Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Space-time-frequency methods for interference-limited communication systems

textTraditionally, noise in communication systems has been modeled as an additive, white Gaussian noise process with independent, identically distributed samples. Although this model accurately reflects thermal noise present in communication system electronics, it fails to capture the statistics of interference and other sources of noise, e.g. in unlicensed communication bands. Modern communication system designers must take into account interference and non-Gaussian noise to maximize efficiencies and capacities of current and future communication networks. In this work, I develop new multi-dimensional signal processing methods to improve performance of communication systems in three applications areas: (i) underwater acoustic, (ii) powerline, and (iii) multi-antenna cellular. In underwater acoustic communications, I address impairments caused by strong, time-varying and Doppler-spread reverberations (self-interference) using adaptive space-time signal processing methods. I apply these methods to array receivers with a large number of elements. In powerline communications, I address impairments caused by non-Gaussian noise arising from devices sharing the powerline. I develop and apply a cyclic adaptive modulation and coding scheme and a factor-graph-based impulsive noise mitigation method to improve signal quality and boost link throughput and robustness. In cellular communications, I develop a low-latency, high-throughput space-time-frequency processing framework used for large scale (up to 128 antenna) MIMO. This framework is used in the world's first 100-antenna MIMO system and processes up to 492 Gbps raw baseband samples in the uplink and downlink directions. My methods prove that multi-dimensional processing methods can be applied to increase communication system performance without sacrificing real-time requirements.Electrical and Computer Engineerin

Uso de técnicas de combinação de diversidade e fatores de espalhamento estendidos para melhorar a performance e reduzir a complexidade do receptor OFDM em IEEE 802.15.4g

Orientadores: Renato da Rocha Lopes, Eduardo Rodrigues de LimaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: EEE 802.15.4g é um adendo da norma IEEE 802.15.4 focada em Smart Utility Network (SUN), e dedicada a requisitos de comunicação no contexto de Low Rate (LR) Wireless Personal Area Network (WPAN). Hoje em dia, devido às suas características, o adendo foca em apliações de Smart Ubiquitous Network, como cidades inteligentes e Internet das Coisas (IoT). Uma das três Camadas Físicas (PHYs) definidas na norma é a Multi-Rate and Multi-Regional Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MR-OFDM). Além de outras características, o MR-OFDM emprega o método Frequency Spreading (FS) para reduzir a Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) do símbolo OFDM. Sob algumas premissas do canal, este trabalho mostra que o FS também pode introduzir diversidade em frequência à camada física. Este trabalho propõe um método para reverter o espalhamento de frequência que explora diversidade em IEEE 802.15.4g MR-OFDM. O método segue duas abordagens: o uso de técnicas de combinação de diversidade e a proposta de novas configurações de Modulation and Coding Scheme (MCS) usando fatores de espalhamento estendidos. Em um canal com distribuição Rayleigh e assumindo subportadoras não correlacionadas, o método proposto mostra melhorias de até 10.35 dB quando comparado ao MR-OFDM, revertendo o espa-lhamento de frequência de forma direta, usando configurações originais. O método é válido mesmo na presença de erros na estimativa do canal e bandas de coerência largas. O trabalho faz parte de um projeto maior que visa a implementação de um circuito integrado capaz de suportar as três camadas físicas definias em IEEE 802.15.4g, não apenas o MR-OFDM. Devido a isso, o método deve ser totalmente compatível com a norma e focar na complexidade de implementação do receptor MR-OFDMAbstract: IEEE 802.15.4g is an amendment of the IEEE 802.15.4 standard focused on Smart Utility Networks (SUN), and devoted to the communication requirements of Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Nowadays, due to its characteristics, the amendment focuses on Smart Ubiquitous Network applications, such as Smart City and Internet of Things (IoT). One of the three Physical Layers (PHYs) defined in the standard is the Multi-Rate and Multi-Regional Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MR-OFDM). In addition to other features, the MR-OFDM employs frequency spreading to reduce the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) of the OFDM symbol. Under some channel assumptions, this frequency spreading can also introduce frequency diversity to the PHY. This work proposes a method to perform frequency despreading that exploits diversity in the IEEE 802.15.4g MR-OFDM PHY. The method follows two approaches: the use of diversity combining techniques and the proposal of new Modulation and Coding Scheme (MCS) configurations using extended spreading factors. In a channel with Rayleigh distribution and assuming uncorrelated subcarriers, the proposed method shows improvements up to 10.35 dB when compared to the MR-OFDM performing frequency despreading using original configurations. The method is valid even in the presence of channel estimation errors and large channel coherence bandwidths. The work is part of a larger project which aims at the implementation of an Integrated Circuit capable of handling the three PHYs defined in the IEEE802.15.4g, not only the MR-OFDM. Thus, the method must be fully compliant to the standard and focus on the MR-OFDM receiver implementation complexityMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric

AirSync: Enabling Distributed Multiuser MIMO with Full Spatial Multiplexing

The enormous success of advanced wireless devices is pushing the demand for higher wireless data rates. Denser spectrum reuse through the deployment of more access points per square mile has the potential to successfully meet the increasing demand for more bandwidth. In theory, the best approach to density increase is via distributed multiuser MIMO, where several access points are connected to a central server and operate as a large distributed multi-antenna access point, ensuring that all transmitted signal power serves the purpose of data transmission, rather than creating "interference." In practice, while enterprise networks offer a natural setup in which distributed MIMO might be possible, there are serious implementation difficulties, the primary one being the need to eliminate phase and timing offsets between the jointly coordinated access points. In this paper we propose AirSync, a novel scheme which provides not only time but also phase synchronization, thus enabling distributed MIMO with full spatial multiplexing gains. AirSync locks the phase of all access points using a common reference broadcasted over the air in conjunction with a Kalman filter which closely tracks the phase drift. We have implemented AirSync as a digital circuit in the FPGA of the WARP radio platform. Our experimental testbed, comprised of two access points and two clients, shows that AirSync is able to achieve phase synchronization within a few degrees, and allows the system to nearly achieve the theoretical optimal multiplexing gain. We also discuss MAC and higher layer aspects of a practical deployment. To the best of our knowledge, AirSync offers the first ever realization of the full multiuser MIMO gain, namely the ability to increase the number of wireless clients linearly with the number of jointly coordinated access points, without reducing the per client rate.Comment: Submitted to Transactions on Networkin

Mac-Phy Cross-Layer analysis and design of Mimo-Ofdm Wlans based on fast link adaptation

The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying channel conditions. In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption (FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS) for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service (QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER). To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the exponential effective SNRmetric (EESM). The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed- loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a noticeable degradation in throughput. At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout strategy that weighs down the influence of the available channel information as this becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring the instant in which the channel state information is acquired and that in which the channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access scheme (Basic Access or RTS/CTS). Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are available)La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte les condicions canviants del canal. En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena. L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva exponencial (EESM). El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió, poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el rendiment en termes de throughput. A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet, nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic Access i RTS/CTS). Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació, mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC