AirSync: Enabling Distributed Multiuser MIMO with Full Spatial Multiplexing

The enormous success of advanced wireless devices is pushing the demand for higher wireless data rates. Denser spectrum reuse through the deployment of more access points per square mile has the potential to successfully meet the increasing demand for more bandwidth. In theory, the best approach to density increase is via distributed multiuser MIMO, where several access points are connected to a central server and operate as a large distributed multi-antenna access point, ensuring that all transmitted signal power serves the purpose of data transmission, rather than creating "interference." In practice, while enterprise networks offer a natural setup in which distributed MIMO might be possible, there are serious implementation difficulties, the primary one being the need to eliminate phase and timing offsets between the jointly coordinated access points. In this paper we propose AirSync, a novel scheme which provides not only time but also phase synchronization, thus enabling distributed MIMO with full spatial multiplexing gains. AirSync locks the phase of all access points using a common reference broadcasted over the air in conjunction with a Kalman filter which closely tracks the phase drift. We have implemented AirSync as a digital circuit in the FPGA of the WARP radio platform. Our experimental testbed, comprised of two access points and two clients, shows that AirSync is able to achieve phase synchronization within a few degrees, and allows the system to nearly achieve the theoretical optimal multiplexing gain. We also discuss MAC and higher layer aspects of a practical deployment. To the best of our knowledge, AirSync offers the first ever realization of the full multiuser MIMO gain, namely the ability to increase the number of wireless clients linearly with the number of jointly coordinated access points, without reducing the per client rate.Comment: Submitted to Transactions on Networkin

Experimental Demonstration of Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing Transmissions at E-Band

This paper presents the design and the experimental demonstration of transmission of spectrally efficient frequency division multiplexing (SEFDM) signals, using a single 5-GHz channel, from 81 to 86 CHz in the E-hand frequency allocation. A purpose-built E-band SEFDM experimental demonstrator, consisting of transmitter and receiver GaAs microwave integrated circuits, along with a complete chain of digital signal processing is explained. Solutions are proposed to solve the channel and phase offset estimation and equalization issues, which arise from the well-known intercarrier interference between the SEFDM signal subcarriers. This paper shows the highest transmission rate of 12 Gb/s over a bandwidth varying between 2.67 to 4 CHz depending on the compression level of the SEFDM signals, which results in a spectral efficiency improvement by up to 50%, compared to the conventional orthogonal frequency division multiplexing modulation format

Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

A low-cost time-hopping impulse radio system for high data rate transmission

We present an efficient, low-cost implementation of time-hopping impulse radio that fulfills the spectral mask mandated by the FCC and is suitable for high-data-rate, short-range communications. Key features are: (i) all-baseband implementation that obviates the need for passband components, (ii) symbol-rate (not chip rate) sampling, A/D conversion, and digital signal processing, (iii) fast acquisition due to novel search algorithms, (iv) spectral shaping that can be adapted to accommodate different spectrum regulations and interference environments. Computer simulations show that this system can provide 110Mbit/s at 7-10m distance, as well as higher data rates at shorter distances under FCC emissions limits. Due to the spreading concept of time-hopping impulse radio, the system can sustain multiple simultaneous users, and can suppress narrowband interference effectively.Comment: To appear in EURASIP Journal on Applied Signal Processing (Special Issue on UWB - State of the Art