Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services

221 p.[EN]Since the first broadcasted TV signal was transmitted in the early decades of the past century, the television broadcasting industry has experienced a series of dramatic changes. Most recently, following the evolution from analogue to digital systems, the digital dividend has become one of the main concerns of the broadcasting industry. In fact, there are many international spectrum authorities reclaiming part of the broadcasting spectrum to satisfy the growing demand of other services, such as broadband wireless services, arguing that the TV services are not very spectrum-efficient. Apart from that, it must be taken into account that, even if up to now the mobile broadcasting has not been considered a major requirement, this will probably change in the near future. In fact, it is expected that the global mobile data traffic will increase 11-fold between 2014 and 2018, and what is more, over two thirds of the data traffic will be video stream by the end of that period. Therefore, the capability to receive HD services anywhere with a mobile device is going to be a mandatory requirement for any new generation broadcasting system. The main objective of this work is to present several technical solutions that answer to these challenges. In particular, the main questions to be solved are the spectrum efficiency issue and the increasing user expectations of receiving high quality mobile services. In other words, the main objective is to provide technical solutions for an efficient and flexible usage of the terrestrial broadcasting spectrum for both stationary and mobile services. The first contributions of this scientific work are closely related to the study of the mobile broadcast reception. Firstly, a comprehensive mathematical analysis of the OFDM signal behaviour over time-varying channels is presented. In order to maximize the channel capacity in mobile environments, channel estimation and equalization are studied in depth. First, the most implemented equalization solutions in time-varying scenarios are analyzed, and then, based on these existing techniques, a new equalization algorithm is proposed for enhancing the receivers’ performance. An alternative solution for improving the efficiency under mobile channel conditions is treating the Inter Carrier Interference as another noise source. Specifically, after analyzing the ICI impact and the existing solutions for reducing the ICI penalty, a new approach based on the robustness of FEC codes is presented. This new approach employs one dimensional algorithms at the receiver and entrusts the ICI removing task to the robust forward error correction codes. Finally, another major contribution of this work is the presentation of the Layer Division Multiplexing (LDM) as a spectrum-efficient and flexible solution for offering stationary and mobile services simultaneously. The comprehensive theoretical study developed here verifies the improved spectrum efficiency, whereas the included practical validation confirms the feasibility of the system and presents it as a very promising multiplexing technique, which will surely be a strong candidate for the next generation broadcasting services.[ES]Desde el comienzo de la transmisión de las primeras señales de televisión a principios del siglo pasado, la radiodifusión digital ha evolucionado gracias a una serie de cambios relevantes. Recientemente, como consecuencia directa de la digitalización del servicio, el dividendo digital se ha convertido en uno de los caballos de batalla de la industria de la radiodifusión. De hecho, no son pocos los consorcios internacionales que abogan por asignar parte del espectro de radiodifusión a otros servicios como, por ejemplo, la telefonía móvil, argumentado la poca eficiencia espectral de la tecnología de radiodifusión actual. Asimismo, se debe tener en cuenta que a pesar de que los servicios móviles no se han considerado fundamentales en el pasado, esta tendencia probablemente variará en el futuro cercano. De hecho, se espera que el tráfico derivado de servicios móviles se multiplique por once entre los años 2014 y 2018; y lo que es más importante, se pronostica que dos tercios del tráfico móvil sea video streaming para finales de ese periodo. Por lo tanto, la posibilidad de ofrecer servicios de alta definición en dispositivos móviles es un requisito fundamental para los sistemas de radiodifusión de nueva generación. El principal objetivo de este trabajo es presentar soluciones técnicas que den respuesta a los retos planteados anteriormente. En particular, las principales cuestiones a resolver son la ineficiencia espectral y el incremento de usuarios que demandan mayor calidad en los contenidos para dispositivos móviles. En pocas palabras, el principal objetivo de este trabajo se basa en ofrecer una solución más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. La primera contribución relevante de este trabajo está relacionada con la recepción de la señal de televisión en movimiento. En primer lugar, se presenta un completo análisis matemático del comportamiento de la señal OFDM en canales variantes con el tiempo. A continuación, con la intención de maximizar la capacidad del canal, se estudian en profundidad los algoritmos de estimación y ecualización. Posteriormente, se analizan los algoritmos de ecualización más implementados, y por último, basándose en estas técnicas, se propone un nuevo algoritmo de ecualización para aumentar el rendimiento de los receptores en tales condiciones. Del mismo modo, se plantea un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de los servicios móviles basado en tratar la interferencia entre portadoras como una fuente de ruido. Concretamente, tras analizar el impacto del ICI en los receptores actuales, se sugiere delegar el trabajo de corrección de dichas distorsiones en códigos FEC muy robustos. Finalmente, la última contribución importante de este trabajo es la presentación de la tecnología LDM como una manera más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. El análisis teórico presentado confirma el incremento en la eficiencia espectral, mientras que el estudio práctico valida la posible implementación del sistema y presenta la tecnología LDM c

Estimation and detection techniques for doubly-selective channels in wireless communications

A fundamental problem in communications is the estimation of the channel. The signal transmitted through a communications channel undergoes distortions so that it is often received in an unrecognizable form at the receiver. The receiver must expend significant signal processing effort in order to be able to decode the transmit signal from this received signal. This signal processing requires knowledge of how the channel distorts the transmit signal, i.e. channel knowledge. To maintain a reliable link, the channel must be estimated and tracked by the receiver. The estimation of the channel at the receiver often proceeds by transmission of a signal called the 'pilot' which is known a priori to the receiver. The receiver forms its estimate of the transmitted signal based on how this known signal is distorted by the channel, i.e. it estimates the channel from the received signal and the pilot. This design of the pilot is a function of the modulation, the type of training and the channel. [Continues.

Partial fractional Fourier transform (PFrFT)-MIMO-OFDM for known underwater acoustic communication channels

Communication over doubly selective channels (both time and frequency selective) suffers from significant intercarrier interference (ICI). This problem is severe in underwater acoustic communications. In this paper, a novel partial fractional (PFrFT)-MIMO-OFDM system is proposed and implemented to further mitigate ICI. A new iterative band minimum mean square error (BMMSE) weight combining based on LDLH factorization is used in a scenario of perfect knowledge of channel information. The proposed method is extended from SISO-OFDM configuration to MIMO-OFDM. Simulation results demonstrate that the proposed PFrFT-LDLH outperforms the other methods in the SISO-OFDM scenario and that its performance can be improved in MIMO-OFDM scenarios

Multiple-Input Multiple-Output Detection Algorithms for Generalized Frequency Division Multiplexing

Since its invention, cellular communication has dramatically transformed personal lifes and the evolution of mobile networks is still ongoing. Evergrowing demand for higher data rates has driven development of 3G and 4G systems, but foreseen 5G requirements also address diverse characteristics such as low latency or massive connectivity. It is speculated that the 4G plain cyclic prefix (CP)-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) cannot sufficiently fulfill all requirements and hence alternative waveforms have been in-vestigated, where generalized frequency division multiplexing (GFDM) is one popular option. An important aspect for any modern wireless communication system is the application of multi-antenna, i.e. MIMO techiques, as MIMO can deliver gains in terms of capacity, reliability and connectivity. Due to its channel-independent orthogonality, CP-OFDM straightforwardly supports broadband MIMO techniques, as the resulting inter-antenna interference (IAI) can readily be resolved. In this regard, CP-OFDM is unique among multicarrier waveforms. Other waveforms suffer from additional inter-carrier interference (ICI), inter-symbol interference (ISI) or both. This possibly 3-dimensional interference renders an optimal MIMO detection much more complex. In this thesis, weinvestigate how GFDM can support an efficient multiple-input multiple-output (MIMO) operation given its 3-dimensional interference structure. To this end, we first connect the mathematical theory of time-frequency analysis (TFA) with multicarrier waveforms in general, leading to theoretical insights into GFDM. Second, we show that the detection problem can be seen as a detection problem on a large, banded linear model under Gaussian noise. Basing on this observation, we propose methods for applying both space-time code (STC) and spatial multiplexing techniques to GFDM. Subsequently, we propose methods to decode the transmitted signals and numerically and theoretically analyze their performance in terms of complexiy and achieved frame error rate (FER). After showing that GFDM modulation and linear demodulation is a direct application of Gabor expansion and transform, we apply results from TFA to explain singularities of the modulation matrix and derive low-complexity expressions for receiver filters. We derive two linear detection algorithms for STC encoded GFDM signals and we show that their performance is equal to OFDM. In the case of spatial multiplexing, we derive both non-iterative and iterative detection algorithms which base on successive interference cancellation (SIC) and minimum mean squared error (MMSE)-parallel interference cancellation (PIC) detection, respectively. By analyzing the error propagation of the SIC algorithm, we explain its significantly inferior performance compared to OFDM. Using feedback information from the channel decoder, we can eventually show that near-optimal GFDM detection can outperform an optimal OFDM detector by up to 3dB for high SNR regions. We conclude that GFDM, given the obtained results, is not a general-purpose replacement for CP-OFDM, due to higher complexity and varying performance. Instead, we can propose GFDM for scenarios with strong frequency-selectivity and stringent spectral and FER requirements

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

Factor graph based detection approach for high-mobility OFDM systems with large FFT modes

In this article, a novel detector design is proposed for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems over frequency selective and time varying channels. Namely, we focus on systems with large OFDM symbol lengths where design and complexity constraints have to be taken into account and many of the existing ICI reduction techniques can not be applied. We propose a factor graph (FG) based approach for maximum a posteriori (MAP) symbol detection which exploits the frequency diversity introduced by the ICI in the OFDM symbol. The proposed algorithm provides high diversity orders allowing to outperform the free-ICI performance in high-mobility scenarios with an inherent parallel structure suitable for large OFDM block sizes. The performance of the mentioned near-optimal detection strategy is analyzed over a general bit-interleaved coded modulation (BICM) system applying low-density parity-check (LDPC) codes. The inclusion of pilot symbols is also considered in order to analyze how they assist the detection process

Advanced signal processing concepts for multi-dimensional communication systems

Die weit verbreitete Nutzung von mobilem Internet und intelligenten Anwendungen hat zu einem explosionsartigen Anstieg des mobilen Datenverkehrs geführt. Mit dem Aufstieg von intelligenten Häusern, intelligenten Gebäuden und intelligenten Städten wächst diese Nachfrage ständig, da zukünftige Kommunikationssysteme die Integration mehrerer Netzwerke erfordern, die verschiedene Sektoren, Domänen und Anwendungen bedienen, wie Multimedia, virtuelle oder erweiterte Realität, Machine-to-Machine (M2M) -Kommunikation / Internet of Things (IoT), Automobilanwendungen und vieles mehr. Daher werden die Kommunikationssysteme zukünftig nicht nur eine drahtlose Verbindung über Gbps bereitstellen müssen, sondern auch andere Anforderungen erfüllen müssen, wie z. B. eine niedrige Latenzzeit und eine massive Maschinentyp-Konnektivität, während die Dienstqualität sichergestellt wird. Ohne bedeutende technologische Fortschritte zur Erhöhung der Systemkapazität wird die bestehende Telekommunikationsinfrastruktur diese mehrdimensionalen Anforderungen nicht unterstützen können. Dies stellt eine wichtige Forderung nach geeigneten Wellenformen und Signalverarbeitungslösungen mit verbesserten spektralen Eigenschaften und erhöhter Flexibilität dar. Aus der Spektrumsperspektive werden zukünftige drahtlose Netzwerke erforderlich sein, um mehrere Funkbänder auszunutzen, wie zum Beispiel niedrigere Frequenzbänder (typischerweise mit Frequenzen unter 10 GHz), mm-Wellenbänder (einige hundert GHz höchstens) und THz-Bänder. Viele alternative Technologien wie Optical Wireless Communication (OWC), dynamische Funksysteme und zellulares Radar sollten ebenfalls untersucht werden, um ihr wahres Potenzial abzuschätzen. Insbesondere bietet OWC ein großes, aber noch nicht genutztes optisches Band im sichtbaren Spektrum, das Licht als Mittel zur Informationsübertragung nutzt. Daher können zukünftige Kommunikationssysteme als zusammengesetzte Hybridnetzwerke angesehen werden, die aus einer Anzahl von verschiedenen drahtlosen Netzwerken bestehen, die auf Funk und optischem Zugang basieren. Auf der anderen Seite ist es eine große Herausforderung, fortschrittliche Signalverarbeitungslösungen für mehrere Bereiche von Kommunikationssystemen zu entwickeln. Diese Arbeit trägt zu diesem Ziel bei, indem sie Methoden für die Suche nach effizienten algebraischen Lösungen für verschiedene Anwendungen der digitalen Mehrkanal-Signalverarbeitung demonstriert. Insbesondere tragen wir zu drei verschiedenen Anwendungsgebieten bei, d.h. Wellenformen, optischen drahtlosen Systemen und mehrdimensionaler Signalverarbeitung. Gegenwärtig ist das Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing (CP-OFDM) die weit verbreitete Multitragetechnik für die meisten Kommunikationssysteme. Um jedoch die CP-OFDM-Nachteile in Bezug auf eine schlechte spektrale Eingrenzung, Robustheit in hoch asynchronen Umgebungen und Unflexibilität der Parameterwahl zu überwinden, wurden viele alternative Wellenformen vorgeschlagen. Solche Mehrfachträgerwellenformen umfassen einen Filter bank Multicarrier (FBMC), ein Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM), einen Universal Filter Multicarrier (UFMC) und ein Unique Word Orthogonal Orthogonal Frequency Division Multiplexing (UW-OFDM). Diese neuen Luftschnittstellenschemata verwenden verschiedene Ansätze, um einige der inhärenten Mängel bei CP-OFDM zu überwinden. Einige dieser Wellenformen wurden gut untersucht, während andere sich noch in den Kinderschuhen befinden. Insbesondere die Integration von Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) -Konzepten mit UW-OFDM und UFMC befindet sich noch in einem frühen Forschungsstadium. Daher schlagen wir im ersten Teil dieser Arbeit neuartige lineare und sukzessive Interferenzunterdrückungstechniken für MIMO UW-OFDM-Systeme vor. Das Design dieser Techniken zielt darauf ab, Empfänger mit einer geringen Rechenkomplexität zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendbarkeit von Space-Time Block Codes (STBCs) auf UW-OFDM und UFMC-Wellenformen. Zu diesem Zweck stellen wir neue Techniken zusammen mit Detektionsverfahren vor. Wir vergleichen auch die Leistung dieser Wellenformen mit unseren vorgeschlagenen Techniken mit den anderen Wellenformen des Standes der Technik, die in der Literatur vorgeschlagen wurden. Wir zeigen, dass raumzeitblockierte UW-OFDM-Systeme mit den vorgeschlagenen Methoden nicht nur andere Wellenformen signifikant übertreffen, sondern auch zu Empfängern mit geringer Rechnerkomplexität führen. Der zweite Anwendungsbereich umfasst optische Systeme im sichtbaren Band (390-700 nm), die in Plastic Optical Fibers (POFs), Multimode-Fasern oder OWC-Systemen wie der Kommunikation über Visible Light Communication (VLC) verwendet werden können. VLC kann Lösungen für eine Reihe von Anwendungen anbieten, einschließlich drahtloser lokaler, persönlicher und Körperbereichsnetzwerke (WLAN, WPAN und WBANs), Innenlokalisierung und -navigation, Fahrzeugnetze, U-Bahn- und Unterwassernetze und bietet eine Reihe von Datenraten von wenigen Mbps zu 10 Gbps. VLC nutzt voll sichtbare Light Emitting Diodes (LEDs) für den doppelten Zweck der Beleuchtung und Datenkommunikation bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Daher verwenden solche Systeme Intensitätsmodulation und Direct Detection (IM / DD), wodurch gefordert wird, dass das Sendesignal reellwertig und positiv sein sollte. Dies impliziert auch, dass die herkömmlichen Wellenformen, die für die Radio Frequency (RF) Kommunikation ausgelegt sind, nicht direkt verwendet werden können. Zum Beispiel muss eine hermetische Symmetrie auf das CP-OFDM angewendet werden, um ein reellwertiges Signal zu erhalten (oft als Discrete Multitone Transmission (DMT) bezeichnet), das im Gegenzug die Bandbreiteneffizienz verringert. Darüber hinaus begrenzt die LED / LED-Treiberkombination die elektrische Bandbreite. Alle diese Faktoren erfordern die Verwendung spektral effizienter Übertragungsverfahren zusammen mit robusten Entzerrungsschemata, um hohe Datenraten zu erzielen. Deshalb schlagen wir im zweiten Teil der Arbeit Übertragungsverfahren vor, die für solche optischen Systeme am besten geeignet sind. Insbesondere demonstrieren wir die Leistung der PAM-Blockübertragung mit Frequenzbereichsausgleich. Wir zeigen, dass dieses Schema nicht nur leistungsstärker ist, sondern auch alle modernen Verfahren wie CP-DMT-Schemata übertrifft. Wir schlagen auch neue UW-DMT-Schemata vor, die vom UW-OFDM-Konzept abgeleitet sind. Diese Schemata zeigen auch ein sehr überlegenes Bitfehlerverhältnis (BER) -Performance gegenüber den herkömmlichen CP-DMT-Schemata. Der dritte Anwendungsbereich konzentriert sich auf mehrdimensionale Signalverarbeitungstechniken. Bei der Verwendung von MIMO, STBCs, Mehrbenutzerverarbeitung und Mehrträgerwellenformen bei der drahtlosen Kommunikation ist das empfangene Signal mehrdimensional und kann eine multilineare Struktur aufweisen. In diesem Zusammenhang können Signalverarbeitungstechniken, die auf einem Tensor-Modell basieren, gleichzeitig von mehreren Formen von Diversität profitieren, um Mehrbenutzer-Signaltrennung / -entzerrung und Kanalschätzung durchzuführen. Dieser Vorteil ist eine direkte Konsequenz der Eigenschaft der wesentlichen Eindeutigkeit, die für matrixbasierte Ansätze nicht verfügbar ist. Tensor-Zerlegung wie die Higher Order Singular Value Decomposition (HOSVD) und die Canonical Polyadic Decomposition (CPD) werden weithin zur Durchführung dieser Aufgaben empfohlen. Die Leistung dieser Techniken wird oft mit zeitraubenden Monte-Carlo-Versuchen bewertet. Im letzten Teil der Arbeit führen wir eine Störungsanalyse erster Ordnung dieser Tensor-Zerlegungsmethoden durch. Insbesondere führen wir eine analytische Performanceanalyse des Semi-algebraischen Frameworks für approximative Canonical polyadic decompositions Simultaneous matrix diagonalizations (SECSI) durch. Das SECSI-Framework ist ein effizientes Werkzeug zur Berechnung der CPD eines rauscharmen Tensor mit niedrigem Rang. Darüber hinaus werden die erhaltenen analytischen Ausdrücke in Bezug auf die Momente zweiter Ordnung des Rauschens formuliert, so dass abgesehen von einem Mittelwert von Null keine Annahmen über die Rauschstatistik erforderlich sind. Wir zeigen, dass die abgeleiteten analytischen Ergebnisse eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den Monte-Carlo-Simulationen zeigen.The widespread use of mobile internet and smart applications has led to an explosive growth in mobile data traffic. With the rise of smart homes, smart buildings, and smart cities, this demand is ever growing since future communication systems will require the integration of multiple networks serving diverse sectors, domains and applications, such as multimedia, virtual or augmented reality, machine-to-machine (M2M) communication / the Internet of things (IoT), automotive applications, and many more. Therefore, in the future, the communication systems will not only be required to provide Gbps wireless connectivity but also fulfil other requirements such as low latency and massive machine type connectivity while ensuring the quality of service. Without significant technological advances to increase the system capacity, the existing telecommunications infrastructure will be unable to support these multi-dimensional requirements. This poses an important demand for suitable waveforms with improved spectral characteristics and signal processing solutions with an increased flexibility. Moreover, future wireless networks will be required to exploit several frequency bands, such as lower frequency bands (typically with frequencies below 10 GHz), mm-wave bands (few hundred GHz at the most), and THz bands. Many alternative technologies such as optical wireless communication (OWC), dynamic radio systems, and cellular radar should also be investigated to assess their true potential. Especially, OWC offers large but yet unexploited optical band in the visible spectrum that uses light as a means to carry information. Therefore, future communication systems can be seen as composite hybrid networks that consist of a number of different wireless networks based on radio and optical access. On the other hand, it poses a significant challenge to come up with advanced signal processing solutions in multiple areas of communication systems. This thesis contributes to this goal by demonstrating methods for finding efficient algebraic solutions to various applications of multi-channel digital signal processing. In particular, we contribute to three different scientific fields, i.e., waveforms, optical wireless systems, and multi-dimensional signal processing. Currently, cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing (CP-OFDM) is the widely adopted multicarrier technique for most of the communication systems. However, to overcome the CP-OFDM demerits in terms of poor spectral containment, poor robustness in highly asynchronous environments, and inflexibility of parameter choice, and many alternative waveforms have been proposed. Such multicarrier waveforms include filter bank multicarrier (FBMC), generalized frequency division multiplexing (GFDM), universal filter multicarrier (UFMC), and unique word orthogonal frequency division multiplexing (UW-OFDM). These new air interface schemes take different approaches to overcome some of the inherent deficiencies in CP-OFDM. Some of these waveforms have been well investigated while others are still in its infancy. Specifically, the integration of multiple-input multiple-output (MIMO) concepts with UW-OFDM and UFMC is still at an early stage of research. Therefore, in the first part of this thesis, we propose novel linear and successive interference cancellation techniques for MIMO UW-OFDM systems. The design of these techniques is aimed to result in receivers with a low computational