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

Link adaptation for MC-CDMA radio interface

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Near-Instantaneously Adaptive HSDPA-Style OFDM Versus MC-CDMA Transceivers for WIFI, WIMAX, and Next-Generation Cellular Systems

Burts-by-burst (BbB) adaptive high-speed downlink packet access (HSDPA) style multicarrier systems are reviewed, identifying their most critical design aspects. These systems exhibit numerous attractive features, rendering them eminently eligible for employment in next-generation wireless systems. It is argued that BbB-adaptive or symbol-by-symbol adaptive orthogonal frequency division multiplex (OFDM) modems counteract the near instantaneous channel quality variations and hence attain an increased throughput or robustness in comparison to their fixed-mode counterparts. Although they act quite differently, various diversity techniques, such as Rake receivers and space-time block coding (STBC) are also capable of mitigating the channel quality variations in their effort to reduce the bit error ratio (BER), provided that the individual antenna elements experience independent fading. By contrast, in the presence of correlated fading imposed by shadowing or time-variant multiuser interference, the benefits of space-time coding erode and it is unrealistic to expect that a fixed-mode space-time coded system remains capable of maintaining a near-constant BER

Multicarrier communication systems with low sensibility to nonlinear amplification

Actualment estem entrant a una nova era de la informació amb gran demanda de sistemes de comunicació sense fils. Nous serveis com dades i video requereixen transmissions fiables d'alta velocitat, fins i tot en escenaris d'alta mobilitat. A més a més, la dificultat d'assignar el limitat espectre radioelèctric juntament amb la necessitat d'incrementar el temps de vida de les bateries dels terminals mòbils, requereix el diseny de transceptors que usin la potència i l'ampla de banda disponibles de manera eficient. Les comunicacions multiportadora basades en OFDM són capaces de satisfer la majoria d'aquests requeriments. Però, entre altres reptes, reduir la sensibilitat a la amplificació no-lineal és un factor clau durant el diseny. En aquesta tesi doctoral s'analitza la sensibilitat dels sistemes multiportadora basats en OFDM a l'amplificació no-lineal i es consideren formes eficients per superar aquest problema. La tesi s'enfoca principalment al problema de reduir les fluctuacions de l'envolupant del senyal transmès. En aquest sentit es presenta també un estudi de les mètriques de l'envolupant del senyal, PAPR i CM. A més a més, basant-nos en l'anàlisis presentat es proposen noves tècniques per sistemes OFDM i MC-SS. Per MC-SS, també es tracta el diseny d'una tècnica de postprocessament en forma de detector multiusuari per canals no-lineals.Actualmente estamos entrando en una nueva era de la información donde se da una gran demanda de sistemas de comunicación inalámbricos. Nuevos servicios como datos y vídeo requieren transmisiones fiables de alta velocidad, incluso en escenarios de alta movilidad. Además, la dificultad de asignar el limitado espectro radioeléctrico junto con la necesidad de incrementar el tiempo de vida de las baterías de los terminales móviles, requiere el diseño de transceptores que usen eficientemente la potencia y el ancho de banda disponibles. Las comunicaciones multiportadora basadas en OFDM son capaces de satisfacer la mayoría de dichos requerimientos. Sin embargo, entre otros retos, reducir su sensibilidad a la amplificación no-lineal es un factor clave durante el diseño. En esta tesis se analiza la sensibilidad de los sistemas multiportadora basados en OFDM a la amplificación no-lineal y se consideran formas eficientes para superar dicho problema. La tesis se enfoca principalmente al problema de reducir las fluctuaciones de la envolvente. En este sentido también se presenta un estudio de las métricas de la señal, PAPR y CM. Además, basándonos en el análisis presentado se proponen nuevas técnicas para OFDM y MC-SS. Para MC-SS, también se trata el diseño de un detector multiusuario para canales no-lineales.We are now facing a new information age with high demand of wireless communication systems. New services such as data and video require achieving reliable high-speed transmissions even in high mobility scenarios. Moreover, the difficulty to allocate so many wireless communication systems in the limited frequency band in addition to the demand for long battery life requires designing spectrum and power efficient transceivers. Multicarrier communications based on OFDM are known to fulfill most of the requirements of such systems. However, among other challenges, reducing the sensitivity to nonlinear amplification has become a design key. In this thesis the sensitivity of OFDM-based multicarrier systems to nonlinear amplification is analyzed and efficient ways to overcome this problem are considered. The focus is mainly on the problem of reducing the envelope fluctuations. Therefore, a study of the signal metrics, namely PAPR and CM, is also presented. From the presented analysis, several new techniques for OFDM and MC-SS are proposed. For MC-SS, the design of a post-processing technique in the form of a multiuser detector for nonlinearly distorted MC-SS symbols is also addressed

