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This article presents and analyzes fading measurements of optical signal in a terrestrial free space optical communication link using a commercial system. Unlike previous work, the link distance is very short (around 91 meters). Still, it was possible to observe significant scintillation index variations over a day. This behaviour agrees with previous results obtained in the literature for much longer links.

In this paper we show how a graph-based systemcan be designed for an N-FSK T-user multiple access channel withnoise. The channel is a frequency selective fast fading channelwith additive white Gaussian Noise. The system does not knowor attempt to determine the fading incurred at a given moment.The system is composed of a multiuser detector and T differentRepeat-Accumulate (RA) decoders. The decoders are optimizedas a set and consequently have the same parameters. A structuralvariation between the users’ encoders/decoders is sufficient toallow for multiple access and channel error correction, whileproviding rates close to channel capacity.

A method of analysis for comparing the performance of time-division-coded modulation and superposition-coded modulation schemes with unequal error protection has been proposed. The performance of practical channel codes was modeled heuristically by using a signal-to-noise ratio loss factor /spl lambda/ and it was shown that the superiority of superposition-coded modulation depends on the degree of inequality in protection prescribed. A different approach, using the channel cutoff rate R/sub 0/ instead of /spl lambda/, is proposed here. Results of the analysis of the performance of both approaches are compared, and they are also compared to those results obtained from practical design examples.

This article describes the construction of block codes derived from trellis termination of a binary catastrophic convolutional encoder. Two construction methods are considered: the Zero Tail (ZT) method and a modified Tail Biting (TB) method. 4-PSK block coded modulation (BCM) schemes are designed based on the constructed codes. These schemes outperform similar schemes derived from the best non-catastrupltic encoder.

The construction of block multidimensional M-PSK modulation codes with unequal error protection (UEP) is considered. An UEP profile for the Rayleigh fading channel is obtained by partitioning four-dimensional constellations that are Cartesian products of non-uniform 8-PSK modulations or are subsets of a product of uniform modulations. New codes are constructed by using the multilevel coding technique with very simple binary component codes. These codes are matched to the VSELP codec described in the IS-54 mobile system.

Capacity of M-ary Amplitude and Phase-Shift Keying(M-APSK) over an Additive White Gaussian Noise(AWGN) channel that also introduces an unknown carrier phase rotation is considered. The phase remains constant over a block of L symbols and it is independent from block to block. Aiming to design codes with equally probable symbols, uniformly distributed channel inputs are assumed. Based on results of Peleg and Shamai for M-ary Phase Shift Keying(M-PSK) modulation, easily computable upper and lower bounds on the effective M-APSK capacity are derived. For moderate M and L and a broad range of Signal-to-Noise Ratios(SNR's), the bounds come close together. As in the case of M-PSK modulation, for large L the coherent capacity is approached., 4 pages, 5 figures, to appear in Proceedings of the 2005 IEEE International Symposium on Information Theory, Adelaide, Australia, September 4-9, 2005

Capacity-achieving input distribution for the blockwise noncoherent M-APSK/AWGN channel is characterised. Upper and lower bounds on the normalised capacity, with and without the use of differential encoding, are derived. They show that the coherent channel capacity is approached with increasing channel coherence interval. Moreover, they indicate that the coherent capacity is approximated faster with differential encoding.

A new multistage decoding (MSD) algorithm for multilevel codes is proposed. The algorithm uses several decisions in the first stage, if the difference in distance measure between the codeword found by standard MSD (SMSD) and the received word is greater than a certain threshold. An application of the algorithm for a coded modulation system shows that more than half of the coding gain of maximum likelihood decoding (MLD) of the modulation system over SMSD is achieved, with only two decisions in the first stage.

A method for constructing linear codes over the ring of integers modulo q, Zq, using the idea of generalised concatenated (GC) codes is presented.

Orientador: Walter da Cunha Borelli Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica Resumo: Não informado Abstract: Not informed. Mestrado Mestre em Engenharia Elétrica

Massive MIMO communication systems have been highlighted as the main technology for physical layer of next generation communication standards, like 5G. While conventional communication between BS and its covered users is performed in orthogonal time-frequency resources, the improved interuser interference mitigation capability provided by the large number of BS antennas enables the BS to communicate with several users in the same time-frequency resource. This better usage of available but scarce spectrum elevates the spectral efficiency to very appreciable levels, and has a similar effect on energy efficiency, since the transmit power is not increased. On the other hand, if the objective is to provide a target performance for the users, the required transmit power in both direct and reverse links can be made inversely proportional to the number of BS antennas employed. In this Doctoral Thesis, several important aspects of massive MIMO systems are systematically investigated aiming to improve their energy and spectral efficiencies. We can enumerate our main contributions as follows. Considering a cellular massive MIMO network, we proposed an optimized assignment policy of training sequences to the users, which is then combined with suitable power control algorithms. We have also investigated the adoption of alternative waveforms in this scenario, such as single-carrier transmission, in order to overcome the issues of conventional OFDM. Our contributions in this topic are to derive analytical performance expressions for a time-domain single-carrier equalizer taking advantage of the large number of BS antennas, and to evaluate and compare the total energy efficiency of OFDM versus single-carrier massive MIMO systems. Finally, considering crowded massive MIMO networks, composed by both human users as well as machine-type communication devices, we proposed an improved random access protocol aiming to decrease the average number of access attempts for the users and decreasing the probability of failed access attempts. Sistemas de comunicação de múltiplas antenas (multiple-input multiple-output - MIMO) têm se destacado como a principal tecnologia para a camada física dos padrões de comunicação da próxima geração, como o 5G. Enquanto a comunicação convencional entre a estação base (base station - BS) e seus usuários atendidos é realizada em recursos ortogonais de tempo-frequência, a grande capacidade de redução da interferência interusuários possibilitada pelo grande número de antenas da BS habilita a BS a se comunicar com diversos usuários no mesmo recurso tempo-frequência. Este melhor uso do escasso espectro disponível eleva a eficiência espectral a níveis muito apreciáveis, e tem um efeito similar na eficiência energética, pois a potência de transmissão não é aumentada. Por outro lado, se o objetivo é fornecer um desempenho desejado para os usuários, a potência de transmissão necessária em ambos os enlaces direto e reverso pode ser feita inversamente proporcional ao número de antenas na BS. Nesta Tese de Doutorado, diversos aspectos importantes de sistemas MIMO massivo são sistematicamente investigados com o objetivo de melhorar suas eficiências energética e espectral. Pode-se enumerar as principais contribuições alcançadas como se segue. Considerando uma rede celular MIMO massivo, propõe-se uma política de atribuição de sequências de treinamento aos usuários otimizada, a qual é depois combinada com apropriados algoritmos de controle de potência. Também investiga-se a adoção neste cenário de formas de onda alternativas, tal como a transmissão de portadora única, visando superar as deficiências da convencional multiplexagem por divisão de portadoras ortogonais (orthogonal frequency-division multiplexing - OFDM). As principais contribuições obtidas neste tema são derivar expressões de desempenho analíticas para um equalizador de portadora única no domínio do tempo que aproveita o grande número de antenas na BS, e avaliar e comparar a eficiência energética total de sistemas MIMO massivo OFDM versus portadora única. Finalmente, considerando redes MIMO massivo sobrecarregadas, compostas por usuários humanos bem como dispositivos de comunicação do tipo máquina, propõe-se um protocolo de acesso aleatório melhorado visando diminuir o número médio de tentativas de acesso para os usuários e diminuir a probabilidade de falhas de tentativa de acesso.

Esse trabalho de investigação visa a realização de uma análise sistemática, integrada e iterativa da utilização de algoritmos heurísticos aplicados aos problemas de estimativa de parâmetros e detecção multiusuário, sob o ponto de vista do compromisso desempenho × complexidade. O sistema considera topologias do tipo CDMA com exploração de diversidade multidimensional, ou seja, que utilizam uma ou mais técnicas de diversidade, considerando a diversidade de código, tempo, frequência e espaço, entre outras, sujeitos a desvanecimentos multipercurso. A solução integrada para os problemas de estimativa de parâmetros e detecção multiusuário consiste no uso recorrente de técnicas heurísticas. Além disso, estabelece-se uma análise comparada e sistêmica de convergência e de complexidade computacional da técnica de detecção proposta com alguns outros métodos, heurísticos ou determinísticos, relatados na literatura, considerando como métrica de desempenho o número de operações computacionais que cada estratégia requer para a detecção simultânea da informação de todos os usuários ativos no sistema. Por fim, e mais importante, considera-se como a principal contribuição deste trabalho a sistematização da utilização dos algoritmos heurísticos no processo de otimização dos problemas já citados, caracterização de limiares de desempenho e análise de complexidade destas técnicas, trazendo à comunidade científica parâmetros suficientes que devem ser respeitados na configuração dos algoritmos para garantia de resultados satisfatórios quando da utilização destes métodos em problemas de detecção multiusuário com diversidade multidimensional e estimativa de parâmetros. This work will perform a systematic, integrated and iterative research of heuristic algorithms applied to parameter estimation and multiuser detection problems, considering the performance × complexity tradeoff. The CDMA systems with multidimensional diversity exploitation, i.e., with one or more diversity techniques, code diversity, frequency, time and space, among other, in multipath fading channel scenarios are considered. The integrated solution for parameter estimation and multiuser detection problem uses heuristic techniques in recurrent form. In addition, we intend to establish a systemic and comparative analysis of convergence and computational complexity of the proposal detection technique with some other methods, heuristic or deterministic, reported in the literature, considering the number of computational operations that each strategy requires for simultaneous detection from all active users as a performance metrics. Finally, and most importantly, this work systematizes the heuristic algorithms approach in the optimization problems process already mentioned, considering the thresholds for performance and complexity of these techniques, bringing the scientific community enough configuration parameters that must be respected in the setup algorithms step to guarantee satisfactory results when using these methods to multiuser detection with multidimensional diversity and parameter estimation problems.

A resposta impulsiva do canal de um sistema de banda ultralarga típico é caracterizada pelo elevado número de percursos discerníveis. Dessa forma, para uma recepção eficiente, a energia espalhada nessas componentes multipercurso deve ser de alguma forma combinada. Considerando o enlace direto (downlink) de uma rede pessoal de curto alcance, assume-se que o ponto de acesso possui uma capacidade de processamento maior do que os dispositivos portáteis a ele conectados, tais como câmeras fotográficas, celulares e aparelhos de MP3. Este trabalho se concentra no estudo de esquemas de pré-processamento em ambientes mono e multiusuário, com vistas a combinar eficientemente a energia espalhada nas componentes multipercurso do canal e, consequentemente, combater a autointerferência e a interferência entre usuários, sem agregar muito custo computacional ao receptor (dispositivos portáteis da rede). Com isso, boa parte da complexidade é transferida para o transmissor (ponto de acesso), de forma que o receptor necessite apenas de um detector convencional, ou então de um detector convencional seguido de processamento adicional de complexidade moderada para mitigar a interferência residual. The channel impulse response of a typical ultra wideband system is characterized by a large number of resolvable paths. For a efficient reception, the energy spread over the multipath components has to be somehow combined. Considering the downlink of a wireless personal area network, the access point is assumed to have a good hardware capacity when compared to the portable devices of the network, such as digital cameras, cell phones and MP3 players. This work focuses on preprocessing schemes that are able to combine efficiently the multipath components, and to combat self and multiuser interference without increasing the computational cost at the receiver (portable devices) substantially. Hence, most of the complexity is transferred to the transmitter (access point) in such a way that the receiver needs only a conventional detector or a conventional detector followed by a moderated complexity processing in order to mitigate the residual interference.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO Os códigos IRA (Irregular Repeat-Accumulate) são uma classe de códigos criada com o objetivo de permitir codificação em tempo linear garantindo comunicação robusta a taxas próximas à capacidade do canal. Eles foram introduzidas por Jin, Khandekar and McEliece em 2000. O artigo no qual foram apresentados provou que os códigos IRA alcançavam a capacidade do canal de apagamento e mostravam desempenho cmparável ao dos códigos Turbo no canal AWGN (Additive White Gaussian Noise). Os desenvolvimentos teóricos por trás dos códigos IRA vieram da busca pelos primeiros códigos LDPC (Low Density Parity Check), ou códigos em grafos, que atingiriam a capacidade do canal AWGN. Os códigos LDPC - propostos originalmente por Robert Gallager em 1963 - se tornaram objeto de grande interesse nas últimas décadas após um longo período de ostracismo desde sua concepção, desenvolvendo seu potencial para codificação de canal em aplicações tão diversas quanto comunicações por satélite, redes sem fio e streaming via IP, bem como codificação distribuída de fonte. O objetivo desta dissertação é a avaliação dos códigos IRA e os efeitos de diferentes métodos de construção de grafos em seu desempenho. O uso das muitas variações do algoritmo PEG (Progressive Edge-Growth) foi testado em simulações no canal AWGN. Irregular Repeat-Accumulate codes are motivated by the challenge of providing a class of codes that use linear-time encoding and decoding while communicating reliably at rates close to channel capacity. They were introduced by Hui Jin, Khandekar and McEliece in 2000, their article proves that IRA codes achieve channel capacity for the binary erasure channel and exhibit remarkably good performance on the AWGN channel. The theoretical developments supporting IRA codes stem from the efforts ar the development of capacity achieving Low-Density Parity-Check codes. LDPC codes were first proposed by Robert Gallager in 1963 and became the subject of intense research during the past decade after being dormant for a long period since its conception. Efforts by many researchers have developed its potential for channel coding in applications as diverse as satellite communications, wireless networks and streaming over IP, as well as studies on its usage in Distributed Source Coding. The goal of this dissertation is the evaluation of IRA codes and the effects of different graph construction methods in its performance. The use of the many variations of the Progressive Edge-Growth algorithm with IRA codes was tested in simulations on the AWGN channel.

A técnica de localização móvel utilizando o sistema celular recebeu especial atenção por parte de empresas fabricantes e operadoras de telecomunicações, devido à necessidade de se cumprir as exigências estabelecidas para chamadas de serviços de emergência e outros serviços de apelo comercial. Neste trabalho são analisados os principais métodos de localização propostos na literatura, incluindo, para cada um, a formulação matemática envolvida no cálculo da localização, os principais algoritmos utilizados e suas limitações. É analisada, também, a modelagem do canal de propagação no ambiente celular baseada na proposta do relatório do COST 259. A partir desta análise pode ser encontrada uma correlação entre o atraso médio do sinal e o seu espalhamento, que motivou sua utilização em um novo algoritmo para estimativa de localização. Esse novo algoritmo, particularmente eficiente para os casos em que uma ou mais estações rádio-bases não apresentam visada direta com a unidade móvel (NLoS), é apresentado neste trabalho, e diversos resultados de simulação são analisados, comparando-se o seu desempenho com outros algoritmos amplamente aceitos e reconhecidos. Para melhorar a estimativa de posição final, a filtragem de Kalman também é aplicada ao algoritmo proposto. The mobile location technique using the cellular system received a special attention from the telecommunication manufacturers and operators, regarding the need of accomplishing the established demands by the emergency service calls and other commercial ones. This study analyzes the main location methods proposed in the literature, including, in each one, the mathematical formulation involved in the location calculus, the main used algorithms and their limitations. Also, it is analyzed the modeling of the propagation channel based on a cellular environment proposed in COST 259 report. After this analysis we can find a correlation between the signal mean delay and its delay spread, which motivated the use of a new algorithm for location estimative. A new algorithm, especially efficient for the cases where one or more base stations don\'t have Line-of-Sight (NLoS) with mobile station, is presented and several simulation results are analyzed and compared with other algorithms widely accepted and recognized. In order to improve the final position estimation, the Kalman filtering is also applied to the new proposed algorithm.