TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5458 ~ 54 6 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.577 6          5458     Re cei v ed  Jan uary 12, 201 4 ;  Revi sed Ma rch 5, 2 014;  Acce pted Ma rch 2 8 , 2014   Performance Analysis of a Hybrid Mimo Technique for  High Da ta Rate Wireless Communication System      Kehind e Od e y emi* 1 , Era s tus O gunti 2  1 Departme n t of Electrical a nd  Electron ic E ngi neer ing, Un iver sit y  of Ibad an,  Niger ia   2 Departme n t of Electrical a nd  Electron ic Engi neer ing,  F e d e r a l Univ ersit y  of   T e chnol og y, A k ure, Nig eria   *Corres o n d in g  author, e-ma il: keson i cs@ ya h oo.com       A b st r a ct   T he d e m a nd f o r h i gh er  data   rate a n d  better  qu alit y  of serv ice (QoS)  in  w i r eless  co mmu n icati o n s   w a s grow ing fast in the past  few  years.  Obtaini ng  thes e requ ire m e n ts beco m es ch all e ngi ng for w i rel e ss  communic a tio n  systems  du e  to the pr ob le ms of cha n n e l  mu lti-pat h fad i ng, hi gh er p o w er and  ba nd w i dth  li mitatio n s. On e of th e  most  pro m isi n g  sol u tions to  th is  pr obl e m  is  Multi p le I nput M u lti p le O u tput (MI MO)  system. This  p aper  pro pos ed  a c o mbi ned  s patia l  mu ltipl e x i ng  MIMO sch eme w i th  bea mfor mi ng f o r h i g h   data rate  w i rel e ss co mmu n ic ation. T h e  pro pose d  tr ans mi ssion sc he me  combi nes th e  ben efits of b o t h   techniques and the syst em   was able to transmit parallel data st ream s as well as providing beam forming  gai n. Actual ly,  these  divers e t e chn i qu es, sh are th e  sa me r equ ire m e n t of  mu lt ipl e  anten na ele m ents,  b u t   differ in the a n t enna e l e m ent spaci ng n e ces s ary for t he different sche m e s  to w o rk.  T hus, smart anten n a   array w a s prop osed as a pos sible so luti on a nd w a s adopt e d  at the both trans mitter an d the receiv er. T h e   hybri d  techni q ue prov ides h i gher sp ectral e fficiency  an d i m pr ove b e tter Bit error rate (BER) of the system  than the co nve n tion al MIMO,  spatia l multip le xing a nd b e a m formi ng tech ni ques u n d e r the  same si mulati o n   envir on me nt.       Ke y w ords : MIMO, spatial mu ltiplex i n g , bea mfor mi ng,  sma r t antenna, BE R, spectral effi ciency         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The dem and  for high d a ta multimedia  service s  i s  fast  gro w ing in th e past fe w years  and   several tech nique s ap pro a ch es h a ve  been  studie d  to enhan ce  bit rate and  to improve  the   reliability of any wireless  system. The  availabl e bandwidth and the maxi mum radiated  power are  subj ect to fundame n tal p h ysical con s t r aints a s   well  as regul atio ns and a r e a l so limited. As a   large  in cre a se in  ch annel   cap a city a nd  high tran smi s sion  rate s fo r  wirel e ss  co m m unication s,  the   techn o logie s   for the powe r  saving a n d  efficient  freq uen cy usabili ty are requi red. In a Single - Input Single-Output (SISO )  antenn a system whe r e th ere is o n ly on e antenn a at both tran smitter  and re ceive r  suffers a  b o ttlene ck  in  te rms of  c apa cit y  due to  the   Shanno n-Nyq u ist  crite r ion  [1,  2]; while futu re wi rele ss services  dem an d mu ch hi ghe r data  bit-rate  tran smissio n  with  smalle r  bit  error rate. In orde r to increase the ca p a city of  the SISO system s to meet su ch de mand, t h e   band width a n d  transmissio n power have  to be incre a sed sig n ifica n tly.  Presently, a lot of research  develop me nts have  sho w n that u s ing Multiple Input Multiple  Output  (MIM O) system s could  im p r ove  system  relia bility and in cr ease  the cha nnel cap a city   in  wirel e ss co m m unication substa ntially  without  in cre a sing the  tran smissi on  po we r an d b and wi dth  [3, 4].  There are thre e typical ap pro a ch es in the  MIMO system and the s e inclu de sp atial   multiplexing  (SM),  spatial  diversity a nd b eamfo rming. Th e  spatial dive rsi t y techniq u e  is  pred omin antly aimed  at improving sy stem reli ability because it  is used to combat channel   fading, SM tech niqu e is  cap able of i n crea sing  da ta transmissi on rate  whil e beamfo rmi n g   provide s  a  si gnifica nt increase in p e rfo r man c e  of wi rele ss comm unication  syst ems  by focu sing  on the si gnal  energy in a  particular  direction to  in crease the received SNR a nd also re du ce  interferen ce [5]. Consi d e r i ng the adva n tage s of  these  variou s MIMO tech nique s, there is a n e ed  to integrate th em so that th e whol e wirel e ss  syste m  can ben efit from these te ch nique s.     In  this pap e r ,  a hybrid  MIMO  te chni que  i s  co nceived  a s  a promi s in g so lution  fo r  spe c trally effi cient tra n smi ssi on techniq ue fo r wi rele ss  comm uni cation syste m . These diverse   techni que s,  share  the  sam e  re qui reme n t  of multip le  a n tenna  elem e n ts, but  differ in the  anten na   element spa c ing ne ce ssary for the different sche me s to work. Th a t  is, under th e beamfo rmi n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Perform a n c e  Analysis of a  Hybrid Mim o  Tech niqu e for High Data Rate… (Kehi nd e Ode y em i)  5459 techni que, th e antenna  sp acin g must b e  small in  order to provid e the requi re d high ch ann el  correl ation  bu t spatial  multi p lexing  and  spatial  dive rsit y techni que s  requi re  the  a n tenna  spa c i ng  to be large e noug h that the correlatio n betwe en t he MIMO cha n n e ls is lo w [6]. Thus, the use of  sma r t antenn a arrays at transmitte r and /or re ceive r  termin als p r ov ides a p o ssibl e  solutio n  in this  work for the  antenn a sp acing pro b lem  so that  the system would  ha ve high-co rrel a tion and lo w- correl ation scenari o s  simul t aneou sly ne ce ssary for th ese different tech niqu es.   Variou s hyb r i d  MIMO te ch nique s  sche me hav e  bee n propo se d i n  the p a st to  improve   the pe rform a nce  of wi rel e ss commu n i cation  sy ste m s. Mo st of  them focus on  combi n i n g   beamfo rming  with  diversit y techni que s [7-1 0]. Ho wever, thi s   co mbined  te ch nique  can  o n ly  enabl e a sy stem to achie v e both diversity gain an d  beamformin g gain. Thi s   can im prove  the   system pe rfo r man c e, with out  im proving  the sy stem  spe c tru m  e ffi cien cy si nce  both te chniq u e s   are mai n ly to comb at fadin g . Based on t h is limitat ion, a system of h y bridizi ng be amformin g wi th   spatial multip lexing techni que is p r op o s ed.  Thi s  propo sed te ch nique imp r ov ed the syste m   spe c tral effici ency si gnifica ntly, as well a s  gua rante e in g the system  BER perfo rm ance.      2. Sy stem Model   A  sma r t  a n te nna  MIM O  system wa s  p r opo se d  fo r high data rat e   wi rele ss system as  illustrated in  Figure 1  and  was  configured i n  such  a way th at both the transmitter and the   receiver were  equi ppe d  with on e o r  m o re smart  anten na a r rays. T h e tra n smitte r  has M T  an te nn a  arrays with e a ch a r ray ha ving N anten na eleme n ts  and there are M R  antenn a arrays at the  receiver  with  each a rray  having K antenna ele m en ts. We assu med that the chan nel sta t e  informatio n  (CSI) i s   only  kno w n  to the  re ceive r  a n d  that the  cha nnel  ha s the   Rayleig h  fadi ng  distrib u tion; a nd sp atially unco r related complex  Gau s sian noi se i s  adde d to the faded sig nal  at  the receiver.  The sp aci ng  betwe en the antenn a arra ys wa s made  to be more than 10 λ  whil e the  antenn a elem ent sp aci ng o f  each  antenn a array is a  h a lf wavelen g th ( λ /2 ). The v e ctors  W an d  Z  are called the  transmit be a m forming a n d  receive b e a m forming ve ctors, re sp ecti vely          Figure 1. Pro posed MIMO  Wirel e ss Syst em with Smart Antenna Array      3. Sy stem Analy s is   Conve n tionall y , the MIMOchann el impul se  re spo n se of  MIMO  sy stems with T M trans m it  antenn as a n d R M receive anten nas i s  given a s  [11]:    11 12 1 2 21 2 2 12 (1 ) T T RT RR RT M M MM MM MM hh h h hh H hh h               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5458 – 54 68   5460 Whe r e  , () ij h sho w s the cha n n e l impulse re spo n se between the  th j  trans m itter to the  th i   receiver el em ent and is giv en as:     , 1 (2 ) () ( ) L ij n n n h       Whe r e  , () ij h  multi path  chan nel  impul se  re spon se, L i s  t he nu mbe r  of  path s ,  n  show s the   amplitude  of  the  th n  path an d it obey s in depe ndent  a nd ide n tical   Rayleig h  di stribution  (i.i.d),  . rep r e s ent s the impulse fun c tion an d  n  rep r esents  the d e lay of the  th n arriving path.  Applying thi s  to multipl e   antenn a a r ra ys case  a s  i n  figure  1, th is m a kes the  ch ann el  matrix to be  RT KM NM a matrix.    12 11 1 12 22 2 12 (3) T T T RR R RT M M M MM M KM NM hh h hh h H hh h                 Whe r e  1 1 h  is ch annel fadin g  vector from  th j the anten na a rray at the tra n smitter to  th i  antenna  array at the receive r .    , 1 ,1 ,1 ,1 , 2 , ,2 ,2 ,2 ,1 , 2 , ,, , ,1 , 2 , (4) jj j ii i K jj j j ii iK i jN jN jN ii i K KN hh h hh h h hh h                         At the trans m itter, the trans m it  s i gnal split into  M T  p a rallel  sign als  12 () , ( ) ( ) T M Sn S n S n   through the  splitter (dem ultiplexer ) an d is sent to the different  antenn a arra y to perform  beamfo rming,  thus the tran smit sign al be come s:     () ( ) ( 5 ) j j Sn W S n    Whe r e  j W   is the transmit be amformin g weight vector a nd is given a s :    * () ( 6 ) jT j Wa     2 / , . . .... .... ..... .. 2 ( 1 ) / () 1 , , ( 7 ) tj tj T j d Si n j N d Si n Tj ae e       Whe r e  j  is the angle of dep arture (AO D ), t d  is the distan ce between t he antenn a e l ement a t   th j  transmitter a n tenna a rray,    is the carri e r  wavele ngth,  N is the nu mber of elem ent at the   th j  transmitter  antenn a arra y and  () Tj a  is t he tran smit  array stee rin g  re spo n se. After   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Perform a n c e  Analysis of a  Hybrid Mim o  Tech niqu e for High Data Rate… (Kehi nd e Ode y em i)  5461 beamfo rming,   () sn  be come s  1 N  colum n  v e ct o r () j sn . At the receiver  side, th e re ceive   sign al at  th i  arra y element is denote d  as v e ctor  X n  and is  given as:     () () ( 8 ) jj Xn H W S n     The re ceive beamfo rming   is  the n  wei ghted on  X n  a nd the  outp u t sig nal aft e r  beamfo rming at  the  th i  receiv e element ant enna a r ray is given as:      1 (9 ) ( ) () () T M H ii j i j rt Z X n g n      1 ( 10) ( ) () () T M HH j ii i i j rt Z H S n Z g n      Whe r e  i Z   is the received be amformin g weight vector a nd is given a s :    [] (1 1 ) iR i Za     2 / , . . . . . . . . ... .. .. .. 2 ( 1 ) / (1 2 ) () 1 , , rj rj jd S i n j K d S i n i R ae e         Whe r e  i  is the  AOA (Angle  of Arrival),  r d is the distan ce  betwe en  the  antenn a elem ent at  th i transmitter array,  is the ca rrie r  wavel e n g th, K is the  numbe r of el ement at the  th i  receiv e r   antenn a arra y and  () Ri a is the receive a r ray steeri ng resp onse.    1 () () () ( 1 3 ) T M H j ii i j rn Z H S n n     Whe r e  () i n sp atia lly  uncorrelat ed compl e x Gau ssi an noi se  with entry is  di strib u ted as ~CN  (0, o N ) and is give n  as:    () () ( 1 4 ) H ii i nZ g n     Since, () () j jj Sn W S n we then s u bs titute for  () j Sn  in the Equation (13 ) .             1 11 ( ) ( ) ( ) .. .. .. ... ( ) ( ) ( ) ( 1 5 ) T TT M HH ii i i i i MM r t Z h nW S n Z h nW S n n    In matrix form:    12 11 1 1 1 2 11 1 11 12 2 22 22 22 2 2 2 2 12 12 .. ..... () () .. ...... ..... ....... ... () .... .... T T T T T T T RR RR RR T M HH H M M H HH M M HH H M M MM M M MM M Zh W Z h W Zh W rS n rS n Zh W Zh W Z h W rS n Zh W Z h W Z h W                   (1 6 ) T M            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5458 – 54 68   5462 (1 7 ) rH S      Whe r e  H  is effective ch ann el matrix and  is define d  as:     12 11 1 1 1 2 11 12 22 22 2 2 2 2 12 12 .. .. .. . .. .. ... . (1 8 ) .. .. .. ... .. .. .. . . . ... .. T T T T T RR RR RR T M HH H M M H HH M M HH H MM MM MM M Zh W Z h W Z h W Zh W Zh W Z h W H Zh W Z h W Z h W             This  sho w s that the ch an nel matrix co nsi s ts of MI MO ch ann el fading an d in formation  c o nc er n i ng  AO D   a n d  AO A. As  a re su lt,  H  is then  tran sformed  from   a  RT KM NM   chan nel  matrix to a  RT M M chann el matrix  H. Due to th e stro ng spat ial correl ation  existing in e a c h   antenn a a rra y, accordi ng  to the fadin g  of the fi rst e l ement fo r ea ch  antenn a a rray, the  enti r e   steeri ng resp onse of the antenna a r ray is [12]:    1 , 0 (, ) [ ] ( ) [ ] ( ) ( 1 9 ) L jT iR i i j T j n i ht a t a       Whe r e the  ch annel fa ding  vector  j i h is a m a trix of  KN  acco rdingto E quat ion (4 ),   , ij t is  the multipath  fading  comp onent s  cou p li ng the  first e l ement of  th e  th j  antenn a  array at the  transmitter to the  th i  antenn a array at the receiver an d   it obeys indep ende nt and identi c all y   Rayleig h -di s tribution (i.i.d).   Since the cha nnel is a s sum ed to be flat,  Equation (17) becom es:     , () [ ] () [ ] ( 2 0 ) jT iR i i j T j ht a t a        Then, the effective ch ann el fading ele m ent , ij H  can b e  roughly obtai n ed as:     , * , (2 1 ) [] [] [ ] [ ] ij HT ii i j j j RR T T H aa a a      Since    Ri aK   and    Tj aN    Whe r e  .  is th e Eucli dea n  Vector Norm,  thus  the  effective chan nel  fading  elem ent   , ij H  ca n  be app roxima tely obtained  as:     , , .( 2 2 ) ij ij HK N       Therefore, th e corre s p ondi ng entire  cha nnel matrix can be form ed  as:    1, 1 1 , 2 1, 1, 1 1 , 1 2 , , ,1 , 2 (23 ) . .... .. . .... .. . . .... .. .. ... . . .... .. T T RT RR M M MM MM HK N                  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Perform a n c e  Analysis of a  Hybrid Mim o  Tech niqu e for High Data Rate… (Kehi nd e Ode y em i)  5463 Since the  ele m ent of  , ij   and    , ij h   has the  sa me dist ributio n (i.i .d), then  the effective cha nnel   matrix in Equation (16 )  be comes:     . ( 24) HK N H     To dete c t the  tran smit si gn al Sn , Zero forci ng (ZF)  and   Minimum M e an Squ a re  Error  (MMSE) dete c tion alg o rith m were con s idere d  and t he re ceive r   wa s de sign  usin g the lin ear  matrix  G  accordin g to ce rtain algo rithm.  Thus, the re ceive sign al is:     () (2 5 ) rn H S      The dete c ted  sign al is:     (26) SG r     (2 7 ) SG H S G      For ZF dete c t i on algo rithm:      1 () ( 2 8 ) HH ZF GH H H     For MMSE d e tection al gorithm:     1 [ ] (29) R HH KM MMS E o I GH H H      If the system use s  ZF o r  M M SE detectio n  algo rithm, the effective d e tection S N R of the  th q  data stre ams with linear Z F  or MMSE equali z er  at th e receiver i s  expre s sed a s  [13, 14]:     1 , ( 30) ; 1 , 2 , ... .. ... .. () ZF Bf o qT H qq qM HH      1 , (3 1 ) 1 ; 1 , 2 , .. .... .... [] R MM S E B f o q T H KM qq o qM I HH       Whe r e  o  is the average S N R at each re ceiver  anten na  array an d is  obtaine d as:     ( 32) q o o P KN      Whe r e  q P  is the transmit po wer at ea ch  th j  tr ansmit ante n na array.  If the transmit powe r  is eq u a lly allocated  across the tra n smit anten n a  array,     (3 3 ) o q T P P MN      Then,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5458 – 54 68   5464 (3 4 ) o o To P M KNN     Whe r e  o P  is the total transmit t ed power.   By s ubs tituting for  o  in the Equation (29 )  and (3 0),      1 , (3 5 ) ; 1 , 2 , . .. ..... .. ZF Bf o q T H o T qq P qM HH K N N M          1 , (3 6) 1 ; 1 , 2 , . ... .. .. .. [] R MM S E B F o q T H KM oq q T o P qM I M KNN H H       Acco rdi ng to Equation (24), E quation (3 5) and  (36 )  b e com e :    1 , ; 1 , 2 , . . .... ... . ( 3 7 ) () ZF B f o q T H qq o T PN K qM HH N M        22 1 , 1 ; 1 , 2 , ... .... ... (38 ) [( ) ] R MM SE BF o q T To K M H To q q o P qM MK N N I M KNN H H K N P        Thus, the  system capa city for wirele ss  system is give n by [14, 15]:    2 1 lo g ( 1 ) ( 3 9 ) T NM q q C    The  system  cap a city for t he hyb r id  scheme  whe n   ZF and  MM SE were ad opted a s   receiver i s  ob tained a s :    2 1 1 , lo g ( 1 ) ( 4 0 ) () T NM o ZF B f H q qq o T PN K C HH N M    2 1 22 1 , lo g ( 4 1 ) [( ) ] t R NM o MM SE B f q To K M H To q q o P C M KNN I MK N N H H K N P             4. Simulation Resul t s    This pap er provides  the si mulation re su lts  of the  pro posed hyb r id  MIMO te chn i que fo r  high data rat e   wi rele ss co mmuni cation  system.  T h e performanc e  metrics   in  terms  of  spec tra l   efficien cy an d BER of Conventional MI MO, S patial Multiplexing  scheme a nd  the Beamforming   scheme  a r e   given to  com pare   with the  propo se d  h y brid te ch niq ue. Th e tran smitter  and  t h e   receiver a r e  assume d to have 2 smart a n tenna  a rray s  at both ends and we exa m ine N and K  to   be eq ual to 2 ,  4 and 8 e le ments in  ea ch array. The  spa c in g bet ween a n tenn a  arrays i s  larg er   than 10 λ , whi l e the spa c in g betwe en an tenna elem en ts is  λ  / 2. The angle sprea d  at each of the  transmitter a n tenna a r ray is 30 de gre e s  and 7 0  deg re e s  at the re ceiver  side. T he ch ann el h a s  the Rayleig h   fading di strib u tion, and  sp atially  uncorrelated compl e x  Gau ssi an noise  is adde d  to  the fade d  sig nal at th e  re ceiver. 1 6 -QA M  mod u lation s a r e  u s ed  to  mod u late th e sym bol s at  the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Perform a n c e  Analysis of a  Hybrid Mim o  Tech niqu e for High Data Rate… (Kehi nd e Ode y em i)  5465 transmitter a nd ZF and M M SE detectio n  are ado pte d  at the rece iver for the entire schem e s .  These dete c tions a r e fu rther  enha n c ed  by line a r nulli ng a nd succe s sive interferen ce  can c ell a tion  a l gorithm  calle d Verti c al - Be ll-Lab s Laye r ed Sp ace-Ti me Archite c tu re  (V-BLAST ) to   achi eve bette r perfo rma n ce.  Spectral effici ency is the capa city of t he system whi c h sho w s the amount of m a ximum  informatio n that can b e  sent by a wire less  com m un ication  syste m . Conventio nally, this ca n be  increa sed  by the facto r  of  mi n , RT M M   without u s in g  addition al tra n smits  po we r or spe c tral  band width. T h is  pape r  sh ows that m a ximum  spe c tra l  efficien cy is achievable  b y  increa sing  th e   numbe r of ele m ent in each antenn a ar ra y at both ends of radio lin k.        Figure 2. Spectral Efficien cy for the Prop ose d  Wirele ss MIMO System whe n 2 T M , 2 R M ,  K=2 and  N=2       Figure 2  sho w s the  sp ectral efficie n cy  p e rf orm a n c e  o f  the propo se d sy stem  with  ZF a nd  MMSE detection wh en 2 T M , 2 R M ,  K=2 an d N=2. This  re sult  indicates th at the hybri d   scheme  ha s the be st pe rfo r man c e  with  averag e  spe c tral efficien cy  of 38.86b/s/ Hz  whe n  MM ES  wa s con s ide r ed a s  dete c ti on an d 33.0 8 b /s/Hz for Z F   detectio n  tha n  sp atial mult iplexing  sche me   with the average sp ect r al efficien cy of 21. 73b/s/ Hz a nd 14.24b/ s/Hz for MMSE  and ZF dete c tion  respe c tively; and  beamfo rming  schem e  with th e  av erage sp ect r al efficien cy  of 11.62b/ s/Hz. The  result furthe r sho w s that the  Co nventio nal MIMO sy stem with  2 T M  and  2 R M  has a n   averag e spe c tral efficien cy  of 4.38b/s/Hz  when MMS E detection  wa s u s ed a n d  3.54b/ s/Hz for  ZF dete c tion  whi c h o b viou sly indi cate th at the  Conve n tional MIM O  schem e h a s  a poo r  ca pa city  perfo rman ce  compa r e d  to the other sch eme. T hus, this p r oves that spatial multipl e xing   techni que  ca n be u s ed to  achieve d  hi gh data  ra te  than bea mforming techniq ue and it furt her  sho w s that hybrid schem e  make u s e o f  the adv antages of both tech niqu e to prod uce high er  s p ec tral effic i enc y.   Figure 3 sho w s the  avera ge erro r prod uce by the  propo sed te chn i que s wh en 2 T M , 2 R M , K=2 an d  N=2. It is cle a r t hat MMSE d e tection  pe rfo r med  better t han the  ZF d e tection   in the  entire  schem e. Th e result  sh ows t hat spatial m u ltiplexing  scheme pe rforms  b e tter at  l o we r  SNR while be amformin g scheme pe rform better at  high SNR. Thi s  limitation of the two sche mes  wa s com pen sated fo r wit h  hybrid sch e me. Thu s , hybrid sche me  has go od BER perfo rma n ce   and will p r ovi de an ave r ag e error of 0.0 017 for MMS E detection a nd 0.002 4 for ZF detectio n .   The re sult al so shows tha t  beamformin g scheme  on ly perform s b e tter than hybrid sch e me  at  high SNR of 14dB, but it will provid e a  high aver a g e  error of 0.0 326 than hyb r id sche me. It is   also  clea r fro m  the re sult that conve n tio nal  MIMO ha ve a poor p e r forma n ce a m ong the e n tire  scheme.       0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 S NR [ d B ] S p ec t r a l  E f f i c i en c y   [ b ps / H z ]     Conv e n t i o nal  M I M O   (M M S E ) Conv e n t i o nal  M I M O   (Z F ) Hy bri d  S c hem e ( M M S E ) Hy bri d  S c hem e ( Z F ) SM  Sc h e m e ( M M SE) SM  Sc h e m e ( Z F ) BF  Sc h e m e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5458 – 54 68   5466       Figure 3. BER Perfo r man c e when  N=2  and  K= 2  Figure 4. BER Perfo r man c e when  N=2  and  K= 2 for V-BLAST      The perfo rma n ce of the system wa s furt her  en han ce d by V-BLAST algorithm a s  sho w n   in the result produ ce d in  Figure 4. V-BL AST improves the pe rforman c e of MMSE and ZF  detectio n  in t he enti r e  sch e mes. T he  h y brid  scheme   outpe rform s   other sche m e s with  MMSE  detectio n  hav ing a b e tter a v erage  BER  of 0.0008 65  and ZF  dete c tion with a n  a v erage  BER  of  0.0012. Thi s   prove s  that h y brid sch e me  has im pr oved in pe rform a nce i n  term s  of error  red u ction  by 49.6% and  50% for MMSE and ZF detection resp ectively with the aid of V-BLAST.             Figure 5. Spectral Efficien cy for the Prop ose d   Wirel e s s  MIM O  Sy stem wh en 2 T M , 2 R M ,         K= 4 and N= 4  Figure 6. Spectral Efficien cy of the Propose d   Wirel e s s  MIM O  Sy stem 2 T M , 2 R M ,        K=8 and  N=8       Figure 5  sh o w s that the  spe c tral  effici ency  of the  system i n cre a se s lin ea r  with the   numbe r of el ement in e a c h a n tenn a  array. With the  R M  and  T M antenna arrays remai n   con s tant an d element K an d N we re in creased from t w o to four,  the s i mulation res u lt shows  t hat   the cap a city perfo rman ce  of hybrid sch e me is  b e tter than individu al scheme  an d it will provi de  an ave r ag e  spectral effici e n cy  of  126.5 9 b /s/Hz  whe n   MMSE dete c tion i s  u s e d  a nd 1 04.93 b/s/ Hz  for ZF dete c tion. This  sho w s that hyb r i d  sc hem e ha s an in creme n t of 87.73b/ s/Hz for MM SE  detectio n  an d 71.87 b/s/Hz for  ZF d e tection  wh en  the anten na  array elem en t was in cre a sed.   This  wa s furt her p r ove d  b y  incre a si ng  K and  N to  eight elem en ts as th e result wa s given  in  Figure 6. T he hybri d  schem e ha s  an average   spe c tral  efficien cy of 3 60.11b/ s/Hz  and   0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 S NR [ d B ] BER     C onv ent i ona l  M I M O (Z F ) C onv ent i ona l  M I M O (M M S E ) H y bri d  S c hem e(Z F )  H y br i d   S c hem e( M M S E ) BF  Sc h e m e S M  S c hem e( Z F ) SM Sc h e m e ( MM SE ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SN R  [d B ] BER     H y b r i d  Sc h e me ( MMSE )  H y b r i d   S c hem e( Z F ) BF  S c h e m e S M  S c hem e( M M S E ) S M  S c hem e( Z F ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 16 0 SN R  [ d B] S pec t r al  E f f i c i enc y  [ bps / H z ]     H y b r i d  Sc h e m e ( M M SE) Hy b r i d  S c he m e ( Z F ) S M  S c h e me ( MMS E) SM  Sch e m e ( Z F ) BF  Sch e m e 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 SN R  [ d B] S pec t r al E f f i c i enc y  [ bps / H z ]     H y b r i d  S c hem e( M M S E ) H y b r i d  S c hem e( Z F ) SM Sc h e m e ( M M SE ) S M  S c hem e( Z F ) BF  Sc h e m e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Perform a n c e  Analysis of a  Hybrid Mim o  Tech niqu e for High Data Rate… (Kehi nd e Ode y em i)  5467 285.78 b/s/Hz for MMSE a nd ZF  dete c tion respe c tively than oth e r  sch e me. T hus, thi s  p r o v es  that the  cap a city of MIM O  sy stem  ca n be  enh an ced by i n cr ea sing  the  nu mber of a n te nna  element in ea ch array at the transmitter  and re ceive r .   Similarly, Fig u re 6  sh ows the BER pe rfor ma nce of  the syste m ; whe n  N  and  K were  increa sed  fro m  2 to 4  wh iles the  ante nna a r ray  R M  a nd  T M remains   cons tant. The res u lt  prove s  that  the in crea se  in the  anten na a r ray ele m ent  N a n d  K produ ce d  better sy ste m   perfo rman ce.  It was sho w n that hybrid  sch eme ha s a better BER perfo rma n c e with ave r ag e   error  of 0.00 0 434 fo r MMS E detectio n  a nd 0.0 0029 7  for ZF  dete c tion tha n  any  of the  schem es.   This  sho w s a  signifi cant i m provem ent i n  BER comp are to  whe n   N an d K eq u a l to 2 an d when  the syste m  was e nha nced  with V-BLAS T as i n   figure  3 and  4 resp ectively. Figu re 8  sh ows t h e   enha ncement  of the system in this case  wi th V-BLAST and better pe rformance of hybrid  scheme  was re co rded  wit h  an  averag e BER of  0.0000 719  and  0.0002 02 fo r MMSE a n d  ZF   detectio n  re spectively.      Figure 6. BER Perfo r man c e when  N=4  and  K= 4  Figure 7. BER Perfo r man c e when  N=4  and  K= 4 for V-BLAST      5. Conclusio n   The p e rfo r ma nce  analy s is  of a hybri d  M I MO tech niqu e wa s p r o p o s ed for  high  d a ta rate  wirel e ss com m unication system in this  pape r. This   schem e involves the combi nation of sp a t ial  multiplexing a nd beamfo rmi ng techni que  and wa s u s e d  as a tran sm issi on sche m e  which ma kes   the syste m  to  be a b le to transmit  parall e l data  stre a m s a s   well  a s  obtai ning  b eamformi ng  gain.  The MMSE a nd ZF MIM O  detectio n  al gorithm  wa s employed at the  re ceive r  and wa s  furt her  enha nced by  V-BLAST. Spectral  efficie n c y an d BER  were  the   two perfo rman ce  metrics used to  determi ne th e efficien cy o f  the scheme s . The  simu l a tion re sult s  sho w  that th e hybrid  sch e me  outperfo rm s  the individ ual  sp atial multi p lexing  and   beamfo rming  schem e; an d ea ch  of th e  scheme s  is  better than the Co nventi onal MIMO   scheme. It was foun d tha t  the higher  the   antenn a arra y element the highe r the  system s p e c tral efficie n cy and the better the system  reliability. The results also show that the  MMSE detection has a better performance in all the  scheme s  tha n  the ZF dete c tion an d eve n  whe n  enh a n ce d by V-BLAST.      Referen ces   [1]  Proakis JG. Digital Communications.  4th e d . Ne w  Y o rk: McGra w - Hil l, 200 1.  [2]  Shannon CE.  A mathematic al t heor y   of com m unic a tion  – P a rt I & II.  Bell Syst. Tech. J.,  1948  27: 3 7 9 – 423.   [3]  F o schin i GJ. L a yere d space-t i me architect u r e  for  w i r e less  communic a tio n  in a fadin g  e n viro nment   w h e n  usin g mu lti-elem ent ant enn as.  Bell Labs Tech J.,  1996; 1(2): 41-5 9 .   [4]  Gans G, Gans MJ. On the limits of  w i reless  communic a ti ons in  a fadi n g  envir onm ent   w h en  usin g   multipl e  ante n n a s. W i reless Person al Comm unic a tions. 1 9 9 8 ; 6(3): 311 –35 5.  0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SN R  [ d B ] BER     Conv ent i onal  M I M O ( Z F ) Conv ent i onal  M I M O ( M M S E ) Hy bri d  S c he m e ( Z F )  H y bri d  S c hem e(M M S E ) B F  S c hem e SM  Sc h e m e ( Z F ) SM  Sc h e m e ( M M S E ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SN R  [d B] BER     Hy bri d  S c hem e( M M S E )  H y br i d  S c he m e (Z F ) BF  S c h e m e SM  Sch e m e ( M M SE ) S M  S c hem e(Z F ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.