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7/30/2019 Diss p1=Diversity

1/53

U N I V E R S I T Y O F C A L I F O R N I A

L o s A n g e l e s

D I V E R S I T Y C O M B I N I N G , A D A P T I V E

A N T E N N A S , A N D E Q U A L I Z A T I O N F O R

D I G I T A L R A D I O

A d i s s e r t a t i o n s u b m i t t e d i n p a r t i a l s a t i s f a c t i o n o f t h e

r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e D o c t o r o f P h i l o s o p h y

i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g

b y

E l d a d P e r a h i a


2/53

1 9 9 5

i i


3/53

c

C o p y r i g h t 1 9 9 5 b y E l d a d P e r a h i a

A l l R i g h t s R e s e r v e d


4/53

T h e d i s s e r t a t i o n o f E l d a d P e r a h i a i s a p p r o v e d .

H e n r y S a m u e l i

K u n g Y a o

T h o m a s D . W i c k e n s

G r e g o r y J . P o t t i e , C o m m i t t e e C h a i r

U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , L o s A n g e l e s

1 9 9 5

i i


5/53

D e d i c a t i o n

i i i


6/53

C o n t e n t s

D e d i c a t i o n i i i

L i s t o f A b b r e v i a t i o n s x i i

L i s t o f S y m b o l s x i v

G l o s s a r y x v i i

A c k n o w l e d g m e n t s x x i i

V I T A x x i i i

P u b l i c a t i o n s x x i i i

A b s t r a c t x x i v

1 I n t r o d u c t i o n 1

1 . 1 T h e R a d i o E n v i r o n m e n t a n d I n t e r f e r e n c e : : : : : : : : : : : : : : : 5

1 . 2 C o m m u n i c a t i o n s S y s t e m s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8

1 . 3 D i v e r s i t y C o m b i n i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1

1 . 4 I n t e r f e r e n c e C a n c e l l a t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 6

1 . 4 . 1 I n t e r s y m b o l I n t e r f e r e n c e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 6

i v


7/53

1 . 4 . 2 C o - C h a n n e l I n t e r f e r e n c e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 5

1 . 5 D e s c r i p t i o n o f R e s e a r c h : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 7

2 P e r f o r m a n c e o f D i v e r s i t y C o m b i n e r s f o r C o r r e l a t e d S l o w l y F l a t -

F a d i n g R a y l e i g h C h a n n e l s 3 4

2 . 1 I n t r o d u c t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 4

2 . 2 C h a n n e l M o d e l : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 5

2 . 3 R e c e i v e r S t r u c t u r e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 7

2 . 4 D i v e r s i t y C o m b i n i n g f o r C o r r e l a t e d S l o w l y F l a t - F a d i n g R a y l e i g h C h a n -

n e l s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 1

2 . 4 . 1 P S K a n d F S K : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 2

2 . 4 . 2 D P S K : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 2

2 . 4 . 3 Q A M : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 6

2 . 4 . 4 N o n - C o h e r e n t F S K : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 7

2 . 4 . 5 N o n - C o h e r e n t B i n a r y D P S K : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6 1

2 . 5 C o n c l u s i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6 3

3 I n d o o r R a d i o C h a n n e l 6 4

3 . 1 I n t r o d u c t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6 4

3 . 2 I n d o o r C h a n n e l M o d e l : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6 8

3 . 3 A d a p t i v e R e c e p t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7 6

3 . 3 . 1 M u l t i t a p D i v e r s i t y C o m b i n e r : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7 9

v


8/53

3 . 3 . 2 D i v e r s i t y C o m b i n e r F o l l o w e d b y a n E q u a l i z e r : : : : : : : : : 8 4

3 . 3 . 3 P r o b a b i l i t y o f E r r o r : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8 5

3 . 3 . 4 S i m u l a t i o n R e s u l t s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8 5

3 . 4 A d a p t i v e T r a n s m i s s i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8 7

3 . 5 L M S A d a p t a t i o n o f t h e T r a n s c e i v e r S t r u c t u r e : : : : : : : : : : : : : 9 1

3 . 5 . 1 G e n e r a l P e r f o r m a n c e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 1

3 . 5 . 2 C o n v e r g e n c e R a t e s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 4

3 . 6 A M o r e R o b u s t S y s t e m : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 9

3 . 7 C o n c l u s i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 0 4

4 J o i n t A d a p t a t i o n o f A d a p t i v e A n t e n n a s a n d P o w e r C o n t r o l 1 0 5

4 . 1 I n t r o d u c t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 0 5

4 . 2 J o i n t A d a p t a t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 0 7

4 . 3 S i m u l a t i o n s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1 0

4 . 4 C o n c l u s i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1 6

5 C o n c l u s i o n 1 1 7

A A p p e n d i x f o r C o r r e l a t e d S l o w l y F l a t - F a d i n g R a y l e i g h C h a n n e l s 1 2 0

A . 1 A p p e n d i x f o r P S K : D e r i v a t i o n o f P

e

f o r a l l M : : : : : : : : : : : : : 1 2 0

A . 2 A p p e n d i x f o r Q A M : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 2 2

A . 2 . 1 D e r i v a t i o n o f P

e

f o r S q u a r e C o n s t e l l a t i o n s : : : : : : : : : : : 1 2 2

v i


9/53

A . 2 . 2 D e r i v a t i o n o f p f o r S q u a r e C o n s t e l l a t i o n s : : : : : : : : : : : : 1 2 4


e

f o r R e c t a n g u l a r C o n s t e l l a t i o n s : : : : : : : : 1 2 7

A . 3 A p p e n d i x f o r N o n - c o h e r e n t F S K : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3 0

A . 3 . 1 D e r i v a t i o n o f P ( U

2

< U

1

j U

1

= u

1

) ]

M ; 1

: : : : : : : : : : : : : 1 3 0


e

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3 1

B I n d o o r R a d i o C h a n n e l 1 3 3

B . 1 R a y T r a c i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3 3

B . 1 . 1 P r o j e c t i o n s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3 3

B . 1 . 2 A t t e n u a t i o n b y I n n e r W a l l s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3 4

B . 2 E q u a l i z e r s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3 7

B . 2 . 1 D i v e r s i t y C o m b i n e r F o l l o w e d b y a L i n e a r E q u a l i z e r : : : : : : 1 3 7

B . 2 . 2 D i v e r s i t y C o m b i n e r F o l l o w e d b y a D e c i s i o n F e e d b a c k E q u a l i z e r 1 3 9

B . 3 P r o b a b i l i t y o f E r r o r : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 4 2

B . 4 Z e r o - F o r c i n g T r a n s m i t t e r : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 4 5

C P o w e r C o n t r o l 1 5 1

B i b l i o g r a p h y 1 5 3

v i i


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L i s t o f F i g u r e s

1 . 1 M u l t i p a t h f a d i n g s i g n a l a m p l i t u d e i s r e p r e s e n t e d b y s h a d i n g w h i t e

i n d i c a t e s s t r o n g s i g n a l , b l a c k i n d i c a t e s a d e e p f a d e . : : : : : : : : : : 7

1 . 2 C o m p a r i s o n o f e r r o r p e r f o r m a n c e b e t w e e n s i g n a l i n g i n a n A W G N

c h a n n e l v e r s u s a R a y l e i g h f a d i n g c h a n n e l w i t h d i v e r s i t y . : : : : : : : : 1 3

1 . 3 I m p r o v e m e n t o f t h e S N R f r o m a d i v e r s i t y c o m b i n e r c o m p a r e d t o o n e

c h a n n e l . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 5

1 . 4 L i n e a r e q u a l i z e r . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 8

1 . 5 E x a m p l e 1 o f a c h a n n e l i m p u l s e a n d f r e q u e n c y r e s p o n s e . : : : : : : : 2 0

1 . 6 P e r f o r m a n c e o f t h e l i n e a r e q u a l i z e r . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 1

1 . 7 D e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 2

1 . 8 E x a m p l e 2 o f a c h a n n e l i m p u l s e a n d f r e q u e n c y r e s p o n s e . : : : : : : : 2 3

1 . 9 P e r f o r m a n c e o f t h e l i n e a r e q u a l i z e r a n d a d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r

f o r a c h a n n e l w i t h a s p e c t r a l n u l l . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 4

1 . 1 0 A n t e n n a b e a m p a t t e r n w i t h i n t e r f e r e n c e f r o m ; 7 5

, ; 3 0

, a n d 6 0

. : : 2 6

2 . 1 T r a n s m i s s i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 8

2 . 2 C o h e r e n t r e c e i v e r : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 9

2 . 3 N o n - C o h e r e n t r e c e i v e r : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 0

2 . 4 P

e

v s S N R f o r s e l e c t e d v a l u e s o f L f o r P S K w i t h M = 2 a n d = : 5 : 4 7

v i i i


11/53

2 . 5 P

e

v s S N R f o r s e l e c t e d v a l u e s o f M c o m p a r i n g a p p r o x i m a t e a n a l y t i c a l

a n d s i m u l a t e d d a t a f o r P S K w i t h L = 2 a n d = : 5 : : : : : : : : : : 4 8

2 . 6 P

e

v s . S N R f o r s e l e c t e d v a l u e s o f f o r P S K w i t h M = 2 a n d L = 4 : 4 9

2 . 7 P

e


2 . 8 P

e


2 . 9 P

e

v s . S N R f o r s e l e c t e d v a l u e s o f M c o m p a r i n g a p p r o x i m a t e a n a l y t i c a l

a n d s i m u l a t e d d a t a f o r D P S K w i t h L = 2 a n d = : 5 : : : : : : : : : 5 5

2 . 1 0 P

e

v s . S N R f o r s e l e c t e d v a l u e s o f M c o m p a r i n g a p p r o x i m a t e a n a l y t i c a l

a n d s i m u l a t e d d a t a f o r Q A M w i t h L = 2 a n d = : 5 : : : : : : : : : : 5 8

3 . 1 T h e x - y p l a n e , x - z p l a n e , a n d y - z p l a n e o f a p a t h t r a v e l i n g f r o m t h e

t r a n s m i t t e r b o u n c i n g o t h e l e f t w a l l , b o t t o m w a l l , a n d c e i l i n g a n d

a r r i v i n g a t t h e r e c e i v e r . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7 0

3 . 2 P r o j e c t i o n s o f t h e p a t h o n t o t h e x - a x i s , y - a x i s , a n d z - a x i s . : : : : : : 7 1

3 . 3 O c e o o r p l a n , h e i g h t i s 5 m e t e r s w i t h a f a l s e c e i l i n g a t 4 m e t e r s . : 7 6

3 . 4 I m p u l s e r e s p o n s e w i t h 8 m e t e r t r a n s m i t t e r / r e c e i v e r s e p a r a t i o n . : : : : 7 7

3 . 5 I m p u l s e r e s p o n s e w i t h 4 0 m e t e r t r a n s m i t t e r / r e c e i v e r s e p a r a t i o n . : : : 7 8

3 . 6 M u l t i t a p d i v e r s i t y c o m b i n e r . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8 0

3 . 7 D i v e r s i t y c o m b i n e r f o l l o w e d b y a l i n e a r e q u a l i z e r . : : : : : : : : : : : 8 1

3 . 8 D i v e r s i t y c o m b i n e r f o l l o w e d b y a d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r . : : : : : 8 2

3 . 9 P r o b a b i l i t y o f e r r o r v s . r e c e i v e d S N R f o r a d a p t i v e r e c e i v e r s i m u l a t i o n . 8 6

i x


12/53

3 . 1 0 P r o b a b i l i t y o f e r r o r v s . r e c e i v e d S N R f o r a d a p t i v e t r a n s m i t t e r / r e c e i v e r

s i m u l a t i o n . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8 9

3 . 1 1 A c o m p a r i s o n o f a n a l y t i c a l a n d L M S a d a p t i v e s i m u l a t i o n s . : : : : : : 9 3

3 . 1 2 S i x u s e r s , o n e p a i r p e r c e l l D C r e c e i v e r r e c e i v e r w e i g h t s f o r t r a n s -

m i s s i o n . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 5

3 . 1 3 S i x u s e r s i n o n e c e l l D C r e c e i v e r r e c e i v e r w e i g h t s f o r t r a n s m i s s i o n . : 9 6

3 . 1 4 F o u r c o m p l e t e l y a d a p t e d u s e r s i n t h e s y s t e m , o n e n e w p a i r o f u s e r s

e n t e r s t h e s y s t e m o n e p a i r o f u s e r s p e r c e l l D C r e c e i v e r r e c e i v e r

w e i g h t s f o r t r a n s m i s s i o n . L i n e ( A ) i l l u s t r a t e s t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e

w i t h t w o p a i r s o f u s e r s . L i n e ( F ) d e m o n s t r a t e s t h e r e s u l t s w h e n a

n e w p a i r e n t e r s t h e s y s t e m w i t h o m n i d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o n . L i n e s

( B - D ) g i v e t h e r e s u l t s w h e n t h e n e w p a i r u s e t h e r e c e i v e r w e i g h t s

f o r t r a n s m i s s i o n a n d t r a i n s t h e t r a n s m i t t e r w i t h 2 0 0 , 5 0 0 , a n d 1 0 0 0

s y m b o l s , r e s p e c t i v e l y . L i n e ( E ) i s s i m i l a r e x c e p t o n l y 1 0 0 s y m b o l s a r e

u s e d f o r t r a i n i n g . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 8

3 . 1 5 A n a l y t i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s w i t h e q u a l i z a t i o n i n a n I S I s i g n a l i n g e n -

v i r o n m e n t . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 0 0

3 . 1 6 S i x u s e r s , o n e p a i r p e r c e l l D C / D F E r e c e i v e r w i t h 5 f e e d f o r w a r d t a p s

a n d 4 f e e d b a c k t a p s r e c e i v e r a n t e n n a w e i g h t s f o r t r a n s m i s s i o n . : : : : 1 0 1



x


13/53



4 . 1 P o w e r c o n t r o l s y s t e m m o d e l . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 0 8

4 . 2 I l l u s t r a t i o n o f p o w e r u s a g e f o r t h e 6 u s e r s i n t h e s y s t e m . I n i t i a l p o w e r

l e v e l b a s e d u p o n 0 d B S N R . R e c e i v e r w e i g h t s u s e d f o r t r a n s m i s s i o n . : 1 1 1

4 . 3 I l l u s t r a t i o n o f S I N R o f t h e 6 u s e r s i n t h e s y s t e m . I n i t i a l p o w e r l e v e l

b a s e d u p o n 0 d B S N R . R e c e i v e r w e i g h t s u s e d f o r t r a n s m i s s i o n . : : : : 1 1 2

4 . 4 I l l u s t r a t i o n o f p o w e r u s a g e f o r t h e 6 u s e r s i n t h e s y s t e m . I n i t i a l p o w e r

l e v e l b a s e d u p o n 2 0 d B S N R . R e c e i v e r w e i g h t s u s e d f o r t r a n s m i s s i o n . : 1 1 4

4 . 5 I l l u s t r a t i o n o f S I N R o f t h e 6 u s e r s i n t h e s y s t e m . I n i t i a l p o w e r l e v e l

b a s e d u p o n 2 0 d B S N R . R e c e i v e r w e i g h t s u s e d f o r t r a n s m i s s i o n . : : : : 1 1 5

B . 1 P r o j e c t i o n s o f t h e p a t h o n t o t h e x - a x i s f o r a l l p o s s i b l e b o u n c e c o m b i -

n a t i o n s . : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3 5

x i


14/53


15/53

P C p e r s o n a l c o m p u t e r

P M p h a s e m o d u l a t i o n

P S K p h a s e s h i f t k e y i n g

Q A M q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n

R W r e c e i v e r w e i g h t s

S I N R s i g n a l - t o - i n t e r f e r e n c e - a n d - n o i s e r a t i o

S N R s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o

U C L A U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , L o s A n g e l e s

W A M I S w i r e l e s s , a d a p t i v e , a n d m o b i l e i n f o r m a t i o n s y s t e m s

Z F z e r o - f o r c i n g

x i i i


16/53

L i s t o f S y m b o l s

e

x

, e x p x ] e x p o n e n t i a l o f x

P

s u m m a t i o n

p i

d e t (

) d e t e r m i n a n t

Q

p r o d u c t

E ] e x p e c t e d v a l u e

L

; 1

f g i n v e r s e L a p l a c e t r a n s f o r m

! f a c t o r i a l

j j a b s o l u t e v a l u e

0

B

B

B

@

x

y

1

C

C

C

A

=

x !

( x ; y ) ! y !

c o m b i n a t i o n

p

s q u a r e r o o t

j i m a g i n a r y u n i t ,

p

; 1

2

c h i - s q u a r e d d i s t r i b u t i o n

R

i n t e g r a l


17/53

s i n s i n e

c o s c o s i n e

t a n t a n g e n t

c s p e e d o f l i g h t

( )

c o m p l e x c o n j u g a t e

( )

; 1

i n v e r s e

( )

x

r a i s e d t o t h e p o w e r o f x

( )

T

t r a n s p o s e

( )

H

c o m p l e x c o n j u g a t e t r a n s p o s e

d B d e c i b e l

M H z m e g a h e r t z

@

@ x

( y ) p a r t i a l d e r i v a t i v e o f y w i t h r e s p e c t t o x

0 a l l z e r o m a t r i x

I i d e n t i t y m a t r i x

1 a l l o n e s v e c t o r

m i n ( x y ) m i n i m u m v a l u e b e t w e e n x a n d y

m a x ( x y ) m a x i m u m v a l u e b e t w e e n x a n d y

P

e

p r o b a b i l i t y o f e r r o r

P

c

p r o b a b i l i t y o f a c o r r e c t d e c i s i o n

P r o b

f gp r o b a b i l i t y

2

v a r i a n c e

x v


18/53

p ( ) p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n

L n u m b e r o f a n t e n n a s o r d i v e r s i t y o r d e r

w a v e l e n g t h

x v i


19/53

G l o s s a r y

a n t e n n a a r r a y A s e t o f a n t e n n a e l e m e n t s u s e d i n c o n j u n c t i o n f o r t r a n s m i s s i o n o r

r e c e p t i o n .

b e a m p a t t e r n T h e t r a n s m i t t i n g o r r e c e i v i n g g a i n p a t t e r n o f a n a n t e n n a o r a n t e n n a

a r r a y .

b e a m f o r m i n g S h a p i n g t h e b e a m p a t t e r n o f a n a n t e n n a a r r a y b y a d j u s t i n g c o m p l e x

w e i g h t s o n a n t e n n a e l e m e n t s .

c a p a c i t y M a x i m u m n u m b e r o f u s e r s a s y s t e m c a n s u p p o r t .

c e l l u l a r r a d i o A s y s t e m i n w h i c h a s e r v i c e a r e a i s s u b d i v i d e d i n t o s m a l l e r r e g i o n s

o r c e l l s . R a d i o f r e q u e n c i e s a r e r e u s e d i n e a c h c e l l .

c h a n n e l A s p e c i e d f r e q u e n c y o r t i m e b a n d f o r t r a n s m i s s i o n a n d r e c e p t i o n o f r a d i o

s i g n a l s .

c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ( C C I ) I n t e r f e r e n c e c a u s e d b y u s e r s c o m p e t i n g f o r t h e

s a m e c h a n n e l .

c o h e r e n t d e m o d u l a t i o n T h e c h a n n e l p h a s e s h i f t i s u s e d t o d e m o d u l a t e t h e r e -

c e i v e d s i g n a l .

x v i i


20/53

d e c i s i o n d e v i c e A d e v i c e i n w h i c h t h e e s t i m a t e o f t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l i s q u a n -

t i z e d t o t h e n e a r e s t i n f o r m a t i o n s y m b o l . I f t h e o u t p u t i s n o t i d e n t i c a l t o t h e

t r a n s m i t t e d i n f o r m a t i o n s y m b o l , a n e r r o r h a s b e e n m a d e .

d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r ( D F E ) A c o m b i n a t i o n o f a f e e d f o r w a r d a n d a f e e d -

b a c k l t e r . T h e f e e d f o r w a r d l t e r i s a l i n e a r e q u a l i z e r . T h e o u t p u t i s p a s s e d

t h r o u g h a d e c i s i o n d e v i c e a n d i s f e d b a c k t h r o u g h a n o t h e r l i n e a r e q u a l i z e r , t h e

f e e d b a c k l t e r .

d e l a y s p r e a d T h e t i m e e x t e n t b e t w e e n t h e a r r i v a l o f t h e r s t d e l a y e d r e s p o n s e a n d

t h e l a s t d e l a y e d r e s p o n s e o f a m u l t i p a t h s i g n a l .

d e m o d u l a t i o n T h e p r o c e s s i n g o f t h e c h a n n e l - c o r r u p t e d t r a n s m i t t e d w a v e f o r m t o

a s i n g l e n u m b e r r e p r e s e n t i n g a n e s t i m a t e o f t h e t r a n s m i t t e d d a t a s y m b o l .

d i v e r s i t y c o m b i n e r ( D C ) A d e v i c e w h i c h r e c e i v e s m u l t i p l e c o p i e s o f t h e t r a n s -

m i t t e d i n f o r m a t i o n , a n d t h e n c o m b i n e s t h e m t o m i t i g a t e t h e e e c t s o f c h a n n e l

f a d e s .

e q u a l - g a i n c o m b i n i n g A p p l y i n g a w e i g h t i n g f a c t o r t o t h e r e c e i v e d s i g n a l o n e a c h

c h a n n e l a n d s u m m i n g a l l t h e s i g n a l s . T h e w e i g h t i n g f a c t o r s a r e e q u a l t o u n i t y .

e q u a l i z e r A l t e r u s e d t o d e a l w i t h I S I .

f a d e , c h a n n e l A l a r g e a t t e n u a t i o n o f t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l c a u s i n g e r r o r s i n r e -

c e p t i o n .

x v i i i


21/53

a t - f a d i n g A c h a n n e l d i s t o r t i o n c a u s i n g e q u a l a t t e n u a t i o n o v e r t h e e n t i r e s i g n a l i n g

f r e q u e n c y b a n d .

f r e q u e n c y h o p p i n g U s e r s t r a n s m i t i n a s i n g l e s u b - f r e q u e n c y b a n d a n d p e r i o d i c a l l y

s w i t c h t o a d i e r e n t f r e q u e n c y b a n d .

f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l A c h a n n e l w h i c h s e v e r e l y d i s t o r t s t h e t r a n s m i t t e d

s i g n a l s i n c e t h e b a n d w i d t h t h e c h a n n e l i s s m a l l i n c o m p a r i s o n t o t h e b a n d w i d t h

o f t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l .

i m p u l s e r e s p o n s e A f u n c t i o n w h i c h d e s c r i b e s t h e o u t p u t r e s p o n s e o f a s y s t e m t o

a n i n p u t o f a n i m p u l s e .

i n t e r f e r e n c e U n d e s i r e d s i g n a l s i n t h e c o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t .

i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( I S I ) D e l a y e d m u l t i p a t h s i g n a l s i n t e r f e r i n g w i t h s u b -

s e q u e n t t r a n s m i t t e d d a t a s y m b o l s .

l e a s t - m e a n - s q u a r e ( L M S ) A n a l g o r i t h m t o i t e r a t i v e l y a d j u s t w e i g h t s b a s e d o n

t h e s t e e p e s t d e s c e n t m e t h o d .

l i n e a r e q u a l i z e r ( L E ) A l t e r w h i c h i s c o m p r i s e d o f t h e w e i g h t e d s u m o f t h e r e -

c e i v e d s i g n a l a n d p a s t r e c e i v e d s i g n a l s .

l i n e - o f - s i g h t A d i r e c t u n o b s t r u c t e d p a t h b e t w e e n a t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r .

x i x


22/53

m a x i m a l - r a t i o c o m b i n i n g A p p l y i n g a w e i g h t i n g f a c t o r t o t h e r e c e i v e d s i g n a l o n

e a c h c h a n n e l a n d s u m m i n g a l l t h e s i g n a l s . T h e w e i g h t i n g f a c t o r s a r e e q u a l t o

t h e m a g n i t u d e o f t h e c h a n n e l .

m o b i l e r a d i o A g e n e r a l c l a s s o f r a d i o c o m m u n i c a t i o n i n a n o u t d o o r e n v i r o n m e n t .

m o d u l a t i o n T h e c o n v e r s i o n o f d i g i t a l d a t a i n t o w a v e f o r m s t h a t a r e c o m p a t i b l e w i t h

t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c h a n n e l .

m u l t i p a t h T h e l a r g e s e t o f t r a n s m i s s i o n p a t h s t a k e n b y t h e r a d i o w a v e s t o t h e

r e c e i v e r d u e t o s c a t t e r i n g b y t h e t e r r a i n .

m u l t i t a p d i v e r s i t y c o m b i n e r ( M C ) A r e c e i v e r w h i c h i s c o m p r i s e d o f a l i n e a r

e q u a l i z e r o n e a c h a n t e n n a b r a n c h . T h e o u t p u t o f t h e e q u a l i z e r f o r e a c h c h a n n e l

i s s u m m e d .

n o n - c o h e r e n t d e m o d u l a t i o n T h e c h a n n e l p h a s e s h i f t i s i g n o r e d i n d e m o d u l a t i n g

t h e r e c e i v e d s i g n a l .

o m n i d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o n T r a n s m i t t i n g w i t h a n a n t e n n a o r a n t e n n a a r r a y

w i t h e q u a l g a i n i n a l l d i r e c t i o n s .

p e e r - t o - p e e r A d i r e c t l i n k b e t w e e n a t r a n s m i t t i n g a r e c e i v e r p a i r o f u s e r s , w i t h n o

i n t e r m e d i a r i e s .

x x


23/53

r a y t r a c i n g C h a n n e l m o d e l i n g b y c o m p u t i n g t h e p a t h s o f t h e t r a n s m i t t e d r a d i o

w a v e s ( r a y s ) t h a t a r r i v e a t t h e r e c e i v e r .

t r a c k i n g , c h a n n e l E s t i m a t i n g t h e c h a n n e l p h a s e s h i f t .

t r a n s c e i v e r A t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r u n i t .

x x i


24/53

A c k n o w l e d g m e n t s

I w o u l d l i k e t o e x p r e s s m y g e n u i n e g r a t i t u d e t o m y a d v i s o r G r e g o r y J . P o t t i e f o r h i s

g u i d a n c e a n d a s s i s t a n c e . T h r o u g h h i s t i r e l e s s e o r t s , P r o f e s s o r P o t t i e h a s c r e a t e d

a n e n v i r o n m e n t a t U C L A i n w h i c h h i s s t u d e n t s h a v e i n t e r e s t i n g a n d c h a l l e n g i n g

p r o b l e m s t o i n v e s t i g a t e i n t h e a r e a o f w i r e l e s s d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e o r y .

I w o u l d l i k e t o t h a n k m y f e l l o w c l a s s m a t e , C h a r l e s C . W a n g , f o r a s s i s t a n c e w i t h

C h a p t e r 4 o n p o w e r c o n t r o l . H i s r e s e a r c h w i l l e n t a i l a d e t a i l e d a n a l y s i s o n p o w e r

c o n t r o l a n d b i t a l l o c a t i o n f o r t h e W A M I S p r o j e c t . I n a d d i t i o n , I w o u l d a l s o l i k e

t o t h a n k m y f e l l o w c l a s s m a t e , C h r i s t o p h e r J . H a n s e n , f o r h i s i n s i g h t f u l a d v i c e a n d

d i s c u s s i o n s w i t h r e s e a r c h r e l a t e d t o t h e W A M I S p r o j e c t . H i s r e s e a r c h w i l l i n c l u d e

a n i n v e s t i g a t i o n o n c h a n n e l p r o b i n g f o r t h e W A M I S p r o j e c t .

I w o u l d a l s o l i k e t o t h a n k m y f r i e n d s a t M A R K R e s o u r c e s I n c . f o r t h e i r c o n t i n u a l

a s s i s t a n c e a n d s u p p o r t .

x x i i


25/53

V I T A

O c t o b e r 7 , 1 9 6 7 B o r n , S a l e m M a s s a c h u s e t t s

1 9 8 8 B . S . , E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g


L o s A n g e l e s , C a l i f o r n i a

1 9 8 8 - 1 9 9 2 S t a S c i e n t i s t

M A R K R e s o u r c e s I n c .

T o r r a n c e , C a l i f o r n i a

1 9 9 0 M . S . , E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g

U n i v e r s i t y o f S o u t h e r n C a l i f o r n i a


1 9 9 2 - 1 9 9 5 R e s e a r c h A s s i s t a n t



P u b l i c a t i o n s

E . P e r a h i a a n d G . J . P o t t i e , \ O n D i v e r s i t y C o m b i n i n g f o r C o r r e l a t e d S l o w l y F l a t -

F a d i n g R a y l e i g h C h a n n e l s , " P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n

C o m m u n i c a t i o n s , v o l . 1 , p p . 3 4 2 { 3 4 6 , 1 9 9 4 .

x x i i i


26/53

A b s t r a c t o f t h e D i s s e r t a t i o n

D i v e r s i t y C o m b i n i n g , A d a p t i v e A n t e n n a s , a n d E q u a l i z a t i o n f o r D i g i t a l R a d i o

b y

E l d a d P e r a h i a

D o c t o r o f P h i l o s o p h y i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g

U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , L o s A n g e l e s , 1 9 9 5

P r o f e s s o r G r e g o r y J . P o t t i e , C h a i r

W e c o n s i d e r t h e p r o b l e m o f h i g h p e r f o r m a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m

i n c o r p o r a t i n g m u l t i p l e a n t e n n a s . I n t h e r s t p a r t o f t h i s r e s e a r c h , w e p r e s e n t e x a c t

a n d a p p r o x i m a t e a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n s f o r t h e e r r o r p r o b a b i l i t i e s f o r c o m m u n i c a t i o n s

s y s t e m s w i t h c o h e r e n t a n d n o n - c o h e r e n t m o d u l a t i o n s c h e m e s . W e m o d e l o u r s y s t e m

w i t h c o r r e l a t e d , a t - f a d i n g R a y l e i g h c h a n n e l s w i t h a d d i t i v e w h i t e G a u s s i a n n o i s e .

O u r s o l u t i o n s h o l d f o r M - a r y s i g n a l i n g , L - o r d e r d i v e r s i t y , a n d a c o r r e l a t i o n c o e c i e n t

o f .

I n t h e s e c o n d p a r t o f t h i s r e s e a r c h , a d a p t i v e a n t e n n a a r r a y s a n d e q u a l i z e r s f o r

u s e i n t r a n s c e i v e r s f o r p e e r - t o - p e e r w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s i n l o c a l a r e a n e t w o r k s

a r e e x a m i n e d . A n e w a d a p t i v e t r a n s m i s s i o n a l g o r i t h m w h i c h u s e s r e c e i v e r d i v e r s i t y

c o m b i n e r w e i g h t s f o r t r a n s m i s s i o n i s d e v e l o p e d . T h i s m e t h o d p r o v i d e s l a r g e g a i n w i t h

a s i m p l e d e s i g n s u i t e d f o r a d i s t r i b u t e d n e t w o r k . T h e e e c t s o f n e t w o r k t o p o l o g y

x x i v


27/53

a n d c h a n n e l i z a t i o n o n c o n v e r g e n c e a r e d i s c u s s e d . J o i n t a d a p t a t i o n o f t h e a n t e n n a

a r r a y s w i t h e q u a l i z e r s a n d p o w e r c o n t r o l i s e x a m i n e d .

x x v


28/53

C h a p t e r 1

I n t r o d u c t i o n

T h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y h a s e x p e r i e n c e d e x p l o s i v e g r o w t h i n r e c e n t

y e a r s . I n o u r f a s t p a c e d w o r l d , c o r d l e s s p h o n e s , p a g e r s , m o b i l e p h o n e s , a n d p e r s o n a l

p h o n e s h a v e p r o v i d e d p e o p l e f r e e d o m a n d c o n v e n i e n c e t o c o m m u n i c a t e \ o n t h e g o " .

T h e d e c r e a s e d c o s t o f w i r e l e s s p r o d u c t s h a s e n a b l e d w i d e s p r e a d p u b l i c u s e o f w i r e l e s s

c o m m u n i c a t i o n s . I n c r e a s e d u s e h a s c a u s e d p r e s e n t c e l l u l a r s y s t e m s t o r e a c h t h e i r

c a p a c i t y . N e w d i g i t a l t e c h n o l o g y i n l o w - p o w e r p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s t r a n s c e i v e r s

( t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r ) i s n e c e s s a r y t o c o p e w i t h t h e c o n t i n u a l l y g r o w i n g c e l l u l a r

r a d i o i n d u s t r y . M o r e o v e r , c h a n g e s i n t h e r e g u l a t o r y e n v i r o n m e n t p o r t e n d a f u t u r e

w h e r e m a n y o r g a n i z a t i o n s c o m p e t e f o r l o c a l t e l e p h o n e s e r v i c e , p l a c i n g w i r e d a n d

w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s i n d i r e c t c o m p e t i t i o n . T o c o m p e t e , t h e w i r e l e s s i n d u s t r y

m u s t r e d u c e c o s t s a n d i m p r o v e q u a l i t y . B o t h o b j e c t i v e s c a n b e m e t w i t h t h e s e n s i b l e

a p p l i c a t i o n o f d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s t e c h n i q u e s .

1


29/53

T h e n e x t g e n e r a t i o n i n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s w i l l a l s o i n c l u d e w i r e l e s s c o m -

p u t e r n e t w o r k s t r a n s m i t t i n g v o i c e a n d v i d e o a s w e l l a s d a t a . O n e m o t i v a t i o n i s

t h e l a r g e c o s t a n d d i c u l t y o f r e w i r i n g o c e s f o r c o m p u t e r n e t w o r k s . I n a w i r e l e s s

n e t w o r k , p o r t a b l e c o m p u t e r s c o u l d a c c e s s a n y p e r i p h e r a l s i n c o m m u n i c a t i o n s r a n g e ,

s u c h a s p r i n t e r s a n d d i s k d r i v e s . I n a d d i t i o n , t h e p e r i p h e r a l s w o u l d n o t n e e d t o b e

c o n n e c t e d b y w i r e t o t h e n e t w o r k s e r v e r .

T h e s e s y s t e m s w i l l b e r e q u i r e d t o t r a n s m i t d a t a a t h i g h s p e e d s w i t h r e l i a b l e

p e r f o r m a n c e , c o m p a r a b l e t o a w i r e l i n e n e t w o r k . T h e t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s w i l l

b e g o v e r n e d b y t h e i n d o o r r a d i o e n v i r o n m e n t . T h e r e w i l l b e s h o r t r a n g e s b e t w e e n

t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r a s c o m p a r e d t o m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s . T h e s y s t e m s m u s t

o p e r a t e w i t h o u t l i n e - o f - s i g h t , a n d t h e y m u s t a d a p t t o s l o w c h a n g e s . I n a d d i t i o n , t h e y

m u s t b e a b l e t o c o n t e n d w i t h i n t e r f e r e n c e f r o m o t h e r u s e r s i n t h e n e t w o r k . T h i s w i l l

a l l o w c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n p o r t a b l e w i r e l e s s c o m p u t e r s i n d i e r e n t r o o m s i n a

b u i l d i n g .

T h e s y s t e m d e s i g n i s s u e s o f a d a p t i v e , h i g h b i t - r a t e , w i r e l e s s t r a n s c e i v e r s f o r t h e

i n d o o r l o c a l a r e a n e t w o r k a r e s i g n i c a n t l y d i e r e n t t h a n t h o s e o f m o b i l e c o m m u n i -

c a t i o n s . T h e s h o r t d i s t a n c e s w i l l g r e a t l y a e c t t h e t r a n s m i s s i o n e n v i r o n m e n t . W e

a r e n o t a s l i m i t e d b y p o w e r c o n s u m p t i o n a n d s i z e a s i n a m o b i l e s y s t e m , b u t r e q u i r e

h i g h e r p e r f o r m a n c e . T h e r e f o r e w e h a v e a c c e s s t o a r i c h e r a n d m o r e c o m p l i c a t e d s e t

o f c o m m u n i c a t i o n s t e c h n i q u e s t o d e l i v e r t h i s p e r f o r m a n c e .

M a j o r m u l t i d i s c i p l i n a r y r e s e a r c h p r o g r a m s i n b o t h l o w - p o w e r h a n d h e l d t r a n s c e i v e r s

2


30/53

a n d h i g h l y a d a p t i v e t r a n s c e i v e r s f o r i n d o o r c o m p u t e r n e t w o r k s h a v e b e e n e s t a b l i s h e d

a t U C L A 6 0 , 6 1 ] . O u r r e s e a r c h h a s f o c u s s e d o n a n t e n n a d i v e r s i t y c o m b i n i n g t e c h -

n i q u e s f o r i m p l e m e n t a t i o n i n t h e s y s t e m s o f t h e s e t w o p r o g r a m s . W e h a v e a n a l y z e d

m a n y a l g o r i t h m s a n d d e v e l o p e d n e w c o m b i n i n g m e t h o d s . B u t o u r a n a l y s i s m u s t g o

b e y o n d a n a n a l y t i c a l s t u d y . W e m u s t a l s o c o n s i d e r t h e p r a c t i c a l i t y o f a n i m p l e m e n -

t a t i o n . I n a d d i t i o n , w e e x a m i n e t h e i n t e r a c t i o n o f o t h e r s y s t e m c o m p o n e n t s w i t h

a n t e n n a d i v e r s i t y c o m b i n i n g .

T h e g o a l o f t h e r s t r e s e a r c h p r o j e c t w a s t o d e v e l o p a l o w - p o w e r p e r s o n a l c o m m u -

n i c a t i o n s t r a n s c e i v e r f o r w i r e l e s s d i g i t a l d a t a t r a n s m i s s i o n . I n a d d i t i o n t o i n n o v a t i v e

h a r d w a r e t e c h n o l o g i e s t o e n s u r e a l o w - p o w e r s o l u t i o n , a d v a n c e d s y s t e m s t e c h n i q u e s

w e r e d e s i g n e d t o a c h i e v e r o b u s t p e r f o r m a n c e i n a m u l t i p a t h f a d i n g e n v i r o n m e n t . A

s y n c h r o n o u s f r e q u e n c y - h o p p e d s y s t e m w a s s e l e c t e d i n s t e a d o f a s i g n i c a n t l y m o r e

c o m p l e x w i d e b a n d , d i r e c t s e q u e n c e , s p r e a d - s p e c t r u m s y s t e m w h i c h w o u l d r e s u l t i n

m u c h h i g h e r p o w e r c o n s u m p t i o n . H o w e v e r , f a s t h o p p i n g g e n e r a l l y p r e c l u d e s t h e u s e

o f a c o h e r e n t r e c e i v e r 6 0 ] . T h e r e f o r e a n o n - c o h e r e n t b i n a r y f r e q u e n c y s h i f t k e y i n g

( N C F S K ) m o d u l a t i o n s y s t e m w a s i m p l e m e n t e d w h i c h r e s u l t s i n a p e r f o r m a n c e l o s s

o f r o u g h l y 6 d B a s c o m p a r e d t o c o h e r e n t m o d u l a t i o n . H o w e v e r , i n a s y n c h r o n o u s

s y s t e m , h o p p i n g p a t t e r n s a r e a r r a n g e d t o s i g n i c a n t l y r e d u c e i n t e r f e r e n c e f r o m o t h e r

u s e r s . I n a d d i t i o n , c h a n n e l c o d i n g w i l l a l s o p r o v i d e f r e q u e n c y a n d i n t e r f e r e r d i v e r s i t y

p r o t e c t i o n . H o p p i n g o v e r n a r r o w f r e q u e n c y b a n d s c r e a t e s a a t - f a d i n g e n v i r o n m e n t ,

e l i m i n a t i n g t h e n e c e s s i t y o f a p o w e r c o n s u m i n g a d a p t i v e e q u a l i z e r . T w o a n t e n n a s

3


31/53

p r o v i d e d i v e r s i t y c o m b i n i n g t o r e d u c e t h e e e c t s o f m u l t i p a t h f a d i n g . A d a p t i v e

p o w e r c o n t r o l w a s e m p l o y e d t o m i n i m i z e t h e r e q u i r e d t r a n s m i t t e d p o w e r .

