Statistical analysis of the wireless propagation channel and its mutual information

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-07-19
Major/Subject
Radiotekniikka
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
55, [91]
Series
Helsinki University of Technology Radio Laboratory publications. S, Teknillisen korkeakoulun Radiolaboratorion julkaisuja. S, 278
Abstract
This thesis considers the statistical analysis of the mobile radio propagation channel and certain functions of it. First, mutual information of the fading multiple-input multiple-output (MIMO) wireless channel is analyzed. Specifically, an approximate distribution of mutual information for Rayleigh fading MIMO channels as well as an upper bound for the ergodic mutual information for Rician fading channels are derived. A novel decomposition of mutual information at high SNR is also considered. The decomposition also leads to an appealing measure for spatial multiplexing efficiency, or multipath richness, of a MIMO radio channel. As the second topic, the amplitude distribution function of the general multiple scattering radio channel is derived. Rayleigh, Rice, and double-Rayleigh distributions are special cases of the general result. In the third topic, an additive model is proposed as a physical basis for shadow fading – as an alternative to the conventional multiplicative one. A simple analytical justification for the log-normality of small area shadow fading is provided. The additive model is also shown to be supported by radio channel measurements.

Työ käsittelee siirtyvän tietoliikenteen radiokanavan ja tiettyjen siihen liittyvien funktioiden tilastollista analyysiä. Ensimmäisenä aiheena analysoidaan häipyvän ns. moniantenniradiokanavan keskinäisinformaatiota. Tarkemmin eriteltynä työssä johdetaan likimääräinen lauseke Rayleigh-häipyvän moniantennikanavan keskinäisinformaation todennäköisyysjakaumalle. Lisäksi johdetaan yläraja Rice-häipyvän kanavan ergodiselle keskinäisinformaatiolle, sekä uudentyyppinen keskinäisinformaatiohajotelma, joka pätee korkeilla signaalikohinasuhteilla. Hajotelman perusteella ehdotetaan myös tunnuslukua moniantennikanavan ns. multipath richnessille. Toisena aiheena työssä johdetaan yleistetyn monisirontakanavan amplitudin todennäköisyysjakauma. Rayleigh-, Rice- ja kaksois-Rayleigh-jakaumat ovat yleisen tuloksen erikoistapauksia. Työn kolmannessa aiheessa osoitetaan että myös summamalli – verrattuna perinteiseen tulomalliin – voi olla selityksenä ns. hitaan häipymän lognormaaliuteen. Työssä esitetään mittaustuloksia, jotka tukevat summamallia.
Description
Työ käsittelee siirtyvän tietoliikenteen radiokanavan ja tiettyjen siihen liittyvien funktioiden tilastollista analyysiä. Ensimmäisenä aiheena analysoidaan häipyvän ns. moniantenniradiokanavan keskinäisinformaatiota. Tarkemmin eriteltynä työssä johdetaan likimääräinen lauseke Rayleigh-häipyvän moniantennikanavan keskinäisinformaation todennäköisyysjakaumalle. Lisäksi johdetaan yläraja Rice-häipyvän kanavan ergodiselle keskinäisinformaatiolle, sekä uudentyyppinen keskinäisinformaatiohajotelma, joka pätee korkeilla signaalikohinasuhteilla. Hajotelman perusteella ehdotetaan myös tunnuslukua moniantennikanavan ns. multipath richnessille. Toisena aiheena työssä johdetaan yleistetyn monisirontakanavan amplitudin todennäköisyysjakauma. Rayleigh-, Rice- ja kaksois-Rayleigh-jakaumat ovat yleisen tuloksen erikoistapauksia. Työn kolmannessa aiheessa osoitetaan että myös summamalli – verrattuna perinteiseen tulomalliin – voi olla selityksenä ns. hitaan häipymän lognormaaliuteen. Työssä esitetään mittaustuloksia, jotka tukevat summamallia.
Supervising professor
Vainikainen, Pertti; Prof.
Keywords
radio channel, Rayleigh distribution, mutual information, radiokanava, Rayleigh-jakauma, keskinäisinformaatio
Other note
Parts
  • J. Salo, F. Mikas, and P. Vainikainen, An Upper Bound on the Ergodic Mutual Information in Rician Fading MIMO Channels, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 5, no. 6, pp. 1415-1421, Jun. 2006. [article1.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • J. Salo, P. Suvikunnas, H. M. El-Sallabi, and P. Vainikainen, Approximate Distribution of Capacity of Rayleigh Fading MIMO Channels, Electronics Letters, vol. 40, no. 12, pp. 741-742, Jun. 2004. [article2.pdf] © 2004 IEE. By permission.
  • J. Salo, P. Suvikunnas, H. M. El-Sallabi, and P. Vainikainen, Some Insights into MIMO Mutual Information: the High SNR Case, IEEE Transactions on Wireless Communications, to appear. [article3.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • J. Salo, P. Suvikunnas, H. M. El-Sallabi, and P. Vainikainen, Ellipticity Statistic as Measure of MIMO Multipath Richness, Electronics Letters, vol. 42, no. 3, pp. 45-46, Feb. 2006. [article4.pdf] © 2006 IEE. By permission.
  • J. Salo, H. M. El-Sallabi, and P. Vainikainen, The Distribution of the Product of Independent Rayleigh Random Variables, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 2, pp. 639-643, Feb. 2006. [article5.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • J. Salo, H. M. El-Sallabi, and P. Vainikainen, Statistical Analysis of the Multiple Scattering Radio Channel, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, to appear. [article6.pdf] © 2006 by authors and © 2006 IEEE. By permission.
  • J. Salo, H. M. El-Sallabi, and P. Vainikainen, Impact of Double-Rayleigh Fading on System Performance, In: Proceedings of the 1st IEEE International Symposium on Wireless Pervasive Computing (ISWPC 2006), Phuket, Thailand, Jan. 16-18, 2006, pp. 1-5. [article7.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • J. Salo, L. Vuokko, and P. Vainikainen, Why is Shadow Fading Lognormal? In: Proceedings of the 8th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC 2005), Aalborg, Denmark, Sept. 18-22, 2005, pp. 522-526. [article8.pdf] © 2005 WPMC. By permission.
  • J. Salo, L. Vuokko, H. M. El-Sallabi, and P. Vainikainen, An Additive Model as a Physical Basis for Shadow Fading, IEEE Transactions on Vehicular Technology, to appear. [article9.pdf] © 2006 by authors and © 2006 IEEE. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-007109