FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / In this work, the performance of MIMO systems based on space-time coding is investigated through multilinear algebra, more specifically, by means of tensor decompositions, pulling away a bit from commonly used matrix models. We assume a system composed of P transmit and M receive antennas, consisting of a combination of a space-time block code (STBC) with a formatting filter. This filter is formed by a precoding matrix and a matrix that maps the precoded signal onto the transmit antennas. For the considered system, two contributions are presented to solve the problem of channel estimation. First, we propose a tensor-based channel estimation method for orthogonal STBCs in MIMO systems, by focusing on the specific case of the Alamouti scheme. We resort to a third order PARATUCK2 tensor model for the received signal, the third dimension of which is related to the presence of the formatting filter. By capitalizing on this tensor model, a channel estimation method based on the alternating least squares (ALS) algorithm is proposed. As a second contribution, a generalization of this method to an arbitrary nonorthogonal STBC is made, where a generalized structure is proposed for the formatting filter, introducing a fourth dimension into the tensor signal model. In this case, we make use of the PARATUCK(2-4) model followed by its reduction to a structured PARAFAC model, from which a closed-form solution to the channel estimation problem is established. The performance metrics considered for evaluating the proposed channel estimation method are: (I) the quality of the estimation in terms of NMSE and (II) the system reliability in terms of Bit Error Rate. / Neste trabalho, o desempenho de sistemas MIMO baseados em codificaÃÃo espaÃo temporal à investigado via Ãlgebra multilinear, mais especificamente, por meio de decomposiÃÃes tensoriais, afastando-se um pouco dos modelos matriciais comumente adotados. Assume-se um sistema composto de P antenas transmissoras e M receptoras, consistindo de uma combinaÃÃo de um cÃdigo espaÃo-temporal em bloco com um filtro formatador. Esse filtro à formado por uma matriz de prÃ-codificaÃÃo e uma matriz que mapeia os sinais prÃ-codificados nas antenas transmissoras. Para o sistema considerado, duas contribuiÃÃes sÃo apresentadas para solucionar o problema de estimaÃÃo de canal. Primeiro, à proposto um mÃtodo tensorial de estimaÃÃo de canal para STBCs ortogonais em sistemas MIMO, tomando-se como exemplo o esquema de Alamouti. Tal mÃtodo faz uso de um modelo tensorial PARATUCK2 de terceira ordem para o sinal recebido, cuja terceira dimensÃo està associada à presenÃa do filtro formatador. Aproveitando-se desse modelo tensorial, um mÃtodo de estimaÃÃo de canal baseado no algoritmo dos mÃnimos quadrados alternados à proposto. Como uma segunda contribuiÃÃo, uma generalizaÃÃo desse modelo para um STBC nÃo ortogonal arbitrÃrio à feita, em que uma estrutura generalizada à proposta para o filtro formatador, introduzindo uma quarta dimensÃo no modelo tensorial de sinal. Neste caso, faz-se uso do modelo PARATUCK(2-4) seguido pela sua reduÃÃo a um modelo PARAFAC estruturado, a partir do qual uma soluÃÃo em forma fechada para o problema de estimaÃÃo de canal à estabelecida. As mÃtricas de desempenho consideradas para avaliaÃÃo dos mÃtodos de estimaÃÃo de canal propostos sÃo: (I) A qualidade da estimaÃÃo do canal em termos de NMSE e (II) a confiabilidade do sistema em termos de Taxa de Erro de Bit.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / In this dissertation the problem of spatial signature and direction of arrival estimation in Linear 2L-Shape and Planar arrays is investigated Methods based on tensor decompositions are proposed to treat the problem of estimating blind spatial signatures disregarding the use of training sequences and knowledge of the covariance structure of the sources By assuming that the power of the sources varies between successive time blocks decompositions for tensors of third and fourth orders obtained from spatial and spatio-temporal covariance of the received data in the array are proposed from which iterative algorithms are formulated to estimate spatial signatures of the sources Then greater spatial diversity is achieved by using the Spatial Smoothing in the 2L-Shape and Planar arrays In that case the estimation of the direction of arrival of the sources can not be obtained directly from the formulated algorithms The factorization of the Khatri-Rao product is then incorporated into these algorithms making it possible extracting estimates for the azimuth and elevation angles from matrices obtained using this method A distinguishing feature of the proposed tensor methods is their efficiency to treat the cases where the covariance matrix of the sources is non-diagonal and unknown which generally happens when working with sample data covariances computed from a reduced number of snapshots / Nesta dissertaÃÃo o problema de estimaÃÃo de assinaturas espaciais e consequentemente da direÃÃo de chegada dos sinais incidentes em arranjos Linear 2L-Shape e Planar à investigado MÃtodos baseados em decomposiÃÃes tensoriais sÃo propostos para tratar o problema de estimaÃÃo cega de assinaturas espaciais desconsiderando a utilizaÃÃo de sequÃncias de treinamento e o conhecimento da estrutura de covariÃncia das fontes Ao assumir que a potÃncia das fontes varia entre blocos de tempos sucessivos decomposiÃÃes para tensores de terceira e quarta ordem obtidas a partir da covariÃncia espacial e espaÃo-temporal dos dados recebidos no arranjo de sensores sÃo propostas a partir das quais algoritmos iterativos sÃo formulados para estimar a assinatura espacial das fontes em seguida uma maior diversidade espacial à alcanÃada utilizando a tÃcnica Spatial Smoothing na recepÃÃo de sinais nos arranjos 2L-Shape e Planar Nesse caso as estimaÃÃes da direÃÃo de chegada das fontes nÃo podem ser obtidas diretamente a partir dos algoritmos formulados de forma que a fatoraÃÃo do produto de Khatri-Rao à incorporada a estes algoritmos tornando possÃvel a obtenÃÃo de estimaÃÃes para os Ãngulos de azimute e elevaÃÃo a partir das matrizes obtidas utilizando este mÃtodo Uma caracterÃstica marcante dos mÃtodos tensoriais propostos està presente na eficiÃncia obtida no tratamento de casos em que a matriz de covariÃncia das fontes à nÃo-diagonal e desconhecida o que geralmente ocorre quando se trabalha com covariÃncias de amostras reais calculadas a partir de um nÃmero reduzido de snapshots

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / In the last two decades, multiple input multiple output (MIMO) wireless systems have been subject of intense research due to the theoretical promise of the proportional increase of the communications channel capacity as the number of antennas increases. This outstanding property supposes an efficient use of spatial diversity at both the transmitter and receiver. An important and not well explored path towards improving MIMO system performance using spatial diversity takes into account the interactions among the antennas and the (physical) propagation medium. By understanding these interactions, the transmit and receive antenna arrays can be designed to best âmatchâ the propagation medium so that the link quality and capacity can be further improved in a MIMO system. In this work, we consider the use of spherical harmonics and tensor decompositions in the problem of MIMO channel modeling and estimation. The use of spherical harmonics allows to represent the radiation patterns of antennas in terms of coefficients of an expansion, thus decoupling the transmit and receive antenna array responses from the physical propagation medium. By translating simple propagation-motivated channel models with polarization information into the spherical harmonics domain, we study how propagation parameters themselves and antenna configurations affect MIMO performance in terms of capacity and correlation. A second part of this work addresses the problem of estimating directional MIMO channels in the spherical harmonics domain using tensor decompositions. Considering both single-scattering and double-scattering propagation scenarios, we make use of the parallel factor (PARAFAC) and PARATUCK-2 decompositions, respectively, to estimate the propagating spherical modes, from which the directions of arrival (DoA) and directions of departure (DoD) can be extracted. Finally, we propose and compare two methods for optimizing the coefficients of the spherical harmonics expansion of an antenna array for a prespecified MIMO channel response. / Nas Ãltimas dÃcadas, sistemas de comunicaÃÃo sem fio de mÃltiplas antenas (MIMO - Multiple Input Multiple Output) tÃm sido objetos de intensas pesquisas devido à promessa teÃrica do aumento proporcional da capacidade com o aumento do nÃmero de antenas. Esta propriedade excepcional supÃe um uso eficiente da diversidade espacial no transmissor e receptor. Um caminho importante e nÃo bem explorado no sentido de melhorar o desempenho de sistemas MIMO usando diversidade espacial leva em conta a interaÃÃo entre as antenas e meio de propagaÃÃo (fÃsico). AtravÃs da compreensÃo dessas interaÃÃes, arranjos de antenas de recepÃÃo e transmissÃo podem ser projetados para melhor "casar" com o meio de propagaÃÃo, tal que a qualidade do link de comunicaÃÃo e capacidade possam ser melhoradas em um sistema MIMO. Neste trabalho, consideramos o uso de harmÃnicos esfÃricos e decomposiÃÃes tensoriais no problema de modelagem de canal MIMO e estimaÃÃo. O uso de harmÃnicos esfÃricos permite representar os padrÃes de radiaÃÃo de antenas em termos de coeficientes de uma expansÃo, assim desacoplando as respostas dos arranjos de antenas (transmissoras e receptoras) do meio de propagaÃÃo fÃsica. Traduzindo modelos simples de canais baseados em propagaÃÃo, com informaÃÃes de polarizaÃÃo, para o domÃnio dos harmÃnicos esfÃricos, estudamos como os parÃmetros de propagaÃÃo si e configuraÃÃes especÃficas de antenas afetam o desempenho do sistema MIMO em termos de capacidade e de correlaÃÃo. A segunda parte deste trabalho aborda o problema de estimar canais direcionais MIMO no domÃnio dos harmÃnicos esfÃricos usando decomposiÃÃes por tensores. Considerando tanto cenos de espalhamento simples e de duplo espalhamento, fazemos uso das decomposiÃÃes PARAFAC e PARATUCK2, respectivamente, para estimar os modos esfÃricos propagantes, a partir das quais as direÃÃes de chegada (DoA) e as direÃÃes de saÃda (DoD) podem ser extraÃdas. Finalmente, propomos e comparamos dois mÃtodos de otimizaÃÃo dos coeficientes da expansÃo em harmÃnicos esfÃricos de arranjos de antenas para respostas de canais MIMO prÃ-especificados .