An Optimization Theoretical Framework for Resource Allocation over Wireless Networks

With the advancement of wireless technologies, wireless networking has become ubiquitous owing to the great demand of pervasive mobile applications. Some fundamental challenges exist for the next generation wireless network design such as time varying nature of wireless channels, co-channel interferences, provisioning of heterogeneous type of services, etc. So how to overcome these difficulties and improve the system performance have become an important research topic. Dynamic resource allocation is a general strategy to control the interferences and enhance the performance of wireless networks. The basic idea behind dynamic resource allocation is to utilize the channel more efficiently by sharing the spectrum and reducing interference through optimizing parameters such as the transmitting power, symbol transmission rate, modulation scheme, coding scheme, bandwidth, etc. Moreover, the network performance can be further improved by introducing diversity, such as multiuser, time, frequency, and space diversity. In addition, cross layer approach for resource allocation can provide advantages such as low overhead, more efficiency, and direct end-to-end QoS provision. The designers for next generation wireless networks face the common problem of how to optimize the system objective under the user Quality of Service (QoS) constraint. There is a need of unified but general optimization framework for resource allocation to allow taking into account a diverse set of objective functions with various QoS requirements, while considering all kinds of diversity and cross layer approach. We propose an optimization theoretical framework for resource allocation and apply these ideas to different network situations such as: 1.Centralized resource allocation with fairness constraint 2.Distributed resource allocation using game theory 3.OFDMA resource allocation 4.Cross layer approach On the whole, we develop a universal view of the whole wireless networks from multiple dimensions: time, frequency, space, user, and layers. We develop some schemes to fully utilize the resources. The success of the proposed research will significantly improve the way how to design and analyze resource allocation over wireless networks. In addition, the cross-layer optimization nature of the problem provides an innovative insight into vertical integration of wireless networks

Récepteur itératif pour les systèmes MIMO-OFDM basé sur le décodage sphérique : convergence, performance et complexité

Recently, iterative processing has been widely considered to achieve near-capacity performance and reliable high data rate transmission, for future wireless communication systems. However, such an iterative processing poses significant challenges for efficient receiver design. In this thesis, iterative receiver combining multiple-input multiple-output (MIMO) detection with channel decoding is investigated for high data rate transmission. The convergence, the performance and the computational complexity of the iterative receiver for MIMO-OFDM system are considered. First, we review the most relevant hard-output and soft-output MIMO detection algorithms based on sphere decoding, K-Best decoding, and interference cancellation. Consequently, a low-complexity K-best (LCK- Best) based decoder is proposed in order to substantially reduce the computational complexity without significant performance degradation. We then analyze the convergence behaviors of combining these detection algorithms with various forward error correction codes, namely LTE turbo decoder and LDPC decoder with the help of Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts. Based on this analysis, a new scheduling order of the required inner and outer iterations is suggested. The performance of the proposed receiver is evaluated in various LTE channel environments, and compared with other MIMO detection schemes. Secondly, the computational complexity of the iterative receiver with different channel coding techniques is evaluated and compared for different modulation orders and coding rates. Simulation results show that our proposed approaches achieve near optimal performance but more importantly it can substantially reduce the computational complexity of the system. From a practical point of view, fixed-point representation is usually used in order to reduce the hardware costs in terms of area, power consumption and execution time. Therefore, we present efficient fixed point arithmetic of the proposed iterative receiver based on LC-KBest decoder. Additionally, the impact of the channel estimation on the system performance is studied. The proposed iterative receiver is tested in a real-time environment using the MIMO WARP platform.Pour permettre l’accroissement de débit et de robustesse dans les futurs systèmes de communication sans fil, les processus itératifs sont de plus considérés dans les récepteurs. Cependant, l’adoption d’un traitement itératif pose des défis importants dans la conception du récepteur. Dans cette thèse, un récepteur itératif combinant les techniques de détection multi-antennes avec le décodage de canal est étudié. Trois aspects sont considérés dans un contexte MIMOOFDM: la convergence, la performance et la complexité du récepteur. Dans un premier temps, nous étudions les différents algorithmes de détection MIMO à décision dure et souple basés sur l’égalisation, le décodage sphérique, le décodage K-Best et l’annulation d’interférence. Un décodeur K-best de faible complexité (LC-K-Best) est proposé pour réduire la complexité sans dégradation significative des performances. Nous analysons ensuite la convergence de la combinaison de ces algorithmes de détection avec différentes techniques de codage de canal, notamment le décodeur turbo et le décodeur LDPC en utilisant le diagramme EXIT. En se basant sur cette analyse, un nouvel ordonnancement des itérations internes et externes nécessaires est proposé. Les performances du récepteur ainsi proposé sont évaluées dans différents modèles de canal LTE, et comparées avec différentes techniques de détection MIMO. Ensuite, la complexité des récepteurs itératifs avec différentes techniques de codage de canal est étudiée et comparée pour différents modulations et rendement de code. Les résultats de simulation montrent que les approches proposées offrent un bon compromis entre performance et complexité. D’un point de vue implémentation, la représentation en virgule fixe est généralement utilisée afin de réduire les coûts en termes de surface, de consommation d’énergie et de temps d’exécution. Nous présentons ainsi une représentation en virgule fixe du récepteur itératif proposé basé sur le décodeur LC K-Best. En outre, nous étudions l’impact de l’estimation de canal sur la performance du système. Finalement, le récepteur MIMOOFDM itératif est testé sur la plateforme matérielle WARP, validant le schéma proposé

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Performance analysis of FBMC over OFDM in Cognitive Radio Network

Cognitive Radio (CR) system is an adaptive, reconfigurable communication system that can intuitively adjust its parameters to meet users or network demands. The major objective of CR is to provide a platform for the Secondary User (SU) to fully utilize the available spectrum resource by sensing the existence of spectrum holes without causing interference to the Primary User (PU). However, PU detection has been one of the main challenges in CR technology. In comparison to traditional wireless communication systems, due to the Cross-Channel Interference (CCI) from the adjacent channels used by SU to PU, CR system now poses new challenges to Resource Allocation (RA) problems. Past efforts have been focussed on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based CR systems. However, OFDM technique show various limitations in CR application due to its enormous spectrum leakage. Filter Bank based Multicarrier (FBMC) has been proposed as a promising Multicarrier Modulation (MCM) candidate that has numerous advantages over OFDM. In this dissertation, a critical analysis of the performance of FBMC over OFDM was studied, and CR system was used as the testing platform. Firstly, the problem of spectrum sensing of OFDM based CR systems in contrast to FBMC based were surveyed from literature point of view, then the performance of the two schemes was analysed and compared from the spectral efficiency point of view. A resource allocation algorithm was proposed where much attention was focused on interference and power constraint. The proposed algorithms have been verified using MATLAB simulations, however, numerical results show that FBMC can attain higher spectrum efficiency and attractive benefit in terms of spectrum sensing as opposed to OFDM. The contributions of this dissertation have heightened the interest in more research and findings on how FBMC can be improved for future application CR systems

Novel LDPC coding and decoding strategies: design, analysis, and algorithms

In this digital era, modern communication systems play an essential part in nearly every aspect of life, with examples ranging from mobile networks and satellite communications to Internet and data transfer. Unfortunately, all communication systems in a practical setting are noisy, which indicates that we can either improve the physical characteristics of the channel or find a possible systematical solution, i.e. error control coding. The history of error control coding dates back to 1948 when Claude Shannon published his celebrated work “A Mathematical Theory of Communication”, which built a framework for channel coding, source coding and information theory. For the first time, we saw evidence for the existence of channel codes, which enable reliable communication as long as the information rate of the code does not surpass the so-called channel capacity. Nevertheless, in the following 60 years none of the codes have been proven closely to approach the theoretical bound until the arrival of turbo codes and the renaissance of LDPC codes. As a strong contender of turbo codes, the advantages of LDPC codes include parallel implementation of decoding algorithms and, more crucially, graphical construction of codes. However, there are also some drawbacks to LDPC codes, e.g. significant performance degradation due to the presence of short cycles or very high decoding latency. In this thesis, we will focus on the practical realisation of finite-length LDPC codes and devise algorithms to tackle those issues. Firstly, rate-compatible (RC) LDPC codes with short/moderate block lengths are investigated on the basis of optimising the graphical structure of the tanner graph (TG), in order to achieve a variety of code rates (0.1 < R < 0.9) by only using a single encoder-decoder pair. As is widely recognised in the literature, the presence of short cycles considerably reduces the overall performance of LDPC codes which significantly limits their application in communication systems. To reduce the impact of short cycles effectively for different code rates, algorithms for counting short cycles and a graph-related metric called Extrinsic Message Degree (EMD) are applied with the development of the proposed puncturing and extension techniques. A complete set of simulations are carried out to demonstrate that the proposed RC designs can largely minimise the performance loss caused by puncturing or extension. Secondly, at the decoding end, we study novel decoding strategies which compensate for the negative effect of short cycles by reweighting part of the extrinsic messages exchanged between the nodes of a TG. The proposed reweighted belief propagation (BP) algorithms aim to implement efficient decoding, i.e. accurate signal reconstruction and low decoding latency, for LDPC codes via various design methods. A variable factor appearance probability belief propagation (VFAP-BP) algorithm is proposed along with an improved version called a locally-optimized reweighted (LOW)-BP algorithm, both of which can be employed to enhance decoding performance significantly for regular and irregular LDPC codes. More importantly, the optimisation of reweighting parameters only takes place in an offline stage so that no additional computational complexity is required during the real-time decoding process. Lastly, two iterative detection and decoding (IDD) receivers are presented for multiple-input multiple-output (MIMO) systems operating in a spatial multiplexing configuration. QR decomposition (QRD)-type IDD receivers utilise the proposed multiple-feedback (MF)-QRD or variable-M (VM)-QRD detection algorithm with a standard BP decoding algorithm, while knowledge-aided (KA)-type receivers are equipped with a simple soft parallel interference cancellation (PIC) detector and the proposed reweighted BP decoders. In the uncoded scenario, the proposed MF-QRD and VM-QRD algorithms are shown to approach optimal performance, yet require a reduced computational complexity. In the LDPC-coded scenario, simulation results have illustrated that the proposed QRD-type IDD receivers can offer near-optimal performance after a small number of detection/decoding iterations and the proposed KA-type IDD receivers significantly outperform receivers using alternative decoding algorithms, while requiring similar decoding complexity

Gemeinsame Kommunikation und Positionierung basierend auf Interleave-Division Multiplexing

Interest in joint communication and positioning is steadily increasing because the combination of both techniques offers a wide range of advantages. On the one hand, synergy effects between communication and positioning like enhanced resource allocation can be exploited. On the other hand, new applications are enabled. Examples comprise a wide area of interest and include the automated localisation of emergency calls, tracking and guiding fire fighters or policemen on a mission, monitoring people with special needs in a hospital or a nursing home, asset tracking, location-based services and so forth. However, it is a challenging task to combine communication and positioning because their prerequisites are quite different. On the one hand, high data rates with little training overhead and low bit error rate are desirable for communication. On the other hand, localisation aims at precise position estimates. Much training is typically spent for that purpose. Given a single transmit signal supporting communication as well as positioning, it is very difficult to fulfil all requirements at the same time. Hence, a flexible configuration is desirable for a joint communication and positioning system with a unified signal structure in order to adjust the tradeoff between both parts to the instantaneous needs. In this thesis, a new system concept for joint communication and positioning with a unified signal structure is proposed and investigated. The system concept is based on interleave-division multiplexing (IDM) in combination with pilot layer aided channel estimation (PLACE) and multilateration via the time of arrival (TOA). On the one hand, IDM seems to be a suitable candidate for a joint communication and positioning system because of its flexible but simple transmitter structure. On the other hand, multilateration via the TOA enables precise localisation. The connection between the communication and the positioning part is accomplished via an enhanced PLACE unit. Through the incorporation of a channel parameter estimator, not only the channel coefficients of the equivalent discrete-time channel model, that are needed for data detection, but also parameters of the physical channel, that are required for positioning, can be estimated. A priori information about pulse shaping and receive filtering is exploited for that purpose. The main aim of this thesis is to show the feasibility of the proposed joint communication and positioning system. Hence, a fundamental system setup is analysed systematically. Since many applications of joint communication and positioning are located in urban or indoor environments, a very high positioning accuracy in the centimetre region is desirable. Unfortunately, positioning is most challenging in these environments due to severe multipath propagation. In order to achieve the required accuracies, the positioning part of the proposed system concept can be complemented by other localisation sources like GPS/Galileo and/or motion sensors via sensor fusion. However, the stand-alone performance of the proposed joint communication and positioning system is evaluated by means of Monte Carlo simulations in this thesis. The achieved results are compared to performance limits in terms of Cramer-Rao lower bounds. In order to improve the overall system performance and to enable sensor fusion, soft information with respect to the parameter as well as the position estimates is taken into account. The accuracy of the soft information is analysed with the help of curvature measures. Altogether, promising results are obtained.Das Interesse an gemeinsamer Kommunikation und Positionierung nimmt aufgrund vieler Vorteile stetig zu: Durch die Kombination beider Techniken können Synergieeffekte wie beispielsweise eine verbesserte Ressourcenverteilung ausgenutzt werden. Des Weiteren werden neue Anwendungen in den unterschiedlichsten Bereichen ermöglicht: Notrufe können automatisch lokalisiert werden, Feuerwehrmänner und Polizisten im Einsatz können durch eine Verfolgung ihrer Position und gegebenenfalls eine Überwachung ihrer Vitalwerte besser angeleitet und koordiniert werden, Patienten mit speziellen Bedürfnissen in Krankenhäusern können durch ein effizientes Monitoring besser versorgt werden, Ein- und Auslagerungsprozesse in Warenhäusern können erleichtert werden, positionsbezogene Dienste können realisiert werden und vieles anderes mehr. Aufgrund der verschiedenen Anforderungen von Kommunikations- und Positionierungsdiensten ist es schwierig, diese beiden Bereiche zu vereinen. Einerseits sollen große Datenraten mit geringem Trainingsaufwand als auch geringen Bitfehlerraten erreicht werden. Andererseits ist eine hohe Positionierungsgenauigkeit erwünscht, die einen großen Trainingsaufwand erfordert. In einem Systementwurf mit einer einheitlichen Signalstruktur ist es schwer, alle Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Daher ist ein flexibler Systementwurf von Vorteil, um den Abtausch zwischen Kommunikation und Positionierung an die aktuellen Bedürfnisse anpassen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem mit einer einheitlichen Signalstruktur vorgeschlagen und untersucht. Der Systementwurf basiert auf Interleave-Division Multiplexing (IDM) in Kombination mit einer Pilotlayer basierten Kanalschätzung und Multilateration mit Hilfe der Signalankunftszeit, im Folgenden Time of Arrival (TOA) genannt. Einerseits ist IDM aufgrund seiner flexiblen, jedoch einfachen Senderstruktur gut für ein gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem geeignet. Andererseits ermöglicht eine Multilateration mit Hilfe der TOA hohe Positionierungsgenauigkeiten. Die Verbindung zwischen beiden Komponenten wird durch eine erweiterte Pilotlayer basierte Kanalschätzung erreicht: Durch die Verwendung eines Kanalparameterschätzers können sowohl die Kanalkoeffizienten des äquivalenten zeitdiskreten Ersatzkanalmodells, die für die Datendetektion benötigt werden, als auch Parameter des physikalischen Kanals, die für die Lokalisierung erforderlich sind, geschätzt werden. A priori Information bezüglich des Pulsformungs- und Empfangsfilters werden hierfür ausgenutzt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen gemeinsamen Kommunikations- und Positionierungssystems zu zeigen. Daher wird ein grundlegender Systementwurf systematisch analysiert. Da viele Anwendungen von gemeinsamer Kommunikation und Positionierung innerhalb von Städten oder Gebäuden angesiedelt sind, ist eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit im Zentimeter-Bereich wünschenswert. Unglücklicherweise ist es in diesen Gebieten aufgrund von starker Mehrwegeausbreitung besonders schwer, die Position eines Objektes zu bestimmen. Allerdings kann die Positionierungskomponente durch andere Lokalisierungsquellen wie beispielsweise GPS/Galileo und/oder Bewegungssensoren mittels Sensorfusion ergänzt werden, um die erforderlichen Genauigkeiten zu erreichen. In Rahmen dieser Arbeit wird jedoch nur die eigenständige Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Systementwurfs mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht. Die Simulationsergebnisse werden mit Leistungsgrenzen in Form von Cramer-Rao Untergrenzen verglichen. Dabei wird Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der geschätzten Parameter und der geschätzten Position berücksichtigt, um die gesamte Systemleistung zu verbessern und Sensorfusion zu ermöglichen. Die Genauigkeit der Zuverlässigkeitsinformation wird mit Hilfe von Krümmungsmaßen analysiert. Insgesamt werden vielversprechende Ergebnisse erzielt