Interference mitigation techniques in modern wireless communication systems

Abstract

This thesis investigates the influence of interference in wireless systems, revisits promising interference management solutions, as well as studies the impact of interference, caused by hardware imperfections, on the performance of the wireless link and propose countermeasures. The thesis is divided into two parts. In the first part of the thesis, different types of interference and modern interference management solutions, which are expected to be used in the future wireless networks, are reviewed. Moreover, the influence of fading and interference, due to the existence of multiple possible users operating simultaneously in the same carrier frequency, on the spectrum sensing capability of an energy detector (ED) is investigated. Analytical tools for the performance evaluation of this problem are derived, while the problem of appropriately selecting the detection threshold and the sensing duration, in order to satisfy a specific requirement, is discussed. The offered analytical framework can be applied in cognitive radio (CR) systems, which are include in several wireless standards, and are expected to be employed in ultra-dense wireless environments. The second part of this thesis investigates the impact of transceivers radio frequency (RF) front-end imperfections on the performance of the wireless system. RF imperfections generally result to signal distortion in single-carrier communications, while, in multi-carrier communications, they additionally cause interference. In both cases, RF imperfections may cause significant degradation to the quality of the wireless link. Motivated by this, after illustrating the influence of different types of RF imperfections, namely in-phase and quadrature imbalance (IQI), phase noise, and amplifiers non-linearities, the analytical framework for the evaluation and quantification of the effect of IQI on wireless communications in the context of cascaded fading channels, is derived. This study gives critical insight for the performance degradation in wireless communications, due to RF imperfections, and indicates the need of designing proper compensation techniques. Next, the impact of IQI and partial successive interference suppression (SIS) in the spectrum sensing of full duplex CR systems is studied. In this context, closed form expressions are derived for the false alarm and detection probabilities, in the general case, where partial SIS and joint transmitter and receiver IQI are considered. The derived expressions can be used in order to properly select the energy detection threshold that maximizes the ED spectrum sensing capabilities. Additionally, the joint influence of fading and several RF impairments on energy detection based spectrum sensing for CR systems in multi-channel environments is investigated. Based on this analysis, the impact of RF impairments and fading on the ED’s spectrum sensing capability is studied. Furthermore, the impact of IQI on orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) systems, in which a power allocation (PA) policy is employed in order to maximize each user’s capacity, is demonstrated. To overcome, the user’s capacity loss, due to IQI, a novel, low-complexity PA strategy is presented. Finally, a novel low-complexity scheme, which improves the performance of single-antenna multi-carrier communication systems, suffering from IQI, is proposed. The proposed scheme not only mitigate the detrimental effect of IQI, but, also achieves second-order frequency diversity.

