Design of terahertz transceiver schemes for ultrahigh-speed wireless communications

Future ultra-high-speed wireless communication systems face difficult challenges due to the fundamental limitations of current technologies operating at microwave frequencies. Supporting high transmission rates will require the use of more spectral resources that are only available at higher frequencies. Within this context, terahertz (THz) communications have been attracting more and more attention, being considered by the research community as one of the most promising research fields on the topic due to the availability of extensive unused bandwidth segments. However, its widespread use is not yet possible due to some obstacles, such as the high propagation losses that occur in this band and the difficulty in designing devices that can effectively perform both transmission and detection tasks. The purpose of this dissertation is to contribute for the solution of both of the aforementioned problems and to propose novel THz transceiver schemes for ultra-high-speed wireless communications. Three main research areas were addressed: device modelling for the THz; index modulation (IM) based schemes for Beyond 5G (B5G) networks and hybrid precoding designs for THz ultra massive (UM) – multiple input multiple output (MIMO) systems. The main contributions of this work include the creation of a new design for a reconfigurable THz filter; the proposal of a precoded generalized spatial modulation scheme for downlink MIMO transmissions in B5G networks; the creation of a low-complexity hybrid design algorithm with a near fully-digital performance for multiuser (MU) mmWave/THz ultra massive MIMO systems that can incorporate different analog architectures; and the system-level assessment of cloud radio access network (C-RAN) deployments based on low-complexity hybrid precoding designs for massive MIMO downlink transmissions in B5G networks. The first contribution is especially suited for the implementation of reconfigurable THz filters and optical modulators, since it is based on a simple design, which transits from situations in which it presents a full transparency to situations where it achieves full opacity. Moreover, this approach can also be used for the implementation of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RIS) which are important for enabling flexible system designs in RIS-assisted networks. The second contribution showed that the implementation of precoding schemes based on generalised spatial modulations is a solution with a considerable potential for future B5G systems, since it can provide larger throughputs when compared to conventional MU-MIMO schemes with identical spectral efficiencies.The last two contributions showed that through the proposed hybrid design algorithm it becomes possible to replace a fully digital precoder/combiner by a fully-connected or even by a partially-connected architecture (array of subarrays and dynamic array of subarrays), while achieving good tradeoffs between spectral efficiency, power consumption and implementation complexity. These proposals are particularly relevant for the support of UM-MIMO in severely hardware constrained THz systems. Moreover, the capability of achieving significant improvements in terms of throughput performance and coverage over typical cellular networks, when considering hybrid precoding‐based C-RAN deployments in two indoor office scenarios at the THz band, was demonstrated.Os futuros sistemas de comunicação sem fios de velocidade ultra-elevada enfrentam desafios difíceis devido às limitações fundamentais das tecnologias atuais que funcionam a frequências de microondas. O suporte de taxas de transmissão altas exigirá a utilização de mais recursos espectrais que só estão disponíveis em frequências mais elevadas. A banda Terahertz (THz) é uma das soluções mais promissoras devido às suas enormes larguras de banda disponíveis no espectro eletromagnético. No entanto, a sua utilização generalizada ainda não é possível devido a alguns obstáculos, tais como as elevadas perdas de propagação que se verificam nesta banda e a dificuldade em conceber dispositivos que possam desempenhar eficazmente as tarefas de transmissão e deteção. O objetivo desta tese de doutoramento, é contribuir para ambos os problemas mencionados anteriormente e propor novos esquemas de transcetores THz para comunicações sem fios de velocidade ultra-elevada. Três grandes áreas de investigação foram endereçadas, contribuindo individualmente para um todo: a modelação do dispositivo para o THz; esquemas baseados em modulações de índice (IM) para redes pós-5G (B5G) e desenhos de pré-codificadores híbridos para sistemas THz MIMO ultra-massivos. As principais contribuições deste trabalho incluem a criação de um novo design para um filtro THz reconfigurável; a proposta de uma nova tipologia de modulação espacial generalizada pré-codificada para transmissões MIMO de ligação descendente para redes B5G; a criação de um algoritmo de design híbrido de baixa complexidade com desempenho quase totalmente digital para sistemas MIMO multi-utilizador (MU) mmWave/THz ultra massivos que podem incorporar diferentes arquiteturas analógicas e a avaliação das implementações da rede de acesso de rádio na nuvem (C-RAN) com base em designs de pré-codificação híbridos de baixa complexidade para transmissões MIMO de ligação descendente massivas em redes B5G. A primeira contribuição é especialmente adequada para a implementação de filtros THz reconfiguráveis e moduladores óticos, uma vez que se baseia numa concepção mais simples, que transita de situações em que apresenta uma transparência total para situações em que atinge uma opacidade total. Para além disso, esta abordagem também pode ser utilizada para a implementação de superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS) de transmissão e reflexão simultânea (STAR). A segunda contribuição mostrou que a implementação de esquemas de pré-codificação baseados em modulações espaciais generalizadas é uma solução com um potencial considerável para futuros sistemas B5G, uma vez que permite alcançar maiores ganhos em termos de débito binário quando comparado com esquemas convencionais MU-MIMO com eficiências espectrais idênticas. As duas últimas contribuições mostraram que através do algoritmo proposto torna-se possível substituir a utilização de uma arquitectura totalmente digital por uma arquitetura totalmente conectada ou mesmo por uma arquitetura parcialmente conectada (arrays de subarrays e arrays dinâmicos de subarrays), conseguindo-se bons tradeoffs entre eficiência espectral, consumo de energia e complexidade de implementação. Estas propostas são particularmente relevantes para dar suporte a sistemas THz UM-MIMO com restrições severas ao nível de hardware. Demonstrou-se também a capacidade de se alcançar melhorias significativas em termos de débito binário e cobertura em relação a redes celulares típicas, considerando dois cenários na banda THz

Resource allocation and feedback in wireless multiuser networks

This thesis focuses on the design of algorithms for resource allocation and feedback in wireless multiuser and heterogeneous networks. In particular, three key design challenges expected to have a major impact on future wireless networks are considered: cross-layer scheduling; structured quantization codebook design for MU-MIMO networks with limited feedback; and resource allocation to provide physical layer security. The first design challenge is cross-layer scheduling, where policies are proposed for two network architectures: user scheduling in single-cell multiuser networks aided by a relay; and base station (BS) scheduling in CoMP. These scheduling policies are then analyzed to guarantee satisfaction of three performance metrics: SEP; packet delay; and packet loss probability (PLP) due to buffer overflow. The concept of the τ-achievable PLP region is also introduced to explicitly describe the tradeoff in PLP between different users. The second design challenge is structured quantization codebook design in wireless networks with limited feedback, for both MU-MIMO and CoMP. In the MU-MIMO network, two codebook constructions are proposed, which are based on structured transformations of a base codebook. In the CoMP network, a low-complexity construction is proposed to solve the problem of variable codebook dimensions due to changes in the number of coordinated BSs. The proposed construction is shown to have comparable performance with the standard approach based on a random search, while only requiring linear instead of exponential complexity. The final design challenge is resource allocation for physical layer security in MU-MIMO. To guarantee physical layer security, the achievable secrecy sum-rate is explicitly derived for the regularized channel inversion (RCI) precoder. To improve performance, power allocation and precoder design are jointly optimized using a new algorithm based on convex optimization techniques

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