User Selection and Precoding Techniques for Rate Maximization in Broadcast MISO Systems

Resumo indisponível

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

Resource Allocation, Scheduling and Feedback Reduction in Multiple Input Multiple Output (MIMO) Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) Systems

The number of wireless systems, services, and users are constantly increasing and therefore the bandwidth requirements have become higher. One of the most robust modulations is Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). It has been considered as an attractive solution for future broadband wireless communications. This dissertation investigates bit and power allocation, joint resource allocation, user scheduling, and limited feedback problem in multi-user OFDM systems. The following dissertation contributes to improved OFDM systems in the following manner. (1) A low complexity sub-carrier, power, and bit allocation algorithm is proposed. This algorithm has lower computational complexity and results in performance that is comparable to that of the existing algorithms. (2) Variations of the proportional fair scheduling scheme are proposed and analyzed. The proposed scheme improves system throughput and delay time, and achieves higher throughput without sacrificing fairness which makes it a better scheme in terms of efficiency and fairness. (3) A DCT feedback compression algorithm based on sorting is proposed. This algorithm uses sorting to increase the correlation between feedback channel quality information of frequency selective channels. The feedback overhead of system is successfully reduced

Novel feedback and signalling mechanisms for interference management and efficient modulation

In order to meet the ever-growing demand for mobile data, a number of different technologies have been adopted by the fourth generation standardization bodies. These include multiple access schemes such as spatial division multiple access (SDMA), and efficient modulation techniques such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based modulation. The specific objectives of this theses are to develop an effective feedback method for interference management in smart antenna SDMA systems and to design an efficient OFDM-based modulation technique, where an additional dimension is added to the conventional two-dimensional modulation techniques such as quadrature amplitude modulation (QAM). In SDMA time division duplex (TDD) systems, where channel reciprocity is maintained, uplink (UL) channel sounding method is considered as one of the most promising feedback methods due to its bandwidth and delay efficiency. Conventional channel sounding (CCS) only conveys the channel state information (CSI) of each active user to the base station (BS). Due to the limitation in system performance because of co-channel interference (CCI) from adjacent cells in interference-limited scenarios, CSI is only a suboptimal metric for multiuser spatial multiplexing optimization. The first major contribution of this theses is a novel interference feedback method proposed to provide the BS with implicit knowledge about the interference level received by each mobile station (MS). More specifically, it is proposed to weight the conventional channel sounding pilots by the level of the experienced interference at the user’s side. Interference-weighted channel sounding (IWCS) acts as a spectrally efficient feedback technique that provides the BS with implicit knowledge about CCI experienced by each MS, and significantly improves the downlink (DL) sum capacity for both greedy and fair scheduling policies. For the sake of completeness, a novel procedure is developed to make the IWCS pilots usable for UL optimization. It is proposed to divide the optimization metric obtained from the IWCS pilots by the interference experienced at the BS’s antennas. The resultant new metric, the channel gain divided by the multiplication of DL and UL interference, provides link-protection awareness and is used to optimize both UL and DL. Using maximum capacity scheduling criterion, the link-protection aware metric results in a gain in the median system sum capacity of 26.7% and 12.5% in DL and UL respectively compared to the case when conventional channel sounding techniques are used. Moreover, heuristic algorithm has been proposed in order to facilitate a practical optimization and to reduce the computational complexity. The second major contribution of this theses is an innovative transmission approach, referred to as subcarrier-index modulation (SIM), which is proposed to be integrated with OFDM. The key idea of SIM is to employ the subcarrier-index to convey information to the receiver. Furthermore, a closed-form analytical bit error ratio (BER) of SIM OFDM in Rayleigh channel is derived. Simulation results show BER performance gain of 4 dB over 4-QAM OFDM for both coded and uncoded data without power saving policy. Alternatively, power saving policy maintains an average gain of 1 dB while only using half OFDM symbol transmit power