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

Interference mitigation under degrees-of-freedom sensing uncertainties in opportunistic transmission

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Inter-system interference may limit the performance of co-existing systems in dense heterogeneous wireless networks. Context-aware waveform design can profitably overcome this limitation. However, the latter substantially depends on degrees-of-freedom (DoF) sensing mechanisms. In this work, we show that total least-squares (TLS)-based waveform design is robust against sensing uncertainties. Given the equivalence of minimum norm and TLS, the latter exhibits the good properties of linear predictors, which are of paramount importance to guarantee minimum inter-system interference and detectability by neighboring nodes. Additionally, since derived solution relies on orthogonal projector onto the so- called noise subspace, we can efficiently and iteratively construct an orthogonal waveform-book enabling the presented transmission scheme in multi-carrier scenarios. Simulation results are presented to support our theoretical contributions, and to highlight any potential advantage of proposed solution in crowded heterogenous wireless networks.This work has been supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities through project WINTER: TEC2016-76409-C2-1-R (AEI/FEDER, UE) and fellowship FPI BES-2017-080071, and by the Catalan Government (AGAUR) under grant 2017 SGR 578.Peer ReviewedPostprint (published version

Decentralized shaping for pilot generation and detection in opportunistic communications

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The uncoordinated design of pulse shaping filters for opportunistic communications is addressed. We show that under degrees-of-freedom sensing uncertainties the waveform design problem can be cast as a minimum-norm optimization, admitting hence a closed-form expression. Because designed waveforms are adapted to scenario working conditions, proposed design scheme may be considered in pilot reference signals design to achieve orthogonality, regardless the traditionally considered pilot symbols orthogonality. Hence, the effect of interferences such as pilot contamination is diminished. However, a crucial aspect relies on their detectability. Since each node uses only local observations from the wireless network, the sensed degrees-of-freedom may slightly differ from one node to others. In this paper we prove that, thanks to the existence of some invariances, designed waveforms can be detected by neighboring nodes. Even though degrees-of-freedom sensing uncertainties may incur in a performance loss, we propose a least-squares constrained basis pursuit algorithm to reduce the effect of uncertainties by considering only the degrees-of-freedom subspace intersection.Peer ReviewedPostprint (published version

Uncoordinated space-frequency pilot design for multi-antenna wideband opportunistic communications

©2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The statistical side information of interference channels is exploited in this paper to derive a novel uncoordinated on-line pilot design strategy for opportunistic communications. Assuming a time division duplex (TDD), or frequency division duplex (FDD) with feedback, wireless network and reciprocity, we prove that the space-frequency pilot design technique in terms of minimum cross-interference to external-network users reduces to a classical minimum-norm problem. The advantages of this novel methodology are time-domain invariance to noise-subspace rotations, a maximally flat angle-frequency response, and robustness in front of frequency calibration errors. Simulation results are reported to assess the performance of the proposed strategy and the advantages of its low-resolution quantization in low signal-to- noise ratio (low-SNR) regimes.Peer ReviewedPostprint (published version

Subspace leakage in conventional and dimensionally spread null-space communications

This letter evaluates the impact of subspace leakage in conventional (single-dimension) and dimensionally spread null-space precoding schemes. This phenomenon arises when the null-space inference procedure lacks precision and suffers subspace detection errors. The analysis relies on the signal-to-interference-per-dimension ratio (SIDR) metric, which jointly measures the transmitted power efficiency and the interference-mitigation robustness of the adopted transmission scheme. Based on theoretical and numerical analyses of the SIDR, this letter provides the explicit SIDR performance gain of dimension spreading-based null-space precoding schemes as an interference mitigation strategy in front of conventional approaches.This work has been supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation through projects PID2019-105717RB-C22 / MCIN / AEI / 10.13039/501100011033 and PID2022-136512OB-C21, and fellowship FPI BES-2017-080071.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Distributed feedback-aided subspace concurrent opportunistic communications

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.This paper deals with the distributed subspace agreement problem for opportunistic communications in time division duplex (TDD) distributed networks. Since scenario-adapted opportunistic transmission schemes rely on locally sampled observations from the wireless environment, degrees-of-freedom (DoF) sensed as available at any node may differ. Transmitting information without agreeing the common active subspace may incur in a performance loss due to noise enhancement, energy loss and inter-system interference. In this context, we propose two subspace concurrence schemes with and without side information about neighboring user's DoF.Peer ReviewedPostprint (published version

Interference mitigation in feedforward opportunistic communications

This paper deals with scenario-aware, uncoordinated, and distributed signaling techniques in the context of feedforward opportunistic communications, that is, when the opportunistic transmitting node does not cooperate with any other node in a heterogeneous communication context. In this signaling technique, each network node individually follows a transmission strategy based on the locally sensed occupied and unused physical-layer network resources to minimize the induced interference onto other coexisting networks, taking into account the impact of the sensing errors and the locality of the sensing information. The paper identifies and characterizes critical invariance properties of the transmitted pulse shaping waveforms that guarantee the detectability of the feedforward transmitted signal by the uncoordinated receiving nodes, irrespective of the sensing signal space basis. The paper also shows that, under mild operating conditions, the proposed transmission scheme asymptotically defines efficient alternatives in the frequency domain, such as the circulant-shaping TDMA (CS-TDMA) modulation, and all of them admit a direct adaptation to frequency-selective channels. Numerical evaluation of the proposed schemes validates the provided theoretical models.This work has been supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation through project RODIN (PID2019-105717RB-C22 / MCIN / AEI / 10.13039/501100011033) and fellowship FPI BES-2017-080071Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Low-complexity switching network design for hybrid precoding in mmWave MIMO systems

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.This paper deals with the design of a hybrid precoder for millimeter-wave MIMO systems. For the sake of concreteness, we consider an analog processing stage composed of a switching network with analog combining. The main contribution of this work consists on the proposal and evaluation of an optimization procedure based on a smart relaxation. The optimal hybrid precoder under a transmit power constraint is derived, after which, the analog precoding matrix is binarized. After an intuitive reasoning, we note that multiple solutions exist. Nevertheless, the (very) reduced computational complexity of the proposed optimization scheme makes it feasible for realistic implementations. Numerical results are reported to assess the performance of proposed hybrid precoder design.Peer ReviewedPostprint (published version

Dimension spreading for coherent opportunistic communications

© 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The waveform optimization problem for opportunistic communications is addressed, based on sensing the second-order statistics of the existing transmissions. We propose a minimum-norm waveform optimization that exhibits robustness to the worst-case subspace mismatch, minimizes the spectral overlapping with the existing transmissions, is rotationally invariant, and has maximally white spectrum. The derived solution can be seen as a different kind of signal dimension-based spreading. In addition, the effects of the residual interference caused to the existing transmissions are studied. Numerical results are provided to assess the performance of the proposed solution in the frequency domain for the asymptotic case. The level of induced interference is compared to traditional null space techniques.Peer ReviewedPostprint (published version

Comunicació de subsespai de soroll: optimització de forma d'ona i gestió d'interferències

Nowadays, the large amount of telecommunication devices may suppose that the limited frequency spectrum cannot provide service to all of them. In this line, some cognitive techniques, such as spectrum sensing and features detection, have been developed. Taking into account that the utile signal and the noise are mathematically orthogonal, the purpose is to design a waveform contained in the Noise Subspace and study how to manage the interference caused by different estimation of this waveform performed by the different users involved in the communication.Nowadays, the increasing demand for high data-rate services increases the interest of spectral efficiency. As it is well-known, the spectrum is a limited resource. Thus, those newest techniques should exploit it efficiently. The proposed techniques to accomplish this objective are, mainly, cognitive radio, device-to-device communications (D2D) and heterogenous networks (HetNet). Basically, the difference between these techniques is that cognitive radio increases the device intelligence to efficiently exploit the spectrum, whereas D2D and HetNet improves the design of wireless networks increasing its agility and flexibility. All of these techniques are included in the area known as Opportunistic Communications, which is based on allowing new users (or devices) to transmit while the existing ones have to be protected. This work consists on analyzing an opportunistic transmission strategy exploiting the second-order statistics of the existing users in a highly dense distributed network. First of all, the waveform optimization problem is tackled, as well as a deep study of the properties that the optimal waveform presents. Pursuing the objective of avoiding interfere to the external network, i.e. the existing system, a study of the interference level is performed considering some negative effects in the monitoring of external-network observations. The following step is designing a strategy which allows mitigating this undesired interference. Moreover, this strategy also improves the transmission performance in the internal network by reducing the energy bit loss. In order to compare the proposed solution and a well-known modulation as the Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), an analysis of the Peak-to-Average Ratio (PAR) is included. At the first part of the study, the channel is assumed to be ideal with Additive White Gaussian Noise (AWGN). But, as we know, the majority of the scenarios presents a frequency-selective channel. Therefore, the asymptotic case of the proposed solution is analyzed in this more demanding scenario and a new transmission strategy is studied to mitigate the multipath fading.Hoy en día, la gran demanda para dar soporte a aplicaciones que requieren una alta velocidad de los datos convierte la eficiencia espectral en un punto a tener en cuenta en las nuevas estrategias de comunicaciones. Como es bien sabido, el espectro de frecuencias es un recurso limitado. Así pues, dichas técnicas tienen que explotarlo de forma eficiente. Las técnicas que se proponen para conseguir esta meta son, principalmente, la radio cognitiva, las comunicaciones dispositivo-a-dispositivo (D2D) y las redes heterogéneas (HetNet). Básicamente, la diferencia entre estas tecnologías es que la radio cognitiva dota a los dispositivos de inteligencia para explotar eficientemente el espectro, mientras que D2D y HetNet mejoran el diseño de las redes inalámbricas incrementando su agilidad y flexibilidad. El conjunto de dichas técnicas se engloba en el área de las comunicaciones oportunistas, que se basa en permitir la transmisión de nuevos usuarios o dispositivos con el requisito de no molestar y, por tanto, proteger a los usuarios existentes. Este trabajo consiste en analizar una estrategia de transmisión oportunista libre de interferencias haciendo uso de la estadística de segundo orden de los usuarios existentes en redes distribuidas muy densas. Primeramente, se aborda el problema de la optimización de la forma de onda, así como el estudio de sus propiedades. Persiguiendo el objetivo de no interferir a los usuarios existentes, es decir, a la red externa, se estudian casos negativos de monitorización de las observaciones de la red externa que obtienen los usuarios nuevos, es decir, la red interna. El siguiente paso es presentar una estrategia que permita mitigar dicha interferencia y mejorar la transmisión de la red interna reduciendo la pérdida de la energía de bit. Para poder comparar la solución con modulaciones ya existentes, como OFDM, se analiza la relación de potencia de pico a potencia media (PAR). En la primera parte del estudio, el canal se ha considerado ideal con ruido aditivo Gaussiano y blanco. En la practica, sabemos que mayoritariamente los canales serán selectivos en frecuencia. Por tanto, el caso asintótico de la solución propuesta se analiza en un escenario no ideal así como también se presenta una estrategia de transmisión para reducir las pérdidas por propagación multicamino.Avui dia, la gran demanda per a donar suport a aplicacions que requereixen una alta velocitat de les dades converteix l'eficiència espectral en un ítem a tenir en compte a les noves estratègies de comunicacions. Com és ben sabut, l'espectre de freqüències és un recurs limitat. Així, aquestes noves tècniques han d'explotar-lo de manera eficient. Les tècniques que es proposen per aconseguir aquests objectius són, prinicipalment, la ràdio cognitiva, les comunicacions dispositiu-a-dispositiu (D2D) i les xarxes heterogènies (HetNet). Bàsicament, la diferència entre aquestes tecnologies és que la ràdio cognitiva dota els dispositus d'intel·ligència per explotar eficientment l'espectre, mentres que D2D i HetNet milloren el disseny de les xarxes inalàmbriques incrementant la seva agilitat i flexibilitat. El conjunt d'aquestes tècniques s'engloba a l'àrea de les comunicacions oportunistes, que es basa en permetre la transmissió de nous usuaris o dispositius amb el requeriment de no molestat i, per tant, protegir els usuaris existents. Aquest treball consisteix en analitzar una estratègia de transmissió oportuista lliure d'interferències fent ús de l'estadística de segon ordre dels usuaris existents en xarxes distribuïdes molt denses. Primerament, s'aborda el problema de la optimització de la forma d'ona, així com l'estudi de les seves propietats. Perseguint l'objectiu de no interferir els usuaris existents, s'estudia el nivell d'interferència a la xarxa externa, és a dir, als usuaris existents, considerant efectes negatius sobre el monitoratge de les observacions que obtenen el nous usuaris dels ja existents. El pas següent és presentar una estratègia que permeti mitigar aquesta interferència i millorar la transmissió de la xarxa interna, és a dir, dels usuaris nous, tot reduïnt la pèrdua de l'energia de bit. Per tal de poder comparar la solució proposada amb modulacions existents, com ara l'OFDM, s'analitza la relació de potència pic a potència mitjana (PAR). A la primera part de l'estudi, el canal s'ha considerat ideal amb soroll additiu Gaussià i blanc. A la pràctica, sabem que majoritàriament els canals seran selectius en freqüència. Per tant, el cas asimptòtic de la solució proposada s'analitza en un escenari no ideal així com també es proporciona una estratègia de transmissió per a reduir les pèrdues per propagació multicamí