Perfomance limits of spatial multiplexing mimo systems

• Autores: Luis García Ordoñez
• Directores de la Tesis: Alba Pagès Zamora (dir. tes.), Javier Rodríguez Fonollosa (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2009
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Vidal Manzano (presid.), Antonio Pascual Iserte (secret.), Luis Ignacio Santamaría Caballero (voc.), Xavier Mestre (voc.), Joakim Jaldén (voc.)
• Materias:
  • Matemáticas
    • Probabilidad
      • Aplicación de la probabilidad
    • Estadística
      • Análisis multivariante
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de las telecomunicaciones
      • Radiocomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Los canales multiple-input multiple-output (MIMO) proporcionan una forma abstracta y general de modelar un gran número de sistemas de comunicaciones. Los canales MIMO inalámbricos, en concreto, han despertado un gran interés en la comunidad investigadora durante la última década, puesto que aportan mejoras significativas en términos de eficiencia espectral y fiabilidad frente a los sistemas single-input single-output (SISO) tradicionales. Esta tesis se concentra en sistemas MIMO de multiplexado espacial con conocimiento perfecto de canal (CSI) en ambos lados del enlace de comunicaciones. Las técnicas de multiplexado espacial engloban a todos aquellos sistemas de transmisión MIMO que dividen el flujo de datos de entrada en múltiples subflujos independientes para transmitirlos después de forma simultánea. Cuando se posee CSI perfecto en transmisión, la adaptación de dichos subflujos al estado del canal resulta en notables mejoras de las prestaciones del sistema de comunicaciones. Dentro de esta filosofía destacan los transceptores MIMO lineales por su gran relevancia práctica. El diseño de transceptores MIMO lineales se ha abordado extensivamente en la literatura durante las tres últimas décadas bajo una gran variedad de criterios de optimización. Las prestaciones de estos esquemas, en cambio, no se han investigado analíticamente, de forma que medidas de rendimiento tales como la probabilidad de error de bit promedio (BER) y la probabilidad de outage se han evaluado mediante simulaciones numéricas, las cuales no proporcionan una visión intuitiva del comportamiento del sistema. Los análisis teóricos, en cambio, ayudan a identificar los grados de libertad en el diseño y a comprender mejor su impacto en las prestaciones obtenidas. La presente tesis parte de esta necesidad y proporciona una caracterización analítica de la BER promedio y la probabilidad de outage bajo diferentes modelos de canal. El régimen de alta relación señal a ruido (SNR) ha recibido una atención especial y las prestaciones del sistema se han investigado desde dos puntos de vista diferentes. En primer lugar, adoptando una perspectiva más práctica, hemos caracterizado las curvas de BER promedio y probabilidad de outage en términos de dos parámetros clave: la ganancia en diversidad y la ganancia de agrupación. A continuación nos hemos centrado en el marco del diversity and multiplexing tradeoff. De esta forma, hemos podido analizar conjuntamente la capacidad del sistema para tratar con la naturaleza aleatoria del canal pero, también, la capacidad de acomodar una tasa de transmisión superior cuando la SNR crece. En esta tesis se han evaluado las prestaciones de los transceptores MIMO lineales analíticamente y de forma simultánea para los modelos de canal MIMO inalámbricos más comunes, tales como el canal Rayleigh incorrelado o semicorrelado, o el canal Ricean incorrelado. Para alcanzar este objetivo, hemos obtenido una formulación general que unifica la caracterización probabilística de los autovalores de matrices aleatorias Hermíticas con una determinada estructura, que incluye los modelos de canal anteriores como casos particulares. En efecto, la formulación propuesta y los resultados obtenidos proporcionan un marco sólido para el análisis de las prestaciones de los sistemas MIMO, pero también pueden ser muy útiles en otras áreas del procesado estadístico de la señal y las comunicaciones. Finalmente, como conclusión al análisis realizado en esta tesis, se han evidenciado las limitaciones inherentes a los sistemas prácticos de multiplexado espacial con conocimiento de canal estudiados. En consecuencia, se han propuesto esquemas alternativos que tratan dichas limitaciones y superan las prestaciones de los diseños prácticos disponibles en la literatura.