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

Error vector magnitude analysis of fading SIMO channels relying on MRC reception

We analytically characterize the data-aided Error Vector Magnitude (EVM) performance of a Single Input Multiple Output (SIMO) communication system relying on Maximal Ratio Combining (MRC) having either independent or correlated branches that are non-identically distributed. In particular, exact closed form expressions are derived for the EVM in -? fading and -? shadowed fading channels and these expressions are validated by simulations. The derived expressions are expressed in terms of Lauricella’s function of the fourth kind F(N) D (.), which can be easily computed. Furthermore, we have simplified the derived expressions for various special cases such as independent and identically distributed branches, Rayleigh fading, Nakagamim fading and -? fading. Additionally, a parametric study of the EVM performance of the wireless system is presented

Performance analysis of diversity wireless systems

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Error performance analysis of cross QAM and space-time labeling diversity for cross QAM.

Doctoral Degrees. University of KwaZulu-Natal, Durban.Abstract available in the PD

Some fundamental issues in receiver design and performance analysis for wireless communication

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

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)

Analysis and Ad-hoc Networking Solutions for Cooperative Relaying Systems

Users of mobile networks are increasingly demanding higher data rates from their service providers. To cater to this demand, various signal processing and networking algorithms have been proposed. Amongst them the multiple input multiple output (MIMO) scheme of wireless communications is one of the most promising options. However, due to certain physical restrictions, e.g., size, it is not possible for many devices to have multiple antennas on them. Also, most of the devices currently in use are single-antenna devices. Such devices can make use of the MIMO scheme by employing cooperative MIMO methods. This involves nearby nodes utilizing the antennas of each other to form virtual antenna arrays (VAAs). Nodes with limited communication ranges can further employ multi-hopping to be able to communicate with far away nodes. However, an ad-hoc communications scheme with cooperative MIMO multi-hopping can be challenging to implement because of its de-centralized nature and lack of a centralized controling entity such as a base-station. This thesis looks at methods to alleviate the problems faced by such networks.In the first part of this thesis, we look, analytically, at the relaying scheme under consideration and derive closed form expressions for certain performance measures (signal to noise ratio (SNR), symbol error rate (SER), bit error rate (BER), and capacity) for the co-located and cooperative multiple antenna schemes in different relaying configurations (amplify-and-forward and decode-and-forward) and different antenna configurations (single input single output (SISO), single input multiple output (SIMO) and MIMO). These expressions show the importance of reducing the number of hops in multi-hop communications to achieve a better performance. We can also see the impact of different antenna configurations and different transmit powers on the number of hops through these simplified expressions.We also look at the impact of synchronization errors on the cooperative MIMO communications scheme and derive a lower bound of the SINR and an expression for the BER in the high SNR regime. These expressions can help the network designers to ensure that the quality of service (QoS) is satisfied even in the worst-case scenarios. In the second part of the thesis we present some algorithms developed by us to help the set-up and functioning of cluster-based ad-hoc networks that employ cooperative relaying. We present a clustering algorithm that takes into account the battery status of nodes in order to ensure a longer network life-time. We also present a routing mechanism that is tailored for use in cooperative MIMO multi-hop relaying. The benefits of both schemes are shown through simulations.A method to handle data in ad-hoc networks using distributed hash tables (DHTs) is also presented. Moreover, we also present a physical layer security mechanism for multi-hop relaying. We also analyze the physical layer security mechanism for the cooperative MIMO scheme. This analysis shows that the cooperative MIMO scheme is more beneficial than co-located MIMO in terms of the information theoretic limits of the physical layer security.Nutzer mobiler Netzwerke fordern zunehmend höhere Datenraten von ihren Dienstleistern. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen entwickelt. Dabei ist das "Multiple input multiple output" (MIMO)-Verfahren für die drahtlose Kommunikation eine der vielversprechendsten Techniken. Jedoch ist aufgrund bestimmter physikalischer Beschränkungen, wie zum Beispiel die Baugröße, die Verwendung von mehreren Antennen für viele Endgeräte nicht möglich. Dennoch können solche Ein-Antennen-Geräte durch den Einsatz kooperativer MIMO-Verfahren von den Vorteilen des MIMO-Prinzips profitieren. Dabei schließen sich naheliegende Knoten zusammen um ein sogenanntes virtuelles Antennen-Array zu bilden. Weiterhin können Knoten mit beschränktem Kommunikationsbereich durch mehrere Hops mit weiter entfernten Knoten kommunizieren. Allerdings stellt der Aufbau eines solchen Ad-hoc-Netzwerks mit kooperativen MIMO-Fähigkeiten aufgrund der dezentralen Natur und das Fehlen einer zentral-steuernden Einheit, wie einer Basisstation, eine große Herausforderung dar. Diese Arbeit befasst sich mit den Problemstellungen dieser Netzwerke und bietet verschiedene Lösungsansätze.Im ersten Teil dieser Arbeit werden analytisch in sich geschlossene Ausdrücke für ein kooperatives Relaying-System bezüglicher verschiedener Metriken, wie das Signal-Rausch-Verhältnis, die Symbolfehlerrate, die Bitfehlerrate und die Kapazität, hergeleitet. Dabei werden die "Amplify-and forward" und "Decode-and-forward" Relaying-Protokolle, sowie unterschiedliche Mehrantennen-Konfigurationen, wie "Single input single output" (SISO), "Single input multiple output" (SIMO) und MIMO betrachtet. Diese Ausdrücke zeigen die Bedeutung der Reduzierung der Hop-Anzahl in Mehr-Hop-Systemen, um eine höhere Leistung zu erzielen. Zudem werden die Auswirkungen verschiedener Antennen-Konfigurationen und Sendeleistungen auf die Anzahl der Hops analysiert.  Weiterhin wird der Einfluss von Synchronisationsfehlern auf das kooperative MIMO-Verfahren herausgestellt und daraus eine untere Grenze für das Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-Verhältnis, sowie ein Ausdruck für die Bitfehlerrate bei hohem Signal-Rausch-Verhältnis entwickelt. Diese Zusammenhänge sollen Netzwerk-Designern helfen die Qualität des Services auch in den Worst-Case-Szenarien sicherzustellen. Im zweiten Teil der Arbeit werden einige innovative Algorithmen vorgestellt, die die Einrichtung und die Funktionsweise von Cluster-basierten Ad-hoc-Netzwerken, die kooperative Relays verwenden, erleichtern und verbessern. Darunter befinden sich ein Clustering-Algorithmus, der den Batteriestatus der Knoten berücksichtigt, um eine längere Lebensdauer des Netzwerks zu gewährleisten und ein Routing-Mechanismus, der auf den Einsatz in kooperativen MIMO Mehr-Hop-Systemen zugeschnitten ist. Die Vorteile beider Algorithmen werden durch Simulationen veranschaulicht. Eine Methode, die Daten in Ad-hoc-Netzwerken mit verteilten Hash-Tabellen behandelt wird ebenfalls vorgestellt. Darüber hinaus wird auch ein Sicherheitsmechanismus für die physikalische Schicht in Multi-Hop-Systemen und kooperativen MIMO-Systemen präsentiert. Eine Analyse zeigt, dass das kooperative MIMO-Verfahren deutliche Vorteile gegenüber dem konventionellen MIMO-Verfahren hinsichtlich der informationstheoretischen Grenzen der Sicherheit auf der physikalischen Schicht aufweist