On geometry-base statistical channel models for MIMO wireles communications

El uso de sistemas de comunicación de banda ancha de múltiple entradamúltiple salida (Multiple Input Multiple Output MIMO) es actualmente objeto de un interés considerable. Una razón para esto es el reciente desarrollo de sistemas de comunicación móvil de tercera generación (3G) y superiores, tales como la tecnología de banda ancha Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA, por sus siglas en inglés), la cual proporciona canales de radio de 5 MHz de ancho de banda. Para el diseño y la simulación de estos sistemas de radio móviles que usan propagación inalámbrica MIMO (como Wideband-CDMA por ejemplo), necesitamos modelos de canal que provean la requerida información espacial y temporal necesaria para el estudio de tales sistemas, esto es, los parámetros básicos de modelado en los dominios del espacio y el tiempo. Como ejemplo podemos mencionar, el valor cuadrático medio de la dispersión del retardo (Delay spread DS) el cual está directamente relacionado a la capacidad de un sistema de comunicación específico y nos da una idea aproximada de la complejidad del receptor. En esta tesis, se propone un modelo basado en geometría con enfoque en grupos (clusters) y es utilizado para el análisis en los dominios del espacio y el tiempo para condiciones estacionarias, y para representar los perfiles de potencia-angulo-retardo (Power Delay Angle Profiles PDAPs) de los componentes multi-trayectoria en ambientes urbanos. Además, se han derivado soluciones en formas cerradas para las expresiones en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo. La investigación previa sobre el modelado de canales cubre una amplia variedad de aspectos en varios niveles de detalle, incluyendo análisis para condiciones no estacionarias. Sin embargo el trabajo presentado en la literatura no incluye las relaciones entre los grupos (cluster) físicos y los PDAPs. El modelo propuesto basado en grupos (clusters) puede ser usado para mejorar aún más el desempeño en condiciones estacionarias de los sistemas de comunicaciones móviles actuales y futuros tales como los sistemas de comunicación MIMO de banda ancha. En la tesis también se presenta un análisis en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo respectivamente, a través de las funciones densidad de probabilidad (PDF) de la dirección de llegada (Direction of Arrival DOA) y el tiempo de llegada (Time of Arrival TOA) para el modelo basado en grupos. A fin de evaluar las funciones de probabilidad teóricas derivadas, éstas han sido comparadas con resultados experimentales publicados en la literatura. La comparación con estos resultados experimentales muestran una buena concordancia, no obstante la técnica de modelado presentada en esta tesis se encuentra limitada a condiciones estacionarias del canal. La condición de no estacionariedad se ubica más allá del alcance de esta tesis, es decir, el modelo propuesto no incorpora el efecto Doppler en los análisis

Bounding the Practical Error of Path Loss Models

We seek to provide practical lower bounds on the prediction accuracy of path loss models. We describe and implement 30 propagation models of varying popularity that have been proposed over the last 70 years. Our analysis is performed using a large corpus of measurements collected on production networks operating in the 2.4 GHz ISM, 5.8 GHz UNII, and 900 MHz ISM bands in a diverse set of rural and urban environments. We find that the landscape of path loss models is precarious: typical best-case performance accuracy of these models is on the order of 12–15 dB root mean square error (RMSE) and in practice it can be much worse. Models that can be tuned with measurements and explicit data fitting approaches enable a reduction in RMSE to 8-9 dB. These bounds on modeling error appear to be relatively constant, even in differing environments and at differing frequencies. Based on our findings, we recommend the use of a few well-accepted and well-performing standard models in scenarios where a priori predictions are needed and argue for the use of well-validated, measurement-driven methods whenever possible

Macroscopic Diversity Applications of Mult-input Multi-output (Mimo) Systems for Broadband Mobile Communication

Electrical Engineerin

Virtual SATCOM, Long Range Broadband Digital Communications

The current naval strategy is based on a distributed force, networked together with high-speed communications that enable operations as an intelligent, fast maneuvering force. Satellites, the existing network connector, are weak and vulnerable to attack. HF is an alternative, but it does not have the information throughput to meet the distributed warfighting need. The US Navy does not have a solution to reduce dependency on space-based communication systems while providing the warfighter with the required information speed. Virtual SATCOM is a solution that can match satellite communications (SATCOM) data speed without the vulnerable satellite. It is wireless communication on a High Frequency (HF) channel at SATCOM speed. We have developed an innovative design using high power and gain, ground-based relay systems. We transmit extremely wide-wideband HF channels from ground stations using large directional antennas. Our system starts with a highly directional antenna with a narrow beam that enables increased bandwidth without interfering with other spectrum users. The beam focus and power provide a high SNR across a wideband channel with data rates of 10 Mbps; 1000 times increase in HF data speed. Our modeling of the ionosphere shows that the ionosphere has more than adequate bandwidth to communicate at 3000 km and high speeds while avoiding detection. We designed a flexible structure adjustable to the dynamic ionosphere. Our design provides a high-speed communications path without the geo-location vulnerability of legacy HF methods. Our invention will benefit mobile users using steerable beam forming apertures with wide bandwidth signals. This dissertation will focus on three areas: an examination of the ionosphere’s ability to support the channel, design of a phased array antenna that can produce the narrow beam, and design of signal processing that can accommodate the wideband HF frequency range. Virtual SATCOM is exciting research that can reduce cost and increase access to long-range, high data rate wireless communications