Flexible Multi-Group Single-Carrier Modulation: Optimal Subcarrier Grouping and Rate Maximization

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and single-carrier frequency domain equalization (SC-FDE) are two commonly adopted modulation schemes for frequency-selective channels. Compared to SC-FDE, OFDM generally achieves higher data rate, but at the cost of higher transmit signal peak-to-average power ratio (PAPR) that leads to lower power amplifier efficiency. This paper proposes a new modulation scheme, called flexible multi-group single-carrier (FMG-SC), which encapsulates both OFDM and SC-FDE as special cases, thus achieving more flexible rate-PAPR trade-offs between them. Specifically, a set of frequency subcarriers are flexibly divided into orthogonal groups based on their channel gains, and SC-FDE is applied over each of the groups to send different data streams in parallel. We aim to maximize the achievable sum-rate of all groups by optimizing the subcarrier-group mapping. We propose two low-complexity subcarrier grouping methods and show via simulation that they perform very close to the optimal grouping by exhaustive search. Simulation results also show the effectiveness of the proposed FMG-SC modulation scheme with optimized subcarrier grouping in improving the rate-PAPR trade-off over conventional OFDM and SC-FDE.Comment: Submitted for possible conference publicatio

Co-existence Between a Radar System and a Massive MIMO Wireless Cellular System

In this paper we consider the uplink of a massive MIMO communication system using 5G New Radio-compliant multiple access, which is to co-exist with a radar system using the same frequency band. We propose a system model taking into account the reverberation (clutter) produced by the radar system at the massive MIMO receiver. Then, we propose several linear receivers for uplink data-detection, ranging by the simple channel-matched beamformer to the zero-forcing and linear minimum mean square error receivers for clutter disturbance rejection. Our results show that the clutter may have a strong effect on the performance of the cellular communication system, but the use of large-scale antenna arrays at the base station is key to provide increased robustness against it, at least as far as data-detection is concerned.Comment: To be presented at 2018 IEEE SPAWC, Kalamata, Greece, June 201

Information Technology

The new millennium has been labeled as the century of the personal communications revolution or more specifically, the digital wireless communications revolution. The introduction of new multimedia services has created higher loads on available radio resources. These services can be presented in different levels of quality of service. Namely, the task of the radio resource manager is to provide these levels. Radio resources are scarce and need to be shared by many users. The sharing has to be carried out in an efficient way avoiding as much as possible any waste of resources. The main contribution focus of this work is on radio resource management in opportunistic systems. In opportunistic communications dynamic rate and power allocation may be performed over the dimensions of time, frequency and space in a wireless system. In this work a number of these allocation schemes are proposed. A downlink scheduler is introduced in this work that controls the activity of the users. The scheduler is a simple integral controller that controls the activity of users, increasing or decreasing it depending on the degree of proximity to a requested quality of service level. The scheduler is designed to be a best effort scheduler; that is, in the event the requested quality of service (QoS) cannot be attained, users are always guaranteed the basic QoS level provided by a proportional fair scheduler. In a proportional fair scheduler, the user with the best rate quality factor is selected. The rate quality here is the instantaneous achievable rate divided by the average throughput Uplink scheduling is more challenging than its downlink counterpart due to signalling restrictions and additional constraints on resource allocations. For instance, in long term evolution systems, single carrier FDMA is to be utilized which requires the frequency domain resource allocation to be done in such a way that a user could only be allocated subsequent bands. We suggest for the uplink a scheduler that follows a heuristic approach in its decision. The scheduler is mainly based on the gradient algorithm that maximizes the gradient of a certain utility. The utility could be a function of any QoS. In addition, an optimal uplink scheduler for the same system is presented. This optimal scheduler is valid in theory only, nevertheless, it provides a considerable benchmark for evaluation of performance for the heuristic scheduler as well as other algorithms of the same system. A study is also made for the feedback information in a multi-carrier system. In a multi-carrier system, reporting the channel state information (CSI) of every subcarrier will result in huge overhead and consequent waste in bandwidth. In this work the subcarriers are grouped into subbands which are in turn grouped into blocks and a study is made to find the minimum amount of information for the adaptive modulation and coding (AMC) of the blocks. The thesis also deals with admission control and proposes an opportunistic admission controller. The controller gradually integrates a new user requesting admission into the system. The system is probed to examine the effect of the new user on existing connections. The user is finally fully admitted if by the end of the probing, the quality of service (QoS) of existing connections did not drop below a certain threshold. It is imperative to mention that the research work of this thesis is mainly focused on non-real time applications.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

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