Capacity and performance analysis of advanced multiple antenna communication systems

Multiple-input multiple-output (MIMO) antenna systems have been shown to be able to substantially increase date rate and improve reliability without extra spectrum and power resources. The increasing popularity and enormous prospect of MIMO technology calls for a better understanding of the performance of MIMO systems operating over practical environments. Motivated by this, this thesis provides an analytical characterization of the capacity and performance of advanced MIMO antenna systems. First, the ergodic capacity of MIMO Nakagami-m fading channels is investigated. A unified way of deriving ergodic capacity bounds is developed under the majorization theory framework. The key idea is to study the ergodic capacity through the distribution of the diagonal elements of the quadratic channel HHy which is relatively easy to handle, avoiding the need of the eigenvalue distribution of the channel matrix which is extremely difficult to obtain. The proposed method is first applied on the conventional point-to-point MIMO systems under Nakagami-m fading, and later extended to the more general distributed MIMO systems. Second, the ergodic capacity of MIMO multi-keyhole and MIMO amplify-and-forward (AF) dual-hop systems is studied. A set of new statistical properties involving product of random complex Gaussian matrix, i.e., probability density function (p.d.f.) of an unordered eigenvalue, p.d.f. of the maximum eigenvalue, expected determinant and log-determinant, is derived. Based on these, analytical closedform expressions for the ergodic capacity of the systems are obtained and the connection between the product channels and conventional point-to-point MIMO channels is also revealed. Finally, the effect of co-channel interference is investigated. First, the performance of optimum combining (OC) systems operating in Rayleigh-product channels is analyzed based on novel closed-form expression of the cumulative distribution function (c.d.f.) of the maximum eigenvalue of the resultant channel matrix. Then, for MIMO Rician channels and MIMO Rayleigh-product channels, the ergodic capacity at low signal-to-noise ratio (SNR) regime is studied, and the impact of various system parameters, such as transmit and receive antenna number, Rician factor, channel mean matrix and interference-tonoise- ratio, is examined

From Multi-Keyholes to Measure of Correlation and Power Imbalance in MIMO Channels: Outage Capacity Analysis

An information-theoretic analysis of a multi-keyhole channel, which includes a number of statistically independent keyholes with possibly different correlation matrices, is given. When the number of keyholes or/and the number of Tx/Rx antennas is large, there is an equivalent Rayleigh-fading channel such that the outage capacities of both channels are asymptotically equal. In the case of a large number of antennas and for a broad class of fading distributions, the instantaneous capacity is shown to be asymptotically Gaussian in distribution, and compact, closed-form expressions for the mean and variance are given. Motivated by the asymptotic analysis, a simple, full-ordering scalar measure of spatial correlation and power imbalance in MIMO channels is introduced, which quantifies the negative impact of these two factors on the outage capacity in a simple and well-tractable way. It does not require the eigenvalue decomposition, and has the full-ordering property. The size-asymptotic results are used to prove Telatar's conjecture for semi-correlated multi-keyhole and Rayleigh channels. Since the keyhole channel model approximates well the relay channel in the amplify-and-forward mode in certain scenarios, these results also apply to the latterComment: accepted by IEEE IT Trans., 201

Contributions to the Performance Analysis of Intervehicular Communications Systems and Schemes

RÉSUMÉ Le but des systèmes de communication intervéhicule (Inter-Vehicle Communication – IVC) est d'améliorer la sécurité de conduite en utilisant des capteurs et des techniques de communication sans fil pour être en mesure de communiquer mutuellement sans aucune intervention extérieure. Avec l'utilisation de ces systèmes, les communications véhicule à véhicule (V2V) peuvent être plus efficaces dans la prévention des accidents et la décongestion de la circulation que si chaque véhicule travaillait individuellement. Une des solutions proposées pour les systèmes IVC est l’utilisation des systèmes de communication coopérative, qui en principe, augmentent l'efficacité spectrale et énergétique, la couverture du réseau, et réduit la probabilité de défaillance. La diversité d'antenne (entrées multiples sorties multiples « Multiple-Input Multiple-Output » ou MIMO) peut également être une alternative pour les systèmes IVC pour améliorer la capacité du canal et la diversité (fiabilité), mais en échange d’une complexité accrue. Toutefois, l'application de telles solutions est difficile, car les communications sans fil entre les véhicules sont soumises à d’importants effets d'évanouissements des canaux appelés (canaux sujets aux évanouissements de n*Rayleigh, « n*Rayleigh fading channels»), ce qui conduit à la dégradation des performances. Par conséquent, dans cette thèse, nous proposons une analyse de la performance globale des systèmes de transmission coopératifs et MIMO sur des canaux sujets aux évanouissements de n*Rayleigh. Cette analyse permettra d’aider les chercheurs pour la conception et la mise en œuvre de systèmes de communication V2V avec une complexité moindre. En particulier, nous étudions d'abord la performance de la sélection du relais de coopération avec les systèmes IVC, on suppose que la transmission via « Amplify-and-Forward» (AF) ou bien «Decode-and-Forward» (DF) est assurée par N relais pour transférer le message de la source à la destination. La performance du système est analysée en termes de probabilité de défaillance, la probabilité d'erreur de symbole, et la capacité moyenne du canal. Les résultats numériques démontrent que la sélection de relais réalise une diversité de l'ordre de (d≈mN/n) pour les deux types de relais, où m est un paramètre évanouissement de Rayleigh en cascade. Nous étudions ensuite la performance des systèmes IVC à sauts multiples avec et sans relais régénératifs. Dans cette étude, nous dérivons des expressions approximatives pour la probabilité de défaillance et le niveau d’évanouissement lorsque la diversité en réception basée sur le ratio maximum de combinaison (MRC) est employée. En outre, nous analysons la répartition de puissance pour le système sous-jacent afin de minimiser la probabilité globale de défaillance. Nous montrons que la performance des systèmes régénératifs est meilleure que celle des systèmes non régénératifs lorsque l’ordre de cascade n est faible, tandis qu’ils ont des performances similaires lorsque n est élevé. Ensuite, nous considérons le problème de la détection de puissance des signaux inconnus aux n* canaux de Rayleigh. Dans ce travail, de nouvelles expressions approximatives sont dérivées de la probabilité de détection moyenne avec et sans diversité en réception MRC. En outre, la performance du système est analysée lorsque la détection de spectre coopérative (CSS) est considérée sous diverses contraintes de canaux (par exemple, les canaux de communication parfaits et imparfaits). Les résultats numériques ont montré que la fiabilité de détection diminue à mesure que l'ordre n augmente et s’améliore sensiblement lorsque CSS emploie le schéma MRC. Il est démontré que CSS avec le schéma MRC maintient la probabilité de fausse alarme minimale dans les canaux d’information imparfaite plutôt que d'augmenter le nombre d'utilisateurs en coopération. Enfin, nous présentons une nouvelle approche pour l'analyse des performances des systèmes IVC sur n*canaux de Rayleigh, en utilisant n_T antennes d'émission et n_R antennes de réception pour lutter contre l'effet d’évanouissement. Dans ce contexte, nous évaluons la performance des systèmes MIMO-V2V basés sur la sélection des antennes d'émission avec un ratio maximum de combinaison (TAS/MRC) et la sélection combinant (TAS/SC). Dans cette étude, nous dérivons des expressions analytiques plus précises pour la probabilité de défaillance, la probabilité d'erreur de symbole, et l’évanouissement sur n*canaux Rayleigh. Il est montré que les deux régimes ont le même ordre de diversité maximale équivalent à (d≈mn_T n_R /n) . En outre, TAS / MRC offre un gain de performance mieux que TAS/ SC lorsque le nombre d'antennes de réception est plus que celle des antennes d’émission, mais l’amélioration de la performance est limitée lorsque n augmente.----------Abstract The purpose of intervehicular communication (IVC) systems is to enhance driving safety, in which vehicles use sensors and wireless communication techniques to talk to each other without any roadside intervention. Using these systems, vehicle-to-vehicle (V2V) communications can be more effective in avoiding accidents and traffic congestion than if each vehicle works individually. A potential solution can be implemented in this research area using cooperative communications systems which, in principle, increase spectral and power efficiency, network coverage, and reduce the outage probability. Antenna diversity (i.e., multiple-input multiple output (MIMO) systems) can also be an alternative solution for IVC systems to enhance channel capacity and diversity (reliability) but in exchange of an increased complexity. However, applying such solutions is challenging since wireless communications among vehicles is subject to harsh fading channels called ‘n*Rayleigh fading channels’, which leads to performance degradation. Therefore, in this thesis we provide a comprehensive performance analysis of cooperative transmission and MIMO systems over n*Rayleigh fading channels that help researchers for the design and implementation of V2V communication systems with lower complexity. Specifically, we first investigate the performance of cooperative IVC systems with relay selection over n*Rayleigh fading channels, assuming that both the decode-and-forward and the amplify-and-forward relaying protocols are achieved by N relays to transfer the source message to the destination. System performance is analyzed in terms of outage probability, symbol error probability, and average channel capacity. The numerical results have shown that the best relay selection approach achieves the diversity order of (d≈mN/n) where m is a cascaded Rayleigh fading parameter. Second, we investigate the performance of multihop-IVC systems with regenerative and non-regenerative relays. In this study, we derive approximate closed-form expressions for the outage probability and amount of fading when the maximum ratio combining (MRC) diversity reception is employed. Further, we analyze the power allocation for the underlying scheme in order to minimize the overall outage probability. We show that the performance of regenerative systems is better than that of non-regenerative systems when the cascading order n is low and they have similar performance when n is high. Third, we consider the problem of energy detection of unknown signals over n*Rayleigh fading channels. In this work, novel approximate expressions are derived for the average probability of detection with and without MRC diversity reception. Moreover, the system performance is analyzed when cooperative spectrum sensing (CSS) is considered under various channel constraints (e.g, perfect and imperfect reporting channels). The numerical results show that the detection reliability decreases as the cascading order n increases and substantially improves when CSS employs MRC schemes. It is demonstrated that CSS with MRC scheme keeps the probability of false alarm minimal under imperfect reporting channels rather than increasing the number of cooperative users. Finally, we present a new approach for the performance analysis of IVC systems over n*Rayleigh fading channels, using n_T transmit and n_R receive antennas to combat fading influence. In this context, we evaluate the performance of MIMO-V2V systems based on the transmit antenna selection with maximum ratio combining (TAS/MRC) and selection combining (TAS/SC) schemes. In this study, we derive tight analytical expressions for the outage probability, the symbol error probability, and the amount of fading over n*Rayleigh fading channels. It is shown that both schemes have the same maximum diversity order equivalent to (d≈mn_T n_R /n). In addition, TAS/MRC offers a better performance gain than TAS/SC scheme when the number of receive antennas is more than that of transmit antennas, but the performance improvement is limited as n increases

On the Performance of SR and FR Protocols for OSTBC based AF-MIMO Relay System with Channel and Noise Correlations

This paper proposes selection relaying (SR) protocol for a cooperative multiple-input multiple-output (MIMO) relay system that consists of a direct link between a source and a destination. The system has only receive-side channel state information (CSI), spatially correlated MIMO channels, and the receiver nodes observe spatially correlated noise. The transmit nodes employ orthogonal space-time block codes (OSTBC), whereas the receiver nodes employ optimum minimum mean-square-error (MMSE) detection. The SR protocol, which transmits via the relay only when the direct link between the source and destination is in outage, is compared with the fixed relaying (FR) protocol which always uses the relay. By deriving novel asymptotic expressions of the outage probabilities, it is analytically shown that both protocols provide the same diversity gain. However, the coding gain (CG) of the SR protocol can be much better than that of the FR protocol. In particular, when all MIMO links have the same effective rank, irrespective of its value, the SR protocol provides better CG than the FR scheme if the target information rate is greater than ln2(3) bits per channel use. Simulation results support theoretical analysis and show that the SR scheme can significantly outperform FR method, which may justify the increased complexity due to one-bit feedback requirement in the SR protocol

On the Performance of SR and FR Protocols for OSTBC based AF-MIMO Relay System with Channel and Noise Correlations

This paper proposes selection relaying (SR) protocol for a cooperative multiple-input multiple-output (MIMO) relay system that consists of a direct link between a source and a destination. The system has only receive-side channel state information (CSI), spatially correlated MIMO channels, and the receiver nodes observe spatially correlated noise. The transmit nodes employ orthogonal space-time block codes (OSTBC), whereas the receiver nodes employ optimum minimum mean-square-error (MMSE) detection. The SR protocol, which transmits via the relay only when the direct link between the source and destination is in outage, is compared with the fixed relaying (FR) protocol which always uses the relay. By deriving novel asymptotic expressions of the outage probabilities, it is analytically shown that both protocols provide the same diversity gain. However, the coding gain (CG) of the SR protocol can be much better than that of the FR protocol. In particular, when all MIMO links have the same effective rank, irrespective of its value, the SR protocol provides better CG than the FR scheme if the target information rate is greater than ln2(3) bits per channel use. Simulation results support theoretical analysis and show that the SR scheme can significantly outperform FR method, which may justify the increased complexity due to one-bit feedback requirement in the SR protocol

Statistical analysis of the capacity of mobile radio channels

Doktorgradsavhandling i informasjons- og kommunikasjonsteknologi, Universitetet i Agder, Grimstad, 201

Design Of Vehicular Communication Systems Employing Physical Layer Network Coding Over Cascaded Fading Channels

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017İnsandan insana ses taşıma odaklı ikinci nesil (2nd Generation, 2G) mobil haberleşme teknolojilerinin kaydettiği başarıdan sonra telsiz iletişim alanındaki eğilimler insandan-makinaya olarak adlandırılan veri taşıma odaklı telsiz iletişim teknolojilerine (3rd Generation, 3G) doğru yönelmiştir. Bu veri taşıma odaklı iletişim konsepti ile birlikte son kullanıcılar multi-media mesajlaşma, internet erişimi, e-ticaret ve video paylaşımı gibi çok çeşitli telsiz iletişim servislerine kavuşma imkanı buldular. Telsiz iletişimdeki başarılı ve hızlı ilerlemenin bir sonucu olarak günümüzde bu alanda yapılan araştırma-geliştirme çalışmalarının yönü yüksek veri iletim hızları (>100Mb/s) ve daha yüksek bant-verimliliği (>10b/s) gerektiren makineden-makineye (Mactine-to-Machine, M2M) telsiz iletişime doğru yönelmiş bulunmaktadır. M2M telsiz iletişiminde bir araştırma/uygulama alanı araçtan-nesnelere (Vehicle-to-things, V2X) haberleşmedir. Araçtan araca (Vehicle-to-Vehicle, V2V) ve araçtan yol kenarındaki baz istasyonuna (Vehicle-to-Infrastructure, V2I) olmak üzere iki haberleşme sistemini birlikte içeren V2X haberleşme sistemleri günümüzde özellikle büyük metropollerde günlük hayatı pek çok yönden olumsuz etkileyen trafik kaynaklı problemlere karşı getirdiği çözüm önerileri nedeniyle üniversitlerde teorik çalışmalar yapan araştırmacıların yanı sıra, resmi kurumların, standartları belirleyen organizasyonların ve özellille otomotiv ve bilişim endüstrisindeki şirketlerin gittikçe artan dikkatini çekmeyi başarmıştır. Araçlar arası haberleşme teknolojilerinin gelişimine ivme kazandıran önemli gelişmelere bakılacak olursa; 1999 yılında ABD’de Federal Communication Comission (FCC) 5.9GHz frekans bandında 75MHz’lik bir frekans bandının V2X haberleşme için kullanımını onaylamıştır. 2008 yılında ise Avrupa haberleşme standardları enstitüsü (European Telecommunication Standards Institute) yine 5.9GHz frekans bandında 30Mhz’lik bir bandın bu amaçla kullanılmasını önermiştir. FCC’nin 2003 yılında ITS (Intelligent Transportation Systems) uygulamalarında kullanılacak haberleşme birimleri için yayımladığı rapor ve talebin ardından DSRC (Dedicated Short Range Communication) olarak adlandırılan V2X haberleşme sistemlerinin standardizasyonu için çalışmalar başlamış ve 2004 yılında IEEE 802.11standardı temel alınarak geliştirilen IEEE 802.11p standardı WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) olarak da bilinen adıyla 2010 yılında kabul edilmiştir. Bugün artık pek çok üniversitede çeşitli araştırma grupları V2X haberleşme üzerine akademik çalışmalar yürütürken endüstriyel seviyede ise Avrupa’da örneğin büyük ölçekli Avrupa Birliği projeleri olarak CAR2CAR Communication Corsortium, Secure Vehicular Communication ve NEARCTIS yürütülmektedir. Amerika’da ise ulaştırma bakanlığının desteklediği IntelliDrive projesi ile güvenlik, mobil iletişim ve çevre koruma amaçlı hedefler doğrultusunda trafik altyapısı, araçlar ve yolcuların mobil haberleşme cihazları arasında haberleşmeyi sağlayacak bir telsiz iletişim ağı alt yapısı kurma çalışmaları sürdürülmektedir. Benzer çalışmalar Japon Otomobil Teknolojileri Araştırma Enstitüsü JARI tarafından da yapılmaktadır. Yine V2V haberleşmenin trafik güvenliğini arttırmadaki öneminin anlaşılmasından sonra lider otomobil üreticisi firmalar “Crash Avoidance Metrics Partnership” adını verdikleri proje için ortak çatı altında biraraya gelmişlerdir. Kısaca belirtilmek istenirse, telsiz iletişim alanında V2X haberleşme yeni ama oldukça önemli bir çalışma alanı olarak görülmektedir. Günümüz telsiz haberleşme teknolojilerinden biri olan araçtan araca haberleşme, trafik verimliliğini arttırma, kazaların azaltılması ve trafikte güvenli sürüş konulara çözümler sağlayacak akıllı taşıma sistemlerinin gerçeklenmesinde çekirdek teknoloji konumundadır. Hücresel haberleşme ile karşılaştırıldığında, V2V haberleşme bazı yeni zorlukları içerir. V2V haberleşme kanallarının istatistiksel özellikleri hücresel telsiz haberleşme kanallarının istatistiksel özelliklerinden farklıdır. Bu nedenle, Rayleigh, Rician ve Nakagami-m gibi iyi bilinen hücresel haberleşme kanal modelleri V2V haberleşme kanallarındaki sönümlemeyi modellemek için uygun değildir. Yapılan saha ölçümlerinden görüldüğü üzere, V2V haberleşme kanallarında kanal kazancı, hareketli kaynaklar etrafında, her biri ayrı bir işaret kaynağı gibi davranan birbirinden bağımsız saçıcı gupların oluşturduğu sanal kanalların kanal kazançlarının çarpımından meydana gelmektedir. Kanal kazancının bu çarpımsallık niteliğinden dolayı V2V haberleşme kanalları kaskad sönümlemeli kanal modeli olarak adlandırılan bir grup kanal modeli ile modellenmelidirler. V2V haberleşmede karşılaşılan zorlukların bir nedeni, gerek haberleşen araçların gerekse onların etrafındaki diğer araçların yüksek hızlardaki hareketliliği nedeniyle haberleşme ortamının çevresel olarak çok hızlı değişmesidir. Bunun yanısıra araç antenlerinin görece düşük yükseklikte olmasının da etkisiyle, özellikle yerleşim birimleri içindeki yoğun trafik şartları düşünüldüğünde, haberleşen araçlar arasında çoğu zaman doğrudan görüş olmayacaktır. Bu da iletişimin sürekliliği ve güvenilirliği açısından işbirlikli haberleşmeyi kaçınılmaz kılmaktadır. Ancak doğrudan haberleşmeye nazaran daha fazla zaman dilimi gereksinimi işbirlikli sistemlerin temel dezavantajıdır. Veri iletim hızında kayba neden olan bu dezavantajı yok etmenin bir yolu, iki haberleşme biriminin aynı zaman aralığında aynı röle üzerinden veri aktarmasına imkan tanıyan fiziksel katman ağ kodlama (Physical Layer Network Coding, PLNC) tekniğidir. Ani gelişen durumların çok sayıda kullanıcıya kısa sürede bildirilmesini gerektirecek trafik içi haberleşmede PLNC tekniği yüksek başarımlı V2V haberleşme sistemlerinin tasarımında önemli bir rol oynayacaktır. Bu tezde sunulan çalışmalar üç grupta ele alınabilir. Birinci gruptaki ilk çalışmada tek antenli tek röleli ve röle üzerinde sabit kazançlı kuvvetlendir-ve-aktar tekniği kullanılarak PLNC yapılan bir işbirlikli V2V haberleşme sistemi tasarlanmıştır. Sistemin performans analizleri kaskad Nakagami-m kanal modeli varsayımı altında yapılmış olup bu kanal modeli, araçlar arası haberleşmeye uygun olan çift Rayleigh, kaskad Rayleigh, çift Nakagami-m ve genelleştirilmiş-K kanal modellerinin yanı sıra geleneksel hücresel haberleşme kanal modellerini de kapsamaktadır. Dolayısıyla bu çalışmada elde edilen sonuçlar bu kanal modelleri için de geçerlidir. Sistemin hata performans analizleri yapılırken öncelikle uçtan-uca işaret gürültü oranına ait birikimsel olasılık dağılım fonksiyonu kapalı formda elde edilmiş, ardından bu dağılım fonksiyonu kullanılarak sistemin servis kesinti olasılığı ve çeşitli modülasyon tipleri için sembol hata olasılığı ifadeleri kapalı formda bulunmuştur. Bu analizlerin bir devamı olarak, birinci grupta yapılan ikinci çalışmada ise, kaynaklarda öz-girişim işaretinin tam olarak yok edilemediği durumlar için yine tek antenli tek röleli rölede sabit kazançlı kuvvetlendir-ve-aktar tekniği kullanılarak PLNC yapılan sistemin performans analizi kaskad ve hızlı sönümlemeli Rayleigh kanal varsayımı altında yapılmış ve sisteme ait servis kesinti olasılığı ifadesi kapalı formda elde edilerek öz girişimin sistem performansına etkileri incelenmiştir. Tezde yer alan ikinci grup çalışmada, çok girişli çok çıkışlı (multiple input multiple output, MIMO) bir V2V haberleşme sistemi tasarlanmıştır. Sistemde birden çok röle olup kaynaklar ve tüm röleler çok antenlidir. Ayrıca röleler değişken kazançlı kuvvetlendir-ve-aktar tekniği uygulayarak PLNC yapmaktadır. Bu çalışmada da kaskad Nakagami-m kanal modeli kullanıldığından elde edilen sonuçlar yukarıda bahsedilen diğer kaskad veya kaskad olmayan kanal modelleri için de geçerlidir. Burada yapılan analizler ile tüm sistemin servis kesinti performansı kaynakların ortak servis kesinti olasılıkları cinsinden ifade edilerek bu olasılık tek katlı integral formunda bulunmuştur. Ardından servis kesinti olasılığı için alt ve üst sınır ifadeleri kapalı formda elde edilmiştir. Bulunan sınır ifadeleri aracılığıyla sistemde elde edilebilecek çeşitleme derecesi, röle sayısı, kaynak ve rölelerde kullanılan anten sayıları ve kanalların kaskadlık dereceleri ve sönümleme parametrelerinin aldığı değerlere bağlı olarak sistem parametreleri cinsinden ifade edilmiştir. Tasarlanan bu sistem ile ortak anten ve röle seçimi yapılarak V2V haberleşme sistemlerinin performansının daha da iyileştirilebileceği gösterilmiştir. Tezde yapılan üçüncü çalışmada PLNC yapılan bir çok antenli çok röleli V2V haberleşme sisteminde uzay-zaman kafes kodlama tekniği kullanılarak sistem performansının daha da iyileştirilmesi sağlanmıştır. Bu amaçla öncelikle sistemin çiftsel hata olasılığı için bir üst sınır ifadesi çift Rayleigh sönümlemeli kanal varsayımı için elde edilmiştir. Daha sonra bu olasılığı en küçük yapacak kodların inşaası için yeni bir kod tasarım ölçütü türetilmiş ve bu ölçüt kullanılarak çift Rayleigh sönümlemeli kanallarda PLNC tekniği kullanan MIMO V2V haberleşme sistemler için 4 ve 8 durumlu yeni uzay-zaman kafes kodları bulunmuştur.As a current state-of-the-art in wireless communications, Vehicle-to-Vehicle (V2V) communications is the core technology to build the intelligent transportation infrastructures promising the solutions to the issues such as traffic efficiency increasing, accident reduction and safety improvements. In comparison with the cellular wireless communication, there are some new challenges within the V2V communication. The statistical properties of the V2V communication channels differ from those of the cellular channels. Thereby, well known cellular channel models such as Rayleigh, Rician and Nakagami-m are not appropriate to simulate the fading in V2V communication channels. Field measurements reveal that V2V communication channels can be modeled by a class of channel models where the gain is obtained by multiplying the gains of virtual channels produced by each individual scattering group around that behaves as an independent signal source. Due to their multiplicativity nature, V2V communication channels are named as cascaded fading channels. A major challenge in V2V communications is that the physical environment is unsettled due to the mobility of the wireless units and other vehicles around these units. Additionally, the vehicle antennas have relatively lower heights. Therefore, especially considering the traffic in urban areas, most of the time there will be no line-of-sight between the communicating vehicles. This makes cooperative communications inevitable for seamless and reliable communication among the moving vehicles. And yet, compared to non-cooperative communication, the cooperation protocols require more time slots, which results in a decrease in data transmission rate. A method to cope with this drawback is physical layer network coding (PLNC) providing the simultaneous data transmissions of the vehicles via the same relay. The PLNC method will play an important role in the design of the high performance V2V communication systems serving in the heavy traffic conditions when a large number of users need to be notified about suddenly changing situations. Studies presented in this thesis can be divided into three categories. In the first category, a cooperative V2V communication system employing PLNC using fixed gain amplify-and-forward technique is proposed and its outage and error performance analysis is investigated. Analytic results are derived under the cascaded Nakagami-m fading channel model assumption covering double Rayleigh, cascaded Rayleigh, double Nakagami-m, generalized-K and conventional cellular channel models as well. Therefore, the results obtained by this work are also valid for all these channel models. In the error performance investigation of the proposed system, first, exact cumulative density function of the end to end signal to noise ratio is derived. Then, using this cumulative density function, the exact closed-form outage probability is obtained. Then the exact closed-form symbol error rate expression for various modulation types is derived. As a continuation of this work, the performance analysis of the same system is investigated for not only cascaded but also fast fading Rayleigh channels in the presence of the self-interference. Thus the exact closed-form outage probability expression is obtained, and it is shown that the self-interference may cause the error floor in the performance of the network coded communication systems. In the second category, a multiple input multiple output (MIMO) V2V communication system is proposed. In this proposed system, all source and relay vehicles have multiple antennas while the relays employ the PLNC method using variable gain amplify-and-forward technique. The analytic results are derived for the cascaded Nakagami-m fading channels, and therefore the result of this work are held for the cascaded and non-cascaded channels, as mentioned above. Furthermore, the performance of the system is evaluated in terms of joint outage probability of the sources, and the exact outage probability expression is obtained in a single integral form while the upper and the lower bounds of the outage probability are obtained in the closed-form. Moreover, asymptotic diversity order is quantified as a function of the number of the relays, the number of the antennas at the sources and the relays, and the channel parameters which are cascading degree and fading parameter values. Within this system, it is shown that the service outage probability performance can be enhanced by employing joint antenna and relay selection. In the third category, PLNC and space-time trellis coding (STTC) techniques are combined to improve the error performance of a multi-antenna multi-relay V2V system. The upper bound expression of the pairwise error probability of the system is evaluated for double Rayleigh fading channels. Then using the upper bound expression, a novel code-design criterion is derived for cascaded fading channels. Then, by using this new criterion, a novel STTCs with 4 and 8 states are proposed for MIMO V2V PLNC systems.DoktoraPh.D