Adaptive coded modulation under noisy channel state information and antenna diversity

Abstract

Rapporten omhandler analyse og optimalisering av single-carrier adaptiv kodet modulasjonssystemer med antennediversitet hvor multidimensjonal trellis koder er brukt som komponentkoder. Både estimerings- og prediksjonsfeil er tatt hensyn til i analysen. For å kunne estimere og prediktere kanalen benyttes det en metode kalt pilot-symol-assistert modulasjon (PSAM). Det betyr at pilot symboler (overhead informasjon) må sendes, noe som både bruker effekt og reduserer spektral effektivitet (throughput) i systemet. I denne rapporten er både piloteffekten og pilotavstanden optimalisert slik at systemets spektral effektivitet blir størst mulig, samtidig som at bitfeil raten holdes konstant. Resultater viser at effektive og pålitelige adaptive systemer kan oppnås over et stort variasjonsområde av kanalkvaliteten. I tillegg til scenarier hvor antennene er ukorrelerte blir korrelasjon mellom antennene tatt i betraktning i et SIMO (single-input multiple-output) system. Denne gangen er estimeringen antatt som perfekt mens vi fortsatt har prediksjonsfeil. Først analyseres hvordan romlig korrelasjon påvirker throughput-raten i et system som opprinnelig er designet for å operere på ukorrelerte antenner. Deretter blir korrelasjonen tatt med i beregningen når en joint “space-time prediktor” utvikles. Som forventet er throughput-raten fortsatt lavere enn i det ukorrelerte systemet, men degradasjonen er blitt redusert. Det vil si at degradasjonen kan bli redusert når romlig korrelasjon blir utnyttet.

The focus in this report is to analyze and optimize single-carrier adaptive coded modulation systems with antenna diversity. Multidimensional trellis codes are used as component codes. The majority of the analysis is done with both estimation and prediction errors being incorporated. Both channel estimation and prediction are performed using a pilot-symbol-assisted modulation (PSAM) scheme. Thus, known pilot symbols (overhead information) must be transmitted; which consumes power and also degrades system spectral efficiency. In this report, both power consumption and pilot insertion frequency are optimized such that they are kept at necessary values to maximize system throughput without sacrificing the error rate performance. The results show that efficient and reliable system performance can be achieved over a wide range of the considered average channel quality. Besides the spatially uncorrelated antenna array, the effect of spatial correlation is also considered in the SIMO case. In this case, only prediction error is considered and channel estimation is assumed to be perfect. At first, the impact of spatial correlation in a predicted system originally designed to operate on uncorrelated channels is quantified. Then the correlation is taken into account by using a joint “space-time predictor”. As expected, the results show that the throughput is still lower than the uncorrelated system, but the degradation is decreased. Thus, by exploiting the correlation properly, the degradation can be reduced.