Emerging non-orthogonal communication systems: faster-than-Nyquist, spectrally-efficient FDM, MIMO, and non-orthogonal uplink multiple-access

The evolution of digital communication has made our life simpler and more convenient than ever before, and the rapid developments of the current wireless communication standards have been providing people faster and more reliable access to information anytime and anywhere. The upcoming Fifth Generation (5G) wireless standard is envisioned to support up to a thousand times faster data rates than the current transmission systems through the use of many novel data transmission technologies, and the non-orthogonal transmission schemes have been considered as an integral part of 5G. This research investigates the merits of continuous-time waveform channels of non-orthogonal communications, with the focuses on various emerging non-orthogonal modulation schemes and different continuous-time to discrete-time receiver frontends. In particular, we consider the emerging non-orthogonal transmission schemes, including faster-than-Nyquist signaling, spectrally-efficient frequency-division multiplexing, multi-antenna systems, and non-orthogonal uplink multiple-access. By noticing the common link among these considered non-orthogonal transmission schemes, which is the channel signaling rate exceeding the channel Nyquist rate, we established appropriate channel models and perform information-theoretical analysis for such channels. We first present results on single-antenna non-orthogonal transmission in uplink multiple-access channels and time/frequency-domain non-orthogonal communications. Then, multi-antenna temporal non-orthogonal transmissions with different continuous-time to discrete-time receiver frontends have been examined. Finally, further extended results on the corresponding receivers and non-orthogonal communications are presented. Supported by analytical results and numerical simulations, we show that the considered non-orthogonal transmission schemes can potentially lead to throughput improvements in the next-generation wireless communication systems.L'évolution de la communication numérique a rendu notre vie plus simple et plus pratique que jamais. Les développements rapides des normes de communication sans fil fournissent un accès plus rapide et plus fiable aux informations à tout moment et en tout lieu pour les utilisateurs mobiles. La prochaine norme sans fil de la cinquième génération (5G) devrait prendre en charge des débits de données jusqu'à mille fois plus rapides que les systèmes de transmission actuels en utilisant de nombreuses nouvelles technologies de transmission, et les transmissions non orthogonales ont été considérées comme faisant partie intégrante de 5G.Ce projet de recherche examine les avantages des canaux de forme d'onde en temps continu des communications non orthogonales. Les centres d'intérêt portent sur divers schèmes de modulation non orthogonale émergents et sur différents récepteurs de temps continu à temps discret. En particulier, nous considérons les schèmes de transmission non orthogonale, y compris la signalisation plus rapide que Nyquist, le multiplexage par division de fréquence efficace, les systèmes multi-antennes et les accès multiples non orthogonaux pour la liaison montante. En notant le lien commun entre ces schèmes de transmission non orthogonale, qui est le taux de signalisation du canal supérieur au taux de Nyquist du canal, nous avons établi des modèles de canal appropriés et effectué des analyses théoriques pour ces canaux en utilisant la théorie de l'information. Nous présentons d'abord les résultats sur la transmission non orthogonale à une seule antenne dans un canal à accès multiple, et sur les transmissions non orthogonales dans les domaines temporel et fréquentiel. Ensuite, des communications non-orthogonales à antennes multiples avec différents récepteurs de temps continu à temps discret ont été examinées. Enfin, des résultats supplémentaires sur les différents récepteurs et les communications non orthogonales sont présentés. En utilisant des résultats analytiques et des simulations numériques, nous démontrons que les schèmes de transmission non orthogonale considérés peuvent potentiellement améliorer le débit des futurs systèmes de communication sans fil