Multiuser MIMO downlink systems with limited feedback and remote sensing of vital signs

This PhD thesis collects the main contribution of my research activity, performed during my PhD program. As the title suggests, it is divided into two main parts. The first part collects the research I performed since the beginning of my PhD on Multiuser multiple input multiple output (MIMO) downlink systems with limited feedback; the topic is part of the wide research work on the fourth generation cellular systems. When I begun my research, on January 2007, most of the theoretical analysis had already been illustrated; therefore, my work focused on optimizing system parameters considering the limited resources available in a realistic scenario. The main contributions are on the design of the low rate feedback channel, and sub-optimal, low complexity scheduling algorithms, both in single carrier and in a orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) scenario. The second, and most recent part of the thesis deals with remote sensing of vital signs, i.e. respiration and heart rate; I have been addressing this topic since October 2008, in cooperation with Philips Research, Eindhoven (NL), where I have been visiting student. We investigated the ultra wide band technology for remote sensing of vital signs. We propose a generic model for the received signal and described how vital sign modulates the main parameters of the received signal. Furthermore, we focused on detection techniques of respiration and heart beating periods; we derived the ML period estimator of a zero mean signal with unknown shape, and we proposed a novel low complexity approximated ML estimator. The proposed methods have application in many areas where only the periodicity is required and the complexity is an important issue. In particular, we applied the proposed algorithms to the remote heart rate estimation problem; both simulation and experimental results indicate that the proposed method outperforms the state of the art methods in detecting the period of a signal with low signal to noise ratio like the heart beating, even with a short observation of the periodic signal. %Communication and radar ha complementary a Though the two parts of research I performed during my PhD program seem to have little in common, they can be investigated with the same analytical tools, particularly for signal processing and detection techniques.

Questa tesi di dottorato raccoglie i contributi principali dell'attività di ricerca svolta durante i tre anni del mio percorso di dottorato. Come suggerisce il titolo, l'attivita' di ricerca condotta in questo triennio è divisa in due parti principali. La prima riguarda l'argomento di ricerca che ho seguito sin dall'inizio sui sistemi di downlink Multiuser MIMO con feedback limitato; è parte di un ampio filone di ricerca finalizzato alla progettazione della quarta generazione di sistemi cellulari, e piu' in generale di futuri sistemi di comunicazioni wireless con terminali mobili. In particolare, i miei studi si sono concentrati sui sistemi cellulari in cui le stazioni base sono provviste di antenne multiple; la presenza di piu' antenne alla stazioni base fornisce dei gradi di liberta' nelle comunicazioni di downlink, ovvero nelle comunicazioni dalla stazioni base ai terminali mobili, che possono essere utilizzati per servire piu' di un utente simultaneamente e ottenere un rate piu' elevato rispetto al caso singola antenna. A tal fine e' pero' necessario fornire alla stazioni base la conoscenza dei canali di downlink per ciascuno degli utenti che intende servire; tanto piu' fine e' la stima del canale in possesso della stazioni base, tanto maggiore e' il rate raggiungibile in questo schema di downlink. La progettazione di strategie di feedback, con cui i terminali trasmettono su un canale dedicato informazioni sul canale di downlink alla stazioni base e' quindi un aspetto di grande interesse, essendo il canale di feedback a rate limitato (dell'ordine di qualche bit/simbolo). In particolare, mi sono occupata della scelta del quantizzatore e delle strategie di feedback che tenessero conto della correlazione temporale del canale. All'inizio del triennio (gennaio 2007) la maggior parte delle analisi teorica era stata sviluppata; di conseguenza, il mio lavoro è incentrato sull'ottimizzazione dei parametri del sistema, tenendo conto delle limitate risorse disponibili in uno scenario realistico. I contributi principali riguardano la progettazione del canale di feedback a rate limitato e algoritmi di scheduling subottimi a bassa complessità, sia per sistemi single carrier che in uno scenario OFDM. In particolare, i contributi riguardanti la progettazione del canale di feedback a rate limitato traggono vantaggio dalla correlazione temporale del canale, utilizzando sistemi di quantizzazione con memoria. E' stato inoltre proposto un algoritmo di scheduling a bassa complessita', e si sono studiate le prestazioni in confronto con i principali algoritmi presenti in letteratura. Tale confronto evidenzia che a parita' di condizioni, l'algoritmo da noi proposto e' caratterizzato da prestazioni analoghe alle altre soluzioni e molto vicine all'ottimo, sia in termini di throughput che di outage throughput, ma con una minor complessita'. La seconda e più recente parte della tesi affronta l'argomento della stima di segnali vitali, ovvero la respirazione e il battito cardiaco, attraverso un sistema remoto, dove non c'e' contatto tra il sensore ed il target a distanza. Questo argomento e' stato affrontato, in collaborazione con Philips Research, Eindhoven (NL), dove sono stata come Visiting Student da ottobre 2008 a maggio 2009. Ho studiato la tecnologia ultra wide band per il rilevamento remoto dei segni vitali, con il vincolo di rispettare i limiti di potenza imposti dalla legislazione vigente. Lo studio e' stato condotto sia analiticamente, che tramite simulazioni, ed infine attraverso l'allestimento di una demo e la raccolta di risultati sperimentali. In particolare, ho proposto un modello generico per il segnale ricevuto e descritto analiticamente la modulazione che i segnali vitali operano sui principali parametri del segnale ricevuto. Sulla base di questo modello, ho studiato le tecniche di rilevazione del respiro e del cuore periodi di battere; in particolare, ho proposto un metodo di stima del periodo a bassa complessita', che migliora le prestazioni di altre soluzioni proposte in letteratura, sia in termini di errore quadratico medio che di complessita' richiesta. Infine, è stato derivato lo stimatore maximum likelihood (ML), ed è stato verificato che il metodo proposto risulta da un'approssimazione del metodo ML.