Towards 5th Generation Cellular Mobile Networks

Cellular mobile networks have enabled ubiquitous communications and largely changed the way we live and work. At the same time, the network itself has been undergoing significant changes in the process of meeting our ever increasing demands on data rate and quality of service. In this article, we show the path of the evolution in both standards and techniques, and provide our vision for the future of the cellular networks. We review the evolution of international standards for cellular mobile networks in the last two decades, describe how the network layout has been migrating from rigid cellular architecture to random and dense small cells, and provide an indepth discussion on potential enabling techniques for the next generation (5G) cellular networks, particularly massive MIMO and multiband base-station antennas

Full-duplex wireless communications: challenges, solutions and future research directions

The family of conventional half-duplex (HD) wireless systems relied on transmitting and receiving in different time-slots or frequency sub-bands. Hence the wireless research community aspires to conceive full-duplex (FD) operation for supporting concurrent transmission and reception in a single time/frequency channel, which would improve the attainable spectral efficiency by a factor of two. The main challenge encountered in implementing an FD wireless device is the large power difference between the self-interference (SI) imposed by the device’s own transmissions and the signal of interest received from a remote source. In this survey, we present a comprehensive list of the potential FD techniques and highlight their pros and cons. We classify the SI cancellation techniques into three categories, namely passive suppression, analog cancellation and digital cancellation, with the advantages and disadvantages of each technique compared. Specifically, we analyse the main impairments (e.g. phase noise, power amplifier nonlinearity as well as in-phase and quadrature-phase (I/Q) imbalance, etc.) that degrading the SI cancellation. We then discuss the FD based Media Access Control (MAC)-layer protocol design for the sake of addressing some of the critical issues, such as the problem of hidden terminals, the resultant end-to-end delay and the high packet loss ratio (PLR) due to network congestion. After elaborating on a variety of physical/MAC-layer techniques, we discuss potential solutions conceived for meeting the challenges imposed by the aforementioned techniques. Furthermore, we also discuss a range of critical issues related to the implementation, performance enhancement and optimization of FD systems, including important topics such as hybrid FD/HD scheme, optimal relay selection and optimal power allocation, etc. Finally, a variety of new directions and open problems associated with FD technology are pointed out. Our hope is that this treatise will stimulate future research efforts in the emerging field of FD communication

A survey on hybrid beamforming techniques in 5G : architecture and system model perspectives

The increasing wireless data traffic demands have driven the need to explore suitable spectrum regions for meeting the projected requirements. In the light of this, millimeter wave (mmWave) communication has received considerable attention from the research community. Typically, in fifth generation (5G) wireless networks, mmWave massive multiple-input multiple-output (MIMO) communications is realized by the hybrid transceivers which combine high dimensional analog phase shifters and power amplifiers with lower-dimensional digital signal processing units. This hybrid beamforming design reduces the cost and power consumption which is aligned with an energy-efficient design vision of 5G. In this paper, we track the progress in hybrid beamforming for massive MIMO communications in the context of system models of the hybrid transceivers' structures, the digital and analog beamforming matrices with the possible antenna configuration scenarios and the hybrid beamforming in heterogeneous wireless networks. We extend the scope of the discussion by including resource management issues in hybrid beamforming. We explore the suitability of hybrid beamforming methods, both, existing and proposed till first quarter of 2017, and identify the exciting future challenges in this domain

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

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Joint precoding and antenna selection in massive mimo systems

This thesis presents an overview of massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems and proposes new algorithms to jointly precode and select the antennas. Massive MIMO is a new technology, which is candidate for comprising the fifth-generation (5G) of mobile cellular systems. This technology employs a huge amount of antennas at the base station and can reach high data rates under favorable, or asymptotically favorable, propagation conditions, while using simple linear processing. However, massive MIMO systems have some drawbacks, such as the high cost related to the base stations. A way to deal with this issue is to employ antenna selection algorithms at the base stations. These algorithms reduce the number of active antennas, decreasing the deployment and maintenance costs related to the base stations. Moreover, this thesis also describes a class of nonlinear precoders that are rarely addressed in the literature; these techniques are able to generate precoded sparse signals in order to achieve joint precoding and antenna selection. This thesis proposes two precoders belonging to this class, where the number of selected antennas is controlled by a design parameter. Simulation results show that the proposed precoders reach a lower bit-error rate than the classical antenna selection algorithms. Furthermore, simulation results show that the proposed precoders present a linear relation between the aforementioned design parameter that controls the signals’ sparsity and the number of selected antennas. Such relation is invariant to the number of base station’s antennas and the number of terminals served by this base station.Esta dissertação apresenta uma visão geral sobre MIMO (do termo em inglês, multiple-input multiple-output) massivo e propõe novos algoritmos que permitem a pré-codificacão de sinais e a seleção de antenas de forma simultânea. MIMO massivo é uma nova tecnologia candidata para compor a quinta geração (5G) dos sistemas celulares. Essa tecnologia utiliza uma quantidade muito grande de antenas na estação-base e, sob condições de propagação favorável ou assintoticamente favorável, pode alcançar taxas de transmissão elevadas, ainda que utilizando um simples processamento linear. Entretanto, os sistemas MIMO massivo apresentam algumas desvantagens, como por exemplo, o alto custo de implementação das estações-bases. Uma maneira de lidar com esse problema é utilizar algoritmos de seleção de antenas na estação-base. Com esses algoritmos é possível reduzir o número de antenas ativas e consequentemente reduzir o custo nas estações-bases. Essa dissertação também apresenta uma classe pouco estudada de pré-codificadores não-lineares que buscam sinais pré-codificados esparsos para realizar a seleção de antenas conjuntamente com a pré-codificação. Além disso, este trabalho propõem dois novos pré-codificadores pertencentes a essa classe, para os quais o número de antenas selecionadas é controlado por um parâmetro de projeto. Resultados de simulações mostram que os pré-codificadores propostos conseguem uma BER (do termo em inglês, bit-error rate) menor que os algoritmos clássicos usados para selecionar antenas. Além disso, resultados de simulações mostram que os pré-codificadores propostos apresentam uma relação linear com o parâmetro de projeto que controla a quantidade de antenas selecionadas; tal relação independe do número de antenas na estação-base e do número de terminais servidos por essa estação

