Multi-Antenna Array Topologies Optimization for Future Wireless Networks by Employing Particle Swarm Optimization

The purpose of this work is to design novel antenna array topologies that maximize channel capacity. Accordingly, we employ the particle swarm optimization (PSO) algorithm as an effective technique in similar electromagnetic problems. We use a novel modelling approach to derive the spatial fading correlation function by employing a generic three-dimensional (3-D) angle of arrival (AOA) model. We then employ the PSO algorithm to find the antenna array topology that maximizes the channel capacity. The use of the PSO algorithm together with the new modelling approach for the spatial correlation is sufficiently tested and verified in terms of efficiency and correctness of addressing similar type of electromagnetic problems. Moreover, the general AOA model of this work is adaptable to different propagation environments, thus our approach is very promising in this regard

State-of-the-art assessment of 5G mmWave communications

Deliverable D2.1 del proyecto 5GWirelessMain objective of the European 5Gwireless project, which is part of the H2020 Marie Slodowska- Curie ITN (Innovative Training Networks) program resides in the training and involvement of young researchers in the elaboration of future mobile communication networks, focusing on innovative wireless technologies, heterogeneous network architectures, new topologies (including ultra-dense deployments), and appropriate tools. The present Document D2.1 is the first deliverable of Work- Package 2 (WP2) that is specifically devoted to the modeling of the millimeter-wave (mmWave) propagation channels, and development of appropriate mmWave beamforming and signal processing techniques. Deliver D2.1 gives a state-of-the-art on the mmWave channel measurement, characterization and modeling; existing antenna array technologies, channel estimation and precoding algorithms; proposed deployment and networking techniques; some performance studies; as well as a review on the evaluation and analysis toolsPostprint (published version

Multiple-Input Multiple-Output Communications Systems Using Reconfigurable Antennas

RÉSUMÉ Depuis les années 1990, l'utilisation des systèmes de communications sans-fil à entrées multiples-sorties multiples (MIMO) a été introduit pour fournir des transmissions fiables à grande vitesse. Cette thèse porte sur l'application et l’étude des systèmes MIMO avec des antennes reconfigurables, qui sont ajustable électroniquement pour produire différents diagrammes de rayonnement d'un seul élément d'antenne et ainsi offrir une diversité de diagrammes de rayonnement. En particulier, nous étudions le comportement de la capacité de canal des systèmes MIMO à sélection de diagrammes de rayonnement (PS-MIMO), et nous proposons aussi des algorithmes de sélection du diagramme de rayonnement atteignant la capacité maximale. Tout d'abord, nous étudions l'application des antennes reconfigurables dans l'estimation des statistiques spatiales à long terme de canaux spatiaux avec grappes de multi-trajets (cluster). Nous proposons un estimateur de spectre de type Capon et une technique d'adaptation de la covariance (COMET) pour estimer conjointement l'angle moyen et l’étalement angulaire de la grappe spatiale avec des antennes reconfigurables. En second lieu, sur la base des statistiques à long terme du canal MIMO, nous proposons des algorithmes de sélection de diagramme de rayonnement MIMO (SPS-MIMO) pour atteindre la capacité maximale de canal ergodique. L'analyse de la maximisation de la capacité ergodique du système SPS-MIMO indique que le modèle statistique de sélection fournit des gains supplémentaires en améliorant la puissance du signal reçu et en décorrélant les signaux reçus avec différents diagrammes de rayonnement directionnels. Troisièmement, nous nous concentrons sur le modèle de sélection instantanée des diagrammes de rayonnement MIMO (IPS-MIMO) basé sur des informations instantanées d'état de canal (CSI) afin de maximiser la capacité instantanée pour chaque réalisation de canal. Nous démontrons que l’ordre de diversité des systèmes MIMO peut être multipliée par le nombre de diagrammes de rayonnement avec sélection de diagramme instantanée. Afin d'évaluer la capacité moyenne de l'IPS-MIMO, nous proposons un nouvel algorithme qui permet d’approximer étroitement la moyenne de la valeur maximale de la capacité du canal MIMO avec des trajets arbitrairement corrélés. Nous proposons également un algorithme pour sélectionner instantanément les diagrammes de rayonnement pour atteindre la capacité moyenne. En outre, sur la base d'une simple expression en forme fermée de la capacité coefficient de corrélation, nous sommes en mesure de proposer un algorithme de sélection de sous-ensemble de diagrammes qui offre un compromis entre performances et la complexité de l’algorithme de sélection. En conclusion, des gains de performance importants peuvent être obtenus grâce à la combinaison de l'utilisation d’antennes reconfigurables et de systèmes MIMO avec soit des algorithmes de sélection de diagramme de rayonnement statistique ou instantanée. La capacité des systèmes PS-MIMO à améliorer les performances du système, y compris la capacité et de l'ordre de la diversité, est démontrée par l'analyse théorique et des simulations numériques.----------ABSTRACT Since the 1990s, the use of multiple-input multiple-output (MIMO) systems has been introduced to modern wireless communications to provide reliable transmission at high data rates. This thesis focuses on the application of MIMO systems with reconfigurable antennas, which are electronically tunable to produce a number of radiation patterns at a single antenna element and provide pattern diversity. In particular, we investigate the capacity performance of the pattern selection MIMO (PS-MIMO) systems, and we also present maximum capacity achieving algorithms for radiation pattern selection. First, we investigate the application of reconfigurable antennas in estimating long term spatial statistics of spatial clustered channels. We propose a Capon-like spectrum estimator and a covariance matching technique (COMET) to jointly estimate the mean angle and the angular spread of the spatial cluster with reconfigurable antennas. Second, based on the long term statistics of the MIMO channel, we propose statistical pattern selection MIMO (SPS-MIMO) algorithms to achieve maximum ergodic channel capacity. Analysis of the ergodic capacity maximization of the SPS-MIMO indicates that the statistical pattern selection provides additional gains by enhancing received signal power and decorrelating received signals with different directional radiation patterns. Third, we focus on the instantaneous pattern selection MIMO (IPS-MIMO) based on instantaneous channel state information (CSI) in order to maximize the instantaneous capacity for every channel realization. We prove that the diversity order of MIMO systems can be multiplied by the number of radiation patterns with instantaneous pattern selection. In order to evaluate the mean capacity of the IPS-MIMO, we propose a novel algorithm which closely approximates the mean of the maximum of the channel capacity of arbitrarily correlated MIMO channels. We also propose an algorithm for instantaneously selecting radiation patterns to achieve the mean capacity. In addition, based on a simple closed-form approximation to the capacity correlation coefficient, we are able to propose a subset pattern selection algorithm which enables the trade-off between performances and complexity. In conclusion, important extra gains can be obtained as a result of combining the use of reconfigurable antennas and MIMO systems with either statistical or instantaneous radiation pattern selection. The capability of the PS-MIMO to improve system performances, including capacity and diversity order, is demonstrated through theoretical analysis and numerical simulations

Development of multi-link geometry-based MIMO channel model

Projecte final de carrera realitzat en col.laboració amb A<lto University. Department of Radio Science and EngineeringForthcoming wireless communication systems need larger capacity. MIMO systems are already an answer that enables to achieve large increase to the link capacity. However, a wide and precise knowledge of the radio propagation channel is required in order to exploit the many benefits and capabilities of MIMO systems. In this master‟s thesis a multi-link geometry-based MIMO channel model was developed. This work analyses the effect of common clusters on multi-link MIMO capacity and inter-link correlation based on simulation studies. Furthermore, the basics on radio wave propagation and MIMO systems as well as a review on existing MIMO channel models are also provided. Finally simulation results revealed that, in general, common clusters increase the inter-link correlation, and so the ML-MIMO capacity decrease. But sometimes cluster geometry together with array geometry fully determines the MIMO system performance independently of the significance of common clusters. In addition, it was shown how often the overall system performance is degraded. Finally, it was also investigated that a common cluster which is really significant for only one link is not in fact a common cluster

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

Link level performance evaluation and link abstraction for LTE/LTE-advanced downlink

Els objectius principals d'aquesta tesis són l'avaluació del rendiment a nivell d'enllaç i l'estudi de l'abstracció de l'enllaç pel LTE/LTE-Advanced DL. S’ha desenvolupat un simulador del nivell d'enllaç E-UTRA DL basat en la tecnologia MIMO-OFDM. Es simulen els errors d'estimació de canal amb un model d'error de soroll additiu Gaussià anomenat CEEM. El resultat d'aquest simulador serveix per avaluar el rendiment a nivell d'enllaç del LTE/LTE-Advanced DL en diferents entorns . La idea bàsica dels mètodes d'abstracció de l'enllaç és mapejar el vector de SNRs de les subportadores a un valor escalar, l'anomenada ESNR, la qual és usada per a predir la BLER. Proposem un innovador mètode d'abstracció de l'enllaç que pot predir la BLER amb bona precisió en esvaïments multicamí i que inclouen els efectes de les retransmissions HARQ. El mètode proposat es basa amb l'estimació de la informació mútua entre els bits transmesos i els LLRs rebuts.The main objectives of this dissertation are the evaluation of the link level performance and the study of link abstraction for LTE/LTE-Advanced DL. An E-UTRA DL link level simulator has been developed based on MIMO-OFDM technology. We simulate channel estimation errors by a Gaussian additive noise error model called CEEM. The result of this simulator serves to evaluate the MIMO-OFDM LTE/LTE-Advanced DL link level performance in different environments. The basic idea of link abstraction methods is to map the vector of the subcarrier SNRs to a single scalar, the ESNR, which is then used to predict the BLER. We propose a novel link abstraction method that can predict the BLER with good accuracy in multipath fading and including the effects of HARQ retransmissions. The proposed method is based on estimating the mutual information between the transmitted bits and the received LLRs.Postprint (published version

MIMO Channel Modelling and Performance Evaluations

The demand on wireless networks with high throughput has grown heavily because of the increasing usage of data services. One of the key technologies to meet this requirement is the multiple-input multiple-output (MIMO) communication system, which improves the spectrum effciency without too much investment on the infrastructure and new frequency spectrum. In this theis, a new MIMO channel model is developed that is specifc to real scenarios. This kind of channel models is more suitable for network planning tools because it takes the environment details into account. The frst step of this work is a review on the state-of-the-art MIMO channel modelling and radio propagation modelling studies. It is then followed by a comparison of two propagation models that use different algorithms, i.e. ray optical and partial flow. The comparison leads to a decision that ray optical method is used for MIMO channel modelling in this thesis. After that, a spatial channel model based on a deterministic ray optical propagation model is proposed. The fnal MIMO channel model takes the polarisation and the Doppler effect in to account so that it can be used for MIMO systems with polarised antennas and moving objects as well. The model is used in a system level simulator and then validated in an indoor offce building using measurement data. It is concluded from this thesis that the chosen propagation model can be used for MIMO channel modelling, and the proposed MIMO channel model based on it is accurate and can be used for MIMO system design

Empirical multi-band characterization of propagation with modelling aspects for communictions

Diese Arbeit präsentiert eine empirische Untersuchung der Wellenausbreitung für drahtlose Kommunikation im Millimeterwellen- und sub-THz-Band, wobei als Referenz das bereits bekannte und untersuchte sub-6-GHz-Band verwendet wird. Die großen verfügbaren Bandbreiten in diesen hohen Frequenzbändern erlauben die Verwendung hoher instantaner Bandbreiten zur Erfüllung der wesentlichen Anforderungen zukünftiger Mobilfunktechnologien (5G, “5G and beyond” und 6G). Aufgrund zunehmender Pfad- und Eindringverluste bei zunehmender Trägerfrequenz ist die resultierende Abdeckung dabei jedoch stark reduziert. Die entstehenden Pfadverluste können durch die Verwendung hochdirektiver Funkschnittstellen kompensiert werden, wodurch die resultierende Auflösung im Winkelbereich erhöht wird und die Notwendigkeit einer räumlichen Kenntnis der Systeme mit sich bringt: Woher kommt das Signal? Darüber hinaus erhöhen größere Anwendungsbandbreiten die Auflösung im Zeitbereich, reduzieren das small-scale Fading und ermöglichen die Untersuchung innerhalb von Clustern von Mehrwegekomponenten. Daraus ergibt sich für Kommunikationssysteme ein vorhersagbareres Bild im Winkel-, Zeit- und Polarisationsbereich, welches Eigenschaften sind, die in Kanalmodellen für diese Frequenzen widergespiegelt werden müssen. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit eine umfassende Charakterisierung der Wellenausbreitung durch simultane Multibandmessungen in den sub-6 GHz-, Millimeterwellen- und sub-THz-Bändern vorgestellt. Zu Beginn wurde die Eignung des simultanen Multiband-Messverfahrens zur Charakterisierung der Ausbreitung von Grenzwert-Leistungsprofilen und large-scale Parametern bewertet. Anschließend wurden wichtige Wellenausbreitungsaspekte für die Ein- und Multibandkanalmodellierung innerhalb mehrerer Säulen der 5G-Technologie identifiziert und Erweiterungen zu verbreiteten räumlichen Kanalmodellen eingeführt und bewertet, welche die oben genannten Systemaspekte abdecken.This thesis presents an empirical characterization of propagation for wireless communications at mm-waves and sub-THz, taking as a reference the already well known and studied sub-6 GHz band. The large blocks of free spectrum available at these high frequency bands makes them particularly suitable to provide the necessary instantaneous bandwidths to meet the requirements of future wireless technologies (5G, 5G and beyond, and 6G). However, isotropic path-loss and penetration-loss are larger with increasing carrier frequency, hence, coverage is severely reduced. Path-loss can be compensated with the utilization of highly directive radio-interfaces, which increases the resolution in the angular domain. Nonetheless, this emphasizes the need of spatial awareness of systems, making more relevant the question “where does the signal come from?” In addition, larger application bandwidths increase the resolution in the time domain, reducing small-scale fading and allowing to observe inside of clusters of multi-path components (MPCs). Consequently, communication systems have a more deterministic picture of the environment in the angular, time, and polarization domain, characteristics that need to be reflected in channel models for these frequencies. Therefore, in the present work we introduce an extensive characterization of propagation by intensive simultaneous multi-band measurements in the sub-6 GHz, mm-waves, and sub-THz bands. Firstly, the suitability of the simultaneous multi-band measurement procedure to characterize propagation from marginal power profiles and large-scale parameters (LSPs) has been evaluated. Then, key propagation aspects for single and multi-band channel modelling in several verticals of 5G have been identified, and extensions to popular spatial channel models (SCMs) covering the aforementioned system aspects have been introduced and evaluated

Laboratory and field trials evaluation of transmit delay Diversity applied to DVB-T/H networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The requirements for future DVB-T/H networks demand that broadcasters design and deploy networks that provide ubiquitous reception in challenging indoors and other obstructed situations. It is essential that such networks are designed cost-effectively and with minimized environmental impact. The use of transmit diversity techniques with multiple antennas have long been proposed to improve the performance and capacity of wireless systems. Transmit diversity exploits the scattering effect inherent in the channel by means of transmitting multiple signals in a controlled manner from spatially separated antennas, allowing independently faded signals to arrive at the receiver and improves the chances of decoding a signal of acceptable quality. Transmit diversity can complement receive diversity by adding an additional diversity gain and in situations where receiver diversity is not practical, transmit diversity alone delivers a comparable amount of diversity gain. Transmit Delay Diversity (DD) can be applied to systems employing the DVB standard without receiver equipment modifications. Although transmit DD can provide a gain in NLOS situations, it can introduce degradation in LOS situation. The aim of this thesis is to investigate the effectiveness in real-word applications of novel diversity techniques for broadcast transmitter networks. Tests involved laboratory experiments using a wireless MIMO channel emulator and the deployment of a field measurement campaign dedicated to driving, indoor and rooftop reception. The relationship between the diversity gain, the propagation environment and several parameters such as the transmit antenna separation, the receiver speed and the Forward Error Correction Codes (FEC) configuration are investigated. Results includes the effect of real-word parameter usually not modeled in the software simulation analysis, such as antenna radiation patterns and mutual coupling, scattering vegetation impact, non-Gaussian noise sources and receiver implementation. Moreover, a practical analysis of the effectiveness of experimental techniques to mitigate the loss due to transmit DD loss in rooftop reception is presented. The results of this thesis confirmed, completed and extended the existing predictions with real word measurement results