Oblique Sounding and HF Communication Techniques for Very Long Haul Ionospheric Links

El sistema de comunicació ràdio d’alta freqüència (HF, en anglès) és usat arreu del món per agències governamentals i no governamentals sempre que calgui una alternativa a les comunicacions via satèl•lit: vaixells a alta mar, avions fora de cobertura de xarxes ràdio amb visió directa, operacions militars, zones on la infraestructura ha estat destruïda per algun tipus de desastre o bé zones llunyanes sense cap altre tipus de comunicació. La ràdio HF representa una alternativa, o un sistema de backup al satèl•lit per a comunicacions de llarg abast i en redueix els costos, evita la vulnerabilitat i els problemes de sobirania. En aquesta tesi s’ha estudiat l’enllaç HF entre la base antàrtica espanyola Juan Carlos I, situada a l’illa Livingston a l’arxipèlag de les Shetland del Sud, i Espanya. L’objectiu d’aquest treball és estudiar els problemes que afecten la propagació; és a dir, la relació senyal a soroll i interferència, la dispersió multicamí i la dispersió per efecte Doppler, i dissenyar la capa física d’un enllaç HF de baixa velocitat, poca potència i llarg abast. Pel que fa aquest últim punt es fan un parell de propostes: espectre eixamplat per seqüència directa (DSSS, en anglès) i multiplexació per divisió en freqüència ortogonal (OFDM, en anglès). El repte que es planteja és el de la definició de les característiques dels símbols que millor encaixen en aquest canal per tal d’obtenir un benefici de la diversitat temporal i freqüencial que ofereix el canal. Des de l’any 2003 diverses campanyes han permès estudiar aquest canal HF, però no va ser fins la campanya 2009/2010 que s’obtingué un foto de les característiques, diürnes i nocturnes, de la ionosfera. En els articles que es presenten en aquesta tesi hem estès el rang freqüencial d’estudi respecte a investigacions prèvies i hem mostrat diferències de comportament entre el dia i la nit. Hem usat els resultats de la caracterització del canal per a dissenyar i comparar la bondat dels símbols DSSS i OFDM. Ambdues possibilitats han resultat ser candidates a implementar l’enllaç HF entre l’Antàrtida i Espanya. Tot i així, ambdues tècniques representen visions diferents de la implementació del mòdem: mentre que DSSS obté bons resultats a baixa velocitat en entorns amb baixa relació senyal a soroll, OFDM aconsegueix tasses de velocitat més elevades en canals més benignes.Los sistemas de radio de alta frecuencia (HF, en inglés) son usados por agencias gubernamentales y no gubernamentales en todo el mundo siempre que se necesite una alternativa a las comunicaciones por satélite: barcos en alta mar, aviones fuera del rango de cobertura de las redes radio de visión directa, operaciones militares, zonas donde la infraestructura ha sido destruida por algún desastre. Ésta ofrece una alternativa, o representa un sistema de backup, a las comunicaciones vía satélite, evitando los costes, la vulnerabilidad y los problemas de soberanía de las comunicaciones por satélite. En esta tesis se ha estudiado el enlace HF entre la base antártica española Juan Carlos I en la isla Livingston, en las Shetland del sur y España. El objetivo de este trabajo es el estudio de las limitaciones de la propagación ionosférica (como la relación señal a ruido e interferencia, la dispersión multicamino y la dispersión por efecto Doppler) y el diseño de la capa física de un enlace HF de baja velocidad, baja potencia y largo alcance. Se han estudiado un par de propuestas para este enlace, como son el espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS, en inglés) y la multiplexación por división en frecuencia ortogonal (OFDM, en inglés). El reto ha sido definir las características que mejor se adecuan a este enlace para poder aprovechar la diversidad temporal y frecuencial que ofrece el canal HF. Desde el año 2003 diversas campañas de sondeo han permitido estudiar el canal HF pero no es hasta la campaña 2009/2010 que se consigue una fotografía de la actividad ionosférica tanto nocturna como diurna. En los artículos que se presentan en esta tesis hemos extendido los estudios previos a todo el rango de frecuencias HF y hemos mostrado las diferencias entre el día y la noche. Hemos usado estos resultados de caracterización del canal para diseñar y comparar símbolos DSSS y símbolos OFDM. Ambas posibilidades han resultado ser posibles candidatas para implementar un enlace HF de baja velocidad entre la Antártida y España. Sin embargo ambas técnicas representan dos aproximaciones distintas a la implementación del módem. Mientras que DSSS consigue un buen funcionamiento a baja velocidad en escenarios con baja relación señal a ruido, OFDM consigue tasas de transmisión más altas en escenarios más benignos.High Frequency (HF) radio is used by governmental and non nongovernmental agencies worldwide whenever an alternative to satellites for sky wave communication is needed: ships at sea, aircraft out of range of line-of-sight radio networks, military operations, disaster areas with communication infrastructure destroyed or distant regions lacking other communications. It offers an alternative to satellites, or a backup, for long-haul communications, thus avoiding the costs, vulnerabilities and sovereignty concerns of satellite communications. In this thesis the HF link between the Antarctic Spanish Station Juan Carlos I in Livingston Island, South Shetlands and Spain is studied. The aim of this study is to address the impairments that affect HF propagation (i.e., signal-to-noise plus interference ratio, multipath and Doppler shift and spread) and to design the physical layer of a low rate, low power and long-haul HF link. Some proposals regarding this last issue are addressed, i.e., direct sequence spread spectrum (DSSS) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The challenge is to define the symbol characteristics that best fit the link to benefit from time and frequency diversity that offers the HF channel. Since 2003 several transmission campaigns have allowed to study the HF channel but it is not until the 2009/2010 campaign that we have achieved a whole picture of both diurnal and nocturnal ionospheric activity. In the papers presented in this thesis we have extended the previous research to the whole range of HF frequencies and we have shown the differences on performance between day and night. We have used the results from channel characterization to design and compare the performance of DSSS and OFDM symbols. Both techniques have turned out to be possible candidates to implement a low rate HF link between Antarctica and Spain. However, both techniques stand for different approaches of the modem: DSSS achieves good performance at low data rate in low SNR scenarios, whereas OFDM achieves higher data rate in benign channel

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

Técnicas de pré-codificação para sistemas multicelulares coordenados

Doutoramento em TelecomunicaçõesCoordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.Multicell coordination is a promising solution for cellular wireless systems to mitigate inter-cell interference, improving system fairness and increasing capacity and thus is already under study in LTE-A under the coordinated multipoint (CoMP) concept. There are several coordinated transmission approaches depending on the amount of information shared by the transmitters through the backhaul network and where the processing takes place i.e. in a central processing unit or in a distributed way on each base station. In this thesis, we propose joint precoding and power allocation techniques considering different strategies: Full-centralized, where all the processing takes place at the central unit; Semi-distributed, in this case only some process related with power allocation is done at the central unit; and Fulldistributed, where all the processing is done locally at each base station. The methods are designed in two phases: first the inter-cell interference is removed by applying a set of centralized or distributed precoding vectors; then the system is further optimized by centralized or distributed power allocation schemes. Three centralized power allocation algorithms with per-BS power constraint and different complexity tradeoffs are proposed. Also distributed power allocation schemes are proposed by considering the multicell system as superposition of single cell systems, where we define the average virtual bit error rate (BER) of interference-free single cell system, allowing us to compute the power allocation coefficients in a distributed manner at each BS. All proposed schemes are evaluated in realistic scenarios considering LTE specifications. The numerical evaluations show that the proposed schemes are efficient in removing inter-cell interference and improve system performance comparing to equal power allocation. Furthermore, fulldistributed schemes can be used when the amounts of information to be exchanged over the backhaul is restricted, although system performance is slightly degraded from semi-distributed and full-centralized schemes, but the complexity is considerably lower. Besides that for high degrees of freedom distributed schemes show similar behaviour to centralized ones