T h e g o a l o f t h e s e c o n d r e s e a r c h p r o j e c t i s t o d e v e l o p a h i g h - s p e e d w i r e l e s s

t r a n s c e i v e r f o r t h e a p p l i c a t i o n t o n o m a d i c c o m p u t i n g . T o a c h i e v e a s h i g h a d a t a

r a t e a s p o s s i b l e r e q u i r e s t h e i m p l e m e n t a t i o n o f m a n y a d v a n c e d a d a p t i v e a l g o r i t h m s

t o r e d u c e i n t e r f e r e n c e i n a s l o w l y c h a n g i n g e n v i r o n m e n t . T o c o n s e r v e b a n d w i d t h ,

q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ( Q A M ) s i g n a l i n g w i l l b e e m p l o y e d . A n a d a p t i v e

m o d u l a t o r w i l l a l l o w v a r i a b l e s i g n a l s e t s i z e s f r o m b i n a r y p h a s e s h i f t k e y i n g ( P S K )

a n d 4 - Q A M t o 6 4 - Q A M d e p e n d i n g o n c h a n n e l c o n d i t i o n s . S l o w f r e q u e n c y - h o p p i n g

w i t h a c o m b i n a t i o n o f i n t e r l e a v i n g a n d c o d i n g w i t h o r t h o g o n a l s i g n a l i n g i n c e l l s w i l l

b e u s e d t o a c h i e v e f r e q u e n c y d i v e r s i t y a n d r e d u c e c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ( C C I ) . A n -

t e n n a a r r a y s w i l l p r o v i d e d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o n t o a l s o r e d u c e C C I . I n a d d i t i o n ,

l a r g e p e r f o r m a n c e g a i n i s a c h i e v e d b y a d a p t i v e b e a m f o r m i n g w i t h a n t e n n a a r r a y s

o n r e c e p t i o n t o n u l l o u t i n t e r f e r e r s , a n d i n c r e a s e d g a i n i n t h e d i r e c t i o n o f t h e d e -

s i r e d s i g n a l . A d a p t i v e e q u a l i z e r s w i l l m i t i g a t e t h e e e c t s o f i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e

( I S I ) . A d a p t i v e p o w e r c o n t r o l w i l l r e d u c e t h e r e q u i r e t r a n s m i t t e d p o w e r l e v e l t o

a l s o l i m i t c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e . A l l t h e a d a p t i v e a l g o r i t h m s w i l l b e i m p l e m e n t e d

i n a d i s t r i b u t e d f a s h i o n t o a l l o w p e e r - t o - p e e r c o m m u n i c a t i o n w i t h o u t a c e n t r a l i z e d

b a s e s t a t i o n .

T h e r e m a i n d e r o f t h i s c h a p t e r w i l l b e d e v o t e d t o a g e n e r a l i n t r o d u c t i o n t o d i g i t a l

r a d i o c o m m u n i c a t i o n s a n d t h e i n h e r e n t d i c u l t i e s . W e b e g i n w i t h a d i s c u s s i o n t h e

4


32/53

r a d i o e n v i r o n m e n t a n d s o u r c e s o f i n t e r f e r e n c e i n S e c t i o n 1 . 1 . S e c t i o n 1 . 2 i l l u s t r a t e s

a g e n e r a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m c o m p a r i n g d i g i t a l a n d a n a l o g s y s t e m s . S e c t i o n s 1 . 3

p r o v i d e s a t u t o r i a l o n d i v e r s i t y c o m b i n i n g . A n i n t r o d u c t i o n t o i n t e r f e r e n c e c a n c e l -

l a t i o n i s g i v e n i n S e c t i o n 1 . 4 . L a s t l y , i n S e c t i o n 1 . 5 w e p r e s e n t a n o u t l i n e o f t h e

r e s e a r c h , a n d h o w t h e w o r k a d v a n c e s t h e p r e s e n t a l g o r i t h m s a n d t e c h n o l o g y .

1 . 1 T h e R a d i o E n v i r o n m e n t a n d I n t e r f e r e n c e

S u p p o s e i n f o r m a t i o n i s t o b e t r a n s m i t t e d v i a r a d i o w a v e s . M a n y s o u r c e s c r e a t e n o i s e

a n d i n t e r f e r e n c e , r e n d e r i n g r e l i a b l e r e c e p t i o n d i c u l t . I n t h i s s e c t i o n w e o u t l i n e t h e

v a r i o u s i m p a i r m e n t s , w h i l e i n l a t e r s e c t i o n s w e i n t r o d u c e t e c h n i q u e s t o r e d u c e t h e

e r r o r p r o b a b i l i t y o r i n c r e a s e t h e n u m b e r o f u s e r s w h o m a y s h a r e t h e c o m m o n b a n d

o f f r e q u e n c i e s

T h e r e c e i v e d s i g n a l i s t y p i c a l l y c o r r u p t e d b y r a n d o m n o i s e a c r o s s t h e e n t i r e f r e -

q u e n c y b a n d . T h i s i s m o d e l e d a s a n a d d i t i v e , w h i t e G a u s s i a n r a n d o m p r o c e s s o r

a d d i t i v e , w h i t e G a u s s i a n n o i s e ( A W G N ) .

I n t h e r a d i o e n v i r o n m e n t t h e r e a r e l a r g e v a r i a t i o n s i n t h e s i g n a l l e v e l , k n o w n a s

f a d i n g . T r a n s m i s s i o n d u r i n g a s e v e r e c h a n n e l f a d e w i l l c a u s e a s i g n i c a n t i n c r e a s e i n

t h e p r o b a b i l i t y o f e r r o r i n r e c e p t i o n . I n t h e m o b i l e r a d i o e n v i r o n m e n t , m a n y f a c t o r s

w i l l c a u s e a m p l i t u d e v a r i a t i o n s i n t h e r e c e i v e d s i g n a l . T h e t r a n s m i t t e d s i g n a l w i l l

f o l l o w m a n y p a t h s t o a r r i v e a t t h e r e c e i v e r , t e r m e d m u l t i p a t h .

5


33/53

T h e s e m u l t i p l e p a t h s h a v e r a n d o m a m p l i t u d e s , p h a s e s , a n d d e l a y s . T h e r e f o r e w e

c a n d e s c r i b e t h e r e c e i v e d s i g n a l , r ( t ) , a s t h e s u m o f t h e s i g n a l s o n t h e n m u l t i p l e

p a t h s . O n e a c h p a t h , t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l , u

m

( t ) , w i l l b e a t t e n u a t e d b y t h e c h a n n e l

a t t e n u a t i o n

n

( t ) a n d d e l a y e d b y a p r o p a g a t i o n d e l a y o f

n

( t ) . T h e t r a n s m i t t e d

s i g n a l w i l l e x p e r i e n c e a p h a s e s h i f t p r o p o r t i o n a l t o t h e p r o p a g a t i o n d e l a y . T h e

r e c e i v e d s i g n a l w i l l a l s o b e c o r r u p t e d b y A W G N .

r ( t ) =

X

n

n

( t ) e

; j 2 f

c

n

( t )

u

m

t ;

n

( t ) ] + z ( t ) m = 1 : : : M ( 1 . 1 )

w h e r e

n

( t ) : a t t e n u a t i o n o f t h e n

t h

p a t h

n

( t ) : d e l a y o f t h e n

t h

p a t h

f

c

: c e n t e r f r e q u e n c y

u

m

( t ) : t r a n s m i t t e d s i g n a l , m

t h

o f M s i z e s y m b o l s e t

z ( t ) : A W G N , i . i . d . , z e r o m e a n ,

2

z

= N

0

r ( t ) : r e c e i v e d s i g n a l

W i t h r a n d o m a m p l i t u d e s a n d p h a s e s , s i g n a l s c a n a r r i v e o n d i e r e n t p a t h s w i t h

s i m i l a r a t t e n u a t i o n b u t c o m p l e t e l y o u t o f p h a s e . I n t h e s e s i t u a t i o n s t h e m u l t i p a t h

6


34/53

c a n a d d d e s t r u c t i v e l y r e s u l t i n g i n t h e r e c e i v e d s i g n a l b e i n g v e r y s m a l l o r e v e n z e r o .

W i t h o u t a n y t e c h n i q u e s t o m i t i g a t e a g a i n s t t h e m u l t i p a t h f a d i n g , s y s t e m p e r f o r -

m a n c e i s s e v e r e l y d e g r a d e d . O v e r a n A W G N c h a n n e l , t h e p r o b a b i l i t y o f e r r o r d r o p s

e x p o n e n t i a l l y w i t h a n i n c r e a s e i n t h e s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o n ( S N R ) . H o w e v e r i n a

f a d i n g e n v i r o n m e n t , t h e p r o b a b i l i t y o f e r r o r o n l y d e c r e a s e s l i n e a r l y w i t h S N R . T h u s ,

a h u g e p o w e r p e n a l t y m u s t b e p a i d . T o i l l u s t r a t e , F i g u r e 1 . 1 d i s p l a y s t h e v a r i a t i o n s

i n r e c e i v e d p o w e r o v e r a r e g i o n c a u s e d b y m u l t i p a t h . W h i l e t h e d e e p f a d e r e g i o n s

( i n b l a c k ) r e p r e s e n t a s m a l l f r a c t i o n o f t h e t o t a l a r e a , t h e y d e t e r m i n e t h e e r r o r r a t e

o f t h e s y s t e m .

F i g u r e 1 . 1 : M u l t i p a t h f a d i n g s i g n a l a m p l i t u d e i s r e p r e s e n t e d b y s h a d i n g w h i t e

i n d i c a t e s s t r o n g s i g n a l , b l a c k i n d i c a t e s a d e e p f a d e .

W h e n t h e d e l a y s o f t h e m u l t i p l e p a t h s a r e l a r g e ( a d i s p e r s i v e c h a n n e l ) , t h e d e l a y e d

s i g n a l r e s p o n s e s i n t e r f e r e w i t h t h e r e c e p t i o n o f s u b s e q u e n t t r a n s m i t t e d d a t a s y m b o l s .

7


35/53

T h i s t y p e o f i n t e r f e r e n c e i s t e r m e d I S I . T o c o m p e n s a t e f o r I S I w e u s e a n e q u a l i z e r .

A n o t h e r f o r m o f i n t e r f e r e n c e i s c a u s e d b y c o m m u n i c a t i o n i n a n e n v i r o n m e n t

i n w h i c h m a n y u s e r s a r e t r a n s m i t t i n g s i m u l t a n e o u s l y o n t h e s a m e c h a n n e l . U p o n

r e c e p t i o n w e m u s t d e t e c t t h e d e s i r e d s i g n a l f r o m a m o n g a l l t h e t r a n s m i t t i n g u s e r s .

T h e i n t e r f e r e n c e f r o m o t h e r u s e r s i s t e r m e d C C I .

