti heikentää järjestelmän suorituskykyä. Kolmannessa aihealueessa keskitytään moniantennitekniikoihin, jotka voidaan toteuttaa WCDMA järjestelmän ylälinkissä ilman perustavanlaatuisia muutoksia nykyiseen ilmarajapintaan. Tutkimuksessa osoitetaan, että ylälinkin peittoa ja kapasiteettia voidaan parantaa tutkituilla moniantennitekniikoilla olipa lähettimessä yksi tai useampia antenneja. Menetelmä, jossa informaatio jaetaan useisiin rinnakkaisiin datavirtoihin sen sijaan että käytettäisiin vain yhtä datavirtaa, osoittautuu erityisen lupaavaksi kun tarvitaan hyvin nopeita tiedonsiirtoyhteyksiä.reviewe