Técnicas de quantização para sistemas de comunicação híbridos na banda de ondas milimétricas com um número elevado de antenas

Since the appearance of mobile communications, the users of this technology have been growing exponentially every day. The escalating mobile traffic growth it has been imposed by the proliferation of smartphones and tablets. The increasing and more intensive use of wireless communications may lead to a future breaking point, where the traditional systems will fail to support the required capability, spectral and energy efficiency. On the other hand, to cover all this current need to have more and more data it is necessary to provide a new range of data rates around the gigabits per second. Today, almost all mobile communications systems use spectrum in the range of 300MHz – 3GHz. It is needed to start looking to the range of 3GHz – 300GHz spectrum for mobile broadband applications. Millimeter waves are one way to alleviate the spectrum gridlock at lower frequencies. MIMO based systems has been researched for the last 20 years and are now part of the current standards. However, to achieve more gains, a grander view of the MIMO concept envisions the use of a large scale of antennas at each base stations, a concept referred as massive MIMO. The symbiotic combination of these technologies and other ones will lead to the development of a new generation system known as the 5G. The knowledge of the channel state information at the transmitter is very important in real massive MIMO millimeter wave systems. In this dissertation a limited feedback strategy for a hybrid massive MIMO OFDM system is proposed, where only a part of the parameters associated to the link channel are quantized and fed back. The limited feedback strategy employs a uniform-based quantization for channel amplitudes, angle of departure and angle of arrival in time domain. After being fed back, this information is used to reconstruct the overall channel in frequency domain and the transmit antenna array, which are then used to compute the hybrid analog-digital precoders. Numerical results show that the proposed quantization strategy achieve a performance close to the one obtained with perfect full channel, with a low overhead and complexityDesde o aparecimento das comunicações móveis, os utilizadores desta tecnologia têm vindo a crescer exponencialmente todos os dias. A escalada do crescimento do tráfego móvel foi imposta, principalmente, pela proliferação de smartphones e tablets. O uso crescente e intensivo das comunicações sem fios pode levar no futuro a um ponto de rutura, onde os sistemas tradicionais não suportam a capacidade requerida, a eficiência espectral e eficiência enérgica. Por outro lado, para cobrir toda esta necessidade atual de ter mais e mais dados, é necessário fornecer taxas de transmissão mais elevadas, em torno dos gigabits por segundo. Hoje, quase todos os sistemas de comunicações móveis usam espectro na faixa de 300 MHz - 3GHz. É necessário começar a procurar a gama de espectro 3GHz - 300 GHz para aplicações de banda larga móvel. Aqui vamos apresentar as ondas milimétricas, sendo esta uma maneira de aliviar espectro em frequências mais baixas. Os sistemas baseados em MIMO foram alvo de pesquisa nos últimos 20 anos e agora fazem parte dos padrões atuais. No entanto, para obter mais ganhos, uma visão mais ampla do conceito MIMO prevê o uso de uma grande quantidade de antenas em cada estação base, um conceito referido como massive MIMO. A combinação simbiótica destas tecnologias levará ao desenvolvimento de um novo sistema de geração denominado 5G. O desenvolvimento de técnicas de conhecimento da informação do canal no transmissor é muito importante em sistemas massive MIMO millimeter wave reais. Nesta dissertação é proposta e avaliada uma estratégia de envio de informação de canal para o transmissor para sistemas massive MIMO OFDM híbrido, onde apenas uma parte dos parâmetros associados ao canal são quantificados e transmitidos para o transmissor. A estratégia de feedback proposta é baseada numa quantização uniforme das amplitudes de canal, ângulos de partida e de chegada, no domínio do tempo. Depois de serem enviadas, essas informações são usadas para reconstruir o canal geral no domínio da frequência e a matriz da antena de transmissão, que são então usadas para obter os precoders híbridos analógico-digitais. Os resultados numéricos mostram que a estratégia de quantificação proposta atinge um desempenho próximo ao obtido caso se conhecesse o canal perfeito no transmissor, com um baixo overhead e complexidadeMestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe