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

Gemeinsame Kommunikation und Positionierung basierend auf Interleave-Division Multiplexing

Interest in joint communication and positioning is steadily increasing because the combination of both techniques offers a wide range of advantages. On the one hand, synergy effects between communication and positioning like enhanced resource allocation can be exploited. On the other hand, new applications are enabled. Examples comprise a wide area of interest and include the automated localisation of emergency calls, tracking and guiding fire fighters or policemen on a mission, monitoring people with special needs in a hospital or a nursing home, asset tracking, location-based services and so forth. However, it is a challenging task to combine communication and positioning because their prerequisites are quite different. On the one hand, high data rates with little training overhead and low bit error rate are desirable for communication. On the other hand, localisation aims at precise position estimates. Much training is typically spent for that purpose. Given a single transmit signal supporting communication as well as positioning, it is very difficult to fulfil all requirements at the same time. Hence, a flexible configuration is desirable for a joint communication and positioning system with a unified signal structure in order to adjust the tradeoff between both parts to the instantaneous needs. In this thesis, a new system concept for joint communication and positioning with a unified signal structure is proposed and investigated. The system concept is based on interleave-division multiplexing (IDM) in combination with pilot layer aided channel estimation (PLACE) and multilateration via the time of arrival (TOA). On the one hand, IDM seems to be a suitable candidate for a joint communication and positioning system because of its flexible but simple transmitter structure. On the other hand, multilateration via the TOA enables precise localisation. The connection between the communication and the positioning part is accomplished via an enhanced PLACE unit. Through the incorporation of a channel parameter estimator, not only the channel coefficients of the equivalent discrete-time channel model, that are needed for data detection, but also parameters of the physical channel, that are required for positioning, can be estimated. A priori information about pulse shaping and receive filtering is exploited for that purpose. The main aim of this thesis is to show the feasibility of the proposed joint communication and positioning system. Hence, a fundamental system setup is analysed systematically. Since many applications of joint communication and positioning are located in urban or indoor environments, a very high positioning accuracy in the centimetre region is desirable. Unfortunately, positioning is most challenging in these environments due to severe multipath propagation. In order to achieve the required accuracies, the positioning part of the proposed system concept can be complemented by other localisation sources like GPS/Galileo and/or motion sensors via sensor fusion. However, the stand-alone performance of the proposed joint communication and positioning system is evaluated by means of Monte Carlo simulations in this thesis. The achieved results are compared to performance limits in terms of Cramer-Rao lower bounds. In order to improve the overall system performance and to enable sensor fusion, soft information with respect to the parameter as well as the position estimates is taken into account. The accuracy of the soft information is analysed with the help of curvature measures. Altogether, promising results are obtained.Das Interesse an gemeinsamer Kommunikation und Positionierung nimmt aufgrund vieler Vorteile stetig zu: Durch die Kombination beider Techniken können Synergieeffekte wie beispielsweise eine verbesserte Ressourcenverteilung ausgenutzt werden. Des Weiteren werden neue Anwendungen in den unterschiedlichsten Bereichen ermöglicht: Notrufe können automatisch lokalisiert werden, Feuerwehrmänner und Polizisten im Einsatz können durch eine Verfolgung ihrer Position und gegebenenfalls eine Überwachung ihrer Vitalwerte besser angeleitet und koordiniert werden, Patienten mit speziellen Bedürfnissen in Krankenhäusern können durch ein effizientes Monitoring besser versorgt werden, Ein- und Auslagerungsprozesse in Warenhäusern können erleichtert werden, positionsbezogene Dienste können realisiert werden und vieles anderes mehr. Aufgrund der verschiedenen Anforderungen von Kommunikations- und Positionierungsdiensten ist es schwierig, diese beiden Bereiche zu vereinen. Einerseits sollen große Datenraten mit geringem Trainingsaufwand als auch geringen Bitfehlerraten erreicht werden. Andererseits ist eine hohe Positionierungsgenauigkeit erwünscht, die einen großen Trainingsaufwand erfordert. In einem Systementwurf mit einer einheitlichen Signalstruktur ist es schwer, alle Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Daher ist ein flexibler Systementwurf von Vorteil, um den Abtausch zwischen Kommunikation und Positionierung an die aktuellen Bedürfnisse anpassen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem mit einer einheitlichen Signalstruktur vorgeschlagen und untersucht. Der Systementwurf basiert auf Interleave-Division Multiplexing (IDM) in Kombination mit einer Pilotlayer basierten Kanalschätzung und Multilateration mit Hilfe der Signalankunftszeit, im Folgenden Time of Arrival (TOA) genannt. Einerseits ist IDM aufgrund seiner flexiblen, jedoch einfachen Senderstruktur gut für ein gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem geeignet. Andererseits ermöglicht eine Multilateration mit Hilfe der TOA hohe Positionierungsgenauigkeiten. Die Verbindung zwischen beiden Komponenten wird durch eine erweiterte Pilotlayer basierte Kanalschätzung erreicht: Durch die Verwendung eines Kanalparameterschätzers können sowohl die Kanalkoeffizienten des äquivalenten zeitdiskreten Ersatzkanalmodells, die für die Datendetektion benötigt werden, als auch Parameter des physikalischen Kanals, die für die Lokalisierung erforderlich sind, geschätzt werden. A priori Information bezüglich des Pulsformungs- und Empfangsfilters werden hierfür ausgenutzt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen gemeinsamen Kommunikations- und Positionierungssystems zu zeigen. Daher wird ein grundlegender Systementwurf systematisch analysiert. Da viele Anwendungen von gemeinsamer Kommunikation und Positionierung innerhalb von Städten oder Gebäuden angesiedelt sind, ist eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit im Zentimeter-Bereich wünschenswert. Unglücklicherweise ist es in diesen Gebieten aufgrund von starker Mehrwegeausbreitung besonders schwer, die Position eines Objektes zu bestimmen. Allerdings kann die Positionierungskomponente durch andere Lokalisierungsquellen wie beispielsweise GPS/Galileo und/oder Bewegungssensoren mittels Sensorfusion ergänzt werden, um die erforderlichen Genauigkeiten zu erreichen. In Rahmen dieser Arbeit wird jedoch nur die eigenständige Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Systementwurfs mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht. Die Simulationsergebnisse werden mit Leistungsgrenzen in Form von Cramer-Rao Untergrenzen verglichen. Dabei wird Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der geschätzten Parameter und der geschätzten Position berücksichtigt, um die gesamte Systemleistung zu verbessern und Sensorfusion zu ermöglichen. Die Genauigkeit der Zuverlässigkeitsinformation wird mit Hilfe von Krümmungsmaßen analysiert. Insgesamt werden vielversprechende Ergebnisse erzielt