For a Higher Capacity: The Combination of FTN and NOMA Technologies in SC and MIMO Scenarios

The development of the industrial Internet of Things (IoT) calls for higher spectrum efficiency (SE). Faster than Nyquist (FTN) and non-orthogonal multiple access (NOMA) are both promising paradigms to improve the SE without any extra spectrum resources required. The combination of FTN and NOMA is an interesting issue and has been focused on recently. In the NOMA technology, user pairing and power allocation are key algorithms determining system capacity. This paper first proposes a joint user pairing and power allocation algorithm for the FTN-based single-carrier (SC) NOMA system. Then, the FTN-based multiple-input-multiple-output (MIMO) NOMA is studied and a dynamic user pairing and power allocation scheme is presented. In both scenarios, the maximum available sum rate (ASR) is the target. While based on the fairness principle, the user's SE in the NOMA system is guaranteed to be no less than that in the OMA system. Simulation results show the advantage of the FTN-based NOMA with the proposed scheme in ASR and quality of service (QoS) performance. As far as we know, this paper is the first solution to the issue of user pairing and power allocation in FTN-based NOMA, which proves the great advantage of the combination of these two state-of-the-art technologies

Achievable Rate and Modulation for Bandlimited Channels with Oversampling and 1-Bit Quantization at the Receiver

Sustainably realizing applications of the future with high performance demands requires that energy efficiency becomes a central design criterion for the entire system. For example, the power consumption of the analog-to-digital converter (ADC) can become a major factor when transmitting at large bandwidths and carrier frequencies, e.g., for ultra-short range high data rate communication. The consumed energy per conversion step increases with the sampling rate such that high resolution ADCs become unfeasible in the sub-THz regime at the very high sampling rates required. This makes signaling schemes adapted to 1-bit quantizers a promising alternative. We therefore quantify the performance of bandlimited 1-bit quantized wireless communication channels using techniques like oversampling and faster-than-Nyquist (FTN) signaling to compensate for the loss of achievable rate. As a limiting case, we provide bounds on the mutual information rate of the hard bandlimited 1-bit quantized continuous-time – i.e., infinitely oversampled – additive white Gaussian noise channel in the mid-to-high signal-to-noise ratio (SNR) regime. We derive analytic expressions using runlength encoded input signals. For real signals the maximum value of the lower bound on the spectral efficiency in the high-SNR limit was found to be approximately 1.63 bit/s/Hz. Since in practical scenarios the oversampling ratio remains finite, we derive bounds on the achievable rate of the bandlimited oversampled discrete-time channel. These bounds match the results of the continuous-time channel remarkably well. We observe spectral efficiencies up to 1.53 bit/s/Hz in the high-SNR limit given hard bandlimitation. When excess bandwidth is tolerable, spectral efficiencies above 2 bit/s/Hz per domain are achievable w.r.t. the 95 %-power containment bandwidth. Applying the obtained bounds to a bandlimited oversampled 1-bit quantized multiple-input multiple-output channel, we show the benefits when using appropriate power allocation schemes. As a constant envelope modulation scheme, continuous phase modulation is considered in order to relieve linearity requirements on the power amplifier. Noise-free performance limits are investigated for phase shift keying (PSK) and continuous phase frequency shift keying (CPFSK) using higher-order modulation alphabets and intermediate frequencies. Adapted waveforms are designed that can be described as FTN-CPFSK. With the same spectral efficiency in the high-SNR limit as PSK and CPFSK, these waveforms provide a significantly improved bit error rate (BER) performance. The gain in SNR required for achieving a certain BER can be up to 20 dB.Die nachhaltige Realisierung von zukünftigen Übertragungssystemen mit hohen Leistungsanforderungen erfordert, dass die Energieeffizienz zu einem zentralen Designkriterium für das gesamte System wird. Zum Beispiel kann die Leistungsaufnahme des Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu einem wichtigen Faktor bei der Übertragung mit großen Bandbreiten und Trägerfrequenzen werden, z. B. für die Kommunikation mit hohen Datenraten über sehr kurze Entfernungen. Die verbrauchte Energie des ADCs steigt mit der Abtastrate, so dass hochauflösende ADCs im Sub-THz-Bereich bei den erforderlichen sehr hohen Abtastraten schwer einsetzbar sind. Dies macht Signalisierungsschemata, die an 1-Bit-Quantisierer angepasst sind, zu einer vielversprechenden Alternative. Wir quantifizieren daher die Leistungsfähigkeit von bandbegrenzten 1-Bit-quantisierten drahtlosen Kommunikationssystemen, wobei Techniken wie Oversampling und Faster-than-Nyquist (FTN) Signalisierung eingesetzt werden, um den durch Quantisierung verursachten Verlust der erreichbaren Rate auszugleichen. Wir geben Grenzen für die Transinformationsrate des Extremfalls eines strikt bandbegrenzten 1-Bit quantisierten zeitkontinuierlichen – d.h. unendlich überabgetasteten – Kanals mit additivem weißen Gauß’schen Rauschen bei mittlerem bis hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) an. Wir leiten analytische Ausdrücke basierend auf lauflängencodierten Eingangssignalen ab. Für reelle Signale ist der maximale Wert der unteren Grenze der spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich etwa 1,63 Bit/s/Hz. Da die Überabtastrate in praktischen Szenarien endlich bleibt, geben wir Grenzen für die erreichbare Rate eines bandbegrenzten, überabgetasteten zeitdiskreten Kanals an. Diese Grenzen stimmen mit den Ergebnissen des zeitkontinuierlichen Kanals bemerkenswert gut überein. Im Hoch-SNR-Bereich sind spektrale Effizienzen bis zu 1,53 Bit/s/Hz bei strikter Bandbegrenzung möglich. Wenn Energieanteile außerhalb des Frequenzbandes tolerierbar sind, können spektrale Effizienzen über 2 Bit/s/Hz pro Domäne – bezogen auf die Bandbreite, die 95 % der Energie enthält – erreichbar sein. Durch die Anwendung der erhaltenen Grenzen auf einen bandbegrenzten überabgetasteten 1-Bit quantisierten Multiple-Input Multiple-Output-Kanal zeigen wir Vorteile durch die Verwendung geeigneter Leistungsverteilungsschemata. Als Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve betrachten wir kontinuierliche Phasenmodulation, um die Anforderungen an die Linearität des Leistungsverstärkers zu verringern. Beschränkungen für die erreichbare Datenrate bei rauschfreier Übertragung auf Zwischenfrequenzen mit Modulationsalphabeten höherer Ordnung werden für Phase-shift keying (PSK) and Continuous-phase frequency-shift keying (CPFSK) untersucht. Weiterhin werden angepasste Signalformen entworfen, die als FTN-CPFSK beschrieben werden können. Mit der gleichen spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich wie PSK und CPFSK bieten diese Signalformen eine deutlich verbesserte Bitfehlerrate (BER). Die Verringerung des erforderlichen SNRs zur Erreichung einer bestimmten BER kann bis zu 20 dB betragen