Energy Harvesting Wireless Communications: A Review of Recent Advances

This article summarizes recent contributions in the broad area of energy harvesting wireless communications. In particular, we provide the current state of the art for wireless networks composed of energy harvesting nodes, starting from the information-theoretic performance limits to transmission scheduling policies and resource allocation, medium access and networking issues. The emerging related area of energy transfer for self-sustaining energy harvesting wireless networks is considered in detail covering both energy cooperation aspects and simultaneous energy and information transfer. Various potential models with energy harvesting nodes at different network scales are reviewed as well as models for energy consumption at the nodes.Comment: To appear in the IEEE Journal of Selected Areas in Communications (Special Issue: Wireless Communications Powered by Energy Harvesting and Wireless Energy Transfer

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

Spektralno-efikasna zelena bežična komunikacija pomoću kognitivnog UWB signalnog modela

This paper focuses on spectral lines suppression for non-coherent impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) signals in the presence of pulse attenuation and timing jitter. Particular attention is devoted to severely unbalanced (i.e. non-uniform distributed) data sources where a unified spectral analysis is considered for both uncorrelated and correlated M-ary biorthogonal data-stream scenarios. Indeed, the specific novelty insights of this paper are as follows: i) Proposal of a new spectral-efficient signal model as a modified version of transmitted-reference (TR) approach, where each transmitted symbol is represented by a preamble Data-based Statistical Reference (DSR) followed by a set of transmitted data pulses and within this context, the preamble signal is designed to eliminate spectral lines via an adaptive monitoring of data-stream statistics as the optimal spectral policy; ii) Performance analysis in order to derive optimal signal parameters; iii) Evaluation of the system capabilities over different predefined operational modes.Ovaj rad se fokusira na prigušenje spektralnih linija kod ne-koherentnih radio-impulsnih ultra-širokopojasnih (IR-UWB) signala prilikom slabljenja pulsa i vremenskog podrhtavanja. Posebna pažnja je pridana značajno neuravnoteženim (npr. ne-unifornmno distribuiranim) izvorima podataka gdje je jedinstvena spektralna analiza razmatrana za nekorelirane i korelirane M-arne biortogonalne scenarije prijenosa podataka. Novine predstavljene u ovom radu su: i) Novi spektralno-efikasni signalni model koji je modificirana verzija pristupa prijenosom-reference (TR), gdje se svaki preneseni simbol prikazuje pomoću preambule definirane statistikom reference podataka (DSR) koju slijedi skup prenesenih podatkovnih pulseva, te je u tom kontekstu preambula signala dizajnirana kako bi se eliminirale spektralne linije pomoću optimalnog spektralnog kriterija definiranog adaptivnim praćenjem statistike poslanih podataka; ii) Analiza performansi kako bi se dobili optimalni parametri signala i iii) Evaluacija sposobnosti sustava prilikom rada u različitim predefiniranim stanjima

Analysis of a Cooperative Strategy for a Large Decentralized Wireless Network

This paper investigates the benefits of cooperation and proposes a relay activation strategy for a large wireless network with multiple transmitters. In this framework, some nodes cooperate with a nearby node that acts as a relay, using the decode-and-forward protocol, and others use direct transmission. The network is modeled as an independently marked Poisson point process and the source nodes may choose their relays from the set of inactive nodes. Although cooperation can potentially lead to significant improvements in the performance of a communication pair, relaying causes additional interference in the network, increasing the average noise that other nodes see. We investigate how source nodes should balance cooperation vs. interference to obtain reliable transmissions, and for this purpose we study and optimize a relay activation strategy with respect to the outage probability. Surprisingly, in the high reliability regime, the optimized strategy consists on the activation of all the relays or none at all, depending on network parameters. We provide a simple closed-form expression that indicates when the relays should be active, and we introduce closed form expressions that quantify the performance gains of this scheme with respect to a network that only uses direct transmission.Comment: Updated version. To appear in IEEE Transactions on Networkin