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    A Digital Predistortion Scheme Exploiting Degrees-of-Freedom for Massive MIMO Systems

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    The primary source of nonlinear distortion in wireless transmitters is the power amplifier (PA). Conventional digital predistortion (DPD) schemes use high-order polynomials to accurately approximate and compensate for the nonlinearity of the PA. This is not practical for scaling to tens or hundreds of PAs in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. There is more than one candidate precoding matrix in a massive MIMO system because of the excess degrees-of-freedom (DoFs), and each precoding matrix requires a different DPD polynomial order to compensate for the PA nonlinearity. This paper proposes a low-order DPD method achieved by exploiting massive DoFs of next-generation front ends. We propose a novel indirect learning structure which adapts the channel and PA distortion iteratively by cascading adaptive zero forcing precoding and DPD. Our solution uses a 3rd order polynomial to achieve the same performance as the conventional DPD using an 11th order polynomial for a 100x10 massive MIMO configuration. Experimental results show a 70% reduction in computational complexity, enabling ultra-low latency communications.Comment: IEEE International Conference on Communications 201

    Channel modeling and resource allocation in OFDM systems

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    The increasing demand for high data rate in wireless communication systems gives rise to broadband communication systems. The radio channel is plagued by multipath propagation, which causes frequency-selective fading in broadband signals. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) is a modulation scheme specifically designed to facilitate high-speed data transmission over frequency-selective fading channels. The problem of channel modeling in the frequency domain is first investigated for the wideband and ultra wideband wireless channels. The channel is converted into an equivalent discrete channel by uniformly sampling the continuous channel frequency response (CFR), which results in a discrete CFR. A necessary and sufficient condition is established for the existence of parametric models for the discrete CFR. Based on this condition, we provide a justification for the effectiveness of previously reported autoregressive (AR) models in the frequency domain of wideband and ultra wideband channels. Resource allocation based on channel state information (CSI) is known to be a very powerful method for improving the spectral efficiency of OFDM systems. Bit and power allocation algorithms have been discussed for both static channels, where perfect knowledge of CSI is assumed, and time-varying channels, where the knowledge of CSI is imperfect. In case of static channels, the optimal resource allocation for multiuser OFDM systems has been investigated. Novel algorithms are proposed for subcarrier allocation and bit-power allocation with considerably lower complexity than other schemes in the literature. For time-varying channel, the error in CSI due to channel variation is recognized as the main obstacle for achieving the full potential of resource allocation. Channel prediction is proposed to suppress errors in the CSI and new bit and power allocation schemes incorporating imperfect CSI are presented and their performance is evaluated through simulations. Finally, a maximum likelihood (ML) receiver for Multiband Keying (MBK) signals is discussed, where MBK is a modulation scheme proposed for ultra wideband systems (UWB). The receiver structure and the associated ML decision rule is derived through analysis. A suboptimal algorithm based on a depth-first tree search is introduced to significantly reduce the computational complexity of the receiver

    Comparison of multiple-input single-output single-user ultra-wideband systems with pre-distortion

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    This paper presents a performance analysis of a baseband multiple-input single-output ultra-wideband system over scenarios CM1 and CM3 of the IEEE 802.15.3a channel model, incorporating four different schemes of pre-distortion: time reversal, zero-forcing pre-equaliser, constrained least squares pre-equaliser, and minimum mean square error pre-equaliser. For the third case, a simple solution based on the steepest-descent (gradient) algorithm is adopted and compared with theoretical results. The channel estimations at the transmitter are assumed to be truncated and noisy. Results show that the constrained least squares algorithm has a good trade-off between intersymbol interference reduction and signal-to-noise ratio preservation, providing a performance comparable to the minimum mean square error method but with lower computational complexity. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.Brazilian agency National Council for Scientific Technological Development (CNPq)Brazilian agency National Council for Scientific Technological Development (CNPq) [303426/2009-8

    Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital

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    ï»żUltrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und Wissenschaftler gelöst werden mĂŒssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große Anzahl an Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen FĂ€llen der naheliegende Ansatz, ein kohĂ€renter EmpfĂ€nger im Sinne eines signalangepassten Filters oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere Lösungsmöglichkeiten eingegangen. Im ersten Abschnitt geht es um „Impulse Radio UWB”-Systeme mit niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohĂ€renter EmpfĂ€nger zum Einsatz. InkohĂ€rente Signaldetektion stellt insofern einen vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgĂŒnstige und robuste Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in AnwendungsfĂ€llen wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte GerĂ€te mit langer Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den fĂŒr die KanalschĂ€tzung und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenĂŒber Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige Interferenz) zur Folge hat. Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde zunĂ€chst ein inkohĂ€renter Combining-Verlust spezifiziert, welcher auftritt im Gegensatz zu kohĂ€renter Detektion mit Maximum Ratio Multipath Combining. Dieser Verlust hĂ€ngt von dem Produkt aus der LĂ€nge des Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab. Um den Verlust durch inkohĂ€rentes Combining zu reduzieren und somit die Leistungseffizienz des EmpfĂ€ngers zu steigern, werden verbesserte Combining-Methoden fĂŒr Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger EmpfĂ€nger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen „Integrate and Dump”-Filter implementiert ist, wird fĂŒr UWB-Systeme mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dĂŒnn besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren wird eine Regel fĂŒr die Code-Auswahl vorgestellt, welche die StabilitĂ€t des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den Verlust durch inkohĂ€rentes Combining verringert. Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohĂ€renter Demodulation. Im Vergleich zum AnalogempfĂ€nger besitzt ein DigitalempfĂ€nger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den Mehrfachzugriffscode kohĂ€rent und beschrĂ€nkt das inkohĂ€rente Combining auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewĂ€hrleisten. Diese Digitaltechnik macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur den inkohĂ€renten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stĂ€rkere Resistenz gegenĂŒber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher Analog-Digital-Wandler gering ausfĂ€llt. Weiterhin zeigt sich, dass im Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in AbhĂ€ngigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart. Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur UnterdrĂŒckung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass inkohĂ€rente EmpfĂ€nger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger Datenrate ein großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohĂ€rentem Combining-Verlust und StabilitĂ€t gegenĂŒber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept fĂŒr UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohĂ€rente oder inkohĂ€rente EmpfĂ€nger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale Signalverarbeitungstechnik mit kostengĂŒnstigen Analog-Digital-Wandlern. Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser Sensorfunknetze dar. Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung fĂŒr hohe Datenraten mit „Direct Sequence”-UWB-Systemen in den Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der großen Anzahl der empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw. Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die FunktionalitĂ€t des Systems durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst werden. Um sie zu eliminieren, wird die „Widely Linear”-Rangreduzierung benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr große Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate). ZusĂ€tzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollstĂ€ndig ausnutzen, was sich in verbesserten SchĂ€tzergebnissen widerspiegelt. Allgemeine kann die Methode der „Widely Linear”-Rangreduzierung auch in andern Bereichen angewendet werden, z.B. in „Direct Sequence”-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband (UWB) communication systems. Based on different data rate applications, this work is divided into two parts, where energy efficient and robust physical layer solutions are proposed, respectively. Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques that increase the power efficiency and the interference robustness of non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system performance may also be deteriorated by multi-user interference and narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal processing techniques at the receiver to suppress these interferences. Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on non-coherent detection.● We analyze the bit error rate performance of non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss, i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very helpful for the design of transmission schemes and receive techniques innon-coherent UWB communication systems.● We propose to use optical orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an analog non-coherent receiver. The “analog” means that the major part of the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The introduced semi-analytical method can help us to easily select the time hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.● The main contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption. Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the non-coherent combining loss but also offers a higher interference robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress strong multi-user interference and is thus advantageous in separating simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the difficulty of implementing long analog delay lines and make differential UWB detection possible. They also facilitate the development of various digital signal processing techniques such as multi-user detection and non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).● Furthermore, we present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully digital solutions. It opens up various research activities in the application field of wireless sensor networks. Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank techniques are designed to improve the convergence performance and the interference robustness especially when the received vector contains a large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The widely linear processing takes full advantage of the second-order statistics of the non-circular signals and enhances the estimation performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a great potential in the applications of other systems such as Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or in other areas such as beamforming

    Time reversal transmission approach for ultra wideband communications

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