Advanced Coding and Signal Processing Methods for Multiuser MIMO Systems

Abstract

[Resumo] Os sistemas de comunicacións sen fíos están a experimentar un crecemento constante nos últimos anos e agárdase que crezan aínda máis nos próximos anos axudados polo uso de novas técnicas de codificación e procesamento de sinal. Os servizos multimedia baseados en datos son cada vez máis demandados para actividades laborais e de socialización, e requiren de novas técnicas de codificación e procesamento do sinal para poderen ser despregados de forma efectiva. Por tanto, é de esperar que estas técnicas acheguen melloras canto á velocidade, a eficiencia enerxética, a fiabilidade, entre outros aspectos. Nos últimos anos a aplicación das técnicas de codificación avanzadas xogou un papel imprescindible para despregar as redes emerxentes de comunicacións sen fíos. Hoxe en día, a gran maioría dos sistemas de comunicación deséñanse seguindo unha aproximación dixital e de acordo co principio de separación fonte-canle. Con todo, os sistemas de comunicación baseados na optimización conxunta da codificación de fonte e canle (coñecidos pola súa sigla en inglés JSCC) seguen espertando interese nos investigadores, especialmente no caso de transmisión de sinais analóxicos. Os investigadores baséanse en que esta estratexia tamén é capaz de aproximarse aos límites teóricos, ademais de ofrecer vantaxes con respecto aos sistemas dixitais como, por exemplo, unha baixa complexidade e un mínimo retardo. A aplicación de novas técnicas para procesar o sinal é esencial na implementación das redes emerxentes de comunicacións sen fíos. Especificamente, na banda de ondas milimétricas (ou mmWave), a cal se considera para satisfacer os requisitos das novas xeracións de redes móbiles (5G e B5G), as arquitecturas híbridas foron recentemente propostas como un enfoque innovador que permite aumentar a eficiencia enerxética. Estas arquitecturas baséanse en dividir a precodificación dixital, usada en sistemas que fan uso de múltiples antenas tanto nos transmisores como nos receptores (MIMO, pola súa sigla en inglés), nunha parte analóxica de baixo consumo enerxético e outra dixital. A maioría dos enfoques de codificación e precodificación MIMO están condicionados pola canle de comunicacións sen fíos que, normalmente, segue sendo incontrolable. Por outra banda, o paradigma de control do medio de propagación vén recibindo moita atención por parte da comunidade científica no ámbito de redes emerxentes sen fíos. Este paradigma foi utilizado anteriormente para aplicacións de radar e satélite mediante o emprego de superficies reflectoras. Porén, non se consideraba para aplicacións móbiles debido á imposibilidade de implementar superficies reflectoras que fixesen fronte ao dinamismo das canles sen fíos por mor da mobilidade dos usuarios presente nestes sistemas. Con todo, os avances acadados na actualidade no estudo dos metamateriais cos que se fabrican estas superficies proporcionan garantías de reconfigurabilidade para habilitar o axuste en tempo real dos cambios de fase nas superficies reflectoras intelixentes (IRSs, pola súa sigla en inglés). Nesta tese, analizamos e deseñamos novos métodos de codificación de sinais analóxicos baseados no principio de optimización JSCC. Tamén analizamos e implementamos novas técnicas de procesamiento do sinal aplicadas ás arquitecturas híbridas na banda de mmWave. Finalmente, desenvolvemos técnicas de procesamento do sinal para establecer un mellor control do medio a través do uso de IRSs.

[Resumen] Los sistemas de comunicaciones inalámbricas experimentan un crecimiento sin interrupciones en los últimos años, y se espera que se desarrollen aún más en los próximos años, acompañados en su despliegue por novedosas técnicas de codificación y procesamiento de señales. Los servicios multimedia y basados en datos son cada vez más demandados para actividades laborales y de socialización, y requieren de novedosas técnicas de codificación y procesamiento de señales para su despliegue. Se espera que estas técnicas aporten mejoras en cuanto a la tasa de datos, la eficiencia energética, la fiabilidad, etc. La aplicación de las técnicas de codificación juega un papel imprescindible en el despliegue de las redes emergentes de comunicaciones inalámbricas. Hoy en día, la gran mayoría de los sistemas de comunicaciones se diseñan siguiendo una aproximación digital y de acuerdo con el principio de separación. Sin embargo, los sistemas de comunicaciones basados en la optimización conjunta de la codificación de fuente y canal (JSCC, por sus siglas en inglés) siguen despertando interés en los investigadores, especialmente para la transmisión de señales analógicas. Los investigadores se basan en que la estrategia JSCC también es capaz de aproximarse a los límites teóricos, además de ofrecer ventajas con respecto a los sistemas digitales como, por ejemplo, baja complejidad y mínimo retardo. En la actualidad, la aplicación de novedosas técnicas de procesamiento de señales es esencial en la implementación de las redes emergentes de comunicaciones inalámbricas. Específicamente, en la banda de ondas milimétricas (mmWave), la cual ha despertado gran interés para el despliegue de nuevas generaciones móviles (5G y posteriores), las arquitecturas híbridas han ofrecido recientemente un enfoque innovador que permite aumentar la eficiencia energética. Estas arquitecturas están basadas en desacoplar la precodificación digital usada en sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO, por sus siglas en inglés) en una parte analógica de bajo consumo energético y otra digital. La mayoría de los enfoques de codificación y precodificación MIMO están condicionados por el canal inalámbrico de comunicaciones, el cual normalmente permanece incontrolable. Afortunadamente, el paradigma de control del medio de propagación está siendo considerado actualmente para redes emergentes de comunicaciones inalámbricas. Este paradigma se había empleado anteriormente para aplicaciones de radares y satélites a través de superficies reflectantes, pero no se consideraba para escenarios con movilidad debido a la incapacidad de implementar superficies reflectantes que hicieran frente al dinamismo de los canales inalámbricos. Sin embargo, los avances obtenidos en la actualidad en el estudio de los metamateriales ofrecen garantías de reconfigurabilidad en tiempo real de las superficies reflectantes inteligentes (IRSs, por sus siglas en inglés). En esta tesis analizamos e implementamos novedosos métodos de codificación de señales analógicas basados en el principio de optimización JSCC. También analizamos e implementamos novedosas técnicas de procesamiento de señales aplicadas a las arquitecturas híbridas en mmWave y con el objetivo de establecer un mejor control del medio de comunicaciones a través de las IRSs.

[Abstract] Wireless communication systems have experienced a non-stopping growth in the last few years and are expected to grow even more in the following years, supported in their deployment by novel coding and signal processing techniques. Multimedia and mobile data-based services are increasingly in demand for online work and socialization purposes, and novel coding and signal processing techniques are required to cope with their implementation. These techniques are expected to accomplish improvements in terms of data rates, energy efficiency, reliability, etc. The use of encoding techniques plays an essential role in the deployment of emerging wireless communications networks. Nowadays, most communication systems are designed following a digital approach and according to the separation principle. However, communication systems based on the optimization of joint source-channel coding (JSCC) still arouse the interest of researchers, especially in the case of analog signal transmission. The researchers rely on the capability of this strategy to approach theoretical limits and offer advantages over digital systems, e.g., low complexity and minimal delay. Nowadays, the application of novel signal processing techniques is essential for the implementation of emerging wireless communications networks. Specifically, in the millimeter-wave (mmWave) band—which has received high interest for the deployment of 5G and beyond—hybrid architectures have recently offered an innovative approach to increase the energy efficiency of the systems. These architectures are based on decoupling the digital precoding used in multiple-input multiple-output (MIMO) systems into a low-complexity analog part and a baseband part. Most approaches related to the source coding and the MIMO precoding are conditioned to the wireless channel, which usually remains uncontrollable. Fortunately, the paradigm of propagation environment control is being considered for emerging wireless communications networks. This paradigm had previously been used for radar and satellite applications by means of reflecting surfaces but it was not considered for mobile communications due to the inability to cope with the dynamic wireless channels because of user mobility. However, currently, the advances obtained in the study of meta-materials provide certain guarantees for reconfigurability by enabling real-time phase shifts in the intelligent reflecting surfaces (IRSs). In this thesis, we analyze and implement new coding methods for analog signals based on the JSCC optimization principle. We also analyze and implement novel signal processing techniques applied to hybrid architectures in the mmWave band. Finally, we develop signal processing techniques for better control of the propagation environment through the IRSs.