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

Interference modelling and management for cognitive radio networks

Radio spectrum is becoming increasingly scarce as more and more devices go wireless. Meanwhile, studies indicate that the assigned spectrum is not fully utilised. Cognitive radio (CR) technology is envisioned to be a promising solution to address the imbalance between spectrum scarcity and spectrum underutilisation. It improves the spectrum utilisation by reusing the unused or underutilised spectrum owned by incumbent systems (primary systems). With the introduction of CR networks, two types of interference originating from CR networks are introduced. They are the interference from CR to primary networks (CR-primary interference) and the interference among spectrum-sharing CR nodes (CR-CR interference). The interference should be well controlled and managed in order not to jeopardise the operation of the primary network and to improve the performance of CR systems. This thesis investigates the interference in CR networks by modelling and mitigating the CR-primary interference and analysing the CR-CR interference channels. Firstly, the CR-primary interference is modelled for multiple CR nodes sharing the spectrum with the primary system. The probability density functions of CR-primary interference are derived for CR networks adopting different interference management schemes. The relationship between CR operating parameters and the resulting CRprimary interference is investigated. It sheds light on the deployment of CR networks to better protect the primary system. Secondly, various interference mitigation techniques that are applicable to CR networks are reviewed. Two novel precoding schemes for CR multiple-input multipleoutput (MIMO) systems are proposed to mitigate the CR-primary interference and maximise the CR throughput. To further reduce the CR-primary interference, we also approach interference mitigation from a cross-layer perspective by jointly considering channel allocation in the media access control layer and precoding in the physical layer of CR MIMO systems. Finally, we analyse the underlying interference channels among spectrum-sharing CR users when they interfere with each other. The Pareto rate region for multi-user MIMO interference systems is characterised. Various rate region convexification schemes are examined to convexify the rate region. Then, game theory is applied to the interference system to coordinate the operation of each CR user. Nash bargaining over MIMO interference systems is characterised as well. The research presented in this thesis reveals the impact of CR operation on the resulting CR-primary network, how to mitigate the CR-primary interference and how to coordinate the spectrum-sharing CR users. It forms the fundamental basis for interference management in CR systems and consequently gives insights into the design and deployment of CR networks

