Multidimensional Index Modulation for 5G and Beyond Wireless Networks

This study examines the flexible utilization of existing IM techniques in a comprehensive manner to satisfy the challenging and diverse requirements of 5G and beyond services. After spatial modulation (SM), which transmits information bits through antenna indices, application of IM to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) subcarriers has opened the door for the extension of IM into different dimensions, such as radio frequency (RF) mirrors, time slots, codes, and dispersion matrices. Recent studies have introduced the concept of multidimensional IM by various combinations of one-dimensional IM techniques to provide higher spectral efficiency (SE) and better bit error rate (BER) performance at the expense of higher transmitter (Tx) and receiver (Rx) complexity. Despite the ongoing research on the design of new IM techniques and their implementation challenges, proper use of the available IM techniques to address different requirements of 5G and beyond networks is an open research area in the literature. For this reason, we first provide the dimensional-based categorization of available IM domains and review the existing IM types regarding this categorization. Then, we develop a framework that investigates the efficient utilization of these techniques and establishes a link between the IM schemes and 5G services, namely enhanced mobile broadband (eMBB), massive machine-type communications (mMTC), and ultra-reliable low-latency communication (URLLC). Additionally, this work defines key performance indicators (KPIs) to quantify the advantages and disadvantages of IM techniques in time, frequency, space, and code dimensions. Finally, future recommendations are given regarding the design of flexible IM-based communication systems for 5G and beyond wireless networks.Comment: This work has been submitted to Proceedings of the IEEE for possible publicatio

Set Partition Modulation

In this paper, a novel modulation scheme called set partition modulation (SPM) is proposed. In this scheme, set partitioning and ordered subsets in the set partitions are used to form codewords. We define different SPM variants and depict a practical model for using SPM with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). For the OFDM-SPM schemes, different constellations are used to distinguish between different subsets in a set partition. To achieve good distance properties as well as better error performance for the OFDM-SPM codewords, we define a codebook selection problem and formulate such a problem as a clique problem in graph theory. In this regard, we propose a fast and efficient codebook selection algorithm. We analyze error and achievable rate performance of the proposed schemes and provide asymptotic results for the performance. It is shown that the proposed SPM variants are general schemes, which encompass multi-mode OFDM with index modulation (MM-OFDM-IM) and dual-mode OFDM with index modulation (DM-OFDM-IM) as special cases. It is also shown that OFDM-SPM schemes are capable of exhibiting better error performance and improved achievable rate than conventional OFDM, OFDM-IM, DM-OFDM-IM, and MM-OFDM-IM.Comment: 13 pages, 7 figures, journal pape

Smart Antenna-Aided Multicarrier Transceivers for Mobile Communications

In spite of an immense interest from both the academic and the industrial communities, a practical multipleinput multiple-output (MIMO) transceiver architecture, capable of approaching channel capacity boundaries in realistic channel conditions remains largely an open problem. Consequently, in this treatise I derive an advanced iterative, so called turbo multi-antenna-multi-carrier (MAMC) receiver architecture. Following the philosophy of turbo processing, our turbo spacial division multiplexed (SDM)-orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) receiver comprises a succession of soft-input-soft-output detection modules, which iteratively exchange soft bit-related information and thus facilitate a substantial improvement of the overall system performance. In this treatise, I explore two major aspects of the turbo wireless mobile receiver design. Firstly, I consider the problem of soft-decision-feedback aided acquisition of the propagation conditions experienced by the transmitted signal and secondly, I explore the issue of the soft-input-soft-output detection of the spatially-multiplexed information-carrying signals

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission