Yes / A quasi-orthogonal space time block coding (QO-STBC) scheme that exploits Hadamard matrix properties is studied and evaluated. At first, an analytical solution is derived as an extension of some earlier proposed QO-STBC scheme based on Hadamard matrices, called diagonalized Hadamard space-time block coding (DHSBTC). It explores the ability of Hadamard matrices that can translate into amplitude gains for a multi-antenna system, such as the QO-STBC system, to eliminate some off-diagonal (interference) terms that limit the system performance towards full diversity. This property is used in diagonalizing the decoding matrix of the QOSTBC system without such interfering elements. Results obtained quite agree with the analytical solution and also reflect the full diversity advantage of the proposed QO-STBC system design scheme. Secondly, the study is extended over an interference-free QO-STBC multi-antenna scheme, which does not include the interfering terms in the decoding matrix. Then, following the Hadamard matrix property advantages, the gain obtained (for example, in 4x1 QO-STBC scheme) in this study showed 4-times louder amplitude (gain) than the interference-free QOSTBC and much louder than earlier DHSTBC for which the new approach is compared with.

Yes / The need to achieve high data rates in modern telecommunication systems, such as 5G standard, motivates the study and development of large antenna and multiple-input multiple-output (MIMO) systems. This study introduces a large antenna-order design of MIMO quasi-orthogonal space-time block code (QO-STBC) system that achieves better signal-to-noise ratio (SNR) and bit-error ratio (BER) performances than the conventional QO-STBCs with the potential for massive MIMO (mMIMO) configurations. Although some earlier MIMO standards were built on orthogonal space-time block codes (O-STBCs), which are limited to two transmit antennas and data rates, the need for higher data rates motivates the exploration of higher antenna configurations using different QO-STBC schemes. The standard QO-STBC offers a higher number of antennas than the O-STBC with the full spatial rate. Unfortunately, also, the standard QO-STBCs are not able to achieve full diversity due to self-interference within their detection matrices; this diminishes the BER performance of the QO-STBC scheme. The detection also involves nonlinear processing, which further complicates the system. To solve these problems, we propose a linear processing design technique (which eliminates the system complexity) for constructing interference-free QO-STBCs and that also achieves full diversity using Hadamard modal matrices with the potential for mMIMO design. Since the modal matrices that orthogonalize QO-STBC are not sparse, our proposal also supports O-STBCs with a well-behaved peak-to-average power ratio (PAPR) and better BER. The results of the proposed QO-STBC outperform other full diversity techniques including Givens-rotation and the eigenvalue decomposition (EVD) techniques by 15 dB for both MIMO and multiple-input single-output (MISO) antenna configurations at 10−3 BER. The proposed interference-free QO-STBC is also implemented for 16×NR and 32×NR MIMO systems, where NR≤2. We demonstrate 8 x 16 and 32 transmit antenna-enabled MIMO systems with the potential for mMIMO design applications with attractive BER and PAPR performance characteristics.

Au cours des 15 dernières années, des progrès spectaculaires dans l'analyse et la conception des codes définis par des graphes bipartites et décodables par des algorithmes itératifs ont permis le développement de systèmes de correction d'erreurs, avec des performances de plus en plus proches la limite théorique de Shannon. Dans ce contexte, un rôle déterminant a été joué par la famille des codes à matrice de parité creuse, appelés codes LDPC (pour " Low-Density Parity-Check ", en anglais), introduit par Gallager au début des années 60 et décrits plus tard en termes de graphes bipartites. Négligés pendant de longues années, ces codes ont été redécouverts à la fin des années 90, après que la puissance du décodage itératif a été mise en évidence grâce à l'invention des Turbo-codes. Ce n'est qu'au début des années 2000 que les techniques nécessaires à l'analyse et l'optimisation des codes LDPC ont été développées, techniques qui ont permis ensuite la construction des codes avec des performances asymptotiques proches de la limite de Shannon. Cette remarquable avancée a motivé l'intérêt croissant de la communauté scientifique et soutenu le transfert rapide de cette technologie vers le secteur industriel. Plus récemment, un intérêt tout particulier a été porté aux codes LDPC définis sur des alphabets non-binaires, grâce notamment à leur meilleure capacité de correction en " longueur finie ". Bien que Gallager ait déjà proposé l'utilisation des alphabets non-binaires, en utilisant l'arithmétique modulaire, les codes LDPC non-binaires définis sur les corps finis n'ont étés étudiés qu'à partir de la fin des années 90. Il a été montré que ces codes offrent de meilleures performances que leurs équivalents binaires lorsque le bloc codé est de longueur faible à modérée, ou lorsque les symboles transmis sur le canal sont eux-mêmes des symboles non- binaires, comme par exemple dans le cas des modulations d'ordre supérieur ou des canaux à antennes multiples. Cependant, ce gain en performance implique un coût non négligeable en termes de complexité de décodage, qui peut entraver l'utilisation des codes LDPC non binaires dans des systèmes réels, surtout lorsque le prix à payer en complexité est plus important que le gain en performance. Cette thèse traite de l'analyse et de la conception des codes LDPC non binaires pour des canaux à évanouissements. L'objectif principal de la thèse est de démontrer que, outre le gain en performance en termes de capacité de correction, l'emploi des codes LDPC non binaires peut apporter des bénéfices supplémentaires, qui peuvent compenser l'augmentation de la complexité du décodeur. La " flexibilité " et la " diversité " représentent les deux bénéfices qui seront démontrées dans cette thèse. La " flexibilité " est la capacité d'un système de codage de pouvoir s'adapter à des débits (rendements) variables tout en utilisant le même encodeur et le même décodeur. La " diversité " se rapporte à sa capacité d'exploiter pleinement l'hétérogénéité du canal de communication. La première contribution de cette thèse consiste à développer une méthode d'approximation de l'évolution de densité des codes LDPC non-binaires, basée sur la simulation Monte-Carlo d'un code " infini ". Nous montrons que la méthode proposée fournit des estimations très fines des performances asymptotiques des codes LDPC non-binaires et rend possible l'optimisation de ces codes pour une large gamme d'applications et de modèles de canaux. La deuxième contribution de la thèse porte sur l'analyse et la conception de système de codage flexible, utilisant des techniques de poinçonnage. Nous montrons que les codes LDPC non binaires sont plus robustes au poinçonnage que les codes binaires, grâce au fait que les symboles non-binaires peuvent être partialement poinçonnés. Pour les codes réguliers, nous montrons que le poinçonnage des codes non-binaires obéit à des règles différentes, selon que l'on poinçonne des symboles de degré 2 ou des symboles de degré plus élevé. Pour les codes irréguliers, nous proposons une procédure d'optimisation de la " distribution de poinçonnage ", qui spécifie la fraction de bits poinçonnés par symbole non-binaire, en fonction du degré du symbole. Nous présentons ensuite des distributions de poinçonnage optimisées pour les codes LDPC non binaires, avec des performances à seulement 0,2 - 0,5 dB de la capacité, pour des rendements poinçonnés variant de 0,5 à 0,9. La troisième contribution de la thèse concerne les codes LDPC non binaires transmis sur un canal de Rayleigh à évanouissements rapides, pour lequel chaque symbole modulé est affecté par un coefficient d'évanouissement différent. Dans le cas d'une correspondance biunivoque entre les symboles codés et les symboles modulés (c.-à-d. lorsque le code est définit sur un corps fini de même cardinalité que la constellation utilisée), certains symboles codés peuvent être complètement noyés dans le bruit, dû aux évanouissements profonds du canal. Afin d'éviter ce phénomène, nous utilisons un module d'entrelacement au niveau bit, placé entre l'encodeur et le modulateur. Au récepteur, le module de désentrelacement apporte de la diversité binaire en entrée du décodeur, en atténuant les effets des différents coefficients de fading. Nous proposons un algorithme d'entrelacement optimisé, inspirée de l'algorithme " Progressive Edge-Growth " (PEG). Ainsi, le graphe bipartite du code est élargi par un nouvel ensemble de nœuds représentant les symboles modulés, et l'algorithme proposé établit des connections entre les nœuds représentant les symboles modulés et ceux représentant les symboles codés, de manière à obtenir un graphe élargi de maille maximale. Nous montrons que l'entrelaceur optimisé permet d'obtenir un gain de performance par rapport à un entrelaceur aléatoire, aussi bien en termes de capacité de correction que de détection d'erreurs. Enfin, la quatrième contribution de la thèse consiste en un schéma de codage flexible, permettant d'atteindre la diversité maximale d'un canal à évanouissements par blocs. La particularité de notre approche est d'utiliser des codes Root-LDPC non binaires couplés avec des codes multiplicatifs non binaires, de manière à ce que le rendement de codage puisse facilement s'adapter au nombre de blocs d'évanouissement. Au niveau du récepteur, une simple technique de combinaison de diversité est utilisée en entrée du décodeur. Comme conséquence, la complexité du décodage reste inchangée quel que soit le nombre de blocs d'évanouissement et le rendement du code utilisé, tandis que la technique proposée apporte un réel bénéfice en termes de capacité de correction.

<p>In this thesis, a MISO wireless communication system having even transmitter antennas and a single receiver antenna is considered, where neither the transmitter nor the receiver knows channel state information. Particularly when the number of transmitter antennas is two, a novel concept called a uniquely factorable constellation pair (UFCP) is first proposed for the systematic design of a noncoherent full diversity collaborative unitary space-time block code by normalizing two Alamouti codes. It is proved that such a unitary UFCP code assures the unique identification of both channel coefficients and transmitted signals in a noise-free case as well as full diversity for the noncoherent maximum likelihood (ML) receiver in a noise case. To further improve error performance, an optimal unitary UFCP code is designed by appropriately and uniquely factorizing a pair of energy-efficient cross quadrature amplitude modulation (QAM) constellations to maximize the coding gain subject to a transmission bit rate constraint. After a deep investigation of the fractional coding gain function, a technical approach developed in this thesis to maximizing the coding gain is to carefully design an energy scale to compress the first three largest energy points in the corner of the QAM constellations in the denominator of the objective as well as carefully design a constellation triple forming two UFCPs, with one collaborating with the other two so as to make the accumulated minimum Euclidean distance along the two transmitter antennas in the numerator of the objective as large as possible and at the same time, to avoid as many corner points of the QAM constellations with the largest energy as possible to achieve the minimum of the numerator. In other words, the optimal coding gain is attained by intelligent constellations collaboration and efficient energy compression. Another contribution of this thesis is to generalize the design for the two transmitter antennas into that of the noncoherent system with any even number of transmitter antennas. Using the Alamouti coding scheme and the Toeplitz matrix structure, a novel noncoherent nonunitary space-time block code, which is called an Alamoutibased Toeplitz space-time block code, is proposed. By the fundamentals of Galois theory and algebraic number theory, two important properties on the two Alamouti codes generated from a pair of coprime phase shift keying (PSK) constellations, i.e., the uniqueness of factorization itself and the shift-invariant uniqueness of factorization, are first revealed and rigorously proved. Then, it is further shown that it is these two kinds of the unique factorizations that enable the unique blind identification of both the channel coefficients and the transmitted signals by only processing two block received signals as well as noncoherent full diversity with a generalized likelihood ratio test (GLRT) receiver. In addition, a full diversity unitary code design is also proposed by simply applying the QR decomposition to the full diversity nonunitary Alamoutibased Toeplitz space-time block code. Computer simulations demonstrate that error performance of both optimal unitary UFCP code and Alamouti-based Toeplitz code presented in this thesis outperform those of the differential code and the SNR-efficient training code, which is the best code in current literatures for the system.</p> / Master of Applied Science (MASc)

No / A new approach for implementing QO-STBC and DHSTBC over OFDM for four, eight and sixteen transmitter antennas is presented, which eliminates interference from the detection matrix and improves performance by increasing the diversity order on the transmitter side. The proposed code promotes diversity gain in comparison with the STBC scheme, and also reduces Inter Symbol Interference.

Since the mid 1990’s, the wireless communications industry has witnessed explosive growth. The worldwide cellular and personal communication subscriber base surpassed 600 million users by late 2001, and the number of individual subscribers surpassed 2 billion at the end of 2006 [1, 2]. In order to attract and accommodate these subscribers, modern communication systems, like the Third Generation (3G) and Fourth Generation (4G) cellular networks, will have to provide attractive new features such as increased data throughput rates, greater system capacity, and better speech quality. These modern communication systems promise to have advantages such as wireless access in ways that have never been possible before, providing, amongst others services such as live television (TV) broadcasting to Mobile Stations (MS)s, multi-megabit Internet access, communication using Voice over Internet Protocol (VoIP), unparalleled network capacity, seamless accessibility and many more. With specific, but not exclusive reference to the cellular environment, there are numerous ways to increase the data throughput rate and system capacity. From an economical perspective, it would be more efficient to add equipment to the Base Station (BS) rather than the MSs. To achieve these improvements the motivation to utilise transmit diversity’s capabilities have been identified as a key research issue in this study. Alamouti [3] proposed a transmit diversity technique using two transmit antennas and one receive antenna, providing the same diversity order than using one transmit antenna and two receive antennas. Since Alamouti’s publication in 1998, many papers in the field of Space-Time (ST) coding have been published. Current research in the field of ST coding consists of finding methods to extend the number of transmit antennas to more than four, while still achieving full rate, as well as full diversity which is the main motivation for this study. This study proposes a novel idea of breaching the limitations with ST coding theory by combining ST coding with Spread Spectrum (SS) modulation techniques in order to extend the number of transmit antennas to more than four and still achieve full rate as well as full diversity. An advantage of the proposed scheme, called Direct Sequence Space-Time Spreading (DSSTS) has over current Space-Time Spreading (STS) techniques is that it uses 50% less spreading codes. A performance evaluation platform for the DSSTS scheme was developed to simulate the performance of the scheme in a realistic mobile communication environment. A mobile communication channel that has the ability to simulate time-varying multipath fading was developed and used to evaluate the performance of the DSSTS scheme. From the simulation results obtained, it is evident that Walsh sequences that exhibit particularly good cross-correlation characteristics, cannot overcome the effect of the antenna self-noise in order to exploit the diversity gain by adding extra antennas, i.e. diversity extension. The research also showed that an optimal trade-off exists between antenna diversity and antenna created self-noise. Performance results of the DSSTS scheme in slow and fast fading channels for a different number of transmit antennas are also presented in this study. With the capacity analysis of the DSSTS scheme, it was shown that the addition of extra transmit antennas to the system indeed increased the system capacity. A further addition to this study is the investigation into the assumption that the channel should be quasi-static over the frame length of the ST code. A Space Sequence Transmit Diversity (SSTD) technique is consequently proposed that allows the transmission of the Alamouti symbols during one time interval instead of two. This relieves the ST code from the assumption that the channel should be quasi-static, allowing it to be used in a more realistic multi-user environment. A performance evaluation platform for the SSTD scheme was developed and used to obtain simulation results in a multipath fading channel. It was also shown that the proposed SSTD scheme is successful in combating the effects of multipath fading for small Code Division Multiple Access (CDMA) user loads. However, as a rule of thumb, the square root of the spreading sequence length divided by two depicts the user load at which the SSTD scheme was not capable of overcoming the combined effects of Multi-User Interference (MUI) and multipath fading. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2008. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et à la conception pratique de schémas de codage conjoint réseau/canal adaptés à différents scénarii de communications dans les réseaux sans fil. Contrairement aux hypothèses conventionnelles retenues dans la littérature (accès multiple orthogonal, absence d'erreurs sur certains liens), les caractéristiques de diffusion et de superposition des signaux propres au canal radio et la présence d'évanouissements lents et de bruit sur tous les liens sont prises en compte dans la formulation du problème et exploitées. Différentes stratégies de coopération au niveau du ou des relais sont examinées et comparées. Le point commun entre toutes ces stratégies est que le système doit fonctionner même en absence de coopération. Seuls le ou les relais et la destination sont informés d'une coopération. Ni les sources, ni le ou les relais ne connaissent l'état du canal à l'émission.
Le premier volet de la thèse porte sur le canal à accès multiple avec relais unique (slow fading MARC). Le problème du codage et décodage conjoint canal/réseau (JNCC/JNCD) est étudié sur un plan théorique et pratique. Différentes hypothèses au niveau de l'accès multiple (semi-orthogonal et non-orthogonal) et différents modes de fonctionnement du relais (half-duplex et full-duplex) sont envisagés. Une nouvelle stratégie de coopération adaptative (SDF pour selective decode and forward) est définie dans laquelle le relais calcule et retransmet une fonction déterministe des messages de sources qu'il a pu décoder sans erreur. Le ré-encodage, défini sur un corps fini (corps binaire), est également conçu de manière à assurer que la performance finale au niveau de la destination atteint bien un ordre de diversité 2.
Le modèle de canal MARC est par la suite étendu à plusieurs relais (slow fading MAMRC). Une analyse théorique est conduite et des nouveaux schémas JNCC/JNCD permettant de s'approcher des limites théoriques sont décrits. Afin d'assurer la diversité pleine, nous proposons de combiner un codage canal binaire et un codage réseau non-binaire.
Pour les deux types de canaux, nous montrons que l'interférence naturellement induite par la diffusion des signaux dans un environnement sans fil, n'est pas un inconvénient mais bien un avantage dès lors qu'on est en mesure de la traiter via des techniques de codage et de décodage sophistiquées (turbo codes et leur décodage, turbo détection). Les gains en termes de capacité (rapportée à une certaine probabilité de coupure) obtenus avec un accès multiple semi-orthogonal ou non-orthogonal sont substantiels comparés à un accès multiple orthogonal (référence).
Dans la dernière partie de la thèse, la stratégie de coopération SDF est comparée à deux autres stratégies de coopération s'appuyant sur un procédé de décodage-et-retransmission "souple" (sans prise de décisions intermédiaires) : l'une basée sur les rapports logarithmiques de probabilité a posteriori sur les bits codés et l'autre basée sur l'estimation de l'erreur quadratique moyenne (MSE). Nous vérifions que la stratégie de coopération SDF fonctionne bien dans la plupart des configurations, les stratégies de coopération souples n'améliorant légèrement les performances que dans certains cas extrêmes. / With the rapid growth of wireless technologies, devices and mobile applications, the quest of high throughput and ubiquitous connectivity in wireless communications increases rapidly as well. Relaying is undoubtedly a key concept to provide coverage extension and capacity increase in wireless networks. Network coding, which allows the intermediate nodes to share their computation capabilities in addition to their resource and their power, has grabbed a significant research attention since its inception in information theory. It has become an attractive candidate to bring promising performance improvement, especially in terms of throughput, in relay-based cellular networks. Substantial research efforts are currently focused on theoretical analysis, implementation and evaluation of network coding from a physical layer perspective. The question is, what is the most efficient and practical way to use network coding in wireless relay-based networks, and whether it is beneficial to exploit the broadcast and multiple-access properties of the wireless medium to perform network coding. It is in such a context, that this thesis proceeds. In the first part of the thesis, the problem of Joint Network-Channel Coding (JNCC) for a Multiple Access Relay Channel (MARC) is investigated in the presence of multiple access interferences and for both of the relay operating modes, namely, half-duplex and full-duplex. To this end, three new classes of MARC, referred to as Half-Duplex Semi-Orthogonal MARC (HD-SOMARC), Half-Duplex Non-Orthogonal MARC (HD-NOMARC), and Full-Duplex Non-Orthogonal MARC (FD-NOMARC) have been introduced and studied. The relaying function in all of the classes is based on a Selective Decode-and-Forward (SDF) strategy, which is individually implemented for each source, i.e, the relay forwards only a deterministic function of the error-free decoded messages. For each class, an information-theoretic analysis is conducted, and practical coding and decoding techniques are proposed. The proposed coding schemes, perform very close to the outage limit for both cases of HD-SOMARC and HD-NOMARC. Besides, in the case of HD-NOMARC, the optimal allocation of the transmission time to the relay is considered. It is also verified that exploiting multiple access interferences, either partially or totally, results in considerable gains for MARC compared to the existing interference-avoiding structures, even in the case of single receive antenna. In the second part of the thesis, the network model is extended by considering multiple relays which help multiple sources to communicate with a destination. A new class of Multiple Access Multiple Relay Channel (MAMRC), referred to as Half-Duplex Semi-Orthogonal MAMRC (HD-SOMAMRC) is then proposed and analyzed from both information theoretic and code design perspective. New practical JNCC schemes are proposed, in which binary channel coding and non binary network coding are combined, and they are shown to perform very close to the outage limit. Moreover, the optimal allocation of the transmission time to the sources and relays is considered. Finally, in the third part of the thesis, different ways of implementing cooperation, including practical relaying protocols are investigated for the half-duplex MARC with semi-orthogonal transmission protocol and in the case of JNCC. The hard SDF approach is compared with two Soft Decode and Forward (SoDF) relaying functions: one based on log a posterior probability ratios (LAPPRs) and the other based on Mean Square Error (MSE) estimate. It is then shown that SDF works well in most of the configurations and just in some extreme cases, soft relaying functions (based on LAPPR or MSE estimate) can slightly outperform the hard selective one.