This thesis treats of channel models for polarized multi-antenna wireless systems. Polarized multi-antenna systems are systems that use perpendicularly polarized, co-located antennas at the base station and at the mobile terminal, in order to benefit from the so-called polarization diversity. Such systems benefit from the advantages of MIMO systems while still maintaining a compact equipment size. Two models will be presented in this thesis. The first one is the Polarized-Input Polarized-Output (PIPO) channel model, the second one is the Polarized-Diffuse-Directional channel model. The PIPO model is a statistical channel model for tri-polarized to tri-polarized communication systems. A tri-polarized antenna system is a tranceiver using three perpendicular antennas. The aim of the PIPO channel model is to have a model that has a simple mathematical structure, so it can be used for solving precoding equations or capacity calculations. Although the PIPO model has a very simple structure, it takes the following parameters into account: coherent channel component, cross-polar channel power imbalance, inter-channel correlation, short- and long-scale time variance. Experimental measurements are used to parameterize the model. It is shown how the model parameters are extracted from experimental measurements, and the results are analyzed to allow further simplification of the model. The PDD model, on the other hand, is a geometry-based stochastic channel model. It models the channel as a sum of clusters, where each cluster consists of groups of multipath components (MPCs). The PDD model includes two novelties that will be developed in detail in this thesis. - The model considers polarization on a per-cluster basis. This permits to have a more accurate description of the polar-angular spectrum. - The diffuse multipath component (DMC) is included by considering a diffuse component for each cluster. The diffuse cluster component is then modeled as the sum of a set of diffuse MPCs. The model is specified in detail, and it is shown how the model can be generated. Experimental measurements were carried out to parameterize the model. A new extraction technique for extracting the specular-diffuse clusters from the measurements is proposed. This technique is based on joint clustering of the specular MPCs and the bins of the diffuse component. The experimental results are analyzed, and superimposed with environment information to gain further insight into the physical aspects of clustered propagation. Finally, both models are validated. Several validation metrics are introduced, and their pertinence in the context of polarized MIMO systems is highlighted. Both models are successfully validated, and the advantages and limitations of each models are investigated. Cette thèse traite des modèles de canal pour systèmes sans-fils multi-antennes polarisés. Des systèmes multi-antennes polarisés sont des systèmes qui utilisent des antennes polarisées perpendiculairement co-localisées à la station de base et au terminal mobile, dans le but de bénéficier de la diversité de polarisation. De tels systèmes peuvent bénéficier des avantages des systèmes MIMO tout en diminuant l'encombrement des équipements. Deux modèles seront présentés dans cette thèse. Le premier est le modèle Polarized-Input Polarized-Output (PIPO), le second est le modèle Polarized-Diffuse-Directional (PDD). Le modèle PIPO est un modèle statistique pour des systèmes de communication tri-polaire à tri-polaire. Un système tri-polaire est un émetteur ou un récepteur qui utilise trois antennes perpendiculaires. Le but du modèle de canal PIPO est d'avoir un modèle qui a une structure mathématique simple, afin qu'il puisse être utilisé pour résoudre des équations de précodage ou des calculs de capacité. Malgré la structure simple du modèle PIPO, il tient compte des paramètres suivants: la composante cohérente du canal, les différences de puissance entre canaux cross-polaires, la corrélation entre canaux, les variations à courte et à longue échelle de temps. Des mesures expérimentales ont été réalisées afin de paramétriser le modèle. Les techniques pour extraire les paramètres du modèle des mesures expérimentales sont présentées, et les résultats sont analysés afin de permettre une simplification supplémentaire du modèle. Le modèle PDD, quant à lui, est un modèle de canal stochasique-géométrique. Il modélise le canal comme une somme de clusters, où chaque clusters est composé d'un groupe de chemins multi-trajets. Le modèle PDD inclut les deux nouveautés suivantes qui seront développées en détail dans cette thèse. - Le modèle considère une polarisation par cluster. Ceci permet d'avoir une description plus exacte du spectre angulaire-polaire. - La composante diffuse est prise en compte en incluant une composante diffuse pour chaque cluster. La composante diffuse d'un cluster est alors modelisée comme une somme de multi-trajets diffus. Le modèle est spécifié en détail, et il est présenté comment le modèle peut être généré. Des mesures expérimentales ont été faites afin de paramétriser le modèle. Une nouvelle technique d'extraction est proposée pour extraire les clusters spéculaires-diffus. Cette technique est basée sur le clustering conjoint des multi-trajets spéculaires et des "bins" de la composante diffuse. Les résultats expérimentaux sont analysés, et superposés avec l'information de l'environnement de mesure afin d'avoir une connaissance accrue des aspects physiques de la propagation par clusters. Finalement, les deux modèles sont validés. Plusieurs métriques de validations sont introduites, et leur pertinence dans le cadre des systèmes MIMO polarisés est mis en avant. Les deux modèles sont validés avec succès, et les avantages et limitations de chaque modèle sont investigués.

Abstract This dissertation presents complete parameterizations for a three-dimensional (3-D) geometry-based stochastic radio channel model (GSCM) at 10 GHz based on measurement campaigns. The thesis is divided into the following main parts: radio channel measurements, the characterization of model parameters, and model validation. Experimental multiple-input multiple-output (MIMO) channel measurements carried out in two-story lobby and urban small cell scenarios are first described. The measurements were performed with a vector network analyzer and dual polarized virtual antenna arrays with a bandwidth over 500 MHz. The measurement data was post-processed using the ESPRIT algorithm and the post-processed data was verified using a semi-deterministic map-based model. The results showed a good match between estimated and modeled multipath components (MPCs). In addition, single-input single-output outdoor-to-indoor measurements were executed through a standard multi-pane glass window and concrete wall. A statistical analysis was carried out for defining full 3-D characterization of the propagation channel in both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) propagation conditions. The delay and angular dispersions of MPCs are smaller in comparison to lower frequency bands due to the higher attenuation of the delayed MPCs. Moreover, specular reflection is observed to be the more dominant propagation mechanism in comparison to diffuse scattering, leading to smaller cluster angle spreads in comparison to lower frequency bands. The penetration loss caused by a standard multi-pane glass window is on the same level as in the lower frequency bands, whereas the loss caused by the concrete wall is a few dBs higher than at lower frequency bands. Finally, the GSCM with determined parameters is validated. A MIMO channel was reconstructed by embedding 3-D radiation patterns of the antennas into the propagation path estimates. Equivalently the channel simulations were performed with a quasi deterministic radio channel generator (QuaDRiGa) using the defined parameters. The channel capacity, Demmel condition number, and relative condition numbers are used as the comparison metrics between reconstructed and modeled channels. The results show that the reconstructed MIMO channel matches the simulated MIMO channel well. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja esittää parametroinnit kolmiulotteiselle geometriaan perustuvalle stokastiselle radiokanavamallille 10 GHz:n taajuusalueella perustuen mitattuun radiokanavaan. Väitöskirja koostuu kolmesta pääalueesta: radiokanavamittaukset, radiokanavamallin parametrien määrittäminen ja mallin validointi. Aluksi kuvataan kaksikerroksisessa aula ja kaupunkipiensolu ympäristöissä monilähetin monivastaanotin (MIMO) järjestelmällä tehdyt kanavamittaukset. Mittaukset tehtiin vektoripiirianalysaattorilla ja kaksoispolaroiduilla virtuaaliantenniryhmillä 500 MHz kaistanleveydellä. Mittausdata jälkikäsiteltiin käyttämällä ESPRIT-algoritmia ja jälkikäsitelty data varmennettiin osittain deterministisellä mittausympäristön karttaan pohjautuvalla radiokanavamallilla. Tulokset osoittivat hyvän yhteensopivuuden mitattujen ja mallinnettujen moniteiden välillä. Lisäksi toteuttiin yksi-lähetin yksi-vastaanotin mittaukset ulko-sisä etenemisympäristössä monikerroksisen lasin ja betoniseinän läpi. Tilastollinen analyysin avulla määritettiin täysi kolmiulotteinen kuvaus radioaallon etenemiskanavasta näköyhteys ja näköyhteydettömässä tilanteissa. Moniteiden suuremmista vaimennuksista johtuen viive ja kulmahajonnat ovat pienemmät verrattaessa matalempiin taajuuksiin. Peiliheijastus on diffuusisirontaa merkittävämpi radioaallon etenemismekanismi johtaen pienempiin klustereiden kulmahajeisiin matalempiin taajuuksiin verrattuna. Monikerroksisen lasin läpäisyvaimennus on samankaltainen kuin alemmilla taajuuksilla, kun sitä vastoin betoniseinän vaimennus on muutaman desibelin suurempi kuin alemmilla taajuuksilla. Lopulta geometriaan perustava stokastinen radiokanavamalli validoidaan määritellyillä parametreilla. MIMO kanava uudelleen rakennetaan lisäämällä kolmiulotteiset antennien säteilykuviot estimoituihin radioaallon etenemisteihin. Vastaavasti radiokanava simuloidaan näennäisesti deterministisellä radiokanavageneraattorilla (QuaDRiGa) käyttäen määriteltyjä mallin parametreja. Kanavakapasiteettia, Demmel ehtolukua ja suhteellista ehtolukua käytetään vertailumittareina uudelleen rakennetun ja simuloidun kanavan välillä. Tulosten perusteella uudelleen rakennettu MIMO kanava on yhteensopiva simuloidun radiokanavan kanssa.

