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

Narrowband Interference Suppression in Wireless OFDM Systems

Signal distortions in communication systems occur between the transmitter and the receiver; these distortions normally cause bit errors at the receiver. In addition interference by other signals may add to the deterioration in performance of the communication link. In order to achieve reliable communication, the effects of the communication channel distortion and interfering signals must be reduced using different techniques. The aim of this paper is to introduce the fundamentals of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), to review and examine the effects of interference in a digital data communication link and to explore methods for mitigating or compensating for these effects

Channel Estimation in Uplink of Long Term Evolution

Long Term Evolution is considered to be the fastest spreading communication standard in the world.To live up to the increasing demands of higher data rates day by day and higher multimedia services,the existing UMTS system was further upgraded to LTE.To meet their requirements novel technologies are employed in the downlink as well as uplink like Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) and Single Carrier- Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA).For the receiver to perform properly it should be able to recover athe transmittedadata accurately and this is done through channel estimation.Channel Estimation in LTE engages Coherent Detection where a prior knowledge of the channel is required,often known as Channel State Information (CSI).This thesis aims at studying the channel estimation methods used in LTE and evaluate their performance in various multipath models specified by ITU like Pedestrian and Vehicular.The most commonly used channel estimation algorithms are Least Squarea(LS) and Minimum MeanaSquare error (MMSE) algorithms.The performance of these estimators are evaluated in both uplink as well as Downlink in terms of the Bit Error Rate (BER).It was evaluated for OFDMA and then for SC-FDMA,further the performance was assessed in SC-FDMA at first without subcarrier Mapping and after that with subcarrier mapping schemes like Interleaved SC-FDMA (IFDMA) and Localized SC-FDMA (lFDMA).It was found from the results that the MMSE estimator performs better than the LS estimator in both the environments.And the IFDMA has a lower PAPR than LFDMA but LFDMA has a better BER performance

Sparsity Enhanced Decision Feedback Equalization

For single-carrier systems with frequency domain equalization, decision feedback equalization (DFE) performs better than linear equalization and has much lower computational complexity than sequence maximum likelihood detection. The main challenge in DFE is the feedback symbol selection rule. In this paper, we give a theoretical framework for a simple, sparsity based thresholding algorithm. We feed back multiple symbols in each iteration, so the algorithm converges fast and has a low computational cost. We show how the initial solution can be obtained via convex relaxation instead of linear equalization, and illustrate the impact that the choice of the initial solution has on the bit error rate performance of our algorithm. The algorithm is applicable in several existing wireless communication systems (SC-FDMA, MC-CDMA, MIMO-OFDM). Numerical results illustrate significant performance improvement in terms of bit error rate compared to the MMSE solution

Multiuser MIMO-OFDM Systems using Subcarrier Hopping

Recently space division multiple access (SDMA) assisted multiple-input–multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems invoking multiuser detection (MUD) techniques have attracted substantial research interest, which is capable of exploiting both transmitter multiplexing gain and receiver diversity gain. A new scheme referred to here as slowsubcarrierhopping (SSCH) assisted multiuser SDMA-OFDM, is proposed. It is shown that, with the aid of the so-called uniform SSCH (USSCH) pattern, the multiuser interference (MUI) experienced by the high-throughput SDMA-OFDM system can be effectively suppressed, resulting in a significant performance improvement. In the investigations conducted, the proposed USSCH-aided SDMA-OFDM system was capable of outperforming a range of SDMA-OFDM systems considered, including the conventional SDMA-OFDM system dispensing with the employment of frequency-hopping techniques. For example, at an Eb/N0 value of 12 dB, the proposed USSCH/SDMA-OFDM system reduced the bit error ratio (BER) by about three orders of magnitude, in comparison to the conventional SDMA-OFDM system, while maintaining a similar computational complexity

Link Adaptation for WiMAX Supported Mobile Hotspot

In recent years, mobile hotspots have been getting much attention of the researchers. They are implemented on moving platforms. Research interests in mobile hotspots are motivated by the demand of seamless mobility. The IEEE 802.16e or mobile WiMAX opens a new door of possibility of mobile broadband. It provides extended mobility support and larger cell coverage. In this thesis we propose a simple link adaptation (LA) algorithm for the mobile hotspots, which are supported by (mobile) WiMAX network. The role of link adaptation (LA) is very important because it controls the physical layer throughput. Therefore, all the higher layers are affected by LA. The main function of an LA algorithm is to select an appropriate burst profile. We consider downlink scenarios of WiMAX supported mobile hotspot. We formulate a discrete value optimization problem for LA, whose objective is throughput maximization. We choose forward error correction block rate (FBER) as constraint. The proposed LA algorithm comes as solution of the optimization problem. The proposed algorithm adapt with MAC layer performance. We develop a downlink channel estimation technique, propose an intra subchannel power allocation strategy, and propose an adaptive automatic repeat request (ARQ) mechanism as part of LA technique. We estimate SNR using channel estimation and intra subchannel power allocation. Then the estimated SNR is adjusted based on velocity of mobile hotspot. Adjusted SNR is used to select optimum burst profile. The performances of the proposed LA algorithm are evaluated through numerical results obtained from link level simulations. According to numerical results, the proposed LA algorithm is able to maintain a certain level quality of service (QoS)