Intercarrier Interference Suppression for the OFDM Systems in Time-Varying Multipath Fading Channels

Due to its spectral efficiency and robustness over the multipath channels, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has served as one of the major modulation schemes for the modern communication systems. In the future, the wireless OFDM systems are expected to operate at high carrier-frequencies, high speed and high throughput mobile reception, where the fasting time-varying fading channels are encountered. The channel variation destroys the orthogonality among the subcarriers and leads to the intercarrier interference (ICI). ICI poses a significant limitation to the wireless OFDM systems. The aim of this dissertation is to find an efficient method of providing reliable communication using OFDM in the fast time-varying fading channel scenarios. First, we investigate the OFDM performance in the situation of time-varying mobile channels in the presence of multiple Doppler frequency shifts. A new mathematical framework of the ICI effect is derived. The simulation results show that ICI induces an irreducible error probability floor, which in proportional to the Doppler frequency shifts. Furthermore, it is observed that ICI power arises from a few adjacent subcarriers. This observation motivates us to design the low-complexity Q-tap equalizers, namely, Minimum Mean Square Error (MMSE) linear equalizer and Decision Feedback (DF) non-linear equalizer to mitigate the ICI. Simulation results show that both Q-tap equalizers can improve the system performance in the sense of symbol error rate (SER). To employ these equalizers, the channel state information is also required. In this dissertation, we also design a pilot-aided channel estimation via Wiener filtering for a time-varying Wide-sense Stationary Uncorrelated Scatterers (WSSUS) channel model. The channel estimator utilizes that channel statistical properties. Our proposed low-complexity ICI suppression scheme, which incorporates the Q-tap equalizer with our proposed channel estimator, can significantly improve the performance of the OFDM systems in a fast time-varying fading channels. At the last part of the dissertation, an alternative ICI mitigation approach, which is based on the ICI self-cancellation coding, is also discussed. The EM-based approach, which solves the phase and amplitude ambiguities associated with this approach, is also introduced

Performance characterization of long-distance digital microwave radio systems

Imperial Users onl

Design and development of mobile channel simulators using digital signal processing techniques

A mobile channel simulator can be constructed either in the time domain using a tapped delay line filter or in the frequency domain using the time variant transfer function of the channel. Transfer function modelling has many advantages over impulse response modelling. Although the transfer function channel model has been envisaged by several researchers as an alternative to the commonly employed tapped delay line model, so far it has not been implemented. In this work, channel simulators for single carrier and multicarrier OFDM system based on time variant transfer function of the channel have been designed and implemented using DSP techniques in SIMULINK. For a single carrier system, the simulator was based on Bello's transfer function channel model. Bello speculated that about 10Βτ(_MAX) frequency domain branches might result in a very good approximation of the channel (where в is the signal bandwidth and τ(_MAX) is the maximum excess delay of the multi-path channel). The simulation results showed that 10Bτ(_MAX) branches gave close agreement with the tapped delay line model(where Be is the coherence bandwidth). This number is π times higher than the previously speculated 10Bτ(_MAX).For multicarrier OFDM system, the simulator was based on the physical (PHY) layer standard for IEEE 802.16-2004 Wireless Metropolitan Area Network (WirelessMAN) and employed measured channel transfer functions at the 2.5 GHz and 3.5 GHz bands in the simulations. The channel was implemented in the frequency domain by carrying out point wise multiplication of the spectrum of OFDM time The simulator was employed to study BER performance of rate 1/2 and rate 3/4 coded systems with QPSK and 16-QAM constellations under a variety of measured channel transfer functions. The performance over the frequency selective channel mainly depended upon the frequency domain fading and the channel coding rate

Mac-Phy Cross-Layer analysis and design of Mimo-Ofdm Wlans based on fast link adaptation

The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying channel conditions. In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption (FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS) for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service (QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER). To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the exponential effective SNRmetric (EESM). The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed- loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a noticeable degradation in throughput. At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout strategy that weighs down the influence of the available channel information as this becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring the instant in which the channel state information is acquired and that in which the channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access scheme (Basic Access or RTS/CTS). Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are available)La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte les condicions canviants del canal. En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena. L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva exponencial (EESM). El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió, poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el rendiment en termes de throughput. A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet, nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic Access i RTS/CTS). Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació, mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més 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 així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples 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 optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas 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 más 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 así 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 últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (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 transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica 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 también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples 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

Contribution to the Rapid Acquisition of Signals for UWB Communication Systems

Ultra Wide-band is a promising technology for future short-range wireless communications with high data rate. In generally, one of the biggest difficult tasks for researchers today is the acquisition task of signals, where they are looking through different tools for getting a good quality of transmission; the phenomenon of multipath always stands up in the front as the first problem to be faced. When we talk about the Ultra Wide Band (UWB) signals, the problem becomes more complicated due to ultrashort impulses duration used by this kind of signals that causes the generation of paths by huge numbers. In this thesis, to address the task mentioned above, the study is subdivided into two aspects. The first one is the UWB channel estimation that we have done to have information about the amplitudes and the delays of the paths. For this purpose, a maximum likelihood method is used to find the amplitudes and the delays estimate using two estimation contexts: Data Aided (DA) and Non-Data-Aided (NDA). In the second aspect, various parameters affecting the acquisition of signals are evaluated. Furthermore, several contributions in the framework of a new strategy based on an Intelligent Controlling System (ICS) are done and detailed in this thesis for the first once. This system is characterised by its flexibility through two techniques, one that allows to users to communicate even with different M-ary PPM levels at the same time. Another technique that gives the flexibility for dealing with the phenomenon of multipath, where this latter is combated through manipulating the modulation’s levels via the ICS to achieve a rapid acquisition of UWB signals

Interface air pour systèmes de navigation en bande S : étude détaillée des signaux OFDM

Positioning in urban or indoor environment is a hot topic, either due to regulations such as the E911 requiring US mobile telecommunication operators to be able to locate their subscribers in case of emergency, or due to the market development, with the extension of location - based services targeting the mass market concentrated in metropolitan areas. In urban or indoor areas, it is generally recognized that satellite - based positioning systems are not suitable (alone) to provide a continuous, reliable and accurate position to the user. Therefore, alternative positioning techniques may be useful to complement or replace satellite positioning in these environments. This PhD study ha s studied the possibility of using a mobile TV system based on the DVB - SH standard as system of opportunity for positioning. The advantage s of using a DVB - SH system for positioning are multiple. First, such system has a good availability in metropolitan areas, including indoor. Secondly, the emitters are synchronized and their density should be sufficient to track signals from several emitters simultaneously. This opens the possibility of using timing measurements from several emitters to find a position by trilateration . Also, the large bandwidth of the TV signal, required for the transmission of video content, should be beneficial for the accuracy of the timing measurements and for the robustness against multipath . Therefore, DVB - SH system seems to be an interesting candidate as system of opportunity for positioning. However, several challenges are to be solved for such a solution to be relevant. First, the signals propagate in the urban environment, which creates challenging conditions for positioning su ch as strong power fading, blockage of the desired line - of - sight signal or large echoes. Secondly, the DVB - SH standard uses an OFDM modulation, which has not been studied for positioning purpose. Therefore, techniques for fine tracking of the first receive d signal replica will have to be developed. Finally, a particularity of modern broadcast system is the use of a Single Frequency Network, in which all emitters send the same signal on the same carrier frequency. Therefore emitter identification in a Single Frequency will be another issue to be solved. This PhD study has proved the feasibility of positioning using DVB - SH signals. The main contributions of this work are the propositions of (1) an OFDM signal delay tracking method working in urban propagation channels, and (2) a modification to the network deployment permitting emitter identification and (3) a first assessment of the position accuracy using the proposed algorithms. These two methods have very low impact on the initial TV broadcasting service if the right set of signal parameters is chosen: no signal modification is required and the network deployment modification uses a feature already present in the DVB - SH standard. The positioning method was simulated using real urban propagation channel measurements. The obtained position has root mean square error of 4 0m. The main error contribution comes from tracking a non - line - of - sight signal. Further work would be required to deal with this issue, which would lower the position root mean square error to 7 m, which has been locally observed in the simulation for good tracking conditionsLe positionnement en environnement urbain est un domaine de recherche actif, de par la croissance des services grand public liées à la localisation, et à cause de réglementations émergentes liées aux situations d'urgence (E911). En environnement urbain ou à l'intérieur des bâtiments, il est communément admis que les systèmes de positionnement basés sur des satellites ne sont pas suffisants pour fournir une position précise, fiable et de manière continue. Des techniques de positionnement alternatives sont donc développées afin de remplacer ou compléter les systèmes de positionnement par satellite. Cette thèse étudie la possibilité de fournir un service de positionnement utilisant un futur système de diffusion de télévison vers les mobiles basé sur le standard DVB-SH. Le principal attrait de ce système pour du positionnement est sa bonne couverture en milieu urbain, ainsi que l'utilisation d'un réseau d'émetteurs synchronisés. Il est donc possible d'employer des mesures de temps d'arrivée des signaux afin de réaliser une triangulation pour calculer la position d'un récepteur. Afin de fournir ce service innovant, des techniques spécifiques d'estimation de pseudo-distance et d'identification d'émetteurs ont été développées dans le cadre de cette thèse. Le principal résultat de cette étude est d'avoir montré la faisabilité du positionnement utilisant un système DVB-SH, ne nécessitant que de légères modifications du système qui n'apportent aucune dégradation auservice de diffusion TV. De premières simulations ont montré une précision de positionnement autour de 40m en utilisant des mesures réalistes de canal de propagation urbain

Joint signal detection and channel estimation in rank-deficient MIMO systems

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient