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Diversity Combining for Fast Frequency Hopping Multiple Access Systems Subjected to Nakagami-m Fading
The achievable performance of various diversity combining schemes used in fast frequency hopping (FFH) aided M-ary frequency shift keying (MFSK) systems operating in a multiple access scenario subjected to Nakagami-m fading is investigated. Specifically, linear, self-normalization, hard limiting majority vote, soft limiting, product combining and order statistics-normalized envelope detection based diversity combining schemes are considered. The comparison of various diversity combining schemes is based on the achievable bit error rate versus the number of simultaneous users supported. It is shown using simulation results that although some of the combining schemes considered result in an inferior performance compared to the optimum soft limiting combiner, they offer the advantage of achieving an acceptable interference suppression performance without requiring side information
Design guidelines for spatial modulation
A new class of low-complexity, yet energyefficient Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) transmission techniques, namely the family of Spatial Modulation (SM) aided MIMOs (SM-MIMO) has emerged. These systems are capable of exploiting the spatial dimensions (i.e. the antenna indices) as an additional dimension invoked for transmitting information, apart from the traditional Amplitude and Phase Modulation (APM). SM is capable of efficiently operating in diverse MIMO configurations in the context of future communication systems. It constitutes a promising transmission candidate for large-scale MIMO design and for the indoor optical wireless communication whilst relying on a single-Radio Frequency (RF) chain. Moreover, SM may also be viewed as an entirely new hybrid modulation scheme, which is still in its infancy. This paper aims for providing a general survey of the SM design framework as well as of its intrinsic limits. In particular, we focus our attention on the associated transceiver design, on spatial constellation optimization, on link adaptation techniques, on distributed/ cooperative protocol design issues, and on their meritorious variants
Performance Comparison of Likelihood, Hard-Limited, and Linear Combining Receivers for FH-MFSK Mobile Radio--Base-to-Mobile Transmission
The performances of three receivers, namely, the hard-limited, the linear, and the maximum-likelihood combiners for the detection of frequency-hopped multilevel frequency-shift keyed signals transmitted from mobiles to base have been reported earlier [11]. Only the hard-limited combiner has been analyzed with respect to base-to-mobile link [1]. Here, we give new results on the performance of the likelihood and the linear combining receivers operating at the mobiles. Whereas it is possible to find exactly the union bound on the probability of hit error for a linear combiner, for a likelihood receiver, bounding and approximation techniques such as simple Chernoff bound and saddle point integration were employed. We also observe the asymptotic (SNR → ∞) equivalence of the hard-limited and the likelihood receivers. This, together with the approximate error estimates at finite SNR, leads us to believe that the likelihood receiver is only marginally superior to a hard-limited combiner. As expected, the linear combiner performs poorly
TDRSS telecommunications study. Phase 1: Final report
A parametric analysis of the telecommunications support capability of the Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) was performed. Emphasis was placed on maximizing support capability provided to the user while minimizing impact on the user spacecraft. This study evaluates the present TDRSS configuration as presented in the TDRSS Definition Phase Study Report, December 1973 to determine potential changes for improving the overall performance. In addition, it provides specifications of the user transponder equipment to be used in the TDRSS
Land Mobile Radio Systems - A Tutorial Exposition
An in-depth tutorial on land mobile radio system
Nonparametric Receiver for FH-MFSK Mobile Radio
Various parametric receivers such as the maximum likelihood and the hard-limiter have been analyzed for their performance in decoding the frequency hopped multilevel FSK (FH-MFSK) messages in mobile environment. Here, some nonparametric receivers such as the maximum rank sum receiver (MRSR) and the reduced rank sum receiver (RRR) are considered. RRR and MRSR are nearly identical in performance, but the former is much simpler to implement. The results indicate that RRR is a competing alternative to the parametric receivers
Multiuser non coherent massive MIMO schemes based on DPSK for future communication systems
The explosive usage of rich multimedia content in wireless devices has overloaded the
communication networks. Moreover, the fifth generation (5G) of wireless communications
involves new requirements in the radio access network (RAN) which require higher network
capacities and new capabilities such as ultra-reliable and low-latency communication
(URLLC), vehicular communications or augmented reality. All this has encouraged a remarkable
spectrum crisis in the RF bands. A need for searching alternative techniques
with more spectral efficiency to accommodate the needs of future emerging wireless communications
is emerging. In this context, massive MIMO (m-MIMO) systems have been
proposed as a promising solution for providing a substantial increase in the network capacity,
becoming one of the key enabling technologies for 5G and beyond. m-MIMO
provides high spectral- and energy-efficiency thanks to the deployment of a large number
of antennas at the BS. However, we have to take into account that the current communication
technologies are based on coherent transmission techniques so far, which require
the transmission of a huge amount of signaling. This drawback is escalating with the
excessive available number of antennas in m-MIMO. Therefore, the differential encoding
and non coherent (NC) detection are an alternative solution to circumvent the drawbacks
of m-MIMO in coherent systems. This Ph.D. Thesis is focused on signal processing
techniques for NC detection in conjunction with m-MIMO, proposing new constellation
designs and NC detection algorithms, where the information is transmitted in the signal
differential phase.
First, we design new constellation schemes for an uplink multiuser NC m-MIMO system
in Rayleigh fading channels. These designs allow us to separate the users' signals
at the receiver thanks to a one-to-one correspondence between the constellation for each
user and the received joint constellation. Two approaches are considered in terms of BER:
each user achieves a different performance and, on the other hand, the same performance
is provided for all users. We analyze the number of antennas needed for those designs
and compare to the required number by other designs in the literature. It is shown that
our designs based on DPSK require a lower number of antennas than that required by
their counterpart schemes based on energy. In addition, we compare the performance to
their coherent counterpart systems, resulting NC-m-MIMO based on DPSK capable of
outperforming the coherent systems with the suitable designs.
Second, in order to reduce the number of antennas required for a target performance
we propose a multi-user bit interleaved coded modulation - iterative decoding (BICM-ID) scheme as channel coding for a NC-m-MIMO system based on DPSK. We propose a novel
NC approach for calculating EXIT curves based on the number of antennas. Then using
the EXIT chart we find the best channel coding scheme for our NC-m-MIMO proposal.
We show that the number of users served by the BS can be increased with a 70% reduction
in the number of antennas with respect to the case without channel coding. In particular,
we show that with 100 antennas for error protection equal design for all users and a coding
rate of 1/2 we achieve the minimum probability of error.
Third, we consider that current scenarios such as backhaul wireless systems, rural
or suburban environments, and even new device-to-device (D2D) communications or the
communications in higher frequencies (millimeter and the emerging ones in terahertz frequencies)
can have a predominant line-of-sight (LOS) component, modeled by Rician
fading. For all these new possible scenarios in 5G, we analyze the behavior of the NC
m-MIMO systems when we have a Rician fading. We present a new constellation design
to overcome the problem of the LOS channel component, as well as an associated detection
algorithm to separate each user in reception taking into account the characterization
of the constellation. In addition, for contemplating a more realistic scenario, we propose
grouping users which experience a Rayleigh fading with those with Rician fading, analyzing
the SINR and the performance of such combination in a multi-user NC m-MIMO
system based on M-DPSK. The adequate user grouping allows unifying the constellation
for both groups of users and the detection algorithm, reducing the complexity of the
receiver. Also, the number of users that may be multiplexed may be further increased
thanks to the improved performance.
In the fourth part of this Thesis, we analyse the performance of multi-user NC m-
MIMO based on DPSK in real environments and practical channels defined for the current
standards such as LTE, the future technologies such as 5G and even for communications
in the terahertz band. For this purpose, we use a metric to model the time-varying characteristics
of the practical channels. We employ again the EXIT charts tool for analyzing
and designing iteratively decoded systems. This analysis allows us to obtain an estimate
of the degradation of the system's performance imposed by realistic channels. Hence, we
show that our proposed system is robust to temporal variations, thus it is more recommendable
the employment of NC-m-MIMO-DPSK in the future communication standards
such as 5G. In order to reduce he number of hardware resources required in terms of RF
chains, facilitating its implementation in a real system, we propose incorporating differential
spatial modulation (DSM). We present and analyze a novel multiuser scheme for
NC-m-MIMO combined with DSM with which we can see that the number of antennas
is not a
affected by the incorporation of DSM, even we have an improvement on the
performance with respect to the coherent case.
