Multi-group linear turbo equalization with intercell interference cancellation for MC-CDMA cellular systems.

In this paper, we investigate multi-group linear turbo equalization using single antenna interference cancellation (SAIC) techniques to mitigate the intercell interference for multi-carrier code division multiple access (MC-CDMA) cellular systems. It is important for the mobile station to mitigate the intercell interference as the performance of the users close to cell edge is mainly degraded by the intercell interference. The complexity of the proposed iterative detector and receiver is low as the one-tap minimum mean square error (MMSE) equalizer is employed for mitigating the intracell interference, while a simple group interference canceller is used for suppressing the intercell interference. Simulation results show that the proposed iterative detector and receiver can mitigate the intercell interference effectively through iterations for both uncoded and coded signals

Systems with Massive Number of Antennas: Distributed Approaches

As 5G is entering maturity, the research interest has shifted towards 6G, and specially the new use cases that the future telecommunication infrastructure needs to support. These new use cases encompass much higher requirements, specifically: higher communication data-rates, larger number of users, higher accuracy in localization, possibility to wirelessly charge devices, among others.The radio access network (RAN) has already gone through an evolution on the path towards 5G. One of the main changes was a large increment of the number of antennas in the base-station. Some of them may even reach 100 elements, in what is commonly referred as Massive MIMO. New proposals for 6G RAN point in the direction of continuing this path of increasing the number of antennas, and locate them throughout a certain area of service. Different technologies have been proposed in this direction, such as: cell-free Massive MIMO, distributed MIMO, and large intelligent surface (LIS). In this thesis we focus on LIS, whose conducted theoretical studies promise the fulfillment of the aforementioned requirements.While the theoretical capabilities of LIS have been conveniently analyzed, little has been done in terms of implementing this type of systems. When the number of antennas grow to hundreds or thousands, there are numerous challenges that need to be solved for a successful implementation. The most critical challenges are the interconnection data-rate and the computational complexity.In the present thesis we introduce the implementation challenges, and show that centralized processing architectures are no longer adequate for this type of systems. We also present different distributed processing architectures and show the benefits of this type of schemes. This work aims at giving a system-design guideline that helps the system designer to make the right decisions when designing these type of systems. For that, we provide algorithms, performance analysis and comparisons, including first order evaluation of the interconnection data-rate, processing latency, memory and energy consumption. These numbers are based on models and available data in the literature. Exact values depend on the selected technology, and will be accurately determined after building and testing these type of systems.The thesis concentrates mostly on the topic of communication, with additional exploration of other areas, such as localization. In case of localization, we benefit from the high spatial resolution of a very-large array that provides very rich channel state information (CSI). A CSI-based fingerprinting via neural network technique is selected for this case with promising results. As the communication and localization services are based on the acquisition of CSI, we foresee a common system architecture capable of supporting both cases. Further work in this direction is recommended, with the possibility of including other applications such as sensing.The obtained results indicate that the implementation of these very-large array systems is feasible, but the challenges are numerous. The proposed solutions provide encouraging results that need to be verified with hardware implementations and real measurements

Beyond Massive MIMO : Trade-offs and Opportunities with Large Multi-Antenna Systems

After the commercial emergence of 5G, the research community is already putting its focus on proposing innovative solutions to enable the upcoming 6G. One important lesson put forth by 5G research was that scaling up the conventional multiple-input-multiple-output (MIMO) technology by increasing the number of antennas could be extremely beneficial for effectively multiplexing data streams in the spatial domain. This idea was embodied in massive MIMO, which constitutes one of the major technical advancements included in 5G. Consequently, 6G research efforts have been largely directed towards studying ways to further scale up wireless systems, as can be seen in some of the proposed 6G enabling technologies like large intelligent surface (LIS), cell-free massive MIMO, or even reconfigurable intelligent surface (RIS). This thesis studies the possibilities offered by some of these technologies, as well as the trade-offs that may naturally arise when scaling up such wireless systems.An important part of this thesis deals with decentralized solutions for base station (BS) technologies including a large number of antennas. Already in the initial massive MIMO prototypes, the increased number of BS antennas led to scalability issues due to the high interconnection bandwidths required to send the received signals---as well as the channel state information (CSI)---to a central processing unit (CPU) in charge of the data processing. These issues can only be exacerbated if we consider novel system proposals like LIS, where the number of BS antennas may be increased by an order of magnitude with respect to massive MIMO, or cell-free massive MIMO, where the BS antennas may be located far from each other. We provide a number of decentralized schemes to process the received data while restricting the information that has to be shared with a CPU. We also provide a framework to study architectures with an arbitrary level of decentralization, showing that there exists a direct trade-off between the interconnection bandwidth to a CPU and the complexity of the decentralized processing required for fixed user rates.Another part of this thesis studies RIS-based solutions to enhance the multiplexing performance of wireless communication systems. RIS constitutes one of the most attractive 6G enabling technologies since it provides a cost- and energy-efficient solution to improve the wireless propagation links by generating favorable reflections. We extend the concept of RIS by considering reconfigurable surfaces (RSs) with different processing capabilities, and we show how these surfaces may be employed for achieving perfect spatial multiplexing at reduced processing complexity in general multi-antenna communication settings. We also show that these surfaces can exploit the available degrees of freedom---e.g., due to excess of BS antennas---to embed their own data into the enhanced channel

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