MIMO Systems

In recent years, it was realized that the MIMO communication systems seems to be inevitable in accelerated evolution of high data rates applications due to their potential to dramatically increase the spectral efficiency and simultaneously sending individual information to the corresponding users in wireless systems. This book, intends to provide highlights of the current research topics in the field of MIMO system, to offer a snapshot of the recent advances and major issues faced today by the researchers in the MIMO related areas. The book is written by specialists working in universities and research centers all over the world to cover the fundamental principles and main advanced topics on high data rates wireless communications systems over MIMO channels. Moreover, the book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

Estudio de los efectos producidos por la modulación temporal aplicada a una agrupación de antenas en sistemas de transmisión digital

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e as Comunicacións en Redes Móbiles. 5032V0[Resumo] Os selos de identidade das comunicacións móbiles e sen fíos de hoxe en día son a demanda continua e crecente de mobilidade, capacidade e fiabilidade, xunto cun firme e definitivo compromiso coa sustentabilidade. Baixo estas premisas, as antenas intelixentes –capaces de sensar a contorna electromagnética e adaptar de xeito eficaz as súas características de radiación– están chamadas a xogar un papel crucial nas ditas comunicacións. Neste senso, os estándares sen fíos actuais consideran técnicas multi-antena encamiñadas a explotar a diversidade espacial, o multiplexado espacial e o conformado de feixe, acadando así mellores niveis de fiabilidade e capacidade. Con todo, ditas vantaxes obtéñense a expensas dun incremento da complexidade do sistema, factor non sempre asumible en termos de tamaño e eficiencia enerxética. Consecuentemente, suscítanse unha serie de retos de cara a desenvolver tecnoloxías de antena axeitadas e capaces de dar resposta ás anteriores prestacións no espazo limitado que dita a mobilidade. O concepto de agrupación de antenas modulada temporalmente (TMAs, do inglés time-modulated arrays) é unha técnica multi-antena que achega unha simplificación hardware significativa: o seu diagrama de radiación contrólase mediante a sinxela aplicación de pulsos periódicos de duración variable ás excitacións individuais da agrupación. A natureza non lineal desta operación causa a aparición de diagramas de radiación nas frecuencias harmónicas dos pulsos periódicos aplicados. A técnica pode empregarse para mellorar a topoloxía do nivel dos lóbulos secundarios do diagrama de radiación na frecuencia central e/ou para explotar de xeito proveitoso os diagramas dos harmónicos, dotando á antena de capacidades de antena intelixente. Esta tese é o resultado dunha investigación das TMAs dende unha perspectiva interdisciplinaria, é dicir, non soamente dende a óptica do diagrama de radiación ou das agrupacións de antenas, senón tamén dende un punto de vista de procesado do sinal. Máis concretamente, a tese é unha análise en profundidade da aplicación das TMAs ás comunicacións dixitais, desenvolvida en catro etapas: 1) análise matemática da posibilidade de transmitir sinais dixitais mediante TMAs, identificando as restricións para salvagardar a integridade do sinal e cuantificando a potencia radiada, 2) caracterización da taxa de erro de bit dun sistema de comunicación dixital que incorpora un TMA en recepción explotando o seu modo fundamental e considerando canles con ruído branco Gaussiano, 3) estudo das prestacións das TMAs –explotando os harmónicos– na recepción de sinais de comunicación dixitais con diversidade angular en canles multitraxecto con esvaecemento, 4) caracterización de TMAs para conformado de feixe mediante o uso de pulsos de suma de cosenos ponderados no lugar de pulsos rectangulares, chegando ás denominadas TMAs melloradas, dotadas dunha resposta superior en termos de flexibilidade e eficiencia.[Resumen] Hoy en día, los sellos de identidad de las comunicaciones inalámbricas son la demanda continua y creciente de movilidad, capacidad y fiabilidad, junto con un firme y definitivo compromiso con la sostenibilidad. Bajo estas premisas, las antenas inteligentes –capaces de sensar el entorno electromagnético y adaptar de forma eficaz sus características de radiación– están llamadas a jugar un papel crucial en dichas comunicaciones. En este sentido, los estándares inalámbricos actuales consideran técnicas multiantena encaminadas a explotar la diversidad espacial, el multiplexado espacial o el conformado de haz, alcanzando así mejores niveles de fiabilidad y capacidad. Sin embargo, dichas ventajas se obtienen a expensas de un incremento de la complejidad del sistema, factor no siempre asumible en términos de tamaño y eficiencia energética. En consecuencia, se plantean una serie de retos en el desarrollo de tecnologías de antena adecuadas, capaces de dar respuesta a las anteriores prestaciones en el espacio limitado que dicta la movilidad. El concepto de agrupación de antenas modulada temporalmente (TMAs, del inglés time-modulated arrays) es una técnica multiantena que aporta una simplificación hardware significativa: su diagrama de radiación se controla mediante la