ASILUM: A platform to evaluate advanced combinations of smart antennas and multi-user detection for UMTS FDD and TDD

The purpose of this paper is to present and explain some results of ASILUM, a project included into IST (Information Society Technologies), a research programme of European Community. This project aims to contribute to the technical innovation and policies of the European Community by validating new transceivers concepts to increase the capacity of UMTS (FDD and TDD modes) through new and efficient interference mitigation schemes. These schemes are jointly using smart antennas and multiuser detection. They have been validated through link and system level simulations

Técnicas de equalização e pré-codificação para sistemas MC-CDMA

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesO número de dispositivos com ligações e aplicações sem fios está a aumentar exponencialmente, causando problemas de interferência e diminuindo a capacidade do sistema. Isto desencadeou uma procura por uma eficiência espectral superior e, consequentemente, tornou-se necessário desenvolver novas arquitecturas celulares que suportem estas novas exigências. Coordenação ou cooperação multicelular é uma arquitectura promissora para sistemas celulares sem fios. Esta ajuda a mitigar a interferência entre células, melhorando a equidade e a capacidade do sistema. É, portanto, uma arquitectura já em estudo ao abrigo da tecnologia LTE-Advanced sob o conceito de coordenação multiponto (CoMP). Nesta dissertação, considerámos um sistema coordenado MC-CDMA com pré-codificação e equalização iterativas. Uma das técnicas mais eficientes de pré-codificação é o alinhamento de interferências (IA). Este é um conceito relativamente novo que permite aumentar a capacidade do sistema em canais de elevada interferência. Sabe-se que, para os sistemas MC-CDMA, os equalizadores lineares convencionais não são os mais eficientes, devido à interferência residual entre portadoras (ICI). No entanto, a equalização iterativa no domínio da frequência (FDE) foi identificada como sendo uma das técnicas mais eficientes para lidar com ICI e explorar a diversidade oferecida pelos sistemas MIMO MC-CDMA. Esta técnica é baseada no conceito Iterative Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE). Nesta dissertação, é proposto um sistema MC-CDMA que une a pré-codificação iterativa do alinhamento de interferências no transmissor ao equalizador baseado no IB-DFE, com cancelamento sucessivo de interferências (SIC) no receptor. Este é construído por dois blocos: um filtro linear, que mitiga a interferência inter-utilizador, seguido por um bloco iterativo no domínio da frequência, que separa eficientemente os fluxos de dados espaciais na presença de interferência residual inter-utilizador alinhada. Este esquema permite atingir o número máximo de graus de liberdade e permite simultaneamente um ganho óptimo de diversidade espacial. O desempenho deste esquema está perto do filtro adaptado- Matched Filter Bound (MFB).The number of devices with wireless connections and applications is increasing exponentially, causing interference problems and reducing the system’s capacity gain. This initiated a search for a higher spectral efficiency and therefore it became necessary to develop new cellular architectures that support these new requirements. Multicell cooperation or coordination is a promising architecture for cellular wireless systems to mitigate intercell interference, improving system fairness and increasing capacity, and thus is already under study in LTE-Advanced under the coordinated multipoint (CoMP) concept. In this thesis, efficient iterative precoding and equalization is considered for coordinated MC-CDMA based systems. One of the most efficient precoding techniques is interference alignment (IA), which is a relatively new concept that allows high capacity gains in interfering channels. It is well known that for MC-CDMA systems standard linear equalizers are not the most efficient due to residual inter carrier interference (ICI). However, iterative frequency-domain equalization (FDE) has been identified as one of the most efficient technique to deal with ICI and exploit the inherent space-frequency diversity of the MIMO MC-CDMA systems, namely the one based on Iterative Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE) concept. In this thesis, it is proposed a MC-CDMA system that joins iterative IA precoding at the transmitter with IB-DFE successive interference cancellation (SIC) based receiver structure. The receiver is implemented in two steps: a linear filter, which mitigates the inter-user aligned interference, followed by an iterative frequency-domain receiver, which efficiently separates the spatial streams in the presence of residual inter-user aligned interference. This scheme provides the maximum degrees of freedom (DoF) and allows almost the optimum space-diversity gain. The scheme performance is close to the matched filter bound (MFB)

On the Derivation of Optimal Partial Successive Interference Cancellation

The necessity of accurate channel estimation for Successive and Parallel Interference Cancellation is well known. Iterative channel estimation and channel decoding (for instance by means of the Expectation-Maximization algorithm) is particularly important for these multiuser detection schemes in the presence of time varying channels, where a high density of pilots is necessary to track the channel. This paper designs a method to analytically derive a weighting factor $\alpha$, necessary to improve the efficiency of interference cancellation in the presence of poor channel estimates. Moreover, this weighting factor effectively mitigates the presence of incorrect decisions at the output of the channel decoder. The analysis provides insight into the properties of such interference cancellation scheme and the proposed approach significantly increases the effectiveness of Successive Interference Cancellation under the presence of channel estimation errors, which leads to gains of up to 3 dB.Comment: IEEE GLOBECOM 201

Técnicas de equalização iterativas no espaço-frequência para o LTE

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesMobile communications had a huge leap on its evolution in the last decade due to the constant increase of the user requirements. The Long Term Evolution is the new technology developed to give proper answer to the needs of a growing mobile communications community, offering much higher data rates, better spectral efficiency and lower latency when compared to previous technologies, along with scalable bandwidth, interoperability and easy roaming. All these advantages are possible due to the implementation of new network architectures like the E-UTRAN access network and the EPC core network, the use of MIMO systems, and new multiple access schemes: OFDMA for downlink and SC-FDMA for uplink. This thesis focuses on the uplink communication of this technology with SC-FDMA, specifically on the use of Iterative Block Decision Feedback Equalizers (IB-DFE) where both the feedback and the feedforward equalizer matrices are applied on the frequency domain. Two IB-DFE schemes were implemented using both Parallel Interference Cancellation (PIC) and Serial Interference Cancellation (SIC) based processing. We considered the uplink scenario where some users share the same physical channel to transmit its own information to the Base Station (BS). Also, we consider that the BS is equipped with multiple antennas and the user terminals (UT) with a single antenna. The aim of the studied iterative schemes is to efficiently remove both the multi-user and inter-carrier interferences, while allowing a close-to-optimum space-diversity gain. The results obtained showed that both PIC and SIC implementations presented better performance than the conventional used linear multi-user sub optimal equalizers ZF and MMSE. Both solutions efficiently eliminate the multi-user interference, although the SIC based scheme slightly outperforms the PIC approach, with a performance close to the one achieved by the Matched Filter Bound (MFB).As comunicações móveis tiveram um grande avanço na sua evolução na última década devido ao constante aumento dos requisitos dos utilizadores. O Long Term Evolution é a nova tecnologia desenvolvida para dar resposta às necessidades de uma crescente comunidade de comunicações móveis, oferecendo taxas de transmissão de dados muito mais elevadas, melhor eficiência espectral e menor latência quando comparado a tecnologias anteriores, incluindo também largura de banda escalável, interoperabilidade e roaming simples. Todas estas vantagens são possíveis devido à implementação de novas arquiteturas de rede, como a rede de acesso E-UTRAN e a rede core EPC, o uso de sistemas MIMO, e novos esquemas de múltiplo acesso: OFDMA para o downlink e SC-FDMA para o uplink. Esta tese centra-se na comunicação no sentido ascendente desta tecnologia onde o esquema utilizado é o SC-FDMA, mais especificamente na aplicação de Iterative Block Decision Feedback Equalizers (IB-DFE) onde tanto a matriz de feedback como a de feedfoward do equalizador são aplicadas no domínio da frequência. Dois esquemas IB-DFE foram implementados utilizando processamento baseado em cancelamento de interferência em paralelo (PIC) e em serie (SIC). Foi considerado um cenário ascendente onde alguns utilizadores (UEs) partilham o mesmo canal físico para transmitir a sua informação para a Estação Base (BS). È também assumido que a BS está equipada com múltiplas antenas, e os terminais dos utilizadores com uma antena apenas. O objetivo dos esquemas iterativos estudados é remover eficientemente a interferência entre utilizadores e entre portadoras, permitindo entretanto um ganho de diversidade no espaço quase ótimo. Os resultados obtidos mostraram que tanto a implementação PIC como a SIC apresentam melhor eficiência do que os habituais equalizadores lineares sub ótimos ZF e MMSE. Ambas as soluções eliminam a interferência entre utilizadores, embora o esquema SIC apresente um melhor desempenho que o PIC, aproximando- se do atingido com o Matched Filter Bound (MFB)

Técnicas de processamento com múltiplas antenas para o sistema LTE

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesPerformance, mobilidade e partilha podem ser consideras como as três palavras-chave nas comunicações móveis de hoje em dia. Uma das necessidades fundamentais do ser humano é a partilha de experiencias e informação. Com a evolução ao nível do hardware móvel, a crescente popularidade de smartphones, tablets e outros dispositivos moveis, fez com que a exigência em termos de capacidade e taxa de transferência por parte das redes móveis não parasse de crescer. As limitações das redes 3G fizeram com que não conseguissem corresponder a tais exigências e como tal, a transição para uma tecnologia mais robusta e eficiente passou a ser inevitável. A resposta escolhida como solução a longo prazo é a rede designada por LTE, desenvolvida pela organização 3GPP é assumido que será a rede de telecomunicações predominante no futuro. As vantagens mais sonantes são, naturalmente, elevadas taxas de transmissão, maior eficiência espectral, redução da latência e de custos de operação. As principais tecnologias em que o LTE se baseia, são o OFDM e sua variante para múltiplo acesso, OFDMA, usado para o downlink e o SC-FDMA para o uplink. Além disso, usa sistemas com múltiplas antenas para impulsionar a eficiência espectral. Apesar de já implementado em alguns países por diversas operadoras, constantes pesquisas continuam a ser realizadas com o intuito de melhorar a sua performance. Nesta dissertação é proposto um esquema duplo de codificação na frequência e no espaço (D-SFBC) para um cenário baseado em OFDM com 4 antenas de transmissão e duas antenas de recepção (4 × 2 D-SFBC) para o downlink. No cenário considerado, 4 símbolos de dados são transmitidos utilizando unicamente 2 sub-portadoras, fazendo com que, este sistema seja limitado pela interferência. Para de forma eficiente descodificar os símbolos de dados transmitidos, foi desenvolvido um equalizador iterativo no domínio da frequência. Duas abordagens são consideradas: cancelamento da interferência em paralelo (PIC) e sucessivo cancelamento de interferência (SIC). Uma vez que apenas 2 sub-portadoras são usadas para transmitir quatro símbolos de dados em paralelo, o esquema desenvolvido duplica a taxa de dados quando comparado com o esquema 2 × 2 SFBC, especificado no standard do LTE. Os esquemas desenvolvidos foram avaliados sob as especificações para LTE e usando codificação de canal. Os resultados mostram que os esquemas implementados neste trabalho utilizando um equalizador iterativo supera os convencionais equalizadores lineares na eliminação da interferência adicional introduzida, em apenas 2 ou 3 iterações.Performance, mobility and sharing can be assumed as the three keywords in the mobile communications nowadays. One of the fundamental needs of human beings is to share experiences and information. With the evolution of mobile hardware level, the growing popularity of smartphones, tablets and other mobile devices, has made that the demand in terms of capacity and throughput by mobile networks did not stop growing. Thus, the limitations of 3G stops it of being the answer of such demand, and a transition to a powerful technology has become unavoidable. The answer chosen is LTE, developed by the 3GPP organization is assumed to be the predominant telecommunications network in the future. The most relevant advantages are high transmission rates, higher spectral efficiency, reducing latency and operating costs. The key technologies in which LTE is based, are OFDM and its variant schemes for multiple access, OFDMA, used for downlink, and SC-FDMA for the uplink. It also uses multiple antennas systems in order to improve spectral efficiency. Although already implemented in some countries by several operators, continuous research is conducted in order to improve their performance. In this dissertation it is proposed a double space-frequency block coding (D-SFBC) scheme for an OFDM based scenario with 4 transmit antennas and 2 receive antennas (4×2 D-SFBC) for the downlink. In the considered scenario, 4 data symbols are transmitted by using only 2 subcarriers and thus the system is interference limited. To efficiently decode the transmitted data symbols an iterative equalizer designed in frequency domain is developed. Two approaches are considered: parallel interference cancellation (PIC) and successive interference cancellation (SIC). Since only 2 subcarriers are used to transmit 4 data symbols in parallel the developed scheme achieve the double data rate when compared with the 2×2 SFBC, specified in the LTE standard. The developed schemes were evaluated under the main LTE specifications and using channel coding. The results have show that the schemes implemented in this work using an interactive equalizer outperforms the conventional linear equalizers in the interference removal, just by using 2 or 3 iterations

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

Separation Framework: An Enabler for Cooperative and D2D Communication for Future 5G Networks

Soaring capacity and coverage demands dictate that future cellular networks need to soon migrate towards ultra-dense networks. However, network densification comes with a host of challenges that include compromised energy efficiency, complex interference management, cumbersome mobility management, burdensome signaling overheads and higher backhaul costs. Interestingly, most of the problems, that beleaguer network densification, stem from legacy networks' one common feature i.e., tight coupling between the control and data planes regardless of their degree of heterogeneity and cell density. Consequently, in wake of 5G, control and data planes separation architecture (SARC) has recently been conceived as a promising paradigm that has potential to address most of aforementioned challenges. In this article, we review various proposals that have been presented in literature so far to enable SARC. More specifically, we analyze how and to what degree various SARC proposals address the four main challenges in network densification namely: energy efficiency, system level capacity maximization, interference management and mobility management. We then focus on two salient features of future cellular networks that have not yet been adapted in legacy networks at wide scale and thus remain a hallmark of 5G, i.e., coordinated multipoint (CoMP), and device-to-device (D2D) communications. After providing necessary background on CoMP and D2D, we analyze how SARC can particularly act as a major enabler for CoMP and D2D in context of 5G. This article thus serves as both a tutorial as well as an up to date survey on SARC, CoMP and D2D. Most importantly, the article provides an extensive outlook of challenges and opportunities that lie at the crossroads of these three mutually entangled emerging technologies.Comment: 28 pages, 11 figures, IEEE Communications Surveys & Tutorials 201