Efficient Robust Adaptive Beamforming Algorithms for Sensor Arrays

Sensor array processing techniques have been an important research area in recent years. By using a sensor array of a certain configuration, we can improve the parameter estimation accuracy from the observation data in the presence of interference and noise. In this thesis, we focus on sensor array processing techniques that use antenna arrays for beamforming, which is the key task in wireless communications, radar and sonar systems. Firstly, we propose a low-complexity robust adaptive beamforming (RAB) technique which estimates the steering vector using a Low-Complexity Shrinkage-Based Mismatch Estimation (LOCSME) algorithm. The proposed LOCSME algorithm estimates the covariance matrix of the input data and the interference-plus-noise covariance (INC) matrix by using the Oracle Approximating Shrinkage (OAS) method. Secondly, we present cost-effective low-rank techniques for designing robust adaptive beamforming (RAB) algorithms. The proposed algorithms are based on the exploitation of the cross-correlation between the array observation data and the output of the beamformer. Thirdly, we propose distributed beamforming techniques that are based on wireless relay systems. Algorithms that combine relay selections and SINR maximization or Minimum Mean-Square- Error (MMSE) consensus are developed, assuming the relay systems are under total relay transmit power constraint. Lastly, we look into the research area of robust distributed beamforming (RDB) and develop a novel RDB approach based on the exploitation of the cross-correlation between the received data at the relays and the destination and a subspace projection method to estimate the channel errors, namely, the cross-correlation and subspace projection (CCSP) RDB technique, which efficiently maximizes the output SINR and minimizes the channel errors. Simulation results show that the proposed techniques outperform existing techniques in various performance metrics

A Joint Solution for Scheduling and Precoding in Multiuser MISO Downlink Channels

The long-term average performance of the MISO downlink channel, with a large number of users compared to transmit antennas of the BS, depends on the interference management which necessitates the joint design problem of scheduling and precoding. Unlike the previous works which do not offer a truly joint design, this paper focuses on formulating a problem amenable for the joint update of scheduling and precoding. Novel optimization formulations are investigated to reveal the hidden difference of convex/ concave structure for three classical criteria (weighted sum rate, max-min SINR, and power minimization) and associated constraints are considered. Thereafter, we propose a convex-concave procedure framework based iterative algorithm where scheduling and precoding variables are updated jointly in each iteration. Finally, we show the superiority in performance of joint solution over the state-of-the-art designs through Monte-Carlo simulations

Energy Efficiency of Ultra-Dense Small Cell Radio Access Networks for 5G and Beyond

Small cell base station (BS) densification in the radio access network (RAN) is an effective solution to improve the RAN capacity. However, small cell BS densification by adding more non-zero energy-consuming BSs increases energy consumption, compromising energy efficiency, which can be mitigated by adopting sleep mode. A comprehensive evaluation framework is applied in this research to analyse the capacity, energy consumption, and energy efficiency performance of the ultra-dense small cell RANs as a complete energy efficiency assessment, which is lacking in the literature. The impact of advanced techniques millimetre wave (mmWave), antenna array beamforming, and integrated access and backhaul (IAB) on RAN energy efficiency are also investigated. MATLAB- based simulation results show that the ultra-dense small cell RANs, where the number of BSs greatly exceeds the number of active user equipment (UEs), can only be energy efficient if all the empty cells without UE association are turned off completely. Energy efficiency enhancement comes from capacity improvement and energy consumption constraint. Specifically, the ultra-dense small cell RANs can achieve maximum performance improvement of 7.56-fold and 2.35-fold regarding capacity, 3780.11-fold and 32.38-fold regarding energy consumption using the current power model, and 28591.53-fold and 75.97-fold regarding energy efficiency in homogeneous and heterogeneous infrastructures, respectively, comparing the cases with and without the sleep mode. In addition, mmWave and IAB trade energy consumption and energy efficiency for capacity improvement and backhaul cost reduction. With mmWave and IAB, dense small cell RAN can achieve a maximum of 2.55-fold and 1.70-fold for capacity improvement, 2.46-fold and 2.89-fold for energy consumption reduction using the current power model, and 6.27-fold and 8.34-fold energy efficiency enhancement for UE densities of 900 and 300 UEs/km2, respectively, comparing the cases with and without the sleep mode

Performances des Réseaux LTE

Poussé par la demande croissante de services à haut débit sans fil, Long Term Evolution (LTE) a émergé comme une solution prometteuse pour les communications mobiles. Dans plusieurs pays à travers le monde, la mise en oeuvre de LTE est en train de se développer. LTE offre une architecture tout-IP qui fournit des débits élevés et permet une prise en charge efficace des applications de type multimédia. LTE est spécifié par le 3GPP ; cette technologie fournit une architecture capable de mettre en place des mécanismes pour traiter des classes de trafic hétérogènes comme la voix, la vidéo, les transferts de fichier, les courriers électroniques, etc. Ces classes de flux hétérogènes peuvent être gérées en fonction de la qualité de service requise mais aussi de la qualité des canaux et des conditions environnementales qui peuvent varier considérablement sur une courte échelle de temps. Les standards du 3GPP ne spécifient pas l algorithmique de l allocation des ressources du réseau d accès, dont l importance est grande pour garantir performance et qualité de service (QoS). Dans cette thèse, nous nous focalisons plus spécifiquement sur la QoS de LTE sur la voie descendante. Nous nous concentrons alors sur la gestion des ressources et l ordonnancement sur l interface radio des réseaux d accès. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à des contextes de macro-cellules. Le premier mécanisme proposé pour l allocation des ressources combine une méthode de jetons virtuels et des ordonnanceurs opportunistes. Les performances obtenues sont très bonnes mais n assurent pas une très bonne équité. Notre seconde proposition repose sur la théorie des jeux, et plus spécifiquement sur la valeur de Shapley, pour atteindre un haut niveau d équité entre les différentes classes de services au détriment de la qualité de service. Cela nous a poussé, dans un troisième mécanisme, à combiner les deux schémas. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux femto-cellules (ou femtocells) qui offrent des compléments de couverture appréciables. La difficulté consiste alors à étudier et à minimiser les interférences. Notre premier mécanisme d atténuation des interférences est fondé sur le contrôle de la puissance de transmission. Il fonctionne en utilisant la théorie des jeux non coopératifs. On effectue une négociation constante entre le débit et les interférences pour trouver un niveau optimal de puissance d émission. Le second mécanisme est centralisé et utilise une approche de division de la bande passante afin d obliger les femtocells à ne pas utiliser les mêmes sous-bandes évitant ainsi les interférences. Le partage de bande passante et l allocation sont effectués en utilisant sur la théorie des jeux (valeur de Shapley) et en tenant compte du type d application. Ce schéma réduit les interférences considérablement. Tous les mécanismes proposés ont été testés et évalués dans un environnement de simulation en utilisant l outil LTE-Sim au développement duquel nous avons contribué.Driven by the growing demand for high-speed broadband wireless services, Long term Evolution (LTE) technology has emerged as a competitive alternative to mobile communications solution. In several countries around the world, the implementation of LTE has started. LTE offers an IP-based framework that provides high data rates for multimedia applications. Moreover, based on the 3GPP specifications, the technology provides a set of built in mechanisms to support heterogeneous classes of traffic including data, voice and video, etc. Supporting heterogeneous classes of services means that the traffic is highly diverse and has distinct QoS parameters, channel and environmental conditions may vary dramatically on a short time scale. The 3GPP specifications leave unstandardized the resource management and scheduling mechanisms which are crucial components to guarantee the QoS performance for the services. In this thesis, we evaluate the performance and QoS in LTE technology. Moreover, our research addresses the resource management and scheduling issues on the wireless interface. In fact, after surveying, classifying and comparing different scheduling mechanisms, we propose three QoS mechanisms for resource allocation in macrocell scenarios focused on real time services and two mechanisms for interference mitigation in femtocell scenarios taking into account the QoS of real time services. Our first proposed mechanism for resource allocation in macrocell scenarios combines the well known virtual token (or token buckets) method with opportunistic schedulers, our second scheme utilizes game theory, specifically the Shapley value in order to achieve a higher fairness level among classes of services and our third mechanism combines the first and the second proposed schemes. Our first mechanism for interference mitigation in femtocell scenarios is power control based and works by using non cooperative games. It performs a constant bargain between throughput and SINR to find out the optimal transmit power level. The second mechanism is centralised, it uses a bandwidth division approach in order to not use the same subbands to avoid interference. The bandwidth division and assignation is performed based on game theory (Shapley value) taking into account the application bitrate . This scheme reduces interference considerably and shows an improvement compared to other bandwidth division schemes. All proposed mechanism are performed in a LTE simulation environment. several constraints such as throughput, Packet Loss Ratio, delay, fairness index, SINR are used to evaluate the efficiency of our schemesTOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Performances of LTE networks

Poussé par la demande croissante de services à haut débit sans fil, Long Term Evolution (LTE) a émergé comme une solution prometteuse pour les communications mobiles. Dans plusieurs pays à travers le monde, la mise en oeuvre de LTE est en train de se développer. LTE offre une architecture tout-IP qui fournit des débits élevés et permet une prise en charge efficace des applications de type multimédia. LTE est spécifié par le 3GPP ; cette technologie fournit une architecture capable de mettre en place des mécanismes pour traiter des classes de trafic hétérogènes comme la voix, la vidéo, les transferts de fichier, les courriers électroniques, etc. Ces classes de flux hétérogènes peuvent être gérées en fonction de la qualité de service requise mais aussi de la qualité des canaux et des conditions environnementales qui peuvent varier considérablement sur une courte échelle de temps. Les standards du 3GPP ne spécifient pas l’algorithmique de l’allocation des ressources du réseau d’accès, dont l’importance est grande pour garantir performance et qualité de service (QoS). Dans cette thèse, nous nous focalisons plus spécifiquement sur la QoS de LTE sur la voie descendante. Nous nous concentrons alors sur la gestion des ressources et l’ordonnancement sur l’interface radio des réseaux d’accès. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à des contextes de macro-cellules. Le premier mécanisme proposé pour l’allocation des ressources combine une méthode de jetons virtuels et des ordonnanceurs opportunistes. Les performances obtenues sont très bonnes mais n’assurent pas une très bonne équité. Notre seconde proposition repose sur la théorie des jeux, et plus spécifiquement sur la valeur de Shapley, pour atteindre un haut niveau d’équité entre les différentes classes de services au détriment de la qualité de service. Cela nous a poussé, dans un troisième mécanisme, à combiner les deux schémas. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux femto-cellules (ou femtocells) qui offrent des compléments de couverture appréciables. La difficulté consiste alors à étudier et à minimiser les interférences. Notre premier mécanisme d’atténuation des interférences est fondé sur le contrôle de la puissance de transmission. Il fonctionne en utilisant la théorie des jeux non coopératifs. On effectue une négociation constante entre le débit et les interférences pour trouver un niveau optimal de puissance d’émission. Le second mécanisme est centralisé et utilise une approche de division de la bande passante afin d’obliger les femtocells à ne pas utiliser les mêmes sous-bandes évitant ainsi les interférences. Le partage de bande passante et l’allocation sont effectués en utilisant sur la théorie des jeux (valeur de Shapley) et en tenant compte du type d’application. Ce schéma réduit les interférences considérablement. Tous les mécanismes proposés ont été testés et évalués dans un environnement de simulation en utilisant l’outil LTE-Sim au développement duquel nous avons contribué. ABSTRACT : Driven by the growing demand for high-speed broadband wireless services, Long term Evolution (LTE) technology has emerged as a competitive alternative to mobile communications solution. In several countries around the world, the implementation of LTE has started. LTE offers an IP-based framework that provides high data rates for multimedia applications. Moreover, based on the 3GPP specifications, the technology provides a set of built in mechanisms to support heterogeneous classes of traffic including data, voice and video, etc. Supporting heterogeneous classes of services means that the traffic is highly diverse and has distinct QoS parameters, channel and environmental conditions may vary dramatically on a short time scale. The 3GPP specifications leave unstandardized the resource management and scheduling mechanisms which are crucial components to guarantee the QoS performance for the services. In this thesis, we evaluate the performance and QoS in LTE technology. Moreover, our research addresses the resource management and scheduling issues on the wireless interface. In fact, after surveying, classifying and comparing different scheduling mechanisms, we propose three QoS mechanisms for resource allocation in macrocell scenarios focused on real time services and two mechanisms for interference mitigation in femtocell scenarios taking into account the QoS of real time services. Our first proposed mechanism for resource allocation in macrocell scenarios combines the well known virtual token (or token buckets) method with opportunistic schedulers, our second scheme utilizes game theory, specifically the Shapley value in order to achieve a higher fairness level among classes of services and our third mechanism combines the first and the second proposed schemes. Our first mechanism for interference mitigation in femtocell scenarios is power control based and works by using non cooperative games. It performs a constant bargain between throughput and SINR to find out the optimal transmit power level. The second mechanism is centralised, it uses a bandwidth division approach in order to not use the same subbands to avoid interference. The bandwidth division and assignation is performed based on game theory (Shapley value) taking into account the application bitrate . This scheme reduces interference considerably and shows an improvement compared to other bandwidth division schemes. All proposed mechanism are performed in a LTE simulation environment. several constraints such as throughput, Packet Loss Ratio, delay, fairness index, SINR are used to evaluate the efficiency of our scheme