Dirty RF Signal Processing for Mitigation of Receiver Front-end Non-linearity

Moderne drahtlose Kommunikationssysteme stellen hohe und teilweise gegensätzliche Anforderungen an die Hardware der Funkmodule, wie z.B. niedriger Energieverbrauch, große Bandbreite und hohe Linearität. Die Gewährleistung einer ausreichenden Linearität ist, neben anderen analogen Parametern, eine Herausforderung im praktischen Design der Funkmodule. Der Fokus der Dissertation liegt auf breitbandigen HF-Frontends für Software-konfigurierbare Funkmodule, die seit einigen Jahren kommerziell verfügbar sind. Die praktischen Herausforderungen und Grenzen solcher flexiblen Funkmodule offenbaren sich vor allem im realen Experiment. Eines der Hauptprobleme ist die Sicherstellung einer ausreichenden analogen Performanz über einen weiten Frequenzbereich. Aus einer Vielzahl an analogen Störeffekten behandelt die Arbeit die Analyse und Minderung von Nichtlinearitäten in Empfängern mit direkt-umsetzender Architektur. Im Vordergrund stehen dabei Signalverarbeitungsstrategien zur Minderung nichtlinear verursachter Interferenz - ein Algorithmus, der besser unter "Dirty RF"-Techniken bekannt ist. Ein digitales Verfahren nach der Vorwärtskopplung wird durch intensive Simulationen, Messungen und Implementierung in realer Hardware verifiziert. Um die Lücken zwischen Theorie und praktischer Anwendbarkeit zu schließen und das Verfahren in reale Funkmodule zu integrieren, werden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wird ein erweitertes Verhaltensmodell entwickelt, das die Struktur direkt-umsetzender Empfänger am besten nachbildet und damit alle Verzerrungen im HF- und Basisband erfasst. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit des Algorithmus unter realen Funkkanal-Bedingungen untersucht. Zusätzlich folgt die Vorstellung einer ressourceneffizienten Echtzeit-Implementierung des Verfahrens auf einem FPGA. Abschließend diskutiert die Arbeit verschiedene Anwendungsfelder, darunter spektrales Sensing, robuster GSM-Empfang und GSM-basiertes Passivradar. Es wird gezeigt, dass nichtlineare Verzerrungen erfolgreich in der digitalen Domäne gemindert werden können, wodurch die Bitfehlerrate gestörter modulierter Signale sinkt und der Anteil nichtlinear verursachter Interferenz minimiert wird. Schließlich kann durch das Verfahren die effektive Linearität des HF-Frontends stark erhöht werden. Damit wird der zuverlässige Betrieb eines einfachen Funkmoduls unter dem Einfluss der Empfängernichtlinearität möglich. Aufgrund des flexiblen Designs ist der Algorithmus für breitbandige Empfänger universal einsetzbar und ist nicht auf Software-konfigurierbare Funkmodule beschränkt.Today's wireless communication systems place high requirements on the radio's hardware that are largely mutually exclusive, such as low power consumption, wide bandwidth, and high linearity. Achieving a sufficient linearity, among other analogue characteristics, is a challenging issue in practical transceiver design. The focus of this thesis is on wideband receiver RF front-ends for software defined radio technology, which became commercially available in the recent years. Practical challenges and limitations are being revealed in real-world experiments with these radios. One of the main problems is to ensure a sufficient RF performance of the front-end over a wide bandwidth. The thesis covers the analysis and mitigation of receiver non-linearity of typical direct-conversion receiver architectures, among other RF impairments. The main focus is on DSP-based algorithms for mitigating non-linearly induced interference, an approach also known as "Dirty RF" signal processing techniques. The conceived digital feedforward mitigation algorithm is verified through extensive simulations, RF measurements, and implementation in real hardware. Various studies are carried out that bridge the gap between theory and practical applicability of this approach, especially with the aim of integrating that technique into real devices. To this end, an advanced baseband behavioural model is developed that matches to direct-conversion receiver architectures as close as possible, and thus considers all generated distortions at RF and baseband. In addition, the algorithm's performance is verified under challenging fading conditions. Moreover, the thesis presents a resource-efficient real-time implementation of the proposed solution on an FPGA. Finally, different use cases are covered in the thesis that includes spectrum monitoring or sensing, GSM downlink reception, and GSM-based passive radar. It is shown that non-linear distortions can be successfully mitigated at system level in the digital domain, thereby decreasing the bit error rate of distorted modulated signals and reducing the amount of non-linearly induced interference. Finally, the effective linearity of the front-end is increased substantially. Thus, the proper operation of a low-cost radio under presence of receiver non-linearity is possible. Due to the flexible design, the algorithm is generally applicable for wideband receivers and is not restricted to software defined radios