sencilla aplicación de pulsos periódicos de duración variable a las excitaciones individuales de la agrupación. La naturaleza no lineal de esta operación causa la aparición de diagramas de radiación en las frecuencias armónicas de los pulsos periódicos aplicados. La técnica se puede utilizar para mejorar la topología del nivel de los lóbulos secundarios del diagrama de radiación en la frecuencia central y/o para explotar de forma beneficiosa los diagramas de armónicos, dotando a la antena de capacidades de antena inteligente. Esta tesis es el resultado de una investigación de las TMAs desde una perspectiva interdisciplinar, es decir, no solamente desde la óptica del diagrama de radiación o de las agrupaciones de antenas, sino también desde un punto de vista de procesado de señal. Más concretamente, la tesis es un análisis en profundidad de la aplicación de las TMAs a las comunicaciones digitales, desarrollada en cuatro etapas: 1) análisis matemático de la factibilidad de transmitir señales digitales mediante TMAs, identificando las restricciones para salvaguardar la integridad de la señal y cuantificando la potencia radiada, 2) caracterización de la tasa de error de bit de un sistema de comunicación digital que incorpora una TMA en recepción explotando su modo fundamental y considerando canales con ruido blanco Gaussiano, 3) estudio de las prestaciones de las TMAs –explotando los armónicos– en la recepción de señales digitales con diversidad angular en canales multitrayecto con desvanecimiento, 4) caracterización de TMAs para conformado de haz mediante el uso de pulsos de suma de cosenos ponderados en lugar de pulsos rectangulares, llegando a las denominadas TMAs mejoradas, dotadas de una respuesta superior en términos de flexibilidad y eficiencia.[Abstract] An ever-increasing demand for higher mobility, capacity and reliability, together with a definitive compromise with sustainability, are the hallmarks of mobile and wireless communications systems nowadays. Under these premises, smart antenna devices –capable of sensing the electromagnetic environment and suitably adapting its radiation features– are correspondingly called to play a crucial role. In this sense, today’s wireless standards consider multiple-antenna techniques in order to exploit space diversity, spatial multiplexing and beamforming to achieve better levels of reliability and capacity. Such advantages, however, are obtained at the expense of increased system complexity which may be unaffordable in terms of size and energy efficiency. Consequently, some technical challenges remain to develop the adequate antenna technologies capable of supporting the aforementioned features in a limited physical space that the mobility demand dictates. The concept of time-modulated array (TMA) is a feasible multi-antenna technique that provides a significant hardware simplification: its radiated power pattern is controlled by the simple application of variable-width periodical pulses to the individual array excitations. The nonlinear nature of such an array operation causes the appearance of radiation patterns at the harmonic frequencies of the applied periodic pulses. The technique can be used for improving the side-lobe level topology of the radiation pattern at the central frequency and/or to profitably exploit the harmonic patterns in order to supply smart antenna capabilities. This thesis is the result of an investigation of TMAs from an interdisciplinary perspective, i.e., not only under a radiation pattern or an antenna array outlook but also from a signal processing point of view. More specifically, the thesis deals with an in-depth analysis of the application of TMAs in digital communications developed in four stages: 1) mathematical analysis of the feasibility of transmission of digital signals over TMAs, identifying the restrictions to safeguard the integrity of the signal and quantifying the radiated power, 2) characterization of the bit error rate of a digital communication system that incorporates a receive-TMA exploiting its fundamental mode and considering additive white Gaussian noise channels, 3) study of the performance of TMAs –exploiting their harmonics– for the angle diversity reception of digital communication signals over multipath fading channels, 4) an approach to the characterization of beamforming TMAs which use sum of weighted cosines pulses instead of rectangular ones, leading to the so-called enhanced time-modulated arrays, which endows them with a better response in terms of flexibility and efficiency

Telecommunications Networks

This book guides readers through the basics of rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations of Telecommunications Networks. It identifies and examines the most pressing research issues in Telecommunications and it contains chapters written by leading researchers, academics and industry professionals. Telecommunications Networks - Current Status and Future Trends covers surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as: IMS, eTOM, 3G/4G, optimization problems, modeling, simulation, quality of service, etc. This book, that is suitable for both PhD and master students, is organized into six sections: New Generation Networks, Quality of Services, Sensor Networks, Telecommunications, Traffic Engineering and Routing