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Low-complexity space-time coding for multi-antenna systems and wireless relay networks

Paredes Riano, Javier Mauricio :
Low-complexity space-time coding for multi-antenna systems and wireless relay networks.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Dissertation Javier Paredes - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Low-complexity space-time coding for multi-antenna systems and wireless relay networks
Language: English
Abstract:

A rapidly growing demand on transmission rates, coverage and reliability for wireless communication systems has triggered an intensive research in the field of multi-antenna communications. The use of multi-antenna systems provides significant gains by making use of independent propagation paths between the transmitter and the receiver. Space-time coding has been recently proposed to exploit the benefits of the multi-antenna channels. In space-time code design, different tradeoffs have to be taken into account. Good codes should provide a high diversity gain and achieve the highest possible multiplexing gain. At the same time, the encoding/decoding complexity should remain as low as possible to enable computationally efficient signal processing. In this thesis, we propose high-rate high-performance space-time block coding schemes that achieve a significantly reduced maximum likelihood decoding complexity in comparison to other state-of-the-art space-time codes. In particular, we propose a 2x2 full-rate space-time code with non-vanishing determinants that achieves the optimal diversity-multiplexing gain tradeoff while using a fast maximum likelihood decoder. Furthermore, by extending the proposed strategy, we develop space-time codes for 3 and 4 transmit antennas. In certain cases, the use of multi-antenna systems can become impractical due to restrictions in hardware size and cost. As an alternative to create multi-path propagation environments, half-duplex wireless relay networks have emerged. In such networks, single antenna users cooperate to provide gains similar to that of the multi-antenna channel. Considering the initial restrictions, low-complexity distributed space-time coding schemes are required for relay systems. In the second part of the thesis, we develop a novel low-rate feedback-based distributed approach for cooperative transmission in relay networks that achieves the maximum diversity offered by the relay network, enjoys low-complexity maximum likelihood decoding, avoids long decoding delays and is applicable to any number of relays. The use of second-order channel statistics to design “long-term” power control weights is considered to further improve the performance of our approach in practical scenarios with channel links of different quality. Moreover, the proposed distributed space-time coding schemes are generalized to the non-coherent receiver case using differential transmission.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der steigende Bedarf an Übertragunsgeschwindigkeit, Verlässlichkeit und Verfügbarkeit von drahtlosen Kommunikationssystemen hat eine intensive Forschung in diesem Bereich während der letzten Jahre ausgelöst. Mehrantennensysteme ermöglichen bedeutende Performancegewinne, da sich das Signal auf unterschiedlichen unabhängigen Wegen zwischen Sender und Empfänger ausbreitet. Raum-Zeit-Codes wurden entwickelt, um die Vorteile von Mehrantennenkanälen zu nutzen. Bei dem Design von Raum-Zeit-Codes müssen unterschiedliche Tradeoffs abgewogen werden. Gute Raum-Zeit-Codes erzielen einen hohen Diversitätsgewinn und den höchst möglichen Multiplexgewinn. Gleichzeitig sollte die Komplexität für die Codierung und die Decodierung so gering wie möglich sein, um eine schnelle Signalverarbeitung zu erlauben. Im ersten Teil der Dissertation werden neuartige Raum-Zeit-Block-Codes präsentiert, die eine Maximum-Likelihood Decodierung mit niedriger Komplexität ermöglichen. Insbesondere wird ein 2x2 Raum-Zeit-Code mit maximaler Rate, niedriger Decodierungskomplexität und der Eigenschaft der nicht-verschwindenden Determinante vorgestellt. Somit erzielt dieser Raum-Zeit-Code optimale Eigenschaften für den Tradeoff zwischen Diversität und räumlichem Multiplex. Darüber hinaus wird unser Verfahren für Raum-Zeit-Codes mit 3 und 4 Sendeantennen erweitert. Aufgrund der Anforderungen an die Größe und die Kosten können Mehrantennensysteme in einigen Mobilfunkgeräten nicht angewendet werden. Um trotzdem eine Mehrwegeausbreitung zu realisieren, wurden halbduplexe Relay-Funknetzwerke vorgeschlagen, in denen mehrere Nutzer mit jeweils einer Antenne kooperieren. Die Anforderungen an diese Geräte erfordern verteilte Raum-Zeit-Codes mit niedriger Komplexität. Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit wird eine neue Technik für die niederratige rückkopplungsbasierte kooperative Übertragung in Relay-Netzwerken entwickelt, die maximale Diversität, einfache lineare Maximum-Likelihood Decodierung und kurze Decodierungsverzögerung für eine beliebige Anzahl an Nutzern ermöglicht. Um die Performance dieser Technik in praktischen Szenarien mit Kanälen unterschiedlicher Qualität zu verbessern, werden auf der Grundlage der Kanalstatistiken zweiter Ordnung “Lang-Zeit” Leistung-Gewichte berechnet. Außerdem werden durch differentielle Übertragung die vorgeschlagenen verteilten Raum-Zeit-Codes für Empfänger ohne Kanalinformation verallgemeinert.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Nachrichtentechnische Systeme
Date Deposited: 27 Jul 2009 07:56
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-14219
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Gershman, Prof. Alex B. and Vazquez, Prof. Dr. Gregori
Refereed: 2 July 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1421
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