The communication environment involves multiple transmitters and receivers is inherently a competitive environment. The aim of this thesis is to mitigate interference in a competitive multi-user communication environment. Various wired and wireless communication scenarios will be consider, including the multi operator DSL and wireless cellular system where the same communication medium is shared between competitive operators, single operator multi-user MISO and MIMO DSL system, full duplex DSL transmission, and MIMO wireless over cable cellular system. In a communication scenario with multiple users are belonging to different operators, any interference mitigation method needs unavoidably some degree of cooperation among service providers. In this thesis, we propose an interference-based cooperation (IC) strategy based on the exchange of mutual interference among operators, rather than of decoded data, to let every operator to augment the degree of diversity either for channel estimation and multi-user detection. The DSL communication and non orthogonal spectrum sharing cellular system scenarios, where multiple operators share the same communication medium, are the application framework investigated here showing how the proposed IC method outperforms conventional data-exchange methods. The IC method is based on the iterative exchange of interference only after each operator removes the own data before the inter-operator signaling. Both multi-user channel estimation and multi-user detection share the same algebraic structure when in multi-operator IC setting, and these are covered in the thesis. Convergence of IC is guaranteed into few iterations and it does not depend on the structure of the interference. IC performance attains those of centralized receivers (i.e., one fusion-center that collects all the received signals from all the users/operators), with some loss when in the heavily interfered multi-user channel such as in the application chosen here for twisted-pair communications beyond 106MHz spectrum. Precoding is mandatory to mitigate the crosstalk among the users in high datarate communication systems. However, communication medium is severely impaired by the crosstalk from other operators sharing the same communication medium, if not properly accounted. Cooperation among service providers (SPs) is advisable to pre-compensate the interference in downlink/downstream communication. Centralized precoding with full sharing of users data is a straightforward solution to cancel inter-operator interference. In this thesis, we propose a distributed precoding technique for inter operator interference cancellation in downlink/downstream based on inter operator interference cooperation in multi operator setting. The precoding scheme for multi-operator multi-user channel matrix mitigates the inter operator interference using the Block Diagonalization (BD) of the ensemble channel matrix for all operators without exchanging the individual channel matrices one another. Each SP sends to all the other SPs the precoded data that minimize the inter operator interference toward all the others, still maximizing the utility for itself. Conventional Tomlinson-Harashima Precoding (THP) is used for intra operator interference mitigation after BD. The proposed Distributed-BD-THP precoding attains the performance of centralized THP precoding where one single processing unit mitigates interference for all the SPs. Furthermore, the BD-THP scheme offers a multi processor parallelization of THP that can cope with the unavoidable latency of the plain THP. Currently, the development of the next generation DSL system gaining attention by the industry and academia. The end-user bit rates are increased by increasing the transmission bandwidth and shortening the copper loop length. The interference is even more severe over the frequency range being considered for use in next generation DSL system as compared with the impairments in current DSL deployments. The experimental evaluation is carried out in this thesis to examine the behavior of next generation DSL systems including G.fast, MIMO and super MIMO DSL system. The measurement campaign aims to demonstrate the interference environment for different copper loop lengths and transmission bandwidth. The throughput results are obtained by applying multi-user MISO and MIMO precoding to the measured cables for G.fast and MIMO DSL system, respectively. NEXT is another major impairment that hinders the data rate gain and generally avoided through duplexing technique, i.e. FDD and TDD. NEXT not only reduces the transmission reliability but also significantly impact the interference environment in DSL systems with full duplex transmission, where transmit and receive spectra are overlapped, i.e. no FDD or TDD. If both NEXT and FEXT are present in DSL system, NEXT will be much more severe as coupling increases with frequency and at high frequencies (from 15 MHz) it would be intolerable that reduce signal to interference ratio (SIR) since the desired signal is dominated by NEXT and detection is severely impaired. In order to get benefit from full duplex in DSL system, NEXT must be completely cancelled which is possible at CO but very challenging at CPE side. In this dissertation, two new schemes are presented that allow full duplex transmission to increase the overall capacity of the system. The next generation cellular system aims to use massive MIMO technology to achieve high data rate. Centralized radio access network is the most suitable architecture for massive MIMO where optical fiber is used to transport the signal from/to base band unit (BBU) to/from radio remote unit (RRU) with multiple antennas. In this dissertation, MIMO wireless over cable (WoC) is proposed where multi-pair twisted pair cable is used to transport base band signals from/to RRU to/from BBU. The idea is to map multiple antennas over different frequency band of cable spectrum such that the sum throughput of the system is maximized.

L'ambiente di comunicazione coinvolge più trasmettitori e ricevitori è di per sé un ambiente competitivo. Lo scopo di questa tesi è a mitigare le interferenze in un ambiente di comunicazione multi-utente competitivo. I vari scenari di comunicazione wired e wireless saranno in considerazione, tra cui il DSL multi-operatore e sistema cellulare senza fili in cui lo stesso mezzo di comunicazione è condivisa tra operatori concorrenti, unico operatore multi-utente di miso e del sistema DSL MIMO, la trasmissione DSL full duplex, e wireless MIMO su sistema cellulare via cavo. In uno scenario di comunicazione con più utenti appartenenti a diversi operatori, qualsiasi metodo di mitigazione interferenze necessita inevitabilmente un certo grado di cooperazione tra i fornitori di servizi. In questa tesi, proponiamo una strategia interferenza basato cooperazione (IC) basato sullo scambio di interferenza reciproca tra gli operatori, piuttosto che dei dati decodificati, per consentire ad ogni operatore di aumentare il grado di diversità sia per la stima del canale e il rilevamento multiutente . Gli scenari sistema cellulare di comunicazione DSL e condivisione dello spettro radio non ortogonale, in cui più operatori condividono lo stesso mezzo di comunicazione, sono il framework applicativo studiato qui che mostra come il metodo IC proposto supera i metodi di scambio dati convenzionali.Il metodo IC si basa sulla iterativa scambio di interferenza soltanto dopo ciascun operatore rimuove i propri dati prima segnalazione inter-operatore. Sia il canale di stima multi-utente e multi-user quota di rilevamento la stessa struttura algebrica quando in multi-operatore impostazione IC, e questi sono coperti nella tesi. Convergenza di IC è garantita in poche iterazioni e non dipende dalla struttura delle interferenze. prestazioni IC raggiunge quelli di ricevitori centralizzati (cioè, una fusione centro che raccoglie tutti i segnali ricevuti da tutti gli utenti / operatori), con qualche perdita quando nel canale multiutente pesantemente interferita come nell'applicazione scelta qui per twisted comunicazioni coppia al di là dello spettro 106MHz. Precodifica è obbligatoria per mitigare il crosstalk tra gli utenti nei sistemi di comunicazione ad alta datarate. Tuttavia, mezzo di comunicazione è gravemente compromessa dalla diafonia da altri operatori che condividono lo stesso mezzo di comunicazione, se non adeguatamente rappresentato. La cooperazione tra i fornitori di servizi (SP) è consigliabile pre-compensare l'interferenza in downlink comunicazione / a valle. precodifica centralizzata con la piena condivisione dei dati degli utenti è una soluzione semplice per annullare l'interferenza inter-operatore. In questa tesi, vi proponiamo una tecnica pre-codifica distribuita per l'operatore cancellazione di interferenza tra l'in downlink / a valle sulla base, tra l'interferenza cooperazione operatore in ambiente multi operatore. Lo schema di pre-codifica per la matrice multi-operatore di canale multi-utente mitiga l'interferenza tra l'operatore utilizzando il blocco Diagonalizzazione (BD) della matrice del canale insieme a tutti gli operatori, senza scambiare l'individuo matrici canale l'un l'altro. Ogni SP invia a tutti gli altri SP il dati precodificato che minimizza l'interferenza tra operatore verso tutti gli altri, ancora massimizzando l'utilità per sé. Convenzionale Tomlinson-Harashima pre-codifica (THP) viene utilizzato per la mitigazione interferenze operatore intra dopo BD. La proposta di Distributed-BD-THP precodifica raggiunge le prestazioni di precodifica THP centralizzato dove una unità di elaborazione singola attenua le interferenze per tutta la SP. Inoltre, il regime di BD-THP offre un processore più parallelizzazione di THP che possono far fronte con la latenza inevitabile della pianura THP.Attualmente, lo sviluppo del prossimo sistema DSL generazione guadagnando attenzione da parte del mondo industriale e accademico. I tassi di bit dell'utente finale sono aumentati aumentando la banda di trasmissione e accorciando la lunghezza del loop di rame. L'interferenza è ancora più grave sulla gamma di frequenze che si desidera utilizzare nel prossimo sistema DSL generazione rispetto alle disabilità nelle distribuzioni DSL attuali. La valutazione sperimentale viene condotta in questa tesi per esaminare il comportamento dei sistemi DSL di nuova generazione tra cui G.fast, MIMO e il sistema di super-MIMO DSL. La campagna di misura mira a dimostrare l'ambiente interferenze per le diverse lunghezze di rete in rame e la larghezza di banda di trasmissione. I risultati di throughput sono ottenute applicando MISO multiutente e MIMO precodifica ai cavi misurati per sistema DSL G.fast e MIMO, rispettivamente. AVANTI è un altro importante compromissione che ostacola il guadagno velocità di trasmissione dati e generalmente evitato attraverso la tecnica duplex, cioè FDD e TDD. Dopo non riduce solo la sicurezza di trasmissione, ma anche avere un impatto significativo sull'ambiente interferenze nei sistemi DSL con trasmissione full duplex, in cui si sovrappongono trasmissione e ricezione spettri, cioè senza FDD e TDD. Se sia NEXT e FEXT sono presenti nel sistema DSL, NEXT sarà molto più grave all'aumentare accoppiamento con frequenza e ad alta frequenza (da 15 MHz) sarebbe intollerabile che riducono rapporto segnale interferenza (SIR) in quanto il segnale desiderato è dominato da NEXT e rilevazione è gravemente compromessa. Al fine di ottenere beneficio dal full duplex nel sistema di DSL, NEXT deve essere completamente annullata, che è possibile in CO, ma molto impegnativo, a lato CPE. In questa tesi, due nuovi schemi sono rappresentati che permettono la trasmissione full duplex per aumentare la capacità complessiva del sistema. Il sistema cellulare di nuova generazione si propone di utilizzare la tecnologia MIMO massiccia di raggiungere elevate velocità di trasferimento dati. Centralizzata rete di accesso radio è l'architettura più adatta per massiccia MIMO dove la fibra ottica viene utilizzato per trasportare il segnale da / all'unità banda base (BBU) a / da unità radio remota (RRU) con antenne multiple. In questa dissertazione, MIMO wireless su cavo (WoC) viene proposto in cui multi-coppia di cavi a doppino intrecciato è utilizzato per il trasporto di segnali in banda base da / per RRU da / per BBU. L'idea è di mappare più antenne sopra diversa banda di frequenza dello spettro cavo tale che il throughput somma del sistema è massimizzata.

Multi-user processing for next generation wired and wireless systems

NAQVI, SYED HASSAN RAZA

Abstract

The communication environment involves multiple transmitters and receivers is inherently a competitive environment. The aim of this thesis is to mitigate interference in a competitive multi-user communication environment. Various wired and wireless communication scenarios will be consider, including the multi operator DSL and wireless cellular system where the same communication medium is shared between competitive operators, single operator multi-user MISO and MIMO DSL system, full duplex DSL transmission, and MIMO wireless over cable cellular system. In a communication scenario with multiple users are belonging to different operators, any interference mitigation method needs unavoidably some degree of cooperation among service providers. In this thesis, we propose an interference-based cooperation (IC) strategy based on the exchange of mutual interference among operators, rather than of decoded data, to let every operator to augment the degree of diversity either for channel estimation and multi-user detection. The DSL communication and non orthogonal spectrum sharing cellular system scenarios, where multiple operators share the same communication medium, are the application framework investigated here showing how the proposed IC method outperforms conventional data-exchange methods. The IC method is based on the iterative exchange of interference only after each operator removes the own data before the inter-operator signaling. Both multi-user channel estimation and multi-user detection share the same algebraic structure when in multi-operator IC setting, and these are covered in the thesis. Convergence of IC is guaranteed into few iterations and it does not depend on the structure of the interference. IC performance attains those of centralized receivers (i.e., one fusion-center that collects all the received signals from all the users/operators), with some loss when in the heavily interfered multi-user channel such as in the application chosen here for twisted-pair communications beyond 106MHz spectrum. Precoding is mandatory to mitigate the crosstalk among the users in high datarate communication systems. However, communication medium is severely impaired by the crosstalk from other operators sharing the same communication medium, if not properly accounted. Cooperation among service providers (SPs) is advisable to pre-compensate the interference in downlink/downstream communication. Centralized precoding with full sharing of users data is a straightforward solution to cancel inter-operator interference. In this thesis, we propose a distributed precoding technique for inter operator interference cancellation in downlink/downstream based on inter operator interference cooperation in multi operator setting. The precoding scheme for multi-operator multi-user channel matrix mitigates the inter operator interference using the Block Diagonalization (BD) of the ensemble channel matrix for all operators without exchanging the individual channel matrices one another. Each