Cyclic division algebras: a tool for space-time coding

Multiple antennas at both the transmitter and receiver ends of a wireless digital transmission channel may increase both data rate and reliability. Reliable high rate transmission over such channels can only be achieved through Space–Time coding. Rank and determinant code design criteria have been proposed to enhance diversity and coding gain. The special case of full-diversity criterion requires that the difference of any two distinct codewords has full rank. Extensive work has been done on Space–Time coding, aiming at finding fully diverse codes with high rate. Division algebras have been proposed as a new tool for constructing Space–Time codes, since they are non-commutative algebras that naturally yield linear fully diverse codes. Their algebraic properties can thus be further exploited to improve the design of good codes. The aim of this work is to provide a tutorial introduction to the algebraic tools involved in the design of codes based on cyclic division algebras. The different design criteria involved will be illustrated, including the constellation shaping, the information lossless property, the non-vanishing determinant property, and the diversity multiplexing trade-off. The final target is to give the complete mathematical background underlying the construction of the Golden code and the other Perfect Space–Time block codes

Técnicas de pré-codificação para sistemas multicelulares coordenados

Doutoramento em TelecomunicaçõesCoordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.Multicell coordination is a promising solution for cellular wireless systems to mitigate inter-cell interference, improving system fairness and increasing capacity and thus is already under study in LTE-A under the coordinated multipoint (CoMP) concept. There are several coordinated transmission approaches depending on the amount of information shared by the transmitters through the backhaul network and where the processing takes place i.e. in a central processing unit or in a distributed way on each base station. In this thesis, we propose joint precoding and power allocation techniques considering different strategies: Full-centralized, where all the processing takes place at the central unit; Semi-distributed, in this case only some process related with power allocation is done at the central unit; and Fulldistributed, where all the processing is done locally at each base station. The methods are designed in two phases: first the inter-cell interference is removed by applying a set of centralized or distributed precoding vectors; then the system is further optimized by centralized or distributed power allocation schemes. Three centralized power allocation algorithms with per-BS power constraint and different complexity tradeoffs are proposed. Also distributed power allocation schemes are proposed by considering the multicell system as superposition of single cell systems, where we define the average virtual bit error rate (BER) of interference-free single cell system, allowing us to compute the power allocation coefficients in a distributed manner at each BS. All proposed schemes are evaluated in realistic scenarios considering LTE specifications. The numerical evaluations show that the proposed schemes are efficient in removing inter-cell interference and improve system performance comparing to equal power allocation. Furthermore, fulldistributed schemes can be used when the amounts of information to be exchanged over the backhaul is restricted, although system performance is slightly degraded from semi-distributed and full-centralized schemes, but the complexity is considerably lower. Besides that for high degrees of freedom distributed schemes show similar behaviour to centralized ones

Esquemas de cooperação entre estações base para o LTE no sentido descendente

The explosive growth in wireless traffic and in the number of connected devices as smart phones or computers, are causing a dramatic increase in the levels of interference, which significantly degrades the capacity gains promised by the point-to-point multi input, multi output (MIMO) based techniques. Therefore, it is becoming increasingly clear that major new improvements in spectral efficiency of wireless networks will have to entail addressing intercell interference. So, there is a need for a new cellular architecture that can take these factors under consideration. It is in this context that LTE-Advanced arises. One of the most promising LTE-Advanced technology is Coordinated Multipoint (CoMP), which allows base stations to cooperate among them, in order to mitigate or eliminate the intercell interference and, by doing so, increase the system’s capacity. This thesis intends to study this concept, implementing some schemes that fall under the CoMP concept. In this thesis we consider a distributed precoded multicell approach, where the precoders are computed locally at each BS to mitigate the intercell interference. Two precoder are considered: distributed zero forcing (DZF) and distributed virtual signal-to-interference noise ratio (DVSINR) recently proposed. Then the system is further optimized by computing a power allocation algorithm over the subcarriers that minimizes the average bit error rate (BER). The considered algorithms are also evaluated under imperfect channel state information. A quantized version of the CSI associated to the different links between the BS and the UT is feedback from the UT to the BS. This information is then employed by the different BSs to perform the precoding design. A new DVSINR precoder explicitly designed under imperfect CSI is proposed. The proposed schemes were implemented considering the LTE specifications, and the results show that the considered precoders are efficiently to remove the interference even under imperfect CSI.O crescimento exponencial no tráfego de comunicações sem-fios e no número de dispositivos utilizados (smart phones, computadores portáteis, etc.) está a causar um aumento significativo nos níveis de interferência, que prejudicam significativamente os ganhos de capacidade assegurados pelas tecnologias baseadas em ligações ponto-a-ponto MIMO. Deste modo, torna-se cada vez mais necessário que os grandes aperfeiçoamentos na eficiência espectral de sistemas de comunicações sem-fios tenham em consideração a interferência entre células. De forma a tomar em consideração estes aspectos, uma nova arquitectura celular terá de ser desenvolvida. É assim, neste contexto, que surge o LTE-Advanced. Uma das tecnologias mais promissoras do LTE-Advanced é a Coordenação Multi-Ponto (CoMP), que permite que as estações base cooperem de modo a mitigar a interferência entre células e, deste modo, aumentar a capacidade do sistema. Esta dissertação pretende estudar este conceito, implementando para isso algumas técnicas que se enquadram no conceito do CoMP. Nesta dissertação iremos considerar a implementação de um sistema de pré-codificação em múltiplas células, em que os pré-codificadores são calculados em cada BS, de modo a mitigar a interferência entre células. São considerados dois pré-codificadores: Distributed Zero Forcing (DZF) e Distributed Virtual Signal-to-Interferance Noise Ratio (DVSINR), recentemente proposto. De seguida o sistema é optimizado com a introdução de algoritmos de alocação de potência entre as sub-portadoras com o objectivo de minimizar a taxa média de erros (BER). Os algoritmos considerados são também avaliados em situações em que a informação do estado do canal é imperfeita. Uma versão quantizada da CSI associada a cada uma das diferentes ligações entre as BS e os UT é assim enviada do UT para a BS. Esta informação é então utilizada para calcular os diferentes pré-codificadores em cada BS. Uma nova versão do pré-codificador DVSINR é proposta de modo a lidar com CSI imperfeito. Os esquemas propostos foram implementados considerandos especificações do LTE, e os resultados obtidos demonstram que os pré-codificadores removem de uma forma eficiente a interferência, mesmo em situações em que a CSI é imperfeita

Técnicas de processamento com múltiplas antenas para o sistema LTE

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesPerformance, mobilidade e partilha podem ser consideras como as três palavras-chave nas comunicações móveis de hoje em dia. Uma das necessidades fundamentais do ser humano é a partilha de experiencias e informação. Com a evolução ao nível do hardware móvel, a crescente popularidade de smartphones, tablets e outros dispositivos moveis, fez com que a exigência em termos de capacidade e taxa de transferência por parte das redes móveis não parasse de crescer. As limitações das redes 3G fizeram com que não conseguissem corresponder a tais exigências e como tal, a transição para uma tecnologia mais robusta e eficiente passou a ser inevitável. A resposta escolhida como solução a longo prazo é a rede designada por LTE, desenvolvida pela organização 3GPP é assumido que será a rede de telecomunicações predominante no futuro. As vantagens mais sonantes são, naturalmente, elevadas taxas de transmissão, maior eficiência espectral, redução da latência e de custos de operação. As principais tecnologias em que o LTE se baseia, são o OFDM e sua variante para múltiplo acesso, OFDMA, usado para o downlink e o SC-FDMA para o uplink. Além disso, usa sistemas com múltiplas antenas para impulsionar a eficiência espectral. Apesar de já implementado em alguns países por diversas operadoras, constantes pesquisas continuam a ser realizadas com o intuito de melhorar a sua performance. Nesta dissertação é proposto um esquema duplo de codificação na frequência e no espaço (D-SFBC) para um cenário baseado em OFDM com 4 antenas de transmissão e duas antenas de recepção (4 × 2 D-SFBC) para o downlink. No cenário considerado, 4 símbolos de dados são transmitidos utilizando unicamente 2 sub-portadoras, fazendo com que, este sistema seja limitado pela interferência. Para de forma eficiente descodificar os símbolos de dados transmitidos, foi desenvolvido um equalizador iterativo no domínio da frequência. Duas abordagens são consideradas: cancelamento da interferência em paralelo (PIC) e sucessivo cancelamento de interferência (SIC). Uma vez que apenas 2 sub-portadoras são usadas para transmitir quatro símbolos de dados em paralelo, o esquema desenvolvido duplica a taxa de dados quando comparado com o esquema 2 × 2 SFBC, especificado no standard do LTE. Os esquemas desenvolvidos foram avaliados sob as especificações para LTE e usando codificação de canal. Os resultados mostram que os esquemas implementados neste trabalho utilizando um equalizador iterativo supera os convencionais equalizadores lineares na eliminação da interferência adicional introduzida, em apenas 2 ou 3 iterações.Performance, mobility and sharing can be assumed as the three keywords in the mobile communications nowadays. One of the fundamental needs of human beings is to share experiences and information. With the evolution of mobile hardware level, the growing popularity of smartphones, tablets and other mobile devices, has made that the demand in terms of capacity and throughput by mobile networks did not stop growing. Thus, the limitations of 3G stops it of being the answer of such demand, and a transition to a powerful technology has become unavoidable. The answer chosen is LTE, developed by the 3GPP organization is assumed to be the predominant telecommunications network in the future. The most relevant advantages are high transmission rates, higher spectral efficiency, reducing latency and operating costs. The key technologies in which LTE is based, are OFDM and its variant schemes for multiple access, OFDMA, used for downlink, and SC-FDMA for the uplink. It also uses multiple antennas systems in order to improve spectral efficiency. Although already implemented in some countries by several operators, continuous research is conducted in order to improve their performance. In this dissertation it is proposed a double space-frequency block coding (D-SFBC) scheme for an OFDM based scenario with 4 transmit antennas and 2 receive antennas (4×2 D-SFBC) for the downlink. In the considered scenario, 4 data symbols are transmitted by using only 2 subcarriers and thus the system is interference limited. To efficiently decode the transmitted data symbols an iterative equalizer designed in frequency domain is developed. Two approaches are considered: parallel interference cancellation (PIC) and successive interference cancellation (SIC). Since only 2 subcarriers are used to transmit 4 data symbols in parallel the developed scheme achieve the double data rate when compared with the 2×2 SFBC, specified in the LTE standard. The developed schemes were evaluated under the main LTE specifications and using channel coding. The results have show that the schemes implemented in this work using an interactive equalizer outperforms the conventional linear equalizers in the interference removal, just by using 2 or 3 iterations

Channel Estimation and Equalization for Cooperative Communication

The revolutionary concept of space-time coding introduced in the last decade has demonstrated that the deployment of multiple antennas at the transmitter allows for simultaneous increase in throughput and reliability because of the additional degrees of freedom offered by the spatial dimension of the wireless channel. However, the use of antenna arrays is not practical for deployment in some practical scenarios, e. g. , sensor networks, due to space and power limitations. A new form of realizing transmit diversity has been recently introduced under the name of user cooperation or cooperative diversity. The basic idea behind cooperative diversity rests on the observation that in a wireless environment, the signal transmitted by the source node is overheard by other nodes, which can be defined as "partners" or "relays". The source and its partners can jointly process and transmit their information, creating a "virtual antenna array" and therefore emulating transmit diversity. Most of the ongoing research efforts in cooperative diversity assume frequency flat channels with perfect channel knowledge. However, in practical scenarios, e. g. broadband wireless networks, these assumptions do not apply. Frequency-selective fading and imperfect channel knowledge should be considered as a more realistic channel model. The development of equalization and channel estimation algorithms play a crucial element in the design of digital receivers as their accuracy determine the overall performance. This dissertation creates a framework for designing and analyzing various time and frequency domain equalization schemes, i. e. distributed time reversal (D-TR) STBC, distributed single carrier frequency domain (D-SC-FDE) STBC, and distributed orthogonal frequency division multiplexing (D-OFDM) STBC schemes, for broadband cooperative communication systems. Exploiting the orthogonally embedded in D-STBCs, we were able to maintain low-decoding complexity for all underlying schemes, thus, making them excellent candidates for practical scenarios, such as multi-media broadband communication systems. Furthermore, we propose and analyze various non-coherent and channel estimation algorithms to improve the quality and reliability of wireless communication networks. Specifically, we derive a non-coherent decoding rule which can be implemented in practice by a Viterbi-type algorithm. We demonstrate through the derivation of a pairwise error probability expression that the proposed non-coherent detector guarantees full diversity. Although this decoding rule has been derived assuming quasi-static channels, its inherent channel tracking capability allows its deployment over time-varying channels with a promising performance as a sub-optimal solution. As a possible alternative to non-coherent detection, we also investigate the performance of mismatched-coherent receiver, i. e. , coherent detection with imperfect channel estimation. Our performance analysis demonstrates that the mismatched-coherent receiver is able to collect the full diversity as its non-coherent competitor over quasi-static channels. Finally, we investigate and analyze the effect of multiple antennas deployment at the cooperating terminals assuming different relaying techniques. We derive pairwise error probability expressions quantifying analytically the impact of multiple antenna deployment at the source, relay and/or destination terminals on the diversity order for each of the relaying methods under consideration

Waveform Design for 5G and beyond Systems

5G traffic has very diverse requirements with respect to data rate, delay, and reliability. The concept of using multiple OFDM numerologies adopted in the 5G NR standard will likely meet these multiple requirements to some extent. However, the traffic is radically accruing different characteristics and requirements when compared with the initial stage of 5G, which focused mainly on high-speed multimedia data applications. For instance, applications such as vehicular communications and robotics control require a highly reliable and ultra-low delay. In addition, various emerging M2M applications have sparse traffic with a small amount of data to be delivered. The state-of-the-art OFDM technique has some limitations when addressing the aforementioned requirements at the same time. Meanwhile, numerous waveform alternatives, such as FBMC, GFDM, and UFMC, have been explored. They also have their own pros and cons due to their intrinsic waveform properties. Hence, it is the opportune moment to come up with modification/variations/combinations to the aforementioned techniques or a new waveform design for 5G systems and beyond. The aim of this Special Issue is to provide the latest research and advances in the field of waveform design for 5G systems and beyond