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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
Quantifying Potential Energy Efficiency Gain in Green Cellular Wireless Networks
Conventional cellular wireless networks were designed with the purpose of
providing high throughput for the user and high capacity for the service
provider, without any provisions of energy efficiency. As a result, these
networks have an enormous Carbon footprint. In this paper, we describe the
sources of the inefficiencies in such networks. First we present results of the
studies on how much Carbon footprint such networks generate. We also discuss
how much more mobile traffic is expected to increase so that this Carbon
footprint will even increase tremendously more. We then discuss specific
sources of inefficiency and potential sources of improvement at the physical
layer as well as at higher layers of the communication protocol hierarchy. In
particular, considering that most of the energy inefficiency in cellular
wireless networks is at the base stations, we discuss multi-tier networks and
point to the potential of exploiting mobility patterns in order to use base
station energy judiciously. We then investigate potential methods to reduce
this inefficiency and quantify their individual contributions. By a
consideration of the combination of all potential gains, we conclude that an
improvement in energy consumption in cellular wireless networks by two orders
of magnitude, or even more, is possible.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1210.843
Massive MIMO is a Reality -- What is Next? Five Promising Research Directions for Antenna Arrays
Massive MIMO (multiple-input multiple-output) is no longer a "wild" or
"promising" concept for future cellular networks - in 2018 it became a reality.
Base stations (BSs) with 64 fully digital transceiver chains were commercially
deployed in several countries, the key ingredients of Massive MIMO have made it
into the 5G standard, the signal processing methods required to achieve
unprecedented spectral efficiency have been developed, and the limitation due
to pilot contamination has been resolved. Even the development of fully digital
Massive MIMO arrays for mmWave frequencies - once viewed prohibitively
complicated and costly - is well underway. In a few years, Massive MIMO with
fully digital transceivers will be a mainstream feature at both sub-6 GHz and
mmWave frequencies. In this paper, we explain how the first chapter of the
Massive MIMO research saga has come to an end, while the story has just begun.
The coming wide-scale deployment of BSs with massive antenna arrays opens the
door to a brand new world where spatial processing capabilities are
omnipresent. In addition to mobile broadband services, the antennas can be used
for other communication applications, such as low-power machine-type or
ultra-reliable communications, as well as non-communication applications such
as radar, sensing and positioning. We outline five new Massive MIMO related
research directions: Extremely large aperture arrays, Holographic Massive MIMO,
Six-dimensional positioning, Large-scale MIMO radar, and Intelligent Massive
MIMO.Comment: 20 pages, 9 figures, submitted to Digital Signal Processin
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
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