On the Performance of SR and FR Protocols for OSTBC based AF-MIMO Relay System with Channel and Noise Correlations

This paper proposes selection relaying (SR) protocol for a cooperative multiple-input multiple-output (MIMO) relay system that consists of a direct link between a source and a destination. The system has only receive-side channel state information (CSI), spatially correlated MIMO channels, and the receiver nodes observe spatially correlated noise. The transmit nodes employ orthogonal space-time block codes (OSTBC), whereas the receiver nodes employ optimum minimum mean-square-error (MMSE) detection. The SR protocol, which transmits via the relay only when the direct link between the source and destination is in outage, is compared with the fixed relaying (FR) protocol which always uses the relay. By deriving novel asymptotic expressions of the outage probabilities, it is analytically shown that both protocols provide the same diversity gain. However, the coding gain (CG) of the SR protocol can be much better than that of the FR protocol. In particular, when all MIMO links have the same effective rank, irrespective of its value, the SR protocol provides better CG than the FR scheme if the target information rate is greater than ln2(3) bits per channel use. Simulation results support theoretical analysis and show that the SR scheme can significantly outperform FR method, which may justify the increased complexity due to one-bit feedback requirement in the SR protocol

On the Performance of SR and FR Protocols for OSTBC based AF-MIMO Relay System with Channel and Noise Correlations

This paper proposes selection relaying (SR) protocol for a cooperative multiple-input multiple-output (MIMO) relay system that consists of a direct link between a source and a destination. The system has only receive-side channel state information (CSI), spatially correlated MIMO channels, and the receiver nodes observe spatially correlated noise. The transmit nodes employ orthogonal space-time block codes (OSTBC), whereas the receiver nodes employ optimum minimum mean-square-error (MMSE) detection. The SR protocol, which transmits via the relay only when the direct link between the source and destination is in outage, is compared with the fixed relaying (FR) protocol which always uses the relay. By deriving novel asymptotic expressions of the outage probabilities, it is analytically shown that both protocols provide the same diversity gain. However, the coding gain (CG) of the SR protocol can be much better than that of the FR protocol. In particular, when all MIMO links have the same effective rank, irrespective of its value, the SR protocol provides better CG than the FR scheme if the target information rate is greater than ln2(3) bits per channel use. Simulation results support theoretical analysis and show that the SR scheme can significantly outperform FR method, which may justify the increased complexity due to one-bit feedback requirement in the SR protocol

Joint signal detection and channel estimation in rank-deficient MIMO systems

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient

MIMO Systems: Principles, Iterative Techniques, and advanced Polarization

International audienceThis chapter considers the principles of multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication systems as well as some recent accomplishments concerning their implementation. By employing multiple antennas at both transmitter and receiver, very high data rates can be achieved under the condition of deployment in a rich-scattering propagation medium. This interesting property of MIMO systems suggests their use in the future high-rate and high-quality wireless communication systems. Several concepts in MIMO systems are reviewed in this chapter. We first consider MIMO channel models and recall the basic principles of MIMO structures and channel modeling. We next study the MIMO channel capacity and present the early developments in these systems concerning the information theory aspect. Iterative signal detection is considered next; it considers iterative techniques for space-time decoding. As the capacity is inversely proportional to the spatial channel correlation, MIMO antennas should be sufficiently separated, usually by several wavelengths. In order to minimize antennas' deployment, we present advanced polarization diversity techniques for MIMO systems and explain how they can help to reduce the spatial correlation in order to achieve high transmission rates. We end the chapter by considering the application of MIMO systems in local area networks, as well as their potential in enhancing range, localization, and power efficiency of sensor networks

Error performance analysis of n-ary Alamouti scheme with signal space diversity.

Masters Degree. University of KwaZulu-Natal, Durban.In this dissertation, a high-rate Alamouti scheme with Signal Space Diversity is developed to improve both the spectral efficiency and overall error performance in wireless communication links. This scheme uses high modulation techniques (M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM) and N-ary phase shift keying modulation (N-PSK)). Hence, this dissertation presents the mathematical models, design methodology and theoretical analysis of this high-rate Alamouti scheme with Signal Space Diversity.To improve spectral efficiency in multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications an N-ary Alamouti M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM) scheme is proposed in this thesis. The proposed N-ary Alamouti M-QAM Scheme uses N-ary phase shift keying modulation (NPSK) and M-QAM. The proposed scheme is investigated in Rayleigh fading channels with additive white Gaussian noise (AWGN). Based on union bound a theoretical average bit error probability (ABEP) of the system is formulated. The simulation results validate the theoretical ABEP. Both theoretical results and simulation results show that the proposed scheme improves spectral efficiency by 0.5 bit/sec/Hz in 2 × 4 16-PSK Alamouti 16-QAM system compared to the conventional Alamouti scheme (16-QAM). To further improve the error performance of the proposed N-ary Alamouti M-QAM Scheme an × N-ary Alamouti coded M-QAM scheme with signal space diversity (SSD) is also proposed in this thesis. In this thesis, based on the nearest neighbour (NN) approach a theoretical closed-form expression of the ABEP is further derived in Rayleigh fading channels. Simulation results also validate the theoretical ABEP for N-ary Alamouti M-QAM scheme with SSD. Both theoretical and simulation results further show that the 2 × 4 4-PSK Alamouti 256-QAM scheme with SSD can achieve 0.8 dB gain compared to the 2 × 4 4-PSK Alamouti 256-QAM scheme without SSD

Contributions to the Performance Analysis of Intervehicular Communications Systems and Schemes

