Multi-Antenna Communication Systems with Signal Space Diversity

Abstract

Bu doktora tezinde işaret uzayı çeşitlemesi (İUÇ) kullanan çoklu-anten sistemlerini geniş bir alanda inceledim. İUÇ'nin çoklu-anten sistemleriyle birleştirilmesinin geniş faydalara sağlayan bir konsept olduğu ve bu sayede güvenilir ve yüksek veri hızlarına sahip bir haberleşmenin oldukça düşük karmaşıklık ve maliyetle gerçekleştirilebileceği gösterilmiştir. Burada sunulan sonuçlar gerçekleştirilebilecek potansiyel çalışmalar ve sistem tasarımı fikirleri açısından oldukça gelecek vaadedicidir. Bu tezin ortaya koyduğu katkılar doktora eğitimim sırasınca üzerinde çalıştığım dergi ve konferans yayınlarını içermektedir. Birinci bölüm, farklı koordinat serpiştirme (KS) teknikleri altında İUÇ sıfıra-zorlayıcı hüzme oluşturma sistemlerinin analizi ve alanda programlanabilir kapı dizilerinde (APKD) gerçeklenmesidir. Sonuçlar göstermektedir ki, İUÇ sistem hata performansını önemli ölçüde geliştirirken uzamsal ve zaman KS teknikleri çeşitli avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Bu bölümde verici anten ilintisi altındaki İUÇ kullanan sıfıra-zorlayıcı çoklu-giriş çoklu-çıkış (ÇGÇÇ) sistemlerin performansı da incelenmiştir. Burada verici anten ilintisinin ÇGÇÇ İUÇ sistemlerini olumsuz yönde etkilediği gözlemlenirken farklı ilinti tiplerinin diğerlerine göre daha tercih edilebilir olduğu gösterilmiştir. İkinci bölüm, Alamouti dikgen frekans bölmeli çoğullama (DFBÇ) sistemlerinde alt-taşıyıcı KS kullanarak fiziksel katman güvenliğinin artırılmasıdır. Sonuçlar göstermektedir ki İUÇ alt-taşıyıcı KS ile beraber kullanıldığı zaman ağ fiziksel katman güvenliğine oldukça faydalı olabilmektedir. Alamouti DFBÇ sistemlerde fiziksel katman güvenliğinin geliştirilmesi Rayleigh ve Nakagami-m sönümlemeli kanallar altında çalışılmıştır. Son olarak üçüncü bölüm, zaman ve uzamsal KS minimum ortalama-kare hatası (MOKH) hüzme oluşturma sistemlerinin performansıdır. Ortaya çıkan sonuçların işaret ettiği üzere İUÇ tekniği farklı KS stratejileri kullanarak MOKH hüzme oluşturma sistemlerine yüksek derecede hata performansı iyileştirmesi sağlayabilmektedir.

In this Ph.D. thesis, I studied multiple antenna systems that incorporate signal space diversity (SSD) from a broad perspective. The combination of SSD with multiple antenna systems is shown to be a highly rewarding concept that can provide a reliable and high data rate communication with minimal complexity and cost. The results presented here are very promising for potential future work and system design ideas. The contributions of the thesis cover the journal and conference paper studies that I have done throughout my Ph.D. education. The first chapter is the analysis and field programmable gate array (FPGA) implementation of SSD zero-forcing beamforming with different coordinate interleaving (CI) techniques. The results show that SSD can enhance the error performance of a system significantly and spatial and time CI techniques have various benefits and drawbacks. The performance of zero-forcing multiple-input multiple-output (MIMO) systems with SSD under transmit antenna correlation is also analyzed. It is shown that transmit antenna correlation affects the performance of MIMO SSD systems in a negative way, however different correlation types are less detrimental than others. The second chapter is improving physical layer security in Alamouti orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with subcarrier CI. The results show that SSD, when used with subcarrier CI, can be very beneficial to improve the physical layer security of a communication network. Enhancement of the physical layer security of Alamouti OFDM systems is studied under both Rayleigh and Nakagami-m fading channel models. Finally, the third chapter is about the performance of minimum mean-squared error (MMSE) beamforming with time and spatial CI. The results exhibit that SSD technique that is capable of working with different CI strategies can lead up to a huge error performance improvement in MMSE beamforming systems.