MIMO signal processing in offset-QAM based filter bank multicarrier systems

Next-generation communication systems have to comply with very strict requirements for increased flexibility in heterogeneous environments, high spectral efficiency, and agility of carrier aggregation. This fact motivates research in advanced multicarrier modulation (MCM) schemes, such as filter bank-based multicarrier (FBMC) modulation. This paper focuses on the offset quadrature amplitude modulation (OQAM)-based FBMC variant, known as FBMC/OQAM, which presents outstanding spectral efficiency and confinement in a number of channels and applications. Its special nature, however, generates a number of new signal processing challenges that are not present in other MCM schemes, notably, in orthogonal-frequency-division multiplexing (OFDM). In multiple-input multiple-output (MIMO) architectures, which are expected to play a primary role in future communication systems, these challenges are intensified, creating new interesting research problems and calling for new ideas and methods that are adapted to the particularities of the MIMO-FBMC/OQAM system. The goal of this paper is to focus on these signal processing problems and provide a concise yet comprehensive overview of the recent advances in this area. Open problems and associated directions for future research are also discussed.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Enhanced multi-user DMT spectrum management using polynomial matrix decomposition techniques

This thesis researches the increasingly critical roles played by intelligent resource management and interference mitigation algorithms in present-day input multiple output (MIMO) communication systems. This thesis considers the application of polynomial matrix decomposition (PMD) algorithms, an emerging broadband factorisation technology for broadband MIMO access networks. Present DSL systems’ performance is constrained by the presence of interference (crosstalk) between multiple users sharing a common physical cable bundle. Compared to the traditional static spectrum management methods that define their survival to the worst-case scenarios, DSM methods provides some degree of flexibility to both direct channel and noise parameters to improve evolvability and robustness significantly. A novel crosstalk-aware DSM algorithm is proposed for the efficient management of multi-user DSL systems. Joint power allocation procedures are considered for the proposed single-channel equalisation method in DSL access networks. This thesis then shows that DSM can also benefit overdetermined precoding-equalisation systems, when the channel state information (CSI) parameters call for a specific decision feedback criterion to achieve a perfect reconstruction. A reasonable redundancy is introduced to reformulate the original multi-user MIMO problem into the simplest case of power management problem. DSM algorithms are primarily applied to solve the power allocation problem in DSM networks with the aim of maximising the system attribute rather than meeting specific requirements. Also, a powerful PMD algorithm known as sequential matrix diagonalisation (SMD) is used for analysing the eigenvalue decomposition problem by quantifying the available system resource including the effects of the crosstalk and its parameters. This analysis is carried out through joint precoding and equalisation structures. The thesis also investigates dynamic interference mitigation strategies for improving the performance of DSL networks. Two different mitigation strategies through a decision feedback equalisation (DFE) criterion are considered, including zero-forcing (ZF) and minimum mean square error (MMSE) equalisers. The difference between ZF and MMSE equalisations is analysed. Some experimental simulation results demonstrate the performance of both ZF and MMSE equalisation under the DFE equalisation constraint settings. Model reduction on the MMSE equalisation is thus applied to balance the crosstalk interference and enhance the data-rate throughput. Finally, the thesis studies a multi-user MIMO problem under the utility maximisation framework. Simulation results illustrate that the power allocation of multi-user DSL transmission can be jointly controlled and the interference can often be mitigated optimally on a single user basis. Driven by imperfect CSI information in current DSL networks, the research presents a novel DSM method that allows not only crosstalk mitigation, but also the exploitation of crosstalk environments through the fielding of versatile, flexible and evolvable systems. The proposed DSM tool is presented to achieve a robust mitigating system in any arbitrary overdetermined multi-user MIMO environment. Numerical optimisation results show that the mitigation of crosstalk impairment using the proposed DSM strategy. The design and implementation of the proposed DSM are carried out in the environment of MATLAB

Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions

Modelling, Dimensioning and Optimization of 5G Communication Networks, Resources and Services

This reprint aims to collect state-of-the-art research contributions that address challenges in the emerging 5G networks design, dimensioning and optimization. Designing, dimensioning and optimization of communication networks resources and services have been an inseparable part of telecom network development. The latter must convey a large volume of traffic, providing service to traffic streams with highly differentiated requirements in terms of bit-rate and service time, required quality of service and quality of experience parameters. Such a communication infrastructure presents many important challenges, such as the study of necessary multi-layer cooperation, new protocols, performance evaluation of different network parts, low layer network design, network management and security issues, and new technologies in general, which will be discussed in this book

Spatial diversity in MIMO communication systems with distributed or co-located antennas

The use of multiple antennas in wireless communication systems has gained much attention during the last decade. It was shown that such multiple-input multiple-output (MIMO) systems offer huge advantages over single-antenna systems. Typically, quite restrictive assumptions are made concerning the spacing of the individual antenna elements. On the one hand, it is typically assumed that the antenna elements at transmitter and receiver are co-located, i.e., they belong to some sort of antenna array. On the other hand, it is often assumed that the antenna spacings are sufficiently large, so as to justify the assumption of independent fading. In this thesis, the above assumptions are relaxed. In the first part, it is shown that MIMO systems with distributed antennas and MIMO systems with co-located antennas can be treated in a single, unifying framework. In the second part this fact is utilized, in order to develop appropriate transmit power allocation strategies for co-located and distributed MIMO systems. Finally, the third part focuses on specific synchronization problems that are of interest for distributed MIMO systems

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist