On Out-of-Band Emissions of Quantized Precoding in Massive MU-MIMO-OFDM

We analyze out-of-band (OOB) emissions in the massive multi-user (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) downlink. We focus on systems in which the base station (BS) is equipped with low-resolution digital-to-analog converters (DACs) and orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) is used to communicate to the user equipments (UEs) over frequency-selective channels. We demonstrate that analog filtering in combination with simple frequency-domain digital predistortion (DPD) at the BS enables a significant reduction of OOB emissions, but degrades the signal-to-interference-noise-and-distortion ratio (SINDR) at the UEs and increases the peak-to-average power ratio (PAR) at the BS. We use Bussgang's theorem to characterize the tradeoffs between OOB emissions, SINDR, and PAR, and to study the impact of analog filters and DPD on the error-rate performance of the massive MU-MIMO-OFDM downlink. Our results show that by carefully tuning the parameters of the analog filters, one can achieve a significant reduction in OOB emissions with only a moderate degradation of error-rate performance and PAR.Comment: Presented at the 2017 Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, 6 page

Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies

The paper describes a multi-disciplinary design of modern communication systems. The design starts with the analysis of a system in order to define requirements on its individual components. The design exploits proper models of communication channels to adapt the systems to expected transmission conditions. Input filtering of signals both in the frequency domain and in the spatial domain is ensured by a properly designed antenna. Further signal processing (amplification and further filtering) is done by electronics circuits. Finally, signal processing techniques are applied to yield information about current properties of frequency spectrum and to distribute the transmission over free subcarrier channels

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

A survey on fiber nonlinearity compensation for 400 Gbps and beyond optical communication systems

Optical communication systems represent the backbone of modern communication networks. Since their deployment, different fiber technologies have been used to deal with optical fiber impairments such as dispersion-shifted fibers and dispersion-compensation fibers. In recent years, thanks to the introduction of coherent detection based systems, fiber impairments can be mitigated using digital signal processing (DSP) algorithms. Coherent systems are used in the current 100 Gbps wavelength-division multiplexing (WDM) standard technology. They allow the increase of spectral efficiency by using multi-level modulation formats, and are combined with DSP techniques to combat the linear fiber distortions. In addition to linear impairments, the next generation 400 Gbps/1 Tbps WDM systems are also more affected by the fiber nonlinearity due to the Kerr effect. At high input power, the fiber nonlinear effects become more important and their compensation is required to improve the transmission performance. Several approaches have been proposed to deal with the fiber nonlinearity. In this paper, after a brief description of the Kerr-induced nonlinear effects, a survey on the fiber nonlinearity compensation (NLC) techniques is provided. We focus on the well-known NLC techniques and discuss their performance, as well as their implementation and complexity. An extension of the inter-subcarrier nonlinear interference canceler approach is also proposed. A performance evaluation of the well-known NLC techniques and the proposed approach is provided in the context of Nyquist and super-Nyquist superchannel systems.Comment: Accepted in the IEEE Communications Surveys and Tutorial

Complementary Intermittently Nonlinear Filtering for Mitigation of Hidden Outlier Interference

When interference affecting various communication and sensor systems contains clearly identifiable outliers (e.g. an impulsive component), it can be efficiently mitigated in real time by intermittently nonlinear filters developed in our earlier work, achieving improvements in the signal quality otherwise unattainable. However, apparent amplitude outliers in the interference can disappear and reappear due to various filtering effects, including fading and multipass, as the signal propagates through media and/or the signal processing chain. In addition, the outlier structure of the interference can be obscured by strong non-outlier interfering signals, such as thermal noise and/or adjacent channel interference, or by the signal of interest itself. In this paper, we first outline the overall approach to using intermittently nonlinear filters for in-band, real-time mitigation of such interference with hidden outlier components in practical complex interference scenarios. We then introduce Complementary Intermittently Nonlinear Filters (CINFs) and focus on the particular task of mitigating the outlier noise obscured by the signal of interest itself. We describe practical implementations of such nonlinear filtering arrangements for mitigation of hidden outlier interference, in the process of analog-to-digital conversion, for wide ranges of interference powers and the rates of outlier generating events. To emphasize the effectiveness and versatility of this approach, in our examples we use particularly challenging waveforms that severely obscure low-amplitude outlier noise, such as broadband chirp signals (e.g. used in radar, sonar, and spread-spectrum communications) and ``bursty," high crest factor signals (e.g. OFDM).Comment: 9 pages, 14 figures. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1905.1047