Improved IDMA for Multiple Access of 5G

Due to its good performance and low complexity, IDMA is believed to be an important technique for future radio access (FRA). However, its performances are highly affected by the interleaver design. In this paper we propose two contributions to improve the performance of the IDMA. First, we propose a new interleaver design, called "NLM interleaver", which improves the computational complexity, reduces the bandwidth consumption and the memory requirements of the system, provides the quasi-orthogonal spreading codes and interleavers with a high security and offers infinite sets of codes and interleavers based on only one parameter. Second, we propose a new user grouping algorithm based on the correlation function to improve the resources (Codes, Interleavers). All users are divided into several equal-size groups where each group's data transmitted at the same time, over the same frequencies and the same interleaver. The simulation results indicate that the proposed scheme can achieve better performances compared to the existing algorithms

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

NOVEL OFDM SYSTEM BASED ON DUAL-TREE COMPLEX WAVELET TRANSFORM

The demand for higher and higher capacity in wireless networks, such as cellular, mobile and local area network etc, is driving the development of new signaling techniques with improved spectral and power efficiencies. At all stages of a transceiver, from the bandwidth efficiency of the modulation schemes through highly nonlinear power amplifier of the transmitters to the channel sharing between different users, the problems relating to power usage and spectrum are aplenty. In the coming future, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology promises to be a ready solution to achieving the high data capacity and better spectral efficiency in wireless communication systems by virtue of its well-known and desirable characteristics. Towards these ends, this dissertation investigates a novel OFDM system based on dual-tree complex wavelet transform (D

Hierarchy Based Construction of Signature Matrices for Simplified Decoding in Overloaded CDMA

The overloaded CDMA system, as the solution to the capacity limit of its conventional counterpart, has drawn frequent interest of the researchers in the past. While there exists numerous proposals on the construction of uniquely decodable (UD) signature matrices for overloaded CDMA system with very high value of overloading factor, most of them lag the efficient multiuser detector (MUD) for noisy transmission. Here, by efficient, we imply the MUD to have acceptable BER performance and simplified in design. Whereas the lack of efficiency of several MUDs is primarily due to the impact of excess level of multiple access interference (MAI) because of the rise in the number of active users, its random nature prohibits its accurate estimation and elimination. Under such constraints, if the signature matrices can be intelligently constructed so as to generate a defined and controlled pattern (hierarchy) of MAI so that the designed MUD will exploit the knowledge of this hierarchy to remove the MAI completely and attain better error performance at much lower cost of complexity. We consider this as the motivation for research in this thesis. First, we propose the ternary signature matrix with orthogonal subsets (TSMOS), where the matrix with index-k comprises of k orthogonal subsets with each having different number signatures, and all subsets besides the first (largest) one are of ternary type. The correlation (interference) pattern among the signatures is mapped into a twin tree hierarchy, which is further leveraged to design a simplified MUD using the linear decoding blocks like matched filter (MF) to provide errorfree and better error performance for noiseless and noisy transmission respectively. Next, we generalize the construction of TSMOS to multiple structures i.e.; Type I, Type II, Type III and mixed versions and reveal the complementary feature of 50% signatures of the largest (binary) subset that further results in their optimality. Further, we propose the non-ternary version of SMOS (called as 2k-SMOS), where the binary alphabets in each of the k subsets are different from each other. With vii no complementary feature, 50% signatures of its largest subset are also found to be optimal. The superiority of 2k-SMOS over TSMOS is also verified for an overloading capacity of 150%. Next, we propose and discuss the hybrid SMOS (HSMOS), where the subsets from TSMOS and 2k-SMOS are used as the constituents to produce multiple SMOS structures, of which TSMOS and 2k-SMOS are treated as the special cases. For better understanding of the features of the whole family of SMOS (with an overloading capacity of 200%), the gradual change in the twin tree hierarchy and BER performance of the left and right child of the individual subsets are studied. Similar to SMOS, we also introduce the hierarchy based low density signature (HLDS) matrix, where any UD matrix satisfying particular criterion can be considered as the basis set. For hadamard matrix as the basis set, we design a MUD that uses the MF to implement the decision vector search (DVS) algorithm, which is meant to exploit the advantageous hierarchy of constellation of the transmitted vector to offer errorfree decoding. For noisy channel, the marginal degradation in the level of BER of the MUD (DVS) as compared to the optimum joint maximum likelihood decoder (MLD) is worthy to be overlooked when compared with the significant gain achieved in terms of complexity. For the smallest dimension of the hadamard matrix as the basis, the MUD is further simplified to offer recovery using a comparison driven decision making algorithm, also known as comparison aided decoding (CAD). Despite simplicity, the error performance of the MUD (CAD) is observed to be very close to that of MUD (DVS)

Unified Framework for Multicarrier and Multiple Access based on Generalized Frequency Division Multiplexing

The advancements in wireless communications are the key-enablers of new applications with stringent requirements in low-latency, ultra-reliability, high data rate, high mobility, and massive connectivity. Diverse types of devices, ranging from tiny sensors to vehicles, with different capabilities need to be connected under various channel conditions. Thus, modern connectivity and network techniques at all layers are essential to overcome these challenges. In particular, the physical layer (PHY) transmission is required to achieve certain link reliability, data rate, and latency. In modern digital communications systems, the transmission is performed by means of a digital signal processing module that derives analog hardware. The performance of the analog part is influenced by the quality of the hardware and the baseband signal denoted as waveform. In most of the modern systems such as fifth generation (5G) and WiFi, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is adopted as a favorite waveform due to its low-complexity advantages in terms of signal processing. However, OFDM requires strict requirements on hardware quality. Many devices are equipped with simplified analog hardware to reduce the cost. In this case, OFDM does not work properly as a result of its high peak-to-average power ratio (PAPR) and sensitivity to synchronization errors. To tackle these problems, many waveforms design have been recently proposed in the literature. Some of these designs are modified versions of OFDM or based on conventional single subcarrier. Moreover, multicarrier frameworks, such as generalized frequency division multiplexing (GFDM), have been proposed to realize varieties of conventional waveforms. Furthermore, recent studies show the potential of using non-conventional waveforms for increasing the link reliability with affordable complexity. Based on that, flexible waveforms and transmission techniques are necessary to adapt the system for different hardware and channel constraints in order to fulfill the applications requirements while optimizing the resources. The objective of this thesis is to provide a holistic view of waveforms and the related multiple access (MA) techniques to enable efficient study and evaluation of different approaches. First, the wireless communications system is reviewed with specific focus on the impact of hardware impairments and the wireless channel on the waveform design. Then, generalized model of waveforms and MA are presented highlighting various special cases. Finally, this work introduces low-complexity architectures for hardware implementation of flexible waveforms. Integrating such designs with software-defined radio (SDR) contributes to the development of practical real-time flexible PHY.:1 Introduction 1.1 Baseband transmission model 1.2 History of multicarrier systems 1.3 The state-of-the-art waveforms 1.4 Prior works related to GFDM 1.5 Objective and contributions 2 Fundamentals of Wireless Communications 2.1 Wireless communications system 2.2 RF transceiver 2.2.1 Digital-analogue conversion 2.2.2 QAM modulation 2.2.3 Effective channel 2.2.4 Hardware impairments 2.3 Waveform aspects 2.3.1 Single-carrier waveform 2.3.2 Multicarrier waveform 2.3.3 MIMO-Waveforms 2.3.4 Waveform performance metrics 2.4 Wireless Channel 2.4.1 Line-of-sight propagation 2.4.2 Multi path and fading process 2.4.3 General baseband statistical channel model 2.4.4 MIMO channel 2.5 Summary 3 Generic Block-based Waveforms 3.1 Block-based waveform formulation 3.1.1 Variable-rate multicarrier 3.1.2 General block-based multicarrier model 3.2 Waveform processing techniques 3.2.1 Linear and circular filtering 3.2.2 Windowing 3.3 Structured representation 3.3.1 Modulator 3.3.2 Demodulator 3.3.3 MIMO Waveform processing 3.4 Detection 3.4.1 Maximum-likelihood detection 3.4.2 Linear detection 3.4.3 Iterative Detection 3.4.4 Numerical example and insights 3.5 Summary 4 Generic Multiple Access Schemes 57 4.1 Basic multiple access and multiplexing schemes 4.1.1 Infrastructure network system model 4.1.2 Duplex schemes 4.1.3 Common multiplexing and multiple access schemes 4.2 General multicarrier-based multiple access 4.2.1 Design with fixed set of pulses 4.2.2 Computational model 4.2.3 Asynchronous multiple access 4.3 Summary 5 Time-Frequency Analyses of Multicarrier 5.1 General time-frequency representation 5.1.1 Block representation 5.1.2 Relation to Zak transform 5.2 Time-frequency spreading 5.3 Time-frequency block in LTV channel 5.3.1 Subcarrier and subsymbol numerology 5.3.2 Processing based on the time-domain signal 5.3.3 Processing based on the frequency-domain signal 5.3.4 Unified signal model 5.4 summary 6 Generalized waveforms based on time-frequency shifts 6.1 General time-frequency shift 6.1.1 Time-frequency shift design 6.1.2 Relation between the shifted pulses 6.2 Time-frequency shift in Gabor frame 6.2.1 Conventional GFDM 6.3 GFDM modulation 6.3.1 Filter bank representation 6.3.2 Block representation 6.3.3 GFDM matrix structure 6.3.4 GFDM demodulator 6.3.5 Alternative interpretation of GFDM 6.3.6 Orthogonal modulation and GFDM spreading 6.4 Summary 7 Modulation Framework: Architectures and Applications 7.1 Modem architectures 7.1.1 General modulation matrix structure 7.1.2 Run-time flexibility 7.1.3 Generic GFDM-based architecture 7.1.4 Flexible parallel multiplications architecture 7.1.5 MIMO waveform architecture 7.2 Extended GFDM framework 7.2.1 Architectures complexity and flexibility analysis 7.2.2 Number of multiplications 7.2.3 Hardware analysis 7.3 Applications of the extended GFDM framework 7.3.1 Generalized FDMA 7.3.2 Enchantment of OFDM system 7.4 Summary 7 Conclusions and Future work

Satellite Communications

This study is motivated by the need to give the reader a broad view of the developments, key concepts, and technologies related to information society evolution, with a focus on the wireless communications and geoinformation technologies and their role in the environment. Giving perspective, it aims at assisting people active in the industry, the public sector, and Earth science fields as well, by providing a base for their continued work and thinking

Design and performance of CDMA codes for multiuser communications

Walsh and Gold sequences are fixed power codes and are widely used in multiuser CDMA communications. Their popularity is due to the ease of implementation. Availability of these code sets is limited because of their generating kernels. Emerging radio applications like sensor networks or multiple service types in mobile and peer-to-peer communications networks might benefit from flexibilities in code lengths and possible allocation methodologies provided by large set of code libraries. Walsh codes are linear phase and zero mean with unique number of zero crossings for each sequence within the set. DC sequence is part of the Walsh code set. Although these features are quite beneficial for source coding applications, they are not essential for spread spectrum communications. By relaxing these unnecessary constraints, new sets of orthogonal binary user codes (Walsh-like) for different lengths are obtained with comparable BER performance to standard code sets in all channel conditions. Although fixed power codes are easier to implement, mathematically speaking, varying power codes offer lower inter- and intra-code correlations. With recent advances in RF power amplifier design, it might be possible to implement multiple level orthogonal spread spectrum codes for an efficient direct sequence CDMA system. A number of multiple level integer codes have been generated by brute force search method for different lengths to highlight possible BER performance improvement over binary codes. An analytical design method has been developed for multiple level (variable power) spread spectrum codes using Karhunen-Loeve Transform (KLT) technique. Eigen decomposition technique is used to generate spread spectrum basis functions that are jointly spread in time and frequency domains for a given covariance matrix or power spectral density function. Since this is a closed form solution for orthogonal code set design, many options are possible for different code lengths. Design examples and performance simulations showed that spread spectrum KLT codes outperform or closely match with the standard codes employed in present CDMA systems. Hybrid (Kronecker) codes are generated by taking Kronecker product of two spreading code families in a two-stage orthogonal transmultiplexer structure and are judiciously allocated to users such that their inter-code correlations are minimized. It is shown that, BER performance of hybrid codes with a code selection and allocation algorithm is better than the performance of standard Walsh or Gold code sets for asynchronous CDMA communications. A redundant spreading code technique is proposed utilizing multiple stage orthogonal transmultiplexer structure where each user has its own pre-multiplexer. Each data bit is redundantly spread in the pre-multiplexer stage of a user with odd number of redundancy, and at the receiver, majority logic decision is employed on the detected redundant bits to obtain overall performance improvement. Simulation results showed that redundant spreading method improves BER performance significantly at low SNR channel conditions

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013

Link adaptation for MC-CDMA radio interface

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo