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Multidimensional Index Modulation for 5G and Beyond Wireless Networks
This study examines the flexible utilization of existing IM techniques in a
comprehensive manner to satisfy the challenging and diverse requirements of 5G
and beyond services. After spatial modulation (SM), which transmits information
bits through antenna indices, application of IM to orthogonal frequency
division multiplexing (OFDM) subcarriers has opened the door for the extension
of IM into different dimensions, such as radio frequency (RF) mirrors, time
slots, codes, and dispersion matrices. Recent studies have introduced the
concept of multidimensional IM by various combinations of one-dimensional IM
techniques to provide higher spectral efficiency (SE) and better bit error rate
(BER) performance at the expense of higher transmitter (Tx) and receiver (Rx)
complexity. Despite the ongoing research on the design of new IM techniques and
their implementation challenges, proper use of the available IM techniques to
address different requirements of 5G and beyond networks is an open research
area in the literature. For this reason, we first provide the dimensional-based
categorization of available IM domains and review the existing IM types
regarding this categorization. Then, we develop a framework that investigates
the efficient utilization of these techniques and establishes a link between
the IM schemes and 5G services, namely enhanced mobile broadband (eMBB),
massive machine-type communications (mMTC), and ultra-reliable low-latency
communication (URLLC). Additionally, this work defines key performance
indicators (KPIs) to quantify the advantages and disadvantages of IM techniques
in time, frequency, space, and code dimensions. Finally, future recommendations
are given regarding the design of flexible IM-based communication systems for
5G and beyond wireless networks.Comment: This work has been submitted to Proceedings of the IEEE for possible
publicatio
Stacked Modulation Formats Enabling Highest-Sensitivity Optical Free-Space Communications
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit hochempfindlichen optischen Kommunikationssystemen, wie sie z.B. bei Intersatellitenlinks verwendet werden. Theoretische Überlegungen zur Steigerung der Empfängerempfindlichkeit werden mit Simulations- und Messergebnissen ergänzt und verifiziert.
Auf Grund der steigenden Nachfrage nach optischen Links zwischen Satelliten stellt sich die Frage, was sind geeignete Eckparameter, um ein solches System zu beschreiben. Die gigantischen Datenmengen, die von diversen Messgeräten, wie z.B. hochauflösende Kameras auf einem Satelliten generiert werden, bringen die Kapazitäten klassischer HF-Datenlinks an ihre Grenzen. Hier können optische Kommunikationssysteme auf Grund ihrer hohen Trägerfrequenz im Infrarotbereich sehr hohe Datenraten im Terabit/s Bereich ermöglichen. Systeme mit Radiowellen im GHz Bereich als Trägerfrequenz sind hier deutlich limitierter. [7]
Linkdistanz, verfügbare Leistung, Pointinggenauigkeit und verfügbare Antennengröße sind einige Parameter, die einen wichtigen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems haben. Je größer die Distanz und desto kleiner die verfügbare Antennengröße sowohl am Sender als auch am Empfänger sind, desto weniger Signalleistung wird den Detektor erreichen. Nimmt man dann noch ungenaues Pointing hinzu, d.h. Sender und Empfänger sind nicht exakt aufeinander ausgerichtet, treten zusätzliche Verluste auf. [7]
Ziel dieser Arbeit ist es, ein vereinfachtes System zu implementieren und zu testen, das mit möglichst wenigen Photonen pro Bit bei einer gegebenen Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer möglichst hohen Datenrate arbeiten kann. Hierfür werden alle Freiheitsgrade einer optischen Welle zur Modulation verwendet, um mit sog. „Stapeln“ von Modulationsformaten eine Empfindlichkeitssteigerung zu erreichen. Die Amplitude des Signals wird durch Pulspositionsmodulation (PPM) moduliert, wobei das zeitlich variable Vorhandensein eines Pulses innerhalb des Symbols die Information enthält. Dieses Modulationsformat weist bis dato die höchste Empfindlichkeit in Literatur und Experimenten auf [4]. Je mehr Möglichkeiten es gibt, einen Puls in einem Symbol zu platzieren, desto höher ist die zu erwartende Empfindlichkeit des Systems. Mit anderen Worten: Steigert man die zeitliche Dauer eines PPM-Symbols, so wächst ebenfalls die Empfängerempfindlichkeit. Da bei diesem Ansatz die Datenrate sinkt, wird in dieser Arbeit eine andere Methode vorgestellt, die Empfindlichkeit eines Übertragungssystems zu steigern, ohne die Symbollänge unnötig in die Länge zu ziehen.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Stapeln (sog. „Stacking“) von Modulationsformaten, in dem neben der Amplitudenmodulation weitere Freiheitsgrade, wie die Frequenz, Phase und Polarisation geschickt genutzt werden. Bei der Frequenzumtastung (FSK) wird die optische Frequenz je nach Symbol um ein gewisses Maß verschoben. Bei der polarisations-geschalteten Quadratur-Phasenumtastung (PS-QPSK) werden sowohl die Phase, als auch die Polarisation der optischen Welle moduliert [12]. Als Endergebnis erhält man PPM-FSK-PS-QPSK als Modulationsformat mit hoher Empfindlichkeit. Gegenüber dem reinen PPM wird eine theoretische Empfindlichkeitssteigerung von mehr als 1 dB erreicht. Sowohl Simulations- als auch Messergebnisse bestätigen den Empfindlichkeitsgewinn
Power saving and optimal hybrid precoding in millimeter wave massive MIMO systems for 5G
The proliferation of wireless services emerging from use cases offifth-generation(5G) technology is posing many challenges on cellular communicationinfrastructure. They demand to connect a massive number of devices withenhanced data rates. The massive multiple-input multiple-output (MIMO)technology at millimeter-wave (mmWave) in combination with hybrid precodingemerges as a concrete tool to address the requirements of 5G networkdevelopments. But Massive MIMO systems consume significant power fornetwork operations. Hence the prior role is to improve the energy efficiency byreducing the power consumption. This paper presents the power optimizationmodels for massive MIMO systems considering perfect channel state information(CSI) and imperfect CSI. Further, this work proposes an optimal hybrid precodingsolution named extended simultaneous orthogonal matchingpursuit (ESOMP).Simulation results reveal that a constant sum-rate can be achieved in massiveMIMO systems while significantly reducing the power consumption. Theproposed extended SOMPhybrid precoder performsclose to the conventionaldigital beamforming method. Further, modulation schemes compatible withmassive MIMO systems are outlined and their bit error rate (BER) performance isinvestigate
Study of modulation techniques for multiple access satellite communications
Multiple access communication utilizing small ground stations for satellite communication modulation - multiplexing technique
FGPA Implementation of Low-Complexity ICA Based Blind Multiple-Input-Multiple-Output OFDM Receivers
In this thesis Independent Component Analysis (ICA) based methods are used for blind detection in MIMO systems. ICA relies on higher order statistics (HOS) to recover the transmitted streams from the received mixture. Blind separation of the mixture is achieved based on the assumption of mutual statistical independence of the source streams. The use of HOS makes ICA methods less sensitive to Gaussian noise. ICA increase the spectral efficiency compared to conventional systems, without any training/pilot data required. ICA is usually used for blind source separation (BSS) from their mixtures by measuring non-Gaussianity using Kurtosis. Many scientific problems require FP arithmetic with high precision in their calculations. Moreover a large dynamic range of numbers is necessary for signal processing. FP arithmetic has the ability to automatically scale numbers and allows numbers to be represented in a wider range than fixed-point arithmetic. Nevertheless, FP algorithm is difficult to implement on the FPGA, because the algorithm is so complex that the area (logic elements) of FPGA leads to excessive consumption when implemented. A simplified 32-bit FP implementation includes adder, Subtractor, multiplier, divider, and square rooter The FPGA design is based on a hierarchical concept, and the experimental results of the design are presented
Spectrally Efficient FDM over Satellite Systems with Advanced Interference Cancellation
For high data rates satellite systems, where multiple carriers are frequency division multiplexed with a slight overlap,
the overall spectral efficiency is limited. This work applies highly overlapped carriers for satellite broadcast and broadband scenarios
to achieve higher spectral efficiency. Spectrally efficient frequency division multiplexing (SEFDM) compresses subcarrier
spacing to increase the spectral efficiency at the expense of orthogonality violation. SEFDM systems performance degrades compared
to orthogonal signals, unless efficient interference cancellation is used. Turbo equalisation with interference cancellation
is implemented to improve receiver performance for variable coding, compression and modulation/constellation proposals that
may be applied in satellite communications settings. Such parameters may be set to satisfy pre-defined spectral efficiency values
for a given quality index (QI) or associated application. Assuming LDPC coded data, the work proposes two approaches to
receiver design; a simple matched filter approach and an approach utilising an iterative interference cancellation structure specially
designed for SEFDM. Mathematical models and simulations studies are presented indicating promising gains to be achieved for
SEFDM transmission with advanced transceiver architectures at the cost of increased complexity at the receiver
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