Al llarg d'aquesta última dècada, s'ha produit un creixement constant en la demanda d'elevades taxes de transmissió de dades que han de suportar les aplicacions sobre comunicacions sense fils. Entre les diferents solucions ideades per la comunitat recercaire per tal de fer front a aquesta nova demanda, la utilització de múltiples antenes s'erigeix com una de les millors candidates degut al fet que proporciona simultàniament una millora en les taxes de transmissió i en la fiabilitat en la recepció de les dades. L'ús d'antenes múltiples en un dels extrems de la comunicació data de la dècada dels seixanta, nogensmenys ha estat en aquests últims anys quan s'ha pogut provar, tant en els camps teòric com pràctic, tot el potencial que possibilita la presència de múltiples antenes en ambdós extrems de la comunicació.El disseny adequat de sistemes de comunicació amb múltiples antenes per satisfer aquesta demanda no només depèn de la funció de mèrit (o de la mètrica de rendiment) escollida, sinó que també es veu afectat per la quantitat i la qualitat de la informació de l'estat del canal que es troba disponible als extrems de la comunicació. Aquesta tesi tracta sobre l'anàlisi i el disseny d'arquitectures per sistemes de comunicació amb múltiples antenes i amb diferents nivells de quantitat i qualitat de la informació de l'estat del canal. La secció d'anàlisi es centra en l'estudi de la capacitat i les taxes de transmissió assolibles per aquests tipus de sistemes de comunicació i la part de disseny queda més encarada a la síntesi de sistemes de comunicació pràctics amb l'objectiu de maximitzar el rendiment d'acord amb la mètrica de rendiment escollida.Primerament, l'atenció es centra en sistemes de comunicació amb múltiples antenes per a un únic usuari amb informació perfecte de l'estat del canal, que suposa una idealització dels sistemes pràctics que s'empren en la realitat. En aquest context, es revisen resultats de capacitat que són ben coneguts, i es caracteritza, a més, un transmissor lineal dissenyat per tal de maximitzar la fiabilitat de l'enllaç sense fils amb múltiples antenes. Addicionalment, s'apunten una sèrie d'analogies entre el disseny del transmissor lineal òptim i la teoria de construcció de constel.lacions de símbols.En segon lloc, es roman en un escenari de comunicacions amb un únic usuari i es considera el cas on la informació sobre l'estat del canal és incompleta. En aquest cas, es presenta un anàlisi detallat sobre la capacitat a través de les formulacions ergòdica i composta (compound), les quals prenen significat depenent del model utilitzat per caracteritzar el canal. Mentres que en canals ràpidament variants la capacitat ergòdica és la mesura clau de les taxes de transmissió assolibles per qualsevol sistema de comunicació, en canals fixos o de variació lenta, és la capacitat composta, la que mesura la mínima taxa de transmissió assolible de forma sostinguda durant la transmissió del missatge.Seguidament, es considera el cas on la informació disponible sobre l'estat del canal és imperfecta. Precisament, es discorre sobre un sistema de comunicació pràctic anomentat Precodificador Espacial de Tomlinson i Harashima i s'estudien les seves potencialitats en termes de taxes de transmissió assolibles. Gràcies a l'arquitectura versàtil del Precodificador Espacial de Tomlinson i Harashima l'esmentat estudi es duu a terme tant per escenaris amb un únic usuari com per escenaris amb múltiples usuaris. Per aquests dos casos, es presenta així doncs un disseny que és robust a les incerteses de la informació de l'estat del canal i que té per objectiu minimitzar les pèrdues de taxa de transmissió d'informació.Finalment, restant en un escenari amb múltiples usuaris amb coneixement imperfecte de l'estat del canal, es presenta una arquitectura de transmissió que és robusta a les incerteses de la informació sobre l'estat del canal disponible tant en el transmisor com en el receptor. La variable per al disseny robust és la distribució de potència entre els símbols d'informació destinats a cada usuari, i el criteri d'optimització és minimitzar la potència total transmesa, tot garantint una determinada qualitat de servei per cada usuari i per qualsevol possible realització del canal que sigui compatible amb la informació disponible sobre l'estat del canal. / During the last decade, there has been a steady increase in the demand of high data rates that are to be supported by wireless communication applications. Among the different solutions that have been proposed by the research community to cope with this new demand, the utilization of multiple antennas arises as one of the best candidates due to the fact that it provides both an increase in reliability and also in information transmission rate. Although the use of multiple antennas at the receiver side dates back from the sixties, the full potential of multiple antennas at both communication ends has been both theoretically and practically recognized in the last few years.The design of proper multi-antenna communication systems to satisfy the high data rates demand depends not only on the chosen figure of merit or performance metric, but also on the quantity and the quality of the channel state information that is available at the communication