Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, με βάση την ηλεκτρομαγνητική θεωρία,παρουσιάζεται μία μεθοδολογία για τη μοντελοποίηση πολύθυρων κεραιών κατά την κατάσταση εκπομπής και λήψης τους, δύο στοχαστικές μεθοδολογίες για την αξιολόγησή τους κατά τη λειτουργία τους σε συστήματα διαφορισμού λήψης και μία στοχαστική μεθοδολογία για την περίπτωση που αυτές λειτουργούν σε συστήματα πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων.Οι πολύθυρες κεραίες μοντελοποιούνται στις καταστάσεις εκπομπής και λήψης τους χρησιμοποιώντας είτε τον πίνακα διανυσμάτων ενεργών μηκών ή τον πίνακα αποτελεσματικών ενεργών μηκών. Ο πρώτος τρόπος είναι προσαρμοσμένος για ανάλυση με Ζ-παραμέτρους ενώ ο δεύτερος για ανάλυση με S-παραμέτρους.Η αξιολόγηση των πολύθυρων κεραιών κατα τη λειτουργία τους σε συστήματα διαφορισμού επιτυγχάνεται είτε με τη μέθοδο του πίνακα συνδιασποράς ή με μία υβριδική στοχαστική-ηλεκτρομαγνητική μεθοδολογία. Η πρώτη μεθοδολογία έχει χρησιμοποιηθεί αρκετά στη διεθνή βιβλιογραφία, ενώ η δεύτερη προτείνεται στην παρούσα διατριβή. Και οι δύο μέθοδοι λαμβάνουν υπόψη τους τόσο τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των κεραιών όσο και τις ιδιότητες του περιβάλλοντος διάδοσης.Η αξιολόγηση των πολύθυρων κεραιών κατα τη λειτουργία τους σε συστήματα πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μία γενική μεθοδολογία που βασίζεται σε βασικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού και κυκλωματικής ανάλυσης. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία είναι προσαρμοσμένη για ανάλυση με S- παραμέτρους αλλά μπορεί να επεκταθεί και για ανάλυση με Ζ-παραμέτρους. Παρουσιάζεται, επιπλέον, η εφαρμογή της μεθοδολογίας σε κεραίες οι οποίες έχουν κοινό κέντρο φάσης. / Ιn this thesis a method for modeling multi-port antenna structures at both their transmitting and receiving operational modes and methods for their performance evaluation when operating in diversity and MIMO systems is demonstrated under the perspective of electromagnetics combined with stochastic analysis. The method for modeling multi-port antenna structures at both their transmitting and receiving operational modes is achieved using either the effective length matrix or the realized effective length matrix. The former way is convenient for Z-parameter analysis while the latter for S-parameter analysis. Two stochastic methodologies for the performance evaluation of diversity systems are presented. The first one is based on the covariance matrix of the received signals and has been used by many researchers worldwide. The second one, which has been developed in this thesis, combines electromagnetic modeling of multi-port antennas’ the reception mode with a stochastic model. A stochastic methodology for the performance evaluation of MIMO systems is also presented. The methodology has been developed in this thesis in order to be used for Sparameter analysis. Moreover this methodology is applied to model multiport antenna systems with common phase center.

Τα ασύρματα συστήματα τέταρτης γενιάς (4G) στοχεύουν σε πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, 100 Mbps (Mega bits per second) για ταχέως κινούμενους πομποδέκτες και έως 1 Gbps για ακίνητους. Αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί με τα συστήματα Πολλαπλής Εισόδου-Πολλαπλής Εξόδου (Multiple Input-Multiple Output, MIMO) τα οποία χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στον πομπό και στο δέκτη. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής (ΔΔ) εστιάζεται στην ανάλυση και βελτιστοποίηση αυτών των συστημάτων, υπό το πρίσμα των φαινομένων της σκέδασης και των διαλείψεων μικρής κλίμακας. Το αντικείμενο μελέτης συνοψίζεται στις ακόλουθες θεματικές ενότητες: α) μοντελοποίηση των ασυρμάτων καναλιών με διαλείψεις, β) απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη, γ) αύξηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Αρχικά περιγράφεται η γενική μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού που είναι αναγκαία για την κατανόηση βασικών εννοιών για την ανάλυση που θα ακολουθήσει. Αυτό έχει ως στόχο μία σύντομη περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών ενός οποιουδήποτε ασύρματου καναλιού και να γίνουν κατανοητές κάποιες σημαντικές έννοιες που προκύπτουν και χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις ασύρματες επικοινωνίες. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται βασικές θεωρητικές γνώσεις όπου περιγράφονται τα διάφορα προβλήματα διάδοσης, δίνοντας μια σύντομη περιγραφή των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται, χωρίς να εμβαθύνουμε σε πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις. Στη συνέχεια, γίνεται προσπάθεια ακριβέστερης μοντελοποίησης, με χρήση στοχαστικών διαδικασιών, των ασύρματων μη επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών με διαλείψεις (frequency non-selective fading channels) σε περιβάλλον τρισδιάστατης ανισοτροπικής σκέδασης καναλιού Rice. Με τον όρο ανισοτροπική εννοείται ότι η λήψη των διαφόρων συνιστωσών για το αζιμούθιο επίπεδο γίνεται από κάποιους τομείς γωνιών και όχι από όλες τις κατευθύνσεις, ενώ στο επίπεδο της ανύψωσης θεωρούμε την ύπαρξη ενός τομέα άφιξης των συνιστωσών στον οποίο η ισχύς δεν κατανέμεται ομοιόμορφα αλλά βάσει μιας κατανομής. Επιπλέον λόγω της θεώρησης καναλιού Rice, συμπεριλαμβάνεται η ύπαρξη μιας δεσπόζουσας συνιστώσας με σταθερό πλάτος η οποία συνήθως προέρχεται από οπτική επαφή του πομπού με το δέκτη. Θεωρώντας συγκεκριμένες κατανομές για την άφιξη των συνιστωσών σε αυτούς τους τομείς από τη διεθνή βιβλιογραφία, εξάγεται αναλυτικά η συνάρτηση της αυτοσυσχέτισης και το φάσμα της ολίσθησης των συχνοτήτων σε αναλυτική μορφή και υπολογίζονται σημαντικά μεγέθη που εκφράζουν την ταχύτητα αυξομείωσης του σήματος και τη διάρκεια των διαλείψεων. Επιπλέον με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να καθοριστεί η απόσταση μεταξύ των κεραιών που πρέπει να τηρείται ώστε να εξασφαλίζονται οι υψηλές επιδόσεις. Σε αστικό περιβάλλον, αποδεικνύεται ότι η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των κεραιών ενός πομποδέκτη θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από ότι σε ένα υπαίθριο περιβάλλον. Στην επόμενη ενότητα επιτυγχάνεται η απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη σε περιβάλλον Nakagami (που θεωρείται από τα πιο αντιπροσωπευτικά για την περιγραφή της ασύρματης διάδοσης σε κλειστούς χώρους) με όσο το δυνατό απλούστερες μαθηματικές συναρτήσεις. Με αυτό τον τρόπο, η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων εκφράζεται συναρτήσει των φυσικών παραμέτρων του συστήματος, δηλαδή το κανάλι, τον αριθμό των κεραιών κτλ. Ήδη έχουν γίνει πολλές δημοσιεύεις σε αυτό τον τομέα για διάφορες περιπτώσεις μοντελοποίησης των καναλιών (Rayleigh, Rice κτλ) και για διάφορες τεχνικές λήψης. Όμως υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις όπου υπάρχουν κενά στη διεθνή βιβλιογραφία ή η έκφραση της χωρητικότητας δεν γίνεται με κλειστές μαθηματικές μορφές. Έτσι παρουσιάζονται αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις της εργοδικής χωρητικότητας των συστημάτων SIMO που δεν υπήρχαν έως τώρα στη διεθνή βιβλιογραφία, για διάφορες περιπτώσεις γνώσης του καναλιού. Αυτό γίνεται κάνοντας τον άμεσο παραλληλισμό των συστημάτων SIMO με τις διάφορες τεχνικές διαφορισμού. Εξετάζεται η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO το οποίο λειτουργεί σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m στο οποίο όλες οι ζεύξεις είναι ανεξάρτητες αλλά δεν είναι κατά ανάγκη όμοιες. Συγκεκριμένα εξάγονται μαθηματικές εκφράσεις κλειστού τύπου για την εργοδική χωρητικότητα συστημάτων Equal Gain Combining και Selection Combining και Switch and Stay Combining δύο κλάδων. Επιπλέον, παρουσιάζεται για πρώτη φορά, η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO στο οποίο δεν εφαρμόζεται καμία τεχνική διαφορικής λήψης και εξάγονται πολύ διδακτικά συμπεράσματα. Αυτό σημαίνει ότι ο δέκτης δεν έχει καμία πληροφορία για το κανάλι (no channel state information CSI) και απλά προσθέτει τα λαμβανόμενα σήματα από κάθε κλάδο-ζεύξη. Επιπλέον γίνεται προσπάθεια οι μαθηματικοί τύποι να είναι εύχρηστοι και υλοποιήσιμοι χωρίς την χρήση ιδιαίτερων μαθηματικών λογισμικών. Ουσιαστικά η μαθηματική έκφραση της χωρητικότητας των συστημάτων SIMO σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m, ανάγεται στην επίλυση ενός είδους ολοκληρώματος που περιέχει ταυτόχρονα τη λογαριθμική συνάρτηση, την εκθετική συνάρτηση και πολυώνυμα νιοστής δύναμης. Αυτός ο τύπος ολοκληρωμάτων είναι δυσεπίλυτος και προκύπτει συχνά στις ασύρματες επικοινωνίες. Στην τελευταία ενότητα, γίνεται προσπάθεια αύξησης του μέσου όρου της χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Πιο συγκεκριμένα μελετάται η πολιτική εκπομπής, αν ο πομπός γνωρίζει τις παραμέτρους του καναλιού οι οποίες είναι δυνατό να γνωστοποιηθούν στον πομπό σε ρεαλιστικό επίπεδο. Ως παράμετροι του καναλιού οι οποίες είναι απαραίτητο να είναι γνωστές, θεωρούνται ο μέσος όρος και η διασπορά του καναλιού που είναι δυνατό να μετρηθούν στην πράξη ιδιαίτερα για κανάλια που δε μεταβάλλονται πάρα πολύ γρήγορα στο χρόνο. Το πρόβλημα της μεγιστοποίησης της εργοδικής χωρητικότητας, στην γενική του μορφή έως τώρα αντιμετωπίζεται μόνο με χρονοβόρες υπολογιστικές μεθόδους που απαιτούν αρκετή υπολογιστική ισχύ, καθιστώντας τη λύση μη εφαρμόσιμη σε πραγματικό χρόνο και επομένως μη ρεαλιστική. Το πρόβλημα είναι δυσεπίλυτο και οι μόνες αναλυτικές λύσεις που υπάρχουν αναφέρονται σε ιδιαίτερες περιπτώσεις. Η παρούσα ΔΔ ασχολείται με τη μεγιστοποίηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος MISO (Multiple Input-Single Output) το οποίο χρησιμοποιεί την τεχνική beamforming στην εκπομπή. Το πρόβλημα επιλύεται και η λύση του ανάγεται στη λύση ενός συστήματος δύο εξισώσεων το οποίο λύνεται αριθμητικά. Έτσι είναι δυνατή η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας σε πραγματικό χρόνο χωρίς ιδιαίτερη υπολογιστική ισχύ. Έως τώρα η προσέγγιση αυτού του προβλήματος γίνεται αποκλειστικά με αλγορίθμους μεγιστοποίησης μη γραμμικού προγραμματισμού. Επιπλέον εξετάζοντας τη λύση του απλού συστήματος , εξάγονται καθολικά συμπεράσματα που εκφράζουν το γενικό πρόβλημα. Για τη μεγιστοποίηση του συστήματος MISO beamforming, απαιτήθηκε η διανυσματική ανάλυση του μέσου όρου του καναλιού και του διανύσματος beamforming του πομπού σε μία κατάλληλη ορθοκανονική βάση. Έτσι το πρόβλημα ανάγεται στην εύρεση των γωνιών που σχηματίζει το διάνυσμα beamforming με την ορθοκανονική βάση ώστε να μεγιστοποιείται η χωρητικότητα για δεδομένες παραμέτρους του καναλιού. Με αυτή τη μέθοδο το πρόβλημα επιλύεται πολύ εύκολα με αριθμητικές μεθόδους. Αυτό δίνει, πέρα από την ίδια τη λύση, τη δυνατότητα να γίνει σύγκριση και με υπάρχουσες μεθόδους που προσέγγιζαν τη λύση, όπως η μεγιστοποίηση του σηματοθορυβικού λόγου (Signal to Noise Ratio, SNR). Επίσης αποδεικνύεται ότι το λαμβανόμενο SNR στο δέκτη επηρεάζει το διάνυσμα beamforming που μεγιστοποιεί την χωρητικότητα. Λαμβάνοντας υπόψη όλα αυτά, προτείνεται ένας κανόνας για την πολιτική εκπομπής του πομπού. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επίλυση του γενικότερου προβλήματος της μεγιστοποίησης της χωρητικότητας σε συστήματα ΜΙΜΟ. / 4G Wireless Communication Systems aim at high data rates, 100 Mbps (Mega bits per second) for high speed transceivers and up to 1 Gbps for stationary transceivers. This target can be accomplished with Multiple Input Multiple Output (MIMO) Systems which use multiple antennas at both the transmitter and the receiver. The subject of this Philosophy Diploma (PhD) dissertation focuses on analysis and optimization of these systems, taking into account the effects of small scale fading and scattering which occur in a wireless channel. The subject of this study is summarized in the following thematic units: a) Fading channel modelling b) Closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of wireless systems which use multiple antennas at the receiver c) increase MISO ergodic capacity through channel state information. Initially, the general wireless fading channel model is described which is necessary for the better understanding of the analysis used in this dissertation. This aims at a brief description of the basic characteristics of the wireless channel. Specifically, general theoretical knowledge of propagation channel is presented, giving a description of the phenomena occurring in the channel without presenting complex mathematical expressions. Next, using stochastic procedures, an accurate model of frequency non-selective Rician fading channel with 3 dimensional anisotropic scattering is presented. The term anisotropic means that the arrival of the multipath components comes from some specific sectors and not from any direction. In the elevation plane, we assume a sector for the arrival of the multipath components in which power does not arrive uniformly but follows a specific distribution. In addition, assuming a communication system operating in a Rice fading channel, a dominant component is included which usually represents the Line of Sight (LOS) component between the transmitter and the receiver. Taking into account international literature and assuming specific probability density functions for the angle of arrivals in these sectors, analytical mathematical expressions of the auto-correlation function and the power spectral density of the received signal are derived. Moreover important measures of the level crossing rate and the average duration of fades are calculated. By this analysis, the system designer is able to estimate the optimal distance between antennas in order to assure high performance of the communication system. It is proved that the distance between antennas should be greater in rural than in urban environments. In the next section, accurate closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO (Single Input Multiple Output) systems in Nakagami fading channel are derived with the help of known and easy to use mathematical functions (Nakagami fading is appropriate for indoor channel modelling). Thus channel capacity is expressed with respect to the physical system parameters such as: amount of fading, number of antennas etc. Many studies have been published for different cases of fading channel models (Rayleigh, Rice, etc) and diversity techniques. But for some cases there are no mathematical expressions for the ergodic capacity or it is expressed in a no closed form way. Thus in this study, new analytical mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO systems with different channel knowledge cases are derived. Also the relation between diversity techniques and SIMO systems is taken into account. We assume that the SIMO system operates in a Nakagami fading channel where each branch is statistically independent but not identically distributed. More precisely, new ergodic capacity formulas for dual Equal Gain Combining, Selection Combining and Switch and Stay Combining techniques are presented. In addition, a new mathematical formula for the ergodic capacity of a SIMO system with no channel knowledge is presented, resulting in useful conclusions. All these mathematical expressions are calculated with mathematical functions that are included in any mathematical software. Essentially, the calculation of the ergodic capacity of SIMO systems in Nakagami fading channels entails the calculation of an integral which contains the logarithmic function, the exponential function and n power polynomials. This type of integral is intractable and arises frequently in wireless communications. In the last section, the ergodic capacity of a MIMO channel using channel state information is studied. In particular, this dissertation studies the transmit strategy if the transmitter knows the statistical parameters of the channel which is feasible in a realistic scenario. The statistical parameters of the channel that have to be transferred to the transmitter are channel mean and covariance. These parameters can be measured in practice especially for low time variant channels. Transmitter optimization problem, in its general form, is tackled only with hard optimization methods which are not feasible for real time applications due to large processing time. The problem is intractable and the only analytical solutions in literature are referred to special cases. The current dissertation studies the ergodic capacity optimization problem of a MISO (Multiple Input-Single Output) system which uses beamforming as its transmit strategy. The problem is solved through a system of two equations which is solved numerically. Thus the problem is extremely simplified and beamforming capacity optimization is feasible even for real time applications. So far this problem was tackled with non linear programming optimization methods. Also examining the solution for the MISO system, it is provided intuition into the problem. Also general results are presented which express the general problem. Beamforming capacity optimization solution was achieved by following an analytical approach that projects the beamforming vector on an appropriate orthonormal basis defined by the eigenvectors of the channel covariance matrix. Thus the problem reduces to calculation of the angles between the beamforming vector and the orthonormal basis which maximize capacity for given channel parameters. Following this method, the problem is solved very easily through numerical root finding algorithms. Besides the solution itself, a comparison against existing approximate solutions is possible, e.g. SNR (Signal to Noise Ratio) maximization solution. It is proved that the optimal beamforming vector is dependent on the received SNR. Taking into account all the arising results, a rule of thumb for the transmit policy is proposed. In addition, the used method can help significantly towards the solution of the MIMO transmitter optimization problem.

This work concentrates on the application of diversity techniques and space time block coding for future high speed mobile wireless communications on multicarrier systems. At first, alternative multicarrier kernels robust for high speed doubly-selective fading channel are sought. They include the comparisons of discrete Fourier transform (DFT), fractional Fourier transform (FrFT) and wavelet transform (WT) multicarrier kernels. Different wavelet types, including the raised-cosine spectrum wavelets are implemented, evaluated and compared. From different wavelet families, orthogonal wavelets are isolated from detailed evaluations and comparisons as suitable for multicarrier applications. The three transforms are compared over a doubly-selective channel with the WT significantly outperforming all for high speed conditions up to 300 km/hr. Then, a new wavelet is constructed from an ideal filter approximation using established wavelet design algorithms to match any signal of interest; in this case under bandlimited criteria. The new wavelet showed better performance than other traditional orthogonal wavelets. To achieve MIMO communication, orthogonal space-time block coding, OSTBC, is evaluated next. First, the OSTBC is extended to assess the performance of the scheme over extended receiver diversity order. Again, with the extended diversity conditions, the OSTBC is implemented for a multicarrier system over a doubly-selective fading channel. The MIMO-OFDM systems (implemented using DFT and WT kernels) are evaluated for different operating frequencies, typical of LTE standard, with Doppler effects. It was found that, during high mobile speed, it is better to transmit OFDM signals using lower operating frequencies. The information theory for the 2-transmit antenna OSTBC does not support higher order implementation of multi-antenna systems, which is required for the future generation wireless communications systems. Instead of the OSTBC, the QO-STBC is usually deployed to support the design of higher order multi-antenna systems other than the 2-transmit antenna scheme. The performances of traditional QO-STBC methods are diminished by some off-diagonal (interference) terms such that the resulting system does not attain full diversity. Some methods for eliminating the interference terms have earlier been discussed. This work follows the construction of cyclic matrices with Hadamard matrix to derive QO-STBC codes construction which are N-times better than interference free QO-STBC, where N is the number of transmit antenna branches.

Explosive growth in wireless technology caused by development in digital and RF circuit fabrications put some serious challenges on wireless system designers and link budget planning. Low transmit power, system coverage and capacity, high data rates, spatial diversity and quality of services (QOS) are the key factors in future wireless communication system that made it attractive. Dual-hop relaying is the promising underlying technique for future wireless communication to address such dilemmas. Based on dual-hop relaying this thesis addresses two scenarios. In the first case the system model employs dual-hop amplify and forward (AF) multiple input multiple output (MIMO) relay channels with transmit and receive antenna selection over independent Rayleigh fading channels where source and destination contain multiple antennas and communicate with each other with help of single antenna relay. It is assumed that the source and destination has perfect knowledge of channel state information (CSI). Our analysis shows that full spatial diversity order can be achieved with minimum number of antennas at source and destination i.e. min{N_s N_d }. In the second case the performance analysis of dual-hop amplify and forward (AF) multiple relay cooperative diversity network with best relay selection schemes over Rayleigh fading channels is investigated where the source and destination communicate with each other through direct and indirect links. Only the performance of best relay is investigated which participates in the transmission alone. The relay node that achieves highest SNR at the destination is selected as a best relay. Once again our analysis shows that full diversity order can be achieved with single relay with fewer resources compare to the regular cooperative diversity system. / Muhammad Adeel Islam 0046 700 412 343

Multi-antenna wireless systems have become very popular due to their theoretically predicted higher spectral efficiencies and improved performance compared to single-antenna systems. Large-scale multiple-input multiple-output (MIMO) systems refer to wireless systems where communication terminals employ tens to hundreds of antennas to achieve in-creased spectral efficiencies/sum rates, reliability, and power efficiency. Large-scale multi-antenna systems are attractive to meet the increasing wireless data rate requirements, without compromising on the bandwidth. This thesis addresses key signal processing issues in large-scale MIMO systems. Specifically, the thesis investigates efficient algorithms for signal detection and channel estimation in large-scale MIMO systems. It also investigates ‘spatial modulation,’ a multi-antenna modulation scheme that can reduce the number of transmit radio frequency (RF) chains, without compromising much on the spectral efficiency. The work reported in this thesis is comprised of the following two parts: 1 investigation of low-complexity receiver algorithms based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) technique, tabu search, and belief propagation for large-scale uplink multiuser MIMO systems, and 2 investigation of achievable rates and signal detection in generalized spatial modulation. 1. Receiver algorithms for large-scale multiuser MIMO systems on the uplink In this part of the thesis, we propose low-complexity algorithms based on MCMC techniques, Gaussian sampling based lattice decoding (GSLD), reactive tabu search (RTS), and factor graph based belief propagation (BP) for signal detection on the uplink in large-scale multiuser MIMO systems. We also propose an efficient channel estimation scheme based on Gaussian sampling. Markov chain Monte Carlo (MCMC) sampling: We propose a novel MCMC based detection algorithm, which achieves near-optimal performance in large dimensions at low complexities by the joint use of a mixed Gibbs sampling (MGS) strategy and a multiple restart strategy with an efficient restart criterion. The proposed mixed Gibbs sampling distribution is a weighted mixture of the target distribution and uniform distribution. The presence of the uniform component in the sampling distribution allows the algorithm to exit from local traps quickly and alleviate the stalling problem encountered in conventional Gibbs sampling. We present an analysis for the optimum choice of the mixing ratio. The analysis approach is to define an absorbing Markov chain and use its property regarding the expected number of iterations needed to reach the global minima for the first time. We also propose an MCMC based algorithm which exploits the sparsity in uplink multiuser MIMO transmissions, where not all users are active simultaneously. Gaussian sampling based lattice decoding: Next, we investigate the problem of searching the closest lattice point in large dimensional lattices and its use in signal detection in large-scale MIMO systems. Specifically, we propose a Gaussian sampling based lattice decoding (GSLD) algorithm. The novelty of this algorithm is that, instead of sampling from a discrete distribution as in Gibbs sampling, the algorithm iteratively generates samples from a continuous Gaussian distribution, whose parameters are obtained analytically. This makes the complexity of the proposed algorithm to be independent of the size of the modulation alpha-bet. Also, the algorithm is able to achieve near-optimal performance for different antenna and modulation alphabet settings at low complexities. Random restart reactive tabu search (R3TS): Next, we study receiver algorithms based on reactive tabu search (RTS) technique in large-scale MIMO systems. We propose a multiple random restarts based reactive tabu search (R3TS) algorithm that achieves near-optimal performance in large-scale MIMO systems. A key feature of the proposed R3TS algorithm is its performance based restart criterion, which gives very good performance-complexity tradeoff in large-dimension systems. Lower bound on maximum likelihood (ML) bit error rate (BER) performance: We propose an approach to obtain lower bounds on the ML performance of large-scale MIMO systems using RTS simulation. In the proposed approach, we run the RTS algorithm using the transmitted vector as the initial vector, along with a suitable neighborhood definition, and find a lower bound on number of errors in ML solution. We demonstrate that the proposed bound is tight (within about 0.5 dB of the optimal performance in a 16×16MIMO system) at moderate to high SNRs. Factor graph using Gaussian approximation of interference (FG-GAI): Multiuser MIMO channels can be represented by graphical models that are fully/densely connected (loopy graphs), where conventional belief propagation yields suboptimal performance and requires high complexity. We propose a solution to this problem that uses a simple, yet effective, Gaussian approximation of interference (GAI) approach that carries out a linear per-symbol complexity message passing on a factor graph (FG) based graphical model. The proposed algorithm achieves near-optimal performance in large dimensions in frequency-flat as well as frequency-selective channels. Gaussian sampling based channel estimation: Next, we propose a Gaussian sampling based channel estimation technique for large-scale time-division duplex (TDD) MIMO systems. The proposed algorithm refines the initial estimate of the channel by iteratively detecting the data block and using that knowledge to improve the estimated channel knowledge using a Gaussian sampling based technique. We demonstrate that this algorithm achieves near-optimal performance both in terms of mean square error of the channel estimates and BER of detected data in both frequency-flat and frequency-selective channels. 2. Generalized spatial modulation In the second part of the thesis, we investigate generalized spatial modulation (GSM) in point-to point MIMO systems. GSM is attractive because of its ability to work with less number of transmit RF chains compared to traditional spatial multiplexing, without com-promising much on spectral efficiency. In this work, we show that, by using an optimum combination of number of transmit antennas and number of transmit RF chains, GSM can achieve better throughput and/or BER than spatial multiplexing. We compute tight bounds on the maximum achievable rate in a GSM system, and quantify the percentage savings in the number of transmit RF chains as well as the percentage increase in the rate achieved in GSM compared to spatial multiplexing. We also propose a Gibbs sampling based algorithm suited to detect GSM signals, which yields impressive BER performance and complexity results.

Abstract The thesis concentrates on evaluating and improving performances of various multiple-input multiple-output (MIMO) relaying scenarios that are particularly relevant to future wireless systems. A greater emphasis is placed on important practical situations, considering relay deployments, availability of channel state information (CSI), limitations of spectrum, and information secrecy. Initially, the performance of a non-coherent amplify-and-forward (AF) MIMO relaying is analyzed when the relay is deployed with the relay-to-destination channel having a line-of-sight (LoS) path. The main attention is given to analyzing the performance of orthogonal space-time block coded based non-coherent AF MIMO system. Exact expressions of statistical parameters and performance metrics are derived considering the instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) received at the destination. These performance metrics reveal that a strong LoS component in relay-destination channel always limits the performance promised by MIMO scattering environment when both nodes have multiple antennas. The thesis also considers scenarios in MIMO two-way relaying (TWR) with physical layer network coding (PNC) mapping at the relay. PNC mapping becomes complex with multiple streams being combined at the relay node. Joint precoder-decoder schemes are considered to ease this, and various studies are carried out depending on the CSI. The zero-forcing criterion is used at the nodes when perfect CSI is available. For the imperfect CSI scenario, a robust joint precoder-decoder design is considered. The precoder and decoder matrices are obtained by solving optimization problems, which are formulated to maximize sum-rate and minimize weighted mean square error (WMSE) under transmit power constraints on the nodes. Next, a precoder-decoder scheme for MIMO underlay device-to-device (D2D) communication system is investigated by considering two D2D modes; PNC based D2D and direct D2D. The joint design is based on minimizing mean square error (MSE) which is useful to mitigate interference, and to improve the performance of both D2D and cellular communications. Distributed and centralized algorithms are proposed considering bi-directional communication in both D2D and cellular communications. System performance is discussed with two transmit mode selection schemes as dynamic and static selection schemes. The results show that the PNC based D2D mode extends the coverage area of D2D communication. Finally, secure beamforming schemes for the PNC based MIMO TWR systems are investigated when multiple eavesdroppers are attempting to intercept the user information. The CSI of the user-to-eavesdropper channels is imperfect at the users. The channel estimation errors are assumed with both ellipsoidal bound and Gaussian Markov uncertainty models. Robust optimization problems are formulated considering both scenarios to design beamforming vectors at the users and relay. Numerical results suggest that the proposed algorithms converge fast and provide higher security. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään arvioimaan ja parantamaan suorituskykyä useissa moniantennitoistinjärjestelmissä, jotka ovat ajankohtaisia tulevaisuuden langattomissa verkoissa. Erityisesti työssä analysoidaan tärkeitä käytännön tilanteita, sisältäen toistimien sijoittamisen, kanavatiedon saatavuuden, rajoitetun taajuuskaistan ja tiedon salauksen. Aluksi epäkoherentin, vahvistavan ja jatkolähettävän moniantennitoistimen suorituskykyä analysoidaan tilanteessa, jossa toistin on sijoitettu siten, että kohteeseen on suora yhteys. Suorituskyvyn arvioinnin pääkohteena on ortogonaalinen tila-aika-tason lohkokoodattu epäkoherentti vahvistava ja jatkolähettävä moniantennitoistin. Työssä johdetaan tarkat lausekkeet tilastollisille parametreille ja suorituskykymittareille ottaen huomioon hetkellinen signaalikohinasuhde vastaanottimessa. Nämä suorituskykymittarit ilmaisevat, että toistimen ja kohteen välillä oleva vahva suoran yhteyden komponentti rajoittaa sitä suorituskykyä, jota moniantennijärjestelmän hajontaympäristö ennustaa. Työssä tutkitaan myös kahdensuuntaisia moniantennitoistimia, jotka käyttävät fyysisen kerroksen verkkokoodausta. Koodauksesta tulee monimutkaista, kun monia datavirtoja yhdistetään toistimessa. Tämän helpottamiseksi käytetään yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää, jota tutkitaan erilaisten kanavatietojen tapauksissa. Täydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään nollaanpakotuskriteeriä. Epätäydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään robustia yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää. Esikoodaus- ja dekoodausmatriisit saadaan ratkaisemalla optimointiongelmat. Nämä ongelmat on muodostettu maksimoimaan summadatanopeus, ja minimoimaan painotettu keskineliövirhe, kun optimointirajoitteina ovat solmujen lähetystehot. Seuraavaksi esikoodaus-dekoodausmenetelmää tutkitaan moniantennijärjestelmässä, jossa käytetään kahdentyyppistä laitteesta-laitteeseen (D2D) kommunikaatiomenetelmää: fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvaa D2D- ja suoraa D2D-kommunikaatiota. Yhteissuunnittelu perustuu keskineliövirheen minimointiin, joka on hyödyllistä, kun halutaan vähentää häiriötä ja parantaa molempien verkkojen suorituskykyä. Työssä ehdotetaan hajautettuja ja keskitettyjä algoritmeja tilanteessa, jossa käytetään kaksisuuntaista kommunikaatiota molemmissa verkoissa. Järjestelmän suorituskykyä arvioidaan, kun käytetään kahta eri lähetystilan valintaa, dynaamista ja staattista. Tulokset osoittavat, että fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuva D2D kasvattaa D2D-kommunikaatiojärjestelmän kantamaa. Lopuksi, turvallisia keilanmuodostustekniikoita arvioidaan fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvassa kahdensuuntaisessa moniantennitoistinjärjestelmässä, kun useat salakuuntelijat yritävät siepata käyttäjätiedon. Käyttäjillä on epäideaalinen kanavatieto heidän ja salakuuntelijoiden välisten linkkien kanavista. Kanavatiedon estimointivirheitä arvioidaan ellipsoidisella ja Gauss-Markov-epävarmuusmallilla. Robustit optimointiongelmat, joissa suunnitellaan keilanmuodostusvektorit käyttäjän ja toistimen välille, muodostetaan molemmille malleille. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit konvergoituvat nopeasti ja tarjoavat korkeamman turvallisuuden.

The integration of Multiple Input Multiple Output (MIMO) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) techniques has become a preferred solution for the high rate wireless technologies due to its high spectral efficiency, robustness to frequency selective fading, increased diversity gain, and enhanced system capacity. The main drawback of OFDM-based systems is their susceptibility to impairments such as Carrier Frequency Offset (CFO), Sampling Frequency Offset (SFO), Symbol Timing Error (STE), Phase Noise (PHN), and fading channel. These impairments, if not properly estimated and compensated, degrade the performance of the OFDM-based systems In this thesis, a system model for MIMO-OFDM that takes into account the effects of all these impairments is formulated. Using this system model, we de-rive Cramer-Rao Lower Bounds (CRLBs) for the joint estimation of deterministic impairments in MIMO-OFDM system, which show the coupling effect among different impairments and the significance of the joint estimation. Also, Bayesian CRLBs for the joint estimation of random impairments in OFDM system are derived. Similarly, we derive Hybrid CRLBs for the joint estimation of random and deterministic impairments in OFDM system, which show the significance of using Bayesian approach in estimation. Further, we investigate different algorithms for the joint estimation of all impairments in OFDM-based system. Maximum Likelihood (ML) algorithms and its low complexity variants, for the joint estimation of CFO, SFO, STE, and channel in MIMO-OFDM system, are proposed. We propose a low complexity ML algorithm which uses Compressed Sensing (CS) based channel estimation method in a sparse fading sce-nario, where the received samples used for estimation are less than that required for a Least Squares (LS) or Maximum a posteriori (MAP) based estimation. Also, we propose MAP algorithms for the joint estimation of the random impairments, PHN and channel, utilizing their statistical knowledge which is known a priori. Joint estimation algorithms for SFO and channel in OFDM system, using Bayesian framework, are also proposed in this thesis. The performance of the estimation methods is studied through simulations and numerical results show that the performance of the proposed algorithms is better than existing algorithms and is closer to the derived CRLBs.

No description available.

No description available.

In wireless communication systems, the use of multiple antennas, also known as Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) communications, is now a widely accepted and important technology for improving their reliability and throughput performance. However, in order to achieve the performance gains predicted by the theory, the transmitter and receiver need to have accurate and up-to-date Channel State Information(CSI) to overcome the vagaries of the fading environment. Traditionally, the CSI is obtained at the receiver by sending a known training sequence in the forward-link direction. This CSI has to be conveyed to the transmitter via a low-rate, low latency and noisy feedback channel in the reverse-link direction. This thesis addresses three key challenges in sending the CSI to the transmitter of a MIMO communication system over the reverse-link channel, and provides novel solutions to them. The first issue is that the available CSI at the receiver has to be quantized to a finite number of bits, sent over a noisy feedback channel, reconstructed at the transmitter, and used by the transmitter for precoding its data symbols. In particular, the CSI quantization technique has to be resilient to errors introduced by the noisy reverse-link channel, and it is of interest to design computationally simple, linear filters to mitigate these errors. The second issue addressed is the design of low latency and low decoding complexity error correction codes to provide protection against fading conditions and noise in the reverse-link channel. The third issue is to improve the resilience of the reverse-link channel to fading. The solution to the first problem is obtained by proposing two classes of receive filtering techniques, where the output of the source decoder is passed through a filter designed to reduce the overall distortion including the effect of the channel noise. This work combines the high resolution quantization theory and the optimal Minimum Mean Square Error(MMSE) filtering formulation to analyze, and optimize, the total end-to-end distortion. As a result, analytical expressions for the linear receive filters are obtained that minimize the total end-to-end distortion, given the quantization scheme and source(channel state) distribution. The solution to the second problem is obtained by proposing a new family of error correction codes, termed trellis coded block codes, where a trellis code and block code are concatenated in order to provide good coding gain as well as low latency and low complexity decoding. This code construction is made possible due to the existence of a uniform partitioning of linear block codes. The solution to the third problem is obtained by proposing three novel transmit precoding methods that are applicable to time-division-duplex systems, where the channel reciprocity can be exploited in designing the precoding scheme. The proposed precoding methods convert the Rayleigh fading MIMO channel into parallel Additive White Gaussian Noise(AWGN) channels with fixed gain, while satisfying an average transmit power constraint. Moreover, the receiver does not need to have knowledge of the CSI in order to decode the received data. These precoding methods are also extended to Rayleigh fading multi-user MIMO channels. Finally, all the above methods are applied to the problem of designing a low-rate, low-latency code for the noisy and fading reverse-link channel that is used for sending the CSI. Simulation results are provided to demonstrate the improvement in the forward-link data rate due to the proposed methods. Note that, although the three solutions are presented in the context of CSI feedback in MIMO communications, their development is fairly general in nature, and, consequently, the solutions are potentially applicable in other communication systems also.