Η μελέτη και σχεδίαση των σύγχρονων δικτύων ασύρματων επικοινωνιών επιβάλλει την υιοθέτηση αποτελεσματικών τεχνικών για την καταπολέμηση των παρεμβολών προκειμένου να εξασφαλίζεται η ταυτόχρονη πρόσβαση των χρηστών σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και μεγάλη αξιοπιστία σε πραγματικό χρόνο. Η παραπάνω ανάγκη γίνεται συνεχώς και πιο επιτακτική εξαιτίας της ολοένα αυξανόμενης πυκνότητας των χρηστών, αλλά και των περιορισμένων διαθέσιμων πόρων σε φάσμα που έχει οδηγήσει σταδιακά στη χρήση τεχνικών πολλαπλών φερόντων για επικοινωνία άνω και κάτω ζεύξης τόσο σ τα επίγεια όσο και σ τα δορυφορικά συσ τήματα νέας γενιάς. Η διδακτορική διατριβή οργανώνεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος είναι αφιερωμένο στα διαφορετικά είδη των παρεμβολών, τις επιπτώσεις τους και τους τρόπους αντιμετώπισης τους σε σύγχρονα και μελλοντικά συστήματα ασυρμάτων επικοινωνιών. Επιπλέον, εξετάζεται η επίδραση των ομοκαναλικών παρεμβολών σε ευφυή συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, κατά την ανιχνευση φασματικών κενών, και παρουσιάζονται κατάλληλες εκφράσεις για την αξιολόγηση των επιδόσεων του ενεργειακού ανιχνευτή και τον ορισμό των παραμέτρων ανίχνευσης, οι οποίες λαμβάνουν υπόψιν τους τα επιπέδου των παρεμβολών. Το δεύτερο μέρος είναι αφιερωμένο στις επιπτώσεις των ατελειών του υλικού του αναλογικού τμήματος των πομποδεκτών σε σύγχρονα συστήματα ασυρμάτων επικοινωνιών. Πιο συγκεκριμένα, αφού παρουσιάστούν τα σημαντικότερα φαινόμενα που προκαλούνται εξαιτίας των ατελειών των πομποδεκτών, ήτοι ασυμφωνία συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας, φασικός θόρυβος, και μη-γραμμικότητες ενισχυτών, γίνεται ανασκόπηση των επιδράσεων τους σε συστήματα ενός και πολλαπλών φερόντων. Παρατηρούμε ότι σε συστήματα ενός φέροντος προκαλούν παραμορφώσεις του σήματος, ενώ σε συστήματα πολλαπλών φερόντων προκαλούν επιπρόσθετα παρεμβολές από κατοπτρικά ή γειτονικά φέροντα (κανάλια). Στη συνέχεια, η διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ποσοτικοποίηση των επιδράσεων του φαινομένου της ασυμφωνίας συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας σε ασύρματα συστήματα παρουσία κασκοδικών διαλειπτικών καναλιών. Ακολουθεί διερεύνηση των επιπτώσεων της ασυμφωνία συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας, καθώς επίσης και του μερικού περιορισμού των εσω-παρεμβολών, στην ανίχνευση του φάσματος σε αμφίδρομα ευφυή συστήματα επικοινωνίας. Επίσης, μελετάται η επίδρασης των διαλείψεων και του συνδυασμού των ατελειών του υλικού στην ανίχνευση του φάσματος. Το επόμενο πρόβλημα που εξετάζεται αφορά την κατανομή ενέργειας από το σταθμό βάσης σε πολλούς χρήστες σε συστήματα ορθογωνικής πολλαπλής εισόδου στο πεδίο της συχνότητας, στα οποία ο κάθε εξοπλισμός χρήστη έχει διαφορετικά επίπεδα των ασυμφωνία συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας. Στα πλαίσια του προβλήματος αυτού, παρουσιάζεται μία καινοτόμα χαμηλής-πολυπλοκότητας μέθοδος για την κατανομή της ενέργειας στους χρήστες, η οποία λαμβάνει υπόψιν τα επίπεδα της ασυμφωνία συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας των προς εξυπηρέτηση χρηστών, και εγγυάται δικαιοσύνη από την άποψη του εφικτού ρυθμού δεδομένων των χρηστών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο εφικτός ρυθμός δεδομένων των χρηστών μπορεί να αυξηθεί δραστικά, με τη χρήση της προτεινόμενής τεχνικής κατανομής ενέργειας. Τέλος, δίνεται ένα καινοτόμο σχήμα, χαμηλής πολυπλοκότητας, το οποίο στοχεύει στην βελτίωση των επιδόσεων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων πολλαπλών φερόντων, όπου οι εμπλεκόμενες συσκευές διαθέτουν μία κεραία και ο δέκτης παρουσιάζει ασυμφωνία συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας. Το προτεινόμενο σχήμα όχι μόνο καταπολεμά τις καταστροφικές επιπτώσεις της ασυμφωνίας συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας, αλλά, μέσου κατάλληλης επεξεργασίας σήματος, επιτρέπει επίσης εκμετάλλευση των παρεμβολών, που δημιουργούνται εξαιτίας της ασυμφωνίας συμφασικής και ορθογωνικής συνιστώσας, ώστε να πετύχει διαφορισμό δεύτερης τάξης.