Electromagnetic Dimensionality of Deterministic Multi-Polarization MIMO Systems

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems are viewed as the last available supply for the ever-growing demand on higher data rates in modern wireless communication systems. Smart exploitation of the traditional wireless resources (time-slots or bandwidth under the same transmit power level) has reached its saturation point. By making better use of the free space between the radio links, based on the multipath radio wave propagation, MIMO systems have shown significant capacity improvement with the same traditional wireless resources. In this multi-disciplinary research, we are exploring the link between the electromagnetic propagation and the information theory. Unlike the majority of recent research work, we model the propagation channel matrix between the transmit/receive elements in a deterministic manner under the Maxwellian framework. Having included the environment properties and the characteristics of the radiating elements, the deterministic approach provides a realistic assessment of the MIMO system performance in specific scenarios. The problem addressed in this research is the evaluation of the multi-antenna systems degrees of freedom (DOF) by employing all the available electromagnetic diversity resources (spatial, pattern and polarization). Based on a developed well-defined power independent dimensionality (PID) metric, we start by investigating the information-bearing potential of the collocated multi-polarization MIMO system. We study the hexapole system (exploiting both electric and magnetic fields in conveying independent information) and compare it to the tripole systems (exploiting the vectorial polarization diversity of one field only). We present numerical results for 3 deterministic scenarios: a canonical free-space (near and far field exact solution), a canonical perfect electric conductor (PEC) corridor using rigorous modal analysis, and a lossy-wall corridor using image ray tracing (IRT). Next, we provide deterministic results for the more interesting sampling problem of the electromagnetic vector fields: given a specific MIMO array size, what is the optimum number of packed multi-polarization antennas (i.e. multi-polarization 1D, 2D or 3D sampling) that yields the largest PID for a given environment and what is the estimate of this PID? Using a canonical case of multi-polarized arrays inside a multipath-rich PEC corridor, we show that the spatial frequency spectrum of the electromagnetic field governs the optimum PID of the site-specific scenario. The problem is analogous to the DOF determination of an essentially time-limited-band-limited 1D scalar function using the framework of the prolate spheroidal wave functions. We also present simulation results for the same sampling problem in a lossy-wall indoor environment using IRT

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

A survey on hybrid beamforming techniques in 5G : architecture and system model perspectives

The increasing wireless data traffic demands have driven the need to explore suitable spectrum regions for meeting the projected requirements. In the light of this, millimeter wave (mmWave) communication has received considerable attention from the research community. Typically, in fifth generation (5G) wireless networks, mmWave massive multiple-input multiple-output (MIMO) communications is realized by the hybrid transceivers which combine high dimensional analog phase shifters and power amplifiers with lower-dimensional digital signal processing units. This hybrid beamforming design reduces the cost and power consumption which is aligned with an energy-efficient design vision of 5G. In this paper, we track the progress in hybrid beamforming for massive MIMO communications in the context of system models of the hybrid transceivers' structures, the digital and analog beamforming matrices with the possible antenna configuration scenarios and the hybrid beamforming in heterogeneous wireless networks. We extend the scope of the discussion by including resource management issues in hybrid beamforming. We explore the suitability of hybrid beamforming methods, both, existing and proposed till first quarter of 2017, and identify the exciting future challenges in this domain

Efficient algorithms and data structures for compressive sensing

Wegen der kontinuierlich anwachsenden Anzahl von Sensoren, und den stetig wachsenden Datenmengen, die jene produzieren, stößt die konventielle Art Signale zu verarbeiten, beruhend auf dem Nyquist-Kriterium, auf immer mehr Hindernisse und Probleme. Die kürzlich entwickelte Theorie des Compressive Sensing (CS) formuliert das Versprechen einige dieser Hindernisse zu beseitigen, indem hier allgemeinere Signalaufnahme und -rekonstruktionsverfahren zum Einsatz kommen können. Dies erlaubt, dass hierbei einzelne Abtastwerte komplexer strukturierte Informationen über das Signal enthalten können als dies bei konventiellem Nyquistsampling der Fall ist. Gleichzeitig verändert sich die Signalrekonstruktion notwendigerweise zu einem nicht-linearen Vorgang und ebenso müssen viele Hardwarekonzepte für praktische Anwendungen neu überdacht werden. Das heißt, dass man zwischen der Menge an Information, die man über Signale gewinnen kann, und dem Aufwand für das Design und Betreiben eines Signalverarbeitungssystems abwägen kann und muss. Die hier vorgestellte Arbeit trägt dazu bei, dass bei diesem Abwägen CS mehr begünstigt werden kann, indem neue Resultate vorgestellt werden, die es erlauben, dass CS einfacher in der Praxis Anwendung finden kann, wobei die zu erwartende Leistungsfähigkeit des Systems theoretisch fundiert ist. Beispielsweise spielt das Konzept der Sparsity eine zentrale Rolle, weshalb diese Arbeit eine Methode präsentiert, womit der Grad der Sparsity eines Vektors mittels einer einzelnen Beobachtung geschätzt werden kann. Wir zeigen auf, dass dieser Ansatz für Sparsity Order Estimation zu einem niedrigeren Rekonstruktionsfehler führt, wenn man diesen mit einer Rekonstruktion vergleicht, welcher die Sparsity des Vektors unbekannt ist. Um die Modellierung von Signalen und deren Rekonstruktion effizienter zu gestalten, stellen wir das Konzept von der matrixfreien Darstellung linearer Operatoren vor. Für die einfachere Anwendung dieser Darstellung präsentieren wir eine freie Softwarearchitektur und demonstrieren deren Vorzüge, wenn sie für die Rekonstruktion in einem CS-System genutzt wird. Konkret wird der Nutzen dieser Bibliothek, einerseits für das Ermitteln von Defektpositionen in Prüfkörpern mittels Ultraschall, und andererseits für das Schätzen von Streuern in einem Funkkanal aus Ultrabreitbanddaten, demonstriert. Darüber hinaus stellen wir für die Verarbeitung der Ultraschalldaten eine Rekonstruktionspipeline vor, welche Daten verarbeitet, die im Frequenzbereich Unterabtastung erfahren haben. Wir beschreiben effiziente Algorithmen, die bei der Modellierung und der Rekonstruktion zum Einsatz kommen und wir leiten asymptotische Resultate für die benötigte Anzahl von Messwerten, sowie die zu erwartenden Lokalisierungsgenauigkeiten der Defekte her. Wir zeigen auf, dass das vorgestellte System starke Kompression zulässt, ohne die Bildgebung und Defektlokalisierung maßgeblich zu beeinträchtigen. Für die Lokalisierung von Streuern mittels Ultrabreitbandradaren stellen wir ein CS-System vor, welches auf einem Random Demodulators basiert. Im Vergleich zu existierenden Messverfahren ist die hieraus resultierende Schätzung der Kanalimpulsantwort robuster gegen die Effekte von zeitvarianten Funkkanälen. Um den inhärenten Modellfehler, den gitterbasiertes CS begehen muss, zu beseitigen, zeigen wir auf wie Atomic Norm Minimierung es erlaubt ohne die Einschränkung auf ein endliches und diskretes Gitter R-dimensionale spektrale Komponenten aus komprimierten Beobachtungen zu schätzen. Hierzu leiten wir eine R-dimensionale Variante des ADMM her, welcher dazu in der Lage ist die Signalkovarianz in diesem allgemeinen Szenario zu schätzen. Weiterhin zeigen wir, wie dieser Ansatz zur Richtungsschätzung mit realistischen Antennenarraygeometrien genutzt werden kann. In diesem Zusammenhang präsentieren wir auch eine Methode, welche mittels Stochastic gradient descent Messmatrizen ermitteln kann, die sich gut für Parameterschätzung eignen. Die hieraus resultierenden Kompressionsverfahren haben die Eigenschaft, dass die Schätzgenauigkeit über den gesamten Parameterraum ein möglichst uniformes Verhalten zeigt. Zuletzt zeigen wir auf, dass die Kombination des ADMM und des Stochastic Gradient descent das Design eines CS-Systems ermöglicht, welches in diesem gitterfreien Szenario wünschenswerte Eigenschaften hat.Along with the ever increasing number of sensors, which are also generating rapidly growing amounts of data, the traditional paradigm of sampling adhering the Nyquist criterion is facing an equally increasing number of obstacles. The rather recent theory of Compressive Sensing (CS) promises to alleviate some of these drawbacks by proposing to generalize the sampling and reconstruction schemes such that the acquired samples can contain more complex information about the signal than Nyquist samples. The proposed measurement process is more complex and the reconstruction algorithms necessarily need to be nonlinear. Additionally, the hardware design process needs to be revisited as well in order to account for this new acquisition scheme. Hence, one can identify a trade-off between information that is contained in individual samples of a signal and effort during development and operation of the sensing system. This thesis addresses the necessary steps to shift the mentioned trade-off more to the favor of CS. We do so by providing new results that make CS easier to deploy in practice while also maintaining the performance indicated by theoretical results. The sparsity order of a signal plays a central role in any CS system. Hence, we present a method to estimate this crucial quantity prior to recovery from a single snapshot. As we show, this proposed Sparsity Order Estimation method allows to improve the reconstruction error compared to an unguided reconstruction. During the development of the theory we notice that the matrix-free view on the involved linear mappings offers a lot of possibilities to render the reconstruction and modeling stage much more efficient. Hence, we present an open source software architecture to construct these matrix-free representations and showcase its ease of use and performance when used for sparse recovery to detect defects from ultrasound data as well as estimating scatterers in a radio channel using ultra-wideband impulse responses. For the former of these two applications, we present a complete reconstruction pipeline when the ultrasound data is compressed by means of sub-sampling in the frequency domain. Here, we present the algorithms for the forward model, the reconstruction stage and we give asymptotic bounds for the number of measurements and the expected reconstruction error. We show that our proposed system allows significant compression levels without substantially deteriorating the imaging quality. For the second application, we develop a sampling scheme to acquire the channel Impulse Response (IR) based on a Random Demodulator that allows to capture enough information in the recorded samples to reliably estimate the IR when exploiting sparsity. Compared to the state of the art, this in turn allows to improve the robustness to the effects of time-variant radar channels while also outperforming state of the art methods based on Nyquist sampling in terms of reconstruction error. In order to circumvent the inherent model mismatch of early grid-based compressive sensing theory, we make use of the Atomic Norm Minimization framework and show how it can be used for the estimation of the signal covariance with R-dimensional parameters from multiple compressive snapshots. To this end, we derive a variant of the ADMM that can estimate this covariance in a very general setting and we show how to use this for direction finding with realistic antenna geometries. In this context we also present a method based on a Stochastic gradient descent iteration scheme to find compression schemes that are well suited for parameter estimation, since the resulting sub-sampling has a uniform effect on the whole parameter space. Finally, we show numerically that the combination of these two approaches yields a well performing grid-free CS pipeline

Joint signal detection and channel estimation in rank-deficient MIMO systems

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient

Multiple-Input Multiple-Output Detection Algorithms for Generalized Frequency Division Multiplexing

Since its invention, cellular communication has dramatically transformed personal lifes and the evolution of mobile networks is still ongoing. Evergrowing demand for higher data rates has driven development of 3G and 4G systems, but foreseen 5G requirements also address diverse characteristics such as low latency or massive connectivity. It is speculated that the 4G plain cyclic prefix (CP)-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) cannot sufficiently fulfill all requirements and hence alternative waveforms have been in-vestigated, where generalized frequency division multiplexing (GFDM) is one popular option. An important aspect for any modern wireless communication system is the application of multi-antenna, i.e. MIMO techiques, as MIMO can deliver gains in terms of capacity, reliability and connectivity. Due to its channel-independent orthogonality, CP-OFDM straightforwardly supports broadband MIMO techniques, as the resulting inter-antenna interference (IAI) can readily be resolved. In this regard, CP-OFDM is unique among multicarrier waveforms. Other waveforms suffer from additional inter-carrier interference (ICI), inter-symbol interference (ISI) or both. This possibly 3-dimensional interference renders an optimal MIMO detection much more complex. In this thesis, weinvestigate how GFDM can support an efficient multiple-input multiple-output (MIMO) operation given its 3-dimensional interference structure. To this end, we first connect the mathematical theory of time-frequency analysis (TFA) with multicarrier waveforms in general, leading to theoretical insights into GFDM. Second, we show that the detection problem can be seen as a detection problem on a large, banded linear model under Gaussian noise. Basing on this observation, we propose methods for applying both space-time code (STC) and spatial multiplexing techniques to GFDM. Subsequently, we propose methods to decode the transmitted signals and numerically and theoretically analyze their performance in terms of complexiy and achieved frame error rate (FER). After showing that GFDM modulation and linear demodulation is a direct application of Gabor expansion and transform, we apply results from TFA to explain singularities of the modulation matrix and derive low-complexity expressions for receiver filters. We derive two linear detection algorithms for STC encoded GFDM signals and we show that their performance is equal to OFDM. In the case of spatial multiplexing, we derive both non-iterative and iterative detection algorithms which base on successive interference cancellation (SIC) and minimum mean squared error (MMSE)-parallel interference cancellation (PIC) detection, respectively. By analyzing the error propagation of the SIC algorithm, we explain its significantly inferior performance compared to OFDM. Using feedback information from the channel decoder, we can eventually show that near-optimal GFDM detection can outperform an optimal OFDM detector by up to 3dB for high SNR regions. We conclude that GFDM, given the obtained results, is not a general-purpose replacement for CP-OFDM, due to higher complexity and varying performance. Instead, we can propose GFDM for scenarios with strong frequency-selectivity and stringent spectral and FER requirements

Array Architectures and Physical Layer Design for Millimeter-Wave Communications Beyond 5G

Ever increasing demands in mobile data rates have resulted in exploration of millimeter-wave (mmW) frequencies for the next generation (5G) wireless networks. Communications at mmW frequencies is presented with two keys challenges. Firstly, high propagation loss requires base stations (BSs) and user equipment (UEs) to use a large number of antennas and narrow beams to close the link with sufficient received signal power. Consequently, communications using narrow beams create a new challenge in channel estimation and link establishment based on fine angular probing. Current mmW system use analog phased arrays that can probe only one angle at the time which results in high latency during link establishment and channel tracking. It is desirable to design low latency beam training by exploring both physical layer designs and array architectures that could replace current 5G approaches and pave the way to the communications for frequency bands in higher mmW band and sub-THz region where larger antenna arrays and communications bandwidth can be exploited. To this end, we propose a novel signal processing techniques exploiting unique properties of mmW channel, and show both theoretically, in simulation and experiments its advantages over conventional approaches. Secondly, we explore different array architecture design and analyze their trade-offs between spectral efficiency and power consumption and area. For comprehensive comparison, we have developed a methodology for optimal design of system parameters for different array architecture candidates based on the spectral efficiency target, and use these parameters to estimate the array area and power consumption based on the circuits reported in the literature. We show that the hybrid analog and digital architectures have severe scalability concerns in radio frequency signal distribution with increased array size and spatial multiplexing levels, while the fully-digital array architectures have the best performance and power/area trade-offs.The developed approaches are based on a cross-disciplinary research that combines innovation in model based signal processing, machine learning, and radio hardware. This work is the first to apply compressive sensing (CS), a signal processing tool that exploits sparsity of mmW channel model, to accelerate beam training of mmW cellular system. The algorithm is designed to address practical issues including the requirement of cell discovery and synchronization that involves estimation of angular channel together with carrier frequency offset and timing offsets. We have analyzed the algorithm performance in the 5G compliant simulation and showed that an order of magnitude saving is achieved in initial access latency for the desired channel estimation accuracy. Moreover, we are the first to develop and implement a neural network assisted compressive beam alignment to deal with hardware impairments in mmW radios. We have used 60GHz mmW testbed to perform experiments and show that neural networks approach enhances alignment rate compared to CS. To further accelerate beam training, we proposed a novel frequency selective probing beams using the true-time-delay (TTD) analog array architecture. Our approach utilizes different subcarriers to scan different directions, and achieves a single-shot beam alignment, the fastest approach reported to date. Our comprehensive analysis of different array architectures and exploration of emerging architectures enabled us to develop an order of magnitude faster and energy efficient approaches for initial access and channel estimation in mmW systems