Quality of service and resource management in IP and wireless networks

A common theme in the publications included in this thesis is the quality of service and resource management in IP and wireless networks. This thesis presents novel algorithms and implementations for admission control in IP and IEEE 802.16e networks, active queue management in EGPRS, WCDMA, and IEEE 802.16e networks, and scheduling in IEEE 802.16e networks. The performance of different algorithms and mechanisms is compared with the prior art through extensive ns-2 simulations. We show that similar active queue management mechanisms, such as TTLRED, can be successfully used to reduce the downlink delay (and in some cases even improve the TCP goodput) in different bottlenecks of IP, EGPRS, WCDMA, and IEEE 802.16e access networks. Moreover, almost identical connection admission control algorithms can be applied both in IP access networks and at IEEE 802.16e base stations. In the former case, one just has to first gather the link load information from the IP routers. We also note that DiffServ can be used to avoid costly overprovisioning of the backhaul in IEEE 802.16e networks. We present a simple mapping between IEEE 802.16e data delivery services and DiffServ traffic classes, and we propose that IEEE 802.16e base stations should take the backhaul traffic load into account in their admission control decisions. Moreover, different IEEE 802.16e base station scheduling algorithms and uplink channel access mechanisms are studied. In the former study, we show that proportional fair scheduling offers superior spectral efficiency when compared to deficit round-robin, though in some cases at the cost of increased delay. Additionally, we introduce a variant of deficit round-robin (WDRR), where the quantum value depends on the modulation and coding scheme. We also show that there are several ways to implement ertPS in an efficient manner, so that during the silence periods of a VoIP call no uplink slots are granted. The problem here, however, is how to implement the resumption after the silence period while introducing as little delay as possible

Intelligent genetic algorithms for next-generation broadband multi-carrier CDMA wireless networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.This dissertation proposes a novel intelligent system architecture for next-generation broadband multi-carrier CDMA wireless networks. In our system, two novel and similar intelligent genetic algorithms, namely Minimum Distance guided GAs (MDGAs) are invented for both peak-to-average power ratio (PAPR) reduction at the transmitter side and multi-user detection (MUD) at the receiver side. Meanwhile, we derive a theoretical BER performance analysis for the proposed MC-CDMA system in A WGN channel. Our analytical results show that the theoretical BER performance of synchronized MC-CDMA system is the same as that of the synchronized DS-CDMA system which is also used as a theoretical guidance of our novel MUD receiver design. In contrast to traditional GAs, our MDGAs start with a balanced ratio of exploration and exploitation which is maintained throughout the process. In our algorithms, a new replacement strategy is designed which increases significantly the convergence rate and reduces dramatically computational complexity as compared to the conventional GAs. The simulation results demonstrate that, if compared to those schemes using exhaustive search and traditional GAs, (1) our MDGA-based P APR reduction scheme achieves 99.52% and 50+% reductions in computational complexity, respectively; (2) our MDGA-based MUD scheme achieves 99.54% and 50+% reductions in computational complexity, respectively. The use of one core MDGA solution for both issues can ease the hardware design and dramatically reduce the implementation cost in practice

Multiuser detection in CDMA using blind techniques

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Electronics and Communication Engineering, Izmir, 2004Includes bibliographical references (leaves: 63-65)Text in English; Abstract: Turkish and Englishxiv, 69 leavesIn code division multiple access (CDMA) systems, blind multiuser detection (MUD) techniques are of great importance, especially for downlinks, since in practice, it may be unrealistic for a mobile user to know the spreading codes of other active users in the channel. Furthermore, blind methods remove the need for training sequences which leads to a gain in the channel bandwidth. Subspace concept in blind MUD is an alternative process to classical and batch blind MUD techniques based on principle component analysis, or independent component analysis (ICA) and ICA-like algorithms, such as joint approximate diagonalization of eigen-matrices (JADE), blind source separation algorithm with reference system, etc. Briefly, the desired signal is searched in the signal subspace instead of the whole space, in this type of detectors. A variation of the subspace-based MUD is reduced-rank MUD in which a smaller subspace of the signal subspace is tracked where the desired signal is contained in. This latter method leads to a performance gain compared to a standard subspace method. In this thesis, blind signal subspace and reduced-rank MUD techniques are investigated, and applied to minimum mean square error (MMSE) detectors with two different iterative subspace tracking algorithms. The performances of these detectors are compared in different scenarios for additive white Gaussian noise and for multipath fading channels as well. With simulation results the superiority of the reduced-rank detector to the signal subspace detector is shown. Additionally, as a new remark for both detectors, it is shown that, using minimum description length criterion in subspace tracking algorithm results in an increase in rank-tracking ability and correspondingly in the final performance. Finally, the performances of these two detectors are compared with MMSE, adaptive MMSE and JADE detectors