Multiple Access Techniques for Next Generation Wireless: Recent Advances and Future Perspectives

The advances in multiple access techniques has been one of the key drivers in moving from one cellular generation to another. Starting from the first generation, several multiple access techniques have been explored in different generations and various emerging multiplexing/multiple access techniques are being investigated for the next generation of cellular networks. In this context, this paper first provides a detailed review on the existing Space Division Multiple Access (SDMA) related works. Subsequently, it highlights the main features and the drawbacks of various existing and emerging multiplexing/multiple access techniques. Finally, we propose a novel concept of clustered orthogonal signature division multiple access for the next generation of cellular networks. The proposed concept envisions to employ joint antenna coding in order to enhance the orthogonality of SDMA beams with the objective of enhancing the spectral efficiency of future cellular networks

Massive MIMO with Non-Ideal Arbitrary Arrays: Hardware Scaling Laws and Circuit-Aware Design

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems are cellular networks where the base stations (BSs) are equipped with unconventionally many antennas, deployed on co-located or distributed arrays. Huge spatial degrees-of-freedom are achieved by coherent processing over these massive arrays, which provide strong signal gains, resilience to imperfect channel knowledge, and low interference. This comes at the price of more infrastructure; the hardware cost and circuit power consumption scale linearly/affinely with the number of BS antennas $N$. Hence, the key to cost-efficient deployment of large arrays is low-cost antenna branches with low circuit power, in contrast to today's conventional expensive and power-hungry BS antenna branches. Such low-cost transceivers are prone to hardware imperfections, but it has been conjectured that the huge degrees-of-freedom would bring robustness to such imperfections. We prove this claim for a generalized uplink system with multiplicative phase-drifts, additive distortion noise, and noise amplification. Specifically, we derive closed-form expressions for the user rates and a scaling law that shows how fast the hardware imperfections can increase with $N$ while maintaining high rates. The connection between this scaling law and the power consumption of different transceiver circuits is rigorously exemplified. This reveals that one can make the circuit power increase as $\sqrt{N}$, instead of linearly, by careful circuit-aware system design.Comment: Accepted for publication in IEEE Transactions on Wireless Communications, 16 pages, 8 figures. The results can be reproduced using the following Matlab code: https://github.com/emilbjornson/hardware-scaling-law

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

Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions

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

Doctor of Philosophy

dissertationCross layer system design represents a paradigm shift that breaks the traditional layer-boundaries in a network stack to enhance a wireless network in a number of di erent ways. Existing work has used the cross layer approach to optimize a wireless network in terms of packet scheduling, error correction, multimedia quality, power consumption, selection of modulation/coding and user experience, etc. We explore the use of new cross layer opportunities to achieve secrecy and e ciency of data transmission in wireless networks. In the rst part of this dissertation, we build secret key establishment methods for private communication between wireless devices using the spatio-temporal variations of symmetric-wireless channel measurements. We evaluate our methods on a variety of wireless devices, including laptops, telosB sensor nodes, and Android smartphones, with diverse wireless capabilities. We perform extensive measurements in real-world environments and show that our methods generate high entropy secret bits at a signi cantly faster rate in comparison to existing approaches. While the rst part of this dissertation focuses on achieving secrecy in wireless networks, the second part of this dissertation examines the use of special pulse shaping lters of the lterbank multicarrier (FBMC) physical layer in reliably transmitting data packets at a very high rate. We rst analyze the mutual interference power across subcarriers used by di erent transmitters. Next, to understand the impact of FBMC beyond the physical layer, we devise a distributed and adaptive medium access control protocol that coordinates data packet tra c among the di erent nodes in the network in a best e ort manner. Using extensive simulations, we show that FBMC consistently achieves an order-of-magnitude performance improvement over orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in several aspects, including packet transmission delays, channel access delays, and e ective data transmission rate available to each node in static indoor settings as well as in vehicular networks

Broadband wireless communication systems for high mobility scenarios

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01[Resumen] A lo largo de los últimos años el uso de servicios multimedia y, en general, basados en el acceso a información “en la nube”, experimentó un auge sin precedentes. A diferencia respecto del pasado, los usuarios no solamente acceden a los servicios desde una ubicación estática; por contra, navegan libremente entre distintos lugares al tiempo que acceden, desde sus dispositivos móviles, a servicios en la nube. Debido al ritmo de vida actual, el tránsito entre zonas rurales y ciudades también se incrementó de modo notable, al ubicarse la mayor parte de los lugares de trabajo en ciudades o en sus respectivos entornos. Durante los períodos de transporte, cada vez más, los pasajeros emplean sus dispositivos móviles para trabajar, acceder a redes sociales o como dispositivos de entretenimiento. En la actualidad, GSM for Railways (GSM-R) es el sistema de comunicaciones más empleado entre los trenes y el resto de elementos involucrados en la infraestructura ferroviaria. Sin embargo, GSM-R no es adecuado para proporcionar servicios avanzados, tales como el control de piloto automático, así como para sustentar transmisiones de banda ancha a los operadores ferroviarios o proporcionar servicios de valor añadido a los pasajeros. Centrándonos en el mercado de dispositivos de comunicaciones de ámbito general, la explosión de usuarios y servicios multimedia de los últimos años motivó la migración, primero a las redes de tercera generación y, seguidamente, a las de cuarta, con Long Term Evolution (LTE) a la cabeza. Así, parece natural plantear a LTE como la tecnología candidata para la sustitución de GSM-R. En el presente trabajo se lleva a cabo un completo estudio de las prestaciones de sistemas de comunicaciones inalámbricas de banda ancha en vehículos de alta velocidad basado en campañas de medidas llevadas a cabo en entornos reales. Se estudió especialmente el caso de comunicaciones LTE en trenes de alta velocidad. Se proponen técnicas de reducción del coste y complejidad en relación a las evaluaciones en entornos de alta velocidad y se prueba su funcionamiento de modo analítico, mediante simulación y empíricamente. De cara a validar los desarrollos presentados en esta tesis en relación a los últimos avances en materia comunicaciones, se consideraron también las más novedosas propuestas para sistemas de quinta generación, actualmente aún en fase de definición. Es más, se evaluaron, tanto mediante simulación como vía medidas en entornos de alta velocidad, las prestaciones brindadas por las propuestas para sistemas de comunicaciones de quinta generación. El código fuente del GTEC Testbed y del GTEC 5G Simulator está disponible públicamente bajo la licencia GPLv3 en https://bitbucket.org/tomas_bolano/gtec_testbed_public.git.[Resumo] Ao longo dos últimos anos o uso de servizos multimedia e, en xeral, baseados no acceso a información contida “na nube”, experimentou un auxe sen precedentes. A diferencia respecto do pasado, os usuarios non soamente acceden aos servizos dende unha ubicación estática; pola contra, navegan libremente entre distintos lugares ao tempo que acceden, dende os seus dispositivos móbiles, a servizos na nube. Debido ao ritmo de vida actual, o tránsito entre zonas rurais e cidades tamén se incrementou de modo notable, ao ubicarse a maior parte dos lugares de traballo nas cidades ou nas súas respectivas contornas. Durante os períodos de transporte, cada vez máis, os pasaxeiros empregan os seus dispositivos móbiles para traballar, acceder a redes sociais ou como ferramenta de entretemento. O factor común da maior parte dos servizos típicamente empregados é a súa dependencia respecto do acceso á rede. Na actualidade, GSM for Railways (GSM-R), baseado no xa vetusto GSM, é o sistema de comunicacións máis empregado entre os trens e o resto dos elementos involucrados na infraestrutura ferroviaria. Sen embargo, GSM-R non é axeitado para proporcionar servizos avanzados, tales como o control de piloto automático, así como para sustentar transmisións de banda ancha aos operadores ferroviarios ou proporcionar servizos de valor engadido aos pasaxeiros. Botando unha ollada ao mercado de dispositivos de comunicacións de ámbito xeral, a explosión de usuarios e servizos multimedia dos últimos anos motivou a migración, primeiro ás redes de terceira xeración e, seguidamente, ás de cuarta, con Long Term Evolution (LTE) á cabeza. Así, parece natural plantexar LTE como o candidato para a substitución de GSM-R. No presente traballo lévase a cabo un completo estudo das prestacións de sistemas de comunicacións sen fíos de banda ancha en vehículos de alta velocidade baseado en campañas de medidas levadas a cabo en contornas reais de alta velocidade. Estudouse especialmente o caso de comunicacións LTE en trens de alta velocidade. Propóñense técnicas de redución de custo e complexidade en relación ás avaliacións en contornas de alta velocidade e valídase o seu funcionamento de xeito analítico, mediante simulación e empíricamente. Os desenvolvementos presentados nesta tese foron validados para os sistemas de quinta xeración, aínda en fase de definición. Avaliáronse, mediante simulación e experimentalmente en contornas de alta velocidade, as prestacións brindadas polas propostas para sistemas de comunicacións de quinta xeración. O código fonte do GTEC Testbed e do GTEC 5G Simulator está dispoñible públicamente baixo a licenza GPLv3 en https://bitbucket.org/tomas_bolano/gtec_testbed_public.git.[Abstract] Over the last few years multimedia and data-based services experienced a non-stopping growth. Unlike before, people do not use the services only from a static location, but they are continuously on the move between different scenarios, using their mobile devices to access data-based services. In parallel, commuter traffic from rural areas is also rising, since most of work places are in and around cities. During transportation, people intensively employ mobile devices to work, access to social networks, or as an entertainment means. Internet access is required for most of these services. Currently, GSM for Railways (GSM-R), which is based on the Global System for Mobile Communications (GSM), is the most widely used communication system between trains and the elements involved in operation, control, and intercommunication within the railway infrastructure. However, GSM-R is not well suited for supporting advanced services such as automatic pilot applications or provisioning broadband services to the train staff and passengers. Besides trains, the increasing number of broadband services available for mobile devices motivated the migration from third-generation mobile networks to fourth generation ones, mainly Long Term Evolution (LTE). Therefore, LTE seems to be a good candidate to substitute the GSM as the fundamental technology for railway communications. In this work a complete study on the performance of high capacity broadband wireless communication systems for high speed vehicles is presented, based on measurement campaigns in actual high speed environments. Special attention is devoted to the case of LTE in high speed trains. Techniques to greatly reduce the cost and complexity of measurement-based evaluations in high speed scenarios are proposed and proven to work analytically, by means of simulations and by measurements in actual high speed environments. With the aim of checking the validity of the findings of this work for the latest advances in wireless communication systems, proposals for fifth generation (5G) communication systems, currently still under definition, were also considered. Moreover, the performance of the proposals for 5G communication systems was also evaluated by means of simulations as well as by measuring in high speed environments. The source code of both the GTEC Testbed and the GTEC 5G Simulator is publicly available under the GPLv3 license at https://bitbucket.org/tomas_bolano/gtec_testbed_public.git