[pt] Modulação Espacial é um método de transmissão por múltiplas antenas recentemente proposto,designado por MIMO-SIM, que associa informação à escola das antenas transmissoras. Isto possibilita a redução do número de cadeias de radiofrequência e, consequentemente, a imimplementação de sistemas de comunicação que consomem menos energia. O novo esquema de comunicação dos sistemas MIMO-SIM exige que, do lado redeptor, novas e eficientes estratégias de detecção do sinal transmitido sejam elaborados. O detector de máxima verossimilhança (ML), que fornece o desempenho ótimo, é de inviável implementação devido ao elevado custo computacional. Os detectores Sphere Decoding (SD) são comumente aplicados aos sistemas MIMO e atingem o desempenho ótimo a menor custo de computação. Um algoritmo SD que considera as caractéristicas do sinal SM foi desenvolvido, resultando em redução de custo computacional em relação ao detector ML e aos algoritmos SD convencionais. A elevada sensibilidade da complexidade dos algoritmos SD à variação da relação sinal-ruído (SNR) motivou o desenvolvimento de técnicas de detencção subótimas. Estratégias baseadas em detecção em grupos foram propostas, e os algoritmos de detecção aninhada MLA-M e MLA-C tiveram sua complexidade e desempenho avaliados em diferetes configurações e cenários de canal. Uma nova família de detectores, que realiza a detecção da combinação de antenas transmissoras e dos símbolos transmitidos em fases distintas, foi proposto, eo algoritmo List-BMP-LR-MMSE atingiu desempenho de detecção quase ótimo com baixo custo computacional, menos sensível à variação de SNR. Baseado na estratégia de detecção em duas fases, um novo detector de baixo custo foi desenvolvido para sistemas SM com codificação espácio-temporal. / [en] Spatial Modulation is a recently proposed multiantenna transmission scheme, designated as SM-MIMO, that associates information to the transmit antenna selection, thus enabling the reduction of the number of radiofrequency chains and , consequently, the implementation of less power consuming communication systems. The novel SM-MIMO communication scheme requires, at the receiver side, the development of new and efficient signal detection strategies of the optimal performance, is infeasible to implement due to the high computational cost. Sphere Decoding detectors (SD) are customarily applied to MIMO systems and attain optimal performance with lower computational cost.An SD algorithm, tailored following SM signal characteristics was deloped, resulting in computational cost reduction compared to ML detector and conventional MIMO SD algorithms. The hogh computational sensitivity of SD algorithms to the signal-to-noise ratio (SNR) variation motivated the development of subboptimal detection techniques. Strategies based in group detection were propsed, and nested detection algorithms LA-M and MLA-C had their complexity and performance evaluated in different configurations and channel scenarios. A new family of detectors, that performs the detection of the transmit antenna combinations and the transmitted symbols in two distinct stages,was proposed, and List-BMP-LR-MMSE algorithm attained near -optimal detection performace with low computational complexity, less sensitive to SNR variation. Based on the two-stage detection strategy, a new low-complexity detector was developed to space-time coded SM systems.

[pt] Este trabalho de dissertação de mestrado apresenta os resultados obtidos com a conjunção de duas técnicas propostas para utilização em modernos sistemas de comunicações: a Modulação Espacial (Spatial Modulation - SM) e a detecção desacoplada de sinais. Na primeira parte são abordados os fundamentos teóricos da detecção de sinais com modulação espacial, uma comparação entre os sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) tradicionais e os sistemas SM-MIMO, uma revisão bibliográfica sobre trabalhos previamente feitos no tema e os diferentes tipos de detectores que podem ser empregados em sistemas com modulação espacial. A seguir são abordadas diferentes técnicas para desacoplamento de sinais, as quais permitem a separação na estação radio-base dos sinais oriundos de diferentes tipos de usuários, visando simplificar e adequar o procedimento de detecção às necessidades do usuário da rede. Finalmente uma análise de desempenho, em termos da taxa de erro de bit, e complexidade computacional, em termos do número médio de flops requerido por vetor de símbolos detectado, é realizada para as diferentes associações de técnicas de desacoplamento e detectores SM enfocados neste trabalho. / [en] This work dissertation presents the results obtained from the conjunction of two proposal techniques for the use in modern systems of communications: the Spatial Modulation and the Decoupling Signal Detection. In the first part are discussed the theorical bases of the signal detection with Spatial Modulation, a comparison between the traditional MIMO systems and the SM-MIMO systems, a bibliographical review about previousworks in the topic and the different kinds of detectors that can be used in systems with Spatial Modulation. Then the different techniques of signal decoupling are discussed, which allow the separation in the radio base station of the signals coming from the different classes of users, to simplify and adapt the process of detection and the requirements of the user in the network. Finally a performance analysis in terms of the bit error rate and computational complexity in terms of average number of flops required fot the vector of symbols detected, is done for the studied detectors in the dissertation, using the same different techniques of decoupling studied in this work.

[pt] As comunicações de ondas milimétricas (mmWave) são consideradas uma tecnologia essencial para os sistemas celulares de próxima geração, dado que a enorme largura de banda disponível pode potencialmente fornecer as taxas de vários gigabits por segundo. As técnicas convencionais de pré-codificação e combinação são impraticáveis nos cenários da mmWave devido ao custo de fabricação e ao consumo de energia. As alternativas híbridas foram consideradas uma tecnologia promissora para fornecer um compromisso entre a complexidade do hardware e o desempenho do sistema. Um grande número de projetos de pré-codificadores híbridos têm sido proposto com diferentes abordagens. Uma abordagem possível é procurar minimizar a distância euclidiana entre o pré-decodificador híbrido e o pré-decodificador totalmente digital. No entanto, essa abordagem torna o projeto do pré-codificador híbrido um problema de fatoração da matrices difícil de lidar devido às restrições de hardware dos componentes analógicos. Esta tese de doutorado propõe alguns projetos de pré-codificadores e combinadores híbridos por meio de uma estratégia hierárquica. O problema híbrido de pré-codificação / combinação é dividido em partes analógicas e digitais. Primeiro, o pré-codificador / combinador analógico é projetado. Em seguida, com o pré-codificador / combinador analógico fixo, o précodificador / combinador digital é calculado para melhorar o desempenho do sistema. Além disso, métodos de otimização linear e não linear são empregados para projetar a parte analógica do pré-codificador / combinador. A viabilidade dessas propostas é avaliada usando diferentes técnicas de detecção de dados e analisando o desempenho do sistema em termos de taxa de erros de bits (BER), sum–rate e outras métricas, em cenários internos do mmWave, considerando enlace diretos massivo do MU–MIMO. Além disso, este trabalho propõe um método para encontrar aproximações analíticas bastante restritas ao desempenho obtido no BER. A metodologia proposta exigiria o conhecimento da função densidade de probabilidade (fdp) das variáveis relacionadas que são desconhecidas para os cenários mmWave. Para resolver este problema, são utilizadas as aproximações fdp Gamma. As aproximações analíticas do BER resultaram em diferenças não superiores a 0,5 dB em relação aos resultados da simulação em alto SNR. / [en] Millimeter–wave (mmWave) communications have been regarded as a key technology for the next–generation cellular systems since the huge available bandwidth can potentially provide the rates of multiple gigabits per second. Conventional precoding and combining techniques are impractical at mmWave scenarios due to manufacturing cost and power consumption. Hybrid alternatives have been considered as a promising technology to provide a compromise between hardware complexity and system performance. A large number of hybrid precoder designs have been proposed with different approaches. One possible approach is to search for minimizing the Euclidean distance between hybrid precoder and the full-digital precoder. However, this approach makes the hybrid precoder design becomes a matrix factorization problem difficult to deal due to the hardware constraints of analog components. This doctoral thesis proposes some hybrid precoder and combiners designs through a hierarchical strategy. The hybrid precoding/combining problem is divided into analog and digital parts. First, the analog precoder/combiner is designed. Then, with the analog precoder/combiner fixed, the digital precoder/ combiner is computed to improve the system performance. Furthermore, linear and no-linear optimization methods are employed to design the analog part of the precoder/combiner. The viability of these proposals is evaluated using different data detection techniques and analyzing the system performance in terms of bit error rate (BER), sum rate, and other metrics, in indoor mmWave scenarios considering massive MU-MIMO downlink. Also, this work proposes a method to find fairly tight analytic approximations to the obtained BER performance. The methodology proposed would require the knowledge of the probability density function (pdf) of the variables involved, which are unknown for mmWave scenarios. In order to solve this problem, Gamma pdf approximations are used. The analytic BER approximations resulted in differences no larger than 0.5 dB with respect to the simulation results in high SNR.

[pt] Um modelo de traçado de raios baseado no método das imagens será aplicado para estudar a propagação de ondas de rádio nas regiões de Copacabana e Ipanema no Rio de Janeiro. Nesses ambientes altamente urbanizados, pode-se assumir que a propagação é restrita à seção horizontal dos vales nas ruas que são formados pelos blocos de edificações. Várias classes de raios, caracterizados pelo número, tipo (reflexão ou difração), e ordem de ocorrência de interação com as faces laterais dos blocos são considerados no modelo. As direções de partida e chegada, assim como a amplitude e o atraso no tempo, caracterizam cada raio, considerando seu comprimento total, além dos produtos dos coeficientes associados com cada interação com o ambiente. Neste trabalho, demonstra-se o aumento na capacidade do canal com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), usando conjunto de antenas na transmissão e na recepção para um sistema faixa estreita, operando a 1.9 GHZ, estudando situações com linha de visada (LOS) e sem linha de visada (NLOS). Sistemas de comunicações wireless com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), utilizando conjunto de antenas na transmissão e na recepção apresentam grande interesse atualmente, devido a grande eficiência espectral apresentada e ao aumento na capacidade do canal. O efeito dos sistemas MIMO na capacidade do canal é estudado para situações LOS e NLOS, visando compreender sua relação em função do ambiente de propagação. Apresenta-se a relação da capacidade do canal em função do crescimento da relação sinal-ruído (SNR), da potência de transmissão, da distância, do atraso e do espalhamento angular para pontos de recepção em LOS e NLOS. Além disso, resultados simulando um canal Rayleigh também são comparados com os resultados obtidos. / [en] A ray tracing model based on the method of images has been applied to study the propagation of radio waves in the regions of Copacabana and Ipanema in Rio de Janeiro. In such highly urbanized environments, it can be realistically assumed that propagation is restricted to a horizontal section of the street canyons characterized by the blocks of buildings. Several classes of rays, characterized by the number, type (reflection and diffraction), and order of occurrence of interaction with the lateral faces of the blocks are considered by the model. The directions of departure and arrival, as well as the amplitude and the time delay characterize each ray, considering its total length, as well as product of the coefficients associated with each interaction with the environment. In addition to analyzing the behaviors of the ray parameters considering both line-of-sight (LOS) and non line-of-sight (NLOS) situations, the capacity growth of multipleelement antenna arrays (MEAs) will be demonstrated for a narrowband system operating at 1.9 GHz. Indeed, multiple-input, multiple- output (MIMO) wireless communications systems, making use of smart antenna arrays at both ends of the communications link, has been receiving increased interest due to their high spectral efficiency and channel capacity. The effect of MIMO systems in the channel capacity will be studied for representative LOS and NLOS situations to understand how the results change as a function of the environment. It will be seen how the capacity scales with increasing signal-to- noise ratio (SNR) for a large but practical number of antenna elements at both transmitter and receiver. The increase in capacity with transmitter power, distance, delay and angular spreads for LOS and NLOS cases will also be presented, as well as a comparison of the results with those corresponding to a Rayleigh channel.

[pt] O emprego conjunto de Redes de Acesso por Rádio em Nuvem (CRANs) e sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) de larga escala é uma solução chave para atender aos requisitos da quinta geração (5G) de redes sem fio. No entanto, alguns desafios ainda precisam ser superados como a redução do consumo de energia do sistema, a capacidade limitada dos links fronthaul e a redução dos custos de implantação e operação. Embora seja prejudicial para o desempenho do sistema, a quantização em baixa resolução é proposta como uma solução para estes desafios. Portanto, técnicas que melhoram o desempenho de sistemas quantizados grosseiramente são necessárias. Em sistemas móveis, os ADCs geralmente são precedidos por um controle de ganho automático (AGC). O AGC trabalha moldando a amplitude do sinal recebido dentro do intervalo do quantizador para usar eficientemente a resolução. A fim de solucionar esses problemas, esta dissertação apresenta uma otimização conjunta do AGC, que funciona nas cabeças de rádio remotas (RRHs), e um filtro de recepção linear de baixa resolução consciente (LRA) baseado no mínimo erro quadrático médio (MMSE), que funciona na unidade de nuvem (CU), para sistemas quantizados grosseiramente. Desenvolvemos receptores de cancelamento de interferência lineares e sucessivos (SIC) com base na proposta conjunta de AGC e LRA MMSE (AGC-LRA-MMSE). Uma análise da soma das taxas alcançáveis juntamente com um estudo de complexidade computacional também são realizadas. As simulações mostram que o projeto proposto fornece taxas de erro reduzidas e taxas alcançáveis mais altas do que as técnicas existentes. / [en] The joint employment of Cloud Radio Access Networks (C-RANs) and large-scale multiple-input multiple-output (MIMO) systems is a key solution to fulfill the requirements of the fifth generation (5G) of wireless networks. However, some challenges are still open to be overcome such as the high power consumption of large-scale MIMO systems, which employ a large number of analog-to-digital converters (ADCs), the capacity bottleneck of the fronthaul links and the system cost reduction. Although it often affects the system performance, the low-resolution quantization is a possible solution for these problems. Therefore, techniques that improve the performance of coarsely quantized systems are needed. In mobile applications, the ADCs are usually preceded by an automatic gain control (AGC). The AGC works shaping the received signal amplitude within the quantizer range to efficiently use the ADC resolution. Then, the optimization of an AGC is especially important. In order to present possible solutions for these issues, this thesis presents a joint optimization of the AGC, which works in the remote radio heads (RRHs), and a low-resolution aware (LRA) linear receive filter based on the minimum mean square error (MMSE), which works in the cloud unit (CU), for coarsely quantized large-scale MIMO with CRAN systems. We develop linear and successive interference cancellation (SIC) receivers based on the proposed joint AGC and LRA MMSE (AGCLRAMMSE) approach. An analysis of the achievable sum rates along with a computational complexity study is also carried out. Simulations show that the proposed design provides improved error rates and higher achievable rates than existing techniques.

[pt] Este trabalho tem como finalidade estudar o problema da detecção de usuários no canal reverso de sistemas MIMO de larga escala, que são caracterizados pelo elevado número de elementos de transmissão e recepção, com foco na complexidade computacional e no desempenho em termos de taxa de erro destes sistemas. Inicialmente, os algoritmos de detecção da família Likelihood Ascent Search (LAS) são investigados e é desenvolvido um novo algoritmo de detecção, denominado de Random-List Based LAS (RLBLAS), capaz de atingir melhores taxas de erros com menor complexidade computacional do que os demais detectores considerados. Posteriormente, técnicas de detecção e decodificação iterativas (Iterative Detection and Decoding - IDD) em sistemas MIMO foram analisadas de forma a propor uma estratégia IDD de complexidade computacional reduzida a fim de viabilizar a sua aplicação em cenários massivos. Finalmente, o problema da contaminação por pilotos em sistemas MIMO multicelulares de larga escala, um dos principais limitadores do desempenho desse tipo de sistema, é estudado e estratégias de detecção com cooperação parcial entre as estações base componentes do sistema que visam mitigar os efeitos da contaminação por pilotos são propostas. As análises e afirmações realizadas durante a presente tese são sustentadas por resultados de simulações de Monte Carlo dos sistemas de comunicações em diversos cenários distintos, incluindo os casos em que são considerados os efeitos de correlação entre as antenas de transmissão/recepção, os efeitos de sombreamento e os erros de estimação dos estados dos canais de comunicações envolvidos. / [en] This work focuses on the multi-user multi-cellular large-scale MIMO reverse channel detection problem, where the number of transmitting and receiving antenna elements grows to the order of hundreds. In these scenarios, one major issue is the computational complexity of such systems. Therefore, this thesis aims to propose low-complexity techniques with good BER performance for the reverse channel detection of MIMO systems. Initially, the detection algorithms of the Likelihood Ascent Search (LAS) family are investigated and a new LAS based detector is proposed. This new detector, named Random-List Based LAS (RLB-LAS), is capable of achieving better BER with lower complexity then the other considered detectors. Next, iterative detection and decoding (IDD) techniques are analyzed in order to propose an IDD strategy applied to the detection and decoding of the reverse MIMO channel with reduced complexity to make possible its application to massive scenarios. Finally, the pilot contamination problem in multi-cellular large-scale MIMO systems, one of the major bounds on BER performance of these systems, are studied and some cooperative strategies are proposed in order to reduce the effects of this type of impairments. The analysis and statements of this thesis are supported by Monte Carlo simulation results of the considered systems in different scenarios, including the cases where the effects of transmitting and receiving antenna correlation, log-normal shadowing, and the estimation errors on the channel state information acquisition are considered.

[pt] Este trabalho de dissertação de mestrado apresenta uma comparação de algumas das técnicas de detecção de sinais mais promissoras para a viabilização de sistemas MIMO de grande porte em termos de desempenho, taxa de erro de bit e complexidade, número médio de flops requeridos por vetor de símbolos recebido. Com este objetivo foram também consideradas as técnicas de detecção clássicas, visando assim ressaltar o desempenho das novas técnicas com relação as antigas. Além disso foram propostas e investigadas novas estruturas para detectores SIC baseados em lista (i.e., com múltiplos ramos) que resultaram em melhor desempenho com menor complexidade quando comparados aos detectores deste tipo já propostos. Na comparação dos algoritmos, foram considerados três cenários diferentes: (i ) monousuário, com ganhos de canal gaussianos complexos independentes e identicamente distribuídos, ou seja, uma propagação que só considera a presença de desvanecimento de Rayleigh; (ii ) múltiplos usuários com canais correlatados e que considera as perdas de propagação de pequena e larga escala num sistema com antena centralizada; e (iii ) múltiplos usuários com canais correlatados e que considera as perdas de propagação de pequena e larga escala num sistema com antena distribuída. / [en] This work dissertation presents a comparison of some of the signal detection techniques most promising for the viability of large MIMO systems in terms of performance, bit error rate, and complexity, average number of flops required by transmitted symbol vector. For this purpose it was also considered classical detection techniques, thus aiming to highlight the performance of new techniques with respect the old. Also it has been proposed and investigated new structures to SIC detectors based on list (i.e., with multiple branches) resulting in better performance with less complexity compared to detectors of this kind already proposed. In the comparison of algorithms, three different scenarios were used: (i ) single user, with channel gains independent and distributed identically complex Gaussian, that is, a spread that only considers the presence of Rayleigh fading; (ii ) multiple users, with correlated channels, and considers the short and large scale path loss in a system with centralized antenna; e (iii ) multiple users, with correlated channels, and considers the short and large scale path loss in a system with distributed antenna.

[pt] Os sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) empregam um número crescente de antenas, o que leva a relevantes consumo de energia e custo de hardware dos front-ends correspondentes. Nesse contexto, o uso de conversores analógico-digitais (ADCs) de baixa resolução é promovido como uma solução promissora para este problema. Neste estudo consideramos um receptor MIMO de baixa resolução que implica que os sinais recebidos são processados simultaneamente pelos 1-bit ADCs e pela rede comparadora. Os sinais de entrada da rede comparadora podem vir de antenas diferentes, de modo que a extensão da rede comparadora pode ser interpretada como canais virtuais com saídas binárias. Com base nesses receptores MIMO de baixa resolução, desenvolvemos um estimador de canal e detector lineares de baixa resolução baseados no critério de mínimo erro médio quadrático (LRA-LMMSE) de acordo com o teorema de Bussgang. Duas redes de comparação são propostas, nomeadas, redes total e parcialmente conectadas. Também desenvolvemos uma rede parcialmente conectada baseada em busca gananciosa que usa muito menos comparadores para obter um desempenho bem próximo ao da rede totalmente conectada. Os resultados numéricos mostram que adicionar canais virtuais pode ser melhor do que adicionar canais físicos extras que correspondem a antenas de recepção adicionais em termos de taxa de erro de bit (BER). Além disso, ao empregar o estimador de canal proposto e seu erro de estimativa correspondente, construímos um limite inferior na taxa de soma ergódica para o receptor LRA-MMSE. Os resultados de simulação mostram que os sistemas com a proposta sistemas MIMO auxiliados por rede com quantização de 1-bit no receptor superam o convencional sistema MIMO de 1-bit em termos de desempenho de BER e erro quadrático médio (MSE). Além disso, as simulações numéricas confirmam uma vantagem significativa em termos de taxa de soma para o sistema proposto. / [en] Multiple-input multiple-output (MIMO) systems employs an increasing number of antennas, which leads to relevant energy consumption and hardware cost of the corresponding front ends. In this context, the use of lowresolution analog to digital converters (ADCs) is promoted as a promising solution to this problem. In this study we consider a low-resolution MIMO receiver which implies that the received signals simultaneously are processed by the 1-bit ADCs and the comparator network. The input signals for the comparator network can come from different antennas, such that the comparator network extension can be interpreted as virtual channels with binary outputs. Based on such low-resolution MIMO receivers, we develop low-resolution aware linear minimum mean-squared error (LRA-LMMSE) channel estimator and detector according to the Bussgang theorem. Two comparator networks are proposed, namely, fully and partially connected networks. We also devise a greedy search-based partially connected network that can use much less comparators to approach the performance of the fully connected network. Numerical results shows that adding virtual channels can be better than adding extra physical channels which corresponds to additional receive antennas in terms of bit error rate (BER). Furthermore, by employing the proposed channel estimator and its corresponding estimation error, we build up a lower bound on the ergodic sum rate for the LRA-LMMSE receiver. Simulation results show that the systems with the proposed network-aided MIMO systems with 1-bit quantization at the receiver outperforms the conventional 1-bit MIMO system in terms of BER and mean-square error (MSE) performances. Moreover, numerical simulations confirm a significant advantage in terms of sum rate for the proposed system.

[pt] IoT refere-se a um sistema de dispositivos de computação inter-relacionados que visa transferir dados através de uma rede sem exigir interação humanohumano ou humano-para-computador. Esses sistemas de comunicação modernos, exigem restrições de baixo consumo de energia e baixa complexidade no receptor. Nesse sentido, o conversor analógico-digital representa um gargalo para o desenvolvimento das aplicações dessas novas tecnologias, pois apresenta alto consumo de energia devido à sua alta resolução. A pesquisa realizada em relação aos conversores analógico-digitais com quantização grosseira mostrou que esses dispositivos são promissores para o projeto de futuros sistemas de comunicação. Para equilibrar a perda de informações, devido à quantização grosseira, a resolução no tempo é aumentada através da superamostragem. Esta tese considera um sistema com quantização de 1 bit e superamostragem no receptor com um canal de downlink MIMO multiusuário com banda ilimitada e apresenta, como principal contribuição, a nova modulação de cruzamento de zeros que implica que a informação é transmitida no instante de tempo zero-crossings. Este método é usado para a pré-codificação temporal através da otimização do design da forma de onda para dois pré-codificadores diferentes, a maximização temporal da distância mínima até o limiar de decisão com forçamento a zero espacial e a pré-codificação MMSE no espácio-temporal. Os resultados da simulação mostram que a abordagem de cruzamento de zeros proposta supera o estado da arte em termos da taxa de erro de bits para os dois pré-codificadores estudados. Além disso, essa nova modulação reduz a complexidade computacional, permite dispositivos de complexidade muito baixa e economiza recursos de banda em comparação com o método mais avançado. Análises adicionais mostram que a abordagem do cruzamento de zeros é benéfica em comparação com o método mais avançado em termos de maior distância mínima até o limiar de decisão e menor MSE para sistemas com limitações de banda. Além disso, foi desenvolvido um esquema de mapeamento de bits para modulação de cruzamento por zero, semelhante à codificação de Gray para reduzir ainda mais a taxa de erro de bits. / [en] The IoT refers to a system of interrelated computing devises which aims to transfer data over a network without requiring human-to-human or humanto- computer interaction. This Modern communication systems demand restrictions of low energy consumption and low complexity in the receiver. In this sense, the analog-to-digital converter represents a bottleneck for the development of the applications of these new technologies since it has a high energy consumption due to its high resolution. The research carried out concerning to the analog-to-digital converters with coarse quantization has shown that such devices are promising for the design of future communication systems. To balance the loss of information, due to the coarse quantization, the resolution in time is increased through oversampling. This thesis considers a system with 1-bit quantization and oversampling at the receiver with a bandlimited multiuser MIMO downlink channel and introduces, as the main contribution, the novel zero-crossing modulation which implies that the information is conveyed within the time instant of the zero-crossings. This method is used for the temporal precoding through the waveform design optimization for two different precoders, the temporal maximization of the minimum distance to the decision threshold with spatial zero forcing and the space-time MMSE precoding. The simulation results show that the proposed zero-crossing approach outperforms the state-of-theart in terms of the bit error rate for both precoders studied. In addition, this novel modulation reduces the computational complexity, allows very low complexity devices and saves band resources in comparison to the state-ofthe- art method. Additional analyses show that the zero-crossing approach is beneficial in comparison to the state-of-the-art method in terms of greater minimum distance to the decision threshold and lower MSE for systems with band limitations. Moreover, it was devised a bit-mapping scheme for zero-crossing modulation, similar to Gray-coding to further reduce the bit error rate.

[pt] Com um número crescente de antenas em sistemas MIMO, o consumo de energia e os custos das interfaces de rádio correspondentes tornam-se relevantes. Nesse contexto, uma abordagem promissora é a utilização de conversores de dados de baixa resolução. Neste estudo, propomos dois novos pré-codificadores ótimos para a sinais de envelope constante e quantização de fase. O primeiro maximiza a distância mínima para o limite de decisão (MMDDT) nos receptores, enquanto o segundo minimiza o erro médio quadrático entre os símbolos dos usuários e o sinal de recepção. O design MMDDT apresetado nesse estudo é uma generalização de designs anteriores que baseiam-se em quantização de 1-bit. Além disso, ao contrário do projeto MMSE anterior que se baseia na resolução de 1-bit, a abordagem proposta emprega quantização de fase uniforme e a etapa de limite no método branch-and-bound é diferente em termos de considerar o relaxamento mais restritivo do problema não convexo, que é então utilizado para um design sub ótimo também. Além disso, três métodos diferentes de detecção suave e um esquema iterativo de detecção e decodificação que permite a utilização de codificação de canal em conjunto com pré-codificação de baixa resolução são propostos. Além de uma abordagem exata para calcular a informação extrínseca, duas aproximações com reduzida complexidade computacional são propostas. Os algoritmos propostos de pré-codificação branch-and-bound são superiores aos métodos existentes em termos de taxa de erro de bit. Resultados numéricos mostram que as abordagens propostas têm complexidade significativamente menor do que a busca exaustiva. Finalmente, os resultados baseados em um código de bloco LDPC indicam que os esquemas de processamento de recepção geram uma taxa de erro de bit menor em comparação com o projeto convencional. / [en] With an increasing number of antennas in multiple-input multiple-output (MIMO) systems, the energy consumption and costs of the corresponding front ends become relevant. In this context, a promising approach is the consideration of low-resolution data converters. In this study two novel optimal precoding branch-and-bound algorithms constrained to constant envelope signals and phase quantization are proposed. The first maximizes the minimum distance to the decision threshold (MMDDT) at the receivers, while the second minimizes the MSE between the users data symbols and the receive signal. This MMDDT design presented in this study is a generalization of prior designs that rely on 1-bit quantization. Moreover, unlike the prior MMSE design that relies on 1-bit resolution, the proposed MMSE approach employs uniform phase quantization and the bounding step in the branch-and-bound method is different in terms of considering the most restrictive relaxation of the nonconvex problem, which is then utilized for a suboptimal design also. Moreover, three different soft detection methods and an iterative detection and decoding scheme that allow the utilization of channel coding in conjunction with low-resolution precoding are proposed. Besides an exact approach for computing the extrinsic information, two approximations with reduced computational complexity are devised. The proposed branch-and-bound precoding algorithms are superior to the existing methods in terms of bit error rate. Numerical results show that the proposed approaches have significantly lower complexity than exhaustive search. Finally, results based on an LDPC block code indicate that the proposed receive processing schemes yield a lower bit-error-rate compared to the conventional design.