ELEC6252W1

SEMESTER 2 EXAMINATIONS 2022 - 2023

FUTURE WIRELESS TECHNIQUES

Section A

Question A1.

(a) In a cooperative system shown in Figure 1, when the source node S, relay  node  R  and destination  node  D  are all  half-duplex  nodes,  the achievable spectral efficiency is

(1)

when amplify-and-forward cooperation  is employed.   In  (1), γ is the signal-to-noise ratio (SNR) measured at the destination node D, E[·] represents the expectation with respect to the involved channels, and the factor 1/2 is because of the shortcoming that two time-slots are required to deliver one symbol from source node S to destination D.

(i) Suggest   an   alternative    cooperative   system   to    improve   the spectral efficiency of the system by avoiding the above-mentioned shortcoming;

(ii) Describe  in  detail  the  operations  of  signal  transmission  in  your suggested system.   [5 marks]

(b) Assume that two base-stations (BSs) can conduct cooperation based on data exchange only. State three types of BS cooperative processing that the BSs may operate.   [5 marks]

(c) Consider a Non-Orthogonal Multiple-Access (NOMA) downlink, where a BS broadcasts x1  and x2 , which satisfy E[xk(2)] = 1 for k = 1, 2, to users 1 and 2 using power P1  and P2 , respectively. At some time, the signals received respectively by users 1 and 2 can be expressed as

              (1)

              (2)

where h1 and h2  represent the channel gains from the BS to users 1 and 2, respectively, and n1  and n2  are Gaussian noise distributed with zero mean and a variance of σ 2.

• Assume that j h1 j 2  < j h2 j 2 , and correspondingly the power assigned by BS to users 1 and 2 satisfies P1 >  P2.   Derive the  sum  rate achieved by this NOMA downlink.

• Describe   the    detection   (decoding)   procedures    carried    out, respectively, by users 1 and 2 for achieving the above sum rate.   [5 marks]

(d) Provide two  application  examples  to  show the  benefit  of  employing full-duplex instead of half-duplex. You may use drawings to support your explanation.   [5 marks]

(e) Consider a multiple-input multiple-output (MIMO) system employing M transmit and N receive antennas. Draw and annotate the MIMO system model and write the received signal equation and explain the different terms used.      [5 marks]

(f) Explain the concept of massive MIMO and comment on the motivation for using massive MIMO from a channel capacity perspective and also from a transmission and detection perspective.          [5 marks]

(g) Discuss the concept of pilot contamination and antenna correlation and analyse their effect on the performance of massive MIMO.           [5 marks]

(h) Explain  the  reasons  for  using  beamforming  for  communications  at millimetre wave frequencies and also the reasons for the need to use hybrid beamforming for millimetre wave communications.           [5 marks]

Section B

Question B1.

(a) There   is   a   sparse-spread   code-division   multiple-access   (CDMA) system, which has the input-output relationships of

(4)

Draw the factor graph of this sparse-spread CDMA system for operating the message-passing algorithm,  in order to detect the data symbols x1 , x2 , . . . , x8.          [5 marks]

(b) Fig. 2 shows a two-hop communication link, where d1  and d2  represent the  distances,  h1   and  h2    represent  the  fast  fading  gains,   and  P1 and  P2   represent the transmit  power,  of  the  first  and second  hops, respectively.      Assume   that  signals  transmitted  over  either   hops experience  propagation  path-loss  with  a  path-loss  exponent  Q,  and noise  added  at  relay  R  and  destination  D  obeys  the  Gaussian distribution with zero mean and variance σ 2.  Furthermore, relay R is assumed to be operated in half-duplex mode, and it also has no buffer for storing the data received from node S.

Assuming  that  the  decode-and-forward   (DF)   relaying   scheme   is employed by relay R, derive an expression for the spectral-efficiency achieved by this two-hop link.       [5 marks]

(c) Fig. 3 illustrates a network having two pairs of distributed nodes, (S1 , D1 ) and (S2 , D2 ), where two destination nodes D1  and D2  are close to each other. In this network, node S1  needs to send a symbol x1  to D1 , while node S2  needs to send a symbol x2  to D2.

Assume  that  nodes  S1    and  S2    can  cooperate  with  each  other  by exchanging their data to be sent to their destinations, respectively, and that the channels h11 ,  h12  are only known to D1 , while the channels h21 , h22 are only known to D2.

(i) Based  on  Alamouti’s  space-time  code,   design  a  cooperative transmission scheme for S1  and S2  to send x1  and x2 , respectively, to D1  and D2. Explain in detail the transmission steps.       [4 marks]

(ii) Assuming the maximal ratio combining (MRC) assisted decoding scheme, derive the expressions for the decision variable obtained by D1 or D2.            [4 marks]

(d) Figure 4 shows a three-hop communication link for node S to send information to node D with the help of two relay nodes R1  and R2.  As shown in the figure, signals sent by node S can be received by relay R1 with the signal-to-noise ratio (SNR) of 吖01  and by relay R2  with the SNR of 吖02 ; signals sent by relay R1 can be received by relay R2 with the SNR of 吖12, and by node D with the SNR of 吖13 ; signals sent by relay R2  can be received by node D with the SNR of 吖23.

Assume  that  all  nodes  are  operated  in  half-duplex,   and  that  both the relay nodes R1  and R2   use the amplify-and-forward (AF) relaying protocol.  Furthermore, assume that relay node R2  uses the maximal ratio combining (MRC) scheme to combine the signals received from nodes  S  and  R1,  and  that  node  D  also  uses  the  MRC  scheme  to combine the signals received from nodes R1  and R2.   Based on the above settings and assumptions,

(i) provide a formula for the SNR achieved by node D for detecting a symbol sent by node S;   [4 marks]

(ii) provide  a  formula  for  the  spectral-efficiency  achieved  by  this three-hop communication link.   [2 marks]

(e) In MultiCell Cooperation/Processing (MCCP), two Base-Stations (BSs) may cooperate based on exchanging both Channel State Information (CSI) and Data (CSID-MCCP mode), exchanging CSI only (CSI-MCCP mode) or  exchanging data  only  (D-MCCP  mode).    For  each  of  the three MCCP modes, provide an example to explain the principle of the corresponding BS cooperative processing. [6 marks]

Question B2.

(a) Fig. 5 is a cooperative network, which uses a direct-link (S → D) and a relay-link (S → R → D) to send information from source node S to destination node D. The distance from node S to node  R is d1 , that from node R to node D is d2, and that from node S to node D is d. Transmited signals experience  both the  propagation  pathloss with  a pathloss exponent of α, and the small-scale fading with the fading gains shown in the figure. Assume that the transmit power of node S is P1  and

that of relay R is P2 , and all nodes are operated in half-duplex mode. Noise power is σ 2. Furthermore, assume that hSR  is known to node R, and hD , hRD  are known to node D.

Based     on     the     above     settings/assumptions     and     assuming amplify-and-forward  (AF)  relaying  at  node  R,  derive  an  expression for the signal-to-noise ratio (SNR) achieved by node D for detecting the symbol x sent by node S.   [6 marks]

(b) Consider a non-orthogonal multiple-access (NOMA) system, where two users send their information to a base-station (BS). The signal received by the BS can be expressed in the form of

where x1  and x2  are the information sent respectively by users 1 and 2, which satisfy E[xk(2)] = 1 for k = 1, 2, P1  and P2  represent the transmit power of users 1 and 2, while h1  and h2  represent the channel gains, respectively, from users 1 and 2 to the BS. Finally, n is Gaussian noise distributed with zero mean and a variance of N0.

(i) Assume that  j h1 j 2 P1   ≥  j h2 j 2 P2 , derive the sum rate achieved by users 1 and 2.

(ii) Describe the BS’s detection (decoding) procedure for achieving the above sum rate.   [6 marks]

(c) Assume that a single-antenna BS broadcasts x1 , x2 , . . . , xK , satisfying E[x 2 k ] = 1, via Gaussian channels to users  1, 2, . . . , K using power P1 , P2, . . . , PK , respectively.  The channel gains from the BS to users 1, 2, . . . , K are h1 , h2, . . . , hK , respectively.

(i) Assume that the transmit power of the BS satisfies P1  ≥ P2  ≥ . . . ≥ PK , which models that user 1 is the user furthest from BS, then user 2, and finally, user K is the one closest to BS. Describe the optimum detection scheme of user k , k = 1, 2, . . . , K, to achieve the sum rate of the NOMA system.                    [5 marks]

(ii) In addition to the assumption in (c)(i), further assume that the noise variance is N0.  Derive an expression for the sum rate achieved by the K users.                                                                        [3 marks]

(d) The  biggest  challenge  to   implement  full-duplex   in  practice  is  the self-interference  cancellation   (SIC),  which  may  be   implemented   in propagation domain, analog-circuit domain and digital domain.

(i) State two SIC techniques operated in the propagation domain, and discuss respectively their operational principles,  advantages and the challenges they may face in practice.   [5 marks]

(ii) State two SIC techniques operated in the analog-circuit domain, and discuss their operational principles, advantages and the challenges they may face in practice.   [5 marks]

Section C

Question C1.

(a) Consider  a  single-user  millimetre  wave  (mmWave)  multiple  input multiple  output  (MIMO)  system  that   employs  hybrid  analog-digital beamforming, where the transmitter is equipped with Nt  antennas and the receiver with Nr  antennas. The transmitter is assumed to have NR(t)F radio frequency (RF) chains, while the receiver employs NR(r)F  RF chains, where the number of RF chains is assumed to satisfy (NR(t)F ≤ Nt ) and (NR(r)F ≤ Nr ).  The transmitter and receiver communicate via Ns  data streams, where Ns ≤ min(NR(t)F , NR(r)F ).

Draw   the    block   diagrams   of   the   sub-array   connected    hybrid beamforming architectures and briefly explain the processing stages.   [10 marks]

(b) Consider a multiple-input multiple-output (MIMO) system, where a base station (BS) equipped with NT  = 4 antennas is communicating with a user equipment having NR  = 4 antennas.  The BS has NRF  = 2 radio frequency (RF) chains.

(i) Design a transmission scheme that would result in throughput of 6 bits per channel use. You should decide on the modulation scheme used and the processing carried out at the transmitter.

(ii) Write the mathematical representation of the transmitted signal and the received signal, highlighting the dimensions of any vectors or matrices used.

(iii) Design a detection scheme to decode your received signal.   [20 marks]

Question C2.

(a)   (i) Explain the concept of preprocessing aided spatial modulation.

(ii) Write the mathematical representation of the transmitted signal and the received signal, highlighting the dimensions of any vectors or matrices used.

(iii) Explain how the signal can be detected at the receiver side.    [14 marks]

(b) Consider  a  single-user  millimetre  wave  (mmWave)  multiple  input multiple  output  (MIMO)  system  that   employs  hybrid  analog-digital beamforming, where the transmitter is equipped with Nt  antennas and the receiver with Nr  antennas. The transmitter is assumed to have NR(t)F radio frequency (RF) chains, while the receiver employs NR(r)F  RF chains, where the number of RF chains is assumed to satisfy (NR(t)F ≤ Nt ) and (NR(r)F ≤ Nr ).  The transmitter and receiver communicate via Ns  data streams, where Ns ≤ min(NR(t)F , NR(r)F ).

(i) The mmWave channel matrix H (t) of size CNr ×Nt   at time instant t is given by:

Explain your understanding of the  mmWave channel model  and what the equation above represents.

(ii) Draw the block diagrams of the fully-connected hybrid beamforming architectures and briefly explain the processing stages.    [16 marks]