Finally, we study the viability of multiplexing users by constellation schemes against
classical multiplexing techniques such as time division multiple access (TDMA). In order
to fully characterize the system performance we analyze the block error rate (BLER)
and the throughput of a NC-m-MIMO system. The results show a significant advantage
regarding the number of antennas for multiplexing in the constellation against TDMA.
However, in some cases, the demodulation of multiple users in constellation could require
an excessively large number of antennas compared to TDMA. Therefore, it is necessary to
properly manage the tradeoff
between throughout and the number of antennas, to reach
an optimal operational point, as shown in this Thesis.El inmenso uso de contenido multimedia en los dispositivos inalámbricos ha sobrecargado
las redes de comunicaciones. Además, la quinta generación (5G) de sistemas de
comunicaciones demanda nuevos requisitos para la red de acceso radio, la cual requiere
ofrecer capacidades de red mayores y nuevas funcionalidades como comunicaciones ultra
fiables y con muy poca letancia (URLLC), comunicaciones vehiculares o aplicaciones
como la realidad aumentada. Todo esto ha propiciado una crisis notable en el espectro
electromagnético, lo que ha llevado a una necesidad por buscar técnicas alternativas con
más eficiencia espectral para acomodar todos los requisitos de las tecnologías de comunicaciones
emergentes y futuras. En este contexto, los sistemas multi antena masivos,
conocidos como massive MIMO, m-MIMO, han sido propuestos como una solución prometedora
que proporciona un incremento substancial de la capacidad de red, convirtiéndose
en una de las tecnologías claves para el 5G. Los sistemas m-MIMO elevan enormemente el
número de antenas en la estación base, lo que les permite ofrecer alta eficiencia espectral
y energética. No obstante, tenemos que tener en cuenta que las actuales tecnologías de comunicaciones
emplean técnicas coherentes, las cuales requieren de información del estado
del canal y por ello la transmisión de una enorme cantidad de información de señalización.
Este inconveniente se ve agravado en el caso del m-MIMO debido al enorme número de
antenas. Por ello, la codificación diferencial y la detección no coherente (NC) son una
solución alternativa para solventar el problema de m-MIMO en los sistemas coherentes.
Esta Tesis se centra en las técnicas de procesado de señal para detección NC junto con
m-MIMO, proponiendo nuevos esquemas de constelación y algoritmos de detección NC,
donde la información sea transmitida en la diferencia de fase de la señal.
Primero, diseñamos nuevas constelaciones para un sistema multi usuario NC en m-
MIMO en enlace ascendente (uplink) en canales con desvanecimiento tipo Rayleigh. Estos
diseños nos permiten separar las señales de los usuarios en el receptor gracias a la correspondencia
unívoca entre la constelación de cada usuario individual y la constelación
conjunta recibida en la estación base. Hemos considerado dos enfoques para el diseño en
términos de probabilidad de error: cada usuario consigue un rendimiento distinto, mientras
que por otro lado, todos los usuarios son capaces de recibir las mismas prestaciones
de probabilidad de error. Analizamos el número de antenas necesario para estos diseños y
comparamos con el número requerido por otros diseños propuestos en la literatura. Nuestro
diseño basado en DPSK requiere un número menor de antenas comparado con los
sistemas basados en detección de energía. También comparamos con su homólogo coherente, resultando que NC-m-MIMO basado en DPSK es capaz de superar a los sistemas
coherentes con los diseños adecuados.
En segundo lugar, para reducir el número de antenas requerido para un rendimiento
dado, proponemos incluir un esquema de codificación de canal. Hemos optado por un
esquema de modulación codificado por bit entrelazado y decodificación iterativa (BICMID).
Hemos empleado la herramienta EXIT chart para el diseño de la codificación de canal,
proponiendo un nuevo enfoque para calcular las curvas EXIT de forma NC y basadas en
el número de antenas. Los resultados muestran que el número de usuarios servidos por
la estación base puede ser incrementado reduciendo un 70% el número de antenas con
respecto al caso sin codificación de canal. En particular, para un array de 100 antenas
y un diseño que ofrezca iguales prestaciones a todos los usuarios, con un código de tasa
1=2, podemos conseguir la mínima probabilidad de error.
En tercer lugar, consideramos escenarios donde el canal tenga una componente predominante
de visión directa (LOS) con la estación base modelada mediante un desvanecimiento
tipo Rician. Por ejemplo, sistemas inalámbricos de backhaul, entornos rurales
o sub urbanos, comunicaciones entre dispositivos (D2D), también cuando nos movemos
hacia frecuencias superiores como son en la banda de milimétricas o más recientemente,
la banda de terahercios para buscar mayores anchos de banda. Todos estos escenarios
están contemplados en el futuro 5G. Los diseños presentados para canales Rayleigh ya no
son válidos debido a la componente LOS del canal, por ello presentamos un nuevo diseño de constelación que resuelve el problema de la componente LOS, así como una guía para
diseñar nuevas constelaciones. También proponemos un algoritmo asociado al diseñno de
la constelación para poder separar a los usuarios en recepción. Además, para contemplar
un escenario más realista donde podamos encontrar tanto desvanecimiento Rayleigh como
Rice, proponemos agrupar usuarios de ambos grupos, analizando su rendimiento y relación
señal a interferencia en la combinación. El adecuado agrupamiento permite unificar el
diseño de la constelación para ambos desvanecimientos y por tanto reducir la complejidad
en el receptor. También, el número de usuarios multiplicados en la constelación podría
ser incrementado, gracias a la mejora en el rendimiento.
El cuarto módulo de esta tesis es dedicado a analizar el rendimiento de los diseños
propuestos en presencia de canales reales, donde disponemos de variabilidad temporal y en
frecuencia. Proponemos usar una métrica que modela las características de la variabilidad
temporal y, usando de nuevo la herramienta EXIT, analizamos los sistemas decodificados
iterativamente considerando ahora los parámetros prácticos del canal. Este análisis nos
permite obtener una estimación de la degradación que sufre el rendimiento del sistema
impuesto por canales reales. Los resultados muestran que los sistemas NC-m-MIMO basados
en DPSK son muy robustos a la variabilidad temporal por lo que son recomendables
para los nuevos escenarios propuestos por el 5G, donde el canal cambia rápidamente.
Otra consideración para introducir los sistemas NC con m-MIMO es la problemática
de necesitar muchas cadenas de radio frecuencia que llevarían a tamaños de dispositivos
enormes. Para reducir este número se propone la modulación espacial. En esta Tesis,
estudiamos su uso con los sistemas NC, proponiendo una solución de modulación espacial
diferencial para esquemas con múltiples usuarios combinado con NC-m-MIMO.
Finalmente, estudiamos la viabilidad de multiplexar usuarios en la constelación frente
a usar técnicas clásicas de multiplexación como TDMA. Para caracterizar completamente
el rendimiento del sistema, analizamos la tasa de error de bloque (BLER) y el throughput
de un sistema NC-m-MIMO. Los resultados muestran una ventaja significativa en cuanto
al número de antennas para multiplexar usuarios en la constelación frente al requerido
por TDMA. No obstante, en algunos casos, la demodulación de múltiples usuarios en
la constelación podría requerir un número de antennas excesivamente grande comparado
con la multiplexación en el tiempo. Por ello, es necesario gestionar adecuadamente un
balance entre el throughput y el número de antenas para alcanzar un punto operacional
óptimo, como se muestra en esta Tesis.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Ana Isabel Pérez Neira.- Secretario: Máximo Morales Céspedes.- Vocal: María del Carmen Aguayo Torre
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