RÉSUMÉ Le but des systèmes de communication intervéhicule (Inter-Vehicle Communication – IVC) est d'améliorer la sécurité de conduite en utilisant des capteurs et des techniques de communication sans fil pour être en mesure de communiquer mutuellement sans aucune intervention extérieure. Avec l'utilisation de ces systèmes, les communications véhicule à véhicule (V2V) peuvent être plus efficaces dans la prévention des accidents et la décongestion de la circulation que si chaque véhicule travaillait individuellement. Une des solutions proposées pour les systèmes IVC est l’utilisation des systèmes de communication coopérative, qui en principe, augmentent l'efficacité spectrale et énergétique, la couverture du réseau, et réduit la probabilité de défaillance. La diversité d'antenne (entrées multiples sorties multiples « Multiple-Input Multiple-Output » ou MIMO) peut également être une alternative pour les systèmes IVC pour améliorer la capacité du canal et la diversité (fiabilité), mais en échange d’une complexité accrue. Toutefois, l'application de telles solutions est difficile, car les communications sans fil entre les véhicules sont soumises à d’importants effets d'évanouissements des canaux appelés (canaux sujets aux évanouissements de n*Rayleigh, « n*Rayleigh fading channels»), ce qui conduit à la dégradation des performances. Par conséquent, dans cette thèse, nous proposons une analyse de la performance globale des systèmes de transmission coopératifs et MIMO sur des canaux sujets aux évanouissements de n*Rayleigh. Cette analyse permettra d’aider les chercheurs pour la conception et la mise en œuvre de systèmes de communication V2V avec une complexité moindre. En particulier, nous étudions d'abord la performance de la sélection du relais de coopération avec les systèmes IVC, on suppose que la transmission via « Amplify-and-Forward» (AF) ou bien «Decode-and-Forward» (DF) est assurée par N relais pour transférer le message de la source à la destination. La performance du système est analysée en termes de probabilité de défaillance, la probabilité d'erreur de symbole, et la capacité moyenne du canal. Les résultats numériques démontrent que la sélection de relais réalise une diversité de l'ordre de (d≈mN/n) pour les deux types de relais, où m est un paramètre évanouissement de Rayleigh en cascade. Nous étudions ensuite la performance des systèmes IVC à sauts multiples avec et sans relais régénératifs. Dans cette étude, nous dérivons des expressions approximatives pour la probabilité de défaillance et le niveau d’évanouissement lorsque la diversité en réception basée sur le ratio maximum de combinaison (MRC) est employée. En outre, nous analysons la répartition de puissance pour le système sous-jacent afin de minimiser la probabilité globale de défaillance. Nous montrons que la performance des systèmes régénératifs est meilleure que celle des systèmes non régénératifs lorsque l’ordre de cascade n est faible, tandis qu’ils ont des performances similaires lorsque n est élevé. Ensuite, nous considérons le problème de la détection de puissance des signaux inconnus aux n* canaux de Rayleigh. Dans ce travail, de nouvelles expressions approximatives sont dérivées de la probabilité de détection moyenne avec et sans diversité en réception MRC. En outre, la performance du système est analysée lorsque la détection de spectre coopérative (CSS) est considérée sous diverses contraintes de canaux (par exemple, les canaux de communication parfaits et imparfaits). Les résultats numériques ont montré que la fiabilité de détection diminue à mesure que l'ordre n augmente et s’améliore sensiblement lorsque CSS emploie le schéma MRC. Il est démontré que CSS avec le schéma MRC maintient la probabilité de fausse alarme minimale dans les canaux d’information imparfaite plutôt que d'augmenter le nombre d'utilisateurs en coopération. Enfin, nous présentons une nouvelle approche pour l'analyse des performances des systèmes IVC sur n*canaux de Rayleigh, en utilisant n_T antennes d'émission et n_R antennes de réception pour lutter contre l'effet d’évanouissement. Dans ce contexte, nous évaluons la performance des systèmes MIMO-V2V basés sur la sélection des antennes d'émission avec un ratio maximum de combinaison (TAS/MRC) et la sélection combinant (TAS/SC). Dans cette étude, nous dérivons des expressions analytiques plus précises pour la probabilité de défaillance, la probabilité d'erreur de symbole, et l’évanouissement sur n*canaux Rayleigh. Il est montré que les deux régimes ont le même ordre de diversité maximale équivalent à (d≈mn_T n_R /n) . En outre, TAS / MRC offre un gain de performance mieux que TAS/ SC lorsque le nombre d'antennes de réception est plus que celle des antennes d’émission, mais l’amélioration de la performance est limitée lorsque n augmente.----------Abstract The purpose of intervehicular communication (IVC) systems is to enhance driving safety, in which vehicles use sensors and wireless communication techniques to talk to each other without any roadside intervention. Using these systems, vehicle-to-vehicle (V2V) communications can be more effective in avoiding accidents and traffic congestion than if each vehicle works individually. A potential solution can be implemented in this research area using cooperative communications systems which, in principle, increase spectral and power efficiency, network coverage, and reduce the outage probability. Antenna diversity (i.e., multiple-input multiple output (MIMO) systems) can also be an alternative solution for IVC systems to enhance channel capacity and diversity (reliability) but in exchange of an increased complexity. However, applying such solutions is challenging since wireless communications among vehicles is subject to harsh fading channels called ‘n*Rayleigh fading channels’, which leads to performance degradation. Therefore, in this thesis we provide a comprehensive performance analysis of cooperative transmission and MIMO systems over n*Rayleigh fading channels that help researchers for the design and implementation of V2V communication systems with lower complexity. Specifically, we first investigate the performance of cooperative IVC systems with relay selection over n*Rayleigh fading channels, assuming that both the decode-and-forward and the amplify-and-forward relaying protocols are achieved by N relays to transfer the source message to the destination. System performance is analyzed in terms of outage probability, symbol error probability, and average channel capacity. The numerical results have shown that the best relay selection approach achieves the diversity order of (d≈mN/n) where m is a cascaded Rayleigh fading parameter. Second, we investigate the performance of multihop-IVC systems with regenerative and non-regenerative relays. In this study, we derive approximate closed-form expressions for the outage probability and amount of fading when the maximum ratio combining (MRC) diversity reception is employed. Further, we analyze the power allocation for the underlying scheme in order to minimize the overall outage probability. We show that the performance of regenerative systems is better than that of non-regenerative systems when the cascading order n is low and they have similar performance when n is high. Third, we consider the problem of energy detection of unknown signals over n*Rayleigh fading channels. In this work, novel approximate expressions are derived for the average probability of detection with and without MRC diversity reception. Moreover, the system performance is analyzed when cooperative spectrum sensing (CSS) is considered under various channel constraints (e.g, perfect and imperfect reporting channels). The numerical results show that the detection reliability decreases as the cascading order n increases and substantially improves when CSS employs MRC schemes. It is demonstrated that CSS with MRC scheme keeps the probability of false alarm minimal under imperfect reporting channels rather than increasing the number of cooperative users. Finally, we present a new approach for the performance analysis of IVC systems over n*Rayleigh fading channels, using n_T transmit and n_R receive antennas to combat fading influence. In this context, we evaluate the performance of MIMO-V2V systems based on the transmit antenna selection with maximum ratio combining (TAS/MRC) and selection combining (TAS/SC) schemes. In this study, we derive tight analytical expressions for the outage probability, the symbol error probability, and the amount of fading over n*Rayleigh fading channels. It is shown that both schemes have the same maximum diversity order equivalent to (d≈mn_T n_R /n). In addition, TAS/MRC offers a better performance gain than TAS/SC scheme when the number of receive antennas is more than that of transmit antennas, but the performance improvement is limited as n increases

Design and performance analysis of MIMO space-time block coding systems over general fading channels

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Space-Time Codes for MIMO systems : Quasi-Orthogonal design and concatenation

Der Nachfrage an Mobilfunksystemen mit hoher Datenrate und Übertragungsqualität für eine Vielfalt von Anwendungen ist in den letzten Jahren dramatisch gestiegen. Zur Deckung des hohen Bedarfs werden jedoch neue Konzepte und Technologien benötigt, die den Beeinträchtigungen des Mobilfunkkanals entgegenwirken oder sich diese zu Nutze machen und die knappen Ressourcen wie Bandbreite und Leistung optimal ausnutzen. Eine effiziente Maßnahme zur Erhöhung der Performanz stellen Mehrantennensysteme dar. Um das große Potenzial von solchen Mehrantennensystemen auszunutzen, wurden neue Sendestrategien, so genannte Raum-Zeit Codes entworfen und analysiert, die neben der zeitlichen und spektralen auch die räumliche Komponente ausnutzen sollen. In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit solcher Raum-Zeit Codes zunächst isoliert und später, im zweiten Teil der Arbeit, in Kombination mit herkömmlichen Kanalcodierungsverfahren untersucht. Im ersten Abschnitt, d.h. im Fall ohne herkömmliche Kanalcodierung liegt der Fokus auf diversitäts-orientierten Raum-Zeit Codes. Zunächst werden basierend auf den Raum-Zeit Codes mit orthogonaler Struktur (OSTBC) Raum-Zeit Codes mit quasi-orthogonaler Struktur für eine beliebige Anzahl von Sende-und Empfangsantennen entworfen. Aus der Konstruktion resultieren dann zwei Gruppen von Codes. Die wesentliche Charakteristik der ersten Gruppe ist es, dass sie Verbindungen mit hoher Qualität gewährleistet. Dies wird erreicht, indem räumliche und zeitliche Redundanz eingebracht wird und daraus die volle Diversität (entspricht dem maximalen Abfall der Bitfehlerratenkurve) resultiert. Volle Diversität wird auch von den OSTBC erreicht, die aufgrund ihrer Struktur den matrix-wertigen Kanal für Mehrantennensysteme, so genannte Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO)-Kanäle in parallele skalare Ersatzkanäle, so genannte Single-Input-Single-Output (SISO)-Kanäle, transformieren. Die Anzahl der parallelen Ersatzkanäle entspricht dabei der Anzahl der Sendeantennen. Diese Erkenntnis und die Einsicht in die Eigenschaften dieser Ersatzkanäle waren ein wichtiger Meilenstein und ermöglichten es, die Leistungsfähigkeit der OSTBC zu analysieren. Die Bestimmung der Ersatzkanalstuktur ist daher auch hier von zentraler Bedeutung. Im Falle von Raum-Zeit Codes mit quasi-orthogonaler Struktur wird in dieser Arbeit gezeigt, dass der MIMO-Kanal in einen block-diagonalen MIMO-Kanal zerlegt wird, dessen Eigenvektoren konstant und Blöcke identisch sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Eigenwerte von jedem Block voneinander unabhängig sind und einer nichtzentralen Chi-Quadrat-Verteilung mit einer Anzahl von Freiheitsgraden, die dem Vierfachen der Anzahl der Empfangsantennen entspricht, folgen. Durch Lockerung der Anforderung von voller Diversität an die zu entwerfenden Codes gelangt man zu der zweiten Gruppe der Raum-Zeit Codes mit quasi-orthogonaler Stuktur, welche eine Verallgemeinerung der OSTBC darstellen. Insbesondere wird in dieser Arbeit gezeigt, dass nicht nur das Alamouti-Schema, ein OSTBC für zwei Sendeantennen, sondern auch eine verallgemeinerte Version dieses Alamouti-Schemas, die Kapazität im Falle einer Empfangsantenne erreicht. Die in dieser Arbeit entworfenen Raum-Zeit Codes werden schließlich hinsichtlich ihrer Fehlerraten-Performanz und ihrer spektralen Effizienz mit optimalen als auch mit suboptimalen Empfängerstrukturen analysiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden verschiedene Raum-Zeit Codes mit herkömmlichen Kanalcodierungsverfahren kombiniert. Dabei werden neue Empfängerstrukturen vorgestellt und die Leistungsfähigkeit der Raum-Zeit Codes mit iterativen Algorithmen zur so genannten Soft-Input-Soft-Output-Decodierung mit Hilfe von neuen Analysetechniken, den so genannten EXIT-Charts, untersucht und optimiert. Im Falle von OSTBC werden zusätzlich Kriterien für die optimale Abbildung von Bitsequenzen auf Sendesymbole hergeleitet.The demand for mobile communication systems with high data rates and improved link quality for a variety of applications has dramatically increased in recent years. New concepts and methods are necessary in order to cover this huge demand, which counteract or take advantage of the impairments of the mobile communication channel and optimally exploit the limited resources such as bandwidth and power. Multiple antenna systems are an efficient means for increasing the performance. In order to utilize the huge potential of multiple antenna concepts, it is necessary to resort to new transmit strategies, referred to as Space-Time Codes, which, in addition to the time and spectral domain, also use the spatial domain. The performance of such Space-Time Codes is analyzed in this thesis with and without conventional channel coding strategies. In case without conventional channel codes, the focus is on diversity-oriented Space-Time Codes. Based on Space-Time Block Codes from orthogonal designs (OSTBC), the Space-Time Block Codes from quasi-orthogonal designs are developed for any number of transmit and receive antennas. The outcome of this construction are two groups of codes. The main property of the first group is the support of links with high quality. This is achieved by incorporating spatial and temporal redundancy, which results in full diversity or in other words, in the maximum decay of the bit error rate curves. Full diversity is also achieved by OSTBC, which due to their structure transform the matrix-valued channel for multi-antenna systems, so called multiple-input-multiple-output (MIMO)-channels, into several parallel, scalar single-input-single-output (SISO)-channels. This insight and the understanding of the properties of the equivalent SISO-channels were the key results in order to analyze the performance of the OSTBC. The determination of the structure of the equivalent channel is also a matter of vital importance in this work. To this end, we show that the MIMO-channel in the case of Space-Time Codes from quasi-orthogonal designs is transformed into an equivalent block-diagonal MIMO-channel with identical blocks having constant eigenvectors, independent of the channel realization. Furthermore, we show that the eigenvalues of each block are pairwise independent and follow a non-central chi-square distribution, where the number of degrees of freedom equals four times the number of receive antennas. By relaxing the requirement of full diversity one arrives at the second group of Space-Time Codes from quasi-orthogonal designs. These codes represent a generalization of Space-Time Codes from orthogonal designs. Particularly, we show in this work, that not only the Alamouti-scheme, a OSTBC for two transmit antennas, but also its generalized version achieves capacity in the case of one receive antenna. The drafted codes are then analyzed with respect to the error rate performance and the spectral efficiency with optimal as well as suboptimal receiver structures. In the second part of this work the combination of Space-Time Codes with conventional channel coding techniques is considered. New receiver structures are presented and the performance of Space-Time Codes with iterative algorithms for soft-input-soft-output-decoding is analyzed and optimized with the help of new analytical tools, the so called EXIT-charts. Furthermore, some criteria for the optimal mapping strategy are derived in the case of OSTBC