La densification des réseaux allant de pair avec le déploiement de petites cellules, les systèmes Massive MIMO disposent de caractéristiques prometteuses pour accroître la capacité des réseaux au travers des techniques de formation de faisceau, appelées beamforming. Les transmissions aux longueurs d’onde millimétriques (mmWave) sont, quant à elle, très convoitées car, non seulement les bandes passantes exploitables sont extrêmement larges, mais le canal de propagation est principalement Line-of-Sight (LOS), ce qui correspond à la visibilité directe entre le terminal et la station de base. L’attrait que peut avoir un système multi-utilisateurs Massive MIMO à de telles fréquences provient, en partie, du faible encombrement du réseau d’antennes, mais aussi du fort gain de beamforming dont il permet de bénéficier afin de contrecarrer les fortes pertes en espace libre que subissent les signaux à de telles longueurs d’onde. Dans un premier temps nous montrons comment l’augmentation de la fréquence porteuse impacte les performances de deux précodeurs connus. Au travers d’une modélisation déterministe et géométrique du canal, on simule un scénario Outdoor à faible mobilité et à forte densité de population en mettant en avant l’influence du trajet direct et des trajets réfléchis sur les performances. Plus précisément on prouve qu’en configuration purement LOS, le précodeur Zero-Forcing est beaucoup plus sensible à la structure du réseau d’antennes, et à la position des utilisateurs, que le Conjugate Beamforming (aussi connu sous le nom de retournement temporel). On introduit alors un précodeur basé uniquement sur la position angulaire des utilisateurs dans la cellule en référence à la station de base, puis l’on compare ses performances à celles des deux autres. La robustesse d’une telle implémentation à une erreur d’estimation d’angles est illustrée pour un scénario spécifique afin de souligner la pertinence des solutions angulaires, une direction étant plus facile à estimer et son évolution dans le temps plus prévisible.On décrit dans un second temps comment la connaissance des positions angulaires des utilisateurs permet d’accroître la capacité de la cellule par le biais d’un procédé d’allocation de puissance reposant sur une évaluation de l’interférence que chaque faisceau génère sur les autres. On prouve à l’aide de simulations que l’obtention de cette interférence, même exprimée sous une forme très simplifiée, permet d’améliorer très nettement la capacité totale de la cellule. Enfin, nous introduisons les systèmes Hybrides Numériques et Analogiques ayant récemment été proposés afin de permettre à une station de base de conserver un large nombre d’antennes, nécessaire à l’obtention d’un fort gain de beamforming, tout en réduisant le nombre de chaînes Radiofréquences (RF). On commence par décrire une solution permettant à un terminal de former un faisceau dont la direction s’adapte à sa propre inclinaison, en temps réel, pour toujours viser la station de base. On compare ensuite les performances de tels récepteurs, associés à des stations de base Massive MIMO, avec celles d’une solution hybride connue, le nombre de chaînes RF des deux systèmes étant identiques. Principalement, la flexibilité et la capacité d’évolution de ces systèmes est mise en avant, ces deux atouts étant particulièrement pertinents pour de nombreux environnements à forte densité de population. / As wireless communication networks are driven toward densification with small cell deployments, massive MIMO technology shows great promises to boost capacity through beamforming techniques. It is also well known that millimeter-Wave systems are going to be an important part of future dense network solutions because, not only do they offer high bandwidth, but channel is mostly Line-of-Sight (LOS). The attractiveness of using a multi-user Massive MIMO system at these frequencies comes partly from the reduced size of a many antenna base station, but also from the high beamforming gains they provide, which is highly suited to combat the high path losses experienced at such small wavelengths. First we show how raising the carrier frequency impacts the performance of some linear precoders widely used in Massive MIMO systems. By means of a geometrical deterministic channel model, we simulate a dense outdoor scenario and highlight the influence of the direct and multi-paths components. More importantly we prove that, in a Line-of-Sight (LOS) configuration, the discriminating skill of the well-known Zero Forcing precoder is much more sensitive to the antenna array structure and the user location than the Conjugate Beamforming precoder, also known as Time-Reversal. A precoder based on the knowledge of the angular position of all users is then introduced and compared to the other precoders based on channel response knowledge. Its robustness against angle estimation error is illustrated for a specific scenario and serves to back up the importance such a solution represents for future dense 5G networks, angular information being easier to estimate, and more so to keep track of.After that, we show how the knowledge of Directions of Arrival can be used to increase the sum capacity of a multi-user transmission through leakage based power allocation. This allocation uses an estimation of inter-user interference, referred to as Leakage, and we show through simulations how this factor, even under its most simplified form, improves realistic transmissions. Moreover this solution is not iterative and is extremely easy to implement which makes it particularly well suited for high deployment scenarios.Finally we introduce the Hybrid Analog and Digital Beamforming systems that have recently emerged to retain a high number of antennas without as many Radio Frequency (RF) chains, in order to keep high beamforming gains while lowering the complexity of conceiving many antenna base stations. We first describe a user equipment solution allowing the system to form a beam that adapts to its own movement so that it always focuses its energy toward the base station, using an on-board analog array and an Inertial Measurement Unit. Then we compare the performance of a known Hybrid solution with a fully digital Massive MIMO system, having as many RF chains as the Hybrid system, but serving user equipments with beamforming abilities. Mostly we emphasize how such a system allows for great flexibility and evolution, both traits being invaluable features in many future networks.

