A unified treatment of optimum pilot overhead in multipath fading channels

The optimization of the pilot overhead in single-user wireless fading channels is investigated, and the dependence of this overhead on various system parameters of interest (e.g., fading rate, signal-to-noise ratio) is quantified. The achievable pilot-based spectral efficiency is expanded with respect to the fading rate about the no-fading point, which leads to an accurate order expansion for the pilot overhead. This expansion identifies that the pilot overhead, as well as the spectral efficiency penalty with respect to a reference system with genie-aided CSI (channel state information) at the receiver, depend on the square root of the normalized Doppler frequency. It is also shown that the widely-used block fading model is a special case of more accurate continuous fading models in terms of the achievable pilot-based spectral efficiency. Furthermore, it is established that the overhead optimization for multiantenna systems is effectively the same as for single-antenna systems with the normalized Doppler frequency multiplied by the number of transmit antennas.

Transmit diversity vs. spatial multiplexing in modern MIMO systems

A contemporary perspective on the tradeoff between transmit antenna diversity andspatial multiplexing is provided. It is argued that, in the context of most modern wirelesssystems and for the operating points of interest, transmission techniques that utilizeall available spatial degrees of freedom for multiplexing outperform techniques that explicitlysacrifice spatial multiplexing for diversity. In the context of such systems, therefore,there essentially is no decision to be made between transmit antenna diversity and spatialmultiplexing in MIMO communication. Reaching this conclusion, however, requires thatthe channel and some key system features be adequately modeled and that suitable performancemetrics be adopted; failure to do so may bring about starkly different conclusions. Asa specific example, this contrast is illustrated using the 3GPP Long-Term Evolution systemdesign.

Impact of antenna correlation on the capacity of multiantenna channels

This paper applies random matrix theory to obtain analytical characterizations of the capacity of correlated multiantenna channels. The analysis is not restricted to the popular separable correlation model, but rather it embraces a more general representation that subsumesmost of the channel models that have been treated in the literature. For arbitrary signal-to-noise ratios (SNR), the characterization is conducted in the regime of large numbers of antennas. For the low- and high-SNR regions, in turn, we uncover compact capacity expansions that are valid for arbitrary numbers of antennas and that shed insight on how antenna correlation impacts the tradeoffs between power, bandwidth and rate.

Interplay of spectral efficiency, power and doppler spectrum for reference-signal-assisted wireless communication

Expressions relating spectral efficiency, power, and Doppler spectrum, are derived for Rayleigh-faded wireless channels with Gaussian signal transmission. No side information on the state of the channel is assumed at the receiver. Rather, periodic reference signals are postulated in accordance with the functioning of most wireless systems. The analysis relies on a well-established lower bound, generally tight and asymptotically exact at low SNR. In contrast with most previous studies, which relied on block-fading channel models, a continuous-fading model is adopted. This embeds the Doppler spectrum directly in the derived expressions, imbuing them with practical significance. Closed-form relationships are obtained for the popular Clarke-Jakes spectrum and informative expansions, valid for arbitrary spectra, are found for the low- and high-power regimes. While the paper focuses on scalar channels, the extension to multiantenna settings is also discussed.

High-SNR power offset in multiantenna communication

The analysis of the multiantenna capacity in the high-SNR regime has hitherto focused on the high-SNR slope (or maximum multiplexing gain), which quantifies the multiplicative increase as function of the number of antennas. This traditional characterization is unable to assess the impact of prominent channel features since, for a majority of channels, the slope equals the minimum of the number of transmit and receive antennas. Furthermore, a characterization based solely on the slope captures only the scaling but it has no notion of the power required for a certain capacity. This paper advocates a more refined characterization whereby, as function of SNRjdB, the high-SNR capacity is expanded as an affine function where the impact of channel features such as antenna correlation, unfaded components, etc, resides in the zero-order term or power offset. The power offset, for which we find insightful closed-form expressions, is shown to play a chief role for SNR levels of practical interest.

Capacity-achieving input covariance for single-user multi-antenna channels

We characterize the capacity-achieving input covariance for multi-antenna channels known instantaneously at the receiver and in distribution at the transmitter. Our characterization, valid for arbitrary numbers of antennas, encompasses both the eigenvectors and the eigenvalues. The eigenvectors are found for zero-mean channels with arbitrary fading profiles and a wide range of correlation and keyhole structures. For the eigenvalues, in turn, we present necessary and sufficient conditions as well as an iterative algorithm that exhibits remarkable properties: universal applicability, robustness and rapid convergence. In addition, we identify channel structures for which an isotropic input achieves capacity.

Capacity-approaching rate function for layered multiantenna architectures

The simultaneous use of multiple transmit and receive antennas can unleash very large capacity increases in rich multipath environments. Although such capacities can be approached by layered multi-antenna architectures with per-antenna rate control, the need for short-term feedback arises as a potential impediment, in particular as the number of antennas—and thus the number of rates to be controlled—increases. What we show, however, is that the need for short-term feedback in fact vanishes as the number of antennas and/or the diversity order increases. Specifically, the rate supported by each transmit antenna becomes deterministic and a sole function of the signal-to-noise, the ratio of transmit and receive antennas, and the decoding order, all of which are either fixed or slowly varying. More generally, we illustrate -through this specific derivation— the relevance of some established random CDMA results to the single-user multi-antenna problem.

Mutual information of IID complex Gaussian signals on block Rayleigh-faded channels

We present a method to compute, quickly and efficiently, the mutual information achieved by an IID (independent identically distributed) complex Gaussian signal on a block Rayleigh-faded channel without side information at the receiver. The method accommodates both scalar and MIMO (multiple-input multiple-output) settings. Operationally, this mutual information represents the highest spectral efficiency that can be attained using Gaussiancodebooks. Examples are provided that illustrate the loss in spectral efficiency caused by fast fading and how that loss is amplified when multiple transmit antennas are used. These examples are further enriched by comparisons with the channel capacity under perfect channel-state information at the receiver, and with the spectral efficiency attained by pilot-based transmission.

Per-antenna rate and power control for MIMO layered architectures in the low- and high-power regimes

In a MIMO layered architecture, several codewordsare transmitted from a multiplicity of antennas. Although thespectral efficiency is maximized if the rates of these codewordsare separately controlled, the feedback rate within the linkadaptation loop is reduced if they are constrained to be identical.This poses a direct tradeoff between performance andfeedback overhead. This paper provides analytical expressionsthat quantify the difference in spectral efficiency between bothapproaches for arbitrary numbers of antennas. Specifically, thecharacterization takes place in the realm of the low- and highpowerregimes via expansions that are shown to have a widerange of validity.In addition, the possibility of adjusting the transmit powerof each codeword individually is considered as an alternative tothe separate control of their rates. Power allocation, however,turns out to be inferior to rate control within the context of thisproblem.

Mutual Information of IID complex Gaussian signals on block Rayleigh-faded channels

We present a method to compute, quickly and efficiently, the mutual information achieved by an IID (independent identically distributed) complex Gaussian signal on a block Rayleigh-faded channel without side information at the receiver. The method accommodates both scalar and MIMO (multiple-input multiple-output) settings. Operationally, this mutual information represents the highest spectral efficiency that can be attained using Gaussiancodebooks. Examples are provided that illustrate the loss in spectral efficiency caused by fast fading and how that loss is amplified when multiple transmit antennas are used. These examples are further enriched by comparisons with the channel capacity under perfect channel-state information at the receiver, and with the spectral efficiency attained by pilot-based transmission.

Mucosite bucal rádio e quimioinduzida

O aumento da intensidade da quimioterapia e radioterapia no tratamento do câncer tem elevado a incidência de efeitos colaterais, em especial da mucosite bucal. OBJETIVO E MÉTODO: Através de revisão bibliográfica realizou-se atualizar informações quanto à definição, características clínicas, incidência, etiologia, patofisiologia, morbidade associada, prevenção e tratamento dessa manifestação clínica. RESULTADOS: Estudos atuais definem a mucosite bucal como uma inflamação e ulceração dolorosa bastante freqüente na mucosa bucal apresentando formação de pseudomembrana. Sua incidência e severidade são influenciadas por variáveis associadas ao paciente e ao tratamento a que ele é submetido. A mucosite é conseqüência de dois mecanismos maiores: toxicidade direta da terapêutica utilizada sobre a mucosa e mielossupressão gerada pelo tratamento. Sua patofisiologia é composta por quatro fases interdependentes: fase inflamatória/vascular, fase epitelial, fase ulcerativa/bacteriológica e fase de reparação. É considerada fonte potencial de infecções com risco de morte, sendo a principal causa de interrupção de tratamentos antineoplásicos. Algumas intervenções mostraram-se potencialmente efetivas para sua prevenção e tratamento. Entretanto, faz-se necessária a realização de novos estudos clínicos mais bem conduzidos para obtenção de melhor evidência científica acerca do agente terapêutico de escolha para o controle da mucosite bucal, permitindo a realização da quimioterapia e radioterapia do câncer em parâmetros ideais.

Geração e propagação de sinais rádio sobre fibra (RoF)

As tecnologias de rádio sobre fibra associam as comunicações rádio com as comunicações ópticas, sendo estas os dois tipos de comunicações com maior desenvolvimento nos últimos anos, ao permitirem débitos e larguras de banda elevadas e simultaneamente uma elevada mobilidade. Neste sentido, no mercado das telecomunicações têm sido desenvolvidos sistemas com alta performance, tentando reduzir o quanto possível os custos associados aos sistemas, tendo assim uma especial relevância os designados sistemas de baixo custo. Nesta dissertação de Mestrado estuda-se a propagação de sinais rádio sobre fibra, variando o tipo de modulação óptica utilizada e tendo como base os sistemas de baixo custo. Estes sistemas de baixo custo são sistemas que utilizam apenas uma fonte óptica para o sentido descendente, remodulando a portadora na estação remota com o sinal do sentido ascendente. Começa-se por fazer um estudo sobre o estado da arte da tecnologia rádio sobre fibra e tecnologias envolvidas. De seguida, é apresentado um estudo teórico sobre o sistema rádio sobre fibra, desde a sua arquitectura, figuras de mérito e seus componentes. Posteriormente, são apresentadas as modulações ópticas utilizadas em sistemas rádio sobre fibra. A avaliação dos sistemas e apresentação de resultados é efectuada recorrendo a simulações. De acordo com os resultados obtidos pode verificar-se que a utilização de modulação de fase no sentido descendente e modulação de intensidade no sentido ascendente é a solução que melhores resultados apresenta como sistema de baixo custo. No entanto, caso se pretenda uma melhor performance em detrimento da redução de custos, deve-se optar por um sistema convencional com duas fontes ópticas, uma para cada sentido.

Distribuição de sinais rádio e vídeo sobre fibra

As comunicações ópticas e as comunicações sem fios têm sofrido uma grande evolução ao longo das últimas décadas. Com o objectivo de juntar as vantagens de cada um dos sistemas surgiu o que se designa por rádio sobre fibra. Este sistema permite centralizar todo o processamento necessário num só local, na estação central, simplificando assim a estação base. Esta simplificação permite reduzir os custos de implementação e torna o sistema menos complexo. Esta dissertação de mestrado tem como objectivo principal estudar e simular um sistema que permite o envio de sinais vídeo e rádio pela fibra óptica para posterior difusão, utilizando o conceito de rádio sobre fibra. Os sinais enviados foram o LTE (Long Term Evolution), o UWB (Ultra WideBand) e o WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). O primeiro disponibiliza o serviço de voz, o segundo disponibiliza o serviço de televisão e o último dá suporte à internet. Estes sinais foram modulados em OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), porque, posteriormente, estes sinais vão ser difundidos num ambiente sem fios e este tipo de modulação minimiza o efeito de multipercurso e da interferência intersimbólica. Com este estudo pretende-se verificar qual a viabilidade de um sistema que permite o envio de três sinais distintos simultaneamente (serviço Triple Play). Ao analisar os resultados deste sistema concluiu-se que a sua aplicabilidade pode apresentar algumas limitações, dependendo do tipo de modulação e do tipo de modulador que se utilize. Os moduladores ópticos utilizados foram o MZ (Mach-Zehnder) e o EA (Electro-Absorption). A qualidade do sinal recebido foi analisada com base no valor de EVM (Error Vector Magnitude). O primeiro modulador foi aquele que apresentou mais limitações, pois o desempenho do sistema é comprometido para distâncias superiores a 40 km e para potências de entrada inferiores a 0 dBm. Este tipo de sistema apresenta um EVM mais baixo quando a potência de entrada utilizada está entre 0 e 6 dBm. Se o modulador utilizado for o EA, o sistema apresenta um EVM mais baixo quando se utiliza um índice de modulação entre 20% e 30%, para uma potência de entrada entre 0 e 2 dBm.

Caracterização bidimensional de um canal rádio Wimax

Com o crescimento previsível e exponencial das redes de comunicações móveis motivado pela mobilidade, flexibilidade e também comodidade do utilizador levam a que este se torne na fatia mais importante do mundo das telecomunicações dos dias que correm. Assim é importante estudar e caracterizar canais rádio para as mais diversas gamas de frequências utilizadas nas mais variadas tecnologias. O objectivo principal desta dissertação de Mestrado é caracterizar um canal rádio para a tecnologia sem fios Worldwide Inter-operability for Microwave Access (Wimax para as frequências de 3,5 GHz e 5 GHz) actualmente vista pela comunidade científica como a tecnologia sem fios com maiores perspectivas de sucesso. Para tal, determinaram-se o Perfil de Atraso de Potência (PAP) e também a Potência em Função da Distância (PFD) recorrendo ao método computacional de simulação Finite-Difference Time-Domain (FDTD). De forma a estudar e caracterizar o canal rádio, em termos de desvanecimento relativo ao espalhamento de atraso, usaram-se dois métodos alternativos que têm como entrada o PAP. Para caracterizar o canal quanto ao desvanecimento baseado em espalhamento de Doppler, recorreu-se também a duas técnicas alternativas tendo como entrada o PFD. Em ambas as situações os dois métodos alternativos convergiram para os mesmos resultados. A caracterização é feita em dois cenários diferentes: um em que consideramos que a maioria dos obstáculos são condutores eléctricos perfeitos (CEP) e que passaremos a designar Cenário PEC, e um segundo cenário em que os obstáculos têm propriedades electromagnéticas diferentes, e que passará a ser designado por Cenário MIX. Em ambos os cenários de análise concluiu-se que o canal é plano, lento e sem ISI.