Single carrier frequency domain equalization in LoS MIMO systems over frequency selective channels

The increasing demand for mobile high rate communication set the problem of finding new solutions that allow for supporting high quality of services and provide high channel capacity. Backhaul networks need to be adjusted in order to better exploit the limited available spectrum. In such a scenario, wireless backhaul at microwave wavelengths emerges as a valid alternative to wired networks. In this thesis, we consider nodes of the network equipped with multiple-input multiple-output (MIMO) systems operating under line-of-sight (LoS) condition. The propagation channel is modeled as a classical Rummler two rays channel model, since transmission is supposed to take place on a 28MHz channel bandwidth at frequencies lower than 15GHz; hence, the channel frequency selectivity is supposed to be one of the major impairments. Therefore, effective equalization is crucial. This work aims at giving a detailed description of the performance of single carrier space-frequency domain equalization for this specific application. Firstly, a comparison with classical space-time domain equalization for MIMO systems is presented alongside an analysis of computational costs for both schemes. Then, phase noise is added as further disturbance and three compensation schemes are introduced: a single stage unique word and pilot based compensation after frequency domain equalization; a single stage pilot based compensation after space-time equalization; a double stage scheme with a partial response space-time equalization as first stage followed by a second stage that jointly compensates the phase noise and the residual cross-spatial interference. Results are obtained by means of numerical simulations; we evaluate the behavior of aforementioned systems for variations of three different parameters: SNR, phase noise power and spacing of the MIMO elements. Double stage compensation scheme proves to be the most efficient technique especially for most challenging environments and optimal design of the LoS MIMO system. Single stage schemes give results comparable to those of double stage solutions, but at a lower computational complexity, for suboptimal antenna spacing. Since the latter configuration is very common in practical systems because of the strict requirements on maximum dimensions of antennas arrangement, we think that such a topic is worth of further investigation.

L'incessante crescita delle comunicazioni mobili ad alto bitrate ha reso necessaria la ricerca di nuove soluzioni che forniscano la necessaria capacità di canale, garantendo allo stesso tempo un'alta qualità del servizio. Le reti di backhaul devono essere quindi modificate in modo da sfruttare al meglio lo spettro disponibile. È in questo scenario che le reti di trasporto realizzate tramite comunicazioni radio emergono come una valida alternativa all'utilizzo delle fibre ottiche. In questa tesi consideriamo nodi della rete di backhaul equipaggiati con sistemi ad antenne multiple (multiple-input multiple-output, MIMO) che operano in condizioni di visibilità (line-of-sight, LoS). Il canale viene rappresentato dal modello di Rummler a due raggi, dal momento che si analizzano trasmissioni su canali con larghezza di banda pari a 28MHz per frequenze inferiori a 15GHz; perciò, uno dei principali disturbi è individuabile nella selettività in frequenza del canale stesso. Si comprende come sia necessario implementare uno schema di equalizzazione efficace. L'obiettivo di questo lavoro è fornire una descrizione dettagliata delle performance di un sistema LoS MIMO in cui la trasmissione è realizzata tramite modulazione a singola portante (single carrier) e l'equalizzazione viene effettuata nel dominio della frequenza (frequency domain equalization). I risultati quindi sono messi a confronto con le prestazioni ottenute tramite i classici schemi di equalizzazione nel dominio del tempo (space-time equalization); inoltre viene effettuata una valutazione dei costi computazionali per ciascuno dei due schemi. Si procede quindi ad aggiungere rumore di fase come ulteriore disturbo e si presentano tre diversi schemi per la sua compensazione: uno schema a singolo stadio, in cui la compensazione - basata sulle stime del rumore ottenute tramite unique word e pilota - avviene dopo equalizzazione e separazione dei segnali nel dominio della frequenza; un secondo schema a singolo stadio, in cui però la cancellazione del rumore viene effettuata dopo aver processato il segnale nel dominio del tempo; uno schema a doppio stadio, in cui il segnale viene prima equalizzato tramite un filtro a risposta parziale (partial response) e poi attraverso un filtro che permette congiuntamente di eliminare l'interferenza residua ed attenuare il rumore di fase. I risultati sono ottenuti tramite simulazioni numeriche organizzate in modo da valutare il comportamento dei sistemi sopra citati al variare di tre diversi parametri: rapporto segnale-rumore (SNR), potenza del rumore di fase, distanza tra le antenne del sistema MIMO. Il sistema di compensazione a doppio stadio si è rivelato essere il più efficace, soprattutto per configurazione rappresentanti scenari meno benevoli e per separazione ottimale delle antenne. I sistemi di compensazione a singolo stadio hanno prestazioni comparabili a quelle degli schemi a doppio stadio in caso di array di antenne con spaziatura subottima, con il vantaggio di avere un costo computazionale inferiore. Poichè quest'ultimo scenario rappresenta un caso molto comune nei sistemi reali a causa degli stringenti vincoli sulla disposizione delle antenne, si ritiene che questo argomento sia meritevole di un'analisi più approfondita.