Precoder and combiner design for generalized spatial modulation based multiuser MIMO systems

Multiple input multiple output (MIMO) schemes based on generalized spatial modulations (GSM) have been widely considered as potential candidate techniques for next-generation wireless networks, as they can improve both spectral and energy efficiency. In this paper we propose a multi-user MIMO system, where a base station transmits precoded GSM symbols to several receivers. In the adopted GSM approach, multiple antennas transmit different high-level QAM symbols simultaneously. The precoder is designed in order to remove interference between users while an iterative algorithm is applied at the receiver to accomplish single-user GSM detection. Simulation results show that the presented GSM MU-MIMO approach is capable to effectively exploit a large number of transmit antennas deployed at the transmitter and also provide performance gains over conventional MU-MIMO schemes with identical spectral efficiencies.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

Frequency domain equalization for single and multiuser generalized spatial modulation systems in time dispersive channels

In this letter, a low-complexity iterative detector with frequency domain equalization is proposed for generalized spatial modulation (GSM) aided single carrier (SC) transmissions operating in frequency selective channels. The detector comprises three main separate tasks namely, multiple-input multiple-output (MIMO) equalization, active antenna detection per user and symbol wise demodulation. This approach makes the detector suitable for a broad range of MIMO configurations, which includes single-user and multiuser scenarios, as well as arbitrary signal constellations. Simulation results show that the receiver can cope with the intersymbol interference induced by severe time dispersive channels and operate in difficult underdetermined scenarios.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

Enhanced performance and efficiency schemes for generalised spatial modulation.

Doctor of Philosophy in Electronic Engineering. University of KwaZulu-Natal, Durban 2017.Abstract available in PDF file

Desenho de pré-codificadores e combinadores para comunicações multiutilizador assistidas por modulações de índice em sistemas pós 5G

Considerando os avanços tecnológicos das últimas décadas, espera-se que a próxima geração de comunicações sem fios siga a tendência de um aumento significativo da robustez do sistema, da eficiência espectral (SE) e da eficiência energética (EE). Atualmente na era do pós-5G, os esquemas de "Multiple Input, Multiple Output" (MIMO) baseados em modulações espaciais generalizadas (GSM) bem como noutras modulações de índices (IM), têm sido amplamente considerados como potenciais técnicas candidatas para as redes sem fios. Esta dissertação tem como objetivo desenhar e estudar um sistema MIMO para comunicações multiutilizador integrando símbolos GSM e símbolos de modulação de índices generalizada no espaço-frequência (GSFIM). Numa primeira parte estuda-se um sistema MIMO multiutilizador, em que uma estação base (BS) transmite símbolos GSM pré-codificados para vários recetores. Na abordagem GSM adotada, múltiplas antenas transmitem simultaneamente diferentes símbolos M-QAM de alto nível, até M =1024. O pré-codificador é desenvolvido de modo a remover interferências entre utilizadores enquanto um algoritmo iterativo baseado no "alternating direction method of multipliers" (ADMM) é aplicado no recetor para realizar a deteção GSM de um único utilizador. Os resultados mostram que a abordagem GSM MU-MIMO apresentada é capaz de explorar eficazmente um grande número de antenas de transmissão implantadas no transmissor e também proporcionar ganhos de desempenho sobre esquemas convencionais MU-MIMO com eficiências espectrais idênticas. Numa segunda parte, introduz-se uma nova dimensão (para além do espaço), a frequência. Estuda-se assim o comportamento dos recetores MMSE e OB-MMSE, num sistema MIMO baseado em GSFIM. Os resultados mostram que o sistema GSFIM MUMIMO explora de forma competente as comunicações com grande número de antenas/sub-portadoras, apresentando melhores desempenhos quando usada com um recetor OB-MMSE.Considering the technological advances of the last decades, the next generation of wireless communications is expected to follow the trend of a significant increase in system robustness, spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE). Today in the post5G era, Multiple Input, Multiple Output (MIMO) schemes based on generalised spatial modulations (GSM) as well as other index modulations (IM) have been widely considered as potential candidate techniques for wireless networks. This dissertation aims to design and study a MIMO system for multi-user communications integrating GSM symbols and generalised space-frequency index modulation (GSFIM) symbols. In a first part, a multi-user MIMO system is studied, in which a base station (BS) transmits pre-coded GSM symbols to several receivers. In the GSM approach adopted, multiple antennas transmit different high-level M-QAM symbols simultaneously, up to M =1024. The precoder is designed to remove interference between users while an iterative algorithm based on the alternating direction method of multipliers (ADMM) is applied to the receiver to perform single user GSM detection. The results show that the GSM MU-MIMO approach presented is capable of effectively exploiting a large number of transmission antennas deployed on the transmitter and also provides desempenho gains over conventional MU-MIMO schemes with identical spectral efficiencies. In a second part, a new dimension (beyond space) is introduced, frequency. The behaviour of MMSE and OB-MMSE receivers in a GSFIM-based MIMO system is thus studied. The results show that the GSFIM MU-MIMO system competently exploits communications with large numbers of antennas/sub-carriers and performs better when used with an OB-MMSE receiver

Design of terahertz transceiver schemes for ultrahigh-speed wireless communications

Future ultra-high-speed wireless communication systems face difficult challenges due to the fundamental limitations of current technologies operating at microwave frequencies. Supporting high transmission rates will require the use of more spectral resources that are only available at higher frequencies. Within this context, terahertz (THz) communications have been attracting more and more attention, being considered by the research community as one of the most promising research fields on the topic due to the availability of extensive unused bandwidth segments. However, its widespread use is not yet possible due to some obstacles, such as the high propagation losses that occur in this band and the difficulty in designing devices that can effectively perform both transmission and detection tasks. The purpose of this dissertation is to contribute for the solution of both of the aforementioned problems and to propose novel THz transceiver schemes for ultra-high-speed wireless communications. Three main research areas were addressed: device modelling for the THz; index modulation (IM) based schemes for Beyond 5G (B5G) networks and hybrid precoding designs for THz ultra massive (UM) – multiple input multiple output (MIMO) systems. The main contributions of this work include the creation of a new design for a reconfigurable THz filter; the proposal of a precoded generalized spatial modulation scheme for downlink MIMO transmissions in B5G networks; the creation of a low-complexity hybrid design algorithm with a near fully-digital performance for multiuser (MU) mmWave/THz ultra massive MIMO systems that can incorporate different analog architectures; and the system-level assessment of cloud radio access network (C-RAN) deployments based on low-complexity hybrid precoding designs for massive MIMO downlink transmissions in B5G networks. The first contribution is especially suited for the implementation of reconfigurable THz filters and optical modulators, since it is based on a simple design, which transits from situations in which it presents a full transparency to situations where it achieves full opacity. Moreover, this approach can also be used for the implementation of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RIS) which are important for enabling flexible system designs in RIS-assisted networks. The second contribution showed that the implementation of precoding schemes based on generalised spatial modulations is a solution with a considerable potential for future B5G systems, since it can provide larger throughputs when compared to conventional MU-MIMO schemes with identical spectral efficiencies.The last two contributions showed that through the proposed hybrid design algorithm it becomes possible to replace a fully digital precoder/combiner by a fully-connected or even by a partially-connected architecture (array of subarrays and dynamic array of subarrays), while achieving good tradeoffs between spectral efficiency, power consumption and implementation complexity. These proposals are particularly relevant for the support of UM-MIMO in severely hardware constrained THz systems. Moreover, the capability of achieving significant improvements in terms of throughput performance and coverage over typical cellular networks, when considering hybrid precoding‐based C-RAN deployments in two indoor office scenarios at the THz band, was demonstrated.Os futuros sistemas de comunicação sem fios de velocidade ultra-elevada enfrentam desafios difíceis devido às limitações fundamentais das tecnologias atuais que funcionam a frequências de microondas. O suporte de taxas de transmissão altas exigirá a utilização de mais recursos espectrais que só estão disponíveis em frequências mais elevadas. A banda Terahertz (THz) é uma das soluções mais promissoras devido às suas enormes larguras de banda disponíveis no espectro eletromagnético. No entanto, a sua utilização generalizada ainda não é possível devido a alguns obstáculos, tais como as elevadas perdas de propagação que se verificam nesta banda e a dificuldade em conceber dispositivos que possam desempenhar eficazmente as tarefas de transmissão e deteção. O objetivo desta tese de doutoramento, é contribuir para ambos os problemas mencionados anteriormente e propor novos esquemas de transcetores THz para comunicações sem fios de velocidade ultra-elevada. Três grandes áreas de investigação foram endereçadas, contribuindo individualmente para um todo: a modelação do dispositivo para o THz; esquemas baseados em modulações de índice (IM) para redes pós-5G (B5G) e desenhos de pré-codificadores híbridos para sistemas THz MIMO ultra-massivos. As principais contribuições deste trabalho incluem a criação de um novo design para um filtro THz reconfigurável; a proposta de uma nova tipologia de modulação espacial generalizada pré-codificada para transmissões MIMO de ligação descendente para redes B5G; a criação de um algoritmo de design híbrido de baixa complexidade com desempenho quase totalmente digital para sistemas MIMO multi-utilizador (MU) mmWave/THz ultra massivos que podem incorporar diferentes arquiteturas analógicas e a avaliação das implementações da rede de acesso de rádio na nuvem (C-RAN) com base em designs de pré-codificação híbridos de baixa complexidade para transmissões MIMO de ligação descendente massivas em redes B5G. A primeira contribuição é especialmente adequada para a implementação de filtros THz reconfiguráveis e moduladores óticos, uma vez que se baseia numa concepção mais simples, que transita de situações em que apresenta uma transparência total para situações em que atinge uma opacidade total. Para além disso, esta abordagem também pode ser utilizada para a implementação de superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS) de transmissão e reflexão simultânea (STAR). A segunda contribuição mostrou que a implementação de esquemas de pré-codificação baseados em modulações espaciais generalizadas é uma solução com um potencial considerável para futuros sistemas B5G, uma vez que permite alcançar maiores ganhos em termos de débito binário quando comparado com esquemas convencionais MU-MIMO com eficiências espectrais idênticas. As duas últimas contribuições mostraram que através do algoritmo proposto torna-se possível substituir a utilização de uma arquitectura totalmente digital por uma arquitetura totalmente conectada ou mesmo por uma arquitetura parcialmente conectada (arrays de subarrays e arrays dinâmicos de subarrays), conseguindo-se bons tradeoffs entre eficiência espectral, consumo de energia e complexidade de implementação. Estas propostas são particularmente relevantes para dar suporte a sistemas THz UM-MIMO com restrições severas ao nível de hardware. Demonstrou-se também a capacidade de se alcançar melhorias significativas em termos de débito binário e cobertura em relação a redes celulares típicas, considerando dois cenários na banda THz