DSP-based mitigation of RF front-end non-linearity in cognitive wideband receivers

Software defined radios are increasingly used in modern communication systems, especially in cognitive radio. Since this technology has been commercially available, more and more practical deployments are emerging and its challenges and realistic limitations are being revealed. One of the main problems is the RF performance of the front-end over a wide bandwidth. This paper presents an analysis and mitigation of RF impairments in wideband front-ends for software defined radios, focussing on non-linear distortions in the receiver. We discuss the effects of non-linear distortions upon spectrum sensing in cognitive radio and analyse the performance of a typical wideband software-defined receiver. Digital signal processing techniques are used to alleviate non-linear distortions in the baseband signal. A feed-forward mitigation algorithm with an adaptive filter is implemented and applied to real measurement data. The results obtained show that distortions can be suppressed significantly and thus increasing the reliability of spectrum sensing

Digitally-Enhanced Software-Defined Radio Receiver Robust to Out-of-Band Interference

A software-defined radio (SDR) receiver with improved robustness to out-of-band interference (OBI) is presented. Two main challenges are identified for an OBI-robust SDR receiver: out-of-band nonlinearity and harmonic mixing. Voltage gain at RF is avoided, and instead realized at baseband in combination with low-pass filtering to mitigate blockers and improve out-of-band IIP3. Two alternative “iterative” harmonic-rejection (HR) techniques are presented to achieve high HR robust to mismatch: a) an analog two-stage polyphase HR concept, which enhances the HR to more than 60 dB; b) a digital adaptive interference cancelling (AIC) technique, which can suppress one dominating harmonic by at least 80 dB. An accurate multiphase clock generator is presented for a mismatch-robust HR. A proof-of-concept receiver is implemented in 65 nm CMOS. Measurements show 34 dB gain, 4 dB NF, and 3.5 dBm in-band IIP3 while the out-of-band IIP3 is + 16 dBm without fine tuning. The measured RF bandwidth is up to 6 GHz and the 8-phase LO works up to 0.9 GHz (master clock up to 7.2 GHz). At 0.8 GHz LO, the analog two-stage polyphase HR achieves a second to sixth order HR > dB over 40 chips, while the digital AIC technique achieves HR > 80 dB for the dominating harmonic. The total power consumption is 50 mA from a 1.2 V supply

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Full-duplex wireless communications: challenges, solutions and future research directions

The family of conventional half-duplex (HD) wireless systems relied on transmitting and receiving in different time-slots or frequency sub-bands. Hence the wireless research community aspires to conceive full-duplex (FD) operation for supporting concurrent transmission and reception in a single time/frequency channel, which would improve the attainable spectral efficiency by a factor of two. The main challenge encountered in implementing an FD wireless device is the large power difference between the self-interference (SI) imposed by the device’s own transmissions and the signal of interest received from a remote source. In this survey, we present a comprehensive list of the potential FD techniques and highlight their pros and cons. We classify the SI cancellation techniques into three categories, namely passive suppression, analog cancellation and digital cancellation, with the advantages and disadvantages of each technique compared. Specifically, we analyse the main impairments (e.g. phase noise, power amplifier nonlinearity as well as in-phase and quadrature-phase (I/Q) imbalance, etc.) that degrading the SI cancellation. We then discuss the FD based Media Access Control (MAC)-layer protocol design for the sake of addressing some of the critical issues, such as the problem of hidden terminals, the resultant end-to-end delay and the high packet loss ratio (PLR) due to network congestion. After elaborating on a variety of physical/MAC-layer techniques, we discuss potential solutions conceived for meeting the challenges imposed by the aforementioned techniques. Furthermore, we also discuss a range of critical issues related to the implementation, performance enhancement and optimization of FD systems, including important topics such as hybrid FD/HD scheme, optimal relay selection and optimal power allocation, etc. Finally, a variety of new directions and open problems associated with FD technology are pointed out. Our hope is that this treatise will stimulate future research efforts in the emerging field of FD communication

Modeling and Digital Mitigation of Transmitter Imperfections in Radio Communication Systems

To satisfy the continuously growing demands for higher data rates, modern radio communication systems employ larger bandwidths and more complex waveforms. Furthermore, radio devices are expected to support a rich mixture of standards such as cellular networks, wireless local-area networks, wireless personal area networks, positioning and navigation systems, etc. In general, a "smart'' device should be flexible to support all these requirements while being portable, cheap, and energy efficient. These seemingly conflicting expectations impose stringent radio frequency (RF) design challenges which, in turn, call for their proper understanding as well as developing cost-effective solutions to address them. The direct-conversion transceiver architecture is an appealing analog front-end for flexible and multi-standard radio systems. However, it is sensitive to various circuit impairments, and modern communication systems based on multi-carrier waveforms such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) are particularly vulnerable to RF front-end non-idealities.This thesis addresses the modeling and digital mitigation of selected transmitter (TX) RF impairments in radio communication devices. The contributions can be divided into two areas. First, new modeling and digital mitigation techniques are proposed for two essential front-end impairments in direct-conversion architecture-based OFDM and OFDMA systems, namely inphase and quadrature phase (I/Q) imbalance and carrier frequency offset (CFO). Both joint and de-coupled estimation and compensation schemes for frequency-selective TX I/Q imbalance and channel distortions are proposed for OFDM systems, to be adopted on the receiver side. Then, in the context of uplink OFDMA and Single Carrier FDMA (SC-FDMA), which are the air interface technologies of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced systems, joint estimation and equalization techniques of RF impairments and channel distortions are proposed. Here, the challenging multi-user uplink scenario with unequal received power levels is investigated where I/Q imbalance causes inter-user interference. A joint mirror subcarrier processing-based minimum mean-square error (MMSE) equalizer with an arbitrary number of receiver antennas is formulated to effectively handle the mirror sub-band users of different power levels. Furthermore, the joint channel and impairments filter responses are efficiently approximated with polynomial-based basis function models, and the parameters of basis functions are estimated with the reference signals conforming to the LTE uplink sub-frame structure. The resulting receiver concept adopting the proposed techniques enables improved link performance without modifying the design of RF transceivers.Second, digital baseband mitigation solutions are developed for the TX leakage signal-induced self-interference in frequency division duplex (FDD) transceivers. In FDD transceivers, a duplexer is used to connect the TX and receiver (RX) chains to a common antenna while also providing isolation to the receiver chain against the powerful transmit signal. In general, the continuous miniaturization of hardware and adoption of larger bandwidths through carrier aggregation type noncontiguous allocations complicates achieving sufficient TX-RX isolation. Here, two different effects of the transmitter leakage signal are investigated. The first is TX out-of-band (OOB) emissions and TX spurious emissions at own receiver band, due to the transmitter nonlinearity, and the second is nonlinearity of down-converter in the RX that generates second-order intermodulation distortion (IMD2) due to the TX in-band leakage signal. This work shows that the transmitter leakage signal-induced interference depends on an equivalent leakage channel that models the TX path non-idealities, duplexer filter responses, and the RX path non-idealities. The work proposes algorithms that operate in the digital baseband of the transceiver to estimate the TX-RX non-idealities and the duplexer filter responses, and subsequently regenerating and canceling the self-interference, thereby potentially relaxing the TX-RX isolation requirements as well as increasing the transceiver flexibility.Overall, this thesis provides useful signal models to understand the implications of different RF non-idealities and proposes compensation solutions to cope with certain RF impairments. This is complemented with extensive computer simulations and practical RF measurements to validate their application in real-world radio transceivers

Nonlinear Equalization and Digital Pre-Distortion Techniques for Future Radar and Communications Digital Array Systems

Modern radar (military, automotive, weather, etc.) and communication systems seek to leverage the spatio-spectral efficiency of phased arrays. Specifically, there is an increasingly large demand for fully-digital arrays, with each antenna element having its own transmitter and receiver. Further, in order to makes these systems realizable, low-cost, low-complexity solutions are required, often sacrificing the system's linearity. Lower linearity paired with the inherent lack of RF spacial filtering can make these highly digital systems vulnerable to high-power interferering signals-- potentially introducing spectral regrowth and/or gain compression, distorting the signal-of-interest. Digital linearization solutions such as Digital Pre-Distiortion (DPD) and Nonlinear Equalization (NLEQ) have been shown to effectively mitigate nonlinearities for transmitters and receivers, respectively. Further, DPD and NLEQ seek to extend the effective dynamic range of digital arrays, helping the systems reach their designed dynamic range improvement of $10\log_{10}(N)$~dB, where $N$ is the number of transmitters/receivers. However, the performance of these solutions is ultimately determined by training model and waveform. Further, the nonlinear characteristics of a system can change with temperature, frequency, power, time, etc., requiring a robust calibration technique to maintain a high-level of nonlinear mitigation. This dissertation reviews the different types of nonlinear models and the current NLEQ and DPD algorithms for digital array systems. Further, a generalized calibration waveform for both NLEQ and DPD is proposed, allowing a system to maximize its dynamic range over power and frequency. Additionally, an \textit{in-situ} calibration method, leveraging the inherent mutual coupling in an array, is proposed as a solution to maintaining a high level of performance in a fielded digital array system over the system's lifetime. The combination of the proposed training waveform and \textit{in-situ} calibration technique prove to be very effective at adaptively creating a generalized solution to extending the dynamic range of future low-cost digital array systems