Channel modelling for MIMO systems

Systems equipped with multiple antennas at the transmitter and at the receiver, known as MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems, offer higher capacities, allowing an efficient exploitation of the available spectrum and/or the employment of more demanding applications. It is well known that the radio channel is characterized by multipath propagation, a phenomenon deemed problematic and whose mitigation has been achieved through techniques such as diversity, beamforming or adaptive antennas. By exploring conveniently the spatial domain MIMO systems turn the characteristics of the multipath channel into an advantage and allow creating multiple parallel and independent virtual channels. However, the achievable benefits are constrained by the propagation channel’s characteristics, which may not always be ideal. This work focuses on the characterization of the MIMO radio channel. It begins with the presentation of the fundamental results from information theory that triggered the interest on these systems, including the discussion of some of their potential benefits and a review of the existing channel models for MIMO systems. The characterization of the MIMO channel developed in this work is based on experimental measurements of the double-directional channel. The measurement system is based on a vector network analyzer and a two-dimensional positioning platform, both controlled by a computer, allowing the measurement of the channel’s frequency response at the locations of a synthetic array. Data is then processed using the SAGE (Space-Alternating Expectation-Maximization) algorithm to obtain the parameters (delay, direction of arrival and complex amplitude) of the channel’s most relevant multipath components. Afterwards, using a clustering algorithm these data are grouped into clusters. Finally, statistical information is extracted allowing the characterization of the channel’s multipath components. The information about the multipath characteristics of the channel, induced by existing scatterers in the propagation scenario, enables the characterization of MIMO channel and thus to evaluate its performance. The method was finally validated using MIMO measurements.

Design and performance of wireless cooperative relaying

In recent years, a new paradigm for communication called cooperative communications has been proposed for which initial information theoretic studies have shown the potential for improvements in capacity over traditional multi-hop wireless networks. Extensive research has been done to mitigate the impact of fading in wireless networks, being mostly focused on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems. Recently, cooperative relaying techniques have been investigated to increase the performance of wireless systems by using diversity created by different single antenna devices, aiming to reach the same level of performance of MIMO systems with low cost devices. Cooperative communication is a promising method to achieve high spectrum efficiency and improve transmission capacity for wireless networks. Cooperative communications is the general idea of pooling the resources of distributed nodes to improve the overall performance of a wireless network. In cooperative networks the nodes cooperate to help each other. A cooperative node offering help is acting like a middle man or proxy and can convey messages from source to destination. Cooperative communication involves exploiting the broadcast nature of the wireless medium to form virtual antenna arrays out of independent singleantenna network nodes for transmission. This research aims at contributing to the field of cooperative wireless networks. The focus of this research is on the relay-based Medium Access Control (MAC) protocol. Specifically, I provide a framework for cooperative relaying called RelaySpot which comprises on opportunistic relay selection, cooperative relay scheduling and relay switching. RelaySpot-based solutions are expected to minimize signaling exchange, remove estimation of channel conditions, and improve the utilization of spatial diversity, minimizing outage and increasing reliability.

Channel and frequency offset estimation schemes for multicarrier systems

O presente trabalho aborda o problema da estimação de canal e da estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com múltiplas configurações de antenas no transmissor e no receptor. Nesta tese é apresentado o estudo teórico sobre o impacto da densidade de pilotos no desempenho da estimação de canal em sistemas OFDM e são propostos diversos algoritmos para estimação de canal e estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com antenas únicas no transmissor e receptor, com diversidade de transmissão e MIMO. O estudo teórico culmina com a formulação analítica do erro quadrático médio de um estimador de canal genérico num sistema OFDM que utilize pilotos dedicados, distribuidos no quadro transmitido em padrões bi-dimensionais. A formulação genérica é concretizada para o estimador bi-dimensional LS-DFT, permitindo aferir da exactidão da formulação analítica quando comparada com os valores obtidos por simulação do sistema abordado. Os algoritmos de estimação investigados tiram partido da presença de pilotos dedicados presentes nos quadros transmitidos para estimar com precisão os parâmetros pretendidos. Pela sua baixa complexidade, estes algoritmos revelam-se especialmente adequados para implementação em terminais móveis com capacidade computacional e consumo limitados. O desempenho dos algoritmos propostos foi avaliado por meio de simulação do sistema utilizado, recorrendo a modelos aceites de caracterização do canal móvel multipercurso. A comparação do seu desempenho com algoritmos de referência permitir aferir da sua validade. ABSTRACT: The present work focus on the problem of channel estimation and frequency offset estimation in OFDM systems, with different antenna configurations at both the transmitter and the receiver. This thesis presents the theoretical study of the impact of the pilot density in the performance of the channel estimation in OFDM systems and proposes several channel and frequency offset algorithms for OFDM systems with single antenna at both transmitter and receiver, with transmitter diversity and MIMO. The theoretical study results in the analytical formulation of the mean square error of a generic channel estimator for an OFDM system using dedicated pilots, distributed in the transmitted frame in two-dimensional patterns. The generic formulation is implemented for the two-dimensional LS-DFT estimator to verify the accuracy of the analytical formulation when compared with the values obtained by simulation of the discussed system. The investigated estimation algorithms take advantage of the presence of dedicated pilots present in the transmitted frames to accurately estimate the required parameters. Due to its low complexity, these algorithms are especially suited for implementation in mobile terminals with limited processing power and consumption. The performance of the proposed algorithms was evaluated by simulation of the used system, using accepted multipath mobile channel models. The comparison of its performance with the one of reference algorithms measures its validity.

Interference cancellation for distributed wireless systems

O tema principal desta tese é o problema de cancelamento de interferência para sistemas multi-utilizador, com antenas distribuídas. Como tal, ao iniciar, uma visão geral das principais propriedades de um sistema de antenas distribuídas é apresentada. Esta descrição inclui o estudo analítico do impacto da ligação, dos utilizadores do sistema, a mais antenas distribuídas. Durante essa análise é demonstrado que a propriedade mais importante do sistema para obtenção do ganho máximo, através da ligação de mais antenas de transmissão, é a simetria espacial e que os utilizadores nas fronteiras das células são os mais bene ciados. Tais resultados são comprovados através de simulação. O problema de cancelamento de interferência multi-utilizador é considerado tanto para o caso unidimensional (i.e. sem codi cação) como para o multidimensional (i.e. com codi cação). Para o caso unidimensional um algoritmo de pré-codi cação não-linear é proposto e avaliado, tendo como objectivo a minimização da taxa de erro de bit. Tanto o caso de portadora única como o de multipla-portadora são abordados, bem como o cenário de antenas colocadas e distribuidas. É demonstrado que o esquema proposto pode ser visto como uma extensão do bem conhecido esquema de zeros forçados, cuja desempenho é provado ser um limite inferior para o esquema generalizado. O algoritmo é avaliado, para diferentes cenários, através de simulação, a qual indica desempenho perto do óptimo, com baixa complexidade. Para o caso multi-dimensional um esquema para efectuar "dirty paper coding" binário, tendo como base códigos de dupla camada é proposto. No desenvolvimento deste esquema, a compressão com perdas de informação, é considerada como um subproblema. Resultados de simulação indicam transmissão dedigna proxima do limite de Shannon.