Space-time-frequency methods for interference-limited communication systems

textTraditionally, noise in communication systems has been modeled as an additive, white Gaussian noise process with independent, identically distributed samples. Although this model accurately reflects thermal noise present in communication system electronics, it fails to capture the statistics of interference and other sources of noise, e.g. in unlicensed communication bands. Modern communication system designers must take into account interference and non-Gaussian noise to maximize efficiencies and capacities of current and future communication networks. In this work, I develop new multi-dimensional signal processing methods to improve performance of communication systems in three applications areas: (i) underwater acoustic, (ii) powerline, and (iii) multi-antenna cellular. In underwater acoustic communications, I address impairments caused by strong, time-varying and Doppler-spread reverberations (self-interference) using adaptive space-time signal processing methods. I apply these methods to array receivers with a large number of elements. In powerline communications, I address impairments caused by non-Gaussian noise arising from devices sharing the powerline. I develop and apply a cyclic adaptive modulation and coding scheme and a factor-graph-based impulsive noise mitigation method to improve signal quality and boost link throughput and robustness. In cellular communications, I develop a low-latency, high-throughput space-time-frequency processing framework used for large scale (up to 128 antenna) MIMO. This framework is used in the world's first 100-antenna MIMO system and processes up to 492 Gbps raw baseband samples in the uplink and downlink directions. My methods prove that multi-dimensional processing methods can be applied to increase communication system performance without sacrificing real-time requirements.Electrical and Computer Engineerin

Space time transceiver design over multipath fading channels

Imperial Users onl

On multiple-antenna communications: signal detection, error exponent and and quality of service

Motivated by the demand of increasing data rate in wireless communication, multiple-antenna communication is becoming a key technology in the next generation wireless system. This dissertation considers three different aspects of multipleantenna communication. The first part is signal detection in the multiple-input multiple-output (MIMO) communication. Some low complexity near optimal detectors are designed based on an improved version of Bell Laboratories Layered Space-Time (BLAST) architecture detection and an iterative space alternating generalized expectation-maximization (SAGE) algorithm. The proposed algorithms can almost achieve the performance of optimal maximum likelihood detection. Signal detections without channel knowledge (noncoherent) and with co-channel interference are also investigated. Novel solutions are proposed with near optimal performance. Secondly, the error exponent of the distributed multiple-antenna communication (relay) in the windband regime is computed. Optimal power allocation between the source and relay node, and geometrical relay node placement are investigated based on the error exponent analysis. Lastly, the quality of service (QoS) of MIMO/single-input single- output(SISO) communication is studied. The tradeoff of the end-to-end distortion and transmission buffer delay is derived. Also, the SNR exponent of the distortion is computed for MIMO communication, which can provide some insights of the interplay among time diversity, space diversity and the spatial multiplex gain

Near-Instantaneously Adaptive HSDPA-Style OFDM Versus MC-CDMA Transceivers for WIFI, WIMAX, and Next-Generation Cellular Systems

Burts-by-burst (BbB) adaptive high-speed downlink packet access (HSDPA) style multicarrier systems are reviewed, identifying their most critical design aspects. These systems exhibit numerous attractive features, rendering them eminently eligible for employment in next-generation wireless systems. It is argued that BbB-adaptive or symbol-by-symbol adaptive orthogonal frequency division multiplex (OFDM) modems counteract the near instantaneous channel quality variations and hence attain an increased throughput or robustness in comparison to their fixed-mode counterparts. Although they act quite differently, various diversity techniques, such as Rake receivers and space-time block coding (STBC) are also capable of mitigating the channel quality variations in their effort to reduce the bit error ratio (BER), provided that the individual antenna elements experience independent fading. By contrast, in the presence of correlated fading imposed by shadowing or time-variant multiuser interference, the benefits of space-time coding erode and it is unrealistic to expect that a fixed-mode space-time coded system remains capable of maintaining a near-constant BER

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

Resource allocation and optimization techniques in wireless relay networks

Relay techniques have the potential to enhance capacity and coverage of a wireless network. Due to rapidly increasing number of smart phone subscribers and high demand for data intensive multimedia applications, the useful radio spectrum is becoming a scarce resource. For this reason, two way relay network and cognitive radio technologies are required for better utilization of radio spectrum. Compared to the conventional one way relay network, both the uplink and the downlink can be served simultaneously using a two way relay network. Hence the effective bandwidth efficiency is considered to be one time slot per transmission. Cognitive networks are wireless networks that consist of different types of users, a primary user (PU, the primary license holder of a spectrum band) and secondary users (SU, cognitive radios that opportunistically access the PU spectrum). The secondary users can access the spectrum of the licensed user provided they do not harmfully affect to the primary user. In this thesis, various resource allocation and optimization techniques have been investigated for wireless relay and cognitive radio networks