Prostorová diverzita a časově-kmitočtová ortogonalita pro robustní bezdrátové komunikace
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Předložená disertační práce přispívá do oblasti robustních bezdrátových komunikací dvěma zásadními nově navrženými technikami. První část práce je zaměřena na vývoj a analýzu nové techniky prostorové diverzity založené na nedávno objeveném konceptu časoprostorových kódů STLC. Na rozdíl od již známého ortogonálního STLC je tento návrh založen na kvazi-ortogonální kódové struktuře, která umožňuje použití čtyř antén přijímače namísto dvou, jak je tomu u ortogonálních STLC s plnou rychlostí. Práce obsahuje rigorózní teoretickou analýzu diverzitního zisku a asymptotického zisku poměru signál-šum (SNR) u nového STLC a porovnává je s dosud známými přístupy publikovanými v oblasti STLC. Druhá část se zabývá OTFS, v současnosti prudce se rozvíjející technikou přenosu dat s více nosnými, která vykazuje vynikající výsledky zejména v bezdrátové komunikaci uživatelů s vysokou mobilitou. Zde je prezentován nový systém založený na principu OTFS, který – na rozdíl od naprosté většiny OTFS publikací – jako jeden z klíčových návrhových parametrů využívá výkonovou spektrální hustotu (PSD) vysílaného signálu. Tento systém byl pojmenován UW-OTFS, protože jeho vnější stupeň je převzat z aktuálně rozšířeného systému UW-OFDM. UW-OTFS přebírá všechny výhody UW-OFDM, včetně vylepšené bitové chybovosti (BER) a definované spektrální výkonové hustoty zaručující výrazné omezení vyzařování do sousedních kanálů. S využitím konceptu OTFS navíc zaniká hlavní nevýhoda UW-OFDM, kterou je nemožnost použít ekvalizaci typu one-tap, tedy ekvalizace s jedním koeficientem. Systém UW-OTFS je navržen tak, aby pracoval v časově variantních kanálech s neceločíselným Dopplerovským posuvem, a to především díky využití modifikace známé metody BEM. Díky této metodě jsou jak odhad kanálu, tak ekvalizace prováděny technikou LMMSE. Navržený systém je následně analyzován jak teoreticky, tak numericky, a to pomocí metody Monte Carlo.
This dissertation thesis contains several contributions in the field of robust wireless communications. The first part is focused on developing and analyzing a novel technique of spatial diversity based on the recently discovered concept of space-time line codes (STLCs). Unlike the already known orthogonal STLC, this design is based on a quasi-orthogonal code structure which allows the utilization of four receiver antennas instead of two antennas, which is the limit of the orthogonal STLC for a full rate transmission. The work provides a rigorous theoretical analysis of the diversity gain and asymptotic SNR gain of the new STLC and compares it to the benchmark STLCs. The second part deals with the orthogonal-time-frequency-space (OTFS), a popular multi-carrier waveform showing excellent performance in high-mobility wireless communications. The contribution lies in designing a new OTFS-like system, which - unlike the vast majority of OTFS literature - considers the power-spectral-density (PSD) one of the key design parameters. The novel waveform is named unique-word OTFS (UW-OTFS), because its outer stage is adopted from the popular UW-OFDM. UW-OTFS inherits all of its benefits, including the improved bit-error-ratio (BER) and superb PSD properties. Moreover, the main issue of UW-OFDM, i.e., the multiple-tap equalization, is no longer problematic in the OTFS context. The proposed UW-OTFS is designed to operate in linear time-variant (LTV) fractional-Doppler channels by utilizing a modification of the basis-expansion-model (BEM). Due to this method, both the channel estimation and equalization are performed by the linear minimum-mean-square-error (LMMSE) technique. The proposed system is analyzed both theoretically and numerically (using the Monte Carlo method) and it shows excellent performance in fractional-Doppler channels.
This dissertation thesis contains several contributions in the field of robust wireless communications. The first part is focused on developing and analyzing a novel technique of spatial diversity based on the recently discovered concept of space-time line codes (STLCs). Unlike the already known orthogonal STLC, this design is based on a quasi-orthogonal code structure which allows the utilization of four receiver antennas instead of two antennas, which is the limit of the orthogonal STLC for a full rate transmission. The work provides a rigorous theoretical analysis of the diversity gain and asymptotic SNR gain of the new STLC and compares it to the benchmark STLCs. The second part deals with the orthogonal-time-frequency-space (OTFS), a popular multi-carrier waveform showing excellent performance in high-mobility wireless communications. The contribution lies in designing a new OTFS-like system, which - unlike the vast majority of OTFS literature - considers the power-spectral-density (PSD) one of the key design parameters. The novel waveform is named unique-word OTFS (UW-OTFS), because its outer stage is adopted from the popular UW-OFDM. UW-OTFS inherits all of its benefits, including the improved bit-error-ratio (BER) and superb PSD properties. Moreover, the main issue of UW-OFDM, i.e., the multiple-tap equalization, is no longer problematic in the OTFS context. The proposed UW-OTFS is designed to operate in linear time-variant (LTV) fractional-Doppler channels by utilizing a modification of the basis-expansion-model (BEM). Due to this method, both the channel estimation and equalization are performed by the linear minimum-mean-square-error (LMMSE) technique. The proposed system is analyzed both theoretically and numerically (using the Monte Carlo method) and it shows excellent performance in fractional-Doppler channels.
Description
Citation
ZEDKA, R. Prostorová diverzita a časově-kmitočtová ortogonalita pro robustní bezdrátové komunikace [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
bez specializace
Comittee
doc. Ing. Martin Štumpf, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Aleš Prokeš, Ph.D. (člen)
Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Markus Rupp (člen)
Assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Stefan Schwarz (člen)
prof. Ing. Jan Sýkora, CSc. (člen)
doc. Ing. Jiří Hošek, Ph.D. (člen)
Prof. Ana Garcia Armada, Ph.D. - reviewer (člen)
Date of acceptance
2024-06-26
Defence
Mr. Radim Zedka delivered his presentation, where he introduced the PhD jury and the audience with the outcomes of his research on the spatial diversity and time-frequency orthogonality for robust wireless communications. His PhD research had two main objectives: (a) design and evaluation of a new full rate space time line code with four receiver antennas; (b) design and evaluation of a new waveform based on the orthogonal time frequency space.
By secret ballot, the members of the PhD jury have concluded that the objectives of the PhD research have been sufficiently met. Therefore, the candidate has fullfilled all the conditions for achieving a PhD degree.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení