Sustainable and Robust Techniques of Wireless Communications for Industry 4.0: Towards Efficient PAPR Reduction Models

This work presents the concerns of reliable, comprehensive, and high-quality communication networks essential in wireless communications for Industry 4.0. These are considered critical requirements of wireless technology for Industry 4.0. For a reliable transmission of digital data over broadband widths and Giga Hertz channels, the corresponding Peak-to-Average-Power Ratio (PAPR) must be under control. Industry standards Multiple-Input Multiple-Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing With Offset Quadrature Amplitude Modulation (MIMO-OFDM/OQAM) system has been considered as the modulation technique with less Computational Complexity (CC). It usually produces phase sequence sets with different PAPR, a complex phenomenon to control. For robustness in PAPR control, the technique proposed has a receiver that initially restores the frequency domain rotation signal according to the sequence selection of the transmitter. Then it compares the distance between the reverse rotation sequence and the nearest constellation point to restore the original sequence. The proposed method simulation results can efficiently suppress the PAPR of MIMO-OFDM/OQAM signals. The proposed method is compared with the traditional Selective Mapping (SLM) algorithm. The proposed method reduces the CC, and can obtain the approximate Bit-Error Rate (BER) performance of the conventional SLM method when the sideband side information is known

I/Q imbalance mitigation for space-time block coded communication systems

Multiple-input multiple-output (MIMO) space-time block coded (STBC) wireless communication systems provide reliable data transmissions by exploiting the spatial diversity in fading channels. However, due to component imperfections, the in-phase/quadrature (I/Q) imbalance caused by the non-ideal matching between the relative amplitudes and phases of the I and Q branches always exists in the practical implementation of MIMO STBC communication systems. Such distortion results in a complex conjugate term of the intended signal in the time domain, hence a mirror-image term in the frequency domain, in the data structure. Consequently, I/Q imbalance increases the symbol error rate (SER) drastically in MIMO STBC or STBC MIMO orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) communication systems, where both the signal and its complex conjugate are utilized for the information transmission, hence should be mitigated effectively. In this dissertation, the impact of I/Q imbalance in MIMO STBC systems over flat fading channels, the impact of I/Q imbalance in STBC MIMO-OFDM systems and in time- reversal STBC (TR-STBC) systems over frequency-selective fading channels are studied systematically. With regard to the MIMO STBC and the STBC MIMO-OFDM systems with I/Q imbalance, orthogonal space-time block codes (OSTBCs), quasi-orthogonal STBCs (QOSTBCs) and rotated QOSTBCs (RQOSTBCs) are studied, respectively. By exploiting the special structure of the received signal, low-complexity solutions are provided to mitigate the distortion induced by I/Q imbalance successfully. In addition, to mitigate I/Q imbalance while at the same time to exploit the multipath diversity for STBC OFDM systems over frequency-selective fading channels, a new encoding/decoing scheme for the grouped linear constellation precoded (GLCP) OFDM systems with I/Q imbalance is studied. In Chapter 1, the objectives of the research are elaborated. In Chapter 2, the various I/Q imbalance models are introduced, and the model used in this dissertation is established. In Chapter 3, the performance degradation caused by I/Q imbalance of the transceivers in MIMO STBC wireless communication systems over flat fading channels and the solutions are studied. A 2 Tx Alamouti system, a 4 Tx quasi-orthogonal STBC (QOSTBC) system, and a 4 Tx rotated QOSTBC (RQOSTBC) system with I/Q imbalance are studied in detail. By exploiting the special structure of the received signal, low-complexity solutions are proposed to mitigate I/Q imbalance successfully. Since STBCs are developed for frequency-flat fading channels, to achieve the spatial diversity in frequency-selective fading channels, MIMO-OFDM arrangements have been suggested, where STBCs are used across different antennas in conjunction with OFDM. In Chapter 4, the performance degradation caused by I/Q imbalance in STBC MIMO-OFDM wireless systems over frequency-selective fading channels and the solutions are studied. Similarly, a 2 Tx Alamouti system, a 4 Tx quasi-orthogonal STBC (QOSTBC) system, and a 4 Tx rotated QOSTBC (RQOSTBC) system with I/Q imbalance are studied in detail, and low-complexity solutions are proposed to mitigate the distortion effectively. However, OFDM systems suffer from the loss of the multipath diversity by converting frequency-selective fading channels into parallel frequency-flat fading subchannels. To exploit the multipath diversity and reduce the decoding complexity, GLCP OFDM systems with I/Q imbalance are studied. By judiciously assigning the mirror-subcarrier pair into one group, a new encoding/decoding scheme with a low-complexity is proposed to mitigate I/Q imbalance for GLCP OFDM systems in Chapter 5. Since OFDM communication systems have high peak-to-average power ratio (PAPR) problem and are sensitive to carrier frequency offset (CFO), to achieve both the spatial and multipath diversity, time-reversal STBC (TR-STBC) communication systems are introduced. In Chapter 6, the I/Q imbalance mitigating solutions in TR-STBC systems, both in the time domain and in the frequency domain, are studied

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