A modelagem computacional tem se tornado uma poderosa ferramenta utilizada mundialmente em pesquisas sobre sistemas de comunicação móvel. Em tais sistemas, a modelagem do canal é fator indispensável, pois as características de mobilidade e propagação presentes nesse tipo de sistema são responsáveis por distorções ocorridas sobre o sinal transmitido. O presente trabalho reúne os principais modelos matemáticos e computacionais de canal de comunicação móvel. Realiza-se uma abordagem histórica sobre o assunto, apresentado a natureza do problema do desvanecimento e a forma como foi modelado inicialmente. Por outro lado, apresentam-se modelos recentes, considerados eficazes do ponto de vista matemático e eficientes do ponto de vista computacional. O trabalho traz como contribuição a proposta de um novo modelo de canal com desvanecimento. Os modelos apresentados foram analisados do ponto de vista matemático por meio de suas propriedades estatísticas. Do ponto de vista numérico e computacional a análise se deu por meio de simulações. A principal conclusão obtida mostra que dois modelos com filtragem no domínio da freqüência, sendo um deles o novo modelo proposto, são os mais indicados para simular formas de onda que representem um canal com desvanecimento Rayleigh. Este trabalho tem a pretensão de ser útil para pesquisadores atuantes na área de modelagem e simulação de sistemas atuais de comunicação móvel. / Computational modelling is a powerful and widely used tool for research in mobile communication systems. In such systems, the communication channel modelling is an indispensable factor, because its mobility and propagation characteristics can cause distortion over the transmitted waveform. This work contains the main mathematical and computing communication channel models. A historical cover is provided, which presents the nature of the problem and the initial modelling of the fading phenomenon. On the other hand, recent models are presented, which are mathematically effective and computationally efficient. One contribution of this work is the proposal of a new fading channel computational model, which was suitably tested and validated. The presented models were mathematically analyzed through its statistical properties. From numerical and computational point of view, the models were analyzed through several simulations. The main conclusion, from analytical and simulated results, shows that two models using frequency filtering are the best choice for the generation of multiple uncorrelated Rayleigh fading waveforms, where one of them is the new proposed model. This work can help mobile communications researchers to suitably model the communication channel in a computer simulation.

A modelagem computacional tem se tornado uma poderosa ferramenta utilizada mundialmente em pesquisas sobre sistemas de comunicação móvel. Em tais sistemas, a modelagem do canal é fator indispensável, pois as características de mobilidade e propagação presentes nesse tipo de sistema são responsáveis por distorções ocorridas sobre o sinal transmitido. O presente trabalho reúne os principais modelos matemáticos e computacionais de canal de comunicação móvel. Realiza-se uma abordagem histórica sobre o assunto, apresentado a natureza do problema do desvanecimento e a forma como foi modelado inicialmente. Por outro lado, apresentam-se modelos recentes, considerados eficazes do ponto de vista matemático e eficientes do ponto de vista computacional. O trabalho traz como contribuição a proposta de um novo modelo de canal com desvanecimento. Os modelos apresentados foram analisados do ponto de vista matemático por meio de suas propriedades estatísticas. Do ponto de vista numérico e computacional a análise se deu por meio de simulações. A principal conclusão obtida mostra que dois modelos com filtragem no domínio da freqüência, sendo um deles o novo modelo proposto, são os mais indicados para simular formas de onda que representem um canal com desvanecimento Rayleigh. Este trabalho tem a pretensão de ser útil para pesquisadores atuantes na área de modelagem e simulação de sistemas atuais de comunicação móvel. / Computational modelling is a powerful and widely used tool for research in mobile communication systems. In such systems, the communication channel modelling is an indispensable factor, because its mobility and propagation characteristics can cause distortion over the transmitted waveform. This work contains the main mathematical and computing communication channel models. A historical cover is provided, which presents the nature of the problem and the initial modelling of the fading phenomenon. On the other hand, recent models are presented, which are mathematically effective and computationally efficient. One contribution of this work is the proposal of a new fading channel computational model, which was suitably tested and validated. The presented models were mathematically analyzed through its statistical properties. From numerical and computational point of view, the models were analyzed through several simulations. The main conclusion, from analytical and simulated results, shows that two models using frequency filtering are the best choice for the generation of multiple uncorrelated Rayleigh fading waveforms, where one of them is the new proposed model. This work can help mobile communications researchers to suitably model the communication channel in a computer simulation.

This thesis treats of channel models for polarized multi-antenna wireless systems. Polarized multi-antenna systems are systems that use perpendicularly polarized, co-located antennas at the base station and at the mobile terminal, in order to benefit from the so-called polarization diversity. Such systems benefit from the advantages of MIMO systems while still maintaining a compact equipment size. Two models will be presented in this thesis. The first one is the Polarized-Input Polarized-Output (PIPO) channel model, the second one is the Polarized-Diffuse-Directional channel model. <p><p>The PIPO model is a statistical channel model for tri-polarized to tri-polarized communication systems. A tri-polarized antenna system is a tranceiver using three perpendicular antennas. The aim of the PIPO channel model is to have a model that has a simple mathematical structure, so it can be used for solving precoding equations or capacity calculations. Although the PIPO model has a very simple structure, it takes the following parameters into account: coherent channel component, cross-polar channel power imbalance, inter-channel correlation, short- and long-scale time variance. <p>Experimental measurements are used to parameterize the model. It is shown how the model parameters are extracted from experimental measurements, and the results are analyzed to allow further simplification of the model. <p><p>The PDD model, on the other hand, is a geometry-based stochastic channel model. It models the channel as a sum of clusters, where each cluster consists of groups of multipath components (MPCs). The PDD model includes two novelties that will be developed in detail in this thesis. <p>- The model considers polarization on a per-cluster basis. This permits to have a more accurate description of the polar-angular spectrum. <p>- The diffuse multipath component (DMC) is included by considering a diffuse component for each cluster. The diffuse cluster component is then modeled as the sum of a set of diffuse MPCs. <p>The model is specified in detail, and it is shown how the model can be generated. <p>Experimental measurements were carried out to parameterize the model. A new extraction technique for extracting the specular-diffuse clusters from the measurements is proposed. This technique is based on joint clustering of the specular MPCs and the bins of the diffuse component. The experimental results are analyzed, and superimposed with environment information to gain further insight into the physical aspects of clustered propagation. <p><p>Finally, both models are validated. Several validation metrics are introduced, and their pertinence in the context of polarized MIMO systems is highlighted. Both models are successfully validated, and the advantages and limitations of each models are investigated. <p><p>Cette thèse traite des modèles de canal pour systèmes sans-fils multi-antennes polarisés. Des systèmes multi-antennes polarisés sont des systèmes qui utilisent des antennes polarisées perpendiculairement co-localisées à la station de base et au terminal mobile, dans le but de bénéficier de la diversité de polarisation. De tels systèmes peuvent bénéficier des avantages des systèmes MIMO tout en diminuant l'encombrement des équipements. Deux modèles seront présentés dans cette thèse. Le premier est le modèle Polarized-Input Polarized-Output (PIPO), le second est le modèle Polarized-Diffuse-Directional (PDD). <p><p>Le modèle PIPO est un modèle statistique pour des systèmes de communication tri-polaire à tri-polaire. Un système tri-polaire est un émetteur ou un récepteur qui utilise trois antennes perpendiculaires. Le but du modèle de canal PIPO est d'avoir un modèle qui a une structure mathématique simple, afin qu'il puisse être utilisé pour résoudre des équations de précodage ou des calculs de capacité. Malgré la structure simple du modèle PIPO, il tient compte des paramètres suivants: la composante cohérente du canal, les différences de puissance entre canaux cross-polaires, la corrélation entre canaux, les variations à courte et à longue échelle de temps. Des mesures expérimentales ont été réalisées afin de paramétriser le modèle. Les techniques pour extraire les paramètres du modèle des mesures expérimentales sont présentées, et les résultats sont analysés afin de permettre une simplification supplémentaire du modèle. <p><p>Le modèle PDD, quant à lui, est un modèle de canal stochasique-géométrique. Il modélise le canal comme une somme de clusters, où chaque clusters est composé d'un groupe de chemins multi-trajets. Le modèle PDD inclut les deux nouveautés suivantes qui seront développées en détail dans cette thèse. <p>- Le modèle considère une polarisation par cluster. Ceci permet d'avoir une description plus exacte du spectre angulaire-polaire. <p>- La composante diffuse est prise en compte en incluant une composante diffuse pour chaque cluster. La composante diffuse d'un cluster est alors modelisée comme une somme de multi-trajets diffus. <p>Le modèle est spécifié en détail, et il est présenté comment le modèle peut être généré. Des mesures expérimentales ont été faites afin de paramétriser le modèle. Une nouvelle technique d'extraction est proposée pour extraire les clusters spéculaires-diffus. Cette technique est basée sur le clustering conjoint des multi-trajets spéculaires et des "bins" de la composante diffuse. Les résultats expérimentaux sont analysés, et superposés avec l'information de l'environnement de mesure afin d'avoir une connaissance accrue des aspects physiques de la propagation par clusters. <p><p>Finalement, les deux modèles sont validés. Plusieurs métriques de validations sont introduites, et leur pertinence dans le cadre des systèmes MIMO polarisés est mis en avant. Les deux modèles sont validés avec succès, et les avantages et limitations de chaque modèle sont investigués. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished