Noise subspace communication: waveform optimization and interference management

Abstract

Nowadays, the increasing demand for high data-rate services increases the interest of spectral efficiency. As it is well-known, the spectrum is a limited resource. Thus, those newest techniques should exploit it efficiently. The proposed techniques to accomplish this objective are, mainly, cognitive radio, device-to-device communications (D2D) and heterogenous networks (HetNet). Basically, the difference between these techniques is that cognitive radio increases the device intelligence to efficiently exploit the spectrum, whereas D2D and HetNet improves the design of wireless networks increasing its agility and flexibility. All of these techniques are included in the area known as Opportunistic Communications, which is based on allowing new users (or devices) to transmit while the existing ones have to be protected. This work consists on analyzing an opportunistic transmission strategy exploiting the second-order statistics of the existing users in a highly dense distributed network. First of all, the waveform optimization problem is tackled, as well as a deep study of the properties that the optimal waveform presents. Pursuing the objective of avoiding interfere to the external network, i.e. the existing system, a study of the interference level is performed considering some negative effects in the monitoring of external-network observations. The following step is designing a strategy which allows mitigating this undesired interference. Moreover, this strategy also improves the transmission performance in the internal network by reducing the energy bit loss. In order to compare the proposed solution and a well-known modulation as the Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), an analysis of the Peak-to-Average Ratio (PAR) is included. At the first part of the study, the channel is assumed to be ideal with Additive White Gaussian Noise (AWGN). But, as we know, the majority of the scenarios presents a frequency-selective channel. Therefore, the asymptotic case of the proposed solution is analyzed in this more demanding scenario and a new transmission strategy is studied to mitigate the multipath fading.

Hoy en día, la gran demanda para dar soporte a aplicaciones que requieren una alta velocidad de los datos convierte la eficiencia espectral en un punto a tener en cuenta en las nuevas estrategias de comunicaciones. Como es bien sabido, el espectro de frecuencias es un recurso limitado. Así pues, dichas técnicas tienen que explotarlo de forma eficiente. Las técnicas que se proponen para conseguir esta meta son, principalmente, la radio cognitiva, las comunicaciones dispositivo-a-dispositivo (D2D) y las redes heterogéneas (HetNet). Básicamente, la diferencia entre estas tecnologías es que la radio cognitiva dota a los dispositivos de inteligencia para explotar eficientemente el espectro, mientras que D2D y HetNet mejoran el diseño de las redes inalámbricas incrementando su agilidad y flexibilidad. El conjunto de dichas técnicas se engloba en el área de las comunicaciones oportunistas, que se basa en permitir la transmisión de nuevos usuarios o dispositivos con el requisito de no molestar y, por tanto, proteger a los usuarios existentes. Este trabajo consiste en analizar una estrategia de transmisión oportunista libre de interferencias haciendo uso de la estadística de segundo orden de los usuarios existentes en redes distribuidas muy densas. Primeramente, se aborda el problema de la optimización de la forma de onda, así como el estudio de sus propiedades. Persiguiendo el objetivo de no interferir a los usuarios existentes, es decir, a la red externa, se estudian casos negativos de monitorización de las observaciones de la red externa que obtienen los usuarios nuevos, es decir, la red interna. El siguiente paso es presentar una estrategia que permita mitigar dicha interferencia y mejorar la transmisión de la red interna reduciendo la pérdida de la energía de bit. Para poder comparar la solución con modulaciones ya existentes, como OFDM, se analiza la relación de potencia de pico a potencia media (PAR). En la primera parte del estudio, el canal se ha considerado ideal con ruido aditivo Gaussiano y blanco. En la practica, sabemos que mayoritariamente los canales serán selectivos en frecuencia. Por tanto, el caso asintótico de la solución propuesta se analiza en un escenario no ideal así como también se presenta una estrategia de transmisión para reducir las pérdidas por propagación multicamino.

Avui dia, la gran demanda per a donar suport a aplicacions que requereixen una alta velocitat de les dades converteix l'eficiència espectral en un ítem a tenir en compte a les noves estratègies de comunicacions. Com és ben sabut, l'espectre de freqüències és un recurs limitat. Així, aquestes noves tècniques han d'explotar-lo de manera eficient. Les tècniques que es proposen per aconseguir aquests objectius són, prinicipalment, la ràdio cognitiva, les comunicacions dispositiu-a-dispositiu (D2D) i les xarxes heterogènies (HetNet). Bàsicament, la diferència entre aquestes tecnologies és que la ràdio cognitiva dota els dispositus d'intel·ligència per explotar eficientment l'espectre, mentres que D2D i HetNet milloren el disseny de les xarxes inalàmbriques incrementant la seva agilitat i flexibilitat. El conjunt d'aquestes tècniques s'engloba a l'àrea de les comunicacions oportunistes, que es basa en permetre la transmissió de nous usuaris o dispositius amb el requeriment de no molestat i, per tant, protegir els usuaris existents. Aquest treball consisteix en analitzar una estratègia de transmissió oportuista lliure d'interferències fent ús de l'estadística de segon ordre dels usuaris existents en xarxes distribuïdes molt denses. Primerament, s'aborda el problema de la optimització de la forma d'ona, així com l'estudi de les seves propietats. Perseguint l'objectiu de no interferir els usuaris existents, s'estudia el nivell d'interferència a la xarxa externa, és a dir, als usuaris existents, considerant efectes negatius sobre el monitoratge de les observacions que obtenen el nous usuaris dels ja existents. El pas següent és presentar una estratègia que permeti mitigar aquesta interferència i millorar la transmissió de la xarxa interna, és a dir, dels usuaris nous, tot reduïnt la pèrdua de l'energia de bit. Per tal de poder comparar la solució proposada amb modulacions existents, com ara l'OFDM, s'analitza la relació de potència pic a potència mitjana (PAR). A la primera part de l'estudi, el canal s'ha considerat ideal amb soroll additiu Gaussià i blanc. A la pràctica, sabem que majoritàriament els canals seran selectius en freqüència. Per tant, el cas asimptòtic de la solució proposada s'analitza en un escenari no ideal així com també es proporciona una estratègia de transmissió per a reduir les pèrdues per propagació multicamí.