complexity. Another focus area is the applicability of space-time block codes (STBCs) to UW-OFDM and UFMC waveforms. For this purpose, we present novel techniques along with detection procedures. We also compare the performance of these waveforms with our proposed techniques to the other state-of-the-art waveforms that has been proposed in the literature. We demonstrate that space-time block coded UW-OFDM systems with the proposed methods not only outperform other waveforms significantly but also results in receivers with a low computational complexity. The second application area comprises of optical systems in the visible band (390-700 nm) that can be utilized in plastic optical fibers (POFs), multimode fibers or OWC systems such as visible light communication (VLC). VLC can provide solutions for a number of applications including wireless local, personal, and body area networks (WLAN, WPAN, and WBANs), indoor localization and navigation, vehicular networks, underground and underwater networks, offering a range of data rates from a few Mbps to 10 Gbps. VLC takes full advantage of visible light emitting diodes (LEDs) for the dual purpose of illumination and data communications at very high speeds. Because of the incoherent nature of the LED sources, such systems employ intensity modulation and direct detection (IM/DD), thus demanding that the transmit signal should be real-valued and positive. This also implies that the conventional waveforms designed for the radio frequency (RF) communication cannot be directly used. For example, a Hermitian symmetry has to be applied to the CP-OFDM spectrum to obtain a real-valued signal (often referred to as discrete multitone transmission (DMT)) that in return reduces the bandwidth efficiency. Moreover, the LED/LED driver combination limits the electrical bandwidth. All these factors require the use of spectrally efficient transmission schemes along with robust equalization schemes to achieve high data rates. Therefore, in the second part of the thesis, we propose transmission schemes that are best suited for such optical systems. Specifically, we demonstrate the performance of PAM block transmission with frequency domain equalization. We show that this scheme is not only more power efficient but also outperforms all of the state-of-the-art schemes such as CP-DMT schemes. We also propose novel UW-DMT schemes that are derived from the UW-OFDM concept. These schemes also show a much superior bit error ratio (BER) performance over the conventional CP-DMT schemes. The third application area focuses on multi-dimensional signal processing techniques. With the use of MIMO, STBCs, multi-user processing, and multicarrier waveforms in wireless communications, the received signal is multidimensional in nature and may exhibit a multilinear structure. In this context, signal processing techniques based on a tensor model can simultaneously benefit from multiple forms of diversity to perform multi-user signal separation/equalization and channel estimation. This advantage is a direct consequence of the essential uniqueness property that is not available for matrix based approaches. Tensor decompositions such as the higher order singular value decomposition (HOSVD) and the canonical polyadic decomposition (CPD) are widely recommended for performing these tasks. The performance of these techniques is often evaluated using time consuming Monte-Carlo trials. In the last part of the thesis, we perform a first-order perturbation analysis of the truncated HOSVD and the Semi-algebraic framework for approximate Canonical polyadic decompositions via Simultaneous matrix diagonalizations (SECSI). The SECSI framework is an efficient tool for the computation of the approximate CPD of a low-rank noise corrupted tensor. Especially, the SECSI framework shows a much improved performance and comparatively low-complexity as compared to the conventional algorithms such as alternative least squares (ALS). Moreover, it also facilitates the implementation on a parallel hardware architecture. The obtained analytical expressions for both algorithms are formulated in terms of the second-order moments of the noise, such that apart from a zero-mean, no assumptions on the noise statistics are required. We demonstrate that the derived analytical results exhibit an excellent match to the Monte-Carlo simulations

Mitigation of impulsive noise for SISO and MIMO G.fast system

To address the demand for high bandwidth data transmission over telephone transmission lines, International Telecommunication Union (ITU) has recently completed the fourth generation broadband (4GBB) copper access network technology, known as G.fast. Throughout this thesis, extensively investigates the wired broadband G.fast coding system and the novel impulsive noise reduction technique has been proposed to improve the performance of wired communications network in three different scenarios: single-line Discrete Multiple Tone (DMT)- G.fast system; a multiple input multiple-output (MIMO) DMTG.fast system, and MIMO G.fast system with different crosstalk cancellation methods. For each of these scenarios, however, Impulsive Noise (IN) is considered as the main limiting factor of performance system. In order to improve the performance of such systems, which use higher order QAM constellation such as G.fast system, this thesis examines the performance of DMT G.fast system over copper channel for six different higher signal constellations of M = 32, 128, 512, 2048, 8192 and 32768 in presence of IN modelled as the Middleton Class A (MCA) noise source. In contrast to existing work, this thesis presents and derives a novel equation of Optimal Threshold (OT) to improve the IN frequency domain mitigation methods applied to the G.fast standard over copper channel with higher QAM signal constellations. The second scenario, Multi-Line Copper Wire (MLCW) G.fast is adopted utilizing the proposed MLCW Chen model and is compared to a single line G-fast system by a comparative analysis in terms of Bit-Error-Rate(BER) performance of implementation of MLCW-DMT G.fast system. The third scenario, linear and non-linear crosstalk crosstalk interference cancellation methods are applied to MLCW G.fas and compared by a comparative analysis in terms of BER performance and the complexity of implementation.University of Technology for choosing me for their PhD scholarship and The Higher Committee For Education Development in Iraq(HCED

Constrained Linear and Non-Linear Adaptive Equalization Techniques for MIMO-CDMA Systems

Researchers have shown that by combining multiple input multiple output (MIMO) techniques with CDMA then higher gains in capacity, reliability and data transmission speed can be attained. But a major drawback of MIMO-CDMA systems is multiple access interference (MAI) which can reduce the capacity and increase the bit error rate (BER), so statistical analysis of MAI becomes a very important factor in the performance analysis of these systems. In this thesis, a detailed analysis of MAI is performed for binary phase-shift keying (BPSK) signals with random signature sequence in Raleigh fading environment and closed from expressions for the probability density function of MAI and MAI with noise are derived. Further, probability of error is derived for the maximum Likelihood receiver. These derivations are verified through simulations and are found to reinforce the theoretical results. Since the performance of MIMO suffers significantly from MAI and inter-symbol interference (ISI), equalization is needed to mitigate these effects. It is well known from the theory of constrained optimization that the learning speed of any adaptive filtering algorithm can be increased by adding a constraint to it, as in the case of the normalized least mean squared (NLMS) algorithm. Thus, in this work both linear and non-linear decision feedback (DFE) equalizers for MIMO systems with least mean square (LMS) based constrained stochastic gradient algorithm have been designed. More specifically, an LMS algorithm has been developed , which was equipped with the knowledge of number of users, spreading sequence (SS) length, additive noise variance as well as MAI with noise (new constraint) and is named MIMO-CDMA MAI with noise constrained (MNCLMS) algorithm. Convergence and tracking analysis of the proposed algorithm are carried out in the scenario of interference and noise limited systems, and simulation results are presented to compare the performance of MIMO-CDMA MNCLMS algorithm with other adaptive algorithms