Design and performance analysis of Nakagami-m fading channel simulator

Orientador: José Cândido Silveira Santos FilhoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Em comunicações sem fio, o fenômeno de desvanecimento por múltiplos percursos é modelado por meio de várias distribuições estatísticas, como por exemplo, Rayleigh, Rice, Hoyt e Nakagami-m. Este trabalho propõe e analisa um novo esquema de simulação fase-envoltória para canais de desvanecimento do tipo Nakagami-m. As principais vantagens do esquema proposto são (i) permitir valores reais arbitrários do parâmetro de desvanecimento, (ii) corresponder às estatísticas de primeira ordem exatas do modelo Nakagami-m e (iii) fornecer uma excelente aproximação às estatísticas de segunda ordem associadas tradicionalmente ao modelo Nakagami-m. A análise do simulador proposto é feita com base na obtenção de expressões exatas e em forma fechada para estatísticas importantes de segunda ordem, a saber: (i) funções densidade de probabilidade conjuntas envolvendo a envoltória, a fase e suas derivadas temporais, (ii) função densidade de probabilidade de segunda ordem da envoltória, (iii) taxa de cruzamento de nível, (iv) duração média de desvanecimento e (v) taxa de cruzamento de fase. Como subproduto, são também obtidas expressões exatas em forma fechada para a função de distribuição acumulada da fase Nakagami-m e sua inversa. O esquema proposto á baseado na combinação em cascata de dois simuladores existentes para canais Nakagami-m, random-mixture e rank - matching, superando ambos em desempenho. Para efeito de comparação, algumas estatísticas de segunda ordem desconhecidas para estes dois simuladores são também obtidas de forma exata e fechadaAbstract: In wireless communications, the multipath fading phenomenon is modeled by various statistical distributions such as Rayleigh, Rice, Hoyt, and Nakagami-m. This work proposes and analyzes a new phase-envelope simulation scheme for Nakagami- m fading channels. The main advantages of the proposed scheme are (i) to allow for arbitrary real values of the fading parameter, (ii) to exactly match the Nakagami-m first order statistics, and (iii) to closely match the second-order statistics classically assigned to Nakagami-m fading. The analysis of the proposed simulator is performed by deriving exact closed-form expressions for important second-order statistics, namely (i) joint probability density functions involving the envelope, the phase, and their time derivatives, (ii) second-order probability density function of the envelope, (iii) level crossing rate, (iv) average fade duration, and (v) phase crossing rate. As a byproduct, we also obtain exact closed-form expressions for the cumulative distribution function of the Nakagami-m phase and its inverse. The proposed scheme is based on a cascade combination of two existing Nakagami-m fading channel simulators, random - mixture and rank - matching, outperforming the both. For comparison, some unknown second-order statistics of these two simulators are also obtained in exact closed formMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric