A Generalized Framework on Beamformer Design and CSI Acquisition for Single-Carrier Massive MIMO Systems in Millimeter Wave Channels

In this paper, we establish a general framework on the reduced dimensional channel state information (CSI) estimation and pre-beamformer design for frequency-selective massive multiple-input multiple-output MIMO systems employing single-carrier (SC) modulation in time division duplex (TDD) mode by exploiting the joint angle-delay domain channel sparsity in millimeter (mm) wave frequencies. First, based on a generic subspace projection taking the joint angle-delay power profile and user-grouping into account, the reduced rank minimum mean square error (RR-MMSE) instantaneous CSI estimator is derived for spatially correlated wideband MIMO channels. Second, the statistical pre-beamformer design is considered for frequency-selective SC massive MIMO channels. We examine the dimension reduction problem and subspace (beamspace) construction on which the RR-MMSE estimation can be realized as accurately as possible. Finally, a spatio-temporal domain correlator type reduced rank channel estimator, as an approximation of the RR-MMSE estimate, is obtained by carrying out least square (LS) estimation in a proper reduced dimensional beamspace. It is observed that the proposed techniques show remarkable robustness to the pilot interference (or contamination) with a significant reduction in pilot overhead

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI

Advanced Layered Divsion Multiplexing Technologies for Next-Gen Broadcast

Tesis por compendioDesde comienzos del siglo XXI, los sistemas de radiodifusión terrestre han sido culpados de un uso ineficiente del espectro asignado. Para aumentar la eficiencia espectral, los organismos de estandarización de TV digital comenzaron a desarrollar la evolución técnica de los sistemas de TDT de primera generación. Entre otros, uno de los objetivos principales de los sistemas de TDT de próxima generación (DVB-T2 y ATSC 3.0) es proporcionar simultáneamente servicios de TV a dispositivos móviles y fijos. El principal inconveniente de esta entrega simultánea son los diferentes requisitos de cada condición de recepción. Para abordar estas limitaciones, se han considerado diferentes técnicas de multiplexación. Mientras que DVB-T2 acomete la entrega simultánea de los dos servicios mediante TDM, ATSC 3.0 adoptó la Multiplexación por División en Capas (LDM). LDM puede superar a TDM y a FDM al aprovechar la relación de Protección de Error Desigual (UEP), ya que ambos servicios, llamados capas, utilizan todos los recursos de frecuencia y tiempo con diferentes niveles de potencia. En el lado del receptor, se distinguen dos implementaciones, de acuerdo con la capa a decodificar. Los receptores móviles solo están destinados a obtener la capa superior, conocida como Core Layer (CL). Para no aumentar su complejidad en comparación con los receptores de capa única, la capa inferior, conocida como Enhanced Layer (EL), es tratada como un ruido adicional en la decodificación. Los receptores fijos aumentan su complejidad, ya que deben realizar un proceso de Cancelación de Interferencia (SIC) sobre la CL para obtener la EL. Para limitar la complejidad adicional de los receptores fijos, las capas de LDM en ATSC 3.0 están configuradas con diferentes capacidades de corrección, pero comparten el resto de bloques de la capa física, incluido el TIL, el PP, el tamaño de FFT, y el GI. Esta disertación investiga tecnologías avanzadas para optimizar el rendimiento de LDM. Primero se propone una optimización del proceso de demapeo para las dos capas de LDM. El algoritmo propuesto logra un aumento de capacidad, al tener en cuenta la forma de la EL en el proceso de demapeo de la CL. Sin embargo, el número de distancias Euclidianas a computar puede aumentar significativamente, conduciendo no solo a receptores fijos más complejos, sino también a receptores móviles más complejos. A continuación, se determina la configuración de piloto ATSC 3.0 más adecuada para LDM. Teniendo en cuenta que las dos capas comparten el mismo PP, surge una contrapartida entre la densidad de pilotos (CL) y la redundancia sobre los datos (EL). A partir de los resultados de rendimiento, se recomienda el uso de un PP no muy denso, ya que ya han sido diseñados para hacer frente a ecos largos y altas velocidades. La amplitud piloto óptima depende del estimador de canal en los receptores (ej., se recomienda la amplitud mínima para una implementación Wiener, mientras que la máxima para una implementación FFT). También se investiga la potencial transmisión conjunta de LDM con tres tecnologías avanzadas adoptadas en ATSC 3.0: las tecnologías de agregación MultiRF, los esquemas de MISO distribuido y los de MIMO colocalizado. Se estudian los potenciales casos de uso, los aspectos de implementación del transmisor y el receptor, y las ganancias de rendimiento de las configuraciones conjuntas para las dos capas de LDM. Las restricciones adicionales de combinar LDM con las tecnologías avanzadas se consideran admisibles, ya que las mayores demandas ya están contempladas en ATSC 3.0 (ej., una segunda cadena de recepción). Se obtienen ganancias significativas en condiciones de recepción peatonal gracias a la diversidad en frecuencia proporcionada por las tecnologías MultiRF. La conjunción de LDM con esquemas de MISO proporciona ganancias de rendimiento significativas en redes SFN para la capa fija con el esquema de Alamouti.Since the beginning of the 21st century, terrestrial broadcasting systems have been blamed of an inefficient use of the allocated spectrum. To increase the spectral efficiency, digital television Standards Developing Organizations settled to develop the technical evolution of the first-generation DTT systems. Among others, a primary goal of next-generation DTT systems (DVB-T2 and ATSC 3.0) is to simultaneously provide TV services to mobile and fixed devices. The major drawback of this simultaneous delivery is the different requirement of each reception condition. To address these constraints different multiplexing techniques have been considered. While DVB-T2 fulfilled the simultaneous delivery of the two services by TDM, ATSC 3.0 adopted the LDM technology. LDM can outperform TDM and FDM by taking advantage of the UEP ratio, as both services, namely layers, utilize all the frequency and time resources with different power levels. At receiver side, two implementations are distinguished, according to the intended layer. Mobile receivers are only intended to obtain the upper layer, known as CL. In order not to increase their complexity compared to single layer receivers, the lower layer, known as EL is treated as an additional noise on the CL decoding. Fixed receivers, increase their complexity, as they should performed a SIC process on the CL for getting the EL. To limit the additional complexity of fixed receivers, the LDM layers in ATSC 3.0 are configured with different error correction capabilities, but share the rest of physical layer parameters, including the TIL, the PP, the FFT size, and the GI. This dissertation investigates advanced technologies to optimize the LDM performance. A demapping optimization for the two LDM layers is first proposed. A capacity increase is achieved by the proposed algorithm, which takes into account the underlying layer shape in the demapping process. Nevertheless, the number of Euclidean distances to be computed can be significantly increased, contributing to not only more complex fixed receivers, but also more complex mobile receivers. Next, the most suitable ATSC 3.0 pilot configuration for LDM is determined. Considering the two layers share the same PP a trade-off between pilot density (CL) and data overhead (EL) arises. From the performance results, it is recommended the use of a not very dense PP, as they have been already designed to cope with long echoes and high speeds. The optimum pilot amplitude depends on the channel estimator at receivers (e.g. the minimum amplitude is recommended for a Wiener implementation, while the maximum for a FFT implementation). The potential combination of LDM with three advanced technologies that have been adopted in ATSC 3.0 is also investigated: MultiRF technologies, distributed MISO schemes, and co-located MIMO schemes. The potential use cases, the transmitter and receiver implementations, and the performance gains of the joint configurations are studied for the two LDM layers. The additional constraints of combining LDM with the advanced technologies is considered admissible, as the greatest demands (e.g. a second receiving chain) are already contemplated in ATSC 3.0. Significant gains are found for the mobile layer at pedestrian reception conditions thanks to the frequency diversity