Link level performance evaluation and link abstraction for LTE/LTE-advanced downlink

Els objectius principals d'aquesta tesis són l'avaluació del rendiment a nivell d'enllaç i l'estudi de l'abstracció de l'enllaç pel LTE/LTE-Advanced DL. S’ha desenvolupat un simulador del nivell d'enllaç E-UTRA DL basat en la tecnologia MIMO-OFDM. Es simulen els errors d'estimació de canal amb un model d'error de soroll additiu Gaussià anomenat CEEM. El resultat d'aquest simulador serveix per avaluar el rendiment a nivell d'enllaç del LTE/LTE-Advanced DL en diferents entorns . La idea bàsica dels mètodes d'abstracció de l'enllaç és mapejar el vector de SNRs de les subportadores a un valor escalar, l'anomenada ESNR, la qual és usada per a predir la BLER. Proposem un innovador mètode d'abstracció de l'enllaç que pot predir la BLER amb bona precisió en esvaïments multicamí i que inclouen els efectes de les retransmissions HARQ. El mètode proposat es basa amb l'estimació de la informació mútua entre els bits transmesos i els LLRs rebuts.The main objectives of this dissertation are the evaluation of the link level performance and the study of link abstraction for LTE/LTE-Advanced DL. An E-UTRA DL link level simulator has been developed based on MIMO-OFDM technology. We simulate channel estimation errors by a Gaussian additive noise error model called CEEM. The result of this simulator serves to evaluate the MIMO-OFDM LTE/LTE-Advanced DL link level performance in different environments. The basic idea of link abstraction methods is to map the vector of the subcarrier SNRs to a single scalar, the ESNR, which is then used to predict the BLER. We propose a novel link abstraction method that can predict the BLER with good accuracy in multipath fading and including the effects of HARQ retransmissions. The proposed method is based on estimating the mutual information between the transmitted bits and the received LLRs.Postprint (published version

Efficient Radio Resource Allocation Schemes and Code Optimizations for High Speed Downlink Packet Access Transmission

An important enhancement on the Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) air interface of the 3G mobile communications, High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) standard has been launched to realize higher spectral utilization efficiency. It introduces the features of multicode CDMA transmission and Adaptive Modulation and Coding (AMC) technique, which makes radio resource allocation feasible and essential. This thesis studies channel-aware resource allocation schemes, coupled with fast power adjustment and spreading code optimization techniques, for the HSDPA standard operating over frequency selective channel. A two-group resource allocation scheme is developed in order to achieve a promising balance between performance enhancement and time efficiency. It only requires calculating two parameters to specify the allocations of discrete bit rates and transmitted symbol energies in all channels. The thesis develops the calculation methods of the two parameters for interference-free and interference-present channels, respectively. For the interference-present channels, the performance of two-group allocation can be further enhanced by applying a clustering-based channel removal scheme. In order to make the two-group approach more time-efficient, reduction in matrix inversions in optimum energy calculation is then discussed. When the Minimum Mean Square Error (MMSE) equalizer is applied, optimum energy allocation can be calculated by iterating a set of eigenvalues and eigenvectors. By using the MMSE Successive Interference Cancellation (SIC) receiver, the optimum energies are calculated recursively combined with an optimum channel ordering scheme for enhancement in both system performance and time efficiency. This thesis then studies the signature optimization methods with multipath channel and examines their system performances when combined with different resource allocation methods. Two multipath-aware signature optimization methods are developed by applying iterative optimization techniques, for the system using MMSE equalizer and MMSE precoder respectively. A PAM system using complex signature sequences is also examined for improving resource utilization efficiency, where two receiving schemes are proposed to fully take advantage of PAM features. In addition by applying a short chip sampling window, a Singular Value Decomposition (SVD) based interference-free signature design method is presented

An Overview of Physical Layer Security with Finite-Alphabet Signaling

Providing secure communications over the physical layer with the objective of achieving perfect secrecy without requiring a secret key has been receiving growing attention within the past decade. The vast majority of the existing studies in the area of physical layer security focus exclusively on the scenarios where the channel inputs are Gaussian distributed. However, in practice, the signals employed for transmission are drawn from discrete signal constellations such as phase shift keying and quadrature amplitude modulation. Hence, understanding the impact of the finite-alphabet input constraints and designing secure transmission schemes under this assumption is a mandatory step towards a practical implementation of physical layer security. With this motivation, this article reviews recent developments on physical layer security with finite-alphabet inputs. We explore transmit signal design algorithms for single-antenna as well as multi-antenna wiretap channels under different assumptions on the channel state information at the transmitter. Moreover, we present a review of the recent results on secure transmission with discrete signaling for various scenarios including multi-carrier transmission systems, broadcast channels with confidential messages, cognitive multiple access and relay networks. Throughout the article, we stress the important behavioral differences of discrete versus Gaussian inputs in the context of the physical layer security. We also present an overview of practical code construction over Gaussian and fading wiretap channels, and we discuss some open problems and directions for future research.Comment: Submitted to IEEE Communications Surveys & Tutorials (1st Revision

Digital signal processing waveform aggregation and its experimental demonstration for next generation mobile fronthaul

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

A Link Level Simulation Framework for Machine Type Communication towards 5G

5G is currently in the initial phase of standardization and many aspects of the physical layer are yet to be decided, particularly related to Machine Type Communication (MTC). A flexible simulation framework that can easily adapt to the latest standardization developments is thus a valuable tool. Building upon the 3gpp release 13 specifications for MTC, the proposal is to build a link level simulation framework in Matlab allowing for quick prototyping of ideas and concepts towards 5G

An Overview of Physical Layer Security with Finite Alphabet Signaling

Providing secure communications over the physical layer with the objective of achieving secrecy without requiring a secret key has been receiving growing attention within the past decade. The vast majority of the existing studies in the area of physical layer security focus exclusively on the scenarios where the channel inputs are Gaussian distributed. However, in practice, the signals employed for transmission are drawn from discrete signal constellations such as phase shift keying and quadrature amplitude modulation. Hence, understanding the impact of the finite-alphabet input constraints and designing secure transmission schemes under this assumption is a mandatory step towards a practical implementation of physical layer security. With this motivation, this article reviews recent developments on physical layer security with finite-alphabet inputs. We explore transmit signal design algorithms for single-antenna as well as multi-antenna wiretap channels under different assumptions on the channel state information at the transmitter. Moreover, we present a review of the recent results on secure transmission with discrete signaling for various scenarios including multi-carrier transmission systems, broadcast channels with confidential messages, cognitive multiple access and relay networks. Throughout the article, we stress the important behavioral differences of discrete versus Gaussian inputs in the context of the physical layer security. We also present an overview of practical code construction over Gaussian and fading wiretap channels, and discuss some open problems and directions for future research

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

MIMO Systems

In recent years, it was realized that the MIMO communication systems seems to be inevitable in accelerated evolution of high data rates applications due to their potential to dramatically increase the spectral efficiency and simultaneously sending individual information to the corresponding users in wireless systems. This book, intends to provide highlights of the current research topics in the field of MIMO system, to offer a snapshot of the recent advances and major issues faced today by the researchers in the MIMO related areas. The book is written by specialists working in universities and research centers all over the world to cover the fundamental principles and main advanced topics on high data rates wireless communications systems over MIMO channels. Moreover, the book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity