Soft-decision multiple-symbol differential sphere detection and decision-feedback differential detection for differential QAM dispensing with channel estimation in the face of rapidly fading channels

Turbo detection performed by exchanging extrinsic information between the soft-decision QAM detector and the channel decoder is beneficial for the sake of exploring the bit dependency imposed both by modulation and by channel coding. However, when the soft-decision coherent QAM detectors are provided with imperfect channel estimates in rapidly fading channels, they tend to produce potentially unreliable LLRs that deviate from the true probabilities, which degrades the turbo detection performance. Against this background, in this paper, we propose a range of new soft-decision multiple-symbol differential sphere detection (MSDSD) and decision-feedback differential detection (DFDD) solutions for differential QAM (DQAM), which dispense with channel estimation in the face of rapidly fading channels. Our proposed design aims for solving the two inherent problems in soft-decision DQAM detection design, which have also been the most substantial obstacle in the way of offering a solution for turbo detected MSDSD aided differential MIMO schemes using QAM: 1) how to facilitate the soft-decision detection of the DQAM's amplitudes, which-in contrast to the DPSK phases-do not form a unitary matrix, and 2) how to separate and streamline the DQAM's soft-decision amplitude and phase detectors. Our simulation results demonstrate that our proposed MSDSD aided DQAM solution is capable of substantially outperforming its MSDSD aided DPSK counterpart in coded systems without imposing a higher complexity. Moreover, our proposed DFDD aided DQAM solution is shown to outperform the conventional solutions in literature. Our discussions on the important subject of coherent versus noncoherent schemes suggest that compared to coherent square QAM relying on realistic imperfect channel estimation, MSDSD aided DQAM may be deemed as a better candidate for turbo detection assisted coded systems operating at high Doppler frequencie

Novel DWT-DAPSK based transceivers for DVB-T transmission and next generation mobile networks

Digital wireless communication has become one of the most exciting research topics in the electronic engineering field due to the explosive demands for high-speed wireless services, such as cellular video conferencing. The second generation Terrestrial Digital Video Broadcasting (DVB- T2) has been demonstrated to provide digital communication services with very high spectral efficiency and significantly improved performance. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems have been increasingly deployed in mobile networks for their spectral efficiency and optimum bit error rate. An OFDM system is a multi-carrier system which transmits signals from a single source at different frequencies simultaneously as parallel components. A distinguishing feature of the OFDM system is its ability to preserve high bandwidth efficiency in high speed data streams. Among the different types of OFDM systems, wavelet based systems have been demonstrated to have much better bandwidth and channel performance compared to the Discrete Fourier transform (DFT) and Discrete Cosine Transform (DCT) based systems. The DFT and DCT systems suffer from several disadvantages including less bandwidth efficiency due 'to the need for guard interval and highly complex system design. Discrete Wavelet transform (DWT) based OFDM systems naturally overcome these disadvantages by their design methodology and the technique of transmitting concentrated energy over small spectral coefficients. Several types of modulation schemes such as DPSK, QAM are employed in OFDM systems, which introduce certain penalties such as increased bandwidth and complexity of the system design. So a multilevel differential modulation technique namely Differential Amplitude and Phase Shift Keying (64 DAPSK) has been proposed as an alternative solution. DAPSK-OFDM is very suitable for high date-rate digital mobile radio channel with additive white Gaussian noise (A WGN). In this research work it has been f demonstrated that a combination of DWT -OFDM with DAPSK modulation can be employed to achieve very low peak-to-average power ratio (PAPR), improved bit error ratio (BER), and much reduced inter symbol interference (ISI) & inter-carrier interference (IeI) in wireless mobile network applications. A mathematical model has been proposed for the DWT-OFDM system with DAPSK modulation scheme in this work. The system performance has been evaluated via simulation using Matlab Simulink package and also verified using Matlab programming. This proposed DWT-OFDM with 64DAPSK hybrid system is demonstrated to have better BER (by an order of magnitude for an SNR of 25dB) performance and improved P APR (by 7.2dB) and interference values. It is also demonstrated that including companding with this system results in further reduction of PAPR. Finally, the simulation results also demonstrate that DWT-DAPSK scheme can be successfully employed in DVTB-T2 systems due to its very high spectral efficiency, much improved BER and significantly reduced PAPR performance

Design and analysis of a high-rate acoustic link for underwater video transmission

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Ocean Engineering, 2004.Includes bibliographical references (leaves 74-75).A high bit rate acoustic link for underwater video transmission is examined. Currently, encoding standards support video transmission at bit rates as low as 64 kbps. While this rate is still above the limit of commercially available acoustic modems, prototype acoustic modems based on phase coherent modulation/detection have demonstrated successful transmission at 30 kbps over a deep water channel. The key to bridging the remaining gap between the bit-rate needed for video transmission and that supported by the acoustic channel lies in two approaches: use of efficient image/video compression algorithms and use of high-level bandwidth-efficient modulation methods. An experimental system, based on discrete cosine transform (DCT) and Huffman entropy coding for image compression, and variable rate M-ary quadrature amplitude modulation (QAM) was implemented. Phase-coherent equalization is accomplished by joint operation of a decision feedback equalizer (DFE) and a second order phase locked loop (PLL). System performance is demonstrated experimentally, using transmission rate of 25000 symbols/sec at a carrier frequency of 75 kHz over a 10 m vertical path.(cont.) Excellent results were obtained, thus demonstrating bit rates as high as 150 kbps, which are sufficient for real-time transmission of compressed video. As an alternative to conventional QAM signaling, whose high-level constellations are sensitive to phase distortions induced by the channel, M-ary differential amplitude and phase shift keying (DAPSK) was used. DAPSK does not require explicit carrier phase synchronization at the receiver, but instead relies on simple differentially coherent detection. Receiver processing includes a linear equalizer whose coefficients are adjusted using a modified linear least square (LMS) algorithm. Simulation results confirm good performance of the differentially coherent equalization scheme employed.by Konstantinos Pelekanakis.S.M

Modulation options for OFDM-based waveforms: classification, comparison, and future directions

This paper provides a comparative study on the performance of different modulation options for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in terms of their spectral efficiency, reliability, peak-to-average power ratio, power efficiency, out-of-band emission, and computational complexity. The modulation candidates are classified into two main categories based on the signal plane dimension they exploit. These categories are: 1) 2-D signal plane category including conventional OFDM with classical fixed or adaptive QAM modulation and OFDM with differential modulation, where information is conveyed in changes between two successive symbols in the same subcarrier or between two consecutive subcarriers in the same OFDM symbol and 2) 3-D signal plane category encompassing: a) index-based OFDM modulation schemes which include: i) spatial modulation OFDM, where information is sent by the indices of antennas along with conventional modulated symbols and ii) OFDM with index modulation, where the subcarriers’ indices are used to send additional information; b) number-based OFDM modulation schemes which include OFDM with subcarrier number modulation, in which number of subcarriers is exploited to convey additional information; and c) shape-based OFDM modulation schemes which include OFDM with pulse superposition modulation, where the shape of pulses is introduced as a third new dimension to convey additional information. Based on the provided comparative study, the relationship and interaction between these different modulation options and the requirements of future 5G networks are discussed and explained. This paper is then concluded with some recommendations and future research directions.This work was supported in part by the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK), under Grant 215E316

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

Orthogonal multicarrier modulation for high-rates mobile and wireless communications

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre-DSC:DXN037085 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Oblique Sounding and HF Communication Techniques for Very Long Haul Ionospheric Links

El sistema de comunicació ràdio d’alta freqüència (HF, en anglès) és usat arreu del món per agències governamentals i no governamentals sempre que calgui una alternativa a les comunicacions via satèl•lit: vaixells a alta mar, avions fora de cobertura de xarxes ràdio amb visió directa, operacions militars, zones on la infraestructura ha estat destruïda per algun tipus de desastre o bé zones llunyanes sense cap altre tipus de comunicació. La ràdio HF representa una alternativa, o un sistema de backup al satèl•lit per a comunicacions de llarg abast i en redueix els costos, evita la vulnerabilitat i els problemes de sobirania. En aquesta tesi s’ha estudiat l’enllaç HF entre la base antàrtica espanyola Juan Carlos I, situada a l’illa Livingston a l’arxipèlag de les Shetland del Sud, i Espanya. L’objectiu d’aquest treball és estudiar els problemes que afecten la propagació; és a dir, la relació senyal a soroll i interferència, la dispersió multicamí i la dispersió per efecte Doppler, i dissenyar la capa física d’un enllaç HF de baixa velocitat, poca potència i llarg abast. Pel que fa aquest últim punt es fan un parell de propostes: espectre eixamplat per seqüència directa (DSSS, en anglès) i multiplexació per divisió en freqüència ortogonal (OFDM, en anglès). El repte que es planteja és el de la definició de les característiques dels símbols que millor encaixen en aquest canal per tal d’obtenir un benefici de la diversitat temporal i freqüencial que ofereix el canal. Des de l’any 2003 diverses campanyes han permès estudiar aquest canal HF, però no va ser fins la campanya 2009/2010 que s’obtingué un foto de les característiques, diürnes i nocturnes, de la ionosfera. En els articles que es presenten en aquesta tesi hem estès el rang freqüencial d’estudi respecte a investigacions prèvies i hem mostrat diferències de comportament entre el dia i la nit. Hem usat els resultats de la caracterització del canal per a dissenyar i comparar la bondat dels símbols DSSS i OFDM. Ambdues possibilitats han resultat ser candidates a implementar l’enllaç HF entre l’Antàrtida i Espanya. Tot i així, ambdues tècniques representen visions diferents de la implementació del mòdem: mentre que DSSS obté bons resultats a baixa velocitat en entorns amb baixa relació senyal a soroll, OFDM aconsegueix tasses de velocitat més elevades en canals més benignes.Los sistemas de radio de alta frecuencia (HF, en inglés) son usados por agencias gubernamentales y no gubernamentales en todo el mundo siempre que se necesite una alternativa a las comunicaciones por satélite: barcos en alta mar, aviones fuera del rango de cobertura de las redes radio de visión directa, operaciones militares, zonas donde la infraestructura ha sido destruida por algún desastre. Ésta ofrece una alternativa, o representa un sistema de backup, a las comunicaciones vía satélite, evitando los costes, la vulnerabilidad y los problemas de soberanía de las comunicaciones por satélite. En esta tesis se ha estudiado el enlace HF entre la base antártica española Juan Carlos I en la isla Livingston, en las Shetland del sur y España. El objetivo de este trabajo es el estudio de las limitaciones de la propagación ionosférica (como la relación señal a ruido e interferencia, la dispersión multicamino y la dispersión por efecto Doppler) y el diseño de la capa física de un enlace HF de baja velocidad, baja potencia y largo alcance. Se han estudiado un par de propuestas para este enlace, como son el espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS, en inglés) y la multiplexación por división en frecuencia ortogonal (OFDM, en inglés). El reto ha sido definir las características que mejor se adecuan a este enlace para poder aprovechar la diversidad temporal y frecuencial que ofrece el canal HF. Desde el año 2003 diversas campañas de sondeo han permitido estudiar el canal HF pero no es hasta la campaña 2009/2010 que se consigue una fotografía de la actividad ionosférica tanto nocturna como diurna. En los artículos que se presentan en esta tesis hemos extendido los estudios previos a todo el rango de frecuencias HF y hemos mostrado las diferencias entre el día y la noche. Hemos usado estos resultados de caracterización del canal para diseñar y comparar símbolos DSSS y símbolos OFDM. Ambas posibilidades han resultado ser posibles candidatas para implementar un enlace HF de baja velocidad entre la Antártida y España. Sin embargo ambas técnicas representan dos aproximaciones distintas a la implementación del módem. Mientras que DSSS consigue un buen funcionamiento a baja velocidad en escenarios con baja relación señal a ruido, OFDM consigue tasas de transmisión más altas en escenarios más benignos.High Frequency (HF) radio is used by governmental and non nongovernmental agencies worldwide whenever an alternative to satellites for sky wave communication is needed: ships at sea, aircraft out of range of line-of-sight radio networks, military operations, disaster areas with communication infrastructure destroyed or distant regions lacking other communications. It offers an alternative to satellites, or a backup, for long-haul communications, thus avoiding the costs, vulnerabilities and sovereignty concerns of satellite communications. In this thesis the HF link between the Antarctic Spanish Station Juan Carlos I in Livingston Island, South Shetlands and Spain is studied. The aim of this study is to address the impairments that affect HF propagation (i.e., signal-to-noise plus interference ratio, multipath and Doppler shift and spread) and to design the physical layer of a low rate, low power and long-haul HF link. Some proposals regarding this last issue are addressed, i.e., direct sequence spread spectrum (DSSS) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The challenge is to define the symbol characteristics that best fit the link to benefit from time and frequency diversity that offers the HF channel. Since 2003 several transmission campaigns have allowed to study the HF channel but it is not until the 2009/2010 campaign that we have achieved a whole picture of both diurnal and nocturnal ionospheric activity. In the papers presented in this thesis we have extended the previous research to the whole range of HF frequencies and we have shown the differences on performance between day and night. We have used the results from channel characterization to design and compare the performance of DSSS and OFDM symbols. Both techniques have turned out to be possible candidates to implement a low rate HF link between Antarctica and Spain. However, both techniques stand for different approaches of the modem: DSSS achieves good performance at low data rate in low SNR scenarios, whereas OFDM achieves higher data rate in benign channel

Algoritmos en transmisión y recepción para OFDM en entornos multi-usuario

Desde su incursión en la vida de los ciudadanos de forma cotidiana, las comunicaciones móviles han ido adquiriendo cada vez más protagonismo. Lo que hace unos años era un elemento de lujo o causa de envidias, hoy es algo tan habitual como coger el autobús. Este auge en las comunicaciones móviles ha llevado consigo un aumento del número de usuarios de estos servicios, así como una mayor exigencia por parte de éstos en cuanto a velocidad de transmisión, seguridad, servicios, calidad ... Por este motivo, se han ido introduciendo nuevas redes, así como mejoras en las ya existentes. Actualmente estamos asistiendo al inicio de la implantación de las redes denominadas de tercera generación (3G). No obstante, estas redes 3G fueron de nidas a mediados de los años 90. En la actualidad nos encontramos en la de nición de lo que será la cuarta generación móvil (4G) a la que probablemente preceda una intermedia, tal vez Super 3G. Muchas son las tecnologías candidatas para esta Super 3G o para la 4G, pero es OFDM (Multiplexación por División en Frecuencias Ortogonales - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) una de las más prometedoras para terminar siendo la tecnología elegida, debido principalmente a la robustez que ofrece frente al multi-trayecto, la flexibilidad que proporciona por el hecho de dividir el ancho de banda en sub-portadoras que pueden ser moduladas independientemente para adaptarse a las condiciones específicas de los canales móviles y al aprovechamiento de la diversidad multi-usuario cuando se combina en OFDMA (Acceso múltiple por división en frecuencias ortogonales - Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Sin embargo, para que estos sistemas OFDMA sean una realidad en redes futuras como la Super 3G o la 4G, es preciso reducir la complejidad que ellos conllevan, en aspectos como la sincronización multi-usuario o la implementación de la modulación adaptativa. Esta Tesis está enfocada a reducir la complejidad de implementación para que la tecnología OFDMA pueda ser un hecho en las futuras redes inalámbricas. La sincronización en sistemas OFDMA, principalmente en escenarios ad-hoc plantea un reto importante a la hora de implementarla en este tipo de redes. Dado que existe una literatura extensa dedicada a resolver el problema de la sincronización en entornos OFDM mono-usuario, en esta Tesis se propone un procedimiento para reducir el problema de la sincronización multiusuario al caso mono-usuario, lo que permite la re-utilización de todas las técnicas propuestas en la literatura. Además de las buenas prestaciones incluso en situaciones de saturación de la red, permite un ahorro de la energía necesaria para la realización de las tareas de sincronización. Asimismo, a la vez que se resuelve la sincronización multi-usuario, también en esta Tesis se aporta un algoritmo para realizar el seguimiento de la desviación de frecuencia en sistemas tanto OFDM como OFDMA, de una forma sencilla y eficiente. Este algoritmo utiliza las sub-portadoras piloto de los símbolos, y ofrece unas prestaciones razonables, incluso cuando el número de estas sub-portadoras piloto es reducido. La modulación adaptativa u otras técnicas avanzadas de comunicaciones como MIMO (Multiple Input Multiple Output) o el conformado de haz (beamforming), que se hacen más atractivas cuando se combinan con OFDM u OFDMA, requieren de cierta realimentación hacia el transmisor por parte del receptor, además de un conocimiento del canal bastante preciso. En esta Tesis se aportan algoritmos para la compresión de esta información (que puede ser muy elevada dependiendo de la granularidad de la adaptación y la variabilidad del canal), lo que permite un mejor aprovechamiento de los recursos radio, y simpli ca la implementación de este tipo de sistemas. Se consiguen reducciones superiores a cuatro veces la tasa original, lo que implica grandes ventajas en todos los sentidos. Además, se realiza un estudio teórico sobre cómo afectan los errores en la estimación de canal en la capacidad del sistema, obteniéndose dos cotas numéricas para ésta. Gracias a estas cotas se puede concluir que las técnicas actuales de estimación de canal son su cientemente buenas como para que las pérdidas producidas por los errores en esta estimación no sean muy significativas; No obstante, estas pérdidas aumentan a medida que se incrementa la relación señal a ruido, y, por tanto, es conveniente seguir mejorando la estimación de canal si se pretende que estos sistemas trabajen a altas relaciones señal a ruido. Por último, destacar que las simulaciones llevadas a cabo para examinar las prestaciones de los algoritmos desarrollados han proporcionado datos prácticos que ayudarán al diseño e implementación de futuras redes móviles 4G.Nowadays mobile communications are common in our society. In less than two decades they have changed the way people understand personal communications. This interest is still growing and makes users (every day larger in number) ask for more and more services, speed, security and quality, at least comparable to the wired technologies. For this reason, new networks have been introduced in the scene, as well as improvements in the already existing ones. At the moment we are witnessing the beginning of the deployment of the so-called third generation networks (3G). However, these 3G networks were defined in the middle of years 90. At the present time we are in the definition of what will be the fourth mobile generation, which is called the 4G and probably an intermediate stage as Super 3G could be defined first. Many different technologies are in consideration, but OFDM (Orthogonal Frequency Multiplexing Division) is one of most promising candidates to end up becoming the technology to be used, due mainly to the robustness that it others to the multi-path channel, the flexibility that it provides by the fact that it divides the bandwidth into sub-carriers which can be modulated independently to adapt the signal to the specific channel conditions and to the advantage of the multi-user diversity when it is used to multiplex several users in the form of OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Nevertheless, in order for these OFDMA systems to be a reality in future networks as Super 3G or 4G, the reduction in complexity has to be considered, in aspects such as the multi-user synchronization or the implementation of the Adaptive Modulation. This doctoral Thesis is focused on reducing the implementation complexity in both multi-user synchronization and Adaptive Modulation so that OFDMA technology can be a fact in the near future radio networks. The synchronization in OFDMA systems, specially in ad-hoc scenarios, raises an important challenge at the time of implementing this technology. Since an extensive literature is devoted to solve the problem of the synchronization in single-user OFDM systems, in this Thesis we have designed and proposed a procedure to reduce the multi-user synchronization problem to the single-user case, and therefore it allows the reuse of all the already proposed techniques in the literature. The procedure exhibits a good performance even in network saturation situations, and in addition it does not incur in a high power consumption when performing the synchronization tasks. Besides, solving the multi-user synchronization problem, the Thesis also proposes an algorithm for frequency offset tracking in an efficient and simple way, for both OFDM and OFDMA systems. This algorithm uses the pilot sub-carriers scattered in each OFDM symbol, and o ers reasonable performance, even when the number of these pilot sub-carriers is small. Adaptive Modulation and other advanced techniques as MIMO (Multiple Input Multiple Output) or beamforming become more attractive when they are combined with OFDM or OFDMA. However they require certain feedback information from receiver to the transmitter, and in addition, a quite precise knowledge about channel conditions. In this Thesis several algorithms for compressing the feedback information have been developed. This feedback information can be very highly demanding (depending on the granularity of the adaptation and the variability of the channel), and therefore this compression allows a better use of the resources, and simplifies the implementation of this kind of systems. Reductions of more than four times the original flow are obtained, which implies great advantages. In addition, a theoretical study is made on how errors in channel estimation affect the channel capacity, and several upper-bounds (one of them very tight) for this effect are obtained. One of the conclusions is that the actual state of the art in channel estimation techniques is good enough to be used without too much loss; However, the loss increases as the signal to noise ratio increases, and therefore, it is suggested to continue improving channel estimation algorithms for improving performance in high signal to noise ratio scenarios. Finally, thanks to simulations and designs carried out in order to examine the performance of the developed algorithms, some practical data are provided that will help in the future design of new mobile networks as 4G