Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Hybrid optimization schemes for quantum control

Optimal control theory is a powerful tool for solving control problems in quantum mechanics, ranging from the control of chemical reactions to the implementation of gates in a quantum computer. Gradient-based optimization methods are able to find high fidelity controls, but require considerable numerical effort and often yield highly complex solutions. We propose here to employ a two-stage optimization scheme to significantly speed up convergence and achieve simpler controls. The control is initially parametrized using only a few free parameters, such that optimization in this pruned search space can be performed with a simplex method. The result, considered now simply as an arbitrary function on a time grid, is the starting point for further optimization with a gradient-based method that can quickly converge to high fidelities. We illustrate the success of this hybrid technique by optimizing a geometric phase gate for two superconducting transmon qubits coupled with a shared transmission line resonator, showing that a combination of Nelder-Mead simplex and Krotov’s method yields considerably better results than either one of the two methods alone.

Angiorresonancia versus angiografía por sustracción digital en el seguimiento de aneurismas intracraneales embolizados. Comparación del desempeño diagnóstico

Introducción: La DSA es el método de elección para el seguimiento de pacientes con aneurismas intracraneales embolizados; esta se puede asociar a complicaciones incapacitantes o mortales. La MRA se ha propuesto como método alternativo por menor costo y menos morbi-mortalidad, aunque su desempeño diagnóstico permanece en discusión debido al desarrollo de nuevos protocolos, resonadores más potentes y nuevas aplicaciones de la DSA. Metodología: Exploramos la literatura hasta la actualidad y comparamos el desempeño diagnóstico de la MRA con la DSA para detectar flujo residual posterior a la embolización terapéutica de aneurismas intracraneales. Realizamos una revisión sistemática de la literatura y meta-análisis basados en 34 artículos detectados en la búsqueda que incluyó las bases de datos PubMed, Scopus, ScIELO y BVS. Resultados: La TOF-MRA demostró sensibilidad de 86.8% (84.3%-89.1%) y especificidad de 91.2% (89%-93.1%); la SROC para TOF-MRA demostró un AUC de 0.95. El desempeño de la CE-MRA demostró sensibilidad de 88.1% (84.6%-91.1%) y especificidad de 89.1% (85.7%-91.9%); la SROC presentó una AUC de 0.93. El análisis estratificado por potencia del resonador encontró que la TOF-MRA tiene mejor desempeño con el resonador de 3T, aunque no es estadísticamente significativo. La concordancia interobservador con TOF-MRA y CE-MRA fue moderada a muy buena. Discusión: El desempeño diagnóstico de la MRA en el seguimiento de aneurismas intracraneales embolizados demostró ser bueno, con sensibilidad mayor a 84%, siendo ligeramente mejor con TOF-MRA, sin lograr reemplazar la DSA. Sin embargo, los resultados deben ser evaluados con precaución por la heterogeneidad de los resultados de los estudios incluidos. (Abreviaturas: DSA: Angiografía por Sustracción Digital; MRA: Angiografía por Resonancia Magnética; TOF-MRA: Angiorresonancia por Tiempo de Vuelo; CE-MRA: Angiorresonancia contrastada).

Cyborg 1.0

I was born human. But this was an accident of fate - a condition merely of time and place. I believe it's something we have the power to change. I will tell you why. In August 1998, a silicon chip was implanted in my arm, allowing a computer to monitor me as I moved through the halls and offices of the Department of Cybernetics at the University of Reading, just west of London, where I've been a professor since 1988. My implant communicated via radio waves with a network of antennas throughout the department that in turn transmitted the signals to a computer programmed to respond to my actions. At the main entrance, a voice box operated by the computer said "Hello" when I entered; the computer detected my progress through the building, opening the door to my lab for me as I approached it and switching on the lights. For the nine days the implant was in place, I performed seemingly magical acts simply by walking in a particular direction. The aim of this experiment was to determine whether information could be transmitted to and from an implant. Not only did we succeed, but the trial demonstrated how the principles behind cybernetics could perform in real-life applications.

Suppression of directional interference for STBC MIMO system based on beam-forming

In civil applications, many researches on MIMO technique have achieved great progress. However, we consider military applications here. Differing from civil applications, military MIMO system may face many kinds of interferences, and the interference source may even not be equipped with multiple antennas. So the military MIMO system may receive some kind of strong interference coming from certain direction. Therefore, the military MIMO system must have capability to suppress directional interference. This paper presents a scheme to suppress directional interference for STBC MIMO system based on beam-forming. Simulation result shows that the scheme is valid to suppress directional strong interference for STBC MIMO system although with some performance loss compared with the ideal case of non-interference.

Interferometric technique for measuring terahertz antenna phase patterns

A quasi-optical interferometric technique capable of measuring antenna phase patterns without the need for a heterodyne receiver is presented. It is particularly suited to the characterization of terahertz antennas feeding power detectors or mixers employing quasi-optical local oscillator injection. Examples of recorded antenna phase patterns at frequencies of 1.4 and 2.5 THz using homodyne detectors are presented. To our knowledge, these are the highest frequency antenna phase patterns ever recovered. Knowledge of both the amplitude and phase patterns in the far field enable a Gauss-Hermite or Gauss-Laguerre beam-mode analysis to be carried out for the antenna, of importance in performance optimization calculations, such as antenna gain and beam efficiency parameters at the design and prototype stage of antenna development. A full description of the beam would also be required if the antenna is to be used to feed a quasi-optical system in the near-field to far-field transition region. This situation could often arise when the device is fitted directly at the back of telescopes in flying observatories. A further benefit of the proposed technique is simplicity for characterizing systems in situ, an advantage of considerable importance as in many situations, the components may not be removable for further characterization once assembled. The proposed methodology is generic and should be useful across the wider sensing community, e.g., in single detector acoustic imaging or in adaptive imaging array applications. Furthermore, it is applicable across other frequencies of the EM spectrum, provided adequate spatial and temporal phase stability of the source can be maintained throughout the measurement process. Phase information retrieval is also of importance to emergent research areas, such as band-gap structure characterization, meta-materials research, electromagnetic cloaking, slow light, super-lens design as well as near-field and virtual imaging applications.

A contribution to the wireless transmission of power

A resonant transmitter–receiver system is described for the wireless transmission of energy at a useful distance for grid-coordinate power and information. Experimental results are given showing delivery of power of an unmodified Tesla resonator contrasted with a modified version achieving improved efficiency over a 4 m range. A theoretical basis is provided to back up the experimental results obtained and to link the study with previous research in the field. A number of potential routes are suggested for further investigations and some possible applications of the technology are considered.

Design of delay-tolerant linear dispersion codes

In cooperative communication networks, owing to the nodes' arbitrary geographical locations and individual oscillators, the system is fundamentally asynchronous. This will damage some of the key properties of the space-time codes and can lead to substantial performance degradation. In this paper, we study the design of linear dispersion codes (LDCs) for such asynchronous cooperative communication networks. Firstly, the concept of conventional LDCs is extended to the delay-tolerant version and new design criteria are discussed. Then we propose a new design method to yield delay-tolerant LDCs that reach the optimal Jensen's upper bound on ergodic capacity as well as minimum average pairwise error probability. The proposed design employs stochastic gradient algorithm to approach a local optimum. Moreover, it is improved by using simulated annealing type optimization to increase the likelihood of the global optimum. The proposed method allows for flexible number of nodes, receive antennas, modulated symbols and flexible length of codewords. Simulation results confirm the performance of the newly-proposed delay-tolerant LDCs.

Maximin SNR beamforming strategies for two-way relay channels

In this letter, we consider beamforming strategies in amplified-and-forward (AF) two-way relay channels, where two terminals and the relay are equipped with multiple antennas. Our aim is to optimize the worse end-to-end signal-to-noise ratio of the two links so that the reliability of both terminals can be guaranteed. We show that the optimization problem can be recast as a generalized fractional programing and be solved by using the Dinkelbach-type procedure combined with semidefinite programming. Simulation results confirm the efficiency of the proposed strategies.

On the power amplifier nonlinearity in MIMO transmit beamforming systems

In this paper, single-carrier multiple-input multiple-output (MIMO) transmit beamforming (TB) systems in the presence of high-power amplifier (HPA) nonlinearity are investigated. Specifically, due to the suboptimality of the conventional maximal ratio transmission/maximal ratio combining (MRT/MRC) under HPA nonlinearity, we propose the optimal TB scheme with the optimal beamforming weight vector and combining vector, for MIMO systems with nonlinear HPAs. Moreover, an alternative suboptimal but much simpler TB scheme, namely, quantized equal gain transmission (QEGT), is proposed. The latter profits from the property that the elements of the beamforming weight vector have the same constant modulus. The performance of the proposed optimal TB scheme and QEGT/MRC technique in the presence of the HPA nonlinearity is evaluated in terms of the average symbol error probability and mutual information with the Gaussian input, considering the transmission over uncorrelated quasi-static frequency-flat Rayleigh fading channels. Numerical results are provided and show the effects on the performance of several system parameters, namely, the HPA parameters, numbers of antennas, quadrature amplitude modulation modulation order, number of pilot symbols, and cardinality of the beamforming weight vector codebook for QEGT.

Analysis and compensation of power amplifier nonlinearity in MIMO transmit diversity systems

The nonlinearity of high-power amplifiers (HPAs) has a crucial effect on the performance of multiple-input-multiple-output (MIMO) systems. In this paper, we investigate the performance of MIMO orthogonal space-time block coding (OSTBC) systems in the presence of nonlinear HPAs. Specifically, we propose a constellation-based compensation method for HPA nonlinearity in the case with knowledge of the HPA parameters at the transmitter and receiver, where the constellation and decision regions of the distorted transmitted signal are derived in advance. Furthermore, in the scenario without knowledge of the HPA parameters, a sequential Monte Carlo (SMC)-based compensation method for the HPA nonlinearity is proposed, which first estimates the channel-gain matrix by means of the SMC method and then uses the SMC-based algorithm to detect the desired signal. The performance of the MIMO-OSTBC system under study is evaluated in terms of average symbol error probability (SEP), total degradation (TD) and system capacity, in uncorrelated Nakagami-m fading channels. Numerical and simulation results are provided and show the effects on performance of several system parameters, such as the parameters of the HPA model, output back-off (OBO) of nonlinear HPA, numbers of transmit and receive antennas, modulation order of quadrature amplitude modulation (QAM), and number of SMC samples. In particular, it is shown that the constellation-based compensation method can efficiently mitigate the effect of HPA nonlinearity with low complexity and that the SMC-based detection scheme is efficient to compensate for HPA nonlinearity in the case without knowledge of the HPA parameters.

Cross-layer design for multiuser MIMO MRC systems with feedback constraints

Cross-layer techniques represent efficient means to enhance throughput and increase the transmission reliability of wireless communication systems. In this paper, a cross-layer design of aggressive adaptive modulation and coding (A-AMC), truncated automatic repeat request (T-ARQ), and user scheduling is proposed for multiuser multiple-input-multiple-output (MIMO) maximal ratio combining (MRC) systems, where the impacts of feedback delay (FD) and limited feedback (LF) on channel state information (CSI) are also considered. The A-AMC and T-ARQ mechanism selects the appropriate modulation and coding schemes (MCSs) to achieve higher spectral efficiency while satisfying the service requirement on the packet loss rate (PLR), profiting from the feasibility of using different MCSs to retransmit a packet, which is destined to a scheduled user selected to exploit multiuser diversity and enhance the system's performance in terms of both transmission efficiency and fairness. The system's performance is evaluated in terms of the average PLR, average spectral efficiency (ASE), outage probability, and average packet delay, which are derived in closed form, considering transmissions over Rayleigh-fading channels. Numerical results and comparisons are provided and show that A-AMC combined with T-ARQ yields higher spectral efficiency than the conventional scheme based on adaptive modulation and coding (AMC), while keeping the achieved PLR closer to the system's requirement and reducing delay. Furthermore, the effects of the number of ARQ retransmissions, numbers of transmit and receive antennas, normalized FD, and cardinality of the beamforming weight vector codebook are studied and discussed.