This thesis is concerned with channel estimation and data detection of MIMO-OFDM communication systems using Space-Time Block Coding (STBC) and Space-Frequency Block Coding (SFBC) under frequency selective channels. A new iterative joint channel estimation and signal detection technique for both STBC-OFDM and SFBC-OFDM systems is proposed. The proposed algorithm is based on a processive sequence of events for space time and space frequency coding schemes where pilot subcarriers are used for channel estimation in the first time instant, and then in the second time instant, the estimated channel is used to decode the data symbols in the adjacent data subcarriers. Once data symbols are recovered, the system recursively performs a new channel estimation using the decoded data symbols as pilots. The iterative process is repeated until all MIMO-OFDM symbols are recovered. In addition, the proposed channel estimation technique is based on the maximum likelihood (ML) approach which offers linearity and simplicity of implementation. Due to the orthogonality of STBC and SFBC, high computation efficiency is achieved since the method does not require any matrix inversion for estimation and detection at the receiver. Another major novel contribution of the thesis is the proposal of a new group decoding method that reduces the processing time significantly via the use of sub-carrier grouping for transmitted data recovery. The OFDM symbols are divided into groups to which a set of pilot subcarriers are assigned and used to initiate the channel estimation process. Designated data symbols contained within each group of the OFDM symbols are decoded simultaneously in order to improve the decoding duration. Finally, a new mixed STBC and SFBC channel estimation and data detection technique with a joint iterative scheme and a group decoding method is proposed. In this technique, STBC and SFBC are used for pilot and data subcarriers alternatively, forming the different combinations of STBC/SFBC and SFBC/STBC. All channel estimation and data detection methods for different MIMO-OFDM systems proposed in the thesis have been simulated extensively in many different scenarios and their performances have been verified fully.

Cooperative diversity exploits the broadcast nature of wireless channels and uses relays to improve link reliability. Most cooperative communication protocols are assumed to be synchronous in nature, which is not always possible in wireless communication. Also the relay nodes are assumed to be half duplex which in turn reduces the spectral efficiency. In this thesis, we first present a novel asynchronous cooperative communication protocol exploiting polarization diversity, which does not require synchronization at the relay node. Dual polarized antennas are employed at the relay node to achieve full duplex amplify-and-forward (ANF) communication. Hence the transmission duration is reduced which results into an increased throughput rate. Capacity analysis of the proposed scheme ascertains the high data rate as compared to conventional ANF. Bit error rate (BER) simulation also shows that the proposed scheme significantly outperforms both the non-cooperative single-input single-output and the conventional ANF schemes. Considering channel path loss, the proposed scheme consume less total transmission energy as compared to ANF and non-cooperative scheme in more practical distance range. Thus the proposed scheme is suitable for high rate and energy efficient relay-enabled communication. In addition to that, we also present a novel power allocation scheme for multiple relay nodes that results in efficient cooperative multiple-input multiple-output (MIMO) communication. Considering channel path loss, the total transmission energy is distributed between the source and the relay nodes. The energy distribution ratio between the relay and direct link is optimized such that the quality of received signal is maintained with minimum total transmission energy consumption. We calculate the energy distribution ratio analytically and verified it through computer simulation. With the new power allocation scheme, the system also obtains an increased channel capacity as compared to cooperative scheme with conventional equal power allocation and non-cooperative scheme. Optimal relay positioning with proposed energy allocation scheme is also explored to maximize the capacity.

Dans les télécommunications, le débit-fiabilité et la complexité de l’encodage et du décodage (opération à virgule flottante-flops) sont largement reconnus comme représentant des facteurs limitant interdépendants. Pour cette raison, tout tentative de réduire la complexité peut venir au prix d’une dégradation substantielle du taux d’erreurs. Cette thèse traite de l’établissement d’un compromis limite fondamental entre la fiabilité et la complexité dans des systèmes de communications « outage »-limités à entrées et sorties multiples (MIMO), et ses scénarios point-à-point, utilisateurs multiple, bidirectionnels, et aidés de feedback. Nous explorons un large sous-ensemble de la famille des méthodes d’encodage linéaire Lattice, et nous considérons deux familles principales de décodeurs : les décodeurs à maximum de vraisemblance (ML) et les décodeurs Lattice. L‘analyse algorithmique est concentrée sur l’implémentation de ces décodeurs ayant comme limitation une recherche bornée, ce qui inclue une large famille de sphère-décodeurs. En particulier, le travail présenté fournit une analyse à haut rapport Signal-à-Bruit (SNR) de la complexité minimum (flops ou taille de puce électronique) qui permet d’atteindre a) une certaine performance vis-à-vis du compromis diversité-gain de multiplexage et b) une différence tendant vers zéro avec le non-interrompu (optimale) ML décodeur, ou une différence tendant vers zéro comparé à l’implémentation exacte du décodeur (régularisé) Lattice. L’exposant de complexité obtenu décrit la vitesse asymptotique d’accroissement de la complexité, qui est exponentielle en terme du nombre de bits encodés. / In telecommunications, rate-reliability and encoding-decoding computational complexity (floating point operations - flops), are widely considered to be limiting and interrelated bottlenecks. For this reason, any attempt to significantly reduce complexity may be at the expense of a substantial degradation in error-performance. Establishing this intertwined relationship constitutes an important research topic of substantial practical interest. This dissertation deals with the question of establishing fundamental rate, reliability and complexity limits in general outage-limited multiple-input multiple-output (MIMO) communications, and its related point-to-point, multiuser, cooperative, two-directional, and feedback-aided scenarios. We explore a large subset of the family of linear lattice encoding methods, and we consider the two main families of decoders; maximum likelihood (ML) based and lattice-based decoding. Algorithmic analysis focuses on the efficient bounded-search implementations of these decoders, including a large family of sphere decoders. Specifically, the presented work provides high signal-to-noise (SNR) analysis of the minimum computational reserves (flops or chip size) that allow for a) a certain performance with respect to the diversity-multiplexing gain tradeoff (DMT) and for b) a vanishing gap to the uninterrupted (optimal) ML decoder or a vanishing gap to the exact implementation of (regularized) lattice decoding. The derived complexity exponent describes the asymptotic rate of exponential increase of complexity, exponential in the number of codeword bits.

This thesis considers the real-time implementation phases of a multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system. The parts which are related to the implementation detail the blocks realized on a field programmable gate array (FPGA) board and define the connections between these blocks and typical radio frequency front-end modules assisting the wireless communication. Two sides of the implemented communication testbed are discussed separately as the transmitter and the receiver parts. In addition to usual building blocks of the transmitter and the receiver blocks, a special type of iterative parallelized decoding architecture has also been implemented on the testbed to demonstrate its potential in low-latency communication systems. In addition to practical aspects, this thesis also presents theoretical findings for an improved version of the built system using analytical tools and simulation results for possible extensions to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM).

La synchronisation temporelle des systèmes MIMO a été abondamment étudiée dans les quinze dernières années, mais la plupart des techniques existantes supposent que le bruit est blanc temporellement et spatialement, ce qui ne permet pas de modéliser la présence d'interférence. Nous considérons donc le cas de bruits blancs temporellement mais pas spatialement, dont la matrice de covariance spatiale est inconnue. En formulant le problème de l'estimation de l'instant de synchronisation comme un test d'hypothèses, nous aboutissons au test du rapport de vraisemblance généralisé (GLRT) qui donne lieu à la comparaison avec un seuil d'une statistique de test eta_GLRT. Cependant, pour des raisons de complexité, l'utilisation de cette statistique n'est pas toujours considérée comme réaliste. La première partie de ce travail a donc été consacrée à mettre en évidence des tests alternatifs moins complexes à mettre en œuvre, tout en ayant des performances similaires. Une analyse comparative exhaustive, prenant en considération le bruit et l'interférence, le type de canal, le nombre d'antennes en émission et en réception, et l'orthogonalité de la séquence de synchronisation est réalisée. Enfin, nous étudions le problème de l'optimisation du nombre d'antennes en émission K pour la synchronisation temporelle, montrant que pour un RSB élevé, les performances augmentent avec K dès que le produit de K avec le nombre d'antennes de réception M n'est pas supérieur à 8.Le deuxième aspect de ce travail est une analyse statistique de eta_GLRT dans le cas où la taille de la séquence d'apprentissage N est du même ordre de grandeur que M, ce qui conduit naturellement à étudier le comportement de eta_GLRT dans le régime asymptotique des grands systèmes M tend vers l'infini, N tend l'infini de telle sorte que M/N tende vers une constante non nulle. Nous considérons le cadre applicatif d'un système muni d'une unique antenne d'émission et d'un canal à trajets multiples, qui est formellement identique à celui d'un système MIMO dont le nombre d'antennes d'émissions correspondrait au nombre de trajets. Lorsque le nombre de trajets L est beaucoup plus faible que N et M, nous établissons que eta_GLRT a un comportement gaussien avec l'espérance asymptotique L log (1 / (1-M/N)) et la variance (L/N)*(M/N)/(1-M/N). Ceci est en contraste avec le régime asymptotique standard quand N tend vers l'infini et M et L fixe où eta_GLRT a un comportement chi2. Sous l'hypothèse H_1, eta_GLRT a aussi un comportement gaussien. Nous considérons également le cas où le nombre de trajets L tend vers l'infini à la même vitesse que M et N. Nous utilisons des résultats connus concernant le comportement des statistiques linéaires des valeurs propres des grandes F matrices, et déduisons que dans le régime où L,M,N tendent vers l'infini à la même vitesse, eta_GLRT a encore un comportement gaussien sous H_0, mais avec une espérance et variance différentes. L'analyse de eta_GLRT sous H_1 lorsque L,M,L convergent vers l'infini nécessite l'établissement d'un théorème central limite pour les statistiques linéaires des valeurs propres de matrices F de moyennes non-nulles, une tâche difficile. Motivé par les résultats obtenus dans le cas où L reste fini, nous proposons d'approximer la distribution asymptotique par une distribution gaussienne dont l'espérance et la variance sont la somme de l'espérance et la variance asymptotique sous H_0quand L tend vers l'infini avec l'espérance et la variance asymptotique sous H_1 dans le régime classique N tend vers l'infini et M fixé. Des simulations numériques permettent de comparer les courbes ROC des différents approximant avec des courbes ROC empiriques. Les résultats montrent que nos approximant de grandes dimensions fournissent de meilleurs résultats quand M/N