Permutation Spreading and Alamouti Space-Time Coding for DSSS MIMO Systems in Frequency Selective Rayleigh Fading Channels

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer nye metoder for to sender-diversitetteknikker med bruk av direkte-sekvens spredet spektrum i en fler-inn fler-ut frekvensselektiv Rayleigh modellert kanal. Et problem i denne settingen er at kanalen ødelegger ortogonaliteten mellom spredningskoder. Den første teknikken er basert på permutasjonsspredning, hvor informasjonen som skal sendes bestemmer spredesekvensene som skal brukes på hver senderantenne. Vi viser hvordan å oppnå ortogonalitet mellom spredningskoder i den frekvensselektive kanalen ved å sende Zadoff-Chu sekvenser med en syklisk prefiks og hvordan å hente ut frekvensdiversitet. Vi foreslår og analyserer også en ny metode for å øke informasjonsraten for permutasjonsspredning. Teknikken er sammenlignet med en direkte-sekvens spredet spektrum Alamouti-tilnærming som også benytter Zadoff-Chu sekvenser. Begge teknikkene antar at kanalen er kjent på mottakeren.

Vi undersøker ytelsen i form av bit-feilrate. Det er vist at permutasjonsspredning oppnår ønsket diversitet. Det er også vist analytisk og gjennom simuleringer at teknikken er overlegen Alamouti-tilnærmingen for mer enn en kanalgren. I form av informasjonsrate er permutasjonsspredning også overlegen, ettersom Alamouti-tilnærmingen sender over to symbolperioder. En ulempe med å bruke permutasjonsspredning er at det er komplisert å øke dataraten, og forslaget presentert i denne oppgaven senket diversiteten i systemet.

This master thesis presents new techniques for two transmit diversity schemes using direct-sequence spread spectrum in the multiple-input multiple-output frequency selective Rayleigh fading channel. A problem in this setting is that the channel ruins the orthogonality of spreading codes. The first scheme is based on permutation spreading, where the data to be transmitted determines the spreading sequences to be used by each transmit antenna. We show how to obtain orthogonality between spreading codes in the frequency selective channel by transmitting Zadoff-Chu sequences with a cyclic prefix and how to extract frequency diversity. We also propose and analyse a new method for increasing the data rate for permutation spreading. The scheme is compared to a direct-sequence spread spectrum Alamouti approach that also utilise Zadoff-Chu sequences. Both schemes assume channel knowledge at the receiver.

We examine the performance in terms of bit error rate. It is shown that the permutation spreading technique achieves the desired diversity. It is also shown analytically and through simulations that the technique is superior to the Alamouti scheme for more than one channel tap. In terms of data rate, permutation spreading is also superior, as the Alamouti approach transmit over two symbol periods. A disadvantage to permutation spreading is that it is not straightforward to increase the data rate, as the need for orthogonal codes increases with a higher modulation order. The proposal presented in this thesis managed to increase the data rate without increasing the number of codes, however, this lowers the diversity order of the system.