No description available.

The search for the closest lattice point arises in many communication problems, and is known to be NP-hard. The Maximum Likelihood (ML) Detector is the optimal detector which yields an optimal solution to this problem, but at the expense of high computational complexity. Existing near-optimal methods used to solve the problem are based on the Sphere Decoder (SD), which searches for lattice points confined in a hyper-sphere around the received point. The SD has emerged as a powerful means of finding the solution to the ML detection problem for MIMO systems. However the bottleneck lies in the determination of the initial radius. This thesis is concerned with the detection of transmitted wireless signals in Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) digital communication systems as efficiently and effectively as possible. The main objective of this thesis is to design efficient ML detection algorithms for MIMO systems based on the depth-first search (DFS) algorithms whilst taking into account complexity and bit error rate performance requirements for advanced digital communication systems. The increased capacity and improved link reliability of MIMO systems without sacrificing bandwidth efficiency and transmit power will serve as the key motivation behind the study of MIMO detection schemes. The fundamental principles behind MIMO systems are explored in Chapter 2. A generic framework for linear and non-linear tree search based detection schemes is then presented Chapter 3. This paves way for different methods of improving the achievable performance-complexity trade-off for all SD-based detection algorithms. The suboptimal detection schemes, in particular the Minimum Mean Squared Error-Successive Interference Cancellation (MMSE-SIC), will also serve as pre-processing as well as comparison techniques whilst channel capacity approaching Low Density Parity Check (LDPC) codes will be employed to evaluate the performance of the proposed SD. Numerical and simulation results show that non-linear detection schemes yield better performance compared to linear detection schemes, however, at the expense of a slight increase in complexity. The first contribution in this thesis is the design of a near ML-achieving SD algorithm for MIMO digital communication systems that reduces the number of search operations within the sphere-constrained search space at reduced detection complexity in Chapter 4. In this design, the distance between the ML estimate and the received signal is used to control the lower and upper bound radii of the proposed SD to prevent NP-complete problems. The detection method is based on the DFS algorithm and the Successive Interference Cancellation (SIC). The SIC ensures that the effects of dominant signals are effectively removed. Simulation results presented in this thesis show that by employing pre-processing detection schemes, the complexity of the proposed SD can be significantly reduced, though at marginal performance penalty. The second contribution is the determination of the initial sphere radius in Chapter 5. The new initial radius proposed in this thesis is based on the variable parameter α which is commonly based on experience and is chosen to ensure that at least a lattice point exists inside the sphere with high probability. Using the variable parameter α, a new noise covariance matrix which incorporates the number of transmit antennas, the energy of the transmitted symbols and the channel matrix is defined. The new covariance matrix is then incorporated into the EMMSE model to generate an improved EMMSE estimate. The EMMSE radius is finally found by computing the distance between the sphere centre and the improved EMMSE estimate. This distance can be fine-tuned by varying the variable parameter α. The beauty of the proposed method is that it reduces the complexity of the preprocessing step of the EMMSE to that of the Zero-Forcing (ZF) detector without significant performance degradation of the SD, particularly at low Signal-to-Noise Ratios (SNR). More specifically, it will be shown through simulation results that using the EMMSE preprocessing step will substantially improve performance whenever the complexity of the tree search is fixed or upper bounded. The final contribution is the design of the LRAD-MMSE-SIC based SD detection scheme which introduces a trade-off between performance and increased computational complexity in Chapter 6. The Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) algorithm will be utilised to orthogonalise the channel matrix H to a new near orthogonal channel matrix H ̅.The increased computational complexity introduced by the LLL algorithm will be significantly decreased by employing sorted QR decomposition of the transformed channel H ̅ into a unitary matrix and an upper triangular matrix which retains the property of the channel matrix. The SIC algorithm will ensure that the interference due to dominant signals will be minimised while the LDPC will effectively stop the propagation of errors within the entire system. Through simulations, it will be demonstrated that the proposed detector still approaches the ML performance while requiring much lower complexity compared to the conventional SD.

Τα μελλοντικά ασύρματα δίκτυα και συστήματα επικοινωνιών αναμένεται να παρέχουν αξιόπιστα υπηρεσίες δεδομένων με απαιτήσεις ρυθμού μετάδοσης δεδομένων οι οποίες κυμαίνονται από λίγα kbps μέχρι μερικά Mbps και εξαιτίας του υψηλού κόστους του φάσματος συχνοτήτων, αυτά τα συστήματα χρειάζεται να είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά όσον αφορά στη χρησιμοποίηση του φάσματος. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή τεχνικών μετάδοσης δεδομένων οι οποίες βασίζονται σε MIMO και OFDMA θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη λύση για να ικανοποιήσει αυτές τις απαιτήσεις. Από την άλλη μεριά, τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι εύκαμπτα και φασματικά αποτελεσματικά αλλά ο αξιοσημείωτα μεγάλος αριθμός υποφορέων και ο συνυπολογισμός της διάστασης χώρου καθιστούν την κατανομή ραδιοπόρων πολύ πολύπλοκη. Στην πραγματικότητα, η βέλτιστη κατανομή ραδιοπόρων η οποία μεγιστοποιεί το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών είναι συχνά πάρα πολύ πολύπλοκη για πρακτικές εφαρμογές. Συνεπώς, απαιτούνται υποβέλτιστες σχετικά αποτελεσματικές και χαμηλής πολυπλοκότητας στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων ώστε να κατανείμουν τους ραδιοπόρους συχνότητας, ισχύος και χώρου του συστήματος στους χρήστες του συστήματος. Η παρούσα ΔΔ διαπραγματεύεται στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων στην κατερχόμενη και στην ανερχόμενη ζεύξη συστημάτων OFDMA, στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MISO-OFDMA και στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MIMO-OFDMA στοχεύοντας στη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών εγγυώντας οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων των χρηστών να τηρούν μια προκαθορισμένη αναλογία μεταξύ τους ή να ξεπερνούν προκαθορισμένους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Στο πλαίσιο της επίλυσης του προβλήματος της μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με ανεκτή πολυπλοκότητα για κάθε μία από τις προαναφερθείσες περιπτώσεις, προτείνονται νέοι υποβέλτιστοι αλγόριθμοι. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και με αναλογικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη μέθοδος, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ με βέλτιστο τρόπο για μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Στην ανερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στην ισχύ κάθε χρήστη και σε ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη τεχνική, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MISO αναπτύσσονται τρεις αλγόριθμοι επιλογής χρηστών και κατανομής πόρων για πολυχρηστικά συστήματα κατερχόμενης ζεύξης οι οποίοι είναι λιγότερο πολύπλοκοι από άλλες προσεγγίσεις και ενσωματώνουν τη δικαιοσύνη. Στους πρώτους δύο αλγόριθμους επιβάλλονται αναλογικοί περιορισμοί μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων των χρηστών και στον τρίτο αλγόριθμο περιορισμοί στους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων λαμβάνονται υπόψη. Επίσης, πραγματοποιείται επέκταση του αλγόριθμου μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με αναλογικούς περιορισμούς δικαιοσύνης σε ΣΚΚ και για μείωση της πολυπλοκότητας οι υποφορείς ομαδοποιούνται σε τεμάχια. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα τους στη διανομή του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων δίκαια μεταξύ των χρηστών αλλά και ότι σε ΣΚΚ επιτυγχάνονται μεγαλύτεροι συνολικοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων. Τέλος, στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MIMO, το πρόβλημα διατυπώνεται με στόχο τη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και ελέγξιμο εύρος ζώνης στο σύστημα εισάγοντας την παράμετρο α. Αφού αυτό το πρόβλημα βελτιστοποίησης πρέπει να εκτελεστεί σε πραγματικό χρόνο, προτείνεται ένας αλγόριθμος αποδοτικός, υποβέλτιστος και αποτελεματικός όσον αφορά στην πολυπλοκότητα ο οποίος παρουσιάζει λογική απώλεια όσον αφορά στην περίπτωση χωρίς περιορισμούς όπου ο μόνος στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων και εντυπωσιακό όφελος συγκρινόμενος με τη στατική τεχνική TDMA. Πέραν της θεωρητικής ανάλυσης των παραπάνω αλγόριθμων, ο προσομοιωτικός κώδικας που δημιουργήθηκε βασισμένος σε ρεαλιστικές υποθέσεις και απλουστεύσεις, μάς έδωσε τα αποτελέσματα εκείνα τα οποία μετρούν το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών ο οποίος παρέχεται από κάθε έναν από τους προαναφερθέντες αλγόριθμους και εξετάζουν την πιθανή καταλληλότητα για χρήση τους σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα. Τα τελικά συμπεράσματα είναι ότι τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι ικανά να προσφέρουν πραγματικές ευρυζωνικές υπηρεσίες πάνω από το ασύρματο κανάλι επικοινωνίας. / Future wireless communication networks and systems are expected to reliably provide data services with data rate requirements ranging from a few kbps up to some Mbps and, due to the high costs of frequency spectrum, these systems also need to be extremely efficient in terms of the spectrum usage. In particular, the application of transmission schemes based on OFDMA and on MIMO is considered as a promising solution to meet these requirements. On the one hand, MIMO-OFDMA systems are flexible and spectrally efficient but the considerably large number of subcarriers and the inclusion of the space dimension make the RRA in such systems very complex. In fact, the optimum RRA that maximizes the sum of the users' data rates is often too complex for practical application. Consequently, suboptimal rather efficient and low-complexity RRA strategies are required in order to allocate the frequency, power, and space radio resources of the system to the users of the system. This doctoral thesis deals with RRA strategies in the downlink and uplink of OFDMA systems, the downlink of MISO-OFDMA systems, and the downlink of MIMO-OFDMA systems aiming at the maximization of the sum of the users' data rates guaranteeing proportional data rates or minimum data rates among users. In order to solve the problem of maximizing the sum of the users' data rates with affordable complexity in each one of the aforementioned cases, new suboptimal algorithms are proposed. In the SISO downlink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on the total available power and proportional data rates among users. The proposed method, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power optimally in order to maximize the sum of the users' data rates. In the SISO uplink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on per user power and minimum data rates among users. The proposed scheme, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power. In the MISO downlink three user selection and resource allocation algorithms for multiuser downlink systems are developed that are less complex than other approaches and incorporate fairness. In the first two algorithms proportional constraints among the users' data rates are imposed and in the third algorithm minimum data rate constraints are taken into account. The proposed algorithm that maximizes the sum of the users' data rates with proportional data rate constraints is also applied to DAS and subcarriers are grouped to chunks. Simulation results sustain their effectiveness in distributing the sum data rate fairly and flexibly among users and that in DAS higher sum of the users' data rates are obtained. Finally, in the MIMO downlink the problem is formulated in order to maximize the sum of the users' data rates subject to total available power constraint with controllable bandwidth introducing system parameter α. Since this optimization should be performed in real time, an efficient, suboptimal and complexity effective algorithm is proposed which shows reasonable loss with respect to the unconstrained case where the only target is the maximization of the sum data rate and impressive profit compared to static TDMA scheme. Apart from the theoretical analysis of the above algorithms, simulation code, which was created based on realistic assumptions and simplifications, gave us results which measure the sum of the users' data rates that provide each one of the aforementioned algorithms and examine the possible appropriateness for use in specific environments. The final concluding results are that MIMO-OFDMA systems are able to offer real broadband services over the wireless communication channel.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε τα πλεονεκτήματα που επιφέρει η χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στον δέκτη, κατά την μετάδοση, με στόχο την βελτίωση των παρεχομένων υπηρεσιών στο χρήστη. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μια ιστορική αναδρομή των ασύρματων επικοινωνιών καθώς των σύγχρονων ασύρματων τεχνολογιών και κεραιών που χρησιμοποιούνται. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στις έννοιες του διαφορισμού, του κέρδους διάταξης και της χωρικής πολυπλεξίας οι οποίες συνδέονται άρρηκτα με τα συστήματα MIMO. Στο Κεφάλαιο 2, αναφερόμαστε σε όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που περιγράφουν το ασύρματο κανάλι και εξάγουμε την γραμμική σχέση εισόδου-εξόδου του ασύρματου καναλιού. Στην συνέχεια γίνεται μια ανάλυση των στοχαστικών μοντέλων περιγραφής του ασύρματου διαύλου διαλείψεων και πιο συγκεκριμένα των μοντέλων Rayleigh και Rice. Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζουμε την αξιοπιστία διαφόρων τύπων κεραιοσυστημάτων, ως προς τον ρυθμό των ρυθμό των λανθασμένων συμβόλων στον δέκτη. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η τεχνική Maximal Ratio Combining για τα συστήματα SIMO καθώς και του σχήματος Alamouti για τα συστήματα ΜISO. Συνεχίζοντας στα MIMO συστήματα αναλύουμε τις μεθόδους ισοστάθμισης για την ανάκτηση των δεδομένων, και πιο συγκεκριμένα τις τεχνικές Zero Forcing, Minimum Mean Square Error,V-Blast και καθώς και την βέλτιστη τεχνική Maximum Likelihood. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας αναλύουμε τα πλεονεκτήματα των MIMO συστημάτων, ως προς την χωρητικότητα που προσφέρουν, σε στοχαστικά κανάλια διαλείψεων.Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στην μέθοδο SVD και στην αναπαράσταση του MIMO καναλιού από έναν αριθμό ανεξάρτητων SISO διαύλων. Κλείνοντας αναφέρουμε την μέθοδο βέλτιστης κατανομής ισχύος στις κεραίες του πομπού Water-filling, και στην περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας του διαύλου που προσφέρει. / In this diploma thesis we are investigating the benefits of using Multiple Input and Multiple Output antennas in information transmission, with final goal to improve Quality of Service. The first Chapter, includes a historical background of the wireless communications but also is a reference to the modern wireless and antenna technologies. Moreover, we introduce the definition of new concepts, such as diversity and array gain and also spatial multiplexing, which are closely connected with MIMO technology. In the second chapter, we introduce the characteristics which they are describe the wireless channel, while simultaneously we mention the linear input-output relationship of the wireless channel. Additionally, we analyze the stochastic wireless channel models, namely the Rayleigh and the Rician fading models. In the third chapter, we investigate the reliability of different types of antenna topologies, regarding the pace of the invalid symbols in the transmitter. More specifically, we examine the Maximal Ratio Combining and Alamouti technique, for SIMO and MISO systems respectively. The next step is to analyze the equalization methods, which are used in MIMO antennas, and more specifically are, Zero Forcing, Minimum Mean Square Error and V-Blast receivers, but also the optimal Maximum Likelihood equalizer. In the last part of this Thesis, we investigate the benefits of MIMO systems regarding the Capacity, in random channels. Also, a reference to the SVD method has been made,which we use to analyze the MIMO channel, in a number of parallel SISO channels. Lastly, we use the water-filling method to allocate, with the optimal way, the given power in the transmit antennas, a fact that leads to even greater Capacity gain.

Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) is a multiple access transmission scheme that has been adopted in the 4th generation 3GPP Long Term Evolution (LTE) of cellular systems. In fact, its relatively low peak-to-average power ratio (PAPR) makes it ideal for the uplink transmission where the transmit power efficiency is of paramount importance. Multiple access among users is made possible by assigning different users to different sets of non-overlapping subcarriers. With the current LTE specifications, if an SC-FDMA system is operating at its full capacity and a new user requests channel access, the system redistributes the subcarriers in such a way that it can accommodate all of the users. Having less subcarriers for transmission, every user has to increase its modulation order (for example from QPSK to 16QAM) in order to keep the same transmission rate. However, increasing the modulation order is not always possible in practice and may introduce considerable complexity to the system. The technique presented in this thesis report describes a new way of adding more users to an SC-FDMA system by assigning the same sets of subcarriers to different users. The main advantage of this technique is that it allows the system to accommodate more users than conventional SC-FDMA and this corresponds to increasing the spectral efficiency without requiring a higher modulation order or using more bandwidth. During this work, special attentions wee paid to the cases where two and three source signals are being transmitted on the same set of subcarriers, which leads respectively to doubling and tripling the spectral efficiency. Simulation results show that by using the proposed technique, it is possible to add more users to any SC-FDMA system without increasing the bandwidth or the modulation order while keeping the same performance in terms of bit error rate (BER) as the conventional SC-FDMA. This is realized by slightly increasing the energy per bit to noise power spectral density ratio (Eb/N0) at the transmitters.

Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) is a multiple access transmission scheme that has been adopted in the 4th generation 3GPP Long Term Evolution (LTE) of cellular systems. In fact, its relatively low peak-to-average power ratio (PAPR) makes it ideal for the uplink transmission where the transmit power efficiency is of paramount importance. Multiple access among users is made possible by assigning different users to different sets of non-overlapping subcarriers. With the current LTE specifications, if an SC-FDMA system is operating at its full capacity and a new user requests channel access, the system redistributes the subcarriers in such a way that it can accommodate all of the users. Having less subcarriers for transmission, every user has to increase its modulation order (for example from QPSK to 16QAM) in order to keep the same transmission rate. However, increasing the modulation order is not always possible in practice and may introduce considerable complexity to the system. The technique presented in this thesis report describes a new way of adding more users to an SC-FDMA system by assigning the same sets of subcarriers to different users. The main advantage of this technique is that it allows the system to accommodate more users than conventional SC-FDMA and this corresponds to increasing the spectral efficiency without requiring a higher modulation order or using more bandwidth. During this work, special attentions wee paid to the cases where two and three source signals are being transmitted on the same set of subcarriers, which leads respectively to doubling and tripling the spectral efficiency. Simulation results show that by using the proposed technique, it is possible to add more users to any SC-FDMA system without increasing the bandwidth or the modulation order while keeping the same performance in terms of bit error rate (BER) as the conventional SC-FDMA. This is realized by slightly increasing the energy per bit to noise power spectral density ratio (Eb/N0) at the transmitters.