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    Is FFT Fast Enough for Beyond-5G Communications?

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    This paper studies the impact of computational complexity on the throughput limits of different Discrete Fourier Transform (DFT) algorithms (such as FFT and straightforward DFT) in the context of OFDM-based waveforms. Based on the spectro-computational complexity (SC) analysis, it is verified that the complexity of an NN-point FFT grows faster than the number of bits in the OFDM symbol. Thus, the useful throughput of FFT nullifies on NN. Also, because FFT demands NN to be a power of two 2i2^i (i>0i>0), the spectrum widening leads to an exponential complexity on ii, i.e. O(2ii)O(2^ii). To overcome these limitations, we consider the alternative frequency-time transform formulation of Vector OFDM (V-OFDM), in which an NN-point FFT is replaced by N/LN/L (LL>>00) smaller LL-point FFTs to mitigate the cyclic prefix overhead of OFDM. Building on that, we replace FFT by the straightforward DFT algorithm to release the V-OFDM parameters from growing as powers of two and to benefit from flexible numerology (e.g., L=3L=3, N=156N=156). Besides, by setting LL to Θ(1)\Theta(1), the resulting solution can run linearly on NN (rather than exponentially on ii) while sustaining a non null throughput as NN grows.Comment: This work has been submitted to the IEEE for possible publication. Copyright may be transferred without notice, after which this version may no longer be accessibl

    Energy efficient wireless sensor network protocols for monitoring and prognostics of large scale systems

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    In this work, energy-efficient protocols for wireless sensor networks (WSN) with applications to prognostics are investigated. Both analytical methods and verification are shown for the proposed methods via either hardware experiments or simulation. This work is presented in five papers. Energy-efficiency methods for WSN include distributed algorithms for i) optimal routing, ii) adaptive scheduling, iii) adaptive transmission power and data-rate control --Abstract, page iv

    Allocation designs for massive multiple access with interference cancellation

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    In the transition towards the next generation of wireless technology systems, the increasing number of devices curbs the potential of current wireless networks to cope with such increases in network density. Wireless communications via satellite constitute a cost effective option to achieve high transmission reliability in remote areas or to create resilient networks to be used in emergency situations. To counterbalance the growing network density, one of the main goals in the uplink is to increase the spectral efficiency of the network. By working on the application of non-orthogonal multiple access and the exploitation of the collision domain through interference cancellation, this dissertation tackles the problem of massive multiple access. A consensual scheme that meets the main goal and the aim of reducing the interaction between devices and the satellite in the control plane is Enhanced Spread Spectrum ALOHA, which combines spreading-based short-packet transmissions with successive interference cancellation (SIC) on the receiver's side. This combination opens up several design avenues in terms of energy and code allocation to users when a certain amount of channel state information is available to them. Motivated by this scheme, this thesis studies the best allocation strategies when the SIC receiver operates nonideally: firstly, it investigates a system model for a receiver that, inspired by the demodulator adopted in the Enhanced Spread Spectrum ALOHA system, deals with the problems of user ordering and iterative decoding with short packets; and secondly, it delves into the user-asymptotic regime and the application of the calculus of variations to derive the stationary point equations corresponding to the optimal allocation rules.The first part of this thesis investigates the impact of nonideal decoding and imperfect cancellation on the first iteration of a SIC receiver aided by redundancy-check error control. The system model characterises both non-idealities using known functions of the signal-to-interference-plus-noise ratio. The propagation of packet decoding success/failure events throughout the stages of the receiver is circumvented in the user-asymptotic regime, since the model takes a deterministic form. The asymptotically optimal energy and rate allocation is studied for a wide variety of cases. The second part of this thesis investigates an iterative SIC receiver and extends the allocation designs derived previously to iterations beyond the first. The derivation of a system model is challenging, since each iteration of the receiver operates with memory with respect to the previous ones, and due to the fact that the decoding operations for the same user in different iterations are statistically dependent. This thesis motivates and states a system model that solves said difficulties by adding minimal complexity to the one adopted previously. The user-asymptotic regime is investigated to reveal mathematical forms to the above model that allow for a thorough understanding of the adopted receiver. Finally, the chapter exploits the user-asymptotic model and conducts research to designing smooth allocation functions. The third part of this thesis studies the user-ordering problem for a SIC receiver to which the strengths received from all users are unknown. The thesis derives an accurate system model for a large-user SIC receiver, which proceeds to order users after estimating their symbol energies at the initial stage through preamble cross-correlations. Analytical findings are determined in the user-asymptotic regime. The asymptotically optimal energy allocation is shown to obey, in contrast to the practically exponential user-energy distributions obtained before, a piecewise constant function; fact that entails great computational advantages of its application.En la transició cap a la pròxima generació de sistemes tecnològics sense fils, el creixent nombre de dispositius frena el potencial de les xarxes sense fils actuals per fer front a tal augment en la densitat de xarxa. Les comunicacions sense fils via satèl·lit constitueixen una opció rentable per assolir una fiabilitat de transmissió alta en zones remotes o per crear xarxes que puguin ser utilitzades en situacions d'emergència. Per contrarestar la creixent densitat de xarxa, un dels objectius principals en l'enllaç ascendent és augmentar l'eficiència espectral d'aquesta. Aquesta tesi aborda el problema d'accés múltiple massiu combinant l'aplicació de tècniques d'accés múltiple no ortogonal amb esquemes de cancel·lació d’interferència. Un esquema consensuat que acompleix amb l’objectiu principal i amb la fita de reduir la interacció entre dispositius i satèl·lit en el pla de control és Enhanced Spread Spectrum ALOHA, que combina transmissions de paquets curts basades en l'eixamplament del senyal amb la cancel·lació successiva d'interferències (SIC) en recepció. Aquesta combinació obre diverses vies per l'assignació d'energia i codi als diferents usuaris quan aquests disposen d’informació sobre l'estat del canal. Motivat per l'esquema anterior, aquesta tesi estudia les millors estratègies d'assignació quan s'adopta un receptor SIC no ideal: en primer lloc, investiga un model de sistema per un receptor SIC que, inspirat en el desmodulador adoptat en el sistema Enhanced Spread Spectrum ALOHA, aborda els problemes d'ordenació d'usuaris i de descodificació iterativa amb paquets curts; i, en segon lloc, s’endinsa en el règim asimptòtic d'usuaris i en l'aplicació del càlcul de variacions per derivar les equacions de punt estacionari corresponents a les funcions d'assignació òptimes. La primera part d'aquesta tesi investiga l'impacte de la descodificació no ideal i de la cancel·lació imperfecta en la primera iteració d'un receptor SIC assistit per control d'errors. El model de sistema proposat caracteritza ambdues no idealitats fent ús de funcions conegudes de la relació senyal-a-soroll-més-interferència. La propagació dels esdeveniments d'èxit/fracàs en la descodificació de paquets al llarg de les etapes del receptor s'aborda en el règim asimptòtic d'usuaris, ja que el model pren forma determinista. Les funcions d'assignació s'estudien en el règim asimptòtic d'usuaris per varis casos. La segona part de la tesi investiga un receptor SIC iteratiu i estén les assignacions derivades en el capítol anterior per a iteracions del SIC més enllà de la primera. La derivació d'un model de sistema suposa un repte, ja que cada iteració del receptor opera amb memòria respecte a iteracions anteriors i degut a que les operacions de descodificació per a un mateix usuari en iteracions diferents són estadísticament dependents. Es proposa un model de sistema que resol tals dificultats afegint complexitat mínima al model adoptat anteriorment. S'investiga el règim asimptòtic d'usuaris amb l'objectiu d’evidenciar expressions matemàtiques del model que permetin la completa comprensió del receptor adoptat. Per últim, es dissenyen funcions d'assignació contínuament diferenciables fent ús del model asimptòtic anterior. La tercera i última part d'aquesta tesi estudia el problema d'ordenació d'usuaris aplicat a un receptor SIC que desconeix les potències rebudes de tots ells. Es deriva un model de sistema per un receptor que gestiona nombrosos usuaris i els ordena després d'estimar les energies de tots ells en l'etapa inicial mitjançant correlacions de preamble. Els resultats analítics s’obtenen en el règim asimptòtic d'usuaris. Es demostra que, contràriament a les distribucions pràcticament exponencials obtingudes anteriorment, l'assignació d'energia òptima derivada per a infinits usuaris presenta una estructura constant a trossos; fet que comporta grans avantatges computacionals en la seva aplicació.En la transición hacia la próxima generación de sistemas tecnológicos inalámbricos, el creciente número de dispositivos frena el potencial de las redes inalámbricas actuales para hacer frente a esos aumentos en la densidad de red. Impulsadas por las innovaciones en tecnología satelital, las comunicaciones inalámbricas vía satélite constituyen una opción rentable para lograr una alta fiabilidad de transmisión en zonas remotas o para crear redes reservadas para situaciones de emergencia. Para contrarrestar la creciente densidad de la red, uno de los objetivos principales en el enlace ascendente es aumentar la eficiencia espectral de la misma. En favor de este objetivo, se identifican tres técnicas no excluyentes: (i) la aplicación de técnicas de acceso múltiple no ortogonal, para hacer frente a la limitada disponibilidad de recursos ortogonales requeridos en el acceso múltiple convencional, (ii) la explotación del dominio de colisión por el receptor, mediante la cancelación de interferencias, y (iii) la utilización de satélites multihaz, que, usando la tecnología multiantena, permiten una reutilización más eficiente del dominio espacial. Esta tesis aborda el problema de acceso múltiple masivo trabajando en los dos primeros puntos. Un esquema consensuado que cumple con el objetivo principal y con el fin de reducir la interacción entre los dispositivos y el satélite en el plano de control es Enhanced Spread Spectrum ALOHA, que combina transmisiones de paquetes cortos basadas en el ensanchamiento de la señal con la cancelación sucesiva de interferencias (SIC) en recepción. Esta combinación abre diversas vías para la asignación de energía y código a los usuarios cuando estos disponen de cierta información sobre el estado del canal. Motivado por el esquema anterior, esta tesis reexamina resultados previos bajo análisis teóricos de capacidad y cancelación perfecta, y estudia las mejores estrategias de asignación cuando el receptor SIC opera de forma no ideal. Los análisis anteriores se amplían en dos frentes: en primer lugar, adoptando políticas de decodificación y cancelación adaptadas para paquetes cortos; y, en segundo lugar, explorando el desequilibrio de energía, tasa de transmisión y fiabilidad. Con respecto al primer punto, esta tesis investiga un modelo de sistema para un receptor SIC que, inspirado en el demodulador adoptado en el sistema Enhanced Spread Spectrum ALOHA, aborda los problemas de ordenación de usuarios y decodificación iterativa con paquetes cortos. En cuanto al segundo punto, esta tesis se adentra en el régimen asintótico de usuarios y en la aplicación del cálculo de variaciones para derivar las ecuaciones de punto estacionario correspondientes a las funciones de asignación óptimas. Una de las principales contribuciones de esta tesis es el descubrimiento de funciones discontinuas (continuamente diferenciables a trozos) como una clase de distribuciones de energía ordenada para maximizar la eficiencia espectral; un enfoque que ha demostrado ser abrumadoramente exitoso. En concreto, el modelo derivado en la presente tesis incorpora, progresivamente y a lo largo de tres capítulos independientes, aspectos prácticos del cancelador de interferencias adoptado: 1. La primera parte de esta tesis investiga el impacto de la decodificación no ideal y de la cancelación imperfecta en la primera iteración de un receptor SIC asistido por control de errores. El modelo de sistema caracteriza ambas no idealidades utilizando funciones conocidas de la relación señal-a-ruido-más-interferencia (SINR) bajo la suposición de interferencia gaussiana: las funciones tasa de error de paquete (PER) y energía residual. La propagación de los eventos de éxito/fracaso en la decodificación de paquetes a lo largo de las etapas del receptor SIC se sortea en el régimen asintótico de usuarios, puesto que el modelo de sistema adopta expresiones deterministas. La asignación de energía y código se estudia en el régimen asintótico de usuarios para una amplia variedad de casos, incluyendo conjuntos formados por un número finito o infinito de esquemas de modulación y corrección de errores para paquetes de longitud finita e infinita. 2. La segunda parte de esta tesis investiga un receptor SIC iterativo y extiende las asignaciones derivadas anteriormente para iteraciones del SIC más allá de la primera. La derivación de un modelo para tal sistema supone un reto, ya que cada iteración del receptor opera con memoria respecto a las anteriores y porque las operaciones de decodificación para un mismo usuario en distintas iteraciones son estadísticamente dependientes. Esta tesis propone justificadamente un modelo de sistema que resuelve dichas dificultades añadiendo complejidad mínima al adoptado con anterioridad. En concreto, el modelo usa funciones PER multivariable, cuyos argumentos corresponden a las SINRs que experimenta un usuario a lo largo de las iteraciones del receptor, y define biyecciones para relacionar los índices de los usuarios que permanecen decodificados sin éxito en cada iteración. Se investiga el régimen asintótico de usuarios para revelar expresiones matemáticas del modelo anterior que permitan un completo entendimiento del receptor adoptado. Por último, se investiga el diseño de funciones de asignación continuamente diferenciables con extremos libres haciendo uso del modelo asintótico anterior. 3. La tercera y última parte de esta tesis estudia el problema de ordenación de usuarios en un receptor SIC que desconoce las potencias recibidas de todos ellos. La tesis deriva un modelo de sistema para un receptor SIC que gestiona un gran número de usuarios y los ordena tras estimar sus energías en la etapa inicial mediante correlaciones de preámbulo. En el régimen asintótico de usuarios, se obtienen resultados analíticos en los que el rendimiento del sistema se rige por un kernel conocido. Se demuestra que, contrariamente a las distribuciones prácticamente exponenciales obtenidas anteriormente, la asignación óptima de energía derivada para un número infinito de usuarios obedece una función constante a trozos; hecho que conlleva grandes ventajas computacionales en su aplicación.Postprint (published version

    Cognitive Radio Systems

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    Cognitive radio is a hot research area for future wireless communications in the recent years. In order to increase the spectrum utilization, cognitive radio makes it possible for unlicensed users to access the spectrum unoccupied by licensed users. Cognitive radio let the equipments more intelligent to communicate with each other in a spectrum-aware manner and provide a new approach for the co-existence of multiple wireless systems. The goal of this book is to provide highlights of the current research topics in the field of cognitive radio systems. The book consists of 17 chapters, addressing various problems in cognitive radio systems

    Resource allocation for 5G technologies under statistical queueing constraints

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    As the launch of fifth generation (5G) wireless networks is approaching, recent years have witnessed comprehensive discussions about a possible 5G standard. Many transmission scenarios and technologies have been proposed and initial over-the-air experimental trials have been conducted. Most of the existing literature studies on 5G technologies have mainly focused on the physical layer parameters and quality of service (QoS) requirements, e.g., achievable data rates. However, the demand for delay-sensitive data traffic over wireless networks has increased exponentially in the recent years, and is expected to further increase by the time of 5G. Therefore, other constraints at the data-link layer concerning the buffer overflow and delay violation probabilities should also be regarded. It follows that evaluating the performance of the 5G technologies when such constraints are considered is a timely task. Motivated by this fact, in this thesis we explore the performance of three promising 5G technologies when operating under certain QoS at the data-link layer. We follow a cross-layer approach to examine the interplay between the physical and data-link layers when statistical QoS constraints are inflicted in the form of limits on the delay violation and buffer overflow probabilities. Noting that wireless systems, generally, have limited physical resources, in this thesis we mainly target designing adaptive resource allocation schemes to maximize the system performance under such QoS constraints. We initially investigate the throughput and energy efficiency of a general class of multiple-input multiple-output (MIMO) systems with arbitrary inputs. As a cross-layer evaluation tool, we employ the effective capacity as the main performance metric, which is the maximum constant data arrival rate at a buffer that can be sustained by the channel service process under specified QoS constraints. We obtain the optimal input covariance matrix that maximizes the effective capacity under a short-term average power budget. Then, we perform an asymptotic analysis of the effective capacity in the low signal-to-noise ratio and large-scale antenna (massive MIMO) regimes. Such analysis has a practical importance for 5G scenarios that necessitate low latency, low power consumption, and/or ability to simultaneously support massive number of users. Non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted significant attention in the recent years as a promising multiple access technology for 5G. In this thesis, we consider a two-user power-domain NOMA scheme in which both transmitters employ superposition coding and the receiver applies successive interference cancellation (SIC) with a certain order. For practical concerns, we consider limited transmission power budgets at the transmitters, and assume that both transmitters have arbitrarily distributed input signals. We again exploit the effective capacity as the main cross-layer performance measure. We provide a resource management scheme that can jointly obtain the optimal power allocation policies at the transmitters and the optimal decoding order at the receiver, with the goal of maximizing the effective capacity region that provides the maximum allowable sustainable arrival rate region at the transmitters' buffers under QoS guarantees. In the recent years, visible light communication (VLC) has emerged as a potential transmission technology that can utilize the visible light spectrum for data transmission along with illumination. Different from the existing literature studies on VLC, in this thesis we consider a VLC system in which the access point (AP) is unaware of the channel conditions, thus the AP sends the data at a fixed rate. Under this assumption, and considering an ON-OFF data source, we provide a cross-layer study when the system is subject to statistical buffering constraints. To this end, we employ the maximum average data arrival rate at the AP buffer and the non-asymptotic bounds on buffering delay as the main performance measures. To facilitate our analysis, we adopt a two-state Markov process to model the fixed-rate transmission strategy, and we then formulate the steady-state probabilities of the channel being in the ON and OFF states. The coexistence of radio frequency (RF) and VLC systems in typical indoor environments can be leveraged to support vast user QoS needs. In this thesis, we examine the benefits of employing both technologies when operating under statistical buffering limitations. Particularly, we consider a multi-mechanism scenario that utilizes RF and VLC links for data transmission in an indoor environment. As the transmission technology is the main physical resource to be concerned in this part, we propose a link selection process through which the transmitter sends data over the link that sustains the desired QoS guarantees the most. Considering an ON-OFF data source, we employ the maximum average data arrival rate at the transmitter buffer and the non-asymptotic bounds on data buffering delay as the main performance measures. We formulate the performance measures under the assumption that both links are subject to average and peak power constraints
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