Signal processing techniques and algorithms for reducing the hardware complexity in multiple-input multiple-output wireless communications systems

This doctoral dissertation deals with the development and evaluation of signal processing techniques for reducing the hardware complexity of MIMO systems. Despite their potential of dramatic improvements in terms of link reliability and spectral efficiency, the practical application of MIMO systems has been limited, mainly due to the increased manufacture cost and energy consumption of the RF chains. The research results of the dissertation are presented in two parts: In the first part, the performance analysis of HS/MRC receivers operating over independent and identically distributed (i.i.d.) K-fading channels is evaluated through a moments generating function based approach. The K distribution is known to accurately approximate the Rayleigh-lognormal distribution, which is commonly used to model fading over terrestrial mobile or land mobile satellite environments. In the second part, antenna subarray formation, a novel RF preprocessing technique for reducing the hardware complexity of MIMO systems, is developed and explored. With this method, each RF chain is allocated to a combined and complex-weighted response of a subset of antenna elements. Therefore, the performance is dramatically improved with respect to conventional antenna selection and can even approach the performance of the full-complexity system. Novel, analytical, antenna subarray formation algorithms for maximizing capacity, based on either instantaneous channel state information or long-term channel statistics, are introduced. The capacity performance of the proposed algorithms, as well as the system parameters effecting it, are thoroughly examined. Furthermore, the impact of hardware and signal processing non-idealities on the performance is examined. Finally, tight theoretical upper-bounds on the ergodic capacity of the proposed technique in rich scattering environments are derivedΗ διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και αξιολόγηση τεχνικών επεξεργασίας σήματος για την επίτευξη της μείωσης της πολυπλοκότητας του υλικού στα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών πολλαπλών εισόδων - πολλαπλών εξόδων (MIMO). Παρά το γεγονός ότι τα συστήματα MIMO μπορούν να προσφέρουν δραματική βελτίωση της αξιοπιστίας της ζεύξης και της φασματικής απόδοσης, δεν έχουν τύχει ευρείας πρακτικής εφαρμογής, λόγω (μεταξύ των άλλων) της υψηλής πολυπλοκότητας του υλικού των πομποδεκτών, η οποία οφείλεται στην ανάγκη χρήσης πολλαπλών αλυσίδων RF. Τα ερευνητικά αποτελέσματα της διατριβής στρέφονται γύρω από δυο άξονες: Αφενός, ακολουθώντας τη μέθοδο των ροπογεννήτριων συναρτήσεων, αναπτύσσονται θεωρητικές εκφράσεις κλειστού τύπου που οδηγούν στον υπολογισμό της πιθανότητας σφάλματος του συνδυασμού μεγίστου λόγου με υβριδική επιλογή (HS-MRC), όταν οι διαλείψεις του διαύλου ακολουθούν την κατανομή Κ. Η εν λόγω κατανομή προσεγγίζει τη Rayleigh-λογαριθμοκανονική, η οποία μοντελοποιεί από κοινού τα φαινόμενα των διαλείψεων μικρής κλίμακας και σκίασης και έχει πρακτική αξία σε συστήματα επίγειων και δορυφορικών κινητών επικοινωνιών. Αφετέρου, αναπτύσσεται και αξιολογείται μια καινοτόμος τεχνική μείωσης της πολυπλοκότητας του υλικού, η δημιουργία υποστοιχειοκεραιών (antenna subarray formation), σύμφωνα με την οποία, σε κάθε αλυσίδα RF οδηγείται ένας γραμμικός συνδυασμός των αποκρίσεων ενός διαφορετικού υποσυνόλου των διαθέσιμων κεραιοστοιχείων. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται δραματικά η επίδοση σε σχέση με τη συμβατική τεχνική της επιλογής κεραιοστοιχείων και μπορεί να γίνει συγκρίσιμη με την επίδοση του αντίστοιχου συστήματος πλήρους πολυπλοκότητας. Για την παραγωγή των γραμμικών συνδυασμών, αποδεικνύεται ότι αρκούν οι στροφείς φάσης για την επίτευξη υψηλής επίδοσης. Αναπτύσσονται νέοι, αναλυτικοί αλγόριθμοι δημιουργίας υποστοιχειοκεραιών, οι οποίοι στοχεύουν στη μεγιστοποίηση της χωρητικότητας, είτε με βάση την ακριβή γνώση του διαύλου στο δέκτη, είτε με βάση τα στατιστικά χαρακτηριστικά του. Η επίδοση των προτεινόμενων αλγορίθμων καθώς και οι παράγοντες του συστήματος που την επηρεάζουν εξετάζονται διεξοδικά. Μεταξύ των άλλων, εξετάζεται και η ευρωστία της προτεινόμενης τεχνικής παρουσία μη ιδανικοτήτων που εμφανίζονται στην πράξη. Τέλος, διερευνώντας τις δυνατότητες της νέας τεχνικής, προτείνονται θεωρητικά άνω φράγματα της εργοδικής χωρητικότητας σε περιβάλλον πλήρους σκέδασης