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

SGD Frequency-Domain Space-Frequency Semiblind Multiuser Receiver with an Adaptive Optimal Mixing Parameter

A novel stochastic gradient descent frequency-domain (FD) space-frequency (SF) semiblind multiuser receiver with an adaptive optimal mixing parameter is proposed to improve performance of FD semiblind multiuser receivers with a fixed mixing parameters and reduces computational complexity of suboptimal FD semiblind multiuser receivers in SFBC downlink MIMO MC-CDMA systems where various numbers of users exist. The receiver exploits an adaptive mixing parameter to mix information ratio between the training-based mode and the blind-based mode. Analytical results prove that the optimal mixing parameter value relies on power and number of active loaded users existing in the system. Computer simulation results show that when the mixing parameter is adapted closely to the optimal mixing parameter value, the performance of the receiver outperforms existing FD SF adaptive step-size (AS) LMS semiblind based with a fixed mixing parameter and conventional FD SF AS-LMS training-based multiuser receivers in the MSE, SER and signal to interference plus noise ratio in both static and dynamic environments

A Framework Design for the Next-Generation Radio Access System

Extensive use of the Internet and huge demands for multimedia services via portable devices require the development of packet-based radio access systems with high transmission efficiency. Advanced radio transmission technologies have recently been proposed to achieve this challenging task. However, few researches have been reported on the design of an integrated system that can efficiently exploit the advantages of these transmission technologies. This paper considers the design of a packet-based cellular system for next-generation radio access. We propose a novel system framework that can incorporate various advanced transmission technologies such as link adaptation, opportunistic packet scheduling, channel coding, and multiantenna techniques. For efficient use of these technologies together, we first investigate the interoperability between these technologies by proposing a so-called cause and effect analysis. Based on this investigation, we design a differentiated-segments-based orthogonal frequency-division multiplexing system, called DiffSeg, to accommodate heterogeneous operating conditions in a seamless manner. Simulation results show that the proposed DiffSeg system can provide a nearly optimum performance with flexible configuration in a wide range of wireless channel conditions

Multicarrier communication systems with low sensibility to nonlinear amplification

Actualment estem entrant a una nova era de la informació amb gran demanda de sistemes de comunicació sense fils. Nous serveis com dades i video requereixen transmissions fiables d'alta velocitat, fins i tot en escenaris d'alta mobilitat. A més a més, la dificultat d'assignar el limitat espectre radioelèctric juntament amb la necessitat d'incrementar el temps de vida de les bateries dels terminals mòbils, requereix el diseny de transceptors que usin la potència i l'ampla de banda disponibles de manera eficient. Les comunicacions multiportadora basades en OFDM són capaces de satisfer la majoria d'aquests requeriments. Però, entre altres reptes, reduir la sensibilitat a la amplificació no-lineal és un factor clau durant el diseny. En aquesta tesi doctoral s'analitza la sensibilitat dels sistemes multiportadora basats en OFDM a l'amplificació no-lineal i es consideren formes eficients per superar aquest problema. La tesi s'enfoca principalment al problema de reduir les fluctuacions de l'envolupant del senyal transmès. En aquest sentit es presenta també un estudi de les mètriques de l'envolupant del senyal, PAPR i CM. A més a més, basant-nos en l'anàlisis presentat es proposen noves tècniques per sistemes OFDM i MC-SS. Per MC-SS, també es tracta el diseny d'una tècnica de postprocessament en forma de detector multiusuari per canals no-lineals.Actualmente estamos entrando en una nueva era de la información donde se da una gran demanda de sistemas de comunicación inalámbricos. Nuevos servicios como datos y vídeo requieren transmisiones fiables de alta velocidad, incluso en escenarios de alta movilidad. Además, la dificultad de asignar el limitado espectro radioeléctrico junto con la necesidad de incrementar el tiempo de vida de las baterías de los terminales móviles, requiere el diseño de transceptores que usen eficientemente la potencia y el ancho de banda disponibles. Las comunicaciones multiportadora basadas en OFDM son capaces de satisfacer la mayoría de dichos requerimientos. Sin embargo, entre otros retos, reducir su sensibilidad a la amplificación no-lineal es un factor clave durante el diseño. En esta tesis se analiza la sensibilidad de los sistemas multiportadora basados en OFDM a la amplificación no-lineal y se consideran formas eficientes para superar dicho problema. La tesis se enfoca principalmente al problema de reducir las fluctuaciones de la envolvente. En este sentido también se presenta un estudio de las métricas de la señal, PAPR y CM. Además, basándonos en el análisis presentado se proponen nuevas técnicas para OFDM y MC-SS. Para MC-SS, también se trata el diseño de un detector multiusuario para canales no-lineales.We are now facing a new information age with high demand of wireless communication systems. New services such as data and video require achieving reliable high-speed transmissions even in high mobility scenarios. Moreover, the difficulty to allocate so many wireless communication systems in the limited frequency band in addition to the demand for long battery life requires designing spectrum and power efficient transceivers. Multicarrier communications based on OFDM are known to fulfill most of the requirements of such systems. However, among other challenges, reducing the sensitivity to nonlinear amplification has become a design key. In this thesis the sensitivity of OFDM-based multicarrier systems to nonlinear amplification is analyzed and efficient ways to overcome this problem are considered. The focus is mainly on the problem of reducing the envelope fluctuations. Therefore, a study of the signal metrics, namely PAPR and CM, is also presented. From the presented analysis, several new techniques for OFDM and MC-SS are proposed. For MC-SS, the design of a post-processing technique in the form of a multiuser detector for nonlinearly distorted MC-SS symbols is also addressed

Pré-filtragem no espaço-frequência para o sistema MC-CDMA

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaO trabalho desta tese enquadra-se na área de comunicações móveis, mais especificamente em sistemas de portadora múltipla. O MC-CDMA, que combina a modulação OFDM com o espalhamento na frequência, é um dos candidatos mais promissores para a interface-ar dos futuros sistemas de comunicações móveis – 4G. O objectivo desta tese é propor e avaliar técnicas de pré-filtragem e de codificação, projectadas no espaço-frequência/tempo para o sistema MC-CDMA, no sentido descendente (Downlink). Inicialmente, são discutidos conceitos teóricos fundamentais para se compreender o mecanismo físico de propagação inerente às comunicações móveis, apresentando-se depois vários sistemas de portadora múltipla. É dada especial atenção ao sistema convencional MC-CDMA. Este sistema é importante porque serve de referência ao desempenho obtido com as técnicas de transmissão propostas nesta tese. Estas técnicas são projectadas tendo em conta as restrições em termos de complexidade do terminal móvel. Assim, a estação base é equipada com um agregado de antenas e o terminal móvel com uma antena, sendo neste último, apenas implementadas técnicas de detecção mono-utilizador. Assumindo, que a estação base conhece a resposta do canal antes da transmissão, são propostas diferentes estratégias de transmissão: os filtros são projectados no espaço-frequência para o sistema MC-CDMA combinados com ou sem equalização no terminal móvel; e o filtro é projectado apenas na frequência para o sistema MC-CDMA com codificação no espaço-frequência/tempo. O algoritmo é baseado na minimização da potência transmitida sujeita à total eliminação da interferência de acesso múltiplo e das distorções provocadas pelo canal rádio móvel. Todos os esquemas propostos são validados e comparados, através de simulações, em cenários típicos de interiores e exteriores. Como principal conclusão desta tese, destaca-se a significativa melhoria de desempenho obtido com estas técnicas, relativamente ao sistema convencional MC-CDMA. Além disso, este desempenho é conseguido com um terminal móvel de reduzida complexidade. Assim, estas técnicas permitem aumentar significativamente a capacidade do sistema e, simultaneamente, transferir grande parte da complexidade do terminal móvel para a estação base.The scope of this thesis targets multi-carrier modulation techniques for mobile radio communications system. MC-CDMA combining multi-carrier modulation and spreading in the frequency domain is widely viewed as a promising candidate for 4G air interfaces. The aim of this thesis is to propose and evaluate pre-filtering and coding techniques designed in space and frequency/time for the downlink MC-CDMA system. Initially, the fundamental propagation mechanisms inherent to mobile radio communications are discussed and then several multi-carrier schemes are presented. Furthermore, special attention is given to the conventional MCCDMA system, since it can be used as the reference benchmark performance for the advanced transmission techniques proposed in this thesis. These transmission schemes are designed taking into account the complexity constraints at the mobile terminal. Hence, the basestation is equipped with an antenna array and the mobile terminal comprises a single antenna and single user detection scheme. Based on the assumption that the basestation has prior channel knowledge, different transmission strategies are proposed: spacefrequency pre-filtering schemes combined with single user equalizers at the MT for the MC-CDMA system; frequency pre-filtering scheme for spacefrequency/ time coding MC-CDMA system. The algorithm is based on the minimization of the transmitted power subject to MAI and channel distortion elimination. The proposed pre-filtering schemes are assessed and compared through simulations in typical indoor and pedestrian scenarios. This work concluded that with the proposed pre-filtering schemes, we obtain a considerable performance improvement in typical indoor and outdoor scenarios with a low complexity mobile terminal design and allow a transfer of implementation complexity from the mobile to the basestation

Signal processing for future MIMO-OFDM wireless communication systems

The combination of multiple-input multiple-output (MIMO) technology and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is likely to provide the air-interface solution for future broadband wireless systems. A major challenge for MIMO-OFDM systems is the problem of multi-access interference (MAI) induced by the presence of multiple users transmitting over the same bandwidth. Novel signal processing techniques are therefore required to mitigate MAI and thereby increase link performance. A background review of space-time block codes (STBCs) to lever age diversity gain in MIMO systems is provided together with an introduction to OFDM. The link performance of an OFDM system is also shown to be sensitive to time-variation of the channel. Iterative minimum mean square error (MMSE) receivers are therefore proposed to overcome such time-variation. In the context of synchronous uplink transmission, a new two-step hard-decision interference cancellation receiver for STBC MIMO-OFDM is shown to have robust performance and relatively low complexity. Further improvement is obtained through employing error control coding methods and iterative algorithms. A soft output multiuser detector based on MMSE interference suppression and error correction coding at the first stage is shown by frame error rate simulations to provide significant performance improvement over the classical linear scheme. Finally, building on the "turbo principle", a low-complexity iterative interference cancellation and detection scheme is designed to provide a good compromise between the exponential computational complexity of the soft interference cancellation linear MMSE algorithm and the near-capacity performance of a scheme which uses iterative turbo processing for soft interference suppression in combination with multiuser detection.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo