Smart antennas: state of the art

Aim of this contribution is to illustrate the state of the art of smart antenna research from several perspectives. The bow is drawn from transmitter issues via channel measurements and modeling, receiver signal processing, network aspects, technological challenges towards first smart antenna applications and current status of standardization. Moreover, some future prospects of different disciplines in smart antenna research are given.Peer Reviewe

Capacity, coding and interference cancellation in multiuser multicarrier wireless communications systems

Multicarrier modulation and multiuser systems have generated a great deal of research during the last decade. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a multicarrier modulation generated with the inverse Discrete Fourier Transform, which has been adopted for standards in wireless and wire-line communications. Multiuser wireless systems using multicarrier modulation suffer from the effects of dispersive fading channels, which create multi-access, inter-symbol, and inter-carrier interference (MAI, ISI, ICI). Nevertheless, channel dispersion also provides diversity, which can be exploited and has the potential to increase robustness against fading. Multiuser multi-carrier systems can be implemented using Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), a flexible orthogonal multiplexing scheme that can implement time and frequency division multiplexing, and using multicarrier code division multiple access (MC-CDMA). Coding, interference cancellation, and resource sharing schemes to improve the performance of multiuser multicarrier systems on wireless channels were addressed in this dissertation. Performance of multiple access schemes applied to a downlink multiuser wireless system was studied from an information theory perspective and from a more practical perspective. For time, frequency, and code division, implemented using OFDMA and MC-CDMA, the system outage capacity region was calculated for a correlated fading channel. It was found that receiver complexity determines which scheme offers larger capacity regions, and that OFDMA results in a better compromise between complexity and performance than MC-CDMA. From the more practical perspective of bit error rate, the effects of channel coding and interleaving were investigated. Results in terms of coding bounds as well as simulation were obtained, showing that OFDMAbased orthogonal multiple access schemes are more sensitive to the effectiveness of the code to provide diversity than non-orthogonal, MC-CDMA-based schemes. While cellular multiuser schemes suffer mainly from MAI, OFDM-based broadcasting systems suffer from ICI, in particular when operating as a single frequency network (SFN). It was found that for SFN the performance of a conventional OFDM receiver rapidly degrades when transmitters have frequency synchronization errors. Several methods based on linear and decision-feedback ICI cancellation were proposed and evaluated, showing improved robustness against ICI. System function characterization of time-variant dispersive channels is important for understanding their effects on single carrier and multicarrier modulation. Using time-frequency duality it was shown that MC-CDMA and DS-CDMA are strictly dual on dispersive channels. This property was used to derive optimal matched filter structures, and to determine a criterion for the selection of spreading sequences for both DS and MC CDMA. The analysis of multiple antenna systems provided a unified framework for the study of DS-CDMA and MC-CDMA on time and frequency dispersive channels, which can also be used to compare their performance

On geometry-base statistical channel models for MIMO wireles communications

El uso de sistemas de comunicación de banda ancha de múltiple entradamúltiple salida (Multiple Input Multiple Output MIMO) es actualmente objeto de un interés considerable. Una razón para esto es el reciente desarrollo de sistemas de comunicación móvil de tercera generación (3G) y superiores, tales como la tecnología de banda ancha Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA, por sus siglas en inglés), la cual proporciona canales de radio de 5 MHz de ancho de banda. Para el diseño y la simulación de estos sistemas de radio móviles que usan propagación inalámbrica MIMO (como Wideband-CDMA por ejemplo), necesitamos modelos de canal que provean la requerida información espacial y temporal necesaria para el estudio de tales sistemas, esto es, los parámetros básicos de modelado en los dominios del espacio y el tiempo. Como ejemplo podemos mencionar, el valor cuadrático medio de la dispersión del retardo (Delay spread DS) el cual está directamente relacionado a la capacidad de un sistema de comunicación específico y nos da una idea aproximada de la complejidad del receptor. En esta tesis, se propone un modelo basado en geometría con enfoque en grupos (clusters) y es utilizado para el análisis en los dominios del espacio y el tiempo para condiciones estacionarias, y para representar los perfiles de potencia-angulo-retardo (Power Delay Angle Profiles PDAPs) de los componentes multi-trayectoria en ambientes urbanos. Además, se han derivado soluciones en formas cerradas para las expresiones en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo. La investigación previa sobre el modelado de canales cubre una amplia variedad de aspectos en varios niveles de detalle, incluyendo análisis para condiciones no estacionarias. Sin embargo el trabajo presentado en la literatura no incluye las relaciones entre los grupos (cluster) físicos y los PDAPs. El modelo propuesto basado en grupos (clusters) puede ser usado para mejorar aún más el desempeño en condiciones estacionarias de los sistemas de comunicaciones móviles actuales y futuros tales como los sistemas de comunicación MIMO de banda ancha. En la tesis también se presenta un análisis en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo respectivamente, a través de las funciones densidad de probabilidad (PDF) de la dirección de llegada (Direction of Arrival DOA) y el tiempo de llegada (Time of Arrival TOA) para el modelo basado en grupos. A fin de evaluar las funciones de probabilidad teóricas derivadas, éstas han sido comparadas con resultados experimentales publicados en la literatura. La comparación con estos resultados experimentales muestran una buena concordancia, no obstante la técnica de modelado presentada en esta tesis se encuentra limitada a condiciones estacionarias del canal. La condición de no estacionariedad se ubica más allá del alcance de esta tesis, es decir, el modelo propuesto no incorpora el efecto Doppler en los análisis

Analysis and design of multiple element antennas for urban communication

This work focuses on the analysis and design of multiple element antennas (MEA) and their interaction with the propagation channel. In particular, attention is given to urban channels and how its information throughput, i.e. capacity, can be improved. With this in mind, this work extends an existing network model of the communication system in order to reduce computation time, investigates the communicational limits of MEA systems and proposes a synthesis method for capacity maximization

Richtungsaufgelöste Kanalmodellierung und Systemstudien für Mehrantennensysteme in urbanen Gebieten

Das vorliegende Buch bietet eine umfassende Analyse des urbanen Mehrnutzer-MIMO-Funkkanals und stellt ein neuartiges geometrisch-stochastisches Kanalmodell für diesen Kanal vor. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der realistischen Modellierung der Zeitvarianz, Frequenz- und Richtungsselektivität sowie der Nutz- und Interferenzsignale im Netz. Zur Parametrierung und Verifikation des Modells werden Ray Tracing Simulationen sowie beidseitig richtungsaufgelöste Funkkanalmessungen eingesetzt