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

Interference Suppression in Massive MIMO VLC Systems

The focus of this dissertation is on the development and evaluation of methods and principles to mitigate interference in multiuser visible light communication (VLC) systems using several transmitters. All components of such a massive multiple-input multiple-output (MIMO) system are considered and transformed into a communication system model, while also paying particular attention to the hardware requirements of different modulation schemes. By analyzing all steps in the communication process, the inter-channel interference between users is identified as the most critical aspect. Several methods of suppressing this kind of interference, i.e. to split the MIMO channel into parallel single channels, are discussed, and a novel active LCD-based interference suppression principle at the receiver side is introduced as main aspect of this work. This technique enables a dynamic adaption of the physical channel: compared to solely software-based or static approaches, the LCD interference suppression filter achieves adaptive channel separation without altering the characteristics of the transmitter lights. This is especially advantageous in dual-use scenarios with illumination requirements. Additionally, external interferers, like natural light or transmitter light sources of neighboring cells in a multicell setting, can also be suppressed without requiring any control over them. Each user's LCD filter is placed in front of the corresponding photodetector and configured in such a way that only light from desired transmitters can reach the detector by setting only the appropriate pixels to transparent, while light from unwanted transmitters remains blocked. The effectiveness of this method is tested and benchmarked against zero-forcing (ZF) precoding in different scenarios and applications by numerical simulations and also verified experimentally in a large MIMO VLC testbed created specifically for this purpose

On the experimental analysis of single input single output control of yaw rate and sideslip angle

Electric vehicles with individually controlled drivetrains allow torque-vectoring, which improves vehicle safety and drivability. This paper investigates a new approach to the concurrent control of yaw rate and sideslip angle. The proposed controller is a simple single input single output (SISO) yaw rate controller, in which the reference yaw rate depends on the vehicle handling requirements, and the actual sideslip angle. The sideslip contribution enhances safety, as it provides a corrective action in critical situations, e.g., in case of oversteer during extreme cornering on a low friction surface. The proposed controller is experimentally assessed on an electric vehicle demonstrator, along two maneuvers with quickly variable tire-road friction coefficient. Different longitudinal locations of the sideslip angle used as control variable are compared during the experiments. Results show that: i) the proposed SISO approach provides significant improvements with respect to the vehicle without torque-vectoring, and the controlled vehicle with a reference yaw rate solely based on the handling requirements for high-friction maneuvering; and ii) the control of the rear axle sideslip angle provides better performance than the control of the sideslip angle at the centre of gravity

Adaptive Performance and Power Management in Distributed Computing Systems

The complexity of distributed computing systems has raised two unprecedented challenges for system management. First, various customers need to be assured by meeting their required service-level agreements such as response time and throughput. Second, system power consumption must be controlled in order to avoid system failures caused by power capacity overload or system overheating due to increasingly high server density. However, most existing work, unfortunately, either relies on open-loop estimations based on off-line profiled system models, or evolves in a more ad hoc fashion, which requires exhaustive iterations of tuning and testing, or oversimplifies the problem by ignoring the coupling between different system characteristics (\ie, response time and throughput, power consumption of different servers). As a result, the majority of previous work lacks rigorous guarantees on the performance and power consumption for computing systems, and may result in degraded overall system performance. In this thesis, we extensively study adaptive performance/power management and power-efficient performance management for distributed computing systems such as information dissemination systems, power grid management systems, and data centers, by proposing Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) control and hierarchical designs based on feedback control theory. For adaptive performance management, we design an integrated solution that controls both the average response time and CPU utilization in information dissemination systems to achieve bounded response time for high-priority information and maximized system throughput in an example information dissemination system. In addition, we design a hierarchical control solution to guarantee the deadlines of real-time tasks in power grid computing by grouping them based on their characteristics, respectively. For adaptive power management, we design MIMO optimal control solutions for power control at the cluster and server level and a hierarchical solution for large-scale data centers. Our MIMO control design can capture the coupling among different system characteristics, while our hierarchical design can coordinate controllers at different levels. For power-efficient performance management, we discuss a two-layer coordinated management solution for virtualized data centers. Experimental results in both physical testbeds and simulations demonstrate that all the solutions outperform state-of-the-art management schemes by significantly improving overall system performance

Design of of model-based controllers via parametric programming

Imperial Users onl