Advanced Techniques for High-Throughput Cellular Communications

The next generation wireless communication systems require ubiquitous high-throughput mobile connectivity under a range of challenging network settings (urban versus rural, high device density, mobility, etc). To improve the performance of the system, the physical layer design is of great importance. The previous research on improving the physical layer properties includes: a) highly directional transmissions that can enhance the throughput and spatial reuse; b) enhanced MIMO that can eliminate contention, enabling linear increase of capacity with number of antennas; c) mmWave technologies which operate on GHz bandwidth to over substantially higher throughput; d) better cooperative spectrum sharing with cognitive radios; e) better multiple access method which can mitigate multiuser interference and allow more multi-users. This dissertation addresses several techniques in the physical layer design of the next generation wireless communication systems. In chapter two, an orthogonal frequency division with code division multiple access (OFDM-CDMA) systems is proposed and a polyphase code is used to improve multiple access performance and make the OFDM signal satisfy the peak to average ratio (PAPR) constraint. Chapter three studies the I/Q imbalance for direct down converter. For wideband transmitter and receiver that use direct conversion for I/Q sampling, the I/Q imbalance becomes a critical issue. With higher I/Q imbalance, there will be higher degradation in quadrature amplitude modulation, which degrades the throughput tremendously. Chapter four investigate a problem of spectrum sharing for cognitive wideband communication. An energy-efficient sub-Nyquist sampling algorithm is developed for optimal sampling and spectrum sensing. In chapter ve, we study the channel estimation of millimeter wave full-dimensional MIMO communication. The problem is formulated as an atomic-norm minimization problem and algorithms are derived for the channel estimation in different situations. In this thesis, mathematical optimization is applied as the main approach to analyze and solve the problems in the physical layer of wireless communication so that the high-throughput is achieved. The algorithms are derived along with the theoretical analysis, which are validated with numerical results

Effects of Spreading Sequences on the Performance of MC-CDMA System with Nonlinear Models of HPA

Performance evaluation and comparison of multi-carrier code division multiple access (MC-CDMA) system model for different spreading sequences at the presence of Saleh and Rapp model of high power amplifier (HPA) is investigated. Nonlinear amplification introduces degradation of bit error performance and destroys the orthogonality among subcarriers. In order to avoid performance degradation without requiring extremely large backoffs in the transmitter amplifier, it becomes convenient to use nonlinear multi-user detection techniques at the receiver side. In order to illustrate this fact, microstatistic multi-user receiver (MSF-MUD) and conventional minimum mean square error receiver (MMSE-MUD) are considered and mutually compared. The results of our analyses based on computer simulations will show very clearly, that the application of nonlinear MSF-MUD in combination with Golay codes can provide significantly better results than the other tested spreading codes and receivers. Besides this fact, a failure of Walsh codes especially at the Saleh model of HPA will be outlined by using constellation diagram

Wavelet-based multi-carrier code division multiple access systems

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

A Systematic Framework for the Construction of Optimal Complete Complementary Codes

The complete complementary code (CCC) is a sequence family with ideal correlation sums which was proposed by Suehiro and Hatori. Numerous literatures show its applications to direct-spread code-division multiple access (DS-CDMA) systems for inter-channel interference (ICI)-free communication with improved spectral efficiency. In this paper, we propose a systematic framework for the construction of CCCs based on $N$-shift cross-orthogonal sequence families ($N$-CO-SFs). We show theoretical bounds on the size of $N$-CO-SFs and CCCs, and give a set of four algorithms for their generation and extension. The algorithms are optimal in the sense that the size of resulted sequence families achieves theoretical bounds and, with the algorithms, we can construct an optimal CCC consisting of sequences whose lengths are not only almost arbitrary but even variable between sequence families. We also discuss the family size, alphabet size, and lengths of constructible CCCs based on the proposed algorithms

Filter Bank Multicarrier for Massive MIMO

This paper introduces filter bank multicarrier (FBMC) as a potential candidate in the application of massive MIMO communication. It also points out the advantages of FBMC over OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) in the application of massive MIMO. The absence of cyclic prefix in FBMC increases the bandwidth efficiency. In addition, FBMC allows carrier aggregation straightforwardly. Self-equalization, a property of FBMC in massive MIMO that is introduced in this paper, has the impact of reducing (i) complexity; (ii) sensitivity to carrier frequency offset (CFO); (iii) peak-to-average power ratio (PAPR); (iv) system latency; and (v) increasing bandwidth efficiency. The numerical results that corroborate these claims are presented.Comment: 7 pages, 6 figure

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