Técnicas de igualização adaptativas com estimativas imperfeitas do canal para os futuros sistemas 5G

Wireless communication networks have been continuously experiencing an exponential growth since their inception. The overwhelming demand for high data rates, support of a large number of users while mitigating disruptive interference are the constant research focus and it has led to the creation of new technologies and efficient techniques. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is the most common example of a technology that has come to the fore in this past decade as it provided a simple and generally ideal platform for wireless data transmission. It’s drawback of a rather high peak-to-average power ratio (PAPR) and sensitivity to phase noise, which in turn led to the adoption of alternative techniques, such as the single carrier systems with frequency domain equalization (SC-FDE) or the multi carrier systems with code division multiple access (MC-CDMA), but the nonlinear Frequency Domain Equalizers (FDE) have been of special note due to their improved performance. From these, the Iterative Block Decision Feedback Equalizer (IB-DFE) has proven itself especially promising due to its compatibility with space diversity, MIMO systems and CDMA schemes. However, the IB-DFE requires the system to have constant knowledge of the communication channel properties, that is, to have constantly perfect Channel State Information (CSI), which is both unrealistic and impractical to implement. In this dissertation we shall design an altered IB-DFE receiver that is able to properly detect signals from SC-FDMA based transmitters, even with constantly erroneous channel states. The results shall demonstrate that the proposed equalization scheme is robust to imperfect CSI (I-CSI) situations, since its performance is constantly close to the perfect CSI case, within just a few iterations.Redes sem fios têm crescido de maneira contínua e exponencial desde a sua incepção. A tremenda exigência para altas taxas de dados e o suporte para um elevado número de utilizadores sem aumentar a interferência disruptiva originada por estes são alguns dos focos que levaram ao desenvolvimento de técnicas de compensação e novas tecnologias. “Orthogonal frequency division multiplexing” (OFDM) é um dos exemplos de tecnologias que se destacaram nesta última década, visto ter fornecido uma plataforma para transmissão de dados sem-fio eficaz e simples. O seu maior problema é a alta “peak-to-average power ratio” (PAPR) e a sua sensibilidade a ruído de fase que deram motivo à adoção de técnicas alternativas, tais como os sistemas “single carrier” com “frequency domain equalization” (SC-FDE) ou os sistemas “multi-carrier” com “code division multiple access” (MC-CDMA), mas equalizadores não lineares no domínio de frequência têm sido alvo de especial atenção devido ao seu melhor desempenho. Destes, o “iterative block decision feedback equalizer” (IB-DFE) tem-se provado especialmente promissor devido à sua compatibilidade com técnicas de diversidade no espaço, sistemas MIMO e esquemas CDMA. No entanto, IB-DFE requer que o sistema tenha constante conhecimento das propriedades dos canais usados, ou seja, necessita de ter perfeito “channel state information” (CSI) constantemente, o que é tanto irrealista como impossível de implementar. Nesta dissertação iremos projetar um recetor IB-DFE alterado de forma a conseguir detetar sinais dum transmissor baseado em tecnologia SC-FDMA, mesmo com a informação de estado de canal errada. Os resultados irão então demonstrar que o novo esquema de equalização proposto é robusto para situações de CSI imperfeito (I-CSI), visto que o seu desempenho se mantém próximo dos valores esperados para CSI perfeito, em apenas algumas iterações.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

Deep Learning-Aided Multicarrier Systems

This paper proposes a deep learning (DL)-aided multicarrier (MC) system operating on fading channels, where both modulation and demodulation blocks are modeled by deep neural networks (DNNs), regarded as the encoder and decoder of an autoencoder (AE) architecture, respectively. Unlike existing AE-based systems, which incorporate domain knowledge of a channel equalizer to suppress the effects of wireless channels, the proposed scheme, termed as MC-AE, directly feeds the decoder with the channel state information and received signal, which are then processed in a fully data-driven manner. This new approach enables MC-AE to jointly learn the encoder and decoder to optimize the diversity and coding gains over fading channels. In particular, the block error rate of MC-AE is analyzed to show its higher performance gains than existing hand-crafted baselines, such as various recent index modulation-based MC schemes. We then extend MC-AE to multiuser scenarios, wherein the resultant system is termed as MU-MC-AE. Accordingly, two novel DNN structures for uplink and downlink MU-MC-AE transmissions are proposed, along with a novel cost function that ensures a fast training convergence and fairness among users. Finally, simulation results are provided to show the superiority of the proposed DL-based schemes over current baselines, in terms of both the error performance and receiver complexity