MIMO signal processing in offset-QAM based filter bank multicarrier systems

Next-generation communication systems have to comply with very strict requirements for increased flexibility in heterogeneous environments, high spectral efficiency, and agility of carrier aggregation. This fact motivates research in advanced multicarrier modulation (MCM) schemes, such as filter bank-based multicarrier (FBMC) modulation. This paper focuses on the offset quadrature amplitude modulation (OQAM)-based FBMC variant, known as FBMC/OQAM, which presents outstanding spectral efficiency and confinement in a number of channels and applications. Its special nature, however, generates a number of new signal processing challenges that are not present in other MCM schemes, notably, in orthogonal-frequency-division multiplexing (OFDM). In multiple-input multiple-output (MIMO) architectures, which are expected to play a primary role in future communication systems, these challenges are intensified, creating new interesting research problems and calling for new ideas and methods that are adapted to the particularities of the MIMO-FBMC/OQAM system. The goal of this paper is to focus on these signal processing problems and provide a concise yet comprehensive overview of the recent advances in this area. Open problems and associated directions for future research are also discussed.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

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

MIMO designs for filter bank multicarrier and multiantenna systems based on OQAM

From the perspective of increasingly data rate requirements in mobile communications, it is deemed necessary to do further research so that the future goals can be reached. To that end, the radio-based communications are resorting to multicarrier modulations and spatial diversity. Until today, the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation is regarded as the dominant technology. On one hand, the OFDM modulation is able to accommodate multiantenna configurations in a very straightforward manner. On the other hand, the poor stopband attenuation exhibited by the OFDM modulation, highlights that a definitely tight synchronization is required. In addition, the cyclic prefix (CP) has to be sufficiently long to avoid inter-block interference, which may substantially reduce the spectral efficiency. In order to overcome the OFDM drawbacks, the filter bank multicarrier modulation based on OQAM (FBMC/OQAM) is introduced. This modulation does not need any CP and benefits from pulse shaping techniques. This aspect becomes crucial in cognitive radio networks and communication systems where nodes are unlikely to be synchronized. In principle, the poor frequency confinement exhibited by OFDM should tip the balance towards FBMC/OQAM. However, the perfect reconstruction property of FBMC/OQAM systems does not hold in presence of multipath fading. This means that the FBMC/OQAM modulation is affected by inter-symbol and inter-carrier interference, unless the channel is equalized to some extent. This observation highlights that the FBMC/OQAM extension to MIMO architectures becomes a big challenge due to the need to cope with both modulation- and multiantenna-induced interference. The goal of this thesis is to study how the FBMC/OQAM modulation scheme can benefit from the degrees of freedom provided by the spatial dimension. In this regard, the first attempt to put the research on track is based on designing signal processing techniques at reception. In this case the emphasis is on single-input-multiple-output (SIMO) architectures. Next, the possibility of pre-equalizing the channel at transmission is investigated. It is considered that multiple antennas are placed at the transmit side giving rise to a multiple-input-single-output (MISO) configuration. In this scenario, the research is not only focused on counteracting the channel but also on distributing the power among subcarriers. Finally, the joint transmitter and receiver design in multiple-input-multiple-output (MIMO) communication systems is covered. From the theory developed in this thesis, it is possible to conclude that the techniques originally devised in the OFDM context can be easily adapted to FBMC/OQAM systems if the channel frequency response is flat within the subchannels. However, metrics such as the peak to average power ratio or the sensitivity to the carrier frequency offset constraint the number of subcarriers, so that the frequency selectivity may be appreciable at the subcarrier level. Then, the flat fading assumption is not satisfied and the specificities of FBMC/OQAM systems have to be considered. In this situation, the proposed techniques allow FBMC/OQAM to remain competitive with OFDM. In addition, for some multiantenna configurations and propagation conditions FBMC/OQAM turns out to be the best choice. The simulation-based results together with the theoretical analysis conducted in this thesis contribute to make progress towards the application of FBMC/OQAM to MIMO channels. The signal processing techniques that are described in this dissertation allow designers to exploit the potentials of FBMC/OQAM and MIMO to improve the link reliability as well as the spectral efficiency

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

D13.2 Techniques and performance analysis on energy- and bandwidth-efficient communications and networking

Deliverable D13.2 del projecte europeu NEWCOM#The report presents the status of the research work of the various Joint Research Activities (JRA) in WP1.3 and the results that were developed up to the second year of the project. For each activity there is a description, an illustration of the adherence to and relevance with the identified fundamental open issues, a short presentation of the main results, and a roadmap for the future joint research. In the Annex, for each JRA, the main technical details on specific scientific activities are described in detail.Peer ReviewedPostprint (published version

Analisis Kinerja Teknik Linear Precoding Block Diagonalization Pada Sistem Multi User Mimo-Gfdm Menggunakan Detektor Mmse

Penerapan sistem MIMO untuk layanan ke banyak pengguna (dikenal dengan Multi User-MIMO) diperlukan untuk sistem komunikasi 5G. Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) adalah transmisi multi-carrier fleksibel dengan bentuk gelombang non-orthogonal dan penggunaan subcarrier lebih sedikit mampu mengatasi kelemahan OFDM, yaitu tingginya PAPR dan emisi out-of-band (OOB). Adanya MU-MIMO menimbulkan interferensi antar pengguna yang dapat diatasi dengan teknik linear precoding Block Diagonalization (BD). Interferensi antar antena pada setiap pengguna dapat dimitigasi dengan teknik detektor. Pada paper ini, kami menganalisis kinerja gabungan BD precoding di sisi pengirim dan detektor Minimum Mean Square Error (MMSE) di sisi penerima pada sistem MU MIMO-GFDM. Hasil simulasi menunjukkan kinerja sistem MU MIMO-GFDM pada skema 2x2 dan 2 pengguna dengan RRC pulse lebih baik ±0.35dB dari MU MIMO-OFDM dan MU MIMO-GFDM dengan rectangular pulse. Pada pengamatan CCDF =10-2, nilai PAPR sistem MU MIMO-GFDM lebih rendah ±0.502dB dari MU MIMO-OFDM. Radiasi OOB sistem MU MIMO-GFDM dengan RRC pulse bernilai ±4.5dB dibawah MU MIMO-GFDM dan MU MIMO-OFDM dengan rectangular pulse. Disamping itu juga dilakukan analisa BD precoding pada sistem MU MIMO-GFDM. Kinerja sistem MU MIMO-GFDM antena 2x2 dengan 2 pengguna lebih baik ±2dB dari 4 pengguna, lebih baik ±3dB dari 7 pengguna, dan lebih baik ±8dB dari 9 pengguna. Kinerja sistem MU MIMO-GFDM dengan spatial multiplexing pada 2 pengguna menunjukkan antena 2x2 lebih baik ±4dB dari antena 4x4. Sedangkan kinerja sistem MU MIMO-GFDM pada MIMO 2x2 dan 4 pengguna menggunakan detektor MMSE lebih baik ±4.07dB dari ZF. ========================================================================================================= The implementation of the MIMO system for services to multiple users (known as Multi User-MIMO) is required for 5G communication systems. Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) is a flexible multi-carrier transmission with non-orthogonal waveforms and fewer subcarriers are able to overcome OFDM weaknesses, namely high PAPR and out-of-band (OOB) emissions. The existence of MU-MIMO cause interference among users that can be overcome with Block Diagonalization (BD) linear precoding technique. Inter-antenna interference (IAI) resulted by each user can be mitigated by detector techniques. In this paper, we analyze the combined performance of BD precoding on the transmitter and the Minimum Mean Square Error (MMSE) detector on the receiver of the MU MIMO-GFDM system. The simulation results show the performance of MU MIMO-GFDM system use 2x2 antenna scheme in two users with RRC pulse is better ±0.35dB than MU MIMO-OFDM and MU MIMO-GFDM with rectangular pulse. In the observation of CCDF=〖10〗^(-2), PAPR MU MIMO-GFDM is lower ±0.502dB than MU MIMO-OFDM. OOB radiation in MU MIMO-GFDM system using RRC pulse is lower ±4.5dB than MU MIMO-GFDM dan MU MIMO-OFDM using rectangular pulse. Besides, BD precoding has been analyzed on the MU MIMO-GFDM system. The performance of MU MIMO-GFDM system use 2x2 antenna with 2 users is better ±2dB than 4 users, better ±3dB than 7 users, and better ±8dB than 9 users. The performance of MU MIMO-GFDM system with spatial multiplexing in two users shows 2x2 antenna is ±4dB better than 4x4 antenna. While the performance of MU MIMO-GFDM system to mitigate IAI use 2x2 antenna and 4 users shows MMSE detector is better ±4.07dB than ZF detector

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

Analisis Performansi Precoding Regularized Channel Inversion (RCI) Pada Sistem Multiuser MIMO-GFDM Untuk Kanal Downlink 5G

Pada penelitian ini, dianalisis kinerja teknik precoding linier regularized channel inversion (RCI) yang dikombinasikan dengan salah satu kandidat waveform 5G, yaitu generalized frequency division multiplexing (GFDM), pada sistem multiuser MIMO downlink. RCI merupakan precoding linier paling sederhana berdasarkan kriteria MMSE. Pada penelitian sebelumnya, RCI menunjukkan kinerja yang baik pada sistem MU-MIMO saat dikombinasikan dengan orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), waveform yang saat ini digunakan pada teknologi 4G. Penggunaan RCI pada sistem MU-MIMOOFDM dapat menurunkan efek inter user interference (IUI) tanpa meningkatkan kompleksitas sistem secara signifikan. Di dalam penelitian ini, kinerja RCI pada sistem yang diusulkan, yaitu MU-MIMO-GFDM, dibandingkan dengan performansi RCI pada sistem sebelumnya, yaitu MU-MIMO-OFDM. Khusus untuk sistem MU-MIMO-GFDM, dibuat dua sistem MU-MIMO-GFDM yang menggunakan mapper berbeda, yaitu 16-QAM dan 16-OQAM untuk masingmasing sistem. Dari hasil simulasi dan analisis, RCI pada MU-MIMO-GFDM mencapai kinerja yang sama baik seperti kinerja RCI pada saat diimplementasikan di MU-MIMO-OFDM, dalam hal bit error rate (BER). Bahkan, berdasarkan kurva CCDF, sistem MU-MIMO-GFDM-QAM memiliki nilai PAPR paling baik,dengan rata-rata selisih sebesar 0.794 atau -1 dB dari PAPR yang dihasilkan pada MU-MIMO-OFDM-QAM. Sedangkan MU-MIMO-GFDM-OQAM memiliki rata-rata selisih nilai PAPR sebesar 0,806 atau -0,9 dB dari MU-MIMO-OFDMQAM. Di sisi OOB, rata-rata nilai OOB antara MU-MIMO-GFDM-QAM dengan MU-MIMO-OFDM-QAM adalah sebesar 4,38 dBW atau 2,78 W. Untuk perbandingan rata-rata nilai OOB dari sistem MU-MIMO-GFDM-OQAM dengan MU-MIMO-OFDM-QAM adalah sebesar 3,18 dBW atau 2,07 W. Penggunaan RCI pada sistem yang diusulkan tidak dapat menghilangkan pengaruh IUI secara total, namun sinyal yang diinginkan dengan sinyal penginterferensi masih dapat dibedakan. Jika dibandingkan dengan sistem lain yang menggunakan precoding berbeda, yaitu block diagonalization, kinerja sistem masih lebih rendah daripada sistem lain tersebut sehingga masih membutuhkan pengenbangan lebih lanjut. ======================================================================================= In this research, it is analyzed the performance of regularized channel inversion (RCI) technique combined with one of 5G waveform candidate, generalized frequency division multiplexing (GFDM), in multiuser MIMO (MU-MIMO)downlink system. RCI is the simplest linear precoding based on MMSE criteria. In previous research, RCI showed good performance on MU-MIMO system when it is combined with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), a waveform currently used in 4G technology. The use of RCI in the MU-MIMOOFDM system can reduce the inter-user interference (IUI) effect without significantly increasing system complexity. In this study, the performance of RCI in the proposed system, i.e. MU-MIMO-GFDM, will be compared to the performance of RCI in the previous system, ie MU-MIMO-OFDM. Especially for the MU-MIMO-GFDM, two MU-MIMO-GFDM systems are created using different mapper, 16-QAM and 16-OQAM respectively. From the simulation and analysis results, the RCI on MU-MIMO-GFDM achieves the same performance as RCI performance when it is implemented on MU-MIMO-OFDM, in terms of bit error rate (BER). In fact, based on the CCDF curve, the MU-MIMO-GFDMQAM system has the best PAPR value, with an average difference of 0.794 or -1 dB from the PAPR generated at MU-MIMO-OFDM-QAM. While MU-MIMOGFDM-OQAM has an average difference of PAPR value of 0.806 or -0.9 dB from MU-MIMO-OFDM-QAM. On the OOB side, the average OOB value between MU-MIMO-GFDM-QAM and MU-MIMO-OFDM-QAM is 4.38 dBW or 2.78 W. For a comparison of the average OOB values of the MU-MIMOGFDM-OQAM system with MU-MIMO-OFDM-QAM is 3.18 dBW or 2.07 W. The use of RCI in the proposed system can not eliminate totally influence from other user's channels. However, the desired signals and its the interference signal can still be distinguished. If it is compared to other systems using other linear precoding, ie, block diagonalization, its performance is still lower than that other system so that it is still enhancement further