Novel waveform designs for future wireless systems:non-coherent orthogonal frequency division multiplexing with subcarrier power modulation (NC-OFDM-SPM)&multi-user auxiliary signal superposition transmission (MU-AS-ST)

Abstract

Future wireless systems are expected to serve very challenging requirements such as enhancing the spectral efficiency and transmission reliability, securing the transmission and guaranteeing low-complexity and low latency communications. In this scope, we investigate and propose in this work some promising research directions for ensuring an effective design for future wireless systems: 1) we study the combination of multi-dimensional OFDM modulations and non-coherent detection for enhancing the spectral efficiency and reducing the complexity in the design of future wireless systems. Particularly, in this regard, we propose and study a new technique termed as ’Non-Coherent Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Subcar rier Power Modulation (NC-OFDM-SPM)’ for doubling the spectral efficiency per receiving user/device through the exploration of the power of the subcarriers inside an OFDM block as an additional dimension for conveying extra information. The use of non-coherent detection en sures low-design complexity in this idea. 2) We propose a novel physical layer security design for effective and secure future multiple access communications. The proposed design is called ’Multi-User Auxiliary Signal Superposition Transmission (MU-AS-ST)’ which is presented as an alternative design for the current conventional Power Domain NOMA which was studied by the 3GGP (3rd Generation Partnership Project) from release 13 till 16 under the name ’Multi User Superposition Transmission (MUST)’ before being eliminated from the study items in release 17. The proposed design superimposes auxiliary signals with the users data for can celling the inter-user interference fully while achieving perfect secrecy against both internal (presence of an untrusted legitimate user) and external eavesdroppers. MU-AS-ST achieves better reliability than conventional NOMA and does not use Successive Interference Cancel lation. Moreover, this design works for the combination of any two users regardless of their distance from the base station unlike conventional NOMA which works only for the cases where there exists a significant path-loss channel difference between paired (or super-imposed) users. Furthermore, carrying all the processing at the base station makes this design an appeal ing choice for processing-restricted communication devices such as IoT devices. 3) We study the integration of multi-dimensional OFDM modulation formats in multiple access setups for enhancing the spectral efficiency per area and per device for a more optimal usage of the spec trum allocated for wireless communications. As an example of this integration, we study the combination of OFDM-SPM with MU-AS-ST where we show that this leads to doubling the spectral efficiency per area and per device. The proposed designs were studied thoroughly and their performance was evaluated in terms of different performance metrics such as bit error rate, spectral efficiency, design complexity and peak to average power ratio (PAPR).

Gelecekteki kablosuz sistemlerin, spektral verimliliği ve iletim güvenilirliğini artırmak, iletimi güvence altına almak ve düşük karmaşıklık ve düşük gecikmeli iletişimleri garanti etmek gibi çok zorlu gereksinimleri karşılaması beklenmektedir. Bu kapsamda, bu çalışma içerisinde gelecekteki kablosuz sistemler için etkili bir tasarım sağlamak için bazı umut verici araştırma yönlerini araştırıyor ve öneriyoruz: 1) spektral verimliliği artırmak ve gelecekteki kablosuz sistemlerin tasarımındaki karmaşıklığı azaltmak için çok boyutlu OFDM modülasyonları ve eşevreli olmayan (non-coherent) modülasyon tabanlı tekniklerin kombinasyonunu inceliyoruz. Özellikle,bu bağlamda, alıcı kullanıcı / cihaz başına spektral verimliliği iki katına çıkarmak için Non-Coherent Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Subcarrier Power Modulation(NC-OFDM-SPM) olarak adlandırılan yeni bir teknik öneriyor ve üzerinde çalışıyoruz. Ek bitler, bir OFDM bloğu içindeki alt taşıyıcıların gücünün ek bilgi iletimi için ek bir boyut olarak manipülasyonu yoluyla gönderilir. Ayrıca eşevreli olmayan (non-coherent) modülasyonun kullanılması, bu teknikte düşük tasarım karmaşıklığı sağlamaktadır. 2) Gelecekteki etkili ve güvenli çoklu erişim iletişimleri için yeni bir fiziksel katman güvenliği tasarımı öneriyoruz. Önerilen tasarım, Multi-User Auxiliary Signal Superposition Transmission (MU-ASST) olarak adlandırılır ve mevcut geleneksel Power Domain NOMA için alternatif bir tasarım olarak sunulur. Power Domain NOMA, sürüm 17’deki çalışma öğelerinden çıkarılmadan önce, sürüm 13’ten 16’ya kadar 3GGP (3. Nesil Ortaklık Projesi/ 3rd Generation Partnership Project) tarafından Multi-User Superposition Transmission (MUST) adı altında incelenmiştir. Önerilen tasarım, kullanıcı verilerinin üzerine bindirilmiş yardımcı sinyalleri kullanarak hem dahili (güvenilmeyen meşru kullanıcı) hem de harici dinleyicilere karşı mükemmel gizlilik sağlarken, kullanıcılar arası müdahaleyi (inter-user interference) tamamen iptal etmektedir. MU-AS-ST, geleneksel NOMA’dan daha iyi güvenilirlik sağlar ve Successive Interference Cancellation (SIC) kullanmamaktadır. Dahası, bu tasarım, yalnızca eşleştirilmiş (veya süper empoze edilmiş) kullanıcılar arasında önemli bir kanal farkının olduğu durumlarda çalışan geleneksel NOMA’nın aksine, baz istasyonuna olan uzaklıklarından bağımsız olarak herhangi iki kullanıcının kombinasyonu için çalışır. Ayrıca, tüm işlemlerin baz istasyonuna taşınması, bu tasarımı IoT cihazları gibi işlemle sınırlı iletişim cihazları için cazip bir seçim haline gelir. 3) Kablosuz iletişim için ayrılan spektrumun daha optimum kullanımı için alan ve cihaz başına spektral verimliliği artırmak için çoklu erişim kurulumlarında çok boyutlu OFDM modülasyon formatlarının entegrasyonunu inceliyoruz. Bu çalışmada, OFDM-SPM’nin MUAS-ST ile kombinasyonunu inceliyoruz, burada bu kombinasyonun alan ve cihaz başına spektral verimliliği iki katına çıkardığını gösteriyoruz. Önerilen tasarımlar, spektral verimlilik, iletim güvenilirliği, tasarım karmaşıklığı ve tepe / ortalama güç oranı (PAPR) gibi farklı performans ölçütleri açısından kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.