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Wireless Information and Energy Transfer for Two-Hop Non-Regenerative MIMO-OFDM Relay Networks
This paper investigates the simultaneous wireless information and energy
transfer for the non-regenerative multipleinput multiple-output orthogonal
frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) relaying system. By considering two
practical receiver architectures, we present two protocols, time switchingbased
relaying (TSR) and power splitting-based relaying (PSR). To explore the system
performance limit, we formulate two optimization problems to maximize the
end-to-end achievable information rate with the full channel state information
(CSI) assumption. Since both problems are non-convex and have no known solution
method, we firstly derive some explicit results by theoretical analysis and
then design effective algorithms for them. Numerical results show that the
performances of both protocols are greatly affected by the relay position.
Specifically, PSR and TSR show very different behaviors to the variation of
relay position. The achievable information rate of PSR monotonically decreases
when the relay moves from the source towards the destination, but for TSR, the
performance is relatively worse when the relay is placed in the middle of the
source and the destination. This is the first time to observe such a
phenomenon. In addition, it is also shown that PSR always outperforms TSR in
such a MIMO-OFDM relaying system. Moreover, the effect of the number of
antennas and the number of subcarriers are also discussed.Comment: 16 pages, 12 figures, to appear in IEEE Selected Areas in
Communication
A Survey of Physical Layer Security Techniques for 5G Wireless Networks and Challenges Ahead
Physical layer security which safeguards data confidentiality based on the
information-theoretic approaches has received significant research interest
recently. The key idea behind physical layer security is to utilize the
intrinsic randomness of the transmission channel to guarantee the security in
physical layer. The evolution towards 5G wireless communications poses new
challenges for physical layer security research. This paper provides a latest
survey of the physical layer security research on various promising 5G
technologies, including physical layer security coding, massive multiple-input
multiple-output, millimeter wave communications, heterogeneous networks,
non-orthogonal multiple access, full duplex technology, etc. Technical
challenges which remain unresolved at the time of writing are summarized and
the future trends of physical layer security in 5G and beyond are discussed.Comment: To appear in IEEE Journal on Selected Areas in Communication
A Tutorial on Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond
Today's wireless networks allocate radio resources to users based on the
orthogonal multiple access (OMA) principle. However, as the number of users
increases, OMA based approaches may not meet the stringent emerging
requirements including very high spectral efficiency, very low latency, and
massive device connectivity. Nonorthogonal multiple access (NOMA) principle
emerges as a solution to improve the spectral efficiency while allowing some
degree of multiple access interference at receivers. In this tutorial style
paper, we target providing a unified model for NOMA, including uplink and
downlink transmissions, along with the extensions tomultiple inputmultiple
output and cooperative communication scenarios. Through numerical examples, we
compare the performances of OMA and NOMA networks. Implementation aspects and
open issues are also detailed.Comment: 25 pages, 10 figure
Hybrid Processing Design for Multipair Massive MIMO Relaying with Channel Spatial Correlation
Massive multiple-input multiple-output (MIMO) avails of simple transceiver
design which can tackle many drawbacks of relay systems in terms of complicated
signal processing, latency, and noise amplification. However, the cost and
circuit complexity of having one radio frequency (RF) chain dedicated to each
antenna element are prohibitive in practice. In this paper, we address this
critical issue in amplify-and-forward (AF) relay systems using a hybrid analog
and digital (A/D) transceiver structure. More specifically, leveraging the
channel long-term properties, we design the analog beamformer which aims to
minimize the channel estimation error and remain invariant over a long
timescale. Then, the beamforming is completed by simple digital signal
processing, i.e., maximum ratio combining/maximum ratio transmission (MRC/MRT)
or zero-forcing (ZF) in the baseband domain. We present analytical bounds on
the achievable spectral efficiency taking into account the spatial correlation
and imperfect channel state information at the relay station. Our analytical
results reveal that the hybrid A/D structure with ZF digital processor exploits
spatial correlation and offers a higher spectral efficiency compared to the
hybrid A/D structure with MRC/MRT scheme. Our numerical results showcase that
the hybrid A/D beamforming design captures nearly 95% of the spectral
efficiency of a fully digital AF relaying topology even by removing half of the
RF chains. It is also shown that the hybrid A/D structure is robust to coarse
quantization, and even with 2-bit resolution, the system can achieve more than
93% of the spectral efficiency offered by the same hybrid A/D topology with
infinite resolution phase shifters.Comment: 17 pages, 13 figures, to appear in IEEE Transactions on
Communication
Advanced Signal Processing Techniques for Two-Way Relaying Networks and Full-Duplex Communication Systems
Sehr hohe Datenraten und ständig verfügbare Netzabdeckung in
zukünftigen drahtlosen Netzwerken erfordern neue Algorithmen auf der
physischen Schicht. Die Nutzung von Relais stellt ein vielversprechendes
Verfahren dar, da die Netzabdeckung gesteigert werden kann. Zusätzlich
steht hierdurch im Vergleich zu Kupfer- oder Glasfaserleitungen eine
preiswerte Lösung zur Anbindung an die Netzinfrastruktur zur Verfügung.
Traditionelle Einwege-Relais-Techniken (One-Way Relaying [OWR]) nutzen
Halbduplex-Verfahren (HD-Verfahren), welche das Übertragungssystem
ausbremst und zu spektralen Verlusten führt. Einerseits erlauben es
Zweiwege-Relais-Techniken (Two-Way Relaying [TWR]), simultan sowohl an das
Relais zu senden als auch von diesem zu empfangen, wodurch im Vergleich zu
OWR das Spektrum effizienter genutzt wird. Aus diesem Grunde untersuchen
wir Zweiwege-Relais und im Speziellen TWR-Systeme für den
Mehrpaar-/Mehrnutzer-Betrieb unter Nutzung von Amplify-and-forward-Relais
(AF-Relais). Derartige Szenarien leiden unter Interferenzen zwischen Paaren
bzw. zwischen Nutzern. Um diesen Interferenzen Herr zu werden, werden
hochentwickelte Signalverarbeitungsalgorithmen – oder in anderen Worten
räumliche Mehrfachzugriffsverfahren (Spatial Division Multiple Access
[SDMA]) – benötigt. Andererseits kann der spektrale Verlust durch den
HD-Betrieb auch kompensiert werden, wenn das Relais im Vollduplexbetrieb
arbeitet. Nichtsdestotrotz ist ein FD-Gerät in der Praxis aufgrund starker
interner Selbstinterferenz (SI) und begrenztem Dynamikumfang des
Tranceivers schwer zu realisieren. Aus diesem Grunde sollten
fortschrittliche Verfahren zur SI-Ünterdrückung entwickelt werden. Diese
Dissertation trägt diesen beiden Zielen Rechnung, indem optimale und/oder
effiziente algebraische Lösungen entwickelt werden, welche verschiedenen
Nutzenfunktionen, wie Summenrate und minimale Sendeleistung, maximieren.Im
ersten Teil studieren wir zunächst Mehrpaar-TWR-Netzwerke mit einem
einzelnen Mehrantennen-AF-Relais. Dieser Anwendungsfall kann auch so
betrachtet werden, dass sich mehrere verschiedene Dienstoperatoren Relais
und Spektrum teilen, wobei verschiedene Nutzerpaare zu verschiedenen
Dienstoperatoren gehören. Aktuelle Ansätzen zielen auf
Interferenzunterdrückung ab. Wir schlagen ein auf Projektion basiertes
Verfahren zur Trennung mehrerer Dienstoperatoren (projection based
separation of multiple operators [ProBaSeMO]) vor. ProBaSeMO ist leicht
anpassbar für den Fall, dass jeder Nutzer mehrere Antennen besitzt oder
unterschiedliche Systemdesignkriterien angewendet werden müssen. Als
Bewertungsmaßstab für ProBaSeMO entwickeln wir optimale Algorithmen zur
Maximierung der Summenrate, zur Minimierung der Sendeleistung am Relais
oder zur Maximierung des minimalen
Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-Verhältnisses (Signal to Interference and
Noise Ratio [SINR]) am Nutzer. Zur Maximierung der Summenrate wurden
spezifische gradientenbasierte Methoden entwickelt, die unabhängig davon
sind, ob ein Nutzer mit einer oder mehr Antennen ausgestattet ist. Um im
Falle eines „Worst-Case“ immer noch eine polynomielle Laufzeit zu
garantieren, entwickelten wir einen Algorithmus mit polynomieller Laufzeit.
Dieser ist inspiriert von der „Polynomial Time Difference of Convex
Functions“-Methode (POTDC-Methode). Bezüglich der Summenrate des Systems
untersuchen wir zuletzt, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, um einen
Gewinn durch gemeinsames Nutzen zu erhalten. Hiernach untersuchen wir die
Maximierung der Summenrate eines Mehrpaar-TWR-Netzwerkes mit mehreren
Einantennen-AF-Relais und Einantennen-Nutzern. Das daraus resultierende
Problem der Summenraten-Maximierung, gebunden an eine bestimmte
Gesamtsendeleistung aller Relais im Netzwerk, ist ähnlich dem des
vorangegangenen Szenarios. Dementsprechend kann eine optimale Lösung für
das eine Szenario auch für das jeweils andere Szenario genutzt werden.
Weiterhin werden basierend auf dem Polynomialzeitalgorithmus global
optimale Lösungen entwickelt. Diese Lösungen sind entweder an eine
maximale Gesamtsendeleistung aller Relais oder an eine maximale
Sendeleistung jedes einzelnen Relais gebunden. Zusätzlich entwickeln wir
suboptimale Lösungen, die effizient in ihrer Laufzeit sind und eine
Approximation der optimalen Lösung darstellen. Hiernach verlegen wir unser
Augenmerk auf ein Mehrpaar-TWR-Netzwerk mit mehreren Mehrantennen-AF-Relais
und mehreren Repeatern. Solch ein Szenario ist allgemeiner, da die
vorherigen beiden Szenarien als spezielle Realisierungen dieses Szenarios
aufgefasst werden können. Das Interferenz-Management in diesem Szenario
ist herausfordernder aufgrund der vorhandenen Repeater.
Interferenzneutralisierung (IN) stellt eine Lösung dar, um diese Art
Interferenz zu handhaben. Im Zuge dessen werden notwendige und ausreichende
Bedingungen zur Aufhebung der Interferenz hergeleitet. Weiterhin wird ein
Framework entwickelt, dass verschiedene Systemnutzenfunktionen optimiert,
wobei IN im jeweiligen Netzwerk vorhanden sein kann oder auch nicht. Dies
ist unabhängig davon, ob die Relais einer maximalen Gesamtsendeleistung
oder einer individuellen maximalen Sendeleistung unterliegen. Letztendlich
entwickeln wir ein Übertragungsverfahren sowie ein Vorkodier- und
Dekodierverfahren für Basisstationen (BS) in einem TWR-assistierten
Mehrbenutzer-MIMO-Downlink-Kanal. Im Vergleich mit dem
Mehrpaar-TWR-Netzwerk leidet dieses Szenario unter Interferenzen zwischen
den Kanälen. Wir entwickeln drei suboptimale Algorithmen, welche auf
Kanalinversion basieren. ProBaSeMO und „Zero-Forcing Dirty Paper
Coding“ (ZFDPC), welche eine geringe Zeitkomplexität aufweisen, schaffen
eine Balance zwischen Leistungsfähigkeit und Komplexität. Zusätzlich
gibt es jeweils nur geringe Einbrüche in stark beanspruchten
Kommunikationssystemen.Im zweiten Teil untersuchen wir Techniken zur
SI-Unterdrückung, um den FD-Gewinn in einem Punkt-zu-Punkt-System
auszunutzen. Zunächst entwickeln wir ein Übertragungsverfahren, dass auf
SI Rücksicht nimmt und die SI-Unterdrückung gegen den Multiplexgewinn
abwägt. Die besten Ergebnisse werden durch die perfekte Kenntnis des
Kanals erzielt, was praktisch nicht genau der Fall ist. Aus diesem Grund
werden Übertragungstechniken für den „Worst Case“ entwickelt, die den
Kanalschätzfehlern Rechnung tragen. Diese Fehler werden deterministisch
modelliert und durch Ellipsoide beschränkt. In praktischen Szenarien ist
der HF-Schaltkreise nicht perfekt. Dies hat Einfluss auf die Verfahren zur
SI-Unterdrückung und führt zu einer Restselbstinterferenz. Wir entwickeln
effiziente Übertragungstechniken mittels Beamforming, welche auf dem
Signal-zu-Verlust-und-Rausch-Verhältnis (signal to leakage plus noise
ratio [SLNR]) aufbauen, um Unvollkommenheiten der HF-Schaltkreise
auszugleichen. Zusätzlich können alle Designkonzepte auf FD-OWR-Systeme
erweitert werden.To enable ultra-high data rate and ubiquitous coverage in future wireless
networks, new physical layer techniques are desired. Relaying is a
promising technique for future wireless networks since it can boost the
coverage and can provide low cost wireless backhauling solutions, as
compared to traditional wired backhauling solutions via fiber and copper.
Traditional one-way relaying (OWR) techniques suffer from the spectral loss
due to the half-duplex (HD) operation at the relay. On one hand, two-way
relaying (TWR) allows the communication partners to transmit to and/or
receive from the relay simultaneously and thus uses the spectrum more
efficiently than OWR. Therefore, we study two-way relays and more
specifically multi-pair/multi-user TWR systems with amplify-and-forward
(AF) relays. These scenarios suffer from inter-pair or inter-user
interference. To deal with the interference, advanced signal processing
algorithms, in other words, spatial division multiple access (SDMA)
techniques, are desired. On the other hand, if the relay is a full-duplex
(FD) relay, the spectral loss due to a HD operation can also be
compensated. However, in practice, a FD device is hard to realize due to
the strong loop-back self-interference and the limited dynamic range at the
transceiver. Thus, advanced self-interference suppression techniques should
be developed. This thesis contributes to the two goals by developing
optimal and/or efficient algebraic solutions for different scenarios
subject to different utility functions of the system, e.g., sum rate
maximization and transmit power minimization. In the first part of this
thesis, we first study a multi-pair TWR network with a multi-antenna AF
relay. This scenario can be also treated as the sharing of the relay and
the spectrum among multiple operators assuming that different pairs of
users belong to different operators. Existing approaches focus on
interference suppression. We propose a projection based separation of
multiple operators (ProBaSeMO) scheme, which can be easily extended when
each user has multiple antennas or when different system design criteria
are applied. To benchmark the ProBaSeMO scheme, we develop optimal relay
transmit strategies to maximize the system sum rate, minimize the required
transmit power at the relay, or maximize the minimum signal to interference
plus noise ratio (SINR) of the users. Specifically for the sum rate
maximization problem, gradient based methods are developed regardless
whether each user has a single antenna or multiple antennas. To guarantee a
worst-case polynomial time solution, we also develop a polynomial time
algorithm which has been inspired by the polynomial time difference of
convex functions (POTDC) method. Finally, we analyze the conditions for
obtaining the sharing gain in terms of the sum rate. Then we study the sum
rate maximization problem of a multi-pair TWR network with multiple single
antenna AF relays and single antenna users. The resulting sum rate
maximization problem, subject to a total transmit power constraint of the
relays in the network, yields a similar problem structure as in the
previous scenario. Therefore the optimal solution for one scenario can be
used for the other. Moreover, a global optimal solution, which is based on
the polyblock approach, and several suboptimal solutions, which are more
computationally efficient and approximate the optimal solution, are
developed when there is a total transmit power constraint of the relays in
the network or each relay has its own transmit power constraint. We then
shift our focus to a multi-pair TWR network with multiple multi-antenna AF
relays and multiple dumb repeaters. This scenario is more general because
the previous two scenarios can be seen as special realizations of this
scenario. The interference management in this scenario is more challenging
due to the existence of the repeaters. Interference neutralization (IN) is
a solution for dealing with this kind of interference. Thereby, necessary
and sufficient conditions for neutralizing the interference are derived.
Moreover, a general framework to optimize different system utility
functions in this network with or without IN is developed regardless
whether the AF relays in the network have a total transmit power limit or
individual transmit power limits. Finally, we develop the relay transmit
strategy as well as base station (BS) precoding and decoding schemes for a
TWR assisted multi-user MIMO (MU-MIMO) downlink channel. Compared to the
multi-pair TWR network, this scenario suffers from the co-channel
interference. We develop three suboptimal algorithms which are based on
channel inversion, ProBaSeMO and zero-forcing dirty paper coding (ZFDPC),
which has a low computational complexity, provides a balance between the
performance and the complexity, and suffers only a little when the system
is heavily loaded, respectively.In the second part of this thesis, we
investigate self-interference (SI) suppression techniques to exploit the FD
gain for a point-to-point MIMO system. We first develop SI aware transmit
strategies, which provide a balance between the SI suppression and the
multiplexing gain of the system. To get the best performance, perfect
channel state information (CSI) is needed, which is imperfect in practice.
Thus, worst case transmit strategies to combat the imperfect CSI are
developed, where the CSI errors are modeled deterministically and bounded
by ellipsoids. In real word applications, the RF chain is imperfect. This
affects the performance of the SI suppression techniques and thus results
in residual SI. We develop efficient transmit beamforming techniques, which
are based on the signal to leakage plus noise ratio (SLNR) criterion, to
deal with the imperfections in the RF chain. All the proposed design
concepts can be extended to FD OWR systems
Energy-efficiency for MISO-OFDMA based user-relay assisted cellular networks
The concept of improving energy-efficiency (EE) without sacrificing the service quality has become important nowadays. The combination of orthogonal frequency-division multiple-access (OFDMA) multi-antenna transmission technology and relaying is one of the key technologies to deliver the promise of reliable and high-data-rate coverage in the most cost-effective manner. In this paper, EE is studied for the downlink multiple-input single-output (MISO)-OFDMA based user-relay assisted cellular networks. EE maximization is formulated for decode and forward (DF) relaying scheme with the consideration of both transmit and circuit power consumption as well as the data rate requirements for the mobile users. The quality of-service (QoS)-constrained EE maximization, which is defined for multi-carrier, multi-user, multi-relay and multi-antenna networks, is a non-convex and combinatorial problem so it is hard to tackle. To solve this difficult problem, a radio resource management (RRM) algorithm that solves the subcarrier allocation, mode selection and power allocation separately is proposed. The efficiency of the proposed algorithm is demonstrated by numerical results for different system parameter
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