This thesis considers the use of the tone reservation (TR) technique in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. The nonlinear distortion is usually introduces by the high power amplifiers (HPA) used in wireless communications systems. It orders to reduce the inter-modulation distortion (IMD) in OFDM systems. In addition to the original peak-to-average power ratio (PAPR)-reduction criterion, we propose signal-to-distortion plus noise power ratio (SDNR) criterion and distortion power plus inverse of signal power (DIS) criterion. Based on these criteria, the cross-entropy (CE) algorithm is introduced to determine desired values of the peak reduction carriers (PRCs) to improve the bit error rate (BER) of nonlinearly distorted. Computational complexity is always the major concern of PAPR technique. Therefore, the real-valued PRCs and the modified transform decomposition (MTD) method are introduced here to dramatically decrease complexity of inverse fast Fourier transform (IFFT) operation with slightly performance loss. The simulation results show that the proposed criteria provide a better BER performance and a lower computational complexity.

One of the challenges of distributed cooperative orthogonal frequency division multiplexing systems is that the multiple carrier frequency offsets (CFOs) simultaneously present at the receiver. According to our knowledge up to now, even the CFOs are known at the receiver, the way to perfectly eliminate the effect of CFOs is still an open problem. This thesis proposes a scheme to mitigate the effect due to multiple CFOs by using the concept of intercarrier interference self-cancellation in transitional OFDM systems, a scheme where the data are simultaneously modulated on symmetric subcarriers between two transmit antennas. Before processing FFT, two values related to CFOs are used to adjust the time-domain signal resulting in better signal-to-interference ratio in even and odd subcarriers respectively. After that, the data are combined by applying maximum ratio combining and then decoded. Simulation results are given to demonstrate the effectiveness of the proposed scheme as compared to previous scheme.

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system is the standard of next generation mobile communication, one of the major drawbacks of OFDM systems is the peak-to-average power ratio (PAPR). In this paper, we proposed a low complexity Selected mapping (SLM) scheme to reduce PAPR. In [27], Wang proposed a low complexity SLM scheme by utilizing conversion vectors having the form of a perfect sequence to solve the problem that phase rotation vectors of the conversion vectors do not usually have an equal magnitude in frequency domain. This paper proposed a low complexity SLM scheme based on perfect sequence and consider the symbol interleaving to reduce the correlation between signals in time domain. It is shown that the (Complementary Cumulative Distribution Function, CCDF) of our proposed scheme are closer to the traditional SLM scheme than Wang¡¦s in [27] but with additional complexity. And the computational complexity is much lower than traditional SLM.

Along with the rapidly increasing demand for high data rate communications, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has become a popular modulation in current and future communication standards. By distributing a high-speed data stream to many parallel low-rate data streams, OFDM is able to mitigate the detrimental effects of multipath fading using simple one-tap equalizers and achieve high spectral efficiency. However, the OFDM signal waveform suffers from large envelop variations, which are usually measured by the peak-to-average power ratio (PAR). In wireless transmitters, many RF components, especially the power amplifiers, are inherently nonlinear and peak power constrained. Therefore, low power efficiency and/or severe nonlinear distortions are the main shortcomings of OFDM systems. In this dissertation, we develop algorithms and analyze performance bounds for peak power constrained wireless communications. To address the balance between power efficiency and nonlinear distortions, we model the peak power constrained OFDM systems in both statistical and deterministic manners. We first propose an error vector magnitude (EVM) optimization algorithm to strictly satisfy the distortion requirements in accordance with communication standards and provide the maximum power efficiency for OFDM transmitters without receiver-side cooperations. Moreover, we develop a multi-channel partial transmit sequence (MCPTS) PAR reduction method for OFDM-based frequency-division multiple access (OFDM-FDMA) multiuser systems, which can achieve significant power efficiency improvement without using side information. Joint MCPTS and power allocation schemes are also proposed to improve the error performance of OFDM-FDMA systems. Furthermore, diversity-enabled communication systems have practical merits in combating channel fadings. Therefore, in the second part of this dissertation, peak power constrained diversity techniques are proposed. The error performance of peak power constrained single-input multiple-output (SIMO) OFDM is studied. Several low-complexity SIMO-OFDM transceiver designs are presented to collect full antenna diversity with respective performance and complexity tradeoffs. The next major piece of work in this dissertation addresses the design of peak power constrained amplify-and-forward (AF) cooperative networks, which enable the cooperative diversity with single-antenna terminals. The effects of the availability of channel state information and the peak power constraint on the diversity performance are theoretically studied. Design criteria for general diversity-enabled AF relaying strategies are established and further applied to the designs in peak power constrained networks. In the end, a general theorem that relates the diversity gain function with the probability density function of instantaneous signal-to-noise ratio is derived and used to analyze the diversity performance of relay selection schemes.

Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) has been adopted by many broadband wireless communication systems for the simplicity of the receiver technique to support high data rates and user mobility. However, studies also show that the advantage of OFDM over the single-carrier modulation schemes could be substantially compromised by timing or frequency estimation errors at the receiver. In this thesis we investigate the synchronization problem for practical OFDM systems using a system model generalized from the IEEE 802.11 and IEEE 802.16 standards. For preamble based synchronization schemes, which are most common in the downlink of wireless communication systems, we propose a novel timing acquisition algorithm which minimizes false alarm probability and indirectly improves correct detection probability. We then introduce a universal fractional carrier frequency offset (CFO) estimator that outperforms conventional methods at low signal to noise ratio with lower complexity. More accurate timing and frequency estimates can be obtained by our proposed frequency-domain algorithms incorporating channel knowledge. We derive four joint frequency, timing, and channel estimators with different approximations, and then propose a hybrid integer CFO estimation scheme to provide flexible performance and complexity tradeoffs. When the exact channel delay profile is unknown at the receiver, we present a successive timing estimation algorithm to solve the timing ambiguity. Both analytical and simulation results are presented to confirm the performance of the proposed methods in various realistic channel conditions. The ranging based synchronization scheme is most commonly used in the uplink of wireless communication systems. Here we propose a successive multiuser detection algorithm to mitigate multiple access interference and achieve better performance than that of conventional single-user based methods. A reduced-complexity version of the successive algorithm feasible for hardware real-time implementation is also presented in the thesis. To better understand the performance of a ranging detector from a system point of view, we develop a technique that can directly translate a detector�s missed detection probability into the maximum number of users that the method can support in one cell with a given number of ranging opportunities. The analytical results match the simulations reasonably well and show that the proposed successive algorithms allow a base station to serve more than double the number of users supported by the conventional methods. Finally, we investigate inter-carrier interference which is caused by the timevarying communication channels. We derive the bounds on the power of residual inter-carrier interference that cannot be mitigated by a frequency-domain equalizer with a given number of taps. We also propose a Turbo equalization scheme using the novel grouped Particle filter, which approaches the performance of the Maximum A Posterior algorithm with much lower complexity.

Thesis (Ph.D.)--University of Melbourne, Dept. of Electrical and Electronic Engineering, 2007. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 143-154).

Thesis (M.Eng.(Electronic Engineering))--University of Pretoria, 2008. / Summaries in Afrikaans and English. Includes bibliographical references (leaves [92]-99).

Thesis (M.App.Sc.) - Carleton University, 2007. / Includes bibliographical references (p. 131-134). Also available in electronic format on the Internet.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της τεχνικής μετάδοσης OFDM. Η τεχνική OFDM είναι πια μια ώριμη τεχνολογία με αποδεδειγμένη ικανότητα να προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων με ιδιαίτερα μεγάλη αποτελεσματικότητα ακόμα και σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης. Αυτό αντικατοπτρίζεται και από την πολύ μεγάλη διείσδυσή της στην αγορά με ενσωμάτωσή της σε πολλά εμπορικά προϊόντα. Όμως οι σύγχρονες ανάγκες επικοινωνιών επιτάσσουν ακόμα πιο μεγάλη αποτελεσματικότητα στην μετάδοση δεδομένων και πλέον συστήματα και λύσεις που προτάθηκαν πριν 2 με 3 χρόνια θεωρούνται αναποτελεσματικά. Κύριο σημείο για την αύξηση της αποτελεσματικότητας αποτελεί η δυνατότητα προσαρμογής του συστήματος στις συνθήκες μετάδοσης. Οι συνθήκες μετάδοσης χαρακτηρίζονται κυρίως από το ασύρματο κανάλι. Για να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να εκτιμά τα κύρια χαρακτηριστικά του ασύρματου καναλιού και στην συνέχεια να προσαρμόζει ανάλογα τα χαρακτηριστικά μετάδοσης. Ένα τέτοιο προσαρμοστικό σύστημα έχει σημαντικό πλεονέκτημα απέναντι σε ένα μη προσαρμοστικό σύστημα το οποίο αντιμετωπίζει την κάθε περίπτωση με έναν ενιαίο μη βέλτιστο τρόπο. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο συναντάται σε όλα τα συστήματα και στο OFDM, είναι η διαφορά της απόδοσης των αλγορίθμων ανάμεσα στην εξομοίωση τους σε λογισμικό και στην υλοποίηση τους σε υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει τρεις στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι να μελετηθεί το κανάλι μετάδοσης και να διερευνηθούν τα κύρια χαρακτηριστικά του. Η εκτίμηση των χαρακτηριστικών αυτών θα αποτελέσει την προσεγγιστική εκτίμηση καναλιού. Στην συνέχεια το σύστημα βασιζόμενο σε αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορεί να προσαρμοστεί κάθε φορά με τον βέλτιστο τρόπο. Αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι να αποφασιστεί ότι οι συντελεστές που περιγράφουν προσεγγιστικά το κανάλι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο, η συχνότητα Doppler, η εξάπλωση καθυστέρησης και ο συντελεστής Κ του καναλιού Ricean και να αναπτυχθούν αλγόριθμοι εκτίμησης για κάθε έναν. Μέσω των προτεινόμενων αλγορίθμων το σύστημα θα μπορεί να εκτιμήσει τις συνθήκες μετάδοσης και να προσαρμοστεί κατάλληλα. Ο δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της ακριβούς εκτίμησης καναλιού και η ενίσχυση της απόδοσης του συστήματος μέσω αυτής. Για την μελέτη αυτή επιλέχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι προσέγγισής της. Η πρώτη προσέγγιση ασχολείται με την λεπτομερή εκτίμηση χαρακτηριστικών του καναλιού όπως ο αριθμός των διαδρομών του και η χρονική τοποθέτησή τους. Στην συνέχεια αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των συντελεστών του καναλιού. Η δεύτερη προσέγγιση ασχολείται με την εκτίμηση καναλιού με την χρήση τεχνικών παρεμβολής. Η μελέτη των τεχνικών παρεμβολής οδήγησε στον προσδιορισμό των βασικών προβλημάτων τους και στην πρόταση νέων τεχνικών εκτίμησης καναλιού. Αρχικά προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης μέσω αντικατάστασης των εικονικών υποφορέων του συστήματος με πιλότους. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μια νέα μαθηματική ανάλυση η οποία προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά της απόδοσής του. Τέλος η απόδοση της εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες. Στην συνέχεια προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης καναλιού μέσω παρεμβολής η οποία χρησιμοποιεί παραπάνω από ένα σύμβολα OFDM για την εκτίμηση του καναλιού. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μία νέα μαθηματική ανάλυση η οποία εμπεριέχει την επίδραση της χρονικής μεταβολής του καναλιού στην απόδοση του συστήματος. Η απόδοση και αυτής της μεθόδου εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε δύσκολες συνθήκες. Τέλος ο τρίτος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας υλοποίησης και βελτιστοποίησης των προτεινόμενων αλγορίθμων εκτίμησης ρεαλιστικά συστήματα υλικού. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η υλοποίηση μέρους των προηγούμενων προτεινόμενων αλγορίθμων σε ένα σύστημα ψηφιακής επεξεργασίας, το οποίο είναι πολύ κοντά στο να θεωρείται μια ρεαλιστική υλοποίηση. Έτσι είναι εφικτή η μελέτη των επιλογών της υλοποίησης και των συμβιβασμών της για την βέλτιστη απόδοση του συστήματος. / This dissertation deals with the study of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission. OFDM is a mature technology with a proven ability to offer high data transmission rates with particularly big effectiveness even in difficult transmission environments. This is also reflected by its very big infiltration in the market with its incorporation in a lot of commercial products. However the modern needs of communications ordain even bigger effectiveness in data transmission and henceforth systems and solutions that have been proposed 2 or 3 years before are considered ineffective. Main point for the achievement of increase in the effectiveness of the system constitutes the ability of adaptation of the system in the transmission conditions. The transmission conditions are mainly characterized by the wireless channel. In order to achieve the highest effectiveness the system must be able to estimate the channel characteristics and to adjust its transmission characteristics accordingly. Such an adaptive system has a significant advantage compared to a non adaptive system which faces each case with a uniform and not optimal way. Another important problem that all communication systems face, including OFDM, is the difference in the performance of an algorithm between its software simulation and it hardware implementation. The present dissertation has three objectives. The first objective is to study the transmission channel and investigate its main characteristics. The estimation of these characteristics will constitute the coarse channel estimation. Then the system will be able to adapt itself optimally. The result of this study is to decide that the factors that coarsely describe the channel are the signal to noise ratio, the Doppler frequency, delay spread and the Ricean channel K factor. Then new algorithms were developed to estimate each one of these factors. Through the proposed algorithms the system will be able to estimate the transmission conditions and be adapted suitably. The second objective of this dissertation is to study the exact channel estimation and the way that the system performance can be enhanced through it. For this study two different approaches were selected. The first approach deals with the detailed estimation of the channel characteristics such as the number of the paths and their placement in time. Then these elements are used to get the channel estimation coefficients. The second approach deals with the channel estimation through interpolation. The study of interpolation methods led to the determination of their basic problems and the proposal of new channel estimation techniques. Firstly a novel channel estimation is proposed through the replacement of virtual subcarriers with pilots. For this method a novel mathematic analysis is given that determines its performance characteristics. Finally its performance is examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Then another novel channel estimation method through interpolation is proposed that uses more than one OFDM symbol to estimate the channel. For this novel method a novel mathematic analysis is given which includes the effect of the time variant channel. The performance of this method is also examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Finally the third objective is to study the implementation and optimization process of the proposed estimation algorithms in realistic hardware systems. For this it was selected to implement a part of the previously proposed algorithms in a digital signal processing system that is very close to be considered a realistic implementation. This way it is feasible to study the implementation choices that have to be made and the trade offs for the optimum performance of the system.

H επιστήμη των τηλεπικοινωνιών τα τελευταία χρόνια έχει κάνει μεγάλα τεχνολογικά άλματα, σε σύγκριση με τις προηγούμενες δεκαετίες. Το ασύρματο κανάλι επικοινωνίας συχνά θεωρείται ο αδύναμος κρίκος της τηλεπικοινωνιακής αλυσίδας. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το πρόβλημα του διαμοιρασμού των διαθέσιμων πόρων ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνίας στους χρήστες μέσα στην περιοχή μιας κυψέλης. Γίνεται η υπόθεση ότι το ασύρματο σύστημα κάνει χρήση της τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης (multiple–access technique) OFDMA, δηλαδή ότι χρησιμοποιεί έναν αριθμό ορθογώνιων υποφορέων τον οποίο αναθέτει στους χρήστες για τη μετάδοση της πληροφορίας. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Θεωρούμε ότι ο σταθμός βάσης έχει στη διάθεσή του τέλεια γνώση του καναλιού που τον συνδέει με κάθε χρήστη (channel state information – CSI) μέσω καναλιών ανάδρασης. Η πληροφορία κατάστασης του καναλιού χρησιμοποιείται από τον σταθμό βάσης για την κατανομή των πόρων προς τους χρήστες με δυναμικό τρόπο με χρήση κατάλληλων αλγορίθμων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. / The telecommunications science the last years has made big technological vaults, compared to the previous decades. Wireless communication channel is often considered as the weakest link of telecommunications' chain. In this diploma thesis, the downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The multiple–access technique that is used in this system is OFDMA and the objective is the allocation of the resources among users that access the system. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. It is assumed that users estimate and feedback perfectly the channel state information (CSI) to the base station of the cell, where subcarrier and power allocation are determined according to the CSI of the users and the resource–allocation algorithm. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective.