Design and integration of novel transmission techniques for coverage, power consumption and data rate improvements in wireless communication networks

Abstract

Since the number of active electronic devices connected to the network is increasing every year, finding energy-efficient and high-capacity solutions has become vital. With the constant evolution of wireless network technologies, regular updates have become a standard practice. It is crucial to employ relevant methods and technologies, even if they are still in the developmental or emerging stage in scientific community or the market. The purpose of this study is to suggest effective solutions to enhance spectral and energy efficiency, with a focus on large scale Multiple Input Multiple Output (MIMO) approaches. With this aim, a scheme was proposed which enhances performance and reduces energy consumption by using Index Modulations (IM), which convey additional information bits mapped onto the indexes of the active resources. A system-level and physical study has demonstrated that the approach is capable of surpassing previous schemes with higher data transfer rates. Additionally, this thesis considered the use of a new type of reconfigurable surface which is capable of redirecting and reflecting electromagnetic waves, resulting in improved user reception. This innovative technology is known as Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS). The main contributions of the thesis consist of proposing a new technique called Precoding-aided Transmitter side Generalized Space-Frequency Index Modulation (PT-GSFIM), that can select resources, specifically antennas and sub-carriers in an Multi User – Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO) system. Additionally, the study includes an evaluation of Cloud Radio Access Network (C-RAN) deployment for fifth generation (5G) and Beyond 5G (B5G) radio networks based on PT-GSFIM designs for MIMO downlink transmissions; Finally, the research evaluates a RIS system's effectiveness in serving as a primary technology for future 6G networks operating within the Millimeter-Wave (mmWave) and Terahertz (THz) bands. The initial contribution puts forward a precoding based approach combined with GSFIM transmissions. PT-GSFIM selects active antennas and subcarriers which carry amplitude and phase modulated symbols using additional information bits. This approach also uses Complex Rotation Matrices (CRMs) as a Signal Space Diversity (SSD) technique to take advantage of frequency diversity. The scheme was purpose-built for MU-MIMO systems, which uses a precoder to eliminate interference between users. Additionally, the study proposes three robust detection algorithms on receiver side, for the signals in this GSFIM schemes. Continuing on the same topic, a system-level evaluation is proposed, using a 5G/B5G based C-RAN deployment, employing the GSFIM-based approach and the proposed detectors in a MU-MIMO system. Three scenarios were considered (two outdoor Urban Macro e Urban Micro and one Indoor) for 5G New Radio (NR) utilizing the frequency bands of 3.5 GHz and 28 GHz. The throughput values demonstrate superiority over traditional MU-MIMO schemes and generalized spatial modulations (GSM). In the last contribution, a RIS-based large-scale MIMO system was presented and assessed as a potential solution for future post-5G or sixth Generation (6G) wireless communications. Specifically, an iterative algorithm was implemented, which successfully integrates precoder with individual phase tuning of the RIS panel elements in a MIMO-OFDM link that operates at mmWave and THz frequencies. A system evaluation was conducted in two scenarios, one based on Urban Micro Truncated (UMT) and the other on Indoor Open Office (IOO). The results illustrate enhancements in throughput values and coverage area. These proposals are relevant to the problems mentioned above, providing potentially effective solutions in terms of spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE).

Uma vez que o número de dispositivos eletrónicos ativos aumenta todos os anos, tornou-se vital encontrar soluções eficientes em termos energéticos e de elevada capacidade. Com a constante evolução das tecnologias de redes sem fios, as atualizações regulares tornaram-se uma prática corrente. É crucial empregar métodos e tecnologias relevantes, mesmo que ainda estejam em fase de desenvolvimento ou emergentes na comunidade científica ou no mercado. O objetivo deste estudo é sugerir soluções eficazes para melhorar a eficiência espetral e energética, centrando-se em abordagens baseadas em MIMO (Multiple Input Multiple Output) em grande escala. Com este objetivo, foi proposto um esquema que melhora o desempenho e reduz o consumo de energia através da utilização de modulações de índice (IM), o que implica a inclusão de bits adicionais de dados para identificar recursos ativos. Um estudo físico e ao nível do sistema demonstrou que a abordagem é capaz de ultrapassar esquemas anteriores com taxas de transferência de dados mais elevadas. Além disso, esta tese considerou a utilização de um novo tipo de superfície reconfigurável que é capaz de redirecionar e refletir ondas eletromagnéticas, resultando numa melhor receção pelo utilizador. Esta tecnologia inovadora é conhecida como Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RIS). As principais contribuições da tese consistem em propor um esquema de Modulação por Índice de Espaço-Frequência Generalizado do lado do Transmissor Auxiliado por Pré-codificação (PT-GSFIM), que pode selecionar recursos, especificamente antenas e sub-portadoras em um sistema Multi User - Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). Além disso, o estudo inclui uma avaliação da implementação de redes de acesso via rádio na nuvem (C-RAN) para redes de rádio de quinta geração (5G) e para além do 5G (B5G) com base em conceções PT-GSFIM, para transmissões de downlink MIMO; por último, a investigação avalia a eficácia de um sistema RIS para servir como tecnologia principal para futuras redes 6G que operam nas bandas de ondas milimétricas (mmWave) e terahertz (THz). A contribuição inicial apresenta uma abordagem baseada na pré-codificação combinada com transmissões GSFIM. Este esquema utiliza bits de informação especiais para selecionar antenas e sub-portadoras que transportam símbolos modulados em amplitude e fase. As matrizes de rotação complexas (CRM) são também utilizadas nesta abordagem, como técnicas de diversidade de espaço de sinal (SSD), a fim de tirar partido da diversidade de frequência. O esquema foi concebido para sistemas MU-MIMO, que utilizam um pré-codificador para eliminar a interferência entre utilizadores. Adicionalmente, o estudo propõe três algoritmos de deteção fiáveis para os sinais neste esquema GSFIM. A segunda contribuição propõe uma avaliação ao nível do sistema utilizando uma implementação C-RAN baseada em 5G/B5G, empregando a abordagem assente em GSFIM e os detetores propostos num sistema MU-MIMO. Foram considerados três cenários (dois exteriores Urban Macro e Urban Micro e um Indoor) para 5G NR utilizando as bandas de 3,5 GHz e 28 GHz. Os valores de transferência de dados, demonstram superioridade em relação aos esquemas MU-MIMO tradicionais e às modulações espaciais generalizadas (GSM). Na última contribuição, um sistema MIMO em larga escala baseado em RIS foi apresentado e avaliado quanto à sua eficácia em futuras comunicações sem fios pós-5G ou de sexta geração (6G). Especificamente, foi implementado um algoritmo iterativo, que integra com sucesso o pré-codificador com sintonização de fase individual dos elementos do painel RIS numa ligação MIMO-OFDM que opera em frequências mmWave e THz. Foi efetuada uma avaliação do sistema em dois cenários, um baseado em Urban Micro Truncated (UMT) e o outro em Indoor Open Office (IOO). Os resultados ilustram melhorias nos valores de débito e na área de cobertura. Estas propostas são relevantes para os problemas acima mencionados, fornecendo soluções potencialmente eficazes em termos de eficiência espetral (SE) e eficiência energética (EE).