VLSI Implementation of Low Power Reconfigurable MIMO Detector

Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems are a key technology for next generation high speed wireless communication standards like 802.11n, WiMax etc. MIMO enables spatial multiplexing to increase channel bandwidth which requires the use of multiple antennas in the receiver and transmitter side. The increase in bandwidth comes at the cost of high silicon complexity of MIMO detectors which result, due to the intricate algorithms required for the separation of these spatially multiplexed streams. Previous implementations of MIMO detector have mainly dealt with the issue of complexity reduction, latency minimization and throughput enhancement. Although, these detectors have successfully mapped algorithms to relatively simpler circuits but still, latency and throughput of these systems need further improvements to meet standard requirements. Additionally, most of these implementations don’t deal with the requirements of reconfigurability of the detector to multiple modulation schemes and different antennae configurations. This necessary requirement provides another dimension to the implementation of MIMO detector and adds to the implementation complexity. This thesis focuses on the efficient VLSI implementation of the MIMO detector with an emphasis on performance and re-configurability to different modulation schemes. MIMO decoding in our detector is based on the fixed sphere decoding algorithm which has been simplified for an effective VLSI implementation without considerably degrading the near optimal bit error rate performance. The regularity of the architecture makes it suitable for a highly parallel and pipelined implementation. The decoder has intrinsic traits for dynamic re-configurability to different modulation and encoding schemes. This detector architecture can be easily tuned for high/low performance requirements with slight degradation/improvement in Bit Error Rate (BER) depending on needs of the overlying application. Additionally, various architectural optimizations like pipelining, parallel processing, hardware scheduling, dynamic voltage and frequency scaling have been explored to improve the performance, energy requirements and re-configurability of the design

MIMOPack: A High Performance Computing Library for MIMO Communication Systems

[EN] Nowadays, several communication standards are emerging and evolving, searching higher transmission rates, reliability and coverage. This expansion is primarily driven by the continued increase in consumption of mobile multimedia services due to the emergence of new handheld devices such as smartphones and tablets. One of the most significant techniques employed to meet these demands is the use of multiple transmit and receive antennas, known as MIMO systems. The use of this technology allows to increase the transmission rate and the quality of the transmission through the use of multiple antennas at the transmitter and receiver sides. MIMO technologies have become an essential key in several wireless standards such as WLAN, WiMAX and LTE. These technologies will be incorporated also in future standards, therefore is expected in the coming years a great deal of research in this field. Clearly, the study of MIMO systems is critical in the current investigation, however the problems that arise from this technology are very complex. High Performance Computing (HPC) systems, and specifically, modern hardware architectures as multi-core and many-cores (e.g Graphics Processing Units (GPU)) are playing a key role in the development of efficient and low-complexity algorithms for MIMO transmissions. Proof of this is that the number of scientific contributions and research projects related to its use has increased in the last years. Also, some high performance libraries have been implemented as tools for researchers involved in the development of future communication standards. Two of the most popular libraries are: IT++ that is a library based on the use of some optimized libraries for multi-core processors and the Communications System Toolbox designed for use with MATLAB, which uses GPU computing. However, there is not a library able to run on a heterogeneous platform using all the available resources. In view of the high computational requirements in MIMO application research and the shortage of tools able to satisfy them, we have made a special effort to develop a library to ease the development of adaptable parallel applications in accordance with the different architectures of the executing platform. The library, called MIMOPack, aims to implement efficiently using parallel computing, a set of functions to perform some of the critical stages of MIMO communication systems simulation. The main contribution of the thesis is the implementation of efficient Hard and Soft output detectors, since the detection stage is considered the most complex part of the communication process. These detectors are highly configurable and many of them include preprocessing techniques that reduce the computational cost and increase the performance. The proposed library shows three important features: portability, efficiency and easy of use. Current realease allows GPUs and multi-core computation, or even simultaneously, since it is designed to use on heterogeneous machines. The interface of the functions are common to all environments in order to simplify the use of the library. Moreover, some of the functions are callable from MATLAB increasing the portability of developed codes between different computing environments. According to the library design and the performance assessment, we consider that MIMOPack may facilitate industrial and academic researchers the implementation of scientific codes without having to know different programming languages and machine architectures. This will allow to include more complex algorithms in their simulations and obtain their results faster. This is particularly important in the industry, since the manufacturers work to analyze and to propose their own technologies with the aim that it will be approved as a standard. Thus allowing to enforce their intellectual property rights over their competitors, who should obtain the corresponding licenses to include these technologies into their products.[ES] En la actualidad varios estándares de comunicación están surgiendo buscando velocidades de transmisión más altas y mayor fiabilidad. Esta expansión está impulsada por el aumento en el consumo de servicios multimedia debido a la aparición de nuevos dispositivos como los smartphones y las tabletas. Una de las técnicas empleadas más importantes es el uso de múltiples antenas de transmisión y recepción, conocida como sistemas MIMO, que permite aumentar la velocidad y la calidad de la transmisión. Las tecnologías MIMO se han convertido en una parte esencial en diferentes estándares tales como WLAN, WiMAX y LTE. Estas tecnologías se incorporarán también en futuros estándares, por lo tanto, se espera en los próximos años una gran cantidad de investigación en este campo. Está claro que el estudio de los sistemas MIMO es crítico en la investigación actual, sin embargo los problemas que surgen de esta tecnología son muy complejos. La sistemas de computación de alto rendimiento, y en concreto, las arquitecturas hardware actuales como multi-core y many-core (p. ej. GPUs) están jugando un papel clave en el desarrollo de algoritmos eficientes y de baja complejidad en las transmisiones MIMO. Prueba de ello es que el número de contribuciones científicas y proyectos de investigación relacionados con su uso se han incrementado en el últimos años. Algunas librerías de alto rendimiento se están utilizando como herramientas por investigadores en el desarrollo de futuros estándares. Dos de las librerías más destacadas son: IT++ que se basa en el uso de distintas librerías optimizadas para procesadores multi-core y el paquete Communications System Toolbox diseñada para su uso con MATLAB, que utiliza computación con GPU. Sin embargo, no hay una biblioteca capaz de ejecutarse en una plataforma heterogénea. En vista de los altos requisitos computacionales en la investigación MIMO y la escasez de herramientas capaces de satisfacerlos, hemos implementado una librería que facilita el desarrollo de aplicaciones paralelas adaptables de acuerdo con las diferentes arquitecturas de la plataforma de ejecución. La librería, llamada MIMOPack, implementa de manera eficiente un conjunto de funciones para llevar a cabo algunas de las etapas críticas en la simulación de un sistema de comunicación MIMO. La principal aportación de la tesis es la implementación de detectores eficientes de salida Hard y Soft, ya que la etapa de detección es considerada la parte más compleja en el proceso de comunicación. Estos detectores son altamente configurables y muchos de ellos incluyen técnicas de preprocesamiento que reducen el coste computacional y aumentan el rendimiento. La librería propuesta tiene tres características importantes: la portabilidad, la eficiencia y facilidad de uso. La versión actual permite computación en GPU y multi-core, incluso simultáneamente, ya que está diseñada para ser utilizada sobre plataformas heterogéneas que explotan toda la capacidad computacional. Para facilitar el uso de la biblioteca, las interfaces de las funciones son comunes para todas las arquitecturas. Algunas de las funciones se pueden llamar desde MATLAB aumentando la portabilidad de códigos desarrollados entre los diferentes entornos. De acuerdo con el diseño de la biblioteca y la evaluación del rendimiento, consideramos que MIMOPack puede facilitar la implementación de códigos sin tener que saber programar con diferentes lenguajes y arquitecturas. MIMOPack permitirá incluir algoritmos más complejos en las simulaciones y obtener los resultados más rápidamente. Esto es particularmente importante en la industria, ya que los fabricantes trabajan para proponer sus propias tecnologías lo antes posible con el objetivo de que sean aprobadas como un estándar. De este modo, los fabricantes pueden hacer valer sus derechos de propiedad intelectual frente a sus competidores, quienes luego deben obtener las correspon[CA] En l'actualitat diversos estàndards de comunicació estan sorgint i evolucionant cercant velocitats de transmissió més altes i major fiabilitat. Aquesta expansió, està impulsada pel continu augment en el consum de serveis multimèdia a causa de l'aparició de nous dispositius portàtils com els smartphones i les tablets. Una de les tècniques més importants és l'ús de múltiples antenes de transmissió i recepció (MIMO) que permet augmentar la velocitat de transmissió i la qualitat de transmissió. Les tecnologies MIMO s'han convertit en una part essencial en diferents estàndards inalàmbrics, tals com WLAN, WiMAX i LTE. Aquestes tecnologies s'incorporaran també en futurs estàndards, per tant, s'espera en els pròxims anys una gran quantitat d'investigació en aquest camp. L'estudi dels sistemes MIMO és crític en la recerca actual, no obstant açó, els problemes que sorgeixen d'aquesta tecnologia són molt complexos. Els sistemes de computació d'alt rendiment com els multi-core i many-core (p. ej. GPUs)), estan jugant un paper clau en el desenvolupament d'algoritmes eficients i de baixa complexitat en les transmissions MIMO. Prova d'açò és que el nombre de contribucions científiques i projectes d'investigació relacionats amb el seu ús s'han incrementat en els últims anys. Algunes llibreries d'alt rendiment estan utilitzant-se com a eines per investigadors involucrats en el desenvolupament de futurs estàndards. Dos de les llibreries més destacades són: IT++ que és una llibreria basada en lús de diferents llibreries optimitzades per a processadors multi-core i el paquet Communications System Toolbox dissenyat per al seu ús amb MATLAB, que utilitza computació amb GPU. No obstant açò, no hi ha una biblioteca capaç d'executar-se en una plataforma heterogènia. Degut als alts requisits computacionals en la investigació MIMO i l'escacès d'eines capaces de satisfer-los, hem implementat una llibreria que facilita el desenvolupament d'aplicacions paral·leles adaptables d'acord amb les diferentes arquitectures de la plataforma d'ejecució. La llibreria, anomenada MIMOPack, implementa de manera eficient, un conjunt de funcions per dur a terme algunes de les etapes crítiques en la simulació d'un sistema de comunicació MIMO. La principal aportació de la tesi és la implementació de detectors eficients d'exida Hard i Soft, ja que l'etapa de detecció és considerada la part més complexa en el procés de comunicació. Estos detectors són altament configurables i molts d'ells inclouen tècniques de preprocessament que redueixen el cost computacional i augmenten el rendiment. La llibreria proposta té tres característiques importants: la portabilitat, l'eficiència i la facilitat d'ús. La versió actual permet computació en GPU i multi-core, fins i tot simultàniament, ja que està dissenyada per a ser utilitzada sobre plataformes heterogènies que exploten tota la capacitat computacional. Amb el fi de simplificar l'ús de la biblioteca, les interfaces de les funcions són comunes per a totes les arquitectures. Algunes de les funcions poden ser utilitzades des de MATLAB augmentant la portabilitat de còdics desenvolupats entre els diferentes entorns. D'acord amb el disseny de la biblioteca i l'evaluació del rendiment, considerem que MIMOPack pot facilitar la implementació de còdics a investigadors sense haver de saber programar amb diferents llenguatges i arquitectures. MIMOPack permetrà incloure algoritmes més complexos en les seues simulacions i obtindre els seus resultats més ràpid. Açò és particularment important en la industria, ja que els fabricants treballen per a proposar les seues pròpies tecnologies el més prompte possible amb l'objectiu que siguen aprovades com un estàndard. D'aquesta menera, els fabricants podran fer valdre els seus drets de propietat intel·lectual enfront dels seus competidors, els qui després han d'obtenir les corresponents llicències si voleRamiro Sánchez, C. (2015). MIMOPack: A High Performance Computing Library for MIMO Communication Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53930TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

REAL-TIME ADAPTIVE PULSE COMPRESSION ON RECONFIGURABLE, SYSTEM-ON-CHIP (SOC) PLATFORMS

New radar applications need to perform complex algorithms and process a large quantity of data to generate useful information for the users. This situation has motivated the search for better processing solutions that include low-power high-performance processors, efficient algorithms, and high-speed interfaces. In this work, hardware implementation of adaptive pulse compression algorithms for real-time transceiver optimization is presented, and is based on a System-on-Chip architecture for reconfigurable hardware devices. This study also evaluates the performance of dedicated coprocessors as hardware accelerator units to speed up and improve the computation of computing-intensive tasks such matrix multiplication and matrix inversion, which are essential units to solve the covariance matrix. The tradeoffs between latency and hardware utilization are also presented. Moreover, the system architecture takes advantage of the embedded processor, which is interconnected with the logic resources through high-performance buses, to perform floating-point operations, control the processing blocks, and communicate with an external PC through a customized software interface. The overall system functionality is demonstrated and tested for real-time operations using a Ku-band testbed together with a low-cost channel emulator for different types of waveforms

Energy-Efficient Digital Signal Processing Hardware Design.

As CMOS technology has developed considerably in the last few decades, many SoCs have been implemented across different application areas due to reduced area and power consumption. Digital signal processing (DSP) algorithms are frequently employed in these systems to achieve more accurate operation or faster computation. However, CMOS technology scaling started to slow down recently and relatively large systems consume too much power to rely only on the scaling effect while system power budget such as battery capacity improves slowly. In addition, there exist increasing needs for miniaturized computing systems including sensor nodes that can accomplish similar operations with significantly smaller power budget. Voltage scaling is one of the most promising power saving techniques due to quadratic switching power reduction effect, making it necessary feature for even high-end processors. However, in order to achieve maximum possible energy efficiency, systems should operate in near or sub-threshold regimes where leakage takes significant portion of power. In this dissertation, a few key energy-aware design approaches are described. Considering prominent leakage and larger PVT variability in low operating voltages, multi-level energy saving techniques to be described are applied to key building blocks in DSP applications: architecture study, algorithm-architecture co-optimization, and robust yet low-power memory design. Finally, described approaches are applied to design examples including a visual navigation accelerator, ultra-low power biomedical SoC and face detection/recognition processor, resulting in 2~100 times power savings than state-of-the-art.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/110496/1/djeon_1.pd

Programmable DSP-enabled multi-adaptive optical transceivers based on OFDM technology for software defined networks

The dynamic behavior of the traffic demand, due to the advent of technologies such as cloud services or Internet of Things (IoT), is increasing. In fact, heterogeneous connections with different characteristics (bandwidth or bit rate) are expected that coexist in the optical networks. In this respect, an evolution towards Elastic Optical Networks (EONs) has emerged as a cost-effective, flexible and dynamic solution, to face the new claims. The main idea is the efficient utilization of the optical spectrum by combining flexible transceivers, flexi-grid and flexible optical switching. Including the principles of Software Defined Network (SDN) paradigm further flexibility and adaptability can be achieved. The Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (S-BVT), as a key element in EONs, provides flexibility and adaptability to the optical networks. It is able to dynamically tune the optical bandwidth or bit rate changing parameters such as the modulation format, bandwidth, among others, to find a trade-off between transmission reach and spectral efficiency, serving multiples destinations. The combination of programmable Digital Signal Processing (DSP) modules with advanced transmission techniques based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology using Direct Detection (DD) or COherent (CO) detection are proposed to be implemented at the S-BVT making it suitable for elastic optical metro/regional networks. Furthermore, the envisioned migration from fixed-grid to flexi-grid, can benefit from the use of S-BVTs since they are able to generate or receive multiple channels and slicing the aggregated flow into multiples flows with different capacities and destinations. We propose the use of S-BVTs based on multi-band OFDM systems. In particular, we focus on the theoretical model of an advanced transmission technique based on OFDM technology with DD. Then we evaluate the system for a realistic optical metro network. In the context of flexi-grid optical metro/regional networks, as well as the sliceability of the channels, the reduction of channel width for low bit rate connections can be envisioned. It involves that the signal traverses several nodes with the corresponding filtering elements, causing a substantially decrease and distortion of the signal bandwidth. This phenomenon known as filter narrowing effect has been also studied in this thesis, by simulations and experimentally for an adaptive cost-effective OFDM system using DD and for a standard OOK system. Apart from adaptive, flexible and programmable transceivers, metro optical networks have to be equipped with flexible optical switching systems at the node level. In this respect, we propose the adoption of adaptive S-BVTs based on advanced transmission techniques using DD with Discrete MultiTone (DMT) modulation and adaptive capabilities in combination with Semiconductor Optical Amplier (SOA)-based switching nodes. SOAs can be conveniently used for optical switching in metro networks because of their low cost or low power consumption, among others relevant characteristics. The system has been experimentally analyzed with and without considering filtering elements. Thanks to the combination of adaptive DMT modulation and SOA-based switching nodes, impairments due to the fiber links and the filtering elements can be compensated. Finally, to enhance the tranmission distance and data rate, we propose the combination of multidimensional constellations implemented at the DSP modules of the S-BVT with CO detection and OFDM technology. Thus, the deployed infrastructure is more efficiently exploited since the quadrature and the polarization dimensions are used to transmit the signal. In particular, we focus on CO-OFDM systems using Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) constellation transmitting the signal over the time and the polarization dimensions in the optical domain.El comportamiento dinámico de la demanda de tráfico, debido a la llegada de tecnologías como los servicios en la nube o el Internet of Things (IoT), está aumentando. De hecho, se espera que coexistan en las redes ópticas conexiones heterogéneas con características diferentes, tales como ancho de banda o tasa de bits. Para hacer frente a estas demandas es crucial una evolución de las redes ópticas. En este sentido, las Elastic Optical Networks (EONs) emergen como una solución rentable, flexible y dinámica. La idea principal se basa en la utilización eficiente del espectro óptico mediante la combinación de transceptores flexibles, redes flexibles y conmutación óptica flexible. Una mayor flexibilidad y adaptabilidad se puede conseguir incluyendo los principios del paradigma conocido como Software Defined Network (SDN). La adopción de la arquitectura SDN implica la separación del plano de control y de datos, permitiendo la programabilidad dinámica de la red. Un elemento clave en las EONs es el Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (SBVT), ya que provee de flexibilidad y adaptabilidad a las redes ópticas. El S-BVT es capaz de cambiar el ancho de banda o la tasa de bits medicando parámetros como el formato de modulación, el ancho de banda o la codificación de Forward Error Correction (FEC), entre otros, para encontrar un equilibrio entre el alcance de la transmisión y la eficiencia espectral, sirviendo múltiples destinos. La combinación de módulos programables de Digital Signal Processing (DSP) con técnicas de transmisión avanzadas, basadas en la tecnología Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) con detección directa o detección coherente, se han propuesto para ser implementadas en el S-BVT, haciéndolo adecuado para su uso en redes ópticas elásticas metropolitanas y regionales. Además, la migración prevista de las redes fijas a las redes flexibles, con el fin de explotar la granularidad de 12:5 GHz, puede beneficiarse del uso de S-BVTs ya que son capaces de generar y recibir múltiples canales y dividir el flujo agregado en múltiples flujos con diferentes capacidades y destinos. A este respecto, proponemos el uso de S-BVTs basados en señales OFDM multi banda combinadas en el dominio eléctrico con el fin de limitar los recursos optoelectrónicas y relajar los requerimientos de los convertidores digitales analógicos y analógicos digitales. En particular, nos centramos en el modelo teórico de una técnica de transmisión avanzada basada en la tecnología OFDM con detección directa. A continuación, evaluamos el sistema para una red metropolitana óptica realista. En el contexto de redes metropolitanas y regionales flexibles, además de la capacidad de división de los canales, se puede prever una posible reducción del ancho de canal para las conexiones de baja tasa de bits. Esto implica que la señal atraviese varios nodos con los correspondientes elementos filtrantes causando un substancial decremento y distorsión del ancho de banda de la señal. Este fenómeno conocido como el efecto de estrechamiento de filtrado ha sido también estudiado en esta tesis, mediante simulaciones y de manera experimental para un sistema OFDM rentable y adaptativo usando detección directa y un sistema estándar On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detección directa ha resultado ser un buen candidato para aumentar la flexibilidad y la robustez frente a las deficiencias de transmisión sin necesidad de compensar la dispersión. Aparte de los transceptores adaptables, flexibles y programables, las redes ópticas metropolitanas deben estar equipadas con sistemas de conmutación óptica flexible a nivel de nodo. En este sentido, proponemos la adopción de S-BVTs adaptativos basados en técnicas de transmisión avanzadas usando detección directa con modulación Discrete MultiTone (DMT) y capacidades adaptativas, adoptando nodos de conmutación basados en Semiconductor Optical Amplifier (SOA). Los SOAs pueden ser utilizados para la conmutación óptica en redes metropolitanas debido a su bajo coste o bajo consumo de energía, entre otras características relevantes. El sistema ha sido analizado experimentalmente considerando y sin considerar la presencia de elementos filtrantes. Gracias a la combinación de la modulación DMT adaptativa y los nodos de conmutación basados en SOA, las degradaciones debidas a los enlaces de fibra y a los elementos filtrantes se pueden compensar. Finalmente, para mejorar la distancia de transmisión y la tasa de datos, proponemos la combinación de constelaciones multidimensionales implementadas en los módulos DSP del S-BVT utilizando detectaron coherente y la tecnología OFDM. De hecho, los sistemas OFDM coherentes tienen un espacio de señal 4D (dos cuadraturas y dos polarizaciones), que puede ser utilizado con constelaciones multidimensionales, pudiendo éstas ser más eficientes que las convencionales Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). De este modo, la infraestructura desplegada se explota de manera más eficiente, ya que tanto la dimensión de cuadratura como de polarización se utilizan para transmitir la señal. Además, los sistemas OFDM coherentes pueden recuperar la amplitud y la fase de la señal en el receptor, mitigando los efectos de la fibra aumentando, de esta forma, la distancia de transmisión. El sistema OFDM coherente que utiliza el formato de constelación Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) y que transmite la señal a lo largo del tiempo ha demostrado ser una solución prometedora.El comportament dinàmic de la demanda de transit, a causa de l'arribada de tecnologies, com poden ser els serveis al núvol o l'Internet of Things (IoT), està creixent. De fet, s'espera que coexisteixin a les xarxes òptiques connexions heterogènies amb característiques diferents, tal com l'ample de banda o la taxa de bits. Per a fer front a aquestes demandes és crucial una revolució de les xarxes òptiques. En aquest sentit, les Elastic Optical Networks (EONs) emergeixen com una solució rendible, flexible i dinàmica. La idea principal es basa en la utilització eficient de l'espectre òptic mitjançant la combinació de transceptors flexibles, xarxes flexibles i commutació òptica flexible. Una major flexibilitat i adaptabilitat es pot aconseguir incloent els principis del paradigma conegut com a Software Defined Networks (SDN). L’adopció de l'arquitectura SDN implica la separació del plànol de control i de dades permetent la programabilitat de la xarxa d'una forma dinàmica. Un element clau en les EONs és l'Sliceable Bandwith Variable Transceiver (S-BVT), ja que aporta flexibilitat i adaptabilitat a les xarxes òptiques. L' S-BVT és capaç de canviar l'ample de banda o la taxa de bits modificant paràmetres com el format de modulació, l'ample de banda o la codificació del Forward Error Correction (FEC), entre altres, per a trobar un equilibri entre l’assistència assolida i l’eficiència espectral, servint múltiples destinacions. La combinació de mòduls de Digital Signal Processing (DSP) amb tècniques de transmissió avançades basades en la tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) i detecció directa o detecció coherent s'han proposat per a ser implementades en l'S-BVT, fent-lo adient per a les xarxes òptiques elàstiques metropolitanes i regionals. A més, la migració prevista des de les xarxes fixes a les xarxes flexibles, amb el fi d'explotar la granuralitat de 12:5GHz, pot beneficiar-se de l’ús d'S-BVTs ja que són capaços de generar i rebre múltiples canals i dividir el flux agregat en múltiples fluxos amb diferents capacitats i destinacions. Per aquest motiu, proposem l’ús d'S-BVTs basats en senyals OFDM multi banda combinats en el domini elèctric amb el fi de limitar els recursos optoelectrònics i relaxar els requeriments dels convertidors digitals analògics i analògics digitals. Particularment, ens centrem en el model teòric d'una tècnica de transmissió avançada basada en la tecnologia OFDM amb detecció directa. A continuació, avaluem el sistema per a una xarxa metropolitana òptica realista. En el context de xarxes metropolitanes i regionals flexibles, a més de la propietat de divisió dels canals, es pot preveure una possible reducció de l'ample de canal per a les connexions de baixa taxa de bits. Això implica que el senyal travessi diversos nodes amb els corresponents elements filtrants causant un substancial decrement i distorsió de l'ample de banda del senyal. Aquest fenomen conegut com l'efecte d'estretament de filtrat ha sigut també estudiat en aquesta tesi, mitjançant simulacions i de manera experimental en el cas d'un sistema OFDM rendible i adaptatiu utilitzant detecció directa i un sistema estàndard On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detecció directa ha resultat ser un bon candidat per augmentar la flexibilitat i la robustesa front a les deficiències de transmissió sense necessitat de compensar la dispersió. A part dels transceptors adaptables, flexibles i programables, les xarxes òptiques metropolitanes han d'estar equipades amb sistemes de commutació òptica flexible a nivell de node. En aquest sentit, proposem l’adopció d'un S-BVT adaptatiu basat en tècniques de transmissió avançades i utilitzant detecció directa amb modulació Discrete MultiTone (DMT) i capacitats adaptatives, adoptant nodes de comunicació basats en Semi-conductor Optical Amplifier (SOA). Els SOAs poden ser utilitzats per la commutació _òptica en xarxes metropolitanes degut al seu baix cost o baix consum d'energia, entre altres característiques rellevants. El sistema ha sigut analitzat experimentalment considerant i sense considerar la presència d'elements filtrants. Gràcies a la combinació de la modulació DMT adaptativa i dels nodes de commutació basats en SOA, les degradacions degudes als enllaços de fibra i als elements filtrants es poden compensar. Finalment, per a millorar la distància de transmissió i la taxa de dades, proposem la combinació de constel·lacions multidimensionals implementades als mòduls DSP de l'SBVT utilitzant detecció coherent i la tecnologia OFDM. De fet, els sistemes coherents OFDM tenen un espai de senyal 4D (dues quadratures i dues polaritzacions), que pot ser utilitzat amb constel·lacions multidimensionals, arribant a ser més eficients que les modulacions convencionals Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). D'aquesta manera, la infraestructura desplegada s'explota de forma més eficient, ja que tant la dimensió de quadratura com de polarització s'utilitzen per transmetre el senyal. A més, els sistemes coherents basats en OFDM poden recuperar l'amplitud i la fase del senyal en el receptor, mitigant els efectes de la fibra i d'aquesta forma augmentant la distància de transmissió. El sistema OFDM coherent que utilitza el format de constel·lació Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) i que transmet el senyal al llarg del temps ha demostrat ser una solució prometedora.Postprint (published version

Architecture and Analysis for Next Generation Mobile Signal Processing.

Mobile devices have proliferated at a spectacular rate, with more than 3.3 billion active cell phones in the world. With sales totaling hundreds of billions every year, the mobile phone has arguably become the dominant computing platform, replacing the personal computer. Soon, improvements to today’s smart phones, such as high-bandwidth internet access, high-definition video processing, and human-centric interfaces that integrate voice recognition and video-conferencing will be commonplace. Cost effective and power efficient support for these applications will be required. Looking forward to the next generation of mobile computing, computation requirements will increase by one to three orders of magnitude due to higher data rates, increased complexity algorithms, and greater computation diversity but the power requirements will be just as stringent to ensure reasonable battery lifetimes. The design of the next generation of mobile platforms must address three critical challenges: efficiency, programmability, and adaptivity. The computational efficiency of existing solutions is inadequate and straightforward scaling by increasing the number of cores or the amount of data-level parallelism will not suffice. Programmability provides the opportunity for a single platform to support multiple applications and even multiple standards within each application domain. Programmability also provides: faster time to market as hardware and software development can proceed in parallel; the ability to fix bugs and add features after manufacturing; and, higher chip volumes as a single platform can support a family of mobile devices. Lastly, hardware adaptivity is necessary to maintain efficiency as the computational characteristics of the applications change. Current solutions are tailored specifically for wireless signal processing algorithms, but lose their efficiency when other application domains like high definition video are processed. This thesis addresses these challenges by presenting analysis of next generation mobile signal processing applications and proposing an advanced signal processing architecture to deal with the stringent requirements. An application-centric design approach is taken to design our architecture. First, a next generation wireless protocol and high definition video is analyzed and algorithmic characterizations discussed. From these characterizations, key architectural implications are presented, which form the basis for the advanced signal processor architecture, AnySP.Ph.D.Electrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/86344/1/mwoh_1.pd

A tutorial on the characterisation and modelling of low layer functional splits for flexible radio access networks in 5G and beyond

The centralization of baseband (BB) functions in a radio access network (RAN) towards data processing centres is receiving increasing interest as it enables the exploitation of resource pooling and statistical multiplexing gains among multiple cells, facilitates the introduction of collaborative techniques for different functions (e.g., interference coordination), and more efficiently handles the complex requirements of advanced features of the fifth generation (5G) new radio (NR) physical layer, such as the use of massive multiple input multiple output (MIMO). However, deciding the functional split (i.e., which BB functions are kept close to the radio units and which BB functions are centralized) embraces a trade-off between the centralization benefits and the fronthaul costs for carrying data between distributed antennas and data processing centres. Substantial research efforts have been made in standardization fora, research projects and studies to resolve this trade-off, which becomes more complicated when the choice of functional splits is dynamically achieved depending on the current conditions in the RAN. This paper presents a comprehensive tutorial on the characterisation, modelling and assessment of functional splits in a flexible RAN to establish a solid basis for the future development of algorithmic solutions of dynamic functional split optimisation in 5G and beyond systems. First, the paper explores the functional split approaches considered by different industrial fora, analysing their equivalences and differences in terminology. Second, the paper presents a harmonized analysis of the different BB functions at the physical layer and associated algorithmic solutions presented in the literature, assessing both the computational complexity and the associated performance. Based on this analysis, the paper presents a model for assessing the computational requirements and fronthaul bandwidth requirements of different functional splits. Last, the model is used to derive illustrative results that identify the major trade-offs that arise when selecting a functional split and the key elements that impact the requirements.This work has been partially funded by Huawei Technologies. Work by X. Gelabert and B. Klaiqi is partially funded by the European Union's Horizon Europe research and innovation programme (HORIZON-MSCA-2021-DN-0) under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 101073265. Work by J. Perez-Romero and O. Sallent is also partially funded by the Smart Networks and Services Joint Undertaking (SNS JU) under the European Union’s Horizon Europe research and innovation programme under Grant Agreements No. 101096034 (VERGE project) and No. 101097083 (BeGREEN project) and by the Spanish Ministry of Science and Innovation MCIN/AEI/10.13039/501100011033 under ARTIST project (ref. PID2020-115104RB-I00). This last project has also funded the work by D. Campoy.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Architectures multi-Asip pour turbo récepteur flexible

Rapidly evolving wireless standards use modern techniques such as turbo codes, Bit Interleaved coded Modulation (BICM), high order QAM constellation, Signal Space Diversity (SSD), Multi-Input Multi-Output (MIMO) Spatial Multiplexing (SM) and Space Time Codes (STC) with different parameters for reliable high rate data transmissions. Adoption of such techniques in the transmitter can impact the receiver architecture in three ways: (1) the complex processing related to advanced techniques such as turbo codes, encourage to perform iterative processing in the receiver to improve error rate performance (2) to satisfy high throughput requirement for an iterative receiver, parallel processing is mandatory and finally (3) to allow the support of different techniques and parameters imposed, programmable yet high throughput hardware processing elements are required. In this thesis, to address the high throughput requirement with turbo processing, first of all a study of parallelism on turbo decoding is extended for turbo demodulation and turbo equalization. Based on the results acquired from the parallelism study a flexible high throughput heterogeneous multi-ASIP NoC based unified turbo receiver is proposed. The proposed architecture fulfils the target requirements in a way that: (a) Application Specific Instruction-set Processor (ASIP) exploits metric generation level parallelism and implements the required flexibility, (b) throughputs beyond the capacity of single ASIP in a turbo process are achieved through multiple ASIP elements implementing sub-block parallelism and shuffled processing and finally (c) Network on Chip is used to handle communication conflicts during parallel processing of multiple ASIPs. In pursuit to achieve a hardware model of the proposed architecture two ASIPs are conceived where the first one, namely EquASIP, is dedicated for MMSE-IC equalization and provides a flexible solution for multiple MIMO techniques adopted in multiple wireless standards with a capability to work in turbo equalization context. The second ASIP, named as DemASIP, is a flexible demapper which can be used in MIMO or single antenna environment for any modulation till 256-QAM with or without iterative demodulation. Using available TurbASIP and NoC components, the thesis concludes on an FPGA prototype of heterogeneous multi-ASIP NoC based unified turbo receiver which integrates 9 instances of 3 different ASIPs with 2 NoCs.Les normes de communication sans fil, sans cesse en évolution, imposent l'utilisation de techniques modernes telles que les turbocodes, modulation codée à entrelacement bit (BICM), constellation MAQ d'ordre élevé, diversité de constellation (SSD), multiplexage spatial et codage espace-temps multi-antennes (MIMO) avec des paramètres différents pour des transmissions fiables et de haut débit. L'adoption de ces techniques dans l'émetteur peut influencer l'architecture du récepteur de trois façons: (1) les traitement complexes relatifs aux techniques avancées comme les turbocodes, encourage à effectuer un traitement itératif dans le récepteur pour améliorer la performance en termes de taux d'erreur (2) pour satisfaire l'exigence de haut débit avec un récepteur itératif, le recours au parallélisme est obligatoire et enfin (3) pour assurer le support des différentes techniques et paramètres imposées, des processeurs de traitement matériel flexibles, mais aussi de haute performance, sont nécessaires. Dans cette thèse, pour répondre aux besoins de haut débit dans un contexte de traitement itératif, tout d'abord une étude de parallélisme sur le turbo décodage a été étendue aux applications de turbo démodulation et turbo égalisation. Partant des résultats obtenus à partir de l'étude du parallélisme, un récepteur itératif unifié basé sur un modèle d'architecture multi-ASIP hétérogène intégrant un réseau sur puce (NoC) a été proposé. L'architecture proposée répond aux exigences visées d'une manière où: (a) le concept de processeur à jeu d'instruction dédié à l'application (ASIP) exploite le parallélisme du niveau de génération de métriques et met en oeuvre la flexibilité nécessaire, (b) les débits au-delà de la capacité d'un seul ASIP dans un processus itératif sont obtenus au moyen de multiples ASIP implémentant le parallélisme de sous-blocs et le traitement combiné et enfin (c) le concept de réseau sur puce (NoC) est utilisé pour gérer les conflits de communication au cours du traitement parallèle itératif multi-ASIP. Dans le but de parvenir à un modèle matériel de l'architecture proposée, deux ASIP ont été conçus où le premier, nommé EquASIP, est dédié à l'égalisation MMSE-IC et fournit une solution flexible pour de multiples techniques multi-antennes adoptés dans plusieurs normes sans fil avec la capacité de travailler dans un contexte de turbo égalisation. Le deuxième ASIP, nommé DemASIP, est un démappeur flexible qui peut être utilisé dans un environnement multi-antennes et pour tout type de modulation jusqu'à MAQ-256 avec ou sans démodulation itérative. En intégrant ces ASIP, en plus des NoC et TurbASIP disponibles à Télécom Bretagne, la thèse conclut sur un prototype FPGA d'un récepteur itératif unifié multi-ASIP qui intègre 9 coeurs de 3 différents types d'ASIP avec 2 NoC