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.

International Telemetering Conference Proceedings / October 27-30, 1997 / Riviera Hotel and Convention Center, Las Vegas, Nevada / Sandia National Laboratories (SNL) currently achieves a bandwidth efficiency (h ) of 0.5 to 1.0 bps/Hz by using traditional modulation schemes, such as, BPSK and QFSK. SNL has an interest in increasing the present bandwidth efficiency by a factor of 4 or higher with the same allocated bandwidth (about 10 MHz). Simulations have shown that 32- QAM trellis-coded modulation (TCM) gives a good bit error rate (BER) performance, and meets the requirements as far as the bandwidth efficiency is concerned. Critical to achieving this is that the receiver be able to achieve timing synchronization. This paper examines a particular timing recovery algorithm for all-digital receivers. Timing synchronization in a digital receiver can be achieved in different ways. One way of achieving this is by interpolating the original sampled sequence to produce another sampled sequence synchronized to the symbol rate or a multiple of the symbol rate. An adaptive sampling conversion algorithm which performs this function was developed by Floyd Gardner in 1993. In the present work, his algorithm was applied to two different modulation schemes, BPSK and 4-ary PAM. The two schemes were simulated in the presence of AWGN and ISI along with Gardner’s algorithm for timing recovery, and a fractionally spaced equalizer (T/2 FSE) for equalization. Simulations show that the algorithm gives good BER performance for BPSK in all the situations, and at different sampling frequencies, but unfortunately poor performance for the 4-ary PAM scheme. This indicates that Gardner’s algorithm for sampling conversion is not suitable for multi-level signaling schemes.

Synchronization is a very important part of every digital communication receiver. While in bandpass coherent transmission, frequency and phase synchronization play a very important role in reliable transmission, symbol timing recovery is a necessary part of every baseband and bandpass coherent receiver. This dissertation deals with the problem of synchronization in the presence of fading and interference. First, the performance of an automatic frequency control loop is investigated using two parameters of average switching rate and mean time to loss of lock. These parameters are derived in closed-form or as integral-form formulas for different scenarios of modulated and unmodulated signals in different fading channels when there is one interference signal present at the input of the AFC. Then, the results are generalized to the noisy fading scenario and it is shown that in Rayleigh fading case, the performance of AFC becomes better when the desired signal is noisier. In the second part, the problem of symbol timing recovery is investigated in systems that are subject to intersymbol interference and non-data-aided maximum likelihood synchronizer is derived in these channels. Then, a new simple bound on the performance of synchronizers is derived and compared to the previously known lower bounds. It is shown that while this lower bound solves the shortcomings of the well known modified Cramer-Rao bound at small values of signal-to-noise-ratio, it is much easier to compute compared to another well known bound, the detection theory bound. / Communications

No description available.

No / Study is presented into the performance of Fast Fourier Transform (FFT) and Discrete Wavelet Transform (DWT) and MIMO-DWT with transmit beamforming. Feedback loop has been used between the equalizer at the transmitter to the receiver which provided the channel state information which was then used to construct a steering matrix for the transmission sequence such that the received signals at the transmitter can be combined constructively in order to provide a reliable and improved system for next generation wireless systems. As convolution in time domain equals multiplication in frequency domain no such counterpart exist for the symbols in space, means linear convolution and Intersymbol Interference (ISI) generation so both zero forcing (ZF) and minimum mean squared error (MMSE) equalizations have been employed. The results show superior performance improvement and in addition allow keeping the processing, power and implementation cost at the transmitter which has less constraints and the results also show that both equalization algorithms perform alike in wavelets and the ISI is spread equally between different wavelet domains.

Two dimensional magnetic recording (TDMR) achieves high areal densities by reducing the size of a bit comparable to the size of the magnetic grains resulting in two dimensional (2D) inter symbol interference (ISI) and very high media noise. Therefore, it is critical to handle the media noise along with the 2D ISI detection. In this paper, we tune the generalized belief propagation (GBP) algorithm to handle the media noise seen in TDMR. We also provide an intuition into the nature of hard decisions provided by the GBP algorithm. The performance of the GBP algorithm is evaluated over a Voronoi based TDMR channel model where the soft outputs from the GBP algorithm are used by a belief propagation (BP) algorithm to decode low-density parity check (LDPC) codes.

The interconnection of molecular machines with different functionalities to form molecular communication systems can increase the number of design possibilities and overcome the limited reliability of the individual molecular machines. Artificial information exchange using molecular signals would also expand the capabilities of single engineered cell populations by providing them a way to cooperate across heterogeneous cell populations for the applications of synthetic biology and lab-on-a-chip systems. The realization of molecular communication systems necessitates analysis and design of the communication channel, where the information carrying molecular signal is transported from the transmitter to the receiver. In this thesis, significant progress towards the use of microfluidic channels to interconnect molecular transmitter and receiver pairs is presented. System-theoretic analysis of the microfluidic channels are performed, and a finite-impulse response filter is designed using microfluidic channels. The spectral density of the propagation noise is studied and the additive white Gaussian noise channel model is developed. Memory due to inter-diffusion of the transmitted molecular signals is also modeled. Furthermore, the interference modeling is performed for multiple transmitters and its impact on the communication capacity is shown. Finally, the efficient sampling of the signal transduction by engineered bacterial receivers connected to a microfluidic channel is investigated for the detection of the pulse-amplitude modulated molecular signals. This work lays the foundation for molecular communication over microfluidic channels that will enable interconnection of engineered molecular machines.

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Τα ψηφιακά συστήματα UWB (Ultra Wide-Band) παρέχουν τη δυνατότητα ασύρματης μετάδοσης σε πολύ υψηλό ρυθμό. Λόγω του μεγάλου εύρους ζώνης, το κανάλι εισάγει πολλαπλές ανακλάσεις οι οποίες φέρουν μεγάλο ποσοστό της ωφέλιμης ενέργειας του μεταδιδόμενου σήματος. Η ικανότητα του δέκτη για σύλληψη όσο το δυνατόν περισσότερης ωφέλιμης ενέργειας έχει αντίκτυπο στη συνολική απόδοση του συστήματος. Η χρήση της τεχνικής διαμόρφωσης με πολύπλεξη συχνότητας ορθογωνίων φερουσών (OFDM), που στην συγκεκριμένη περίπτωση (UWB) συνδυάζεται με πολυζωνική (Multi-band) μετάδοση, απλοποιεί τη διαχείριση του συνολικού φάσματος συχνοτήτων. Όμως η διαμόρφωση OFDM παρουσιάζει ιδιαίτερη ευαισθησία σε προβλήματα τόσο διασυμβολικής παρεμβολής (ISI) όσο και διακαναλικής παρεμβολής (ICI), λόγω του έντονου διασκορπιστικού χαρακτήρα του καναλιού καθώς επίσης και τυχόν αποκλίσεων που εμφανίζονται στους ταλαντωτές πομπού-δέκτη. Τα παραπάνω επιβάλλουν τη χρήση σύνθετων αλγορίθμων συγχρονισμού και συντονισμού (time and frequency synchronization) μεταξύ πομπού και δέκτη για την ομαλή λειτουργία. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής θα πραγματοποιηθεί επιλογή κατάλληλων αλγορίθμων για τα προαναφερθέντα προβλήματα, οι οποίοι θα πρέπει να πληρούν τις προδιαγραφές του υπό διαμόρφωση διεθνούς προτύπου 802.15.3α και θα αναπτυχθούν βέλτιστες αρχιτεκτονικές VLSI, με στόχο τόσο το χαμηλό κόστος υλοποίησης όσο και την χαμηλή κατανάλωση ισχύος. / In this project have been studied the low power VLSI architecture for synchronization algorithms in Multi-band UWB Wireless systems. The main issues are timing and frequency synchronization algorithms.

Η χωροχρονική μπλοκ κωδικοποίηση (STBC) αποτελεί μία αποδοτική και ευρέως διαδεδομένη τεχνική διαφορετικότητας μετάδοσης για την αντιμετώπιση του φαινομένου της εξασθένησης στις ασύρματες επικοινωνίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο ορθογώνιος κώδικας του σχήματος Alamouti, ο οποίος με δύο κεραίες μετάδοσης επιτυγχάνει τη μέγιστη χωρική διαφορετικότητα στο μέγιστο δυνατό ρυθμό μετάδοσης, για οποιονδήποτε (πραγματικό ή μιγαδικό) αστερισμό συμβόλων. Ωστόσο, το σχήμα Alamouti έχει σχεδιαστεί για συχνοτικά επίπεδα κανάλια. Στην παρούσα εργασία μελετούμε την εφαρμογή STBC σε κανάλια συχνοτικά επιλεκτικής εξασθένησης. Εστιάζουμε κυρίως στο συνδυασμό του σχήματος Alamouti με τεχνικές εξάλειψης της διασυμβολικής παρεμβολής, εξετάζοντας τα σχήματα OFDM-STBC, FDE-STBC και TR-STBC, που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Επιπρόσθετα των συμβατικών δεκτών, για τα δύο τελευταία σχήματα περιγράφουμε και προσαρμοστικούς δέκτες, οι οποίοι παρακολουθούν τις μεταβολές του καναλιού, χωρίς να απαιτούν την ακριβή εκτίμησή του. Η έρευνα πάνω στα προηγούμενα σχήματα οδήγησε σε ορισμένα αξιόλογα αποτελέσματα. Κατ’ αρχήν, αποδεικνύουμε ότι τα σχήματα FDE-STBC και TR-STBC είναι ισοδύναμα, μολονότι καθένα εφαρμόζει διαφορετική κωδικοποίηση στα μεταδιδόμενα δεδομένα. Επίσης, σχεδιάζουμε έναν νέο δέκτη για το σχήμα TR-STBC, τον οποίο αναπτύσσουμε και σε προσαρμοστική μορφή. Βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου δέκτη είναι ότι εκμεταλλεύεται τους κυκλικούς πίνακες συνέλιξης για τη μείωση της πολυπλοκότητας αποκωδικοποίησης. Τέλος, η απόδοση κάθε σχήματος και δέκτη αξιολογείται σε διάφορες συνθήκες εξασθένησης μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστικό περιβάλλον. / Space-time block coding (STBC) is an effective and widely used transmit diversity technique to combat multipath fading in wireless communication systems. A prominent example of STBC is the orthogonal code of Alamouti scheme, which achieves full spatial diversity at full transmission rate for two transmit antennas and any (real or complex) signal constellation. However, Alamouti scheme has been designed only for frequency-flat channels. In this thesis we study the application of STBC in frequency-selective channels. We mainly focus on combining Alamouti scheme with techniques for mitigating intersymbol interference, by studying several schemes (OFDM-STBC, FDE-STBC and TR-STBC) that have been proposed in literature. In addition to the conventional receivers, for FDE-STBC and TR-STBC we describe adaptive receivers too, which have the ability of tracking channel variations, without requiring explicit channel estimation. Research made upon the above schemes has come to some remarkable results. First, we prove that TR-STBC and FDE-STBC are equivalent, although each one encodes differently the transmitted data. Then, we design a new receiver for TR-STBC, which exploits the circulant convolution matrices, in order to reduce decoding complexity and we, also, develop an adaptive structure for the proposed receiver. At last, we evaluate the performance of all the described schemes and receivers in different fading conditions, by using computer simulations.

Τα τελευταία χρόνια χαρακτηρίζονται από μια αλματώδη ανάπτυξη των προϊόντων και υπηρεσιών που βασίζονται στα δίκτυα ασύρματης επικοινωνίας, ενώ προκύπτουν σημαντικές ερευνητικές προκλήσεις. Τα συστήματα πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στο δέκτη, γνωστά και ως συστήματα MIMO (multi-input multi-output), καθώς και η τεχνολογία πολλαπλής προσπέλασης με χρήση κωδικών (code division multiple access, CDMA) αποτελούν δύο από τα βασικά μέτωπα ανάπτυξης των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και μελέτη αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος για τα δύο παραπάνω συστήματα, όπως περιγράφεται αναλυτικά παρακάτω. Σχετικά με τα συστήματα MIMO, η πρωτοποριακή έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα Bell Labs γύρω στα 1996, όπου αναπτύχθηκε η αρχιτεκτονική BLAST (Bell Labs Layered Space-Time), απέδειξε ότι η χρήση πολλαπλών κεραιών μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι παραπάνω δυνατότητες, απαιτείται η σχεδίαση σύνθετων δεκτών MIMO. Προς αυτήν την κατεύθυνση, έχει προταθεί ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων ισοστάθμισης του καναλιού. Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές υποθέτουν ότι το ασύρματο κανάλι είναι: 1) χρονικά σταθερό, 2) συχνοτικά επίπεδο (δεν εισάγει διασυμβολική παρεμβολή), και κυρίως 3) ότι είναι γνωστό στο δέκτη. Δεδομένου ότι σε ευρυζωνικά συστήματα μονής φέρουσας οι παραπάνω υποθέσεις είναι δύσκολο να ικανοποιηθούν, στραφήκαμε προς τις προσαρμοστικές μεθόδους ισοστάθμισης. Συγκεκριμένα, αναπτύξαμε τρεις βασικούς αλγορίθμους. Ο πρώτος αλγόριθμος αποτελεί έναν προσαρμοστικό ισοσταθμιστή ανάδρασης αποφάσεων (decision feedback equalizer, DFE) για συχνοτικά επίπεδα κανάλια ΜΙΜΟ. Ο προτεινόμενος MIMO DFE ακολουθεί την αρχιτεκτονική BLAST, και ανανεώνεται με βάση τον αλγόριθμο αναδρομικών ελαχίστων τετραγώνων (RLS) τετραγωνικής ρίζας. Ο ισοσταθμιστής μπορεί να παρακολουθήσει ένα χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι, και, από όσο γνωρίζουμε, έχει τη χαμηλότερη πολυπλοκότητα από όλους τους δέκτες BLAST που έχουν προταθεί έως σήμερα. Ο δεύτερος αλγόριθμος αποτελεί την επέκταση του προηγούμενου σε συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια. Μέσω κατάλληλης μοντελοποίησης του προβλήματος ισοστάθμισης, οδηγηθήκαμε σε έναν αποδοτικό DFE για ευρυζωνικά κανάλια MIMO. Τότε, η διαδικασία της ισοστάθμισης εμφανίζει προβλήματα αριθμητικής ευστάθειας, που λόγω της υλοποίησης RLS τετραγωνικής ρίζας αντιμετωπίστηκαν επιτυχώς. Κινούμενοι προς την κατεύθυνση περαιτέρω μείωσης της πολυπλοκότητας, προτείναμε έναν προσαρμοστικό MIMO DFE που ανανεώνεται με βάση τον αλγόριθμο ελαχίστων μέσων τετραγώνων (LMS) υλοποιημένο εξ ολοκλήρου στο πεδίο της συχνότητας. Με χρήση του ταχύ μετασχηματισμού Fourier (FFT), μειώνεται η απαιτούμενη πολυπλοκότητα. Παράλληλα, η μετάβαση στο πεδίο των συχνοτήτων έχει ως αποτέλεσμα την προσεγγιστική διαγωνοποίηση του συστήματος, προσφέροντας ανεξάρτητη ανανέωση των φίλτρων ανά συχνοτική συνιστώσα και επιτάχυνση της σύγκλισης του αλγορίθμου. Ο προτεινόμενος ισοσταθμιστής πετυχαίνει μια καλή ανταλλαγή μεταξύ απόδοσης και πολυπλοκότητας. Παράλληλα με τα παραπάνω, ασχοληθήκαμε με την εκτίμηση του ασύρματου καναλιού σε ένα ασύγχρονο σύστημα CDMA. Το βασικό σενάριο είναι ότι ο σταθμός βάσης γνωρίζει ήδη τους ενεργούς χρήστες, και καλείται να εκτιμήσει τις παραμέτρους του καναλιού ανερχόμενης ζεύξης ενός νέου χρήστη που εισέρχεται στο σύστημα. Το πρόβλημα περιγράφεται από μια συνάρτηση ελαχίστων τετραγώνων, η οποία είναι γραμμική ως προς τα κέρδη του καναλιού, και μη γραμμική ως προς τις καθυστερήσεις του. Αποδείξαμε ότι το πρόβλημα έχει μια προσεγγιστικά διαχωρίσιμη μορφή, και προτείναμε μια επαναληπτική μέθοδο υπολογισμού των παραμέτρων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος δεν απαιτεί κάποια ειδική ακολουθία διάχυσης και λειτουργεί αποδοτικά ακόμη και για περιορισμένη ακολουθία εκπαίδευσης. Είναι εύρωστος στην παρεμβολή πολλαπλών χρηστών και περισσότερο ακριβής από μια υπάρχουσα μέθοδο εις βάρος μιας ασήμαντης αύξησης στην υπολογιστική πολυπλοκότητα. / Over the last decades, a dramatic progress in the products and services based on wireless communication networks has been observed, while, at the same time, new research challenges arise. The systems employing multiple antennas at the transmitter and the receiver, known as MIMO (multi-input multi-output) systems, as well as code division multiple access (CDMA) systems, are two of the main technologies employed for the evolution of wireless communications. During this PhD thesis, we worked on the design and analysis of signal processing algorithms for the two above systems, as it is described in detail next. Concerning the MIMO systems, the pioneering work performed at Bell Labs around 1996, where the BLAST (Bell Labs Layered Space-Time) architecture has been developed, proved that by using multiple antennas can lead to a significant increase in wireless systems capacity. To exploit this potential, sophisticated MIMO receivers should be designed. To this end, a large amount of channel equalizers has been proposed. However, most of these methods assume that the wireless channel is: 1) static, 2) frequency flat (no intersymbol interference is introduced), and mainly 3) it is perfectly known at the receiver. Provided that in high rate single carrier systems these assumptions are difficult to be met, we focused our attention on adaptive equalization methods. More specifically, three basic algorithms have been developed. The first algorithm is an adaptive decision feedback equalizer (DFE) for frequency flat MIMO channels. The proposed MIMO DFE implements the BLAST architecture, and it is updated by the recursive least squares (RLS) algorithm in its square root form. The new equalizer can track time varying channels, and, to the best of our knowledge, it has the lowest computational complexity among the BLAST receivers that have been proposed up to now. The second algorithm is an extension of the previous one to the frequency selective channel case. By proper modeling of the equalization problem, we arrived at an efficient DFE for wideband MIMO channels. In this case, the equalization process encounters numerical instability problems, which were successfully treated by the square root RLS implementation employed. To further reduce complexity, we proposed an adaptive MIMO DFE that is updated by the least mean square (LMS) algorithm, fully implemented in the frequency domain. By using the fast Fourier transform (FFT), the complexity required is considerably reduced. Moreover, the frequency domain implementation leads to an approximate decoupling of the equalization problem at each frequency bin. Thus, an independent update of the filters at each frequency bin allows for a faster convergence of the algorithm. The proposed equalizer offers a good performance - complexity tradeoff. Furthermore, we worked on channel estimation for an asynchronous CDMA system. The assumed scenario is that the base station has already acquired all the active users, while the uplink channel parameters of a new user entering the system should be estimated. The problem can be described via a least squares cost function, which is linear with respect to the channel gains, and non linear to its delays. We proved that the problem is approximately decoupled, and a new iterative parameter estimation method has been proposed. The suggested method does not require any specific pilot sequence and performs well even for a short training interval. It is robust to multiple access interference and more accurate compared to an existing method, at the expense of an insignificant increase in computational complexity.