Channel estimation in massive MIMO systems

Last years were characterized by a great demand for high data throughput, good quality and spectral efficiency in wireless communication systems. Consequently, a revolution in cellular networks has been set in motion towards to 5G. Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is one of the new concepts in 5G and the idea is to scale up the known MIMO systems in unprecedented proportions, by deploying hundreds of antennas at base stations. Although, perfect channel knowledge is crucial in these systems for user and data stream separation in order to cancel interference. The most common way to estimate the channel is based on pilots. However, problems such as interference and pilot contamination (PC) can arise due to the multiplicity of channels in the wireless link. Therefore, it is crucial to define techniques for channel estimation that together with pilot contamination mitigation allow best system performance and at same time low complexity. This work introduces a low-complexity channel estimation technique based on Zadoff-Chu training sequences. In addition, different approaches were studied towards pilot contamination mitigation and low complexity schemes, with resort to iterative channel estimation methods, semi-blind subspace tracking techniques and matrix inversion substitutes. System performance simulations were performed for the several proposed techniques in order to identify the best tradeoff between complexity, spectral efficiency and system performance

Resource Allocation in Wireless Networks with RF Energy Harvesting and Transfer

Radio frequency (RF) energy harvesting and transfer techniques have recently become alternative methods to power the next generation of wireless networks. As this emerging technology enables proactive replenishment of wireless devices, it is advantageous in supporting applications with quality-of-service (QoS) requirement. This article focuses on the resource allocation issues in wireless networks with RF energy harvesting capability, referred to as RF energy harvesting networks (RF-EHNs). First, we present an overview of the RF-EHNs, followed by a review of a variety of issues regarding resource allocation. Then, we present a case study of designing in the receiver operation policy, which is of paramount importance in the RF-EHNs. We focus on QoS support and service differentiation, which have not been addressed by previous literatures. Furthermore, we outline some open research directions.Comment: To appear in IEEE Networ

Contention techniques for opportunistic communication in wireless mesh networks

Auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation und insbesondere auf den tieferen Netzwerkschichten sind gewaltige Fortschritte zu verzeichnen. Innovative Konzepte und Technologien auf der physikalischen Schicht (PHY) gehen dabei zeitnah in zelluläre Netze ein. Drahtlose Maschennetzwerke (WMNs) können mit diesem Innovationstempo nicht mithalten. Die Mehrnutzer-Kommunikation ist ein Grundpfeiler vieler angewandter PHY Technologien, die sich in WMNs nur ungenügend auf die etablierte Schichtenarchitektur abbilden lässt. Insbesondere ist das Problem des Scheduling in WMNs inhärent komplex. Erstaunlicherweise ist der Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung (CSMA) in WMNs asymptotisch optimal obwohl das Verfahren eine geringe Durchführungskomplexität aufweist. Daher stellt sich die Frage, in welcher Weise das dem CSMA zugrunde liegende Konzept des konkurrierenden Wettbewerbs (engl. Contention) für die Integration innovativer PHY Technologien verwendet werden kann. Opportunistische Kommunikation ist eine Technik, die die inhärenten Besonderheiten des drahtlosen Kanals ausnutzt. In der vorliegenden Dissertation werden CSMA-basierte Protokolle für die opportunistische Kommunikation in WMNs entwickelt und evaluiert. Es werden dabei opportunistisches Routing (OR) im zustandslosen Kanal und opportunistisches Scheduling (OS) im zustandsbehafteten Kanal betrachtet. Ziel ist es, den Durchsatz von elastischen Paketflüssen gerecht zu maximieren. Es werden Modelle für Überlastkontrolle, Routing und konkurrenzbasierte opportunistische Kommunikation vorgestellt. Am Beispiel von IEEE 802.11 wird illustriert, wie der schichtübergreifende Entwurf in einem Netzwerksimulator prototypisch implementiert werden kann. Auf Grundlage der Evaluationsresultate kann der Schluss gezogen werden, dass die opportunistische Kommunikation konkurrenzbasiert realisierbar ist. Darüber hinaus steigern die vorgestellten Protokolle den Durchsatz im Vergleich zu etablierten Lösungen wie etwa DCF, DSR, ExOR, RBAR und ETT.In the field of wireless communication, a tremendous progress can be observed especially at the lower layers. Innovative physical layer (PHY) concepts and technologies can be rapidly assimilated in cellular networks. Wireless mesh networks (WMNs), on the other hand, cannot keep up with the speed of innovation at the PHY due to their flat and decentralized architecture. Many innovative PHY technologies rely on multi-user communication, so that the established abstraction of the network stack does not work well for WMNs. The scheduling problem in WMNs is inherent complex. Surprisingly, carrier sense multiple access (CSMA) in WMNs is asymptotically utility-optimal even though it has a low computational complexity and does not involve message exchange. Hence, the question arises whether CSMA and the underlying concept of contention allows for the assimilation of advanced PHY technologies into WMNs. In this thesis, we design and evaluate contention protocols based on CSMA for opportunistic communication in WMNs. Opportunistic communication is a technique that relies on multi-user diversity in order to exploit the inherent characteristics of the wireless channel. In particular, we consider opportunistic routing (OR) and opportunistic scheduling (OS) in memoryless and slow fading channels, respectively. We present models for congestion control, routing and contention-based opportunistic communication in WMNs in order to maximize both throughput and fairness of elastic unicast traffic flows. At the instance of IEEE 802.11, we illustrate how the cross-layer algorithms can be implemented within a network simulator prototype. Our evaluation results lead to the conclusion that contention-based opportunistic communication is feasible. Furthermore, the proposed protocols increase both throughput and fairness in comparison to state-of-the-art approaches like DCF, DSR, ExOR, RBAR and ETT

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

Towards Massive Machine Type Communications in Ultra-Dense Cellular IoT Networks: Current Issues and Machine Learning-Assisted Solutions

The ever-increasing number of resource-constrained Machine-Type Communication (MTC) devices is leading to the critical challenge of fulfilling diverse communication requirements in dynamic and ultra-dense wireless environments. Among different application scenarios that the upcoming 5G and beyond cellular networks are expected to support, such as eMBB, mMTC and URLLC, mMTC brings the unique technical challenge of supporting a huge number of MTC devices, which is the main focus of this paper. The related challenges include QoS provisioning, handling highly dynamic and sporadic MTC traffic, huge signalling overhead and Radio Access Network (RAN) congestion. In this regard, this paper aims to identify and analyze the involved technical issues, to review recent advances, to highlight potential solutions and to propose new research directions. First, starting with an overview of mMTC features and QoS provisioning issues, we present the key enablers for mMTC in cellular networks. Along with the highlights on the inefficiency of the legacy Random Access (RA) procedure in the mMTC scenario, we then present the key features and channel access mechanisms in the emerging cellular IoT standards, namely, LTE-M and NB-IoT. Subsequently, we present a framework for the performance analysis of transmission scheduling with the QoS support along with the issues involved in short data packet transmission. Next, we provide a detailed overview of the existing and emerging solutions towards addressing RAN congestion problem, and then identify potential advantages, challenges and use cases for the applications of emerging Machine Learning (ML) techniques in ultra-dense cellular networks. Out of several ML techniques, we focus on the application of low-complexity Q-learning approach in the mMTC scenarios. Finally, we discuss some open research challenges and promising future research directions.Comment: 37 pages, 8 figures, 7 tables, submitted for a possible future publication in IEEE Communications Surveys and Tutorial

Efficient Channel Modeling Methods for Mobile Communication Systems

Siirretty Doriast