Performance of multi- antenna diversity schemes in fading channels in the presence of practical impairments

Abstract

Yeni nesil telsiz haberleşme sistemleri, artan kullanıcı sayısı ile ortaya çıkan veri trafiği yükünü, makul devre karmaşıklığı, bant genişliği ve güç tüketimi kısıtları altında ve yüksek güvenirlikle taşıyabilecek telsiz tasarımlara ihtiyaç duymaktadır. Sönümlemeli kanallarda, gerek sistem kapasitesi ve iletim hızı, gerekse haberleşme güvenirliği açısından sağladıkları büyük iyileştirmeler, anten çeşitleme tekniklerini ilgili literatürde ve dolayısıyla yeni nesil telsiz haberleşme sistemlerinin tasarımında ön plana çıkartmıştır. Literatürde, birçok çeşitleme tekniği için sunulan performans analizleri, kanal kestiriminin sorunsuz şekilde yapıldığı, (tam veya kısmi) kanal durum bilgisinin (channel state information (CSI)) verici birime geri-besleme hattında hiçbir bozulma ve gecikme olmaksızın iletildiği ideal durumlarda geçerlidir. Çeşitleme tekniklerinin kanal kestirim hatası (channel estimation error (CEE)), geribesleme gecikmesi (feedback delay (FD)) ve geribesleme hatası (feedback error (FE)) gibi pratik uyumsuzluklar varlığındaki performans analizleri, bu sistemlerin gerçek uygulamalardaki performanslarının gözlenebilmesi, telsiz haberleşme standartları için öneminin ve geçerliliğinin incelenebilmesi açısından çok büyük önem taşımaktadır. Bu tez kapsamında, verici ve/veya alıcı biriminde hibrit anten çeşitleme tekniklerini kullanan telsiz haberleşme sistemlerinin, CEE, FD ve FE gibi pratik uyumsuzlukların etkisi altında, Nakagami-m sönümlemeli kanaldaki performanslarına ilişkin ölçütlerin analizleri yapılmış ve elde edilen teorik performans ifadelerin Monte Carlo simülasyonları kullanılarak doğrulanması sağlanmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışma neticesinde, pratik uyumsuzluklar durumunda, çeşitleme tekniklerinin farklı karakteristikler sergileyen performans düşüşleri gösterdiği görülmüştür. Söz konusu performans düşüşleri her bir çeşitleme tekniği için etraflıca incelenerek, çeşitlemeli yapıların birbirleri ile karşılaştırılmaları sağlanmış ve sonrasında bazı çeşitlemeli yapılara ilişkin geliştirilen modifiye çeşitleme yapılarının pratik uyumsuzluklar durumunda, yaygın (klasik) sistemlere göre performans iyileşmeleri sağladığı gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Çok-yollu sönümleme, Anten çe¸sitlemesi, Kanal kestirim hatası, Geribesleme gecikmesi, Geribesleme hatası, Nakagami-m sönümlemeli kanallar.Next generation wireless communications systems have been requiring wireless system designs that can support the data traffic, which is brought along with the increasing number of clients, by enabling higher data rates with moderate hardware complexity, bandwidth and power consumption constraints. The substantial improvements in both the system capacity/transmission rates and the communications reliability that antenna diversity techniques provided in fading channels made them prominent in the related literature and therefore in the designs of wireless communications systems. The performance investigations on many diversity schemes that have been shown to be efficient at combating the fading effect are valid under the ideal conditions in which the channel estimation is perfect, the channel state information (CSI) (partially or fully) is sent to the transmitter with no delay and feedback error. Hence, the performance analyses of these diversity schemes in the presence of practical impairments such as channel estimation error (CEE), feedback delay (FD) and feedback error (FE) are of great importance for examining the practical performance of the diversity schemes that would show their suitability and feasibility to the real-world wireless communications applications and standards. Within the scope of this thesis, the investigation of many performance metrics related to the performances of wireless communications systems that employ hybrid diversity schemes in their transmit and/or receive ends in Nakagami-m fading channels is performed for practical impairments such as CEE, FD and FE, and the theoretical results have been validated by Monte Carlo simulations. As the result of the investigation provided in this thesis, the different performance degradation characteristics of diversity schemes are observed. By extensively examining the performance degradations of each hybrid diversity scheme, comparisons between diversity schemes are presented. Also, the modified versions of some hybrid diversity schemes which are proposed against practical conditions are shown to bring along with enhancements when compared to the conventional schemes in the presence of practical impairments. Keywords: Multi-path fading, Multi-antenna diversity, Channel estimation error, Feedback delay, Feedback error, Nakagami-m fading channels