1 . 2 C o m m u n i c a t i o n s S y s t e m s

Input

Signal

OutputSignal

Modulator

Demodulator

Channel

A r a d i o c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t r a n s f e r s i n f o r m a t i o n s i g n a l s f r o m a s o u r c e t o a u s e r

d e s t i n a t i o n . T h e i n f o r m a t i o n s i g n a l s m a y b e g e n e r a t e d f r o m v o i c e , v i d e o , o r d a t a . T o

b e t r a n s m i t t e d , t h e i n f o r m a t i o n m u s t b e c o n v e r t e d i n t o w a v e f o r m s t h a t c o r r e s p o n d

t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t , o r c h a n n e l . T h i s o p e r a t i o n

i s t e r m e d m o d u l a t i o n .

T h e d i s t a n c e b e t w e e n t r a n s m i s s i o n a n d r e c e p t i o n p o i n t s m a y b e s m a l l a s i n a n

i n d o o r r a d i o s y s t e m o r l a r g e a s i n a m o b i l e r a d i o s y s t e m . S o u r c e s o f d e g r a d a t i o n

8


36/53

i n t h e c h a n n e l w i l l v a r y i n t h e d i e r e n t e n v i r o n m e n t s . I n t e r f e r e n c e a n d n o i s e i n t h e

c o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t w i l l c o r r u p t t h e r e c e i v e d s i g n a l .

T h e t a s k o f t h e r e c e i v e r i s t o r e c r e a t e t h e o r i g i n a l i n f o r m a t i o n f r o m t h e r e c e i v e d

s i g n a l t h a t h a s b e e n c o r r u p t e d a f t e r p r o p a g a t i o n t h r o u g h t h e c h a n n e l . T h e d e m o d -

u l a t o r i s r e s p o n s i b l e f o r r e c o v e r i n g t h e t r a n s m i t t e d i n f o r m a t i o n f r o m t h e r e c e i v e d

s i g n a l w i t h m i n i m a l d i s t o r t i o n . T h e t y p e o f m o d u l a t i o n a n d d e m o d u l a t i o n s c h e m e s

u s e d w i l l d e p e n d o n t h e s p e c i c d e g r a d a t i o n c a u s e d b y t h e c h a n n e l .

T h e c h o i c e i n m o d u l a t i o n m e t h o d a l s o i n v o l v e s a d e c i s i o n b e t w e e n a n a l o g o r

d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n . V o i c e a n d v i d e o s i g n a l s a r e i n h e r e n t l y a n a l o g . T h u s , w h e n

t r a n s m i t t e d w i t h a n a l o g m o d u l a t i o n t h e y o n l y r e q u i r e t e m p o r a r y f r e q u e n c y t r a n s -

l a t i o n s . W i t h d i g i t a l t r a n s m i s s i o n , v o i c e o r v i d e o s i g n a l s m u s t b e c o n v e r t e d t o a

d i g i t a l f o r m a t w i t h a s o u r c e e n c o d e r . D a t a s i g n a l s a r e i n h e r e n t l y d i g i t a l .

E x a m p l e s o f a n a l o g m o d u l a t i o n m e t h o d s a r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ( A M ) , f r e -

q u e n c y m o d u l a t i o n ( F M ) , a n d p h a s e m o d u l a t i o n ( P M ) . T o t r a n s m i t d i g i t a l i n f o r -

m a t i o n w e m u s t c o n v e r t t h e d a t a i n t o a n a l o g w a v e f o r m s t h a t c o r r e s p o n d t o t h e

c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t , o r c h a n n e l . W e t a k e a b l o c k o f

k = l o g

2

M b i n a r y d i g i t s a t a t i m e a n d m a p i t t o o n e o f M = 2

k

w a v e f o r m s 5 1 ] .

U p o n r e c e p t i o n , w e m u s t e x t r a c t t h e b i n a r y d a t a f r o m t h e w a v e f o r m .

T h e r e a r e m a n y m e t h o d s f o r m a p p i n g b i n a r y d a t a i n t o w a v e f o r m s . W e c a n m a p

t h e b i n a r y i n f o r m a t i o n i n t o a s e t o f d i s c r e t e a m p l i t u d e s , p h a s e s , o r f r e q u e n c i e s 5 1 ] .

M a p p i n g i n t o a s e t o f d i s c r e t e a m p l i t u d e s y i e l d s p u l s e - a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ( P A M ) .

9


37/53

M a p p i n g i n t o a s e t o f d i s c r e t e p h a s e s r e s u l t s i n p h a s e s h i f t k e y i n g ( P S K ) . M a p p i n g

i n t o a s p e c i a l s e t o f c o m b i n e d a m p l i t u d e a n d p h a s e s g i v e s q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d -

u l a t i o n ( Q A M ) . A n d m a p p i n g i n t o a d i s c r e t e s e t o f f r e q u e n c i e s p r o d u c e s f r e q u e n c y

s h i f t k e y i n g ( F S K ) . W e w i l l a l s o e n c o u n t e r a v a r i a t i o n o f P S K w h i c h i s d i e r e n t i a l

P S K ( D P S K ) .

F i r s t g e n e r a t i o n c e l l u l a r s y s t e m s w e r e i m p l e m e n t e d i n a n a l o g . A n a l o g s y s t e m s

c o n s t i t u t e a m u c h m o r e m a t u r e t e c h n o l o g y , a n d c o n s e q u e n t l y t h i s w a s a n a t u r a l r s t

c h o i c e . H o w e v e r , p r e s e n t c e l l u l a r s y s t e m s a r e r e a c h i n g f u l l c a p a c i t y . A d v a n c e m e n t i n

l o w b i t - r a t e s p e e c h c o d i n g a n d t h e a b i l i t y t o c o n t e n d w i t h t h e i n c r e a s e d b a n d w i d t h

r e q u i r e m e n t s m a k e a d i g i t a l s o l u t i o n a v i a b l e o p t i o n . S e c o n d g e n e r a t i o n d i g i t a l

s y s t e m s w i l l p r o v i d e s i g n i c a n t i m p r o v e m e n t i n b o t h c a p a c i t y a n d q u a l i t y o f s e r v i c e .

D i g i t a l t r a n s m i s s i o n h a s m a n y a d v a n t a g e s o v e r a n a l o g c h a n n e l s . O n c e t h e a n a l o g

s i g n a l i s e n c o d e d t o a d i g i t a l s e q u e n c e , r e s i d u a l t r a n s m i s s i o n l o s s v a r i a t i o n o f a n a l o g

s o u r c e s i g n a l s i s r e d u c e d . I n a d d i t i o n , w i t h d i g i t a l d a t a c o m p l e t e s i g n a l r e g e n e r a t i o n

i s p o s s i b l e . M a n y a d v a n c e d a l g o r i t h m s a r e a v a i l a b l e w i t h d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n

s i n c e d i g i t a l d a t a i s b e i n g m a n i p u l a t e d i n s t e a d o f t h e a c t u a l a n a l o g s i g n a l . S o m e o f

t h e t e c h n i q u e s t h a t m a y b e u s e d t o m i t i g a t e n o i s e , i n t e r f e r e n c e , a n d f a d i n g i n c l u d e

a n t e n n a a r r a y s , c h a n n e l c o d i n g , e q u a l i z a t i o n , a n d p o w e r c o n t r o l . T h e r e f o r e w e c a n

a c h i e v e b e t t e r e r r o r p e r f o r m a n c e a n d h i g h e r s y s t e m c a p a c i t y .

1 0


38/53

1 . 3 D i v e r s i t y C o m b i n i n g

I f w e p r o v i d e t h e r e c e i v e r w i t h m u l t i p l e c o p i e s o f t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l e a c h w i t h

d i e r e n t c h a n n e l a t t e n u a t i o n , t h e p r o b a b i l i t y t h a t a l l c o p i e s w i l l b e s e v e r e l y f a d e d

i s r e d u c e d . T h i s i s p o s s i b l e s i n c e t h e c h a n n e l f a d e s a r e r a n d o m . R e p l i c a s o f t h e

t r a n s m i t t e d s i g n a l a r e c r e a t e d b y s e v e r a l m e a n s . W e c a n t r a n s m i t t h e s i g n a l m u l t i p l e

t i m e s : t i m e d i v e r s i t y . W e c a n a l s o t r a n s m i t t h e s i g n a l o v e r m u l t i p l e f r e q u e n c i e s :

f r e q u e n c y d i v e r s i t y . I n a d d i t i o n , w e c a n a c h i e v e d i v e r s i t y b y r e c e i v i n g w i t h m u l t i p l e

a n t e n n a s : s p a t i a l d i v e r s i t y . T h e c o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t f o r t h e d i e r e n t t i m e s ,

f r e q u e n c i e s , o r a n t e n n a s a r e e a c h v i e w e d a s s e p a r a t e c h a n n e l s . W e t h e n s c a l e t h e

s i g n a l f r o m e a c h c h a n n e l w i t h a w e i g h t i n g f a c t o r a n d s u m , o r c o m b i n e , t h e r e s u l t s .

M a n y m e t h o d s e x i s t t o d e t e r m i n e p r o p e r w e i g h t i n g f a c t o r s .

D i v e r s i t y c o m b i n i n g h a s b e e n s h o w n t o b e a n e e c t i v e m e a n s o f i m p r o v i n g s y s t e m

p e r f o r m a n c e . E a r l y e x p e r i m e n t s i n t h e p r i n c i p l e s o f d i v e r s i t y c o m b i n i n g w e r e r s t

r e p o r t e d i n 1 9 2 7 3 1 ] . T h e r e a r e m a n y t e x t b o o k e x a m p l e s i l l u s t r a t i n g t h e r e d u c t i o n

i n t h e r e c e i v e r e r r o r r a t e p r o p o r t i o n a l t o t h e i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f c h a n n e l s u s e d

f o r d i v e r s i t y c o m b i n i n g 5 1 ] . A p r i m e b e n e t i s v a s t l y d e c r e a s e d p o w e r c o n s u m p t i o n .

F o r a n e x a m p l e , w e w i l l i l l u s t r a t e s i g n a l i n g w i t h c o h e r e n t b i n a r y d i e r e n t i a l p h a s e

s h i f t k e y i n g ( D P S K ) . T h e p r o b a b i l i t y o f e r r o r f o r s i g n a l i n g i n a n A W G N c h a n n e l i s

o f t h e f o r m

P

e

=

1

2

e

;

( 1 . 2 )

1 1


39/53

w h e r e i s t h e S N R . T h e r e f o r e t h e p r o b a b i l i t y o f e r r o r d e c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y w i t h

a n i n c r e a s e i n t h e S N R . H o w e v e r , s i g n a l i n g i n a R a y l e i g h f a d i n g e n v i r o n m e n t r e s u l t s

i n e r r o r r a t e s o f

P

e

=

1

2 ( 1 + )

( 1 . 3 )

W e w i l l r e q u i r e a l a r g e i n c r e a s e i n p o w e r t o a c h i e v e e r r o r r a t e s s i m i l a r t o t h e A W G N

c h a n n e l .

H o w e v e r , i f m u l t i p l e c o p i e s o f t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l a r e r e c e i v e d o v e r i n d e p e n -

d e n t l y f a d i n g c h a n n e l s , t h e e e c t s o f f a d i n g a r e r e d u c e d . I n a s y s t e m w i t h L d i v e r s i t y

c h a n n e l s , t h e p r o b a b i l i t y o f e r r o r i s a p p r o x i m a t e d b y t h e e x p r e s s i o n

P

e

=

1

2

!

L

0

B

B

B

@

2 L ; 1

L

1

C

C

C

A

( 1 . 4 )

N o w t h e e r r o r r a t e i s p r o p o r t i o n a l t o t h e i n v e r s e L

t h

p o w e r o f t h e S N R . E r r o r p e r -

f o r m a n c e i s s i g n i c a n t l y i m p r o v e d a n d p o w e r c o n s u m p t i o n i s d r a m a t i c a l l y r e d u c e d

w i t h i n c r e a s e d d i v e r s i t y , a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 . 2 .

A n a l g o r i t h m i s n e c e s s a r y t o c o m b i n e t h e r e c e i v e d s i g n a l s o n t h e m u l t i p l e c h a n -

n e l s . W e w i l l e x a m i n e t h r e e c l a s s i c c o m b i n i n g m e t h o d s . T h e r s t m e t h o d i s s e l e c -

t i o n d i v e r s i t y . W i t h s e l e c t i o n d i v e r s i t y w e s e n d t h e s i g n a l f r o m t h e c h a n n e l w i t h t h e

l a r g e s t S N R t o t h e r e c e i v e r . S u c h a s y s t e m g r e a t l y r e d u c e s h a r d w a r e c o m p l e x i t y

s i n c e o n l y o n e r e c e i v e r b r a n c h i s n e c e s s a r y f o r a l l c h a n n e l s . H o w e v e r , a l a r g e p e n a l t y

i s p a i d i n p e r f o r m a n c e .

1 2


40/53

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

5 10 15 20 25 30

SNR in dB

ProbabilityofError

AWGN

Rayleigh Fading

L=10 L=4 L=2

L=1

F i g u r e 1 . 2 : C o m p a r i s o n o f e r r o r p e r f o r m a n c e b e t w e e n s i g n a l i n g i n a n A W G N c h a n n e l

v e r s u s a R a y l e i g h f a d i n g c h a n n e l w i t h d i v e r s i t y .

1 3


41/53

I n t h e s e c o n d m e t h o d , e a c h o f t h e L s i g n a l s a r e w e i g h t e d b y t h e a t t e n u a t i o n f a c t o r

o f t h e i r r e s p e c t i v e c h a n n e l a n d s u m m e d . T h i s i s t e r m e d m a x i m a l - r a t i o c o m b i n i n g

a n d w a s r s t p r o p o s e d b y 3 2 ] i n 1 9 5 4 . T o p e r f o r m m a x i m a l - r a t i o c o m b i n i n g , w e

m e a s u r e t h e a t t e n u a t i o n a n d t r a c k t h e p h a s e f o r e a c h c h a n n e l . W i t h t h i s a d d e d

c o m p l e x i t y m u c h l a r g e r g a i n i s a c h i e v e d o v e r s e l e c t i o n d i v e r s i t y .

A s i m p l e r c o m b i n i n g s c h e m e , w i t h o n l y a s m a l l r e d u c t i o n i n p e r f o r m a n c e i s e q u a l

g a i n c o m b i n i n g . I n t h i s m e t h o d , t h e r e c e i v e d s i g n a l s f o r e a c h c h a n n e l a r e e q u a l l y

w e i g h t e d w i t h u n i t y g a i n a n d s u m m e d . T h e r e f o r e m e a s u r i n g t h e a t t e n u a t i o n o f e a c h

c h a n n e l i s n o t r e q u i r e d .

F i g u r e 1 . 3 i l l u s t r a t e s a c o m p a r i s o n o f t h e t h r e e m e t h o d s f o r i n c r e a s i n g n u m b e r

o f c h a n n e l s . M a x i m a l - r a t i o c o m b i n i n g p r o v i d e s t h e l a r g e s t g a i n , w i t h t h e h i g h e s t

c o m p l e x i t y . E q u a l g a i n c o m b i n i n g o n l y r e s u l t s i n a 1 d B l o s s i n p e r f o r m a n c e w i t h a s

m a n y a s 1 0 c h a n n e l s a n d d o e s n o t r e q u i r e t h e c h a n n e l a t t e n u a t i o n t o b e m e a s u r e d .

S e l e c t i o n d i v e r s i t y r e s u l t s i n g r e a t l y r e d u c e d p e r f o r m a n c e f o r l a r g e n u m b e r s o f c h a n -

n e l s . H o w e v e r , f o r a s m a l l e r n u m b e r , s u c h a s t w o o r t h r e e c h a n n e l s , t h e p e r f o r m a n c e

l o s s m a y b e a t o l e r a b l e t r a d e - o b e t w e e n t h e r e d u c e d c o m p l e x i t y o f n o t n e e d i n g a

r e c e i v e r b r a n c h f o r e a c h a n t e n n a .

I n t h e p r e v i o u s d i s c u s s i o n a n d a n a l y s i s , f a d i n g o n t h e c h a n n e l s w a s a s s u m e d

t o b e i n d e p e n d e n t l y d i s t r i b u t e d . H o w e v e r , i f f o r e x a m p l e a n t e n n a e l e m e n t s i n a n

a r r a y w e r e s p a c e d v e r y c l o s e t o g e t h e r , t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e f a d i n g o n t h e c h a n n e l s

w o u l d b e c o r r e l a t e d . I t i s n e c e s s a r y t o d e t e r m i n e t h e r e d u c t i o n i n p e r f o r m a n c e o f a

1 4


42/53

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ImprovementinSNRin

dB

Number of Channels

Maximal-Ratio

Equal Gain

Selection

F i g u r e 1 . 3 : I m p r o v e m e n t o f t h e S N R f r o m a d i v e r s i t y c o m b i n e r c o m p a r e d t o o n e

c h a n n e l .

1 5


43/53

d i v e r s i t y s y s t e m w h e n t h e c h a n n e l s a r e c o r r e l a t e d b y a c e r t a i n a m o u n t . T h e a m o u n t

o f d e g r a d a t i o n e x p e r i e n c e d b y t h e s y s t e m w i l l d e t e r m i n e h o w c r i t i c a l i s t h e d e s i g n o f

i n d e p e n d e n t c h a n n e l s . A n a l y s i s o n b i n a r y s i g n a l i n g s y s t e m s a r e d e s c r i b e d i n 6 2 , 3 1 ] .

I n a d d i t i o n , i n v e s t i g a t i o n s o f d i v e r s i t y c o m b i n i n g w i t h c o r r e l a t e d c h a n n e l s a r e a l s o

p e r f o r m e d b y 3 4 , 3 5 , 3 6 , 4 9 , 7 1 ] . E a c h s e l e c t s a d i e r e n t m o d e l t o d e s c r i b e t h e

c h a n n e l c o r r e l a t i o n .

1 . 4 I n t e r f e r e n c e C a n c e l l a t i o n

1 . 4 . 1 I n t e r s y m b o l I n t e r f e r e n c e

A s d i s c u s s e d i n S e c t i o n 1 . 1 , t h e p r o p a g a t i o n c h a n n e l w i l l e x p e r i e n c e o t h e r f o r m s o f

c o r r u p t i o n b e s i d e s f a d i n g . D e l a y e d r e s p o n s e s w i l l c a u s e I S I . S i n c e t h e t r a n s m i t t e r

s e n d s d i s c r e t e - t i m e s y m b o l s e v e r y T s e c o n d s , a n d t h e o u t p u t o f t h e r e c e i v e r i s s a m -

p l e d e v e r y T s e c o n d s , t h e c h a n n e l i s m o d e l e d a s d i s c r e t e - t i m e . T h e r e c e i v e d s i g n a l

r

n

a t t i m e n i s a f u n c t i o n t h e t r a n s m i t t e d s i g n a l I

0

a n d t h e M p r e v i o u s l y t r a n s m i t -

t e d s i g n a l s . T h e t r a n s m i t t e d s i g n a l s a r e s c a l e d b y h

k

, w h i c h i s t h e c h a n n e l i m p u l s e

r e s p o n s e . T h a t i s ,

r

n

=

X

k

I

n ; k

h

k

+ z

n

( 1 . 5 )

w h e r e z

n

r e p r e s e n t s A W G N . W e r e f e r t o t h i s m o d e l a s t h e e q u i v a l e n t d i s c r e t e - t i m e

w h i t e - n o i s e l t e r m o d e l 5 1 ] . T h e e q u a l i z e r i s t h e s t a n d a r d d e v i c e u s e d t o c o m p e n s a t e

1 6


44/53

f o r I S I .

A m a j o r b r e a k t h r o u g h i n a d a p t i v e e q u a l i z a t i o n w a s m a d e b y 4 0 ] i n 1 9 6 5 w i t h t h e

p r o p o s a l o f a z e r o - f o r c i n g a l g o r i t h m t o a u t o m a t i c a l l y a d j u s t t h e t a p w e i g h t s o f t h e

l i n e a r e q u a l i z e r . S u b s e q u e n t l y t h e a d a p t i v e e q u a l i z a t i o n p r o b l e m w a s r e f o r m u l a t e d

u s i n g a m e a n - s q u a r e e r r o r s o l u t i o n i n 2 1 , 5 2 ] i n 1 9 6 9 . A m a t h e m a t i c a l a n a l y s i s o f

t h e c o n v e r g e n c e p r o p e r t i e s o f a n a d a p t i v e e q u a l i z a t i o n w i t h t h e l e a s t - m e a n s q u a r e

( L M S ) a l g o r i t h m w a s p r e s e n t e d i n 7 2 ] i n 1 9 7 2 . T h e L M S a l g o r i t h m , i n v e n t e d i n

1 9 6 0 b y 7 9 ] , i s a s c h e m e t o i t e r a t i v e l y a d j u s t w e i g h t s b a s e d o n t h e s t e e p e s t d e s c e n t

m e t h o d .

T h e s i m p l e s t s t r u c t u r e u s e d f o r e q u a l i z a t i o n i s t h e l i n e a r e q u a l i z e r ( L E ) . A n

i l l u s t r a t i o n o f a n L E i s g i v e n i n F i g u r e 1 . 4 . T h e l i n e a r e q u a l i z e r i s c o m p r i s e d o f a

s e q u e n c e o f d e l a y s o f l e n g t h T , t h e s y m b o l p e r i o d , a n d t a p w e i g h t c o e c i e n t s c

j

. T h e

r e c e i v e d s i g n a l , r

n

, i s m u l t i p l i e d b y a n e q u a l i z e r w e i g h t a n d s u m m e d w i t h p r e v i o u s

r

n

' s w h i c h a r e m u l t i p l i e d b y t h e i r c o r r e s p o n d i n g e q u a l i z e r w e i g h t s . T h e r e s u l t i s a n

e s t i m a t e o f t h e t r a n s m i t t e d s y m b o l .

I

n

=

N

X

j = ; N

c

j

r

n ; j

( 1 . 6 )

A n e x a m p l e o f a c h a n n e l i s g i v e n i n F i g u r e 1 . 5 . T h e i m p u l s e a n d f r e q u e n c y

r e s p o n s e o f t h e c h a n n e l s a r e i l l u s t r a t e d . I n F i g u r e 1 . 6 , t h e p e r f o r m a n c e o f t h e L E

i s d e m o n s t r a t e d w i t h t h e u p p e r b o u n d o f t h e P

e

v e r s u s S N R . W i t h n o e q u a l i z a t i o n

t h e p e r f o r m a n c e i s u n a c c e p t a b l e . W i t h t h e L E , t h e p e r f o r m a n c e i s o n l y m a r g i n a l l y

1 7


45/53

r

I

n

n

^

c -N c -N+1 N-1

T

c cN

TT

F i g u r e 1 . 4 : L i n e a r e q u a l i z e r .

1 8


46/53

w o r s e t h a n t h e c a s e w i t h n o i n t e r f e r e n c e . T h e r e f o r e w i t h t h i s c h a n n e l , t h e L E a l m o s t

c o m p l e t e l y c o m p e n s a t e s f o r t h e c h a n n e l v a r i a t i o n s .

A s e c o n d c h a n n e l i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 . 8 . T h i s c h a n n e l h a s p o o r s p e c t r a l

c h a r a c t e r i s t i c s . T h e r e i s a n u l l i n t h e m i d d l e o f t h e f r e q u e n c y s p e c t r u m . T h e p e r f o r -

m a n c e o f t h e L E f o r t h i s c h a n n e l i s g i v e n i n F i g u r e 1 . 9 . I n t h i s c a s e t h e L E h a r d l y

p r o v i d e s a n y i m p r o v e m e n t i n p e r f o r m a n c e . T h e L E i s a n i n a d e q u a t e e q u a l i z e r f o r

c h a n n e l s w i t h d e e p s p e c t r a l n u l l s .

A n a l t e r n a t i v e a p p r o a c h f o r e q u a l i z a t i o n f o r c h a n n e l s w i t h s p e c t r a l n u l l s i s t o u s e

n o n l i n e a r e q u a l i z e r s . T h e m o s t c o m m o n i s t h e d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r ( D F E ) .

T h e D F E w a s r s t p r e s e n t e d b y 2 ] i n 1 9 6 7 . L a t e r i n 1 9 7 1 , t h e D F E w a s o p t i m i z e d

b y m i n i m i z i n g t h e M S E i n 5 0 ] . A n i l l u s t r a t i o n o f a D F E i s g i v e n i n F i g u r e 1 . 7 . I n

a D F E , t h e o u t p u t o f t h e L E , t h e f e e d f o r w a r d l t e r , i s p a s s e d t h r o u g h a d e t e c t o r

w h i c h s e l e c t s t h e s y m b o l w h i c h m o s t c l o s e l y m a t c h e s t h e e s t i m a t e o f t h e t r a n s m i t t e d

s y m b o l ,

~

I

n

. T h i s i s f e d b a c k t h r o u g h a n o t h e r l i n e a r e q u a l i z e r , t h e f e e d b a c k l t e r ,

a n d t h e r e s u l t i s s u b t r a c t e d f r o m t h e o u t p u t o f t h e f e e d f o r w a r d l t e r . T h e o u t p u t

o f t h e D F E i s e x p r e s s e d a s

I

n

=

0

X

j = ; N

1

c

j

r

n ; j

;

1

X

j = N

2

c

j

~

I

n ; j

( 1 . 7 )

T h e p e r f o r m a n c e o f t h e D F E f o r t h e c h a n n e l o f F i g u r e 1 . 8 i s a l s o g i v e n i n F i g -

u r e 1 . 9 . T h e D F E p r o v i d e s s u p e r i o r p e r f o r m a n c e t o t h e L E i n e l i m i n a t i n g t h e e e c t s

o f t h e I S I .

1 9


47/53

T

.943

.236

.236

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Frequency in radians

AmplitudeindB

F i g u r e 1 . 5 : E x a m p l e 1 o f a c h a n n e l i m p u l s e a n d f r e q u e n c y r e s p o n s e .

2 0


48/53

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

0 2 4 6 8 10 12 14

SNR in dB

ProbabilityofError

-- No equalization. Linear Equalizer- No interference

F i g u r e 1 . 6 : P e r f o r m a n c e o f t h e l i n e a r e q u a l i z e r .

2 1


49/53

r

I

I

n

n

n

+

_

^

~

c -N1 c -N+11

T

c-1 c0

TT

T

Detector

T

c1c 2cN2

T

F i g u r e 1 . 7 : D e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r .

2 2


50/53

T

.707 .707

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Frequency in radians

AmplitudeindB

F i g u r e 1 . 8 : E x a m p l e 2 o f a c h a n n e l i m p u l s e a n d f r e q u e n c y r e s p o n s e .

2 3


51/53

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

SNR in dB

ProbabilityofError

-. No equalization-- Linear Equalizer. Decision Feedback Equalizer- No interference

F i g u r e 1 . 9 : P e r f o r m a n c e o f t h e l i n e a r e q u a l i z e r a n d a d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r f o r

a c h a n n e l w i t h a s p e c t r a l n u l l .

2 4


52/53

1 . 4 . 2 C o - C h a n n e l I n t e r f e r e n c e

U s e r s i n a n e t w o r k t r a n s m i t t i n g o n t h e s a m e c h a n n e l w i l l c a u s e C C I . A n a n t e n n a

a r r a y p r o v i d e s a n e e c t i v e m e a n s o f r e d u c i n g C C I . W i t h a l a r g e n u m b e r o f a n t e n n a

e l e m e n t s , w e c a n a t t e n u a t e t h e r e c e i v e d s i g n a l i n t h e d i r e c t i o n s o f t h e i n t e r f e r i n g

u s e r s , i m p r o v i n g t h e r a t i o o f t h e p o w e r o f t h e d e s i r e d s i g n a l t o i n t e r f e r e n c e ( S I N R ) .

W i t h a d a p t i v e b e a m f o r m i n g , a s e t o f a n t e n n a w e i g h t s i s d e t e r m i n e d s u c h t h a t

t h e r e c e p t i o n i n t h e d i r e c t i o n o f t h e i n t e n d e d t r a n s m i t t e r i s o p t i m i z e d a n d t h e r e c e p -

t i o n i n t h e d i r e c t i o n s o f t h e i n t e r f e r e r s i s m i n i m a l . I n i t i a l d e v e l o p m e n t i n a d a p t i v e

b e a m f o r m i n g i s a t t r i b u t e d t o 2 8 ] w i t h t h e s i d e - l o b e c a n c e l e r i n 1 9 5 7 . A s u b s e q u e n t

m a j o r c o n t r i b u t i o n 1 ] i n 1 9 6 6 w a s a n a l g o r i t h m b a s e d o n m a x i m i z i n g t h e S N R a t

t h e a n t e n n a a r r a y o u t p u t . I n d e p e n d e n t l y , a n o t h e r a l g o r i t h m t o a d a p t i v e l y a d j u s t

t h e w e i g h t s b a s e d o n t h e L M S a l g o r i t h m w a s p r e s e n t e d i n 8 0 ] i n 1 9 6 7 .

W e p r e s e n t a n e x a m p l e w i t h a f o u r e l e m e n t s q u a r e a n t e n n a a r r a y a n d i n t e r f e r e n c e

a r r i v i n g a t t h e r e c e i v e r a t a n g l e s o f ; 7 5

, ; 3 0

, a n d 6 0

. A n t e n n a w e i g h t s a r e

c a l c u l a t e d t o m i n i m i z e t h e M S E a t t h e o u t p u t o f t h e a n t e n n a a r r a y . T h e r e s u l t s a r e

i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 . 1 0 . N u l l s w e r e c r e a t e d i n t h e b e a m p a t t e r n a t ; 7 5

, ; 3 0

,

a n d 6 0

t o m i t i g a t e t h e e e c t s o f t h e i n t e r f e r e n c e . S i m i l a r t e c h n i q u e s m a y b e u s e d

w i t h a n a d a p t i v e t r a n s m i t t e r t o r e d u c e t h e i n t e r f e r e n c e g e n e r a t e d o n t r a n s m i s s i o n .

2 5


53/53

-1

-0.5

0

0.5

1

-40

-30

-20

-10

0

10

-150 -100 -50 0 50 100 150

Angle, degrees

Response,

dB

-40

-30

-20

-10

0

10

-150 -100 -50 0 50 100 150

F i g u r e 1 . 1 0 : A n t e n n a b e a m p a t t e r n w i t h i n t e r f e r e n c e f r o m ; 7 5

, ; 3 0

, a n d 6 0

.

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