[pt] Uma abordagem promissora para reduzir o consumo de energia é considerar a quantização grosseira no receptor. Neste estudo, investigamos novas técnicas de pré-codificação no espaço e no tempo para canais de downlink MIMO multiusuário limitados em banda com quantização de 1 bit e sobre amostragem no receptor, considerando a modulação de cruzamento zero. A modulação de instância de tempo de zero cruzamento proposta transmite a informação nas instâncias de tempo de cruzamento zero. Dois critérios de projeto para a instância de tempo de cruzamento zero são investigados, a saber, a distância mínima até o limiar de decisão e o erro quadrático médio entre o sinal recebido e o desejado. A maximização da distância mínima para o limiar de decisão pode ser formulada como um programa quadrático restrito quadraticamente. Como alternativa, um problema equivalente pode ser formulado com base na minimização de potência, o que reduz a complexidade computacional. Além disso, outro método é implementado onde a informação é transmitida nas instâncias de tempo de cruzamento zero em segmentos de forma de onda. Partindo da técnica convencional baseada no erro quadrático médio, um algoritmo mais sofisticado é desenvolvido, o que implica a extensão ativa da constelação para melhorar o desempenho em altaSNR. O problema estendido é resolvido com duas abordagens: formulando o problema como um programa de cone de segunda ordem e considerando um algoritmo de otimização alternada. Outro método baseado no algoritmo de descida de gradiente é implementado com a técnica do erro quadrático médio para reduzir ainda mais a complexidade computacional. Além disso, um limite inferior para a eficiência espectral é obtido. Os resultados numéricos mostram que os métodos de pré-codificação de cruzamento zero de instância de tempo propostos melhoram significativamente a taxa de erro de bit em comparação com os métodos de última geração. Finalmente, a maximização da distância mínima ao limiar de decisão e as técnicas de pré-codificação baseadas no erro quadrático médio são avaliadas considerando um canal de onda milimétrica seletivo em frequência. Os resultados numéricos mostram que ambas as técnicas de pré-codificação respondem bem à seletividade de frequência do canal. / [en] A promising approach to reduce energy consumption is to consider coarse quantization at the receiver. In this study, we investigate novel precoding techniques in space and time for bandlimited multiuser MIMO downlink channels with 1-bit quantization and oversampling at the receiver, considering zero-crossing modulation. The proposed time-instance zero-crossing modulation conveys the information into the time-instances of zero-crossings. Two design criteria for time-instance zero-crossing modulation are investigated, namely, the minimum distance to the decision threshold and the mean-square error between the received and the desired signal. The maximization of the minimum distance to the decision threshold can be formulated as a quadratically constraint quadratic program. As an alternative, an equivalent problem is formulated based on power minimization, which reduces computational complexity. Moreover, another method is implemented where the information is conveyed into the time-instances of zero-crossings using waveform segments. Departing from the conventional mean-square error based technique, a more sophisticated algorithm is developed, which implies active constellation extension to improve the performance at high SNR. The extended problem is solved with two approaches: by formulating the problem as a second-order cone program and by considering an alternating optimization algorithm. Another method based on the gradient descent algorithm is implemented with the mean-square error technique to reduce computational complexity further. Besides, a lower bound on the spectral efficiency is obtained. Numerical results show that the proposed time-instance zero-crossing precoding methods significantly improve the bit error rate compared to the state-of-the-art methods. Finally, the maximization of the minimum distance to the decision threshold and the mean-square error based precoding techniques are evaluated considering a frequency-selective millimeter wave channel. Numerical results show that both precoding techniques respond well to the frequency selectivity of the channel.

[pt] Sistemas de múltiplas antenas de larga escala são técnicas fundamentais para sistemas de comunicação sem fio do futuro, que deverão servir dezenas de usuários por estação rádio-base. Neste contexto, um problema chave é o aumento do consumo de energia à medida que o número de antenas cresce. Recentemente, CADs de baixa resolução têm atraído grande interesse de pesquisa. Em particular, CADs de 1 bit são adequados para sistemas de larga escala devido ao seu baixo custo e consumo de energia. Nesta tese, CADs de 1 bit são usados em três diferentes abordagens de projeto, que operam a taxa de Nyquist e a taxas superiores a taxa de Nyquist com estratégias de amostragem uniforme e dinâmica. Nos sistemas operando a taxa de Nyquist, algoritmos de estimação de canal que exploram o conhecimento da baixa resolução e um novo esquema de detecção e decodificação iterativas são propostos, em que códigos low-density paritycheck de bloco curto são considerados para evitar alta latência. Nos sistemas operando a taxas superiores a taxa de Nyquist com sobreamostragem uniforme, algoritmos eficientes de estimação de canal e de detecção com janela deslizante com exploração da baixa resolução são propostos. Além disso, são deduzidas expressões analíticas associadas aos limitantes de Cramér-Rao para os sistemas com sobreamostragem. Resultados numéricos ilustram o desempenho dos algoritmos de estimação de canal propostos e existentes e os limitantes teóricos deduzidos. Nos sistemas operando com sobreamostragem dinâmica, duas abordagens de projeto são desenvolvidas: uma técnica baseada na maximização da soma das taxas e uma técnica baseada na minimização do erro médio quadrático. Em seguida, três algoritmos de redução de dimensão são apresentados e investigados. Resultados de simulações mostram que os sistemas com sobreamostragem dinâmica têm melhor desempenho do que os sistemas com sobreamostragem uniforme em termos de soma das taxas alcançáveis e de taxa de erro de símbolos, enquanto o custo computacional das técnicas examinadas é comparável. / [en] Large-scale multiple-antenna systems are a key technique for future wireless communications, which will serve tens of users per base station (BS). In this scenario, one problem faced is the large energy consumption as the number of receive antennas scales up. Recently, low-resolution analogto-digital converters (ADCs) have attracted much attention. Specifically, 1-bit ADCs in the front-end are suitable for such systems due to their low cost and low energy consumption. In this thesis, 1-bit ADCs are applied in three different system designs, which operate at the Nyquist rate and faster than Nyquist rates along with uniform and dynamic strategies. In the Nyquist-sampling system, low-resolution-aware channel estimation algorithms and a novel iterative detection and decoding scheme are proposed, where short block length low-density parity-check codes are considered for avoiding high latency. In the faster than Nyquist rates with uniform oversampling system, lowresolution-aware channel estimation and sliding window based detection algorithms are proposed due to their low computational cost and high detection accuracy. Particularly, analytical expressions associated with the Bayesian Cramér-Rao bounds for the oversampled systems are presented. Numerical results are provided to illustrate the performance of the proposed channel estimation algorithms and the derived theoretical bounds. In the dynamic-oversampling system, two different system designs are devised, namely, sum rate and mean square error based. Three different dimension reduction algorithms are presented and thoroughly investigated. Simulation results show that the systems with the proposed dynamic oversampling outperform the uniformly oversampled system in terms of the computational cost, achievable sum rate and symbol error rate performance.

[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.