Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions

Pré-filtragem no espaço-frequência para o sistema MC-CDMA

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaO trabalho desta tese enquadra-se na área de comunicações móveis, mais especificamente em sistemas de portadora múltipla. O MC-CDMA, que combina a modulação OFDM com o espalhamento na frequência, é um dos candidatos mais promissores para a interface-ar dos futuros sistemas de comunicações móveis – 4G. O objectivo desta tese é propor e avaliar técnicas de pré-filtragem e de codificação, projectadas no espaço-frequência/tempo para o sistema MC-CDMA, no sentido descendente (Downlink). Inicialmente, são discutidos conceitos teóricos fundamentais para se compreender o mecanismo físico de propagação inerente às comunicações móveis, apresentando-se depois vários sistemas de portadora múltipla. É dada especial atenção ao sistema convencional MC-CDMA. Este sistema é importante porque serve de referência ao desempenho obtido com as técnicas de transmissão propostas nesta tese. Estas técnicas são projectadas tendo em conta as restrições em termos de complexidade do terminal móvel. Assim, a estação base é equipada com um agregado de antenas e o terminal móvel com uma antena, sendo neste último, apenas implementadas técnicas de detecção mono-utilizador. Assumindo, que a estação base conhece a resposta do canal antes da transmissão, são propostas diferentes estratégias de transmissão: os filtros são projectados no espaço-frequência para o sistema MC-CDMA combinados com ou sem equalização no terminal móvel; e o filtro é projectado apenas na frequência para o sistema MC-CDMA com codificação no espaço-frequência/tempo. O algoritmo é baseado na minimização da potência transmitida sujeita à total eliminação da interferência de acesso múltiplo e das distorções provocadas pelo canal rádio móvel. Todos os esquemas propostos são validados e comparados, através de simulações, em cenários típicos de interiores e exteriores. Como principal conclusão desta tese, destaca-se a significativa melhoria de desempenho obtido com estas técnicas, relativamente ao sistema convencional MC-CDMA. Além disso, este desempenho é conseguido com um terminal móvel de reduzida complexidade. Assim, estas técnicas permitem aumentar significativamente a capacidade do sistema e, simultaneamente, transferir grande parte da complexidade do terminal móvel para a estação base.The scope of this thesis targets multi-carrier modulation techniques for mobile radio communications system. MC-CDMA combining multi-carrier modulation and spreading in the frequency domain is widely viewed as a promising candidate for 4G air interfaces. The aim of this thesis is to propose and evaluate pre-filtering and coding techniques designed in space and frequency/time for the downlink MC-CDMA system. Initially, the fundamental propagation mechanisms inherent to mobile radio communications are discussed and then several multi-carrier schemes are presented. Furthermore, special attention is given to the conventional MCCDMA system, since it can be used as the reference benchmark performance for the advanced transmission techniques proposed in this thesis. These transmission schemes are designed taking into account the complexity constraints at the mobile terminal. Hence, the basestation is equipped with an antenna array and the mobile terminal comprises a single antenna and single user detection scheme. Based on the assumption that the basestation has prior channel knowledge, different transmission strategies are proposed: spacefrequency pre-filtering schemes combined with single user equalizers at the MT for the MC-CDMA system; frequency pre-filtering scheme for spacefrequency/ time coding MC-CDMA system. The algorithm is based on the minimization of the transmitted power subject to MAI and channel distortion elimination. The proposed pre-filtering schemes are assessed and compared through simulations in typical indoor and pedestrian scenarios. This work concluded that with the proposed pre-filtering schemes, we obtain a considerable performance improvement in typical indoor and outdoor scenarios with a low complexity mobile terminal design and allow a transfer of implementation complexity from the mobile to the basestation

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

Performance Evaluation and Analysis of Mimo Schemes in LTE Networks Environment

RÉSUMÉ Dans cette thèse, nous proposons d'évaluer et d’analyser les performances des configurations radio à antennes multiples à l'émission et/ou la réception (MIMO) dans l’environnement des réseaux LTE (Long Term Evolution). Plus spécifiquement, on s’intéresse à la couche physique de l'interface radio OFDM-MIMO de ces réseaux. Après une introduction rapide aux réseaux LTE et aux techniques MIMO, on présente dans une première étape, une analyse théorique du taux d'erreur binaire en fonction du rapport signal sur bruit des deux principaux codes spatio-temporels de la norme LTE, à savoir le codage SFBC 21 (Space Frequency Block Coding) et le codage FSTD 42 (Frequency Switch Transmit Diversity). On développe les équations analytiques du taux d'erreur binaire de ces codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale qui sont par la suite comparées à des valeurs obtenues par simulations Monte-Carlo. Dans une deuxième étape, on considère l’évaluation de la capacité du canal résultant de l’utilisation de ces mêmes codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh. Pour fin de comparaison, on propose par la suite d’évaluer par simulation leur débit effectif. Les résultats montrent que la capacité peut effectivement être presque atteinte en pratique. Le deuxième volet de cette thèse considère les performances des systèmes MIMO utilisant la sélection d’antennes. Nous utilisons la théorie d'ordre statistique pour développer des équations analytiques relatives au taux d’erreur binaire des systèmes avec sélection d'antennes du coté récepteur dans un canal d'évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale. Afin de valider numériquement les résultats de notre analyse, un algorithme à sélection d’antenne au récepteur a été développé et utilisé en simulation. Dans un dernier temps, on évalue l'effet de la corrélation spatiale entre les antennes. L’étude est faite à partir de simulations et d’un modèle de corrélation spatiale basé sur le produit Kronecker de deux matrices de corrélation relatives respectivement à l'émission et à la réception.----------ABSTRACT This thesis considers both an analysis and a numerical evaluation of the performance of MIMO radio systems in the LTE network environment. More specifically we consider the physical layer of the OFDM-MIMO based radio interface. As a first step we present a theoretical analysis of the bit error rate of the two space-time codes adopted by the LTE norm, namely the SFBC 21 and FSTD 42 codes, as a function of the signal upon noise ratio. Analytical expressions are given for transmission over a Rayleigh channel without spatial correlation which are then compared with Monte-Carlo simulations. As a second step, we consider the capacity of the channel obtained by using these codes on a Rayleigh fading channel. Results show that simulated throughput almost reaches the capacity limit. As a different topic, this thesis considers also MIMO systems based on antenna selection. By using order statistics we develop analytical expressions for the error rate on a Rayleigh channel without antenna correlation. In order to validate our numerical results, an algorithm implementing antenna selection at the receiver has been developed and used in the simulations. As a last step the effect of antenna correlation is investigated through the use of simulations and a model of spatial antenna correlation based on the Kronecker product of two correlation matrices related to the transmitting and receiving elements of the MIMO scheme

D 3. 3 Final performance results and consolidated view on the most promising multi -node/multi -antenna transmission technologies

This document provides the most recent updates on the technical contributions and research challenges focused in WP3. Each Technology Component (TeC) has been evaluated under possible uniform assessment framework of WP3 which is based on the simulation guidelines of WP6. The performance assessment is supported by the simulation results which are in their mature and stable state. An update on the Most Promising Technology Approaches (MPTAs) and their associated TeCs is the main focus of this document. Based on the input of all the TeCs in WP3, a consolidated view of WP3 on the role of multinode/multi-antenna transmission technologies in 5G systems has also been provided. This consolidated view is further supported in this document by the presentation of the impact of MPTAs on METIS scenarios and the addressed METIS goals.Aziz, D.; Baracca, P.; De Carvalho, E.; Fantini, R.; Rajatheva, N.; Popovski, P.; Sørensen, JH.... (2015). D 3. 3 Final performance results and consolidated view on the most promising multi -node/multi -antenna transmission technologies. http://hdl.handle.net/10251/7675

Cooperative diversity schemes for wireless communication systems

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesA presente dissertação insere-se na área das comunicações sem fios, ou mais especificamente na temática da diversidade cooperativa. Neste trabalho é feito o estudo, implementação e avaliação do desempenho de esquemas de diversidade cooperativa de baixa complexidade para sistemas de comunicação móvel. Estes esquemas são mapeados em modelos de simulação baseados em OFDMA e são completamente simulados em CoCentric System Studio. Os resultados obtidos com os modelos desenvolvidos mostram que os esquemas de diversidade cooperativa atenuam os efeitos do desvanecimento induzido pela propagação multipercurso, aumentando desta forma a capacidade e cobertura dos sistemas wireless. Os ganhos são particularmente altos quando as perdas de percurso são consideráveis, como é o caso das zonas urbanas densas. ABSTRACT: This dissertation is inserted into the wireless communication, or more specifically, into the cooperative diversity field. within this thesis, the performance of low-complexity cooperative diversity schemes projected for mobile communication systems are studied, implemented and evaluated. These schemes are mapped into simulation models based on OFDMA and are fully simulated in the CoCentric System Studio environment. The obtained results show that the proposed cooperative schemes for the uplink communication mitigate fading induced by multipath propagation, thereby increasing the capacity and coverage of wireless systems. Cooperation gains are particularly high when multipath losses are considerable, as is the case for dense urban regions