On Linear Transmission Systems

Abstract

This thesis is divided into two parts. Part I analyzes the information rate of single antenna, single carrier linear modulation systems. The information rate of a system is the maximum number of bits that can be transmitted during a channel usage, and is achieved by Gaussian symbols. It depends on the underlying pulse shape in a linear modulated signal and also the signaling rate, the rate at which the Gaussian symbols are transmitted. The object in Part I is to study the impact of both the signaling rate and the pulse shape on the information rate.



Part II of the thesis is devoted to multiple antenna systems (MIMO), and more specifically to linear precoders for MIMO channels. Linear precoding is a practical scheme for improving the performance of a MIMO system, and has been studied intensively during the last four decades. In practical applications, the symbols to be transmitted are taken from a discrete alphabet, such as quadrature amplitude modulation (QAM), and it is of interest to find the optimal linear precoder for a certain performance measure of the MIMO channel. The design problem depends on the particular performance measure and the receiver structure. The main difficulty in finding the optimal precoders is the discrete nature of the problem, and mostly suboptimal solutions are proposed. The problem has been well investigated when linear receivers are employed, for which optimal precoders were found for many different performance measures. However, in the case of the optimal maximum likelihood (ML) receiver, only suboptimal constructions have been possible so far. Part II starts by proposing new novel, low complexity, suboptimal precoders, which provide a low bit error rate (BER) at the receiver. Later, an iterative optimization method is developed, which produces precoders improving upon the best known ones in the literature. The resulting precoders turn out to exhibit a certain structure, which is then analyzed and proved to be optimal for large alphabets.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Avhandlingen är uppdelad i två delar. Del I analyserar kapacitet för linjära modulationssystem med en bärvåg. Inom dessa system så skickas bitarna som en sekvens av pulser, där varje puls representerar en bit. När pulserna lanseras över kommunikationskanalen, så kommer de utsättas för reflektioner, interferens, och andra störningar. Kapaciteten är en övre gräns på antalet bitar som kan överföras under en användning av kommunikationskanalen. Den beror på pulsens form, det elektriska bruset och signaleringshastigheten, d.v.s., hastigheten som symbolerna skickas med. Målet i Del 1 är att studera effekten av dessa på kapaciteten.

Del II i avhandlingen studerar Multipel Antenna System (MIMO). I dessa system har både sändaren och mottagaren flera antenner, och detta ger upphov till flera olika signalvägar från sändaren till mottagaren.

Förhoppningen är att om en av vägarna är sämre, så kommer en annan att vara bättre. Innan signalerna skickas från sändarens antenner, så kan man modifiera signalerna på ett enkelt sätt så att varje signal anpassas till sin kanal på ett bättre sätt, vilket resulterar i flera bitar per sekund och lägre felsannolikhet. Den här tekniken ger oss trådlösa system som är billigare och mer pålitliga att använda.

Dessa modifkationer går under namnet linjär förkodning. Linjär förkodning har studerats omfattande under de fyra senaste decennierna, och har blivit ett viktigt forskningsområde inom trådlös kommunikation.

Anledningen är att det är en av de mest lovande teknikerna för att garantera billiga och pålitliga kommunikationssystem. Således är det viktigt att kunna konstruera så bra förkodare som möjligt. Konstruktionen av optimala förkodare beror på mottagarens struktur, och i fallet med linjära mottagare, så är problemet väl utrett och optimala förkodare går att konstruera. Dock under användning av en optimal mottagare (som inte är linjär), så har det hittills varit ett öppet problem om hur man hittar de optimala förkodarna. Istället så konstruerar man suboptimala förkodare, som ändå ger upphov till bra prestanda hos den optimala mottagaren. Del II i avhandlingen börjar med att föreslå nya och enkla suboptimala linjära förkodare, som ger en lägre bitfelssannolikhet hos mottagaren än de tidigare föreslagna i litteraturen.

Därefter utvecklar vi en iterativ metod, som producerar ännu bättre linjära förkodare. De erhållna förkodarna uppvisar en viss struktur, som därefter analyseras och visas vara optimal. Därmed så kan vi förklara hur man ska gå tillväga för att konstruera optimala linjära förkodare, vilket inte har varit känt hittills.

• author: Kapetanovic, Dzevdan
• supervisor: John B Anderson
• opponent: Professor Agrell, Erik, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
• keywords: MIMO systems, Precoding, Information Theory, Single Carrier Systems, Linear Modulation, Faster-than-Nyquist Signaling.
• defense location: Lecture hall E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-09-04 10:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 559f4855-221e-4049-af64-717a6dfd0c26 (old id 2688815)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:18:48
• date last changed: 2022-01-29 17:16:56