A hybrid-structure offset-QAM filter-bank multi-carrier MIMO system

Offset quadrature amplitude modulation (OQAM) filter-bank multi-carrier (FBMC), has great potential for boosting the spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) of future communication systems. This is due to its superior spectral localization, CP-less transmission and relaxed synchronization requirements. Our research focuses on three main OQAM/FBMC research problems: the computational complexity reduction taking equalization into consideration, its integration with multiple-input multiple-output (MIMO) and its high peak-to-average power ratio (PAPR). OQAM/FBMC systems are mainly implemented either using frequency spreading (FS) or polyphase network (PPN) techniques. The PPN technique is generally less complex, but when using frequency domain equalization (FDE) to equalize multipath channel effects at the receiver, there is a computational complexity overhead when using PPN. A novel hybrid-structure OQAM/FBMC MIMO space-frequency block coding (SFBC) system is proposed, to achieve the lowest possible overall complexity in conjunction with FDE at the receiver in frequency selective Rayleigh fading channel. The Alamouti SFBC block coding is performed on the complex-orthogonal signal before OQAM processing, which resolves the problems of intrinsic interference when integrating OQAM/FBMC with MIMO. In better multipath channel conditions with a line-of-sight (LOS) path, a zero-forcing (ZF) time domain equalization (TDE) is exploited to further reduce the computational complexity with comparable performance bit-error-rate (BER). On the other hand, to tackle the high PAPR problem of the OQAM/FBMC system in the uplink, a novel single carrier (SC)-OQAM/FBMC MIMO system is proposed. The system uses DFT-spreading applied to the OQAM modulated signal, along with interleaved subcarrier mapping to significantly reduce the PAPR and enhance the BER performance over Rayleigh fading channels, with relatively low additional computational complexity compared to the original complexity of the FBMC system and compared to other FBMC PAPR reduction techniques.The proposed hybrid-structure system has shown significant BER performance in frequency-selective Rayleigh fading channels compared to OFDM, with significantly lower OOB emissions in addition to the enhanced SE due to the absence of CP. In mild multipath fading channels with a LOS component, the PPN OQAM/FBMC MIMO using TDE has a comparable BER performance with significantly less computational complexity. As for the uplink, the SC-OQAM/FBMC MIMO system significantly reduces the PAPR and enhances the BER performance, with relatively low additional computational complexity

Diseño y evaluación de nuevas formas e onda para comunicaciones de alta movilidad

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01[Resumo] Os servizos multimedia e de datos experimentaron un crecemento continuo nos últimos anos e espérase que crezan aínda máis nos anos seguintes. A xente está a usar cada vez máis os seus dispositivos móbiles para acceder a servizos baseados en datos para fins relacionados co traballo, entretemento ou socialización en liña. Ademais, as comunicacións masivas de tipo máquina tamén están en ascenso (por exemplo, as comunicacións en transporte e loxística, sensores, Internet das cousas, etc.), e serán moi importantes para a nova xeración de sistemas de comunicacións sen fíos. Para afrontar o aumento esperado no uso de servizos multimedia e baseado en datos, así como para soportar novos casos de uso que hoxe non son posibles, unha nova xeración de redes sen fíos é necesaria. Para iso, espérase que os sistemas de comunicación sen fíos 5G traian as melloras necesarias: maiores taxas de datos, baixas latencias, mellor eficiencia enerxética, alta fiabilidade, etc. O coñecemento das características da canle sen fíos é fundamental para a planificación das redes de comunicación sen fíos e o deseño de transceptores. Como primeiro paso, centramos este traballo na caracterización completa da canle para diferentes escenarios, como son os trens de alta velocidade, metro e comunicacións vehículo a infraestrutura en estradas. A canle caracterizouse mediante a avaliación da relación sinal a ruído, a perda de traxecto (path loss) e os chamados parámetros condensados da canle (por exemplo, o factor K, o perfil potencia-retardo (power delay profile) e a densidade espectral de potencia Doppler. Ademais, para a nova interface aérea das redes 5G, unha das principais cuestións foi a forma de onda a usar. Finalmente, o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidiu usar a tecnoloxía de multiplexación por división de frecuencias ortogonais (OFDM polas súas siglas en inglés). Isto semella unha elección natural debido ás moitas vantaxes de OFDM e que tamén é a técnica de modulación empregada nas redes 4G. Con todo, nos últimos anos, esquemas multiportadora baseados en bancos de filtros (FBMC polas súas siglas en inglés) recibiron unha grande atención como alternativa a OFDM debido ás súas vantaxes: non utilizan un prefixo cíclico (proporcionan unha maior eficiencia espectral), os usuarios non precisan ser sincronizados no enlace ascendente, e un mellor rendemento teórico en contornas de alta velocidade debido a unha menor interferencia entre portadoras. Neste traballo comparamos experimentalmente o rendemento de FBMC e OFDM en contornas de alta velocidade. Tamén analizamos o rendemento de FBMC e OFDM no caso de uso práctico dun vehículo aéreo lixeiro pilotado remotamente. A maior parte do traballo realizado nesta tese requiriu o deseño e desenvolvemento do chamado GTEC 5G Simulator, que foi usado en conxunto co GTEC Testbed para realizar a maior parte das campañas de medicións e avaliacións de rendemento mediante transmisións polo aire.[Resumen] Los servicios multimedia y basados en datos experimentaron un crecimiento sin interrupciones en los últimos años, y se espera que crezcan aún más en los años siguientes. Las personas utilizan cada vez más sus dispositivos móviles para acceder a los servicios basados en datos con fines relacionados con el trabajo, el entretenimiento o la socialización en línea. Además, las comunicaciones masivas de tipo máquina también están en aumento (por ejemplo, comunicaciones en transporte y logística, sensores, Internet de las cosas, etc.) y serán muy importantes para la nueva generación de sistemas de comunicaciones inalámbricos. Para hacer frente al aumento esperado en el uso de servicios multimedia y basados en datos, así como para soportar nuevos casos de uso que no son posibles hoy en día, se requiere una nueva generación de sistemas inalámbricos. Para esto, se espera que los sistemas de comunicación inalámbrica 5G aporten las mejoras necesarias: mayores tasas de datos, menores latencias, mejor eficiencia energética, alta fiabilidad, etc. El conocimiento de las características del canal inalámbrico es fundamental para la planificación de redes de comunicación inalámbricas y el diseño de transceptores. Como primer paso, centramos este trabajo en la caracterización completa del canal para diferentes escenarios, tales como trenes de alta velocidad, metro y comunicaciones vehículo a infraestructura en carreteras. El canal se caracterizó por medio de la evaluación de la relación señal a ruido, la pérdida de trayecto (path loss) y los llamados parámetros condensados de canal (por ejemplo, el factor K, el perfil potencia-retardo (power delay profile) y la densidad espectral de potencia Doppler). Además, para la nueva interfaz aérea de las redes 5G, una de las preguntas principales ha sido la forma de onda a usar. Finalmente, el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidió usar la tecnología de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM por sus siglas en inglés). Esta es una elección lógica, debido a las muchas ventajas exhibidas por OFDM y dado que también es la técnica de modulación empleada en las redes 4G. Sin embargo, en los últimos años, los esquemas multiportadora basados en bancos de filtros (FBMC por sus siglas en inglés) han recibido una gran atención como una alternativa a OFDM debido a sus ventajas: no usan un prefijo cíclico (lo que proporciona una mayor eficiencia espectral), los usuarios no necesitan sincronizarse en el enlace ascendente, y un mejor rendimiento teórico en escenarios de alta velocidad debido a una menor interferencia entre subportadoras. En este trabajo comparamos experimentalmente el rendimiento de FBMC y OFDM en entornos de alta velocidad. También analizamos el rendimiento de FBMC y OFDM en el caso de uso práctico de un vehículo aéreo ligero tripulado remotamente. La mayor parte del trabajo llevado a cabo en esta tesis requirió el diseño y desarrollo del denominado GTEC 5G Simulator, que se utilizó junto con el GTEC Testbed para realizar la mayoría de las campañas de medidas y evaluaciones de rendimiento por medio de transmisiones por aire.[Abstract] Multimedia and data-based services experienced a non-stopping growth over the last few years and are expected to grow even more in the following years. People are using more and more their mobile devices to access data-based services for work-related purposes, entertainment or online socialization. Moreover, massive machine-type communications are also on the rise (e.g., transport and logistics communications, sensors, Internet of Things, etc.), and will be very important for the new generation of wireless communication systems. To cope with the expected increase in the usage of multimedia and data-based services, as well as to support new use cases which are not possible today, a new generation of wireless systems is required. For this, 5G wireless communication systems are expected to bring the necessary improvements: higher data rates, lower latencies, better energy efficiency, high reliability, etc. Knowledge of the wireless channel characteristics is fundamental for the planning of wireless communication networks and transceivers design. As a first step, this work centered in the channel characterization for different scenarios such as high-speed trains, subways, and vehicle-to-infrastructure in roads. The channel was characterized by means of assessing the signal-to-noise ratio, the path loss, and the so-called channel condensed parameters (e.g., the K-factor, the power delay profile, and the Doppler power spectral density). Moreover, for the new air interface of 5G networks, one of the main questions was the waveform to be used. Finally, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decided to use orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM). This seems a natural choice due to the many advantages exhibited by OFDM and it is also the modulation technique employed by 4G networks. However, over the last few years, schemes based on filter bank multicarrier (FBMC) using quadrature amplitude modulation have received a great attention as an alternative to OFDM due to their advantages: they do not use a cyclic prefix (thus providing a higher bandwidth efficiency), users do not need to be synchronized in the uplink, and they achieve a theoretical better performance in high-speed scenarios due to a lower inter-carrier interference. In this work, we have experimentally compared the performance of FBMC versus OFDM in high-speed scenarios. We have also analyzed the performance of FBMC versus OFDM in the practical use case of a lightweight remotely piloted aircraft. The majority of the work carried out in this thesis required the design and development of the so-called GTEC 5G Simulator, which was used in conjunction with the GTEC Testbed to perform most of the measurement campaigns and performance evaluations by means of over-the-air transmissions

Waveform Advancements and Synchronization Techniques for Generalized Frequency Division Multiplexing

To enable a new level of connectivity among machines as well as between people and machines, future wireless applications will demand higher requirements on data rates, response time, and reliability from the communication system. This will lead to a different system design, comprising a wide range of deployment scenarios. One important aspect is the evolution of physical layer (PHY), specifically the waveform modulation. The novel generalized frequency division multiplexing (GFDM) technique is a prominent proposal for a flexible block filtered multicarrier modulation. This thesis introduces an advanced GFDM concept that enables the emulation of other prominent waveform candidates in scenarios where they perform best. Hence, a unique modulation framework is presented that is capable of addressing a wide range of scenarios and to upgrade the PHY for 5G networks. In particular, for a subset of system parameters of the modulation framework, the problem of symbol time offset (STO) and carrier frequency offset (CFO) estimation is investigated and synchronization approaches, which can operate in burst and continuous transmissions, are designed. The first part of this work presents the modulation principles of prominent 5G candidate waveforms and then focuses on the GFDM basic and advanced attributes. The GFDM concept is extended towards the use of OQAM, introducing the novel frequency-shift OQAM-GFDM, and a new low complexity model based on signal processing carried out in the time domain. A new prototype filter proposal highlights the benefits obtained in terms of a reduced out-of-band (OOB) radiation and more attractive hardware implementation cost. With proper parameterization of the advanced GFDM, the achieved gains are applicable to other filtered OFDM waveforms. In the second part, a search approach for estimating STO and CFO in GFDM is evaluated. A self-interference metric is proposed to quantify the effective SNR penalty caused by the residual time and frequency misalignment or intrinsic inter-symbol interference (ISI) and inter-carrier interference (ICI) for arbitrary pulse shape design in GFDM. In particular, the ICI can be used as a non-data aided approach for frequency estimation. Then, GFDM training sequences, defined either as an isolated preamble or embedded as a midamble or pseudo-circular pre/post-amble, are designed. Simulations show better OOB emission and good estimation results, either comparable or superior, to state-of-the-art OFDM system in wireless channels

Diseño y evaluación de nuevas formas e onda para comunicaciones de alta movilidad

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01[Resumo] Os servizos multimedia e de datos experimentaron un crecemento continuo nos últimos anos e espérase que crezan aínda máis nos anos seguintes. A xente está a usar cada vez máis os seus dispositivos móbiles para acceder a servizos baseados en datos para fins relacionados co traballo, entretemento ou socialización en liña. Ademais, as comunicacións masivas de tipo máquina tamén están en ascenso (por exemplo, as comunicacións en transporte e loxística, sensores, Internet das cousas, etc.), e serán moi importantes para a nova xeración de sistemas de comunicacións sen fíos. Para afrontar o aumento esperado no uso de servizos multimedia e baseado en datos, así como para soportar novos casos de uso que hoxe non son posibles, unha nova xeración de redes sen fíos é necesaria. Para iso, espérase que os sistemas de comunicación sen fíos 5G traian as melloras necesarias: maiores taxas de datos, baixas latencias, mellor eficiencia enerxética, alta fiabilidade, etc. O coñecemento das características da canle sen fíos é fundamental para a planificación das redes de comunicación sen fíos e o deseño de transceptores. Como primeiro paso, centramos este traballo na caracterización completa da canle para diferentes escenarios, como son os trens de alta velocidade, metro e comunicacións vehículo a infraestrutura en estradas. A canle caracterizouse mediante a avaliación da relación sinal a ruído, a perda de traxecto (path loss) e os chamados parámetros condensados da canle (por exemplo, o factor K, o perfil potencia-retardo (power delay profile) e a densidade espectral de potencia Doppler. Ademais, para a nova interface aérea das redes 5G, unha das principais cuestións foi a forma de onda a usar. Finalmente, o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidiu usar a tecnoloxía de multiplexación por división de frecuencias ortogonais (OFDM polas súas siglas en inglés). Isto semella unha elección natural debido ás moitas vantaxes de OFDM e que tamén é a técnica de modulación empregada nas redes 4G. Con todo, nos últimos anos, esquemas multiportadora baseados en bancos de filtros (FBMC polas súas siglas en inglés) recibiron unha grande atención como alternativa a OFDM debido ás súas vantaxes: non utilizan un prefixo cíclico (proporcionan unha maior eficiencia espectral), os usuarios non precisan ser sincronizados no enlace ascendente, e un mellor rendemento teórico en contornas de alta velocidade debido a unha menor interferencia entre portadoras. Neste traballo comparamos experimentalmente o rendemento de FBMC e OFDM en contornas de alta velocidade. Tamén analizamos o rendemento de FBMC e OFDM no caso de uso práctico dun vehículo aéreo lixeiro pilotado remotamente. A maior parte do traballo realizado nesta tese requiriu o deseño e desenvolvemento do chamado GTEC 5G Simulator, que foi usado en conxunto co GTEC Testbed para realizar a maior parte das campañas de medicións e avaliacións de rendemento mediante transmisións polo aire.[Resumen] Los servicios multimedia y basados en datos experimentaron un crecimiento sin interrupciones en los últimos años, y se espera que crezcan aún más en los años siguientes. Las personas utilizan cada vez más sus dispositivos móviles para acceder a los servicios basados en datos con fines relacionados con el trabajo, el entretenimiento o la socialización en línea. Además, las comunicaciones masivas de tipo máquina también están en aumento (por ejemplo, comunicaciones en transporte y logística, sensores, Internet de las cosas, etc.) y serán muy importantes para la nueva generación de sistemas de comunicaciones inalámbricos. Para hacer frente al aumento esperado en el uso de servicios multimedia y basados en datos, así como para soportar nuevos casos de uso que no son posibles hoy en día, se requiere una nueva generación de sistemas inalámbricos. Para esto, se espera que los sistemas de comunicación inalámbrica 5G aporten las mejoras necesarias: mayores tasas de datos, menores latencias, mejor eficiencia energética, alta fiabilidad, etc. El conocimiento de las características del canal inalámbrico es fundamental para la planificación de redes de comunicación inalámbricas y el diseño de transceptores. Como primer paso, centramos este trabajo en la caracterización completa del canal para diferentes escenarios, tales como trenes de alta velocidad, metro y comunicaciones vehículo a infraestructura en carreteras. El canal se caracterizó por medio de la evaluación de la relación señal a ruido, la pérdida de trayecto (path loss) y los llamados parámetros condensados de canal (por ejemplo, el factor K, el perfil potencia-retardo (power delay profile) y la densidad espectral de potencia Doppler). Además, para la nueva interfaz aérea de las redes 5G, una de las preguntas principales ha sido la forma de onda a usar. Finalmente, el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidió usar la tecnología de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM por sus siglas en inglés). Esta es una elección lógica, debido a las muchas ventajas exhibidas por OFDM y dado que también es la técnica de modulación empleada en las redes 4G. Sin embargo, en los últimos años, los esquemas multiportadora basados en bancos de filtros (FBMC por sus siglas en inglés) han recibido una gran atención como una alternativa a OFDM debido a sus ventajas: no usan un prefijo cíclico (lo que proporciona una mayor eficiencia espectral), los usuarios no necesitan sincronizarse en el enlace ascendente, y un mejor rendimiento teórico en escenarios de alta velocidad debido a una menor interferencia entre subportadoras. En este trabajo comparamos experimentalmente el rendimiento de FBMC y OFDM en entornos de alta velocidad. También analizamos el rendimiento de FBMC y OFDM en el caso de uso práctico de un vehículo aéreo ligero tripulado remotamente. La mayor parte del trabajo llevado a cabo en esta tesis requirió el diseño y desarrollo del denominado GTEC 5G Simulator, que se utilizó junto con el GTEC Testbed para realizar la mayoría de las campañas de medidas y evaluaciones de rendimiento por medio de transmisiones por aire.[Abstract] Multimedia and data-based services experienced a non-stopping growth over the last few years and are expected to grow even more in the following years. People are using more and more their mobile devices to access data-based services for work-related purposes, entertainment or online socialization. Moreover, massive machine-type communications are also on the rise (e.g., transport and logistics communications, sensors, Internet of Things, etc.), and will be very important for the new generation of wireless communication systems. To cope with the expected increase in the usage of multimedia and data-based services, as well as to support new use cases which are not possible today, a new generation of wireless systems is required. For this, 5G wireless communication systems are expected to bring the necessary improvements: higher data rates, lower latencies, better energy efficiency, high reliability, etc. Knowledge of the wireless channel characteristics is fundamental for the planning of wireless communication networks and transceivers design. As a first step, this work centered in the channel characterization for different scenarios such as high-speed trains, subways, and vehicle-to-infrastructure in roads. The channel was characterized by means of assessing the signal-to-noise ratio, the path loss, and the so-called channel condensed parameters (e.g., the K-factor, the power delay profile, and the Doppler power spectral density). Moreover, for the new air interface of 5G networks, one of the main questions was the waveform to be used. Finally, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decided to use orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM). This seems a natural choice due to the many advantages exhibited by OFDM and it is also the modulation technique employed by 4G networks. However, over the last few years, schemes based on filter bank multicarrier (FBMC) using quadrature amplitude modulation have received a great attention as an alternative to OFDM due to their advantages: they do not use a cyclic prefix (thus providing a higher bandwidth efficiency), users do not need to be synchronized in the uplink, and they achieve a theoretical better performance in high-speed scenarios due to a lower inter-carrier interference. In this work, we have experimentally compared the performance of FBMC versus OFDM in high-speed scenarios. We have also analyzed the performance of FBMC versus OFDM in the practical use case of a lightweight remotely piloted aircraft. The majority of the work carried out in this thesis required the design and development of the so-called GTEC 5G Simulator, which was used in conjunction with the GTEC Testbed to perform most of the measurement campaigns and performance evaluations by means of over-the-air transmissions

Filter bank multicarrier waveforms for future wireless networks: interference analysis and cancellation

Billions of devices are expected to connect to future wireless networks. Although conventional orthogonal division multiplexing (OFDM) has proven to be an effective physical layer waveform for enhanced mobile broadband (eMBB), it experiences various challenges. For example, OFDM experiences high out-of-band (OOB) emission caused by the use of rectangular filters. This causes interference to adjacent frequency bands and make OFDM highly sensitive to asynchronous transmissions. Filter bank multicarrier (FBMC) systems have emerged as a promising waveform candidate to satisfy the requirements of future wireless networks. They employ prototype filters with faster spectral decay, which results in better OOB emission and spectral efficiency compared to OFDM. Also, FBMC systems support asynchronous transmissions, which can reduce the signaling overhead in future applications. However, in FBMC systems there is no subcarriers orthogonality, resulting in intrinsic interference. The purpose of this thesis is to address the intrinsic interference problem to make FBMC a viable option for practical application in future wireless networks. In this thesis, iterative interference cancellation (IIC) receivers are developed for FBMC systems to improve their performance and applicability in future applications. First, an IIC receiver is studied for uncoded FBMC with quadrature amplitude modulation (FBMC-QAM) systems. To improve the decoding performance, bit-interleaved coded modulation with iterative decoding (BICM-ID) is incorporated into the IIC receiver design and the technique of extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis is used to track the convergence of the IIC-based BICM-ID receiver. Furthermore, the energy harvesting capabilities of FBMC is considered. Particularly, FBMC is integrated with a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) technique. Finally, an interference cancellation receiver is investigated for asynchronous FBMC systems in both single and mixed numerology systems. Analytical expressions are derived for the various schemes and simulations results are shown to verify the performance of the different FBMC systems

Enhanced Air-Interfaces for Fifth Generation Mobile Broadband Communication

In broadband wireless multicarrier communication systems, intersymbol interference (ISI) and intercarrier interference (ICI) should be reduced. In orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), the cyclic prefix (CP) guarantees to reduce the ISI interference. However, the CP reduces spectral and power efficiency. In this thesis, iterative interference cancellation (IIC) with iterative decoding is used to reduce ISI and ICI from the received signal in multicarrier modulation (MCM) systems. Alternative schemes as well as OFDM with insufficient CP are considered; filter bank multicarrier (FBMC/Offset QAM) and discrete wavelet transform based multicarrier modulation (DWT-MCM). IIC is applied in these different schemes. The required components are calculated from either the hard decision of the demapper output or the estimated decoded signal. These components are used to improve the received signal. Channel estimation and data detection are very important parts of the receiver design of the wireless communication systems. Iterative channel estimation using Wiener filter channel estimation with known pilots and IIC is used to estimate and improve data detection. Scattered and interference approximation method (IAM) preamble pilot are using to calculate the estimated values of the channel coefficients. The estimated soft decoded symbols with pilot are used to reduce the ICI and ISI and improve the channel estimation. The combination of Multi-Input Multi-Output MIMO and OFDM enhances the air-interface for the wireless communication system. In a MIMO-MCM scheme, IIC and MIMO-IIC-based successive interference cancellation (SIC) are proposed to reduce the ICI/ISI and cross interference to a given antenna from the signal transmitted from the target and the other antenna respectively. The number of iterations required can be calculated by analysing the convergence of the IIC with the help of EXtrinsic Information Transfer (EXIT) charts. A new EXIT approach is proposed to provide a means to define performance for a given outage probability on quasi-static channels

A frequency domain approach to synchronization of filterbank multicarrier systems in practice

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