provided by MultiRF technologies. The conjunction of LDM with distributed MISO schemes provides significant performance gains on SFNs for the fixed layer with Alamouti scheme. Last, considering the complexity in the mobile receivers and the CL performance, the recommended joint configuration is MISO in the CL and MIMO in the EL.Des de començaments del segle XXI, els sistemes de radiodifusió terrestre han sigut culpats d'un ús ineficient de l'espectre assignat. Per a augmentar l'eficiència espectral, els organismes d'estandardització de TV digital van començar a desenvolupar l'evolució tècnica dels sistemes de TDT de primera generació. Entre altres, un dels objectius principals dels sistemes de TDT de pròxima generació (DVB-T2 i el ATSC 3.0) és proporcionar simultàniament serveis de TV a dispositius mòbils i fixos. El principal inconvenient d'aquest lliurament simultani són els diferents requisits de cada condició de recepció. Per a abordar aquestes limitacions, s'han considerat diferents tècniques de multiplexació. Mentre que DVB-T2 escomet el lliurament simultani dels dos serveis mitjançant TDM, ATSC 3.0 va adoptar la Multiplexació per Divisió en Capes (LDM). LDM pot superar a TDM i a FDM en aprofitar la relació de Protecció d'Error Desigual (UEP), ja que tots dos serveis, cridats capes, utilitzen tots els recursos de freqüència i temps amb diferents nivells de potència. En el costat del receptor, es distingeixen dues implementacions, d'acord amb la capa a decodificar. Els receptors mòbils solament estan destinats a obtenir la capa superior, coneguda com Core Layer (CL). Per a no augmentar la seua complexitat en comparació amb els receptors de capa única, la capa inferior, coneguda com Enhanced Layer (EL), és tractada com un soroll addicional en la decodificació. Els receptors fixos augmenten la seua complexitat, ja que han de realitzar un procés de Cancel·lació d'Interferència (SIC) sobre la CL per a obtenir l'EL. Per a limitar la complexitat addicional dels receptors fixos, les capes de LDM en ATSC 3.0 estan configurades amb diferents capacitats de correcció, però comparteixen la resta de blocs de la capa física, inclòs el TIL, el PP, la grandària de FFT i el GI. Aquesta dissertació investiga tecnologies avançades per a optimitzar el rendiment de LDM. Primer es proposa una optimització del procés de demapeo per a les dues capes de LDM. L'algoritme proposat aconsegueix un augment de capacitat, en tenir en compte la forma de l'EL en el procés de demapeo de la CL. No obstant açò, el nombre de distàncies Euclidianes a computar pot augmentar significativament, conduint NO sols a receptors fixos més complexos, sinó també a receptors mòbils més complexos. A continuació, es determina la configuració de pilot ATSC 3.0 més adequada per a LDM. Tenint en compte que les dues capes comparteixen el mateix PP, es produeix una contrapartida entre la densitat de pilots (CL) i la redundància sobre les dades (EL). A partir dels resultats de rendiment, es recomana l'ús d'un PP no gaire dens, ja que ja han sigut dissenyats per a fer front a ecos llargs i altes velocitats. L'amplitud pilot òptima depèn de l'estimador de canal en els receptors (ex., es recomana l'amplitud mínima per a una implementació Wiener, mentre que la màxima per a una implementació FFT). També s'investiga la potencial transmissió conjunta de LDM amb tres tecnologies avançades adoptades en ATSC 3.0: les tecnologies d'agregació de MultiRF, els esquemes de MISO distribuït i els de MIMO colocalitzat. S'estudien els potencials casos d'ús, els principals aspectes d'implementació del transmissor i el receptor, i els guanys de rendiment de les configuracions conjuntes per a les dues capes de LDM. Les restriccions addicionals de combinar LDM amb les tecnologies avançades es consideren admissibles, ja que les majors demandes ja estan contemplades en ATSC 3.0 (ex., una segona cadena de recepció). S'obtenen guanys significatius per a la capa mòbil en condicions de recepció per als vianants gràcies a la diversitat en freqüència proporcionada per les tecnologies MultiRF. La conjunció de LDM amb esquemes MISO distribuïts proporciona guanys de rendiment significatius en xarxes SFN per a la capa fixa amb l'esquema d'Alamouti.Garro Crevillén, E. (2018). Advanced Layered Divsion Multiplexing Technologies for Next-Gen Broadcast [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/105559TESISCompendi

Multiple-Access Relaying with Network Coding: Iterative Network/Channel Decoding with Imperfect CSI

International audienceIn this paper, we study the performance of the four-node multiple-access relay channel with binary Network Coding (NC) in various Rayleigh fading scenarios. In particular, two relay protocols, decode-and-forward (DF) and demodulate-and-forward (DMF) are considered. In the first case, channel decoding is performed at the relay before NC and forwarding. In the second case, only demodulation is performed at the relay. The contributions of the paper are as follows: (1) two joint network/channel decoding (JNCD) algorithms, which take into account possible decoding error at the relay, are developed in both DF and DMF relay protocols; (2) both perfect channel state information (CSI) and imperfect CSI at receivers are studied. In addition, we propose a practical method to forward the relays error characterization to the destination (quantization of the BER). This results in a fully practical scheme. (3) We show by simulation that the number of pilot symbols only affects the coding gain but not the diversity order, and that quantization accuracy affects both coding gain and diversity order. Moreover, when compared with the recent results using DMF protocol, our proposed DF protocol algorithm shows an improvement of 4 dB in fully interleaved Rayleigh fading channels and 0.7 dB in block Rayleigh fading channels

Massive MIMO for Dependable Communication

Cellular communication is constantly evolving; currently 5G systems are being deployed and research towards 6G is ongoing. Three use cases have been discussed as enhanced mobile broadband (eMBB), massive machine-type communication (mMTC), and ultra-reliable low-latency communication (URLLC). To fulfill the requirements of these use cases, new technologies are needed and one enabler is massive multiple-input multiple-output (MIMO). By increasing the number of antennas at the base station side, data rates can be increased, more users can be served simultaneously, and there is a potential to improve reliability. In addition, it is possible to achieve better coverage, improved energy efficiency, and low-complex user devices. The performance of any wireless system is limited by the underlying channels. Massive MIMO channels have shown several beneficial properties: the array gain stemming from the combining of the signals from the many antennas, improved user separation due to favourable propagation -- where the user channels become pair-wise orthogonal -- and the channel hardening effect, where the variations of channel gain decreases as the number of antennas increases. Previous theoretical works have commonly assumed independent and identically distributed (i.i.d.) complex Gaussian channels. However, in the first studies on massive MIMO channels, it was shown that common outdoor and indoor environments are not that rich in scattering, but that the channels are rather spatially correlated. To enable the above use cases, investigations are needed for the targeted environments. This thesis focuses on the benefits of deploying massive MIMO systems to achieve dependable communication in a number of scenarios related to the use cases. The first main area is the study of an industrial environment and aims at characterizing and modeling massive MIMO channels to assess the possibility of achieving the requirements of URLLC in a factory context. For example, a unique fully distributed array is deployed with the aim to further exploit spatial diversity. The other main area concerns massive MIMO at sub-GHz, a previously unexplored area. The channel characteristics when deploying a physically very large array for IoT networks are explored. To conclude, massive MIMO can indeed bring great advantages when trying to achieve dependable communication. Although channels in regular indoor environments are not i.i.d. complex Gaussian, the model can be justified in rich scattering industrial environments. Due to massive MIMO, the small-scale fading effects are reduced and when deploying a distributed array also the large-scale fading effects are reduced. In the Internet-of-Things (IoT) scenario, the channel is not as rich scattering. In this use case one can benefit from the array gain to extend coverage and improved energy efficiency, and diversity is gained due to the physically large array

Channel Fading in Mobile Broadband Systems: Challenges and Opportunities

High-speed data signals transmitted over mobile broadband channels are seriously distorted by both time-varying effect and frequency-selective fading (FSF). These distortions introduce challenges since channel variances in both time-domain and frequency-domain form a two-dimensional channel matrix which is hard to estimate, but meanwhile provide opportunities for information security since all signals are directly encrypted by the channels which are adequately random over time, frequency and space. These challenges and opportunities are studied in this thesis as two parts. In the first part, we propose a novel time-varying channel estimation (TVCE) algorithm named piece-wise time-invariant approximation (PITIA) to estimate a typical type of mobile broadband channels - the high-speed train (HST) channels. PITIA customizes general time-varying channel models according to HST channels' specific features, and outperforms conventional TVCE algorithms by about 3-dB in terms of estimation error. In the second part, we propose the first physical-layer challenge-response authentication mechanism (PHY-CRAM) which uses the mobile broadband channels to prevent eavesdropping during authentication. Since pilots and reference signals are eliminated, eavesdroppers cannot demodulate credential information, while legitimate receivers use the channels' reciprocal property to cancel FSF. PITIA is evaluated by computer based simulations, and the effectiveness of PHY-CRAM is validated by prototyping and real-world experiments. Both pieces of works are built upon a unified system model and orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulation.Ph.D.College of Engineering and Computer ScienceUniversity of Michigan-Dearbornhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/106584/1/Dissertation_Dan_Shan.pd

Lens antenna arrays: an efficient framework for sparse-aware large-MIMO communications

The recent increase in the demand for higher data transmission rates in wireless communications has entailed many implementation issues that can only be resolved by going through a full paradigm shift. Making use of the millimetric spectrum bands is a very attractive solution to the shortage of radio resources but, to garner all their potential, new techniques must be developed. Most of them are contained in the Massive Multiple Input Multiple Output (M-MIMO) framework: the idea of using very large antenna arrays for cellular communications. In this thesis, we propose the usage of Lens Antenna Arrays (LAA) to avoid the unbearable power and infrastructure costs posed by traditional M-MIMO architectures. This novel communication system exploits the angular-dependent power focusing capabilities of an electromagnetic lens to discern between waves with different angles of arrival and departure, without explicit signal processing. The work presented in this document motivates the use of LAAs in mmWave communications, studies some of their mathematical properties and proposes their application in noncoherent schemes. Numerical results validate the performance of this novel kind of systems and confirm their strengths in both multi-user and block fading settings. LAAs that use noncoherent methods appear to be very suitable for vehicular communications and densely populated cellular networks.En los últimos tiempos, el incremento en la demanda de mayor velocidad de transmisión de datos en redes de comunicación inalámbricas ha conllevado varios problemas de implementación que solo se podrán resolver a través de un cambio total de paradigma. Utilizar bandas milimétricas del espectro es una solución muy atractiva a la escasez de recursos de radio pero, para poder extraer todo su potencial, es necesario desarrollar nuevas técnicas. La mayor parte de éstas pasa por la infraestructura Massive Multiple Input Multiple Output (M-MIMO): la idea de usar matrices de antenas muy grandes para comunicaciones celulares. En esta tesis, proponemos el uso de matrices de antenas con lente, o Lens Antenna Arrays (LAA), para evitar los inasumibles costes energéticos y de instalación propios de las arquitecturas M-MIMO tradicionales. Este novedoso sistema de comunicaciones explota las capacidades de concentración de energía con dependencia angular de las lentes electromagnéticas para distinguir entre ondas con distintas direcciones de llegada y de salida, sin procesado de la señal explícito. El trabajo presentado en este documento motiva el uso de los LAAs en comunicaciones en bandas milimétricas (mmWave), estudia varias propiedades matemáticas y propone su aplicación en esquemas no coherentes. Resultados numéricos validan su ejecución y confirman sus fortalezas en entornos multiusuario y con desvanecimiento en bloque. Los LAAs que utilizan métodos no coherentes parecen ser idóneos para comunicaciones vehiculares y para redes celulares altamente pobladas.En els darrers temps, l'increment en la demanda de major velocitat de transmissió de dades en xarxes de comunicació inalàmbriques ha comportat diversos problemes d'implementació que tan sols es podran resoldre a través d'un canvi total de paradigma. Utilitzar les bandes mil·limètriques de l'espectre és una solució molt atractiva a l'escassetat de recursos de ràdio però, per tal d'extreure'n tot el seu potencial, és necessari desenvolupar noves tècniques. La majoria d'aquestes passa per la infraestructura Massive Multiple Input Multiple Output (M-MIMO): la idea d'utilitzar matrius d'antenes molt grans per a comunicacions cel·lulars. En aquesta tesi, proposem l'ús de matrius d'antenes amb lent, o Lens Antenna Arrays (LAA), per tal d'evitar els inassumibles costos energètics i d'instal·lació propis d'arquitectures M-MIMO tradicionals. Aquest innovador sistema de comunicacions explota les capacitats de concentració d'energia amb dependència angular de les lents electromagnètiques per tal de distingir entre ones amb diferents direccions d'arribada i de sortida, sense processament de senyal explícit. El treball presentat en aquest document motiva l'ús dels LAAs per comunicacions en bandes mil·limètriques (mmWave), n'estudia diverses propietats matemàtiques i proposa la seva aplicació en esquemes no coherents. Resultats numèrics en validen l'execució i confirmen les seves fortaleses en entorns multi-usuari i amb esvaïment en bloc. Els LAAs que utilitzen mètodes no coherents semblen ser idonis per a comunicacions vehiculars i per a xarxes cel·lulars altament poblades

Receiver design for nonlinearly distorted OFDM : signals applications in radio-over-fiber systems

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 201