Par la révolution du Cloud Computing et des Smartphones, une quantité énorme de données devrait traverser le réseau chaque seconde où la plupart de ces données sont fournies par des mobiles utilisant des services Internet. La croissance rapide de la bande passante et des demandes de QoS rend les réseaux mobiles du 4ème G insuffisants. Le système de prochaine génération doit avoir un taux de sommation de 100Mbps à 1Gbps par terminal utilisateur (UT), avec une densité de connexion supérieure à 1M connexion / Km2, la mobilité des véhicules à grande vitesse jusqu'à 500 km / h et une fin à la fin (E2E) retardent moins de 10 ms. Un candidat prometteur qui peut répondre à ces demandes est le système sans fil à multiples sorties multiples (MIMO) Multi-Cell Multi-Cell. Cependant, la capacité Massive MIMO est délimitée par l'Inter-cell Interference (ICI) en raison de la réutilisation du pilote et, par conséquent, de la contamination du pilote. Dans cette thèse, nous étudions la contamination du pilote de liaison montante dans le système de formation à la division temporelle (TDD) des réseaux sans fil MIMO massifs. En supposant un canal de décoloration, l'intervalle de cohérence sera temporairement limité, où l'estimation du canal, la réception des symboles et le précodage des symboles doivent être effectués dans le même intervalle. Cela dit, la longueur du pilote de formation est limitée. De même, le nombre de terminaux de l'utilisateur (UT) par zone d'interférence est également limité. Inspiré par la variation de la taille de l'intervalle de cohérence parmi les UT, cette recherche présente deux nouvelles contributions indépendantes pour faire face à la contamination pilote de liaison montante dans le MIMO massif. La première contribution répertorie la région de couverture de la cellule de base (BS) dans une carte d'information d'état de chaîne (CSI). Cette carte est créée et mise à jour à l'aide d'un algorithme spécial d'apprentissage machine, et elle est exploitée pour prédire UT CSI au lieu d'estimer ses canaux. Compte tenu de cela, la formation des pilotes aériens et de liaison montante est considérablement réduite. La deuxième contribution classe les UT en fonction de la taille de leur intervalle de cohérence de canal. En outre, nous appliquons une technique de changement de pilote pour déplacer des pilotes similaires vers différentes positions temporelles (qui sont considérées comme vides en raison de trames TDD pilotes vides). Les résultats de la simulation montrent une augmentation à l'échelle de la performance du MIMO massif, en particulier dans la performance de l'efficacité énergétique et spectrale, UT par cellule et taux d'addition. En particulier, la troisième contribution évolue le MIMO massif multi-cellulaire à une performance de cellule unique et même surmonté un simple énorme conventionnel dans l'efficacité énergétique et UT par cellule. / By the revolution of Cloud Computing and Smartphones, an enormous amount of data should traverse the network every second where most of this data are delivered by mobiles using internet services. The fast growth in bandwidth and QoS demands makes the 4th G mobile networks insufficient. The next generation system must afford a sum rate from 100Mbps up to 1Gbps per User Terminal (UT), with a connection density that exceeds 1M connection/Km2, the mobility of high-speed vehicles up to 500 km/hr and an End to End (E2E) delay less than 10ms. A promising candidate that can offer those demands is the Multi-User Multi-Cell Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) wireless system. However, Massive MIMO capacity is upper bounded by the Inter-cell Interference (ICI) due to pilot reuse and thus, pilot contamination. In this thesis, we investigate the uplink pilot contamination in Time Division Duplexing (TDD) training scheme of massive MIMO wireless networks. Assuming block-fading channel, the coherence interval will lag for a limited duration, where channel estimation, symbol reception, and symbol precoding must be done within the same interval. Having said that, the training pilot length is limited. Likewise, the number of User Terminal’s (UT’s) per interference region is also limited. Inspired by the variation of coherence interval size among UT’s, this research introduces two independent novel contributions to deal with uplink pilot contamination in massive MIMO. The first contribution maps the Base Station (BS) cell coverage region into a Channel State Information (CSI) Map. This map is created and updated using a special machine-learning algorithm, and it is exploited to predict UT CSI instead of estimating their channels. In view of this, training overhead and uplink pilots are reduced significantly. The second contribution classifies UT’s based on the size of their channel coherence interval. Furthermore, we apply a pilot shifting technique to shift similar pilots to different time position (that considered empty due to empty pilot TDD frames). Simulation results show a scaled increase in the performance of massive MIMO especially in the performance of energy and spectral efficiency, UT per cell and sum-rate. In particular, the third contribution evolves multi-cell massive MIMO to a single cell performance and even overcome single conventional huge in the energy efficiency and UT per cell.

Abstract Uplink resource allocation strategies in modern cellular networks are studied in this thesis. With the presence of multiple antenna transmission, multiple base station (BS) coordination and multicarrier techniques, the resource allocation problem is reformulated and jointly optimized over a large set of variables. The focus is on the sum power minimization with per user rate constraints. A centralized multicarrier coordinated cellular network with multiple antennas implemented at the BS side is considered, where BSs can be adaptively clustered to detect signals from one mobile station (MS). The power, subcarrier, beamforming vector and BS cluster (BSC) are the design variables to be jointly optimized to satisfy the rate constraint per user. The first considered scenario is a simple single carrier multicell system. The power control problem with per user rate constraint can be optimally solved by the proposed algorithm, where power vector, BSC and beamforming vectors are separately updated until the sum power converges. The scenario is extended to more complicated multicarrier systems. The resource allocation problem is non-deterministic polynomial-time hard (NP-hard). Suboptimal algorithms are proposed to tackle the problem. To get more insights to the performance gap between the proposed algorithms and the capacity achieving bound, the scenario is specified to a single cell system with nonlinear receiver so that the calculation of the lower bound is possible. Efficient geometric aided fast converging power minimization algorithms are proposed to calculate the power bound of the multiple access channel (MAC) with per user rate constraint. By comparing the capacity achieving lower bound with the proposed algorithm, the BSW that starts from full rate allocation looks promising to have a good tradeoff between the convergence speed and the sum power consumption. Besides the resource allocation algorithms in the cellular network, the physical modeling and corresponding design of the network itself are also considered. The radio propagation in the elevation domain is modeled and considered. The diversity gain from the elevation domain is achieved by extra degree of freedom of beamforming in elevation domain. The antenna array can be either a uniform linear array or a uniform planar array with elements placed horizontally. The proposed power control algorithms are simulated in the 3D network scenarios. The effects of antenna array design in different propagation scenarios are compared. / Tiivistelmä Työssä tutkitaan ylälinkin resurssien kohdentamisstrategioita matkapuhelinverkoissa. Olettaen koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien (BS) välillä, resurssien kohdentamisongelma muotoillaan uudelleen ja optimoidaan yli suuren joukon optimointimuuttujia. Erityisesti keskitytään yhteenlasketun tehon minimointiongelmaan käyttäjäkohtaisien siirtonopeusrajoitteiden kanssa. Työssä oletetaan keskitetty koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien välillä, joten tukiasemat voidaan adaptiivisesti ryhmitellä yhden matkaviestimen signaalin havannointia varten. Lähetysteho, kantoaaltoallokaatio, keilanmuodostus ja tukiasemaklusterointi ovat ongelman muuttujia, jotka optimoidaan yhdessä siten, että käyttäjäkohtaiset siirtonopeusrajoitteet täyttyvät. Ensimmäinen käsitelty tapaus on yksinkertainen yhden operaattorin monisolujärjestelmä. Tehonsäätöongelma käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa voidaan optimaalisesti ratkaista ehdotetulla algoritmilla, jossa lähetysteho, keilanmuodostusvektorit ja tukiasemaklusterointi päivitetään erikseen, kunnes yhteenlaskettu teho suppenee. Tarkastelu laajennetaan monimutkaisempaan monikantoaaltojärjestelmään. Kun käyttäjäkohtainen siirtonopeustavoite kiinnitetään, ongelma voidaan vastaavasti hajottaa osittaisiksi alikantoaaltokohtaisiksi osaongelmiksi, jossa kukin osaongelma voidaan optimaalisesti ratkaista. Jos alikantoaaltokohtaista siirtonopeustavoitetta ei ole kiinnitetty, tehonsäätöongelmasta tulee ei-polynomisesti monimutkainen. Optimaalisia algoritmeja ehdotetaan ongelman ratkaisemiseksi. Jotta voitaisiin saada tietoa todellisesta suorituskykyerosta ehdotettujen algoritmien ja kapasiteettioptimaalisen rajan välillä, vertailu tehdään yhden solun simulointimallissa epälineaarisen vastaanottimen kanssa siten, että kapasiteettioptimaalisen alarajan laskeminen on mahdollista. Tätä varten kehitetään tehokas geometria-avusteinen ja nopeasti konvergoituva algoritmi tehon minimointia varten käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa. Vertaamalla kapasiteettioptimaalista alarajaa ehdotettujen algoritmien suorituskykyyn huomataan, että ehdotettu BSW algoritmi on hyvä kompromissi konvergoitumisnopeuden ja tehonkulutuksen välillä. Matkapuhelinverkkojen resurssienkohdentamisalgoritmien lisäksi työssä huomioidaan myös verkon fyysinen mallintaminen ja vastaava suunnittelu. Työssä mallinnetaan radiokanavan ominaisuudet myös korkeustasossa, joka mahdollistaa diversiteetin hyödyntämisen korkeustason keilanmuodostuksessa. Antenniryhmä voi olla joko yhtenäinen lineaarinen ryhmä tai yhtenäinen tasoryhmä, jossa antennielementit on sijoitettu tasoon. Ehdotettuja tehonsäätöalgoritmeja simuloidaan kolmiulotteisessa verkkoskenaarioissa, jossa verrataan antenniryhmäsuunnittelun vaikutuksia eri radiokanavaskenaarioissa.

Orientador: Renato da Rocha Lopes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-18T15:38:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Simoes_GlaucoCesarCrystalPereira_M.pdf: 1336036 bytes, checksum: 7f787abec0f0f88f41c09ef5dc04d775 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Sistemas de comunicação sem fio com múltiplas antenas atingem altas taxas de transmissão de dados e boa robustez ao desvanecimento do canal de comunicação quando os sinais que trafegam pelo sistema são processados conjuntamente em sua transmissão e/ou em sua recepção. Em geral, as técnicas de detecção de sinais assumem o conhecimento perfeito do canal de comunicações, tanto no transmissor, quanto no receptor do sistema, uma hipótese que nem sempre é válida. Neste sentido, é importante analisar o desempenho do sistema frente a erros de estimação do canal de comunicações. Neste trabalho, esta análise é feita através da comparação do cálculo da probabilidade de erro de símbolos com as taxas de erro de símbolos obtidas através de simulação computacional para o detector zero-forcing, assumindo a utilização dos critérios de detecção linear e através da aplicação da técnica de cancelamento sucessivo de interferências / Abstract: Multiple antenna wireless communication systems achieve high data transmission rates and good robustness to channel fading when signals traveling through the system are jointly processed in their transmitters and/ or receivers. In general, signal detection techniques assume perfect knowledge of the channel state information, in both transmitter and receiver, a hypothesis which is not always valid. In this sense, it is important to analyze is done by the comparison between the calculus of the probability of symbol error and the symbol error rate obtained by computer simulation for the zero-forcing detector, assuming the use of linear criteria detection and by applying the technique of successive interference cancellation / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: João Marcos Travassos Romano, André Lima Férrer de Almeida / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T03:16:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_MicheleNazarethda_D.pdf: 1682490 bytes, checksum: cff451352ce016130d7f84654625c5ea (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Desde o crescente sucesso de sistemas móveis na década de 90, novas tecnologias sem fio têm sido desenvolvidas a fim de suportar a crescente demanda de serviços de multimídia de alta qualidade e ainda flexível para implantar novos serviços com baixas taxas de erro. Uma forma interessante de melhorar o desempenho de erro e de obter melhores taxas de transmissão consiste em combinar o emprego de várias diversidades com técnicas de múltiplo acesso no contexto de sistemas MIMO. A incorporação de operações de sobreamostragem, espalhamento e multiplexação, e diversidades adicionais em sistemas sem fio levam a sinais recebidos multidimensionais que, naturalmente, satisfazem modelos tensoriais. Esta tese propõe uma nova abordagem tensorial baseada em uma codificação tensorial espaço-temporal (TST) para sistemas de comunicação sem fio MIMO. Os sinais recebidos por múltiplas antenas formam um tensor de quarta ordem que satisfaz um novo modelo tensorial, referido como PARATUCK-(2,4). A análise de desempenho é realizada para o sistema proposto TST e um recente sistema espaço-tempo-frequencial (STF), a qual permite derivar expressões para o ganho máximo de diversidade através de um canal com desvanecimento plano. Propõe-se um sistema de transmissão baseado em codificação TST com recursos de alocação de antenas para sistemas MIMO com múltiplos usuários. Uma nova decomposição tensorial é introduzida, denominada PARATUCK-(N1,N), e esta generaliza o modelo padrão PARATUCK-2 e nosso modelo PARATUCK-(2,4). A presente tese estabelece as condições de unicidade para o modelo PARATUCK-(N1,N). A partir desses resultados, a estimativa conjunta do símbolo e canal é assegurada para os sistemas TST e STF. Os receptores semi-cegos propostos para os dois sistemas baseiam-se no algoritmo do tipo mínimos quadrados alternados ("Alternanting Least Squares", ALS) e no método de otimização Levenberg-Marquardt (LM). Um receptor baseado na estrutura do produto de Kronecker, denominado "Kronecker Least Squares" (KLS), também é proposto para ambos os sistemas. Resultados de simulações são apresentados para ilustrar a eficiência dos receptores propostos em termos de recuperação de símbolo e a velocidade de convergência quando comparados com outros métodos da literatura / Abstract: Since the growing success of mobile systems in the 1990s, new wireless technologies have been developed in order to support a growing demand for high-quality multimedia services while still being flexible to accommodate new services with low error rates. An interesting way to improve the error performance and to achieve better transmission rates is to combine the use of various diversities and multiplexing access techniques in the MIMO system context. The incorporation of oversampling, spreading and multiplexing operations and additional diversities on wireless systems lead to multidimensional received signals which naturally satisfy tensor models. This thesis proposes a new tensorial approach based on a tensor space-time (TST) coding for MIMO wireless communication systems. The signals received by multiple antennas form a fourth-order tensor that satisfies a new tensor model, referred to as PARATUCK-(2,4) model. A performance analysis is carried out for the proposed TST system and a recent space-time-frequency (STF) system, which allows to derive expressions for the maximum diversity gain over a flat fading channel. An uplink processing based on the TST coding with allocation resources is proposed. A new tensor decomposition is introduced, the so-called PARATUCK-(N1,N), which generalizes the standard PARATUCK-2 and our PARATUCK-(2,4) model. This thesis establishes uniqueness conditions for the PARATUCK-(N1,N) model. From these results, joint symbol and channel estimation is ensured for the TST and STF systems. Semi-blind receivers are proposed based on the well-known Alternating Least Squares (ALS) algorithm and the Levenberg-Marquardt (LM) method. A semi-blind receiver based on the Kronecker Least Squares (KLS) is also proposed for both systems. Simulation results are presented to illustrate the efficiency of the proposed receivers in terms of symbol recovery and convergence speed when compared to other methods from the literature / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutora em Engenharia Elétrica

Les systèmes de communication à intensité optique en espace libre (FSOI) sont largement utilisés dans les communications à courte portée, telles que les communications infrarouges entre des dispositifs électroniques portables. L’émetteur de ces systèmes module sur l’intensité des signaux optiques émis par des diodes électroluminescentes (LEDs) ou des diodes laser (LDs), et le récepteur mesure les intensités optiques entrantes au moyen de photodétecteurs. Les entrées ne sont pas négatives car elles représentent des intensités. En outre, ils sont généralement soumis à des contraintes de puissance de pointe et moyenne, la contrainte de puissance de pointe étant principalement dû aux limitations techniques des composants utilisés, alors que la contrainte de puissance moyenne est imposée par des limitations de batterie et des considérations de sécurité. En première approximation, le bruit dans de tels systèmes peut être supposé être gaussien et indépendant du signal transmis. Cette thèse porte sur les limites fondamentales des systèmes de communication FSOI, plus précisément sur leur capacité. L’objectif principal de notre travail est d’étudier la capacité d’un canal FSOI général à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) avec une contrainte de puissance de crête par entrée et une contrainte de puissance moyenne totale sur toutes les antennes d’entrée. Nous présentons plusieurs résultats de capacité sur le scénario quand il y a plus d’antennes d’émission que d’antennes de réception, c’est à-dire, nT > nR > 1. Dans ce scénario, différents vecteurs d’entrée peuvent donner des distributions identiques à la sortie, lorsqu’ils aboutissent au même vecteur d’image multiplié par la matrice de canal. Nous déterminons d’abord les vecteurs d’entrée d’énergie minimale permettant d’atteindre chacun de ces vecteurs d’image. Il définit à chaque instant dans le temps un sous-ensemble de nT − nR antennes à zéro ou à pleine puissance et utilise uniquement les nR antennes restantes pour la signalisation. Sur cette base, nous obtenons une expression de capacité équivalente en termes de vecteur d’image, ce qui permet de décomposer le canal d’origine en un ensemble de canaux presque parallèles. Chacun des canaux parallèles est un canal MIMO nR x nR à contrainte d’amplitude, avec une contrainte de puissance linéaire, pour laquelle des limites de capacité sont connues. Avec cette décomposition, nous établissons de nouvelles limites supérieures en utilisant une technique de limite supérieure basée sur la dualité, et des limites inférieures en utilisant l’inégalité de puissance d’entropie (EPI). Les limites supérieure et inférieure dérivées correspondent lorsque le rapport signal sur bruit (SNR) tend vers l’infini, établissant la capacité asymptotique à haut SNR. À faible SNR, il est connu que la pente de capacité est déterminée par la trace maximale de la matrice de covariance du vecteur image. Nous avons trouvé une caractérisation de cette trace maximale qui est plus facile à évaluer en calcul que les formes précédentes. / Free-space optical intensity (FSOI) communication systems are widely used in short-range communication such as the infrared communication between electronic handheld devices. The transmitter in these systems modulates on the intensity of optical signals emitted by light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs), and the receiver measures incoming optical intensities by means of photodetectors. Inputs are nonnegative because they represent intensities. Moreover, they are typically subject to both peak- and average-power constraints, where the peak-power constraint is mainly due to technical limitations of the used components, whereas the average-power constraint is imposed by battery limitations and safety considerations. As a first approximation, the noise in such systems can be assumed to be Gaussian and independent of the transmitted signal. This thesis focuses on the fundamental limits of FSOI communication systems, more precisely on their capacity. The major aim of our work is to study the capacity of a general multiple-input multiple-output (MIMO) FSOI channel under a per-input-antenna peak-power constraint and a total average-power constraint over all input antennas. We present several capacity results on the scenario when there are more transmit than receive antennas, i.e., nT > nR > 1. In this scenario, different input vectors can yield identical distributions at the output, when they result in the same image vector under multiplication by the channel matrix. We first determine the minimum-energy input vectors that attain each of these image vectors. It sets at each instant in time a subset of nT − nR antennas to zero or to full power, and uses only the remaining nR antennas for signaling. Based on this, we derive an equivalent capacity expression in terms of the image vector, which helps to decompose the original channel into a set of almost parallel channels. Each of the parallel channels is an amplitude-constrained nR⇥nR MIMO channel, with a linear power constraint, for which bounds on the capacity are known. With this decomposition, we establish new upper bounds by using a duality-based upper-bounding technique, and lower bounds by using the Entropy Power Inequality (EPI). The derived upper and lower bounds match when the signal-to-noise ratio (SNR) tends to infinity, establishing the high-SNR asymptotic capacity. At low SNR, it is known that the capacity slope is determined by the maximum trace of of the covariance matrix of the image vector. We found a characterization to this maximum trace that is computationally easier to evaluate than previous forms.

In this report metrics for jamming resistance and radar performance of waveform sets are described and developed, and different sets of waveforms are optimized, evaluated and compared. It is shown that without additional processing or PRI jitter, waveform sets can reach jamming resistance a few dB worse than what is provided by PRI jitter alone, and together with PRI jitter a few dB better. Waveforms with better jamming resistance tend to have worse range sidelobes and Doppler tolerance, but show less structure in their spectrograms, suggesting better LPI properties. The Doppler tolerance metric is new, as well as the comparative analysis of waveform sets on multiple metrics including jamming resistance. / Radar är fundamentalt i modern krigsföring. Med en radar kan man avfyra vapen från säkra avstånd och med precision mäta in mål. En radarstörare har som mål att förhindra en radar från att mäta in sitt mål. Då radarn fungerar genom att sända ut specifikt modulerade radiovågspulser och lyssna efter ekot från omgivningen kan störaren förhindra detta genom att antingen sända mycket starkt brus, eller genom att sända radiovågspulser med samma specifika modulation. Den senare metoden kallas för DRFM-störning, där förkortningen står för Digitalt RadioFrekvens-Minne, vilket antyder att störaren kan minnas radarns modulation och själv använda den. Om radarn använder en ny modulation (eng: waveform) för varje puls kan störaren inte använda modulationen den minns från förra pulsen utan måste vänta på att nästa puls träffar den innan den kan repetera pulsen, vilket begränsar dess störförmåga. Denna rapport tänker sig att radarn har en begränsad uppsättning av modulationer att byta mellan, och undersöker olika sådana uppsättningar och bedömer och jämför dem på olika mått av radarprestanda och störtålighet. Radioprestandamåtten inkluderar hur mycket förstärkning och hur fin upplösning man får av modulationen, hur väl modulationen kan hantera mycket snabba mål, och hur stora "sidolober" som uppstår runt starka mål. Sidolobsfenomenet är jämförbart med det optiska fenomenet där små men ljusstarka saker på natten kan se ut att ha en ljus halo eller ljusa utstrålningar runt sig. Störtålighetsmåtten kvantifierar hur distinkta de olika modulationerna i radarns uppsättning är, och på så vis hur väl radarn kan urskilja en modulation från de andra, tillsammans med hur liten sannolikheten är att störaren lyckas välja just den modulation vi kommer använda till nästa puls. Resultaten visar att metoden av modulationsbyten kan ge nästan lika stor störtålighet som en välkänd metod, PRI-jitter, ger själv och något högre i kombination med den metoden. Bättre störtålighet visas gå hand i hand med sämre mått på radarprestanda, men mindre strukturerade spektrogram vilket antyder att de kan vara svårare att upptäckas av radarspanare. Försämringen i måtten på radarprestanda innebär inte nödvändigtvis en lika stor försämring i faktisk radarprestanda, då sidoloberna tar an en brusartad karaktär vilket leder till praktiska fördelar gentemot de vanliga fixa sidoloberna.

The need for reliable, high-throughput, mobile wireless communication technologies has never been greater as increases in the demand for on-the-go access to information, entertainment, and other electronic services continues. Two such technologies, which are at the forefront of current research efforts, are orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and multiple-input multiple-output (MIMO) systems, their union being known simply as MIMO-OFDM. The successful performance of these technologies depends upon the availability of accurate information concerning the wireless communication channel. In this dissertation, several issues related to quality of this channel state information (CSI) are studied. Specifically, the first part of this dissertation considers the design of optimal pilot signals for OFDM systems. The optimization is addressed via lower bounds on the estimation error variance, which bounds are given by formulations of the Cram'{e}r-Rao bound (CRB). The second part of this dissertation uses the CRB once again, this time as a tool for evaluating the potential performance of MIMO-OFDM channel estimation and prediction. Bounds are found for several parametric time-varying wideband MIMO-OFDM channel models, and numerical evaluations of these bounds are used to illuminate several interesting features regarding the estimation and prediction of MIMO-OFDM channels. The final part of this dissertation considers the problem of MIMO multiplexing using SVD-based methods when only imperfect CSI is available. For this purpose, general per-MIMO-subchannel signal and interference-plus-noise power expressions are derived to quantify the effects of CSI imperfections, and these expressions are then used to find robust MIMO-SVD power and bit allocations which maintain good overall performance in spite of imperfect CSI.

With the wide spread of wireless technology, the time for 4G has arrived, and 5G will appear not so far in the future. However, no matter whether it is 4G or 5G, low latency is a mandatory requirement for baseband processing at base stations for modern cellular standards. In particular, in a future 5G wireless system, with massive MIMO and ultra-dense cells, the demand for low round trip latency between the mobile device and the base station requires a baseband processing delay of 1 ms. This is 10 percentage of today’s LTE-A round trip latency, while at the same time massive MIMO requires large-scale matrix computations. This is especially true for channel estimation and MIMO detection at the base station. Therefore, it is essential to ensure low latency for the user data traffic. In this master’s thesis, LTE/LTE-A uplink physical layer processing is examined, especially the process of channel estimation and MIMO detection. In order to analyze this processing we compare two conventional algorithms’ performance and complexity for channel estimation and MIMO detection. The key aspect which affects the algorithms’ speed is identified as the need for “massive complex matrix inversion”. A parallel coding scheme is proposed to implement a matrix inversion kernel algorithm on a single instruction multiple data stream (SIMD) vector processor. The major contribution of this thesis is implementation and evaluation of a parallel massive complex matrix inversion algorithm. Two aspects have been addressed: the selection of the algorithm to perform this matrix computation and the implementation of a highly parallel version of this algorithm. / Med den breda spridningen av trådlös teknik, har tiden för 4G kommit, och 5G kommer inom en överskådlig framtid. Men oavsett om det gäller 4G eller 5G, låg latens är ett obligatoriskt krav för basbandsbehandling vid basstationer för moderna mobila standarder. I synnerhet i ett framtida trådlöst 5G-system, med massiva MIMO och ultratäta celler, behövs en basbandsbehandling fördröjning på 1 ms för att klara efterfrågan på en låg rundresa latens mellan den mobila enheten och basstationen. Detta är 10 procent av dagens LTE-E rundresa latens, medan massiva MIMO samtidigt kräver storskaliga matrisberäkningar. Detta är särskilt viktigt för kanaluppskattning och MIMO-detektion vid basstationen. Därför är det viktigt att se till att det är låg latens för användardatatrafik. I detta examensarbete, skall LTE/LTE-A upplänk fysiska lagret bearbetning undersökas, och då särskilt processen för kanaluppskattning och MIMO-detektion. För att analysera denna processing jämför vi två konventionella algoritmers prestationer och komplexitet för kanaluppskattning och MIMO-detektion. Den viktigaste aspekten som påverkar algoritmernas hastighet identifieras som behovet av "massiva komplex matrisinversion". Ett parallellt kodningsschema föreslås för att implementera en "matrisinversion kernel-algoritmen" på singelinstruktion multidataström (SIMD) vektorprocessor. Det största bidraget med denna avhandling är genomförande och utvärdering av en parallell massiva komplex matrisinversion kernel-algoritmen. Två aspekter har tagits upp: valet av algoritm för att utföra denna matrisberäkning och implementationen av en högst parallell version av denna algoritm.

Au cours des vingt dernières années, le débit croissant des communications radiofréquences a imposé la mise en œuvre de techniques d'égalisation de plus en plus complexes. Pour résoudre ce problème, les modulations multi-porteuses ont été massivement employées dans les standards de communications à très haut débit. Un exemple caractéristique de la démocratisation de ces formes d'ondes est l'utilisation de l'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sur le lien descendant des réseaux 4G. Toutefois, pour les futurs réseaux 5G, l'émergence prévue des communications M2M (Machine-to-Machine) impose aux formes d'ondes une grande tolérance aux asynchronismes au sein de ces réseaux et ne permet pas l'emploi de l'OFDM qui nécessite une synchronisation stricte en temps et en fréquence. Egalement, l'utilisation efficace du spectre par les techniques de la radio cognitive est incompatible avec l'OFDM en raison de la mauvaise localisation en fréquence de cette forme d'onde.Dans ce contexte, la forme d'onde FBMC-OQAM (Filter Bank Multi-Carrier - Offset Quadrature Amplitude Modulation) est apparue comme une solution potentielle à ces problèmes. Toutefois, l'égalisation des signaux FBMC-OQAM en canal sélectif en fréquence et/ou canal MIMO (Multiple Input Multiple Output) est rendue difficile par la subsistance d'interférences entre les sous-porteuses du schéma FBMC-OQAM. Cette thèse étudie donc l'égalisation de ces liaisons. L'étude de récepteurs WL (Widely Linear) qui permettent la suppression d'interférences, sans diversité d'antenne en réception, au sein des réseaux utilisant des signaux noncirculaires au second ordre (e.g. signaux ASK, GMSK, OQAM) est privilégiée. Cette technique nommée SAIC (Single Antenna Interference Cancellation) et utilisée dans les réseaux GSM pour la suppression d'interférences co-canal est envisagée pour une extension à la suppression des interférences entre porteuses des formes d'ondes FBMC-OQAM. La technologie SAIC, qui a été étendue pour plusieurs antennes en réception (MAIC - Multiple Antenna Interference Cancellation) a l'avantage de sa faible complexité et ne génère pas de propagation d'erreur à faible SNR contrairement aux solutions de suppression successive d'interférences. Une approche progressive est adoptée, depuis l'élaboration du SAIC pour la suppression d'interférences co-canal où nous démontrons l'importance de considérer le caractère cyclostationnaire des signaux OQAM. Basée sur cette constatation, une nouvelle structure de réception utilisant un filtre WL-FRESH (FREquency-SHift) est proposée et ses meilleures performances comparé au récepteur WL standard sont présentées analytiquement et par simulations numériques. L'extension du SAIC pour la suppression d'une interférence décalée en fréquence est ensuite menée et différentes structures de réception sont proposées et analysées en détail. L'aptitude des traitements SAIC utilisant des filtres WL-FRESH à supprimer 2 interférences décalées en fréquence est présentée. Dans le contexte des signaux FBMC-OQAM qui utilisent généralement le filtre de mise en forme PHYDYAS, chaque sous-porteuse est polluée par ses deux sous-porteuses adjacentes. Cependant, pour évaluer les traitements SAIC sans devoir prendre en compte la contribution des sous-porteuses voisines à ces sous-porteuses adjacentes, un filtre doit précéder le traitement de réception. Pour cette raison, l'analyse de l'impact d'un filtre de réception sur les performances des traitements SAIC proposés est effectuée et les conditions sur la bande passante du filtre nécessaires pour justifier l'intérêt d'un traitement SAIC par filtrage WL sont présentées. Dans un dernier temps, une approche alternative d'égalisation des signaux FBMC-OQAM est présentée. Elle consiste à démoduler conjointement les sous-porteuses interférentes après filtrage. Cette technique est abordée dans le contexte de liaisons MIMO Alamouti FBMC-OQAM. / During the last two decades, the increase of wireless communications throughput has necessitated more and more complex equalization techniques. To solve this issue, multicarrier modulations have been massively adopted in high data rates wireless communications standards. A typical example of the wide use of these waveforms is the adoption of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) for the downlink of 4G mobile networks. However, for next-generation 5G networks, the expected increase of M2M (Machine-to-Machine) communications forbids the use of OFDM because of the tight time and frequency synchronization constraints imposed by this waveform. Additionally, efficient spectrum occupation through cognitive radio strategies are incompatible with the poor spectral localization of OFDM. In this context, FBMC-OQAM (Filter Bank Multi-Carrier - Offset Quadrature Amplitude Modulation) waveforms appeared as a potential solution to these issues. However, equalization of FBMC-OQAM in frequency selective channels and/or MIMO (Multiple Input Multiple Output) channels is not straightforward because of residual intrinsic interferences between FBMC-OQAM subcarriers. Thus, this thesis considers equalization techniques for these links. In particular, the study of WL (Widely Linear) receivers allowing the mitigation of interferences, with only a single antenna, among networks using second-order noncircular waveforms (e.g. ASK, GMSK, OQAM signals) is privileged. This work studied this technique, named SAIC (Single Antenna Interference Cancellation) and applied for the suppression of co-channel interferences in GSM networks in order to adapt it for the cancellation of FBMC-OQAM intercarrier interferences. SAIC, which was further extended to multiple receive antennas (MAIC - Multiple Antenna Interference Cancellation) benefits from its low complexity and does not generate error propagation at low SNR contrary to successive interference cancellation based solutions. A progressive approach is adopted, from SAIC/MAIC for the suppression of co-channel interferences where we emphasize the importance of considering the cyclostationary nature of OQAM communication signals. Based on this, the proposal of a new WL-FRESH (FREquency-SHift) filter based receiver for OQAM-like signals is made and its performance is characterized analytically and by numerical simulations asserting its superior performance with respect to the standard WL receiver. The extension of SAIC/MAIC for the mitigation of a frequency-shifted interference is then considered and reception structures are proposed and analyzed in detail. The ability of WL-FRESH filter based SAIC receivers to perform the suppression of multiple frequency-shifted interferences is assessed. In the context of FBMC-OQAM signals which frequently utilize the PHYDYAS pulse-shaping prototype filter, each subcarrier is polluted only by its adjacent subcarriers. However, to evaluate SAIC processing without having to consider neighboring subcarriers of the adjacent ones, a filtering operation prior to the SAIC processing is needed. For this reason, the impact of a reception filter on the performance gain provided by the SAIC processing was conducted and conditions on the filter bandwidth have been established which governs the potential performance gain of a WL filter based processing for SAIC of frequency-shifted interferences.In a last step, an alternative equalization approach for FBMC-OQAM is investigated. This proposed technique consists in the per-subcarrier joint demodulation of the subcarrier of interest and its interfering adjacent ones after a filtering step. This proposal is considered in the context of MIMO Alamouti FBMC-OQAM links.