Efficient SER estimation for MIMO detectors via importance sampling schemes

In this paper we propose two importance sampling methods for the efficient symbol error rate (SER) estimation of maximum likelihood (ML) multiple-input multiple-output (MIMO) detectors. Conditioned to a given transmitted symbol, computing the SER requires the evaluation of an integral outside a given polytope in a high-dimensional space, for which a closed-form solution does not exist. Therefore, Monte Carlo (MC) simulation is typically used to estimate the SER, although a naive or raw MC implementation can be very inefficient at high signal-to-noise-ratios or for systems with stringent SER requirements. A reduced variance estimator is provided by the Truncated Hypersphere Importance Sampling (THIS) method, which samples from a proposal density that excludes the largest hypersphere circumscribed within the Voronoi region of the transmitted vector. A much more efficient estimator is provided by the existing ALOE (which stands for "At Least One rare Event") method, which samples conditionally on an error taking place. The paper describes in detail these two IS methods, discussing their advantages and limitations, and comparing their performances.The work of V. Elvira was partially supported by Agence Nationale de la Recherche of France under PISCES project (ANR-17-CE40-0031-01) and the French-American Fulbright Commission. The work of I. Santamaria was partly supported by the Ministerio de Econom´ıa y Competitividad (MINECO) of Spain, and AEI/FEDER funds of the E.U., under grant TEC2016-75067-C4-4-R (CARMEN)

Multiple Importance Sampling for Symbol Error Rate Estimation of Maximum-Likelihood Detectors in MIMO Channels

In this paper we propose a multiple importance sampling (MIS) method for the efficient symbol error rate (SER) estimation of maximum likelihood (ML) multiple-input multiple-output (MIMO) detectors. Given a transmitted symbol from the input lattice, obtaining the SER requires the computation of an integral outside its Voronoi region in a high-dimensional space, for which a closed-form solution does not exist. Hence, the SER must be approximated through crude or naive Monte Carlo (MC) simulations. This practice is widely used in the literature despite its inefficiency, particularly severe at high signal-to-noise-ratio (SNR) or for systems with stringent SER requirements. It is well-known that more sophisticated MC-based techniques such as MIS, when carefully designed, can reduce the variance of the estimators in several orders of magnitude with respect to naive Monte Carlo in rare-event estimation, or equivalently, they need significantly less samples for attaining a desired performance. The proposed MIS method provides unbiased SER estimates by sampling from a mixture of components that are carefully chosen and parametrized. The number of components, the parameters of the components, and their weights in the mixture, are automatically chosen by the proposed method. As a result, the proposed method is flexible, easy-to-use, theoretically sound, and presents a high performance in a variety of scenarios. We show in our simulations that SERs lower than 10?8 can be accurately estimated with just 104 random samples.The work of V. Elvira was supported by the Agence Nationale de la Recherche of France under PISCES project (ANR-17-CE40-0031-01). The work of I. Santamaria was supported by Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades and AEI/FEDER funds of the E.U., under grant PID2019-104958RB-C43 (ADELE). A short preliminary version of this paper was presented at the 2019 Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers

Efficient BER simulation of orthogonal space-time block codes in Nakagami-m fading

In this contribution, we present a simple but efficient importance sampling technique to speed up Monte Carlo simulations for bit error rate estimation of orthogonal space-time block codes on spatially correlated Nakagami-m fading channels. While maintaining the actual distributions for the channel noise and the data symbols, we derive a convenient biased distribution for the fading channel that is shown to result in impressive efficiency gains up to multiple orders of magnitude

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

A simple importance sampling technique for orthogonal space-time block codes on Nakagami fading channels

In this contribution, we present a simple importance sampling technique to considerably speed up Monte Carlo simulations for bit error rate estimation of orthogonal space-time block coded systems on spatially correlated Nakagami fading channels

A low-cost time-hopping impulse radio system for high data rate transmission

We present an efficient, low-cost implementation of time-hopping impulse radio that fulfills the spectral mask mandated by the FCC and is suitable for high-data-rate, short-range communications. Key features are: (i) all-baseband implementation that obviates the need for passband components, (ii) symbol-rate (not chip rate) sampling, A/D conversion, and digital signal processing, (iii) fast acquisition due to novel search algorithms, (iv) spectral shaping that can be adapted to accommodate different spectrum regulations and interference environments. Computer simulations show that this system can provide 110Mbit/s at 7-10m distance, as well as higher data rates at shorter distances under FCC emissions limits. Due to the spreading concept of time-hopping impulse radio, the system can sustain multiple simultaneous users, and can suppress narrowband interference effectively.Comment: To appear in EURASIP Journal on Applied Signal Processing (Special Issue on UWB - State of the Art

Adaptive Importance Sampling for Performance Evaluation and Parameter Optimization of Communication Systems

We present new adaptive importance sampling techniques based on stochastic Newton recursions. Their applicability to the performance evaluation of communication systems is studied. Besides bit-error rate (BER) estimation, the techniques are used for system parameter optimization. Two system models that are analytically tractable are employed to demonstrate the validity of the techniques. As an application to situations that are analytically intractable and numerically intensive, the influence of crosstalk in a wavelength-division multiplexing (WDM) crossconnect is assessed. In order to consider a realistic system model, optimal setting of thresholds in the detector is carried out while estimating error rate performances. Resulting BER estimates indicate that the tolerable crosstalk levels are significantly higher than predicted in the literature. This finding has a strong impact on the design of WDM networks. Power penalties induced by the addition of channels can also be accurately predicted in short run-time