Statistical analysis of the capacity of mobile radio channels

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

Spatial diversity in MIMO communication systems with distributed or co-located antennas

The use of multiple antennas in wireless communication systems has gained much attention during the last decade. It was shown that such multiple-input multiple-output (MIMO) systems offer huge advantages over single-antenna systems. Typically, quite restrictive assumptions are made concerning the spacing of the individual antenna elements. On the one hand, it is typically assumed that the antenna elements at transmitter and receiver are co-located, i.e., they belong to some sort of antenna array. On the other hand, it is often assumed that the antenna spacings are sufficiently large, so as to justify the assumption of independent fading. In this thesis, the above assumptions are relaxed. In the first part, it is shown that MIMO systems with distributed antennas and MIMO systems with co-located antennas can be treated in a single, unifying framework. In the second part this fact is utilized, in order to develop appropriate transmit power allocation strategies for co-located and distributed MIMO systems. Finally, the third part focuses on specific synchronization problems that are of interest for distributed MIMO systems

Outage probability formulas for cellular networks (contributions for MIMO, CoMP and time reversal features)

L étude de dimensionnement d un réseau cellulaire est une phase de conception qui doit permettre de déterminer les performances d un système dans une configuration donnée. Elle inclut l étude de couverture et l analyse de trafic. De complexes simulations sont possibles pour connaître les paramètres de performances d un réseau mais seules les études analytiques fournissent des résultats rapides. Par ailleurs, pour faire face à la demande de hauts débits, à la rareté du spectre fréquentiel et à l impossibilité d émettre à de plus fortes puissances, de nouvelles techniques de transmissions sont apparues. Nous sommes ainsi passés d un système classique à une seule antenne à des systèmes à multiple antennes et même à des scénarios de coopération entre stations de base. Dans cette thèse, nous proposons des modèles analytiques pour l étude des performances, notamment en termes de probabilités de coupure, de ces évolutions des réseaux cellulaires. Dans une première phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à une antenne émettrice et une antenne réceptrice (SISO). Nous proposons deux méthodes d étude de l impact conjoint de l affaiblissement de parcours, de l effet de masque et des évanouissements rapides. Nous étudions, par la suite, un système à large bande utilisant le retournement temporel comme technique de transmission. Dans une deuxième phase, nous considérons des systèmes multicellulaires à antennes multiple à l émission ou à la réception (MISO/MIMO) implémentant les schémas de diversité Alamouti et de combinaison par rapport maximal (MRC). Ensuite, nous considérons un système multicellulaire multi-utilisateurs à précodage de forçage à zéro (ZFBF).The implementation of cellular systems have aroused issues related to the design of cellular networks termed to as network dimensioning. It includes the coverage estimation and thetraffic analysis. Simple models and methods are required to reduce the time consumption of these two analysis. At the same time, the growing demand for higher data rates constrained by the scarcity of frequency spectrum, and the requirements in terms of power consumption reduction make the telecommunication community think about new transmission techniques moving from the classical single antenna systems to multiple antenna systems and even the newly envisaged cooperative systems. In this thesis, we provide analytical models to assess the performance of these different cellular network evolutions in terms of outage probabilities. In a first study, we consider multicellular single input single output (SISO) systems. First, we propose two accurate methods to study the joint impact of path-loss, shadowing and fast fading. This system has so far been studied either considering the only impact of path-loss and Rayleigh fading, or considering the same channel model as in our case but providing very complex outage probability expressions. Then, we provide an outage probability expression in a wideband communication context implementing the Time Reversal (TR) transmission technique considering the impact of fast fading. In a second study, we focus on multiple antenna systems. We study the performance of a Multiple Input Multiple Output (MIMO) system implementing a transmit and a receivediversity schemes namely the Alamouti code and the Maximum Ratio Combining (MRC).PARIS-Télécom ParisTech (751132302) / SudocSudocFranceF

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

UNIFIED ANALYSIS OF TWO-HOP COOPERATIVE AMPLIFY-AND-FORWARD MULTI-RELAY NETWORKS

ABSTRACT This article develops an extremely simple and tight closed-form approximation for the moment generating function (MGF) of signal-to-noise ratio (SNR) for two-hop amplify-and-forward relayed paths over generalized fading environments. The resulting expression facilitates efficient analysis of twohop cooperative amplify-and-forward (CAF) multi-relay networks over a myriad of stochastic channel models (including mixed-fading scenarios where fading statistics of distinct links in the relayed path may be from different family of distributions). The efficacy of our proposed MGF expression for computing the average symbol error rate (ASER), outage probability, and the ergodic capacity (with limited channel side-information among cooperating nodes) is also studied. Numerical results indicate that the proposed MGF expression tightly approximates the exact MGF formulas and outperforms the existing MGF of lower and upper bounds of the half-harmonic mean (HM) SNR, while overcoming the difficulties associated in deriving a

The performance analysis of differential orthogonal space- time block codes

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Diversity Combining under Interference Correlation in Wireless Networks

A theoretical framework is developed for analyzing the performance of diversity combining under interference correlation. Stochastic models for different types of diversity combining and networks are presented and used for analysis. These models consider relevant system aspects such as network density, path loss, channel fading, number of antennas, and transmitter/receiver processing. Theoretical results are derived, performance comparisons are presented, and design insights are obtained