OFDM-based schemes for next generation wireless systems

The purpose of this study is to investigate two candidate waveforms for next generation wireless systems, filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing (f-OFDM) and Unified Filtered Multi-Carrier (UFMC). The evaluation is done based on the power spectral density analysis of the signal and performance measurements in synchronous and asynchronous transmission. In f-OFDM we implement a soft truncated filter with length 1/3 of OFDM symbol. In UFMC we use the Dolph-Chebyshev filter, limited to the length of zero padding (ZP). The simulation results demonstrates that both waveforms have a better spectral behaviour compared with conventional OFDM. However, the induced inter-symbol interference (ISI) caused by the filter in f-OFDM, and the inter-carrier interference (ICI) induced in UFMC due to cyclic prefix (CP) reduction , should be kept under control. In addition, in a synchronous transmission case with ideal parameters, f-OFDM and UFMC appear to have similar performance with OFDM. When carrier frequency offset (CFO) is imposed in the transmission, UFMC outperforms OFDM and f-OFDM.

Carrier frequency effect on the MIMO eigenvalues in an indoor environment

El efecto de la frecuencia portadora sobre los valores propios de los sistemas MIMO (multiple-input multiple-output) es investigado experimentalmente en un entorno indoor, considerando condiciones de línea de vista (LOS: line-of-sight) y sin línea de vista (NLOS: non-line-of-sight). Los resultados muestran una reducción en la potencia media de los valores propios del sistema MIMO, lo cual es debido a un incremento en la correlación espacial entre los sub-canales cuando la frecuencia portadora se incrementa. Este efecto causa una reducción en la capacidad del sistema MIMO.

Mimo : una disculpa para imaginar, silencios que atrapan

Fondo Margaritainés Restrepo

On Some Unifications Arising from the MIMO Rician Shadowed Model

This paper shows that the proposed Rician shadowed model for multi-antenna communications allows for the unification of a wide set of models, both for multiple-input multiple-output (MIMO) and single- input single-output (SISO) communications. The MIMO Rayleigh and MIMO Rician can be deduced from the MIMO Rician shadowed, and so their SISO counterparts. Other more general SISO models, besides the Rician shadowed, are included in the model, such as the κ-μ, and its recent generalization, the κ-μ shadowed model. Moreover, the SISO η-μ and Nakagami-q models are also included in the MIMO Rician shadowed model. The literature already presents the probability density function (pdf) of the Rician shadowed Gram channel matrix in terms of the well-known gamma- Wishart distribution. We here derive its moment generating function in a tractable form. Closed- form expressions for the cumulative distribution function and the pdf of the maximum eigenvalue are also carried out.

Impacto de las características de la red eléctrica en canales MIMO PLC domésticos

The recent release of indoor Power Line Communications (PLC) specifications with Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) capabilities has significantly increased the bit rates achieved in these channels. However, the performance reached by the use of these methods may differ from one location to another due to the heterogeneous nature of the domestic power grid. In this work, a closer look at the relation between channel performance and the power grid cabling is taken. To that end, some channel features like attenuation, spatial correlation and capacity are analyzed by means of a set of 50 simulated channel topologies in the frequency band from 1 to 80 MHz.

Studio della propagazione radio MIMO in scenari street-intersection

L'elaborato si suddivide essenzialmente in due parti principali. Una prima parte descrittiva dove vengono presentati i concetti fondamentali per la corretta comprensione della seconda, nella quale viene descritto il progetto svolto. Esso mira a valutare l’effetto che oggetti in metallo presenti in prossimità di un incrocio stradale hanno sulla propagazione del segnale radio, e in particolare sulla generazione di cammini multipli. I cammini multipli vengono infatti sfruttati dalle tecnologie di trasmissione a multiple antenne (MIMO) per incrementare la capacità di trasmissione. Un parametro sintetico che permette di caratterizzare le prestazioni dei sistemi MIMO è il cosiddetto Condition Number, che si è utilizzato in questo elaborato. Per effettuare lo studio delle prestazioni MIMO si sono utilizzate simulazioni elettromagnetiche a raggi (ray-tracing) e misure sperimentali, che sono state effettuate in prossimità del campus dell’Università Jiaotong di Shanghai, in Cina. Inizialmente, utilizzando una mappa standard dell’ambiente di propagazione, contenente i soli edifici, i valori di Condition Number ottenuti dalle simulazioni ray-tracing differivano notevolmente dai valori sperimentali. Il mio compito è stato quello di modellare nuovi elementi di forma cilindrica che ben simulano le proprietà fisico-geometriche dei pali e di altri oggetti metallici presenti lungo il tragitto e nelle intersezioni stradali e di inserirli nella mappa nella corretta posizione. Le simulazioni poi sono servite per valutare l’efficacia in termini di miglioramento delle prestazioni, in particolare sulla generazione di nuovi cammini sfasati nel tempo e nello spazio, e il relativo effetto sui valori numerici del condition number. Successivamente, è stata fatta una valutazione sull’influenza della vegetazione presente in loco per vedere quanta influenza abbia sul collegamento radio.

Massive MIMO-based system analysis and comparison with MIMO based-systems

The thesis is focused on introducing basic MIMO-based and Massive MIMO-based systems and their possible benefits. Then going through the implementation options that we have, according to 3GPP standards, for 5G systems and how the transition is done from a non-standalone 5G RAN to a completely standalone 5G RAN. Having introduced the above-mentioned subjects and providing some definition of telecommunications principles, we move forward to a more technical analysis of the Capacity, Throughput, Power consumption, and Costs. Comparing all the mentioned parameters between a Massive-MIMO-based system and a MIMO-based system. In the analysis of power consumption and costs, we also introduce the concept of virtualization and its benefits in terms of both power and costs. Finally, we try to justify a trade-off between having a more reliable system with a high capacity and throughput while keeping the costs as low as possible.

Implementazione di un trasmettitore OFDM mediante software radio

L’obiettivo di questo elaborato è quello di implementare un Modem digitale che è basato su una modulazione Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ed è formato da due tipi di dispositivi radio differenti, i quali sono molto utili, poiché si possono utilizzare in diversi scopi senza doverne modificare l’hardware ma solo cambiando la parte software perché sono programmabili. I due dispositivi sono i seguenti: • Analog Device Adalm-Pluto: dispositivo in grado sia di trasmettere che di ricevere. Lo utilizzeremo solamente per trasmettere il segnale. • Noeelec NE-SDR: dispositivo in grado solo di ricevere. Lo utilizzeremo quindi solamente per ricevere il segnale. Il tipo di modulazione da noi utilizzata per trasmettere il segnale è come detto in precedenza la modulazione OFDM. Essa è molto efficiente nell’occupazione della banda ed applica la trasmissione di un segnale su più portanti affiancate nel dominio delle frequenze. Questo significa che ogni portante che compone il segnale completo si trova ad una frequenza multipla della principale f0. Inoltre il vantaggio di questa modulazione sta nel fatto di sapere che l’informazione è contenuta nel segnale passa-basso inviluppo complesso rappresentativo i(t) e per questo motivo vedremo, nel corso dell’elaborato, come lo schema di trasmissione e ricezione sia molto semplificato.

Implementazione di un ricevitore OFDM mediante software radio

Nel campo della trasmissione di segnali alfanumerici è cresciuto sempre di più l’interesse riguardo alla trasmissione di segnali caratterizzati da più sottoportanti affiancate nel dominio della frequenza mediante modulazione multiportante (MC, multicarrier modulation). Si è dimostrato che OFDM è un’effettiva tecnica per "combattere" il problema del multipath-fading nei canali wirless. Il multipath-fading è una forma di distorsione di un segnale che giunge a destinazione sotto forma di un certo numero di repliche, sfasate nel tempo, originate dai vari percorsi che il segnale stesso può aver seguito durante la sua propagazione e sommantesi tra loro in ricezione; ogni replica inoltre, sarà soggetta ad un’attenuazione in generale diversa da quella subita dalle altre repliche. Ciò che si vuole realizzare è un sistema di trasmissione e ricezione dati alfanumerico tramite la modulazione OFDM tramite l’utilizzo di due dispositivi SDR. In particolare per la trasmissione del segnale viene utilizzato il dispositivo ADALM-PLUTO, ed è lasciata libera scelta nel trasmettere qualsiasi tipo di segnale alfanumerico, ovvero il numero di simboli OFDM può variare a discrezione dell’utente. Per la ricezione del segnale inviato è stato impiegato il dispositivo Noolec NESDR, e l’utente, qui, sarà invece obbligato a inserire il numero di simboli OFDM da dover ricevere per avere così una corretta decodifica del segnale.

Image Processing Algorithms applied to Radio SLAM using MIMO Radars

Radio Simultaneous Location and Mapping (SLAM) consists of the simultaneous tracking of the target and estimation of the surrounding environment, to build a map and estimate the target movements within it. It is an increasingly exploited technique for automotive applications, in order to improve the localization of obstacles and the target relative movement with respect to them, for emergency situations, for example when it is necessary to explore (with a drone or a robot) environments with a limited visibility, or for personal radar applications, thanks to its versatility and cheapness. Until today, these systems were based on light detection and ranging (lidar) or visual cameras, high-accuracy and expensive approaches that are limited to specific environments and weather conditions. Instead, in case of smoke, fog or simply darkness, radar-based systems can operate exactly in the same way. In this thesis activity, the Fourier-Mellin algorithm is analyzed and implemented, to verify the applicability to Radio SLAM, in which the radar frames can be treated as images and the radar motion between consecutive frames can be covered with registration. Furthermore, a simplified version of that algorithm is proposed, in order to solve the problems of the Fourier-Mellin algorithm when working with real radar images and improve the performance. The INRAS RBK2, a MIMO 2x16 mmWave radar, is used for experimental acquisitions, consisting of multiple tests performed in Lab-E of the Cesena Campus, University of Bologna. The different performances of Fourier-Mellin and its simplified version are compared also with the MatchScan algorithm, a classic algorithm for SLAM systems.

Grant-Free Access for Massive IoT Based on Interference Cancellation and Massive MIMO

Recent years have witnessed an increasing evolution of wireless mobile networks, with an intensive research work aimed at developing new efficient techniques for the future 6G standards. In the framework of massive machine-type communication (mMTC), emerging Internet of Things (IoT) applications, in which sensor nodes and smart devices transmit unpredictably and sporadically short data packets without coordination, are gaining an increasing interest. In this work, new medium access control (MAC) protocols for massive IoT, capable of supporting a non-instantaneous feedback from the receiver, are studied. These schemes guarantee an high time for the acknowledgment (ACK) messages to the base station (BS), without a significant performance loss. Then, an error floor analysis of the considered protocols is performed in order to obtain useful guidelines for the system design. Furthermore, non-orthogonal multiple access (NOMA) coded random access (CRA) schemes based on power domain are here developed. The introduction of power diversity permits to solve more packet collision at the physical (PHY) layer, with an important reduction of the packet loss rate (PLR) in comparison to the number of active users in the system. The proposed solutions aim to improve the actual grant-free protocols, respecting the stringent constraints of scalability, reliability and latency requested by 6G networks.

Perfezionamento di un Modem basato sulla Modulazione OFDM

Questo elaborato ha lo scopo di provare a migliore un sistema di trasmissione e ricezione basato sulla modulazione OFDM, e andando ad ottimizzare e aggiungere alcuni blocchi allo schema originario. Questo tipo di modulazione prevede l’utilizzo di più sottoportanti, che ci permette di avere un’ottimizzazione dell’efficienza di banda. Per fare ciò ci siamo serviti di due dispositivi accademici molto utili in queste applicazioni, in quanto si possono programmare via software senza dover modificare l’hardware.

Graph-based User Scheduling for MIMO LEO-based Satellite Communication Systems

The study of the user scheduling problem in a Low Earth Orbit (LEO) Multi-User MIMO system is the objective of this thesis. With the application of cutting-edge digital beamforming algorithms, a LEO satellite with an antenna array and a large number of antenna elements can provide service to many user terminals (UTs) in full frequency reuse (FFR) schemes. Since the number of UTs on-ground are many more than the transmit antennas on the satellite, user scheduling is necessary. Scheduling can be accomplished by grouping users into different clusters: users within the same cluster are multiplexed and served together via Space Division Multiple Access (SDMA), i.e., digital beamforming or Multi-User MIMO techniques; the different clusters of users are then served on different time slots via Time Division Multiple Access (TDMA). The design of an optimal user grouping strategy is known to be an NP-complete problem which can be solved only through exhaustive search. In this thesis, we provide a graph-based user scheduling and feed space beamforming architecture for the downlink with the aim of reducing user inter-beam interference. The main idea is based on clustering users whose pairwise great-circle distance is as large as possible. First, we create a graph where the users represent the vertices, whereas an edge in the graph between 2 users exists if their great-circle distance is above a certain threshold. In the second step, we develop a low complex greedy user clustering technique and we iteratively search for the maximum clique in the graph, i.e., the largest fully connected subgraph in the graph. Finally, by using the 3 aforementioned power normalization techniques, a Minimum Mean Square Error (MMSE) beamforming matrix is deployed on a cluster basis. The suggested scheduling system is compared with a position-based scheduler, which generates a beam lattice on the ground and randomly selects one user per beam to form a cluster.

Asynchronous Massive Machine-Type Access with Massive MIMO

In this thesis asynchronous contention resolution diversity slotted ALOHA (ACRDA) is studied and implemented on computer to simulate a typical massive IoT scenario. Chapter 1 gives a general overview of existing multiple access schemes, reporting their fundamental concepts focusing more on Coded Random Access schemes and their characteristics. In Chapter 2 the asynchronous protocol ACRDA is explained in depth analyzing all parts of the scheme. In the third Chapter the results obtained following various simulations of the asynchronous scheme are reported and their performance are analyzed.