Wireless Cooperative Networks

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Lightweight mobile and wireless systems: technologies, architectures, and services

1Department of Information and Communication Systems Engineering (ICSE), University of the Aegean, 81100 Mytilene, Greece 2Department of Information Engineering and Computer Science (DISI), University of Trento, 38123 Trento, Italy 3Department of Informatics, Alexander Technological Educational Institute of Thessaloniki, Thessaloniki, 574 00 Macedonia, Greece 4Centre Tecnologic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC), 08860 Barcelona, Spain 5North Carolina State University (NCSU), Raleigh, NC 27695, US

Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions

Energy Efficiency in Communications and Networks

The topic of "Energy Efficiency in Communications and Networks" attracts growing attention due to economical and environmental reasons. The amount of power consumed by information and communication technologies (ICT) is rapidly increasing, as well as the energy bill of service providers. According to a number of studies, ICT alone is responsible for a percentage which varies from 2% to 10% of the world power consumption. Thus, driving rising cost and sustainability concerns about the energy footprint of the IT infrastructure. Energy-efficiency is an aspect that until recently was only considered for battery driven devices. Today we see energy-efficiency becoming a pervasive issue that will need to be considered in all technology areas from device technology to systems management. This book is seeking to provide a compilation of novel research contributions on hardware design, architectures, protocols and algorithms that will improve the energy efficiency of communication devices and networks and lead to a more energy proportional technology infrastructure

Interference mitigation in cognitive femtocell networks

“A thesis submitted to the University of Bedfordshire, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy”.Femtocells have been introduced as a solution to poor indoor coverage in cellular communication which has hugely attracted network operators and stakeholders. However, femtocells are designed to co-exist alongside macrocells providing improved spatial frequency reuse and higher spectrum efficiency to name a few. Therefore, when deployed in the two-tier architecture with macrocells, it is necessary to mitigate the inherent co-tier and cross-tier interference. The integration of cognitive radio (CR) in femtocells introduces the ability of femtocells to dynamically adapt to varying network conditions through learning and reasoning. This research work focuses on the exploitation of cognitive radio in femtocells to mitigate the mutual interference caused in the two-tier architecture. The research work presents original contributions in mitigating interference in femtocells by introducing practical approaches which comprises a power control scheme where femtocells adaptively controls its transmit power levels to reduce the interference it causes in a network. This is especially useful since femtocells are user deployed as this seeks to mitigate interference based on their blind placement in an indoor environment. Hybrid interference mitigation schemes which combine power control and resource/scheduling are also implemented. In a joint threshold power based admittance and contention free resource allocation scheme, the mutual interference between a Femtocell Access Point (FAP) and close-by User Equipments (UE) is mitigated based on admittance. Also, a hybrid scheme where FAPs opportunistically use Resource Blocks (RB) of Macrocell User Equipments (MUE) based on its traffic load use is also employed. Simulation analysis present improvements when these schemes are applied with emphasis in Long Term Evolution (LTE) networks especially in terms of Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR)

Interference Management Techniques for Cellular Wireless Communication Systems

The growing demand for higher capacity wireless networks can be met by increasing the frequency bandwidth, spectral efficiency, and base station density. Flexible spectrum access, multiantenna, and multicarrier techniques are key enablers in satisfying the demand. In addition, automation of tasks related to network planning, optimization, interference management, and maintenance are needed in order to ensure cost-efficiency. Effective, dynamic, and automated interference management tailored for bursty and local data traffic plays a central role in the task. Adjacent channel interference (ACI) management is an enabler for flexible spectrum use and uncoordinated network deployments. In this thesis the impact of ACI in local area time division duplex (TDD) cellular systems is demonstrated. A method is proposed where the transmitters optimize their transmitted spectral shape on-line, such that constraints on ACI induced by power amplifier non-linearity are met. The proposed method increases the fairness among spectrum sharing transceivers when ACI is a limiting factor. A novel interference-aware scheduling technique is proposed and analyzed. The technique manages co-channel interference (CCI) in a decentralized fashion, relying on beacon messages sent by data receivers. It is demonstrated that the proposed technique is an enabler for fair spectrum sharing among operators, independent adaptation of uplink/downlink switching points in TDD networks, and it provides overall more fair and spectrally efficient wireless access. Especially, the technique is able to improve the cell-edge throughput tremendously. New services are emerging that generate local traffic among the users in addition to the data traffic between the users and the network. Such device-to-device (D2D) traffic is effectively served by direct transmissions. The thesis demonstrates the possibilities for allowing such direct D2D transmissions on a shared band together with the cellular communication. It is shown that interference management is needed in order to facilitate reliable and efficient shared band operation. For this purpose, three methods are proposed that provide interference aware power control, interference aware multiuser and multiband resource allocation, and interference avoiding spatial precoding. It is shown that enabling direct transmission itself provides most of the gains in system capacity, while the interference management schemes are more important in promoting fairness and reliability.Langattomien tietoliikenneverkkojen käyttö kasvaa erittäin nopeasti mobiilien internet-palvelujen ja älykkäiden päätelaitteiden suosion myötä. Järjestelmien tiedonsiirtokapasiteettiä voidaan lisätä kasvattamalla kaistanleveyttä, spektritehokkuutta ja tukiasemaverkon tiheyttä. Kehityksen mahdollistaa mm. joustava taajuuksien käyttö ja moniantenni- ja monikantoaaltotekniikat. Lisäksi radioverkkojen suunnitteluun, optimointiin, ylläpitoon ja interferenssinhallintaan liittyvien tehtävien automatisoinnilla voidaan pienentää verkko-operaattoreiden kustannuksia. Tässä hetkellisen ja paikallisen tietoliikenteen tehokas, dynaaminen ja automatisoitu interferenssinhallinta on keskeisessä asemassa. Viereisen kanavan interferenssin hallinta mahdollistaa osaltaan joustavan spektrinkäytön ja koordinoimattoman verkkojen asennuksen. Väitöskirjassa on analysoitu viereisen kanavan interferenssin vaikutusta aikajakoiseen dupleksilähetykseen perustuvien paikallisten radioverkkojen toimintaan. Lisäksi väitöskirjassa on kehitetty menetelmä, jolla voidaan hallita interferenssiä reaaliaikaisesti. Menetelmä maksimoi lähetetyn signaalin spektritehokkuuden siten, että tehovahvistimen epälineaarisuuden aiheuttama viereisen kanavan interferenssi on rajoitettu. Väitöskirjassa on kehitetty ja analysoitu uudenlainen interferenssitietoinen lähetysten ajoitustekniikka. Tekniikka hallitsee reaaliaikaisesti ja hajautetusti saman kanavan interferenssiä vastaanottimien lähettämien majakkasignaalien avulla. Esitetyt simulaatiot osoittavat, että tämä mahdollistaa operaattoreiden välisen taajuuskaistojen jaon, ja alas- ja yloslinkkien aikajaon joustavan säädön. Tämän lisäksi on mahdollista saavuttaa korkeampi yleinen spektritehokkuus. Erityisesti tiedonsiirtonopeus solujen reunoille kasvaa esitetyn tekniikan avulla huomattavasti. Uudenlaiset tietoliikennepalvelut lisäävät laitteidenvälisen paikallisen tietoliikenteen määrää. Spektrinkäytön kannalta tämä liikenne on tehokkainta lähettää suoraan laitteesta toiseen. Väitöskirjassa on tutkittu joustavaa spektrinkäyttöä suorien laitteidenvälisten lähetysten ja soluverkon välillä. Interferenssin hallinta takaa luotettavan ja tehokkaan spektrin yhteiskäytön. Tätä varten väitöskirjassa on kehitetty kolme menetelmää, jotka perustuvat tehonsäätöön, lähetysten ajoitukseen ja moniantennilähetykseen

Oblique Sounding and HF Communication Techniques for Very Long Haul Ionospheric Links

El sistema de comunicació ràdio d’alta freqüència (HF, en anglès) és usat arreu del món per agències governamentals i no governamentals sempre que calgui una alternativa a les comunicacions via satèl•lit: vaixells a alta mar, avions fora de cobertura de xarxes ràdio amb visió directa, operacions militars, zones on la infraestructura ha estat destruïda per algun tipus de desastre o bé zones llunyanes sense cap altre tipus de comunicació. La ràdio HF representa una alternativa, o un sistema de backup al satèl•lit per a comunicacions de llarg abast i en redueix els costos, evita la vulnerabilitat i els problemes de sobirania. En aquesta tesi s’ha estudiat l’enllaç HF entre la base antàrtica espanyola Juan Carlos I, situada a l’illa Livingston a l’arxipèlag de les Shetland del Sud, i Espanya. L’objectiu d’aquest treball és estudiar els problemes que afecten la propagació; és a dir, la relació senyal a soroll i interferència, la dispersió multicamí i la dispersió per efecte Doppler, i dissenyar la capa física d’un enllaç HF de baixa velocitat, poca potència i llarg abast. Pel que fa aquest últim punt es fan un parell de propostes: espectre eixamplat per seqüència directa (DSSS, en anglès) i multiplexació per divisió en freqüència ortogonal (OFDM, en anglès). El repte que es planteja és el de la definició de les característiques dels símbols que millor encaixen en aquest canal per tal d’obtenir un benefici de la diversitat temporal i freqüencial que ofereix el canal. Des de l’any 2003 diverses campanyes han permès estudiar aquest canal HF, però no va ser fins la campanya 2009/2010 que s’obtingué un foto de les característiques, diürnes i nocturnes, de la ionosfera. En els articles que es presenten en aquesta tesi hem estès el rang freqüencial d’estudi respecte a investigacions prèvies i hem mostrat diferències de comportament entre el dia i la nit. Hem usat els resultats de la caracterització del canal per a dissenyar i comparar la bondat dels símbols DSSS i OFDM. Ambdues possibilitats han resultat ser candidates a implementar l’enllaç HF entre l’Antàrtida i Espanya. Tot i així, ambdues tècniques representen visions diferents de la implementació del mòdem: mentre que DSSS obté bons resultats a baixa velocitat en entorns amb baixa relació senyal a soroll, OFDM aconsegueix tasses de velocitat més elevades en canals més benignes.Los sistemas de radio de alta frecuencia (HF, en inglés) son usados por agencias gubernamentales y no gubernamentales en todo el mundo siempre que se necesite una alternativa a las comunicaciones por satélite: barcos en alta mar, aviones fuera del rango de cobertura de las redes radio de visión directa, operaciones militares, zonas donde la infraestructura ha sido destruida por algún desastre. Ésta ofrece una alternativa, o representa un sistema de backup, a las comunicaciones vía satélite, evitando los costes, la vulnerabilidad y los problemas de soberanía de las comunicaciones por satélite. En esta tesis se ha estudiado el enlace HF entre la base antártica española Juan Carlos I en la isla Livingston, en las Shetland del sur y España. El objetivo de este trabajo es el estudio de las limitaciones de la propagación ionosférica (como la relación señal a ruido e interferencia, la dispersión multicamino y la dispersión por efecto Doppler) y el diseño de la capa física de un enlace HF de baja velocidad, baja potencia y largo alcance. Se han estudiado un par de propuestas para este enlace, como son el espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS, en inglés) y la multiplexación por división en frecuencia ortogonal (OFDM, en inglés). El reto ha sido definir las características que mejor se adecuan a este enlace para poder aprovechar la diversidad temporal y frecuencial que ofrece el canal HF. Desde el año 2003 diversas campañas de sondeo han permitido estudiar el canal HF pero no es hasta la campaña 2009/2010 que se consigue una fotografía de la actividad ionosférica tanto nocturna como diurna. En los artículos que se presentan en esta tesis hemos extendido los estudios previos a todo el rango de frecuencias HF y hemos mostrado las diferencias entre el día y la noche. Hemos usado estos resultados de caracterización del canal para diseñar y comparar símbolos DSSS y símbolos OFDM. Ambas posibilidades han resultado ser posibles candidatas para implementar un enlace HF de baja velocidad entre la Antártida y España. Sin embargo ambas técnicas representan dos aproximaciones distintas a la implementación del módem. Mientras que DSSS consigue un buen funcionamiento a baja velocidad en escenarios con baja relación señal a ruido, OFDM consigue tasas de transmisión más altas en escenarios más benignos.High Frequency (HF) radio is used by governmental and non nongovernmental agencies worldwide whenever an alternative to satellites for sky wave communication is needed: ships at sea, aircraft out of range of line-of-sight radio networks, military operations, disaster areas with communication infrastructure destroyed or distant regions lacking other communications. It offers an alternative to satellites, or a backup, for long-haul communications, thus avoiding the costs, vulnerabilities and sovereignty concerns of satellite communications. In this thesis the HF link between the Antarctic Spanish Station Juan Carlos I in Livingston Island, South Shetlands and Spain is studied. The aim of this study is to address the impairments that affect HF propagation (i.e., signal-to-noise plus interference ratio, multipath and Doppler shift and spread) and to design the physical layer of a low rate, low power and long-haul HF link. Some proposals regarding this last issue are addressed, i.e., direct sequence spread spectrum (DSSS) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The challenge is to define the symbol characteristics that best fit the link to benefit from time and frequency diversity that offers the HF channel. Since 2003 several transmission campaigns have allowed to study the HF channel but it is not until the 2009/2010 campaign that we have achieved a whole picture of both diurnal and nocturnal ionospheric activity. In the papers presented in this thesis we have extended the previous research to the whole range of HF frequencies and we have shown the differences on performance between day and night. We have used the results from channel characterization to design and compare the performance of DSSS and OFDM symbols. Both techniques have turned out to be possible candidates to implement a low rate HF link between Antarctica and Spain. However, both techniques stand for different approaches of the modem: DSSS achieves good performance at low data rate in low SNR scenarios, whereas OFDM achieves higher data rate in benign channel

Design and evaluation of OFDM radio interfaces for high mobility communications

[Resumo] Nas dúas últimas décadas, as modulacións multiportadora emerxeron como una solución de baixa complexidade para combatir os efectos do multitraxecto en comuniacións sen fíos. Entre elas, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFOM) é posiblemente o esquema de modulación máis estudado, e tamén amplamente adoptado como alicerce de estándares da industria como WiMAX ou LTE. Sen embargo, OFDM é sensible a canles que varian ca tempo, unha característica dos escenarios con mobilidade, debido á aparición da interferencia entre portadoras (ICI). A implementación de equipamento hardware para o usuario final faise normalmente en chips dedicados, afnda que entornos de investigación, prefírense solucións máis flexibles. Unha aproximación popular é a coñecida como Software Defined Radio (SOR), onde os algoritmos de procesado de sinal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signal Processors (OSPs) e Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). O obxectivo deste traballo é dobre. Por un lado, definir unha arquitectura para implementacións de tempo real de capas físicas basadas en OFDM usando como referencia O estándar WiMAX, probada Dunha plataforma composta por OSPs e FPGAs. Por outra banda, estudar os efectos da selectividade en tempo no sinal OFDM, definindo métodos de estimación de canle que teñen en conta a ICI, e evaluándoos tanto en simulación como con medidas experimentais. Seguíronse dúas aproximacións para caracterizar o comportamento de formas de onda OFDM baixo condicións de mobilidade, unha basada nun emulador de canle que traballa en tempo real, e outra en inducir grandes ensanchamentos Doppler no sinal mediante a extensión da duración do símbolo OFOM.[Resumen] En las dos últimas décadas, las modulaciones multiportadora han emergido como una solución de baja complejidad para combatir los efectos del multitrayecto en comunicaciones iDalámbricas. Entre ellas, Orthogonal Frequency Division Mulriplexing (OFDM) es posiblemente el esquema de modulación más estudiado, y también ampliamente adoptado como fundamento de estándares de la industria como WiMAX o LTE. Sin embargo, OFDM es sensible a canales que varían con el tiempo, una característica de los escenarios coo movilidad, debido a la aparicióo de la interferencia entre portadoras (ICI). La implementación de equipamiento hardware para el usuario final se hace normalmente en chips dedicados, aunque eo entornos de investigación, son preferibles soluciones más Hexibles. Una aproximación popular es la conocida como Software Defined Radio (SDR), donde los algOritmos de procesado de señal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signa! Processors (DSPs) y Field Programmable Gate AIrays (FPGAs). El objetivo de este trabajo es doble. Por un lado. definir una arquitectura para implementaciones de tiempo real de capas ¡lSicas basadas en OFDM usando como referencia el estándar WiMAX, probada en una plataforma compuesta por DSPs y FPGAs. Por otro lado, estudiar los efectos de la selectividad en tiempo en la señal OFDM, definiendo métodos de estimacióo de canal que tengan eo cueota la ICI, y evaluándolos tanto en simulación como con medidas experimenta1es. Se han seguido dos aproximaciones para caracterizar el comportamiento de formas de onda OFDM bajo condiciones de mobilidad, una basada en un emulador de canal que trabaja en tiempo real. y otra en inducir grandes ensanchamientos Doppler en la señal mediante la extensión de la duración del símbolo OFDM.[Abstract] In Ihe last two decades, multicarrier modulations have emerged as a low complexity solulion to combal the effects of Ihe multipalh in wireless communicalions. Among Ihem, Orthogonal Frequency Division Mulliplexing (OFOM) is possibly Ihe mosl sludied modulation scheme, and has a1so been widely adopted as Ihe foundation of induslry standards such as WiMAX or LTE. However, OFOM is sensitive lo time selective channels, which are featured in mobility scenarlos, due lO Ihe appearance of Inler-Carrier Interference (ICI). Implemenlation of hardware equipmenl for Ihe end user is usually implemenled in dedicaled chips, bul in researeh environments, more flexible solutions are preferred. One popular approach is the so ealled Software Defined Radio (SOR), where the signal processing a1gorithms are implemented in reconfigurable hardware sueh as Digital Signal Processors (DSPs) and Field Prograrnmable Gate Arrays (FPGAs). The aim of Ibis work is two-fold. On the one hand, to define an architeclure for Ihe implementation of real-time OFOM-based physical layers, using as a reference Ihe WiMAX standard, and it is tested on a platform composed by DSPs and FPGAs. On the olher hand, to study Ihe effeets of !he time seleetivity on !he OFOM signal, defining channel estimation me!hods aware of !he ICI, and ils evaluation bo!h in simulation as well as experimental measuremenls. Two approaches have been followed to assess the behavior of OFOM waveforms under mobility conditions, one based on a real-time channel emulator, and the other on inducing large Doppler spreads in !he signal by extending the duration of Ihe OFDM symbols