ends. In this dissertation we deal with the analysis and design of different architectures for multiple-antenna communication systems for various degrees of quality and quantity of channel state information. The analysis section is devoted to the study of capacity and achievable rates and the part that deals with design is aimed at the synthesis of practical communication systems that maximize a certain performance measure.Firstly, we focus our attention on multiple antenna single-user communication systems with perfect channel state information, which is an idealization of actual practical systems. In this context, we review well known capacity results and deal with the practical characterization of a linear transmitter that is designed to maximize the reliability of the wireless multi-antenna link. Some analogies between the optimal linear transmitter design and the theory of constellation construction are also pointed out.Secondly, we stay in a single-user scenario and we move onto the case where the channel state information is incomplete. In this case, a detailed capacity analysis is presented dealing with the ergodic and compound capacity formulations, which arise depending on the model utilized to characterize the channel. While in rapidly varying channels the ergodic capacity is a key measure of the rates that can be achieved by any communication system, in slow varying or fixed channels the compound capacity measures the minimum transmission rate that can be sustained during the transmission of the message.Next, we shift to the case where the available channel state information is imperfect. Precisely, we deal with a practical communication system called spatial Tomlinson-Harashima precoder and study its achievable rate capabilities. Due to the versatile architecture of the spatial Tomlinson-Harashima precoder we are able to perform the study for the single and multi-user scenarios. For both cases, a design is presented which is robust to the uncertainties of the channel state information and which is aimed at maximizing the transmission rate.Finally, staying in the multi-user scenario with imperfect channel state information, we present a transmission architecture that is robust to the uncertainties of the side information that is available at both the transmitter and the receiver. The robustness criterion is to minimize the transmitted power while guaranteeing a certain quality of service per user for every possible realization of the channel that is compatible with the available channel state information.

Esta tesis aborda el problema del diseño de sistemas multiantena, donde el caso más general corresponde a un canal multi-input-multi-output (MIMO) con un transmisor y un receptor con más de una antena. La ventaja de estos sistemas es que ofrecen un rendimiento mucho mejor que los de una única antena, tanto en términos de calidad en la transmisión como en capacidad entendida como número de usuarios a los que se les puede prestar servicio simultáneamente.El objetivo es diseñar conjuntamente el transmisor y el receptor, lo que depende directamente de la calidad y la cantidad de información del canal de la que se dispone. En esta tesis se analiza el impacto de dicha información en el diseño.Primero se ha estudiado un sistema MIMO de un único usuario usando la modulación orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) y asumiendo un conocimiento perfecto del canal en ambos extremos. La arquitectura propuesta se basa en conformación conjunta por portadora, calculándose los conformadores óptimos y proponiéndose diversas estrategias de distribución de potencia entre las portadoras con una baja complejidad. Se han analizado también las relaciones asintóticas de estas distribuciones de potencia con otras soluciones clásicas con mayor coste.El diseño anterior se ha extendido a sistemas MIMO multiusuario, donde todos los terminales en el escenario tienen más de una antena y la información del canal es perfecta. El objetivo es la minimización de la potencia total transmitida sujeto a restricciones de tasa de error máxima para cada enlace. El problema matemático obtenido es no convexo, por lo que estrategias clásicas basadas en algoritmos de gradiente o de optimización sucesiva pueden llevar a soluciones subóptimas. Como posible alternativa se ha propuesto la aplicación de simulated annealing, una potente herramienta heurística y estocástica que permite hallar el diseño global óptimo incluso cuando el problema es no convexo.Los errores en la información de canal disponible pueden empeorar el rendimiento del sistema si éstos no se tienen en cuenta explícitamente durante el diseño. La degradación del sistema MIMO-OFDM de un único usuario se ha estudiado en esta situación, obteniendo una expresión analítica de una cota superior de la máxima degradación relativa de la relación señal a ruido más interferencia.El rendimiento se puede mejorar usando técnicas robustas que tengan en cuenta la presencia de dichos errores. Existen dos aproximaciones clásicas: las Bayesianas y las maximin. En las soluciones Bayesianas el problema se formula estadísticamente, donde el objetivo es optimizar el valor medio de una función de rendimiento promediada sobre la estadística del canal real condicionado a su estimación. Por otro lado, los diseños maximin se caracterizan por optimizar el peor rendimiento para cualquier posible error en la información del canal dentro de una cierta región de incertidumbre que modela el conocimiento imperfecto del mismo.Se han mostrado dos ejemplos de diseños Bayesianos. Primero, una distribución de potencia en un sistema OFDM de una única antena que minimiza el valor medio de una cota superior de la tasa de error, y después un diseño de un transmisor multiantena con un banco de filtros que maximiza la relación señal a ruido media (SNR) o minimiza el error cuadrático medio.Finalmente, se ha obtenido el diseño robusto maximin de un sistema MIMO de un único usuario donde en el transmisor se combinan un código bloque ortogonal espacio-tiempo, una distribución de potencia y un banco de conformadores correspondientes a los modos espaciales del canal estimado. La distribución de potencia se ha diseñado acorde a una región de incertidumbre para el error en la estimación de canal de manera que se maximiza la peor SNR en dicha región. Posteriormente, este diseño se ha extendido al caso de modulaciones adaptativas y multiportadora, mostrando que el rendimiento es mejor que para los códigos bloque otrogonales y la conformación no robusta. / This Ph.D. dissertation addresses the design of multi-antenna systems, where the most general case corresponds to a transmitter and a receiver with more than one antenna, i.e., a multiple-input-multiple-output (MIMO) channel. The main advantage is that they can provide a much better performance than single-antenna systems, both in terms of transmission quality and system capacity, i.e., number of users that can be served simultaneously.The objective is to carry out a joint transmitter-receiver design, which depends directly on the quantity and the quality of the available channel state information (CSI). In this dissertation, the impact of the CSI on the design has been analyzed.First, a single-user MIMO communication system has been designed assuming the use of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation and according to a perfect CSI at both sides. The proposed architecture is based on a joint beamforming approach per carrier. The optimum beamvectors have been calculated and several power allocation strategies among the subcarriers have been derived. These power allocation solutions have been shown to be asymptotically related to other classical designs but with a much lower computational load.The previous design has been extended to multi-user communications, where the multi-antenna terminals in the scenario have a perfect CSI. The objective is the minimization of the total transmit power subject to maximum bit error rate (BER) constraints for each link. The mathematical optimization problem is non-convex and, therefore, classical solutions based on gradient search or alternate & maximize schemes may find a local suboptimum design. As a possible solution, the application of the simulated annealing technique has been proposed, a powerful stochastic optimization tool able to find the global optimum design even when the problem is non-convex.The errors in the available CSI may decrease importantly the system performance if they are not taken into account explicitly in the design. This degradation has been studied for the single-user MIMO-OFDM system. An analytical expression of an upper-bound on the maximum relative signal to noise plus interference ratio degradation has been found.The system performance can be improved when exploiting an imperfect CSI by using adequate robustness strategies. Two robust approaches have been proposed: the Bayesian and the maximin solutions. The Bayesian approach is a full statistical solution that optimizes the mean value of the performance function averaged over the statistics of the actual channel and the errors in the CSI. On the other hand, the maximin approach provides a design that optimizes the worst system performance for any possible error in a predefined uncertainty region.Two simple examples of Bayesian designs have been provided. First, a power allocation has been derived for an OFDM system with one transmit and one receive antenna minimizing the mean value of an upper-bound on the BER. Afterwards, a design of a multi-antenna transmitter with a bank of filters and a single-antenna receiver has been proposed, whose objective is either the maximization of the mean signal to noise ratio (SNR) or the minimization of the mean square error.Finally, a robust maximin design has been proposed for a single-user MIMO system, in which the transmitter is based on the combination of an orthogonal space time block code (OSTBC), a power allocation stage, and a set of beamformers coupling the transmission through the estimated channel eigenmodes. The power allocation has been found according to a channel estimate and an uncertainty region for the error in this estimate, so that the worst SNR for any error in the uncertainty region is maximized. This design has been then extended and applied to adaptive modulation schemes and multicarrier modulations, showing that the performance is much better than that achieved by a pure OSTBC solution or a non-robust beamforming scheme.