Ultra Dense Networks Deployment for beyond 2020 Technologies

A new communication paradigm is foreseen for beyond 2020 society, due to the emergence of new broadband services and the Internet of Things era. The set of requirements imposed by these new applications is large and diverse, aiming to provide a ubiquitous broadband connectivity. Research community has been working in the last decade towards the definition of the 5G mobile wireless networks that will provide the proper mechanisms to reach these challenging requirements. In this framework, three key research directions have been identified for the improvement of capacity in 5G: the increase of the spectral efficiency by means of, for example, the use of massive MIMO technology, the use of larger amounts of spectrum by utilizing the millimeter wave band, and the network densification by deploying more base stations per unit area. This dissertation addresses densification as the main enabler for the broadband and massive connectivity required in future 5G networks. To this aim, this Thesis focuses on the study of the UDN. In particular, a set of technology enablers that can lead UDN to achieve their maximum efficiency and performance are investigated, namely, the use of higher frequency bands for the benefit of larger bandwidths, the use of massive MIMO with distributed antenna systems, and the use of distributed radio resource management techniques for the inter-cell interference coordination. Firstly, this Thesis analyzes whether there exists a fundamental performance limit related with densification in cellular networks. To this end, the UDN performance is evaluated by means of an analytical model consisting of a 1-dimensional network deployment with equally spaced BS. The inter-BS distance is decreased until reaching the limit of densification when this distance approaches 0. The achievable rates in networks with different inter-BS distances are analyzed for several levels of transmission power availability, and for various types of cooperation among cells. Moreover, UDN performance is studied in conjunction with the use of a massive number of antennas and larger amounts of spectrum. In particular, the performance of hybrid beamforming and precoding MIMO schemes are assessed in both indoor and outdoor scenarios with multiple cells and users, working in the mmW frequency band. On the one hand, beamforming schemes using the full-connected hybrid architecture are analyzed in BS with limited number of RF chains, identifying the strengths and weaknesses of these schemes in a dense-urban scenario. On the other hand, the performance of different indoor deployment strategies using HP in the mmW band is evaluated, focusing on the use of DAS. More specifically, a DHP suitable for DAS is proposed, comparing its performance with that of HP in other indoor deployment strategies. Lastly, the presence of practical limitations and hardware impairments in the use of hybrid architectures is also investigated. Finally, the investigation of UDN is completed with the study of their main limitation, which is the increasing inter-cell interference in the network. In order to tackle this problem, an eICIC scheduling algorithm based on resource partitioning techniques is proposed. Its performance is evaluated and compared to other scheduling algorithms under several degrees of network densification. After the completion of this study, the potential of UDN to reach the capacity requirements of 5G networks is confirmed. Nevertheless, without the use of larger portions of spectrum, a proper interference management and the use of a massive number of antennas, densification could turn into a serious problem for mobile operators. Performance evaluation results show large system capacity gains with the use of massive MIMO techniques in UDN, and even greater when the antennas are distributed. Furthermore, the application of ICIC techniques reveals that, besides the increase in system capacity, it brings significant energy savings to UDNs.A partir del año 2020 se prevé que un nuevo paradigma de comunicación surja en la sociedad, debido a la aparición de nuevos servicios y la era del Internet de las cosas. El conjunto de requisitos impuesto por estas nuevas aplicaciones es muy amplio y diverso, y tiene como principal objetivo proporcionar conectividad de banda ancha y universal. En las últimas décadas, la comunidad científica ha estado trabajando en la definición de la 5G de redes móviles que brindará los mecanismos necesarios para garantizar estos requisitos. En este marco, se han identificado tres mecanismos clave para conseguir el necesario incremento de capacidad de la red: el aumento de la eficiencia espectral a través de, por ejemplo, el uso de tecnologías MIMO masivas, la utilización de mayores porciones del espectro en frecuencia y la densificación de la red mediante el despliegue de más estaciones base por área. Esta Tesis doctoral aborda la densificación como el principal mecanismo que permitirá la conectividad de banda ancha y universal requerida en la 5G, centrándose en el estudio de las Redes Ultra Densas o UDNs. En concreto, se analiza el conjunto de tecnologías habilitantes que pueden llevar a las UDNs a obtener su máxima eficiencia y prestaciones, incluyendo el uso de altas frecuencias para el aprovechamiento de mayores anchos de banda, la utilización de MIMO masivo con sistemas de antenas distribuidas y el uso de técnicas de reparto de recursos distribuidas para la coordinación de interferencias. En primer lugar, se analiza si existe un límite fundamental en la mejora de las prestaciones en relación a la densificación. Con este fin, las prestaciones de las UDNs se evalúan utilizando un modelo analítico de red unidimensional con BSs equiespaciadas, en el que la distancia entre BSs se disminuye hasta alcanzar el límite de densificación cuando ésta se aproxima a 0. Las tasas alcanzables en redes con distintas distancias entre BSs son analizadas, considerando distintos niveles de potencia disponible en la red y varios grados de cooperación entre celdas. Además, el comportamiento de las UDNs se estudia junto al uso masivo de antenas y la utilización de anchos de banda mayores. Más concretamente, las prestaciones de ciertas técnicas híbridas MIMO de precodificación y beamforming se examinan en la banda milimétrica. Por una parte, se analizan esquemas de beamforming en BSs con arquitectura híbrida en función de la disponibilidad de cadenas de radiofrecuencia en escenarios exteriores. Por otra parte, se evalúan las prestaciones de ciertos esquemas de precodificación híbrida en escenarios interiores, utilizando distintos despliegues y centrando la atención en los sistemas de antenas distribuidos o DAS. Además, se propone un algoritmo de precodificación híbrida específico para DAS, y se evalúan y comparan sus prestaciones con las de otros algoritmos de precodificación utilizados. Por último, se investiga el impacto en las prestaciones de ciertas limitaciones prácticas y deficiencias introducidas por el uso de dispositivos no ideales. Finalmente, el estudio de las UDNs se completa con el análisis de su principal limitación, el nivel creciente de interferencia en la red. Para ello, se propone un algoritmo de control de interferencias basado en la partición de recursos. Sus prestaciones son evaluadas y comparadas con las de otras técnicas de asignación de recursos. Tras este estudio, se puede afirmar que las UDNs tienen gran potencial para la consecución de los requisitos de la 5G. Sin embargo, sin el uso conjunto de mayores porciones del espectro, adecuadas técnicas de control de la interferencia y el uso masivo de antenas, las UDNs pueden convertirse en serios obstáculos para los operadores móviles. Los resultados de la evaluación de prestaciones de estas tecnologías confirman el gran aumento de la capacidad de las redes mediante el uso masivo de antenas y la introducción de mecanismos de IA partir de l'any 2020 es preveu un nou paradigma de comunicació en la societat, degut a l'aparició de nous serveis i la era de la Internet de les coses. El conjunt de requeriments imposat per aquestes noves aplicacions és ampli i divers, i té com a principal objectiu proporcionar connectivitat universal i de banda ampla. En les últimes dècades, la comunitat científica ha estat treballant en la definició de la 5G, que proveirà els mecanismes necessaris per a garantir aquests exigents requeriments. En aquest marc, s'han identificat tres mecanismes claus per a aconseguir l'increment necessari en la capacitat: l'augment de l'eficiència espectral a través de, per exemple, l'ús de tecnologies MIMO massives, la utilització de majors porcions de l'espectre i la densificació mitjançant el desplegament de més estacions base per àrea. Aquesta Tesi aborda la densificació com a principal mecanisme que permetrà la connectivitat de banda ampla i universal requerida en la 5G, centrant-se en l' estudi de les xarxes ultra denses (UDNs). Concretament, el conjunt de tecnologies que poden dur a les UDNs a la seua màxima eficiència i prestacions és analitzat, incloent l'ús d'altes freqüències per a l'aprofitament de majors amplàries de banda, la utilització de MIMO massiu amb sistemes d'antenes distribuïdes i l'ús de tècniques distribuïdes de repartiment de recursos per a la coordinació de la interferència. En primer lloc, aquesta Tesi analitza si existeix un límit fonamental en les prestacions en relació a la densificació. Per això, les prestacions de les UDNs s'avaluen utilitzant un model analític unidimensional amb estacions base equidistants, en les quals la distància entre estacions base es redueix fins assolir el límit de densificació quan aquesta distància s'aproxima a 0. Les taxes assolibles en xarxes amb diferents distàncies entre estacions base s'analitzen considerant diferents nivells de potència i varis graus de cooperació entre cel·les. A més, el comportament de les UDNs s'estudia conjuntament amb l'ús massiu d'antenes i la utilització de majors amplàries de banda. Més concretament, les prestacions de certes tècniques híbrides MIMO de precodificació i beamforming s'examinen en la banda mil·limètrica. D'una banda, els esquemes de beamforming aplicats a estacions base amb arquitectures híbrides és analitzat amb disponibilitat limitada de cadenes de radiofreqüència a un escenari urbà dens. D'altra banda, s'avaluen les prestacions de certs esquemes de precodificació híbrida en escenaris d'interior, utilitzant diferents estratègies de desplegament i centrant l'atenció en els sistemes d' antenes distribuïdes (DAS). A més, es proposa un algoritme de precodificació híbrida distribuïda per a DAS, i s'avaluen i comparen les seues prestacions amb les de altres algoritmes. Per últim, s'investiga l'impacte de les limitacions pràctiques i altres deficiències introduïdes per l'ús de dispositius no ideals en les prestacions de tots els esquemes anteriors. Finalment, l' estudi de les UDNs es completa amb l'anàlisi de la seua principal limitació, el nivell creixent d'interferència entre cel·les. Per tractar aquest problema, es proposa un algoritme de control d'interferències basat en la partició de recursos. Les prestacions de l'algoritme proposat s'avaluen i comparen amb les d'altres tècniques d'assignació de recursos. Una vegada completat aquest estudi, es pot afirmar que les UDNs tenen un gran potencial per aconseguir els ambiciosos requeriments plantejats per a la 5G. Tanmateix, sense l'ús conjunt de majors amplàries de banda, apropiades tècniques de control de la interferència i l'ús massiu d'antenes, les UDNs poden convertir-se en seriosos obstacles per als operadors mòbils. Els resultats de l'avaluació de prestacions d' aquestes tecnologies confirmen el gran augment de la capacitat de les xarxes obtingut mitjançant l'ús massiu d'antenes i la introducciGiménez Colás, S. (2017). Ultra Dense Networks Deployment for beyond 2020 Technologies [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86204TESI

D13.1 Fundamental issues on energy- and bandwidth-efficient communications and networking

Deliverable D13.1 del projecte europeu NEWCOM#The report presents the current status in the research area of energy- and bandwidth-efficient communications and networking and highlights the fundamental issues still open for further investigation. Furthermore, the report presents the Joint Research Activities (JRAs) which will be performed within WP1.3. For each activity there is the description, the identification of the adherence with the identified fundamental open issues, a presentation of the initial results, and a roadmap for the planned joint research work in each topic.Preprin

Advanced multi-dimensional signal processing for wireless systems

Die florierende Entwicklung der drahtlosen Kommunikation erfordert innovative und fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen, die auf eine verbesserte Performance hinsichtlich der Zuverlässigkeit, des Durchsatzes, der Effizienz und weiterer Faktoren abzielen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Lösung dieser Herausforderungen und präsentiert neue und faszinierende Fortschritte, um diesen Herausforderungen zu erfüllen. Hauptsächlich konzentrieren wir uns auf zwei innovative Aspekte der mehrdimensionalen Signalverarbeitung für drahtlose Systeme, denen in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit in der Forschung geschenkt wurde. Das sind Mehrträgerverfahren für Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Systeme und die mehrdimensionale harmonische Schätzung (Harmonic Retrieval). Da es sich bei MIMO-Systemen und Mehrträgerverfahren um Schlüsseltechnologien der drahtlosen Kommunikation handelt, sind ihre zahlreichen Vorteile seit langem bekannt und haben ein großes Forschungsinteresse geweckt. Zu diesen Vorteilen zählen zum Beispiel die Steigerung der Datenrate und die Verbesserung der Verbindungszuverlässigkeit. Insbesondere OFDM-basierte MIMO Downlink Systeme für mehrere Teilnehmer (Multi-User MIMO Downlink Systems), die durch SDMA (Space-Division Multiple Access) getrennt werden, kombinieren die Vorteile von MIMO-Systemen mit denen von Mehrträger-Modulationsverfahren. Sie sind wesentliche Elemente des IEEE 802.11ac Standards und werden ebenfalls für 5G (die fünfte Mobilfunkgeneration) ausschlaggebend sein. Obwohl die bisherigen Arbeiten über das Precoding (Vorcodierung) für solche Multi-User MIMO Downlink Systeme schon fruchtbare Ergebnisse zeigten, werden neue Fortschritte benötigt, die den Mehrträger-Charakter des Systems in einer effizienteren Weise ausnutzen oder auf eine höhere spektrale Effizienz des Gesamtsystems abzielen. Andererseits gilt die Filterbank-basierte Mehrträger Modulation (Filter Bank-based Multi-Carrier modulation, FBMC) mit einem gut konzentrierten Spektrum und einer somit niedrigen Out-of-band Leackage als eine vielversprechende Alternative zu OFDM. FBMC ermöglicht eine effiziente Nutzung von Fragmenten im Frequenzspektrums, z. B. in 5G oder Breitband Professional Mobile Radio (PMR) Netzwerken. Jedoch leiden die vorhandenen Verfahren zur Sende- und-Empfangs-Verarbeitung für FBMC-basierte MIMO Systeme unter Einschränkungen in Bezug auf mehrere Aspekte, wie z. B. der erlaubten Dimensionalität des Systems und der zulässigen Frequenzselektivität des Kanals. Die Formen der MIMO Einstellungen, die in der Literatur untersucht wurden, sind noch begrenzt auf MIMO-Systeme für einzelne Teilnehmer und vereinfachte Multi-User MIMO Systeme. Fortschrittlichere Techniken sind daher erforderlich, die diese Einschränkungen der existierenden Verfahren aufheben. MIMO-Szenarien, die weniger Einschränkungen unterliegen, müssen außerdem untersucht werden, um die Vorteile von FBMC zu weiter herauszuarbeiten. Im Rahmen der mehrdimensionalen harmonischen Schätzung (Harmonic Retrieval) hat sich gezeigt, dass eine höhere Genauigkeit bei der Schätzung durch Tensoren erreicht werden kann. Das liegt daran, dass die Darstellung mehrdimensionaler Signale mit Tensoren eine natürlichere Beschreibung und eine gute Ausnutzung ihrer mehrdimensionalen Struktur erlaubt, z. B. für die Modellordnungsschätzung und die Unterraumschätzung. Wichtige offene Themen umfassen die statistische Robustheit und wie man die Schätzung in zeitlich variierenden Szenarien adaptiv gestalten kann. In Teil I dieser Arbeit präsentieren wir zunächst eine effiziente und flexible Übertragungsstrategie für OFDM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme. Sie besteht aus einer räumlichen Scheduling-Methode, der effizienten Mehrträger ProSched (Efficient Multi-Carrier ProSched, EMC-ProSched) Erweiterung mit einer effektiven Scheduling-Metrik, die auf Mehrträger-Systeme zugeschnitten wird. Weiterhin werden zwei neuartige Precoding Algorithmen vorgestellt, die lineare Precoding-basierte geometrische Mittelwert-Zerlegung (Linear Precoding-based Geometric Mean Decomposition, LP-GMD) und ein Coordinated Beamforming Algorithmus geringer Komplexität (Low Complexity Coordinated Beamforming, LoCCoBF). Diese beiden neuen Precoding-Verfahren können flexibel entsprechend den Abmessungen des Systems gewählt werden. Wir entwickeln auch einen System Level-Simulator, in dem die Parameter für das Link-to-System Level Interface kalibriert werden können. Diese Kalibrierung ist Standard-spezifisch, z. B. kann der Standard IEEE 802.11ac gewählt werden. Numerische Ergebnisse zeigen, dass diese Übertragungsstrategie Scheduling Fairness garantiert, einen weitaus höheren Durchsatz als die existierenden Verfahren erzielt, eine geringere Komplexität besitzt und nur einen geringen Signalisierungsoverhead erfordert. Der Schwerpunkt des Rests von Teil I bilden MIMO Systeme basierend auf Filter Bank-basierten Mehrträger-Verfahren mit Offset Quadrature Amplitude Modulation (FBMC/OQAM). Es wird ein umfassender Überblick über FBMC gegeben. Nachfolgend werden für verschiedene FBMC/OQAM-basierte MIMO Varianten neue Verfahren zur Sende- und Empfangs-Verarbeitung entwickelt, die unterschiedliche Grade von Frequenz-Selektivität des Kanals voraussetzen. Zunächst wird die Verwendung von weitgehend linearer Verarbeitung (widely linear processing) untersucht. Ein Zwei-Schritt-Empfänger wird für FBMC/OQAM-basierte MIMO Systeme mit einzelnen Teilnehmern entwickelt. Hierbei ist die Frequenz-Selektivität des Kanals niedrig. Verglichen mit linearen MMSE-Empfänger ist die Leistung des Zwei-Schritt-Empfängers viel besser. Das Grundprinzip dieser Zwei-Schritt-Empfänger ist zuerst die Verringerung der intrinsischen Interferenz, um die Ausnutzung von nicht-zirkulären Signalen zu ermöglichen. Es motiviert weitere Studien über weitgehend lineare Verfahren für FBMC/OQAM-basierte Systeme. Darüber hinaus werden zwei Coordinated Beamforming-Algorithmen für FBMC/OQAM-basierte MIMO Systeme mit einzelnen Teilnehmern entwickelt. Sie verzichten auf die Einschränkung der Dimensionalität der bestehenden Methode, bei der die Anzahl der Sendeantennen größer als die Anzahl der Empfangsantennen sein muss. Der Kanal auf jedem Träger wird als flacher Schwund (Flat Fading) modelliert, was einer Klassifizierung als „intermediate frequency selective channel“ entspricht. Unter der Kenntnis der Kanalzustandsinformation am Sender (Channel-State-Information at the Transmitter, CSIT) basiert die Vorcodierung entweder auf einem Zero Forcing (ZF) Kriterium oder auf der Maximierung der Signal-to-Leackage-plus-Noise-Ratio (SLNR). Die Vorcodierungsvektoren und die Empfangsvektoren werden gemeinsam und iterativ berechnet. Daher führen die zwei Coordinated Beamforming-Algorithmen zu einer wirksamen Verringerung der intrinsischen Interferenz in FBMC/OQAM-basierten Systemen. Die Vorteile der Coordinated Beamforming-Konzepte werden in FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme und koordinierte Mehrpunktverbindung (Coordinated Multi-Point, CoMP-Konzepte) eingebracht. Dafür werden drei intrinsische Interferenz mildernde koordinierte Beamforming-Verfahren (Intrinsic Interference Mitigating Coordinated Beamforming, IIM-CBF) vorgeschlagen. Die ersten beiden IIM-CBF Algorithmen werden für die FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Varianten mit unterschiedlichen Dimensionen entwickelt. Es wird gezeigt, dass diese Verfahren zu einer Abschwächung der Multi-User-Interferenz (MUI) sowie einer Verringerung der intrinsischen Interferenz führen. Bei der dritten IIM-CBF Methode wird ein neuartiges FBMC/OQAM-basiertes-CoMP Konzept vorgestellt. Dieses wird durch die gemeinsame Übertragung von benachbarten Zellen zu Teilnehmern, die sich am Zellenrand befinden, ermöglicht, um den Daten-Durchsatz am Zellenrand zu erhöhen. Die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Algorithmen wird durch umfangreiche numerische Simulationen evaluiert. Das Konvergenzverhalten wird untersucht sowie das Thema der Komplexität angesprochen. Außerdem wird die geringere Anfälligkeit von FBMC verglichen mit OFDM gegenüber Frequenzsynchronisationsfehlern demonstriert. Darüber hinaus wird auf die FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme mit stark frequenzselektiven Kanälen eingegangen. Dafür werden Lösungen erarbeitet, die für die Unterdrückung der MUI, der Inter-Symbol Interferenz (ISI) sowie der Inter-Carrier Interferenz (ICI) anwendbar ist. Mehrere Kriterien der multi-tap Vorcodierung werden entwickelt, beispielsweise die Mean Squared Error (MSE) Minimierung sowie die Signal-to-Leakage-Ratio (SLR) und die SLNR Maximierung. An Endgeräten, die eine schwächere Rechenleistung besitzen als sie an der Basisstation vorhanden ist, wird dadurch nur ein single-tap Empfangsfilter benötigt. Teil II der Arbeit konzentriert sich auf die mehrdimensionale harmonische Schätzung (Harmonic Retrieval). Der Einbau von statistischer Robustheit in mehrdimensionale Modellordnungsschätzverfahren wird demonstriert.The thriving development of wireless communications calls for innovative and advanced signal processing techniques targeting at an enhanced performance in terms of reliability, throughput, robustness, efficiency, flexibility, etc.. This thesis addresses such a compelling demand and presents new and intriguing progress towards fulfilling it. We mainly concentrate on two advanced multi-dimensional signal processing challenges for wireless systems that have attracted tremendous research attention in recent years, multi-carrier Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems and multi-dimensional harmonic retrieval. As the key technologies of wireless communications, the numerous benefits of MIMO and multi-carrier modulation, e.g., boosting the data rate and improving the link reliability, have long been identified and have ignited great research interest. In particular, the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)-based multi-user MIMO downlink with Space-Division Multiple Access (SDMA) combines the twofold advantages of MIMO and multi-carrier modulation. It is the essential element of IEEE 802.11ac and will also be crucial for the fifth generation of wireless communication systems (5G). Although past investigations on scheduling and precoding design for multi-user MIMO downlink systems have been fruitful, new advances are desired that exploit the multi-carrier nature of the system in a more efficient manner or aim at a higher spectral efficiency. On the other hand, a Filter Bank-based Multi-Carrier modulation (FBMC) featuring a well-concentrated spectrum and thus a low out-of-band radiation is regarded as a promising alternative multi-carrier scheme to OFDM for an effective utilization of spectrum fragments, e.g., in 5G or broadband Professional Mobile Radio (PMR) networks. Unfortunately, the existing transmit-receive processing schemes for FBMC-based MIMO systems suffer from limitations in several aspects, e.g., with respect to the number of supported receive antennas (dimensionality constraint) and channel frequency selectivity. The forms of MIMO settings that have been investigated are still limited to single-user MIMO and simplified multi-user MIMO systems. More advanced techniques are therefore demanded to alleviate the constraints imposed on the state-of-the-art. More sophisticated MIMO scenarios are yet to be explored to further corroborate the benefits of FBMC. In the context of multi-dimensional harmonic retrieval, it has been demonstrated that a higher estimation accuracy can be achieved by using tensors to preserve and exploit the multidimensional nature of the data, e.g., for model order estimation and subspace estimation. Crucial pending topics include how to further incorporate statistical robustness and how to handle time-varying scenarios in an adaptive manner. In Part I of this thesis, we first present an efficient and flexible transmission strategy for OFDM-based multi-user MIMO downlink systems. It consists of a spatial scheduling scheme, efficient multi-carrier ProSched (EMC-ProSched), with an effective scheduling metric tailored for multi-carrier systems and two new precoding algorithms, linear precoding-based geometric mean decomposition (LP-GMD) and low complexity coordinated beamforming (LoCCoBF). These two new precoding schemes can be flexibly chosen according to the dimensions of the system. We also develop a system-level simulator where the parameters for the link-to-system level interface can be calibrated according to a certain standardization framework, e.g., IEEE 802.11ac. Numerical results show that the proposed transmission strategy, apart from guaranteeing the scheduling fairness and a small signaling overhead, achieves a much higher throughput than the state-of-the-art and requires a lower complexity. The remainder of Part I is dedicated to Filter Bank-based Multi-Carrier with Offset Quadrature Amplitude Modulation (FBMC/OQAM)-based MIMO systems. We begin with a thorough overview of FBMC. Then we present new transmit-receive processing techniques for FBMC/OQAM-based MIMO settings ranging from the single-user MIMO case to the Coordinated Multi-Point (CoMP) downlink considering various degrees of channel frequency selectivity. The use of widely linear processing is first investigated. A two-step receiver is designed for FBMC/OQAM-based point-to-point MIMO systems with low frequency selective channels. It exhibits a significant performance superiority over the linear MMSE receiver. The rationale in this two-step receiver is that the intrinsic interference is first mitigated to facilitate the exploitation of the non-circularity residing in the signals. It sheds light upon further studies on widely linear processing for FBMC/OQAM-based systems. Moreover, two coordinated beamforming algorithms are devised for FBMC/OQAM-based point-to-point MIMO systems to relieve the dimensionality constraint of existing schemes that the number of transmit antennas must be larger than the number of receive antennas. The channel on each subcarrier is assumed to be flat fading, which is categorized as the class of intermediate frequency selective channels. With the Channel State Information at the Transmitter (CSIT) known, the precoder designed based on a Zero Forcing (ZF) criterion or the maximization of the Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio (SLNR) is jointly and iteratively computed with the receiver, leading to an effective mitigation of the intrinsic interference inherent in FBMC/OQAM-based systems. The benefits of the coordinated beamforming concept are successfully translated into the FBMC/OQAM-based multi-user MIMO downlink and the CoMP downlink. Three intrinsic interference mitigating coordinated beamforming (IIM-CBF) schemes are developed. The first two IIM-CBF schemes are proposed for FBMC/OQAM-based multi-user MIMO downlink settings with different dimensions and are able to effectively suppress the Multi-User Interference (MUI) as well as the intrinsic interference. A novel FBMC/OQAM-based CoMP concept is established via the third IIM-CBF scheme which enables the joint transmission of adjacent cells to the cell edge users to combat the strong interference as well as the heavy path loss and to boost the cell edge throughput. The performance of the proposed algorithms is evaluated via extensive numerical simulations. Their convergence behavior is studied, and the complexity issue is also addressed. In addition, the stronger resilience of FBMC over OFDM against frequency misalignments is demonstrated. Furthermore, we cover the case of highly frequency selective channels and provide solutions to the very challenging task of suppressing the MUI, the Inter-Symbol Interference (ISI), as well as the Inter-Carrier Interference (ICI) and supporting per-user multi-stream transmissions. Several design criteria of the multi-tap precoders are devised including the Mean Squared Error (MSE) minimization as well as the Signal-to-Leakage-Ratio (SLR) and SLNR maximization. By rendering a larger computational load at the base station, only single-tap spatial receive filters are required at the user terminals with a weaker computational capability, which enhances the applicability of the proposed schemes in real-world multi-user MIMO downlink systems. Part II focuses on the context of multi-dimensional harmonic retrieval. We demonstrate the incorporation of statistical robustness into multi-dimensional model order estimation schemes by substituting the sample covariance matrices of the unfoldings of the measurement tensor with robust covariance estimates. It is observed that in the presence of a very severe contamination of the measurements due to brief sensor failures, the robustified tensor-based model order estimation schemes lead to a satisfactory estimation accuracy. This philosophy of introducing statistical robustness also inspires robust versions of parameter estimation algorithms. Last but not the least, we present a generic framework for Tensor-based subspace tracking via Kronecker-structured projections (TeTraKron) for time-varying multi-dimensional harmonic retrieval problems. It allows to extend arbitrary matrix-based subspace tracking schemes to track the tensor-based subspace estimate in an elegant and efficient manner. By including forward-backward-averaging, we show that TeTraKron can also be employed to devise real-valued tensor-based subspace tracking algorithms. Taking a few matrix-based subspace tracking approaches as an example, a remarkable improvement of the tracking accuracy is observed in case of the TeTraKron-based tensor extensions. The performance of ESPRIT-type parameter estimation schemes is also assessed where the subspace estimates obtained by the proposed TeTraKron-based subspace tracking algorithms are used. We observe that Tensor-ESPRIT combined with a tensor-based subspace tracking scheme significantly outperforms the combination of standard ESPRIT and the corresponding matrix-based subspace tracking method. These results open the way for robust multi-dimensional big data signal processing applications in time-varying environments

Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems

Nach einer Einleitung behandelt Teil 2 Mehrbenutzer-Scheduling für die Abwärtsstrecke von drahtlosen MIMO Systemen mit einer Sendestation und kanaladaptivem precoding: In jeder Zeit- oder Frequenzressource kann eine andere Nutzergruppe gleichzeitig bedient werden, räumlich getrennt durch unterschiedliche Antennengewichte. Nutzer mit korrelierten Kanälen sollten nicht gleichzeitig bedient werden, da dies die räumliche Trennbarkeit erschwert. Die Summenrate einer Nutzermenge hängt von den Antennengewichten ab, die wiederum von der Nutzerauswahl abhängen. Zur Entkopplung des Problems schlägt diese Arbeit Metriken vor basierend auf einer geschätzten Rate mit ZF precoding. Diese lässt sich mit Hilfe von wiederholten orthogonalen Projektionen abschätzen, wodurch die Berechnung von Antennengewichten beim Scheduling entfällt. Die Ratenschätzung kann basierend auf momentanen Kanalmessungen oder auf gemittelter Kanalkenntnis berechnet werden und es können Datenraten- und Fairness-Kriterien berücksichtig werden. Effiziente Suchalgorithmen werden vorgestellt, die die gesamte Systembandbreite auf einmal bearbeiten können und zur Komplexitätsreduktion die Lösung in Zeit- und Frequenz nachführen können. Teil 3 zeigt wie mehrere Sendestationen koordiniertes Scheduling und kooperative Signalverarbeitung einsetzen können. Mittels orthogonalen Projektionen ist es möglich, Inter-Site Interferenz zu schätzen, ohne Antennengewichte berechnen zu müssen. Durch ein Konzept virtueller Nutzer kann der obige Scheduling-Ansatz auf mehrere Sendestationen und sogar Relays mit SDMA erweitert werden. Auf den benötigten Signalisierungsaufwand wird kurz eingegangen und eine Methode zur Schätzung der Summenrate eines Systems ohne Koordination besprochen. Teil4 entwickelt Optimierungen für Turbo Entzerrer. Diese Nutzen Signalkorrelation als Quelle von Redundanz. Trotzdem kann eine Kombination mit MIMO precoding sinnvoll sein, da bei Annahme realistischer Fehler in der Kanalkenntnis am Sender keine optimale Interferenzunterdrückung möglich ist. Mit Hilfe von EXIT Charts wird eine neuartige Methode zur adaptiven Nutzung von a-priori-Information zwischen Iterationen entwickelt, die die Konvergenz verbessert. Dabei wird gezeigt, wie man semi-blinde Kanalschätzung im EXIT chart berücksichtigen kann. In Computersimulationen werden alle Verfahren basierend auf 4G-Systemparametern überprüft.After an introduction, part 2 of this thesis deals with downlink multi-user scheduling for wireless MIMO systems with one transmitting station performing channel adaptive precoding:Different user subsets can be served in each time or frequency resource by separating them in space with different antenna weight vectors. Users with correlated channel matrices should not be served jointly since correlation impairs the spatial separability.The resulting sum rate for each user subset depends on the precoding weights, which in turn depend on the user subset. This thesis manages to decouple this problem by proposing a scheduling metric based on the rate with ZF precoding such as BD, written with the help of orthogonal projection matrices. It allows estimating rates without computing any antenna weights by using a repeated projection approximation.This rate estimate allows considering user rate requirements and fairness criteria and can work with either instantaneous or long term averaged channel knowledge.Search algorithms are presented to efficiently solve user grouping or selection problems jointly for the entire system bandwidth while being able to track the solution in time and frequency for complexity reduction. Part 3 shows how multiple transmitting stations can benefit from cooperative scheduling or joint signal processing. An orthogonal projection based estimate of the inter-site interference power, again without computing any antenna weights, and a virtual user concept extends the scheduling approach to cooperative base stations and finally included SDMA half-duplex relays in the scheduling.Signalling overhead is discussed and a method to estimate the sum rate without coordination. Part 4 presents optimizations for Turbo Equalizers. There, correlation between user signals can be exploited as a source of redundancy. Nevertheless a combination with transmit precoding which aims at reducing correlation can be beneficial when the channel knowledge at the transmitter contains a realistic error, leading to increased correlation. A novel method for adaptive re-use of a-priori information between is developed to increase convergence by tracking the iterations online with EXIT charts.A method is proposed to model semi-blind channel estimation updates in an EXIT chart. Computer simulations with 4G system parameters illustrate the methods using realistic channel models.Im Buchhandel erhältlich: Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems / Fuchs-Lautensack,Martin Ilmenau: ISLE, 2009,116 S. ISBN 978-3-938843-43-

DR9.3 Final report of the JRRM and ASM activities

Deliverable del projecte europeu NEWCOM++This deliverable provides the final report with the summary of the activities carried out in NEWCOM++ WPR9, with a particular focus on those obtained during the last year. They address on the one hand RRM and JRRM strategies in heterogeneous scenarios and, on the other hand, spectrum management and opportunistic spectrum access to achieve an efficient spectrum usage. Main outcomes of the workpackage as well as integration indicators are also summarised.Postprint (published version

Linear Transmit-Receive Strategies for Multi-user MIMO Wireless Communications

Die Notwendigkeit zur Unterdrueckung von Interferenzen auf der einen Seite und zur Ausnutzung der durch Mehrfachzugriffsverfahren erzielbaren Gewinne auf der anderen Seite rueckte die raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren (Space Division Multiple Access, SDMA) in den Fokus der Forschung. Ein Vertreter der raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren, die lineare Vorkodierung, fand aufgrund steigender Anzahl an Nutzern und Antennen in heutigen und zukuenftigen Mobilkommunikationssystemen besondere Beachtung, da diese Verfahren das Design von Algorithmen zur Vorcodierung vereinfachen. Aus diesem Grund leistet diese Dissertation einen Beitrag zur Entwicklung linearer Sende- und Empfangstechniken fuer MIMO-Technologie mit mehreren Nutzern. Zunaechst stellen wir ein Framework zur Approximation des Datendurchsatzes in Broadcast-MIMO-Kanaelen mit mehreren Nutzern vor. In diesem Framework nehmen wir das lineare Vorkodierverfahren regularisierte Blockdiagonalisierung (RBD) an. Durch den Vergleich von Dirty Paper Coding (DPC) und linearen Vorkodieralgorithmen (z.B. Zero Forcing (ZF) und Blockdiagonalisierung (BD)) ist es uns moeglich, untere und obere Schranken fuer den Unterschied bezueglich Datenraten und bezueglich Leistung zwischen beiden anzugeben. Im Weiteren entwickeln wir einen Algorithmus fuer koordiniertes Beamforming (Coordinated Beamforming, CBF), dessen Loesung sich in geschlossener Form angeben laesst. Dieser CBF-Algorithmus basiert auf der SeDJoCo-Transformation und loest bisher vorhandene Probleme im Bereich CBF. Im Anschluss schlagen wir einen iterativen CBF-Algorithmus namens FlexCoBF (flexible coordinated beamforming) fuer MIMO-Broadcast-Kanaele mit mehreren Nutzern vor. Im Vergleich mit bis dato existierenden iterativen CBF-Algorithmen kann als vielversprechendster Vorteil die freie Wahl der linearen Sende- und Empfangsstrategie herausgestellt werden. Das heisst, jede existierende Methode der linearen Vorkodierung kann als Sendestrategie genutzt werden, waehrend die Strategie zum Empfangsbeamforming frei aus MRC oder MMSE gewaehlt werden darf. Im Hinblick auf Szenarien, in denen Mobilfunkzellen in Clustern zusammengefasst sind, erweitern wir FlexCoBF noch weiter. Hier wurde das Konzept der koordinierten Mehrpunktverbindung (Coordinated Multipoint (CoMP) transmission) integriert. Zuletzt stellen wir drei Moeglichkeiten vor, Kanalzustandsinformationen (Channel State Information, CSI) unter verschiedenen Kanalumstaenden zu erlangen. Die Qualitaet der Kanalzustandsinformationen hat einen starken Einfluss auf die Guete des Uebertragungssystems. Die durch unsere neuen Algorithmen erzielten Verbesserungen haben wir mittels numerischer Simulationen von Summenraten und Bitfehlerraten belegt.In order to combat interference and exploit large multiplexing gains of the multi-antenna systems, a particular interest in spatial division multiple access (SDMA) techniques has emerged. Linear precoding techniques, as one of the SDMA strategies, have obtained more attention due to the fact that an increasing number of users and antennas involved into the existing and future mobile communication systems requires a simplification of the precoding design. Therefore, this thesis contributes to the design of linear transmit and receive strategies for multi-user MIMO broadcast channels in a single cell and clustered multiple cells. First, we present a throughput approximation framework for multi-user MIMO broadcast channels employing regularized block diagonalization (RBD) linear precoding. Comparing dirty paper coding (DPC) and linear precoding algorithms (e.g., zero forcing (ZF) and block diagonalization (BD)), we further quantify lower and upper bounds of the rate and power offset between them as a function of the system parameters such as the number of users and antennas. Next, we develop a novel closed-form coordinated beamforming (CBF) algorithm (i.e., SeDJoCo based closed-form CBF) to solve the existing open problem of CBF. Our new algorithm can support a MIMO system with an arbitrary number of users and transmit antennas. Moreover, the application of our new algorithm is not only for CBF, but also for blind source separation (BSS), since the same mathematical model has been used in BSS application.Then, we further propose a new iterative CBF algorithm (i.e., flexible coordinated beamforming (FlexCoBF)) for multi-user MIMO broadcast channels. Compared to the existing iterative CBF algorithms, the most promising advantage of our new algorithm is that it provides freedom in the choice of the linear transmit and receive beamforming strategies, i.e., any existing linear precoding method can be chosen as the transmit strategy and the receive beamforming strategy can be flexibly chosen from MRC or MMSE receivers. Considering clustered multiple cell scenarios, we extend the FlexCoBF algorithm further and introduce the concept of the coordinated multipoint (CoMP) transmission. Finally, we present three strategies for channel state information (CSI) acquisition regarding various channel conditions and channel estimation strategies. The CSI knowledge is required at the base station in order to implement SDMA techniques. The quality of the obtained CSI heavily affects the system performance. The performance enhancement achieved by our new strategies has been demonstrated by numerical simulation results in terms of the system sum rate and the bit error rate

Scalable Cell-Free Massive MIMO Systems

Imagine a coverage area with many wireless access points that cooperate to jointly serve the users, instead of creating autonomous cells. Such a cell-free network operation can potentially resolve many of the interference issues that appear in current cellular networks. This ambition was previously called Network MIMO (multiple-input multiple-output) and has recently reappeared under the name Cell-Free Massive MIMO. The main challenge is to achieve the benefits of cell-free operation in a practically feasible way, with computational complexity and fronthaul requirements that are scalable to large networks with many users. We propose a new framework for scalable Cell-Free Massive MIMO systems by exploiting the dynamic cooperation cluster concept from the Network MIMO literature. We provide a novel algorithm for joint initial access, pilot assignment, and cluster formation that is proved to be scalable. Moreover, we adapt the standard channel estimation, precoding, and combining methods to become scalable. A new uplink and downlink duality is proved and used to heuristically design the precoding vectors on the basis of the combining vectors. Interestingly, the proposed scalable precoding and combining outperform conventional maximum ratio processing and also performs closely to the best unscalable alternatives.Comment: To appear in IEEE Transactions on Communications, 14 pages, 6 figure