(English) The deployment of 5G and 6G wireless networks enforces a paradigm shift in communication system design, driven by the move towards sub-THz frequencies and extremely large antenna arrays. These advancements leave traditional channel modeling—which often relies on far-field assumptions and neglects electromagnetic interactions between antenna elements—physically inconsistent. Furthermore, the overhead associated with acquiring instantaneous channel state information (CSI) in massive multiple-input multiple-output (mMIMO) systems presents a critical bottleneck, particularly for low-latency or high-mobility communications.

This thesis addresses the aforementioned challenges by developing a framework for the design and analysis of noncoherent wireless communication systems that operate solely with statistical, rather than instantaneous, CSI. The core of this work is the establishment of a physically consistent channel model that accurately incorporates the effects of near-field spherical wavefronts and mutual coupling. We demonstrate that these complex physical phenomena can be effectively captured within a correlated Rayleigh fading model, providing a tractable yet realistic foundation for system analysis.

Using this framework, we investigate the performance of one-shot, energy-based communication schemes, which are particularly well suited for low-latency applications. A key result is the existence of a fundamental error floor at high signal-to-noise ratio (SNR) for constellations with more than two energy levels when no CSI is available at the transmitter. However, we also prove that this error vanishes as the number of receiver antennas grows, highlighting the channel hardening benefits of massive arrays.

A widely adopted receiver in energy-based noncoherent systems is the so-called energy detector. Although it is optimal under uncorrelated fading, its performance degrades significantly in correlated channels. To address this limitation, we introduce a novel class of quadratic detectors, including the best quadratic unbiased estimator (BQUE) as well as a practical implementation called assisted BQUE. These detectors leverage statistical CSI to achieve near-optimal performance. Furthermore, two strategies for enhancing reliability are proposed and evaluated: a constellation design methodology that minimizes the analytical symbol error rate by leveraging statistical CSI at the transmitter, and a permutational index modulation (PIM) scheme that introduces coding gain with minimal complexity.

Finally, the thesis explores the impact of model mismatch, revealing that noncoherent systems exhibit greater robustness to mutual coupling than their coherent counterparts. We also demonstrate that wavefront curvature can be exploited well beyond the classical Fraunhofer distance. Moreover, we show that large antenna arrays enable the multiplexing and low-complexity detection of multiple users, even when employing noncoherent processing.

(Català) El desplegament de les xarxes sense fils 5G i 6G imposa un canvi de paradigma en el disseny dels sistemes de comunicació, impulsat per l'avenç cap a les freqüències sub-THz i les agrupacions extremadament grans d'antenes. Aquests avenços deixen la modelització de canal tradicional —que sovint es basa en hipòtesis de camp llunyà i negligeix les interaccions electromagnètiques entre antenes— físicament inconsistent. A més a més, la càrrega associada a l'adquisició de la informació del canal (CSI) instantània en sistemes amb canal d'entrada i sortida múltiples massius (mMIMO) representa un coll d'ampolla crític, especialment per a comunicacions de baixa latència o alta mobilitat.

Aquesta tesi afronta els reptes anteriors mitjançant el desenvolupament d'un marc per al disseny i l'anàlisi de sistemes de comunicació sense fils no coherents que operen únicament amb CSI estadística, en lloc d'instantània. El nucli d'aquest treball és l'establiment d'un model de canal físicament consistent que incorpora amb precisió els efectes de les ones esfèriques en camp proper i de l'acoblament mutu. Demostrem que aquests fenòmens físics complexos poden ser representats de manera efectiva dins d'un model d'esvaïment de Rayleigh correlat, proporcionant una base tractable però realista per a l'anàlisi del sistema.

Amb aquest marc, investiguem el rendiment d'esquemes de comunicació de tir únic basats en energia, especialment adequats per a aplicacions de baixa latència. Un resultat clau és l'existència d'un terra d'error a relacions senyal-soroll (SNR) altes, per a constel·lacions amb més de dos nivells d'energia i quan no hi ha CSI al transmissor. Tanmateix, també demostrem que aquest error desapareix a mesura que creix el nombre d'antenes receptores, destacant els beneficis de l'enduriment de canal quan s'utilitzen agrupaments massius d'antenes.

Un receptor habitual en sistemes no coherents basats en energia és l'anomenat detector d'energia. Tot i que és òptim en esvaïment incorrelat, el seu rendiment es deteriora considerablement en canals correlats. Per superar aquesta limitació, introduïm una nova classe de detectors quadràtics, incloent-hi el millor detector quadràtic no esbiaixat (BQUE) i una implementació pràctica anomenada BQUE assistit. Aquests detectors aprofiten la CSI estadística per assolir un rendiment gairebé òptim. A més, es proposen i s'avaluen dues estratègies per millorar la fiabilitat del sistema: un mètode de disseny de constel·lacions que minimitza la probabilitat d'error aprofitant la CSI al transmissor, i un esquema de modulació amb permutació d'índexs (PIM) que introdueix guany de codificació amb una complexitat mínima.

Finalment, la tesi revela que els sistemes no coherents són més robustos a l'acoblament mutu que els coherents. També demostrem que la curvatura del front d'ona és aprofitable més enllà de la distància de Fraunhofer. Així mateix, les grans agrupacions d'antenes permeten multiplexar i detectar usuaris amb baixa complexitat, inclús amb processament no coherent.

(Español) El despliegue de redes inalámbricas 5G y 6G impone un cambio de paradigma en el diseño de sistemas de comunicación, impulsado por la transición hacia frecuencias sub-THz y agrupaciones extremadamente grandes de antenas. Estos avances hacen que el modelado tradicional del canal —que a menudo se basa en suposiciones de campo lejano y descuida las interacciones electromagnéticas entre antenas— resulte físicamente inconsistente. Además, la sobrecarga asociada con la adquisición de información del estado del canal (CSI) instantánea en sistemas con canal de entrada y salida múltiples masivos (mMIMO) representa un cuello de botella crítico, particularmente en comunicaciones de baja latencia o alta movilidad.

Esta tesis aborda los desafíos anteriores mediante el desarrollo de un marco para el diseño y análisis de sistemas de comunicación inalámbrica no coherentes que operan únicamente con CSI estadística, en lugar de instantánea. El núcleo de este trabajo es el establecimiento de un modelo de canal físicamente consistente que incorpora con precisión los efectos de frentes de onda esféricos en campo cercano y del acoplamiento mutuo. Demostramos que estos fenómenos físicos complejos pueden capturarse eficazmente dentro de un modelo de desvanecimiento Rayleigh correlacionado, proporcionando una base tratable pero realista para el análisis de sistemas.

Utilizando este marco, investigamos el rendimiento de esquemas de comunicación de un solo disparo basados en energía, que son particularmente adecuados para aplicaciones de baja latencia. Un resultado clave es la existencia de un suelo de error fundamental a alta relación señal-ruido (SNR) para constelaciones con más de dos niveles de energía cuando no hay CSI disponible en el transmisor. Sin embargo, también demostramos que este error desaparece a medida que aumenta el número de antenas receptoras, destacando los beneficios del endurecimiento del canal en agrupaciones masivas.

Un receptor ampliamente adoptado en sistemas no coherentes basados en energía es el denominado detector de energía. Aunque es óptimo bajo desvanecimiento no correlacionado, su rendimiento se degrada significativamente en canales correlacionados. Para abordar esta limitación, introducimos una nueva clase de detectores cuadráticos, incluido el mejor estimador cuadrático insesgado (BQUE), así como una implementación práctica denominada BQUE asistido. Estos detectores aprovechan la CSI estadística para lograr un rendimiento cercano al óptimo. Además, se proponen y evalúan dos estrategias para mejorar la fiabilidad: una metodología de diseño de constelaciones que minimiza analíticamente la tasa de error de símbolo aprovechando la CSI estadística en el transmisor, y un esquema de modulación por índice permutacional (PIM) que introduce ganancia de codificación con complejidad mínima.

Finalmente, la tesis revela que los sistemas no coherentes son más robustos al acoplamiento mutuo que los coherentes. También demostramos que la curvatura del frente de onda es aprovechable más allá de la distancia de Fraunhofer. Asimismo, las grandes agrupaciones de antenas permiten multiplexar y detectar usuarios con baja complejidad, incluso con procesamiento no coherente.