augmente, tout en permettant de capturer la performance réelle pour les petites valeurs de M/N / Time synchronization of MIMO systems have been strongly studied in the last fifteen years, but most of the existing techniques assume a spatially and temporally white noise, which does not allow modeling the presence of interference. We consider thus a temporally white but spatially colored noise, with an unknown covariance matrix. Formulating the estimation problem as a hypothesis testing problem, we obtain a Generalized likelihood ratio test (GLRT), which gives us a synchronization statistics eta_GLRT. However, for complexity reasons, it is not always considered realistic for practical situations. A part of this work has thus been devoted to showing that there exist non-GLRT statistics that are less complex to implement than theet a_GLRT, while having similar performance. Furthermore, we perform a comparative parameter analysis, taking into consideration the noise type, channel type, the number of transmit and receive antennas, and the orthogonality of the synchronization sequence. Lastly, the problem of optimization of the number of transmit antennas K for time synchronization has been investigated. showing, for high SNR, increasing performance with K as long as the product KM is not larger than 8, where M is the number of receive antennas. The second aspect of MIMO synchronization studied in thesis is asymptotic analysis of the same GLRT, but for large M. In this context, the synchronization sequence length N is the same order of magnitude as M, and this leads us naturally to the study of the the behavior of eta_GLRT in the asymptotic regime where M,N go towards infinity such that M/N go towards a non-zero constant. We consider the case of a single transmit antenna in a multi-path channel, which formally is equivalent to the MIMO system where the transmit antennas correspond to the number of paths. We address the case When the number of paths L does not scale with M and N, we establish that eta_GLRT has a Gaussian behavior with asymptotic mean L log (1/ (1 - M/N))and variance (L/N)*(M/N)/(1-M/N).This is in contrast with the standard asymptotic regime N goes to infinity and M fixed where eta_GLRT has a chi^2 behaviour. Under hypothesis H_1, eta_GLRT still has a Gaussian behaviour. The corresponding asymptotic mean and variance are obtained as the sum of the asymptotic mean and variance in the standard regime N goes to infinity and M fixed, and L log(1/(1-/M/N))L log (1 / (1-M/N)) and (L/N)*(M/N)/(1-M/N)respectively, i.e. the asymptotic mean and variance under H_0.We also consider the case where the number of paths L converges towards infinity at the same rate as M and N. Using known results of concerning the behaviour of linear statistics of the eigenvalues of large F-matrices, we deduce that in the regime where L,M,N converge to infinity at the same rate, eta_GLRT still has a Gaussian behaviour under H_0, but with a different mean and variance. The analysis of eta_GLRT under H_1 whenL,M,N converge to infinity needs to establish a central limit theorem for linear statistics of the eigenvalues of large non zero-mean F-matrices, a difficult ask. Motivated by the results obtained in the case where L remains finite, we propose to approximate the asymptotic distribution of eta_GLRT by a Gaussian distribution whose mean and variance are the sum of the asymptotic mean and variance under H_0when L goes to infinity with the asymptotic mean and variance under H_1 in the standard regime N goes to infinity and M fixed. Numerical simulations allow to compare the ROC curves obtained with the different approximations with the empirical ROC curves. The results show that the large-system approximations provide better results when M/N increases, while also allowing to capture the actual performance for small values of M/N

Cette thèse traite de la séparation aveugle de sources dans les systèmes de communication multiantennes à l'émission et à la réception MIMO. Nous nous intéressons au cas de signaux sources indépendants traversant un canal MIMO linéaire, instantané ou convolutif, et invariant dans le temps. Au début, nous exposons quelques outils associés à la séparation aveugle de sources. Ensuite nous considérons le cas d'un canal MIMO instantané. Nous commençons par proposer un nouvel algorithme CMA basé sur les rotations de Givens complexes. Nous proposons aussi une extension de la classe des algorithmes à nome constante CNA au cas MIMO, où à partir du critère général nous dérivons trois autres algorithmes. Enfin nous considérons le cas d'un canal MIMO convolutif. Nous proposons un nouvel algorithme permettant de contrôler le retard avec lequel les signaux sources seront récupérés. L'étude des points stationnaires du critère est également proposée.