SP sends to all the other SPs the precoded data that minimize the inter operator interference toward all the others, still maximizing the utility for itself. Conventional Tomlinson-Harashima Precoding (THP) is used for intra operator interference mitigation after BD. The proposed Distributed-BD-THP precoding attains the performance of centralized THP precoding where one single processing unit mitigates interference for all the SPs. Furthermore, the BD-THP scheme offers a multi processor parallelization of THP that can cope with the unavoidable latency of the plain THP. Currently, the development of the next generation DSL system gaining attention by the industry and academia. The end-user bit rates are increased by increasing the transmission bandwidth and shortening the copper loop length. The interference is even more severe over the frequency range being considered for use in next generation DSL system as compared with the impairments in current DSL deployments. The experimental evaluation is carried out in this thesis to examine the behavior of next generation DSL systems including G.fast, MIMO and super MIMO DSL system. The measurement campaign aims to demonstrate the interference environment for different copper loop lengths and transmission bandwidth. The throughput results are obtained by applying multi-user MISO and MIMO precoding to the measured cables for G.fast and MIMO DSL system, respectively. NEXT is another major impairment that hinders the data rate gain and generally avoided through duplexing technique, i.e. FDD and TDD. NEXT not only reduces the transmission reliability but also significantly impact the interference environment in DSL systems with full duplex transmission, where transmit and receive spectra are overlapped, i.e. no FDD or TDD. If both NEXT and FEXT are present in DSL system, NEXT will be much more severe as coupling increases with frequency and at high frequencies (from 15 MHz) it would be intolerable that reduce signal to interference ratio (SIR) since the desired signal is dominated by NEXT and detection is severely impaired. In order to get benefit from full duplex in DSL system, NEXT must be completely cancelled which is possible at CO but very challenging at CPE side. In this dissertation, two new schemes are presented that allow full duplex transmission to increase the overall capacity of the system. The next generation cellular system aims to use massive MIMO technology to achieve high data rate. Centralized radio access network is the most suitable architecture for massive MIMO where optical fiber is used to transport the signal from/to base band unit (BBU) to/from radio remote unit (RRU) with multiple antennas. In this dissertation, MIMO wireless over cable (WoC) is proposed where multi-pair twisted pair cable is used to transport base band signals from/to RRU to/from BBU. The idea is to map multiple antennas over different frequency band of cable spectrum such that the sum throughput of the system is maximized.
BONARINI, ANDREA
MONTI-GUARNIERI, ANDREA VIRGILIO
19-dic-2016
L'ambiente di comunicazione coinvolge più trasmettitori e ricevitori è di per sé un ambiente competitivo. Lo scopo di questa tesi è a mitigare le interferenze in un ambiente di comunicazione multi-utente competitivo. I vari scenari di comunicazione wired e wireless saranno in considerazione, tra cui il DSL multi-operatore e sistema cellulare senza fili in cui lo stesso mezzo di comunicazione è condivisa tra operatori concorrenti, unico operatore multi-utente di miso e del sistema DSL MIMO, la trasmissione DSL full duplex, e wireless MIMO su sistema cellulare via cavo. In uno scenario di comunicazione con più utenti appartenenti a diversi operatori, qualsiasi metodo di mitigazione interferenze necessita inevitabilmente un certo grado di cooperazione tra i fornitori di servizi. In questa tesi, proponiamo una strategia interferenza basato cooperazione (IC) basato sullo scambio di interferenza reciproca tra gli operatori, piuttosto che dei dati decodificati, per consentire ad ogni operatore di aumentare il grado di diversità sia per la stima del canale e il rilevamento multiutente . Gli scenari sistema cellulare di comunicazione DSL e condivisione dello spettro radio non ortogonale, in cui più operatori condividono lo stesso mezzo di comunicazione, sono il framework applicativo studiato qui che mostra come il metodo IC proposto supera i metodi di scambio dati convenzionali.Il metodo IC si basa sulla iterativa scambio di interferenza soltanto dopo ciascun operatore rimuove i propri dati prima segnalazione inter-operatore. Sia il canale di stima multi-utente e multi-user quota di rilevamento la stessa struttura algebrica quando in multi-operatore impostazione IC, e questi sono coperti nella tesi. Convergenza di IC è garantita in poche iterazioni e non dipende dalla struttura delle interferenze. prestazioni IC raggiunge quelli di ricevitori centralizzati (cioè, una fusione centro che raccoglie tutti i segnali ricevuti da tutti gli utenti / operatori), con qualche perdita quando nel canale multiutente pesantemente interferita come nell'applicazione scelta qui per twisted comunicazioni coppia al di là dello spettro 106MHz. Precodifica è obbligatoria per mitigare il crosstalk tra gli utenti nei sistemi di comunicazione ad alta datarate. Tuttavia, mezzo di comunicazione è gravemente compromessa dalla diafonia da altri operatori che condividono lo stesso mezzo di comunicazione, se non adeguatamente rappresentato. La cooperazione tra i fornitori di servizi (SP) è consigliabile pre-compensare l'interferenza in downlink comunicazione / a valle. precodifica centralizzata con la piena condivisione dei dati degli utenti è una soluzione semplice per annullare l'interferenza inter-operatore. In questa tesi, vi proponiamo una tecnica pre-codifica distribuita per l'operatore cancellazione di interferenza tra l'in downlink / a valle sulla base, tra l'interferenza cooperazione operatore in ambiente multi operatore. Lo schema di pre-codifica per la matrice multi-operatore di canale multi-utente mitiga l'interferenza tra l'operatore utilizzando il blocco Diagonalizzazione (BD) della matrice del canale insieme a tutti gli operatori, senza scambiare l'individuo matrici canale l'un l'altro. Ogni SP invia a tutti gli altri SP il dati precodificato che minimizza l'interferenza tra operatore verso tutti gli altri, ancora massimizzando l'utilità per sé. Convenzionale Tomlinson-Harashima pre-codifica (THP) viene utilizzato per la mitigazione interferenze operatore intra dopo BD. La proposta di Distributed-BD-THP precodifica raggiunge le prestazioni di precodifica THP centralizzato dove una unità di elaborazione singola attenua le interferenze per tutta la SP. Inoltre, il regime di BD-THP offre un processore più parallelizzazione di THP che possono far fronte con la latenza inevitabile della pianura THP.Attualmente, lo sviluppo del prossimo sistema DSL generazione guadagnando attenzione da parte del mondo industriale e accademico. I tassi di bit dell'utente finale sono aumentati aumentando la banda di trasmissione e accorciando la lunghezza del loop di rame. L'interferenza è ancora più grave sulla gamma di frequenze che si desidera utilizzare nel prossimo sistema DSL generazione rispetto alle disabilità nelle distribuzioni DSL attuali. La valutazione sperimentale viene condotta in questa tesi per esaminare il comportamento dei sistemi DSL di nuova generazione tra cui G.fast, MIMO e il sistema di super-MIMO DSL. La campagna di misura mira a dimostrare l'ambiente interferenze per le diverse lunghezze di rete in rame e la larghezza di banda di trasmissione. I risultati di throughput sono ottenute applicando MISO multiutente e MIMO precodifica ai cavi misurati per sistema DSL G.fast e MIMO, rispettivamente. AVANTI è un altro importante compromissione che ostacola il guadagno velocità di trasmissione dati e generalmente evitato attraverso la tecnica duplex, cioè FDD e TDD. Dopo non riduce solo la sicurezza di trasmissione, ma anche avere un impatto significativo sull'ambiente interferenze nei sistemi DSL con trasmissione full duplex, in cui si sovrappongono trasmissione e ricezione spettri, cioè senza FDD e TDD. Se sia NEXT e FEXT sono presenti nel sistema DSL, NEXT sarà molto più grave all'aumentare accoppiamento con frequenza e ad alta frequenza (da 15 MHz) sarebbe intollerabile che riducono rapporto segnale interferenza (SIR) in quanto il segnale desiderato è dominato da NEXT e rilevazione è gravemente compromessa. Al fine di ottenere beneficio dal full duplex nel sistema di DSL, NEXT deve essere completamente annullata, che è possibile in CO, ma molto impegnativo, a lato CPE. In questa tesi, due nuovi schemi sono rappresentati che permettono la trasmissione full duplex per aumentare la capacità complessiva del sistema. Il sistema cellulare di nuova generazione si propone di utilizzare la tecnologia MIMO massiccia di raggiungere elevate velocità di trasferimento dati. Centralizzata rete di accesso radio è l'architettura più adatta per massiccia MIMO dove la fibra ottica viene utilizzato per trasportare il segnale da / all'unità banda base (BBU) a / da unità radio remota (RRU) con antenne multiple. In questa dissertazione, MIMO wireless su cavo (WoC) viene proposto in cui multi-coppia di cavi a doppino intrecciato è utilizzato per il trasporto di segnali in banda base da / per RRU da / per BBU. L'idea è di mappare più antenne sopra diversa banda di frequenza dello spettro cavo tale che il throughput somma del sistema è massimizzata.
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