Advanced Coding and Signal Processing Methods for Multiuser MIMO Systems

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.