Joint Pilot Design and Uplink Power Allocation in Multi-Cell Massive MIMO Systems

This paper considers pilot design to mitigate pilot contamination and provide good service for everyone in multi-cell Massive multiple input multiple output (MIMO) systems. Instead of modeling the pilot design as a combinatorial assignment problem, as in prior works, we express the pilot signals using a pilot basis and treat the associated power coefficients as continuous optimization variables. We compute a lower bound on the uplink capacity for Rayleigh fading channels with maximum ratio detection that applies with arbitrary pilot signals. We further formulate the max-min fairness problem under power budget constraints, with the pilot signals and data powers as optimization variables. Because this optimization problem is non-deterministic polynomial-time hard due to signomial constraints, we then propose an algorithm to obtain a local optimum with polynomial complexity. Our framework serves as a benchmark for pilot design in scenarios with either ideal or non-ideal hardware. Numerical results manifest that the proposed optimization algorithms are close to the optimal solution obtained by exhaustive search for different pilot assignments and the new pilot structure and optimization bring large gains over the state-of-the-art suboptimal pilot design.Comment: 16 pages, 8 figures. Accepted to publish at IEEE Transactions on Wireless Communication

Massive MIMO Systems with Non-Ideal Hardware: Energy Efficiency, Estimation, and Capacity Limits

The use of large-scale antenna arrays can bring substantial improvements in energy and/or spectral efficiency to wireless systems due to the greatly improved spatial resolution and array gain. Recent works in the field of massive multiple-input multiple-output (MIMO) show that the user channels decorrelate when the number of antennas at the base stations (BSs) increases, thus strong signal gains are achievable with little inter-user interference. Since these results rely on asymptotics, it is important to investigate whether the conventional system models are reasonable in this asymptotic regime. This paper considers a new system model that incorporates general transceiver hardware impairments at both the BSs (equipped with large antenna arrays) and the single-antenna user equipments (UEs). As opposed to the conventional case of ideal hardware, we show that hardware impairments create finite ceilings on the channel estimation accuracy and on the downlink/uplink capacity of each UE. Surprisingly, the capacity is mainly limited by the hardware at the UE, while the impact of impairments in the large-scale arrays vanishes asymptotically and inter-user interference (in particular, pilot contamination) becomes negligible. Furthermore, we prove that the huge degrees of freedom offered by massive MIMO can be used to reduce the transmit power and/or to tolerate larger hardware impairments, which allows for the use of inexpensive and energy-efficient antenna elements.Comment: To appear in IEEE Transactions on Information Theory, 28 pages, 15 figures. The results can be reproduced using the following Matlab code: https://github.com/emilbjornson/massive-MIMO-hardware-impairment

Linear Precoding with Low-Resolution DACs for Massive MU-MIMO-OFDM Downlink

We consider the downlink of a massive multiuser (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) system in which the base station (BS) is equipped with low-resolution digital-to-analog converters (DACs). In contrast to most existing results, we assume that the system operates over a frequency-selective wideband channel and uses orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) to simplify equalization at the user equipments (UEs). Furthermore, we consider the practically relevant case of oversampling DACs. We theoretically analyze the uncoded bit error rate (BER) performance with linear precoders (e.g., zero forcing) and quadrature phase-shift keying using Bussgang's theorem. We also develop a lower bound on the information-theoretic sum-rate throughput achievable with Gaussian inputs, which can be evaluated in closed form for the case of 1-bit DACs. For the case of multi-bit DACs, we derive approximate, yet accurate, expressions for the distortion caused by low-precision DACs, which can be used to establish lower bounds on the corresponding sum-rate throughput. Our results demonstrate that, for a massive MU-MIMO-OFDM system with a 128-antenna BS serving 16 UEs, only 3--4 DAC bits are required to achieve an uncoded BER of 10^-4 with a negligible performance loss compared to the infinite-resolution case at the cost of additional out-of-band emissions. Furthermore, our results highlight the importance of taking into account the inherent spatial and temporal correlations caused by low-precision DACs

Physical layer authentication for wireless communications

指導教員：姜　暁

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI