Diversity receiver design and channel statistic estimation in fading channels

The main goal of this thesis is to provide an in-depth study of two important techniques that are effective in improving the performance, data rate, or bandwidth-efficiency in wireless communication systems. The two techniques are, first, diversity combining equipped with quadrature amplitude modulation (QAM), and second, the estimation of fading channel statistical properties;To effectively combat the adverse effect of fading and to improve the error rate performance in wireless communications, one of the major approaches is to employ diversity combining techniques. In the first part of this thesis, we focus on the equal gain combining (EGC) and hybrid-selection equal gain combining (HS/EGC) for bandwidth-efficient wireless systems (i.e. QAM systems). For EGC QAM systems, we propose the receiver structure and the corresponding decision variables, and then study the effects of imperfect channel estimation (ICE) and quantify the loss of the signal-to-noise ratio (SNR) gain caused by ICE. For HS/EGC QAM system, we develop a general approach to derive unified error rate and outage probability formulas over various types of fading channels based on the proposed HS/EGC receiver. The main contribution of this work lies in that it provides effective hybrid diversity schemes and new analytical approaches to enable thorough analysis and effective design of bandwidth efficient wireless communication systems which suffer from ICE and operate in realistic multipath channels;Channel statistic information is proven to be critical in determining the systems design, achievable data rate, and achievable performance. In the second part of this thesis, we study the estimation of the fading channel Statistics and Probability; We propose several iterative algorithms to estimate the first- and second-order statistics of general fading or composite fading-shadowing channels and derive the Cramer-Rao bounds (CRBs) for all the cases. We demonstrate that these iterative methods are efficient in the sense that they achieve their corresponding CRBs. The main contribution of this work is that it bridges the gap between the broad utilization of fading channel statistical properties and the lack of systematic study that makes such statistical properties available

On the Calculation of the Incomplete MGF with Applications to Wireless Communications

(c) 20xx IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works. DOI: 10.1109/TCOMM.2016.2626440The incomplete moment generating function (IMGF) has paramount relevance in communication theory, since it appears in a plethora of scenarios when analyzing the performance of communication systems. We here present a general method for calculating the IMGF of any arbitrary fading distribution. Then, we provide exact closed-form expressions for the IMGF of the very general κ-μ shadowed fading model, which includes the popular κ-μ, η-μ, Rician shadowed, and other classical models as particular cases. We illustrate the practical applicability of this result by analyzing several scenarios of interest in wireless communications: 1) physical layer security in the presence of an eavesdropper; 2) outage probability analysis with interference and background noise; 3) channel capacity with side information at the transmitter and the receiver; and 4) average bit-error rate with adaptive modulation, when the fading on the desired link can be modeled by any of the aforementioned distributions.Universidad de Málaga. Campus de Execelencia Internacional. Andalucía Tech

Statistical analysis of the capacity of mobile radio channels

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

Performance of SC-FDMA with diversity techniques over land mobile satellite channel

La demanda de la alta velocidad de datos resulta en una importante interferencia entre símbolos para los sistemas monoportadora en canales de ancho de banda y potencia limitada. Superar la selectividad en el tiempo y la frecuencia del canal de propagación requiere el uso de potentes técnicas de procesamiento de señales. Ejemplos recientes incluyen el uso de múltiples antenas en el transmisor / receptor, en la técnica conocida como Multiple-Input Multiple-Output (MIMO). En ciertos entornos (tales como el enlace ascendente de un enlace móvil) por lo general sólo una antena está disponible en la transmisión. Por lo tanto, sólo esquemas con entrada individual y salida única (Single Input Single Output, SISO) o transmisiones con entrada única y múltiples salidas (Single Input Multiple Output, SIMO) son factibles. La multiplexación por división ortogonal en frecuencia (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) es una técnica de modulación ampliamente utilizada por su robustez frente a la selectividad en frecuencia de los canales, su escalabilidad y su compatibilidad con MIMO. Sin embargo, sufre de una alta relación de potencia de pico a promedio (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) que necesita amplificadores de alta potencia muy lineales, lo que resulta costoso energéticamente para la transmisión. La técnica monoportadora con acceso múltiple por división de frecuencia (Single Carrier Frequency-Division Multiple Access , SC-FDMA) se ha convertido en una alternativa a la técnica de OFDM que se utiliza específicamente en el enlace ascendente de LTE. SC-FDMA es capaz de reducir la PAPR en la transmisión, dando lugar a una relajación de las limitaciones en cuanto a la eficiencia de potencia necesaria en los terminales de usuario y las unidades satélite. SC-FDMA puede ser descrito como una versión de OFDMA en el que se incluyen una etapa de pre-codificación y de pre-codificación inversa en el transmisor y el receptor respectivamente. Así, los símbolos se transmiten en tiempo, pero después de ser procesados en la frecuencia. Incluso con el uso de OFDMA o SC-FDMA, la ISI tiene que ser compensada por la igualación, que normalmente se realiza en el dominio de frecuencia. El objetivo de esta tesis es proporcionar un análisis matemático del comportamiento de SC-FDMA en un canal móvil terrestre por satélite (Land Mobile Satellite, LMS). Para este propósito, el canal se modela como un canal Rice sombreado tal que la línea de visión (Line of Sight, LOS) sigue la distribución de Nakagami. En primer lugar, se describen las técnicas de modulación multiportadora OFDMA y SC-FDMA. A continuación, se lleva a cabo un análisis de OFDMA y SC-FDMA basado en el ruido complejo recibido a la entrada del detector. Se evalúa la probabilidad de error de bit (Bit Error Rate, BER) de SC-FDMA para diferentes profundidades del desvanecimiento y de la diversidad de antena en el receptor. También se evalúa la eficiencia espectral de SC-FDMA para el canal LMS. Por último, se abordan las técnicas de diversidad y se evalúan las técnicas conocidas como Maximal Ratio Combining (MRC) y Equal Gain Combining (EGC)