Enforcing Statistical Orthogonality in Massive MIMO Systems via Covariance Shaping

This paper tackles the problem of downlink transmission in massive multiple-input multiple-output(MIMO) systems where the equipments (UEs) exhibit high spatial correlation and the channel estimation is limited by strong pilot contamination. Signal subspace separation among the UEs is, in fact, rarely realized in practice and is generally beyond the control of the network designer (as it is dictated by the physical scattering environment). In this context, we propose a novel statistical beamforming technique, referred to asMIMO covariance shaping, that exploits multiple antennas at the UEs and leverages the realistic non-Kronecker structure of massive MIMO channels to target a suitable shaping of the channel statistics performed at the UE-side. To optimize the covariance shaping strategies, we propose a low-complexity block coordinate descent algorithm that is proved to converge to a limit point of the original nonconvex problem. For the two-UE case, this is shown to converge to a stationary point of the original problem. Numerical results illustrate the sum-rate performance gains of the proposed method with respect to reference scenarios employing the multiple antennas at the UE for spatial multiplexing.Comment: Submitted for journal publicatio

Designing, Building, and Characterizing RF Switch-based Reconfigurable Intelligent Surfaces

In this paper, we present our experience designing, prototyping, and empirically characterizing RF Switch-based Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS). Our RIS design comprises arrays of patch antennas, delay lines and programmable radio-frequency (RF) switches that enable passive 3D beamforming, i.e., without active RF components. We implement this design using PCB technology and low-cost electronic components, and thoroughly validate our prototype in a controlled environment with high spatial resolution codebooks. Finally, we make available a large dataset with a complete characterization of our RIS and present the costs associated with reproducing our design

SARIS: Scattering Aware Reconfigurable Intelligent Surface Model and Optimization for Complex Propagation Channels

The reconfigurable intelligent surface (RIS) is an emerging technology that changes how wireless networks are perceived, therefore its potential benefits and applications are currently under intense research and investigation. In this letter, we focus on electromagnetically consistent models for RISs inheriting from a recently proposed model based on mutually coupled loaded wire dipoles. While existing related research focuses on free-space wireless channels thereby ignoring interactions between RIS and scattering objects present in the propagation environment, we introduce an RIS-aided channel model that is applicable to more realistic scenarios, where the scattering objects are modeled as loaded wire dipoles. By adjusting the parameters of the wire dipoles, the properties of general natural and engineered material objects can be modeled. Based on this model, we introduce a provably convergent and efficient iterative algorithm that jointly optimizes the RIS and transmitter configurations to maximize the system sum-rate. Extensive numerical results show the net performance improvement provided by the proposed method compared with existing optimization algorithms

Techniques d'antennes multiples pour les réseaux d'accès radio à haute densité en après-5G

L’augmentation exponentielle des équipements d’utilisateurs sans fil (UEs) et des services des réseaux associés aux déploiements actuels de cinquième génération (5G) pose plusieurs défis de conception sans précédent qui doivent être résolus avec l’avènement des futurs réseaux au-delà de la 5G. Plus précisément, la demande croissante de débits de données élevés ainsi que la nécessité de desservir un grand nombre d’appareils hétérogènes, allant des téléphones mobiles classiques aux objets connectés formant l’internet des objets (IoT), motivent l’étude de nouveaux schémas de traitement et de transmission du signal. À cet égard, les sorties multiples massives à entrées multiples (massive MIMO) sont une technologie d’accès bien établie, qui permet de desservir plusieurs dizaines d’UEs en utilisant lesmêmes ressources temps-fréquence au moyen de techniques de formation de faisceau hautement directionnelles. Cependant, le massive MIMO présente des problèmes d’évolutivité dans les scénarios accès massif où la population UE est composée d’un grand nombre de périphériques hétérogènes. En effet, si la disponibilité d’un grand nombre d’antennes dans les émetteurs-récepteurs massive MIMO apporte des gains de performances substantiels, elle augmente également considérablement la surcharge et la complexité du système. Plus précisément, la dimensionnalité élevée des canaux nécessite l’allocation de ressources temps-fréquence considérables pour acquérir les informations d’état de canal (CSI) et se traduit par de grandes opérations matricielles pour construire des précodeurs/décodeurs. De plus, dans le contexte de communications de multidiffusion comme, par exemple, la mise en cache périphérique sans fil ou la diffusion de messages critiques pour la mission, les techniques d’antennes multiples conventionnelles présentent des taux de disparition lorsque le nombre d’UEs augmente même dans le régime d’antenne massif. Enfin, le grand nombre de chaînes de radiofréquences (RF) associées aux émetteurs-récepteurs massive MIMO, qui sont utilisés pour contrer les pertes de propagation dans des environnements difficiles tels que, par exemple, à des fréquences d’ondes millimétriques (mmWave), se heurte au budget de puissance limité des appareils IoT. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles méthodes à antennes multiples évolutives pour l’amélioration des performances dans les scénarios d’intérêt susmentionnés. Plus précisément, nous décrivons le rôle fondamental joué par le CSI statistique qui peut être mis à profit pour réduire à la fois la complexité et la surcharge pour l’acquisition de CSI et pour la suppression des interférences multi-utilisateurs. En effet, lorsque les UEs sont équipés au moins de duex antennes, leurs propriétés de sélectivité spatiale peuvent être exploitées pour imposer une orthogonalité statistique parmi les transmissions interférentes. De plus, nous exploitons les communications de périphérique à périphérique (D2D) pour surmonter le goulot d’étranglement fondamental de la multidiffusion conventionnelle. En particulier, nous exploitons les capacités de précodage d’un émetteur multi-antennes pour sélectionner soigneusement les UEs dans des conditions de canal favorables, qui à leur tour agissent comme des relais opportunistes et retransmettent le message via les liaisons D2D. Enfin, dans le cadre des communications mmWave, nous explorons les avantages des surfaces intelligentes reconfigurables (RISs) récemment proposées, qui sont un catalyseur clé de l’innovation grâce à leur structure intrinsèquement passive qui permet de contrôler l’environnement de propagation et de contrer efficacement les pertes de propagation. En particulier, nous utilisons la formation de faisceaux passive au niveau du RIS, c’est-à-dire sans aucune dépense d’énergie significative, ainsi que la formation de faisceaux active conventionnelle au niveau de l’émetteur pour augmenter considérablement les performances du réseau.The exponential increase of wireless user equipments (UEs) and network services associated with current 5G deployments poses several unprecedented design challenges that need to be addressed with the advent of future beyond-5G networks and novel signal processing and transmission schemes. In this regard, massive MIMO is a well-established access technology, which allows to serve many tens of UEs using the same time-frequency resources. However, massive MIMO exhibits scalability issues in massive access scenarios where the UE population is composed of a large number of heterogeneous devices. In this thesis, we propose novel scalable multiple antenna methods for performance enhancement in several scenarios of interest. Specifically, we describe the fundamental role played by statistical channel state information (CSI) that can be leveraged for reduction of both complexity and overhead for CSI acquisition, and for multiuser interference suppression. Moreover, we exploit device-to-device communications to overcome the fundamental bottleneck of conventional multicasting. Lastly, in the context of millimiter wave communications, we explore the benefits of the recently proposed reconfigurable intelligent surfaces (RISs). Thanks to their inherently passive structure, RISs allow to control the propagation environment and effectively counteract propagation losses and substantially increase the network performance

Techniques d'antennes multiples pour les réseaux d'accès radio à haute densité en après-5G

The exponential increase of wireless user equipments (UEs) and network services associated with current 5G deployments poses several unprecedented design challenges that need to be addressed with the advent of future beyond-5G networks and novel signal processing and transmission schemes. In this regard, massive MIMO is a well-established access technology, which allows to serve many tens of UEs using the same time-frequency resources. However, massive MIMO exhibits scalability issues in massive access scenarios where the UE population is composed of a large number of heterogeneous devices. In this thesis, we propose novel scalable multiple antenna methods for performance enhancement in several scenarios of interest. Specifically, we describe the fundamental role played by statistical channel state information (CSI) that can be leveraged for reduction of both complexity and overhead for CSI acquisition, and for multiuser interference suppression. Moreover, we exploit device-to-device communications to overcome the fundamental bottleneck of conventional multicasting. Lastly, in the context of millimiter wave communications, we explore the benefits of the recently proposed reconfigurable intelligent surfaces (RISs). Thanks to their inherently passive structure, RISs allow to control the propagation environment and effectively counteract propagation losses and substantially increase the network performance.L’augmentation exponentielle des équipements d’utilisateurs sans fil (UEs) et des services des réseaux associés aux déploiements actuels de cinquième génération (5G) pose plusieurs défis de conception sans précédent qui doivent être résolus avec l’avènement des futurs réseaux au-delà de la 5G. Plus précisément, la demande croissante de débits de données élevés ainsi que la nécessité de desservir un grand nombre d’appareils hétérogènes, allant des téléphones mobiles classiques aux objets connectés formant l’internet des objets (IoT), motivent l’étude de nouveaux schémas de traitement et de transmission du signal. À cet égard, les sorties multiples massives à entrées multiples (massive MIMO) sont une technologie d’accès bien établie, qui permet de desservir plusieurs dizaines d’UEs en utilisant lesmêmes ressources temps-fréquence au moyen de techniques de formation de faisceau hautement directionnelles. Cependant, le massive MIMO présente des problèmes d’évolutivité dans les scénarios accès massif où la population UE est composée d’un grand nombre de périphériques hétérogènes. En effet, si la disponibilité d’un grand nombre d’antennes dans les émetteurs-récepteurs massive MIMO apporte des gains de performances substantiels, elle augmente également considérablement la surcharge et la complexité du système. Plus précisément, la dimensionnalité élevée des canaux nécessite l’allocation de ressources temps-fréquence considérables pour acquérir les informations d’état de canal (CSI) et se traduit par de grandes opérations matricielles pour construire des précodeurs/décodeurs. De plus, dans le contexte de communications de multidiffusion comme, par exemple, la mise en cache périphérique sans fil ou la diffusion de messages critiques pour la mission, les techniques d’antennes multiples conventionnelles présentent des taux de disparition lorsque le nombre d’UEs augmente même dans le régime d’antenne massif. Enfin, le grand nombre de chaînes de radiofréquences (RF) associées aux émetteurs-récepteurs massive MIMO, qui sont utilisés pour contrer les pertes de propagation dans des environnements difficiles tels que, par exemple, à des fréquences d’ondes millimétriques (mmWave), se heurte au budget de puissance limité des appareils IoT. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles méthodes à antennes multiples évolutives pour l’amélioration des performances dans les scénarios d’intérêt susmentionnés. Plus précisément, nous décrivons le rôle fondamental joué par le CSI statistique qui peut être mis à profit pour réduire à la fois la complexité et la surcharge pour l’acquisition de CSI et pour la suppression des interférences multi-utilisateurs. En effet, lorsque les UEs sont équipés au moins de duex antennes, leurs propriétés de sélectivité spatiale peuvent être exploitées pour imposer une orthogonalité statistique parmi les transmissions interférentes. De plus, nous exploitons les communications de périphérique à périphérique (D2D) pour surmonter le goulot d’étranglement fondamental de la multidiffusion conventionnelle. En particulier, nous exploitons les capacités de précodage d’un émetteur multi-antennes pour sélectionner soigneusement les UEs dans des conditions de canal favorables, qui à leur tour agissent comme des relais opportunistes et retransmettent le message via les liaisons D2D. Enfin, dans le cadre des communications mmWave, nous explorons les avantages des surfaces intelligentes reconfigurables (RISs) récemment proposées, qui sont un catalyseur clé de l’innovation grâce à leur structure intrinsèquement passive qui permet de contrôler l’environnement de propagation et de contrer efficacement les pertes de propagation. En particulier, nous utilisons la formation de faisceaux passive au niveau du RIS, c’est-à-dire sans aucune dépense d’énergie significative, ainsi que la formation de faisceaux active conventionnelle au niveau de l’émetteur pour augmenter considérablement les performances du réseau