ELEC6252W1

SEMESTER 2 EXAMINATION 2021 - 2022

FUTURE WIRELESS TECHNIQUES

Section A

Question A1.

(a) Figure 1 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, provide an expression for the signal-to- noise ratio (SNR) achieved by node D for detecting the symbol x sent by node S.  [5 marks]

(b) Consider that nodes S1  (having data x1) and S2  (having data x2) use a two-way relaying network, as shown in Figure 2, to exchange x1  and x2 between S1  and S2.

Assume that all nodes are operated in half-duplex mode.  Based on the network coding principle, design a two-way relaying scheme for S1  and S2 to exchange x1  and x2. Explain the operations in details.  [5 marks]

(c) There is a sparse-spread CDMA system, which has the input-output relationships of

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

(d)   (i)  Provide two application examples to explain the benefit of employing full-duplex instead of half-duplex.   [2 marks]

(ii) State three challenges for the implementation of full-duplex in prac- tice, and provide brief explanation for each of them.   [3 marks]

FIGURE  3:  Capacity versus SNR for the MIMO (MN  ≤ 4) systems operated under the CSI/CSI mode, when communicating over Rayleigh fading channels.

(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) Figure 3 shows the capacity results for a MIMO system employing M transmit and N receive antennas operated under the channel state in- formation (CSI)/CSI mode, when communicating over Rayleigh fading channels. Analyse the plot and explain your understanding.  [5 marks]

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

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

Section B

Question B1.

(a) 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.   [6 marks]

(b) Figure 4 shows a three-hop communication link for node S to send infor- mation 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 re- lay nodes R1 and R2 use the 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]

(c) Figure 5 represents a two-hop communication network, where node S (having one antenna) sends data to node D (having one antenna) with the aid of a relay node R, which employs L antennas for receiving and transmission. Assume that all nodes are operated in half-duplex mode, the transmit power of node S is P1 , the transmit power of the relay is P2, the distance between node S and the relay is d1 , and the distance between the relay and node D is d2. Assume that signals transmitted by node S and the relay experience the propagation path-loss with a path- loss exponent α, and the small-scale fading with the fading gains as shown in the figure.  Furthermore, assume that the channel knowledge, i.e., {hij }, is only employed by the relay.

(i) Consider a relay processing scheme in the principles of either AF or DF, describe in detail the operations carried out by the relay. [5 marks]

(ii) Under the relay processing scheme considered in (c)(i), derive an expression for the spectral-efficiency achieved by the two-hop com- munication network.   [5 marks]

(d) Assume an extended Wyner’s system model, as shown in Fig. 6, where adjacent BSs conduct cooperation under ideal data exchange.

(i) Assume optimum and/or minimum mean-square error (MMSE) mul- tiuser detection (MUD), suggest two multicell cooperation/ process- ing (MCCP) schemes.   [2 marks]

(ii) Describe in detail the operations of the MCCP schemes proposed in (d)(i).   [4 marks]

(iii) Analyse the advantages and disadvantages of the MCCP schemes proposed in (d)(i).   [2 marks]

Question B2.

(a) The biggest challenge to implement full-duplex in practice is the self- interference cancellation (SIC), which may be implemented in propaga- tion 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]

(b) Assume that users 1; 2; . . . ; K simultaneously send x1 ; x2 ; . . . ; xK , sat-isfying E[x 2 k ] = 1
, to a BS (with one antenna) using power P1 ; P2 ; . . . ; PK via one Gaussian channel. The channel gains from users 1; 2; . . . ; K to the BS are given by h1 ; h2; . . . ; hK , respectively.

(i) Assuming that  j h1 j 2 P1   ≥  j h2 j 2 P2   ≥ . . .  ≥  jhK j 2 PK , describe the optimum detection scheme of the BS to achieve the sum rate of the NOMA system.   [5 marks]

(ii) In addition to the assumption in (b)(i), further assume that the noise variance is N0.  Derive an expression for the sum rate achieved by the K users.   [5 marks]

(c) Assume that a BS (with one antenna) broadcasts x1 , x2 , . . . , xK , satisfy- ing E[xk(2)] = 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.                                                                        [5 marks]

Section C

Question C1.

(a) Consider a multiple-input multiple-output (MIMO) system employing M transmit and N receive antennas.  Let x =  [x1 , x2 , · · · , xm] denote the signal transmitted from the M antennas and y = [y1 , y2 , · · · , yN ] denote the received signal vector. H represents the channel matrix between the transmitter and receiver of size N × M.

When the receiver employs perfect channel knowledge, while the trans- mitter only knows the MIMO channel’s distribution and the transmitted signal vector x is independent of the channel matrix H, then the ergodic MIMO capacity can be evaluated as:

(i) Derive the MIMO capacity using the above MIMO model and capac- ity equations (2) and (3), when M is fixed and N → ∞ and explain your observations on the derived capacity.

(ii) Derive the MIMO capacity using the above MIMO model and capac- ity equations (2) and (3), when N is fixed and M → ∞ and explain your observations on the derived capacity.    [15 marks]

(b) Consider a uplink (UL) multi-user multiple-input multiple-output  (MU- MIMO) system, where a base station (BS) equipped with N  = 4 an- tennas is communicating with K = 2 number of users.  User i, where i ∈ [1, K], is equipped with Nui  = 2 antennas.  Each user is equipped with only one radio frequency (RF) chain and employs spatial modula- tion for transmission.

In a given channel use, each user selects any one of its Nui transmit an- tennas and transmits a symbol from a BPSK modulation on the selected antenna.

(i) What is the number of bits conveyed per channel use per user.

(ii) Draw a block diagram of the above described UL MU-MIMO system and write the mathematical representation of each user transmitted signal and the received signal.

(iii) Describe how the maximum likelihood (ML) detection can be em- ployed to decode the received signal.   [15 marks]

Question C2.

(a) Consider a single-user millimetre wave (mmWave) multiple input multi- ple output (MIMO) system that employs hybrid analog/digital precoding and combining as shown in Figure 7, 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 re-ceiver employs NR(r)F  RF chains, where the number of RF chains is as- sumed to satisfy (NR(t)F  ≤ Nt ) and (NR(r)F   ≤ Nr ). As shown in Figure 7, the transmitter and receiver communicate via Ns  data streams, where Ns  ≤ min(NR(t)F , NR(r)F ).

(i) Draw the block diagrams of the fully connected hybrid beamforming architectures and comment on the number of phase shifters.

(ii) Write the mathematical representation of the received signal after RF and baseband combining in the fully connected and sub-array connected hybrid beamforming architectures, explicitly showing the structure of the baseband and RF precoder weight matrices and the structure of the channel matrix. Also, explain any differences in the design of the precoders and combiners for the two architectures.  [15 marks]

(b) Consider a massive MIMO system, where a base station equipped with M antennas is communicating with K users, each employing Nk  anten- nas with k ∈ [1, 2, · · · , K].

(i) Explain the concept of channel hardening.

(ii) Explain the concept of pilot contamination in massive MIMO.

(iii) Explain the assumptions made for the number of transmit anten-nas and users in massive MIMO and describe the effect of antenna correlation on the performance and spectral efficiency of massive MIMOs. [15 marks]