BER of MRC for M-QAM with imperfect channel estimation over correlated Nakagami-m fading

In this contribution, we provide an exact BER analysis for M-QAM transmission over arbitrarily correlated Nakagami-m fading channels with maximal-ratio combining (MRC) and imperfect channel estimation at the receiver. Assuming an arbitrary joint fading distribution and a generic pilot-based channel estimation method, we derive an exact BER expression that involves an expectation over (at most) 4 variables, irrespective of the number of receive antennas. The resulting BER expression includes well-known PDFs and the PDF of only the norm of the channel vector. In order to obtain the latter PDF for arbitrarily correlated Nakagami-m fading, several approaches from the literature are discussed. For identically distributed and arbitrarily correlated Nakagami-m channels with integer m, we present several BER performance results, which are obtained from numerical evaluation and confirmed by straightforward computer simulations. The numerical evaluation of the exact BER expression turns out to be much less time-consuming than the computer simulations

On the Computation of the Higher Order Statistics of the Channel Capacity over Generalized Fading Channels

The higher-order statistics (HOS) of the channel capacity $\mu_n=\mathbb{E}[\log^n(1+\gamma_{end})]$, where $n\in\mathbb{N}$ denotes the order of the statistics, has received relatively little attention in the literature, due in part to the intractability of its analysis. In this letter, we propose a novel and unified analysis, which is based on the moment generating function (MGF) technique, to exactly compute the HOS of the channel capacity. More precisely, our mathematical formalism can be readily applied to maximal-ratio-combining (MRC) receivers operating in generalized fading environments (i.e., the sum of the correlated noncentral chi-squared distributions / the correlated generalized Rician distributions). The mathematical formalism is illustrated by some numerical examples focussing on the correlated generalized fading environments.Comment: Submitted to IEEE Wireless Communications Letter, February 18, 201

On the Multivariate Gamma-Gamma (ΓΓ\Gamma \Gamma) Distribution with Arbitrary Correlation and Applications in Wireless Communications

The statistical properties of the multivariate Gamma-Gamma ($\Gamma \Gamma$) distribution with arbitrary correlation have remained unknown. In this paper, we provide analytical expressions for the joint probability density function (PDF), cumulative distribution function (CDF) and moment generation function of the multivariate $\Gamma \Gamma$ distribution with arbitrary correlation. Furthermore, we present novel approximating expressions for the PDF and CDF of the sum of $\Gamma \Gamma$ random variables with arbitrary correlation. Based on this statistical analysis, we investigate the performance of radio frequency and optical wireless communication systems. It is noteworthy that the presented expressions include several previous results in the literature as special cases.Comment: 7 pages, 6 figures, accepted by IEEE Transactions on Vehicular Technolog

Aproximações estatísticas para somas de variáveis aleatórias correlacionadas dos tipos Rayleigh e exponencial com aplicação a esquemas de combinação de diversidade

Orientador: José Cândido Silveira Santos FilhoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Somas de variáveis aleatórias são amplamente aplicadas em sistemas de comunicação sem fio. Exemplos incluem equalização linear, detecção de sinais, fenômenos de interferência e esquemas de combinação de diversidade. No entanto, a formulação exata para as funções estatísticas dessas somas, como a função densidade de probabilidade e a função distribuição acumulada, requer em geral um tratamento matemático complicado, o que tem motivado a busca por soluções aproximadas mais simples. Apesar de haver várias propostas de aproximação disponíveis na literatura, muitas das quais obtidas usando-se a tradicional técnica de casamento de momentos, elas não oferecem um bom ajuste em regime de alta relação sinal-ruído. Sabe-se, porém, que essa é uma região primordial para a análise de desempenho de sistemas de comunicação em termos de métricas importantes como taxa de erro de bit e probabilidade de interrupção. Mais recentemente, com o intuito de contornar essa limitação, foi proposta uma nova técnica promissora conhecida como casamento de assíntotas, capaz de fornecer aproximações para estatísticas de somas de variáveis aleatórias positivas com um ótimo ajuste em regime de alta relação sinal-ruído. Ainda assim, essa técnica foi inicialmente implementada apenas para o caso de somas de variáveis independentes, não sendo até então aplicável para somas de variáveis correlacionadas. Neste trabalho, uma nova análise assintótica é proposta, a partir da qual é possível generalizar o uso do casamento de assíntotas para o caso correlacionado. A análise proposta é ilustrada para somas de variáveis Rayleigh e somas de variáveis exponenciais com correlação e parâmetros de desvanecimento arbitrários. Além disso, deduzem-se expressões assintóticas em forma fechada com o intuito de obter novas aproximações simples e precisas em regime de alta relação sinal-ruído. Como exemplos de aplicação, esquemas práticos de combinação de diversidade são abordados, quais sejam, combinação por ganho igual e combinação por razão máxima. Por fim, resultados numéricos mostram o excelente desempenho das aproximações propostas em comparação com as aproximações obtidas via casamento de momentosAbstract: Sums of random variables are widely applied to wireless communications systems. Examples include linear equalization, signal detection, interference phenomena, and diversity-combining schemes. However, the exact formulation for the statistical functions of these sums, such as the probability density function and the cumulative distribution function, requires in general a complicated mathematical treatment, which has motivated the search for simple approximate solutions. Although there are several approximate proposals available in the literature, many of which obtained through the traditional moment-matching technique, they do not offer a good fit under the regime of high signal-to-noise ratio. It is well-known that this regime is a paramount region for the performance analysis of communications systems in terms of important metrics such as bit error rate and outage probability. More recently, in order to circumvent this limitation, a new promising technique known as asymptotic matching was proposed, capable of providing approximations for statistics of the sum of random variables with an excellent fit under the regime of high signal-to-noise ratio. Even so, this technique was initially proposed for the sum of mutually independent variables only, and thus it has not been applicable to sums of correlated variables. In this work, a novel asymptotic analysis is proposed, from which it is possible to generalize the application of asymptotic matching to the correlated case. The proposed analysis is illustrated for sums of Rayleigh and sums of exponential variables with arbitrary correlation and arbitrary fading parameters. Furthermore, closed-form asymptotic expressions are derived in order to obtain new simple and precise approximations under the regime of high signal-to-noise ratio. As application examples, practical diversity-combining schemes are addressed, namely, equal-gain combining and maximal-ratio combining. Finally, numerical results show the excellent performance of the proposed approximations in comparison to the approximations obtained via moment matchingMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia ElétricaCAPE

Performance Analysis of Non-Ideal MIMO Systems in Fading Channels

En esta tesis se aborda el análisis de prestaciones de sistemas MIMO bajo ciertas condiciones no ideales. Se han considerado limitaciones realistas como son las interferencias co-canal, el canal de retorno con velocidad limitada, y la correlación espacial entre antenas. Bajo estas condiciones, se han analizado las probabilidades de error y de outage para sistemas MIMO que incluyen técnicas de conformación de haz en el transmisor y/o distintas técnicas de diversidad espacial en el receptor. Con el fin de obtener expresiones cerradas y exactas par los indicadores de rendimiento mencionados, se han desarrollo nuevos métodos o herramientas matemáticas que facilitan o, en algunos casos, hacen posible el análisis. En primer lugar, se han obtenido nuevas expresiones cerradas para las integrales del tipo Lipschitz-Hankel y para la distribución de los elementos de la diagonal de matrices Wishart complejas. Posteriormente, estos resultados han sido aplicados al análisis de prestaciones de distintos sistemas MIMO en condiciones no-ideales. Concretamente, se han obtenido nuevas expresiones cerrradas de la probabilidad de outage para: sistemas MRC con interferencia co-canal, sistemas MIMO con correlación espacial entre antenas, y sistemas MIMO MRC con un canal de retorno limitado en velocidad. Además, se han obtenido expresiones cerradas para la probabilidad de error en sistemas de diversidad en recepción que emplean modulaciones no coherentes y no ortogonales