Approaching universal frequency reuse through base station cooperation

Base Station (BS) architectures are a promising cellular wireless solution to mitigate the interference issues and to avoid the high frequency reuse factors implemented in conventional systems. Combined with block transmission techniques, such as Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) for the downlink and Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization (SC-FDE) for the uplink, these systems provide a significant performance improvement to the overall system. Block transmission techniques are suitable for broadband wireless communication systems, which have to deal with strongly frequency-selective fading channels and are able to provide high bit rates despite the channel adversities. In BS cooperation schemes users in adjacent cells share the same physical channel and the signals received by each BS are sent to a Central Processing Unit (CPU) that combines the different signals and performs the user detections and/or separation, which can be regarded as a Multi-User Detection (MUD) technique. The work presented in this thesis is focused on the study of uplink transmissions in BS cooperations systems, considering single carrier block transmission schemes and iterative receivers based on the Iterative-Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE) concept, which combined with the employment of Cyclic Prefix (CP)-assisted block transmission techniques are appropriate to scenarios with strongly time-dispersive channels. Furthermore, the impact of the sampling and quantization applied to the received signals from each Mobile Terminal (MT) to the corresponding BS is studied, with the achievement of the spectral characterization of the quantization noise. This thesis also provides a conventional analytical model for the BER (Bit Error Rate) performance complemented with an approach to improve its results. Finally, this thesis addresses the contextualization of BS cooperation schemes in clustered C-RAN (Centralized-Radio Access Network)-type solutions.As arquitecturas BS cooperation são uma solução promissora de redes celulares sem fios para atenuar o problema da interferência e evitar os factores de reuso elevados, que se encontram implementados nos sistemas convencionais. Combinadas com técnicas de transmissão por blocos, como o OFDM para o downlink e o SC-FDE no uplink, estes sistemas fornecem uma melhoria significativa no desempenho geral do sistema. Técnicas de transmissão por blocos são adequadas para sistemas de comunicações de banda larga sem fios, que têm que lidar com canais que possuem um forte desvanescimento selectivo na frequência e são capazes de fornecer ligações com taxas de transmissão altas apesar das adversidades do canal. Em esquemas BS cooperation os terminais móveis situados em células adjacentes partilham o mesmo canal físico e os sinais recebidos em cada estação de base são enviados para uma Unidade Central de Processamento (CPU) que combina os diferentes sinais recebidos associados a um dado utilizador e realiza a detecção e/ou separação do mesmo, sendo esta considerada uma técnica de Detecção Multi-Utilizador (MUD). O trabalho apresentado nesta tese concentra o seu estudo no uplink de transmissões em sistemas BS cooperation, considerando transmissões em bloco de esquemas monoportadoras e receptores iterativos baseados no conceito B-DFE, em que quando combinados com a implementação de técnicas de transmissao por blocos assistidas por prefixos cíclicos (CP) são apropriados a cenários com canais fortemente dispersivos no tempo. Além disso, é estudado o impacto do processo de amostragem e quantização aplicados aos sinais recebidos de cada terminal móvel para a estação de base, com a obtenção da caracterização espectral do ruído de quantização. Esta tese também fornece um modelo analítico convencional para a computação do desempenho da taxa de erros de bit (BER), com um método melhorado para o mesmo. Por último, esta tese visa a contextualização dos sistemas BS cooperation em soluções do tipo C-RAN