3GPP has completed a study on coordinated multipoint transmission and reception techniques to facilitate cooperative communications across multiple transmission and reception points (e.g., cells) for the LTE-Advanced system. In CoMP operation, multiple points coordinate with each other in such a way that the transmission signals from/to other points do not incur serious interference or even can be exploited as a meaningful signal. The goal of the study is to evaluate the potential performance benefits of CoMP techniques and the implementation aspects including the complexity of the standards support for CoMP. This article discusses some of the deployment scenarios in which CoMP techniques will likely be most beneficial and provides an overview of CoMP schemes that might be supported in LTE-Advanced given the modern silicon/DSP technologies and backhaul designs available today. In addition, practical implementation and operational challenges are discussed. We also assess the performance benefits of CoMP in these deployment scenarios with traffic varying from low to high load.

Radio waves carry both energy and information simultaneously. Nevertheless, radio-frequency (RF) transmissions of these quantities have traditionally been treated separately. Currently, the community is experiencing a paradigm shift in wireless network design, namely, unifying wireless transmission of information and power so as to make the best use of the RF spectrum and radiation as well as the network infrastructure for the dual purpose of communicating and energizing. In this paper, we review and discuss recent progress in laying the foundations of the envisioned dual purpose networks by establishing a signal theory and design for wireless information and power transmission (WIPT) and identifying the fundamental tradeoff between conveying information and power wirelessly. We start with an overview of WIPT challenges and technologies, namely, simultaneous WIPT (SWIPT), wirelessly powered communication networks (WPCNs), and wirelessly powered backscatter communication (WPBC). We then characterize energy harvesters and show how WIPT signal and system designs crucially revolve around the underlying energy harvester model. To that end, we highlight three different energy harvester models, namely, one linear model and two nonlinear models, and show how WIPT designs differ for each of them in single-user and multi-user deployments. Topics discussed include rate-energy region characterization, transmitter and receiver architectures, waveform design, modulation, beamforming and input distribution optimizations, resource allocation, and RF spectrum use. We discuss and check the validity of the different energy harvester models and the resulting signal theory and design based on circuit simulations, prototyping, and experimentation. We also point out numerous directions that are promising for future research.

IEEE 802.16m and 3GPP LTE-Advanced are the two evolving standards targeting 4G wireless systems. In both standards, multiple-input multiple-output antenna technologies play an essential role in meeting the 4G requirements. The application of MIMO technologies is one of the most crucial distinctions between 3G and 4G. It not only enhances the conventional point-to-point link, but also enables new types of links such as downlink multiuser MIMO. A large family of MIMO techniques has been developed for various links and with various amounts of available channel state information in both IEEE 802.16e/m and 3GPP LTE/LTE-Advanced. In this article we provide a survey of the MIMO techniques in the two standards. The MIMO features of the two are compared, and the engineering considerations are depicted.

Radiative wireless power transfer (WPT) is a promising technology to provide cost-effective and real-time power supplies to wireless devices. Although radiative WPT shares many similar characteristics with the extensively studied wireless information transfer or communication, they also differ significantly in terms of design objectives, transmitter/receiver architectures and hardware constraints, and so on. In this paper, we first give an overview on the various WPT technologies, the historical development of the radiative WPT technology and the main challenges in designing contemporary radiative WPT systems. Then, we focus on the state-of-the-art communication and signal processing techniques that can be applied to tackle these challenges. Topics discussed include energy harvester modeling, energy beamforming for WPT, channel acquisition, power region characterization in multi-user WPT, waveform design with linear and non-linear energy receiver model, safety and health issues of WPT, massive multiple-input multiple-output and millimeter wave enabled WPT, wireless charging control, and wireless power and communication systems co-design. We also point out directions that are promising for future research.

MIMO processing plays a central part in the recent increase in spectral and energy efficiencies of wireless networks. MIMO has grown beyond the original point-to-point channel and nowadays refers to a diverse range of centralized and distributed deployments. The fundamental bottleneck toward enormous spectral and energy efficiency benefits in multiuser MIMO networks lies in a huge demand for accurate CSIT. This has become increasingly difficult to satisfy due to the increasing number of antennas and access points in next generation wireless networks relying on dense heterogeneous networks and transmitters equipped with a large number of antennas. CSIT inaccuracy results in a multi-user interference problem that is the primary bottleneck of MIMO wireless networks. Looking backward, the problem has been to strive to apply techniques designed for perfect CSIT to scenarios with imperfect CSIT. In this article, we depart from this conventional approach and introduce readers to a promising strategy based on rate-splitting. Rate-splitting relies on the transmission of common and private messages, and is shown to provide significant benefits in terms of spectral and energy efficiencies, reliability, and CSI feedback overhead reduction over conventional strategies used in LTE-A and exclusively relying on private message transmissions. Open problems, the impact on standard specifications, and operational challenges are also discussed.

Far-field Wireless Power Transfer (WPT) has attracted significant attention in recent years. Despite the rapid progress, the emphasis of the research community in the last decade has remained largely concentrated on improving the design of energy harvester (so-called rectenna) and has left aside the effect of transmitter design. In this paper, we study the design of transmit waveform so as to enhance the dc power at the output of the rectenna. We derive a tractable model of the nonlinearity of the rectenna and compare with a linear model conventionally used in the literature. We then use those models to design novel multisine waveforms that are adaptive to the channel state information (CSI). Interestingly, while the linear model favours narrowband transmission with all the power allocated to a single frequency, the nonlinear model favours a power allocation over multiple frequencies. Through realistic simulations, waveforms designed based on the nonlinear model are shown to provide significant gains (in terms of harvested dc power) over those designed based on the linear model and over nonadaptive waveforms. We also compute analytically the theoretical scaling laws of the harvested energy for various waveforms as a function of the number of sinewaves and transmit antennas. Those scaling laws highlight the benefits of CSI knowledge at the transmitter in WPT and of a WPT design based on a nonlinear rectenna model over a linear model. Results also motivate the study of a promising architecture relying on large-scale multisine multiantenna waveforms for WPT. As a final note, results stress the importance of modeling and accounting for the nonlinearity of the rectenna in any system design involving wireless power.

This paper considers the sum-rate (SR) maximization problem in downlink multi-user multiple input simgle output (MU-MISO) systems under imperfect channel state information at the transmitter (CSIT). Contrary to existing works, we consider a rather unorthodox transmission scheme. In particular, the message intended to one of the users is split into two parts: a common part which can be recovered by all users, and a private part recovered by the corresponding user. On the other hand, the rest of users receive their information through private messages. This rate-splitting (RS) approach was shown to boost the achievable degrees of freedom when CSIT errors decay with increased SNR. In this paper, the RS strategy is married with linear precoder design and optimization techniques to achieve a maximized ergodic SR (ESR) performance over the entire range of SNRs. Precoders are designed based on partial CSIT knowledge by solving a stochastic rate optimization problem using means of sample average approximation coupled with the weighted minimum mean square error approach. Numerical results show that in addition to the ESR gains, the benefits of RS also include relaxed CSIT quality requirements and enhanced achievable rate regions compared with conventional transmission with no rate-splitting.

Rate-splitting multiple access (RSMA) has emerged as a novel, general, and powerful framework for the design and optimization of non-orthogonal transmission, multiple access (MA), and interference management strategies for future wireless networks. Through information and communication theoretic analysis, RSMA has been shown to be optimal (from a Degrees-of-Freedom region perspective) in several transmission scenarios. Compared to the conventional MA strategies used in 5G, RSMA enables spectral efficiency (SE), energy efficiency (EE), coverage, user fairness, reliability, and quality of service (QoS) enhancements for a wide range of network loads (including both underloaded and overloaded regimes) and user channel conditions. Furthermore, it enjoys a higher robustness against imperfect channel state information at the transmitter (CSIT) and entails lower feedback overhead and complexity. Despite its great potential to fundamentally change the physical (PHY) layer and media access control (MAC) layer of wireless communication networks, RSMA is still confronted with many challenges on the road towards standardization. In this paper, we present the first comprehensive overview on RSMA by providing a survey of the pertinent state-of-the-art research, detailing its architecture, taxonomy, and various appealing applications, as well as comparing with existing MA schemes in terms of their overall frameworks, performance, and complexities. An in-depth discussion of future RSMA research challenges is also provided to inspire future research on RSMA-aided wireless communication for beyond 5G systems.

This paper investigates joint wireless information and energy transfer in a two-user MIMO interference channel, in which each receiver either decodes the incoming information data (information decoding, ID) or harvests the RF energy (energy harvesting, EH) to operate with a potentially perpetual energy supply. In the two-user interference channel, we have four different scenarios according to the receiver mode - (I D1 , I D2 ), (E H1 , E H2 ), (E H1 , I D2 ), and (I D1 , E H2 ). While the maximum information bit rate is unknown and finding the optimal transmission strategy is still open for (I D1 , I D2 ), we have derived the optimal transmission strategy achieving the maximum harvested energy for (E H1 , E H2 ). For (E H1 , I D2 ), and (I D1 , E H2 ), we find a necessary condition of the optimal transmission strategy and, accordingly, identify the achievable rate-energy (R-E) tradeoff region for two transmission strategies that satisfy the necessary condition - maximum energy beamforming (MEB) and minimum leakage beamforming (MLB). Furthermore, a new transmission strategy satisfying the necessary condition - signal-to-leakage-and-energy ratio (SLER) maximization beamforming - is proposed and shown to exhibit a better R-E region than the MEB and the MLB strategies. Finally, we propose a mode scheduling method to switch between (E H1 , I D2 ) and (I D1 , E H2 ) based on the SLER.

Considering a two-user multi-antenna Broadcast Channel, this letter shows that linearly precoded Rate-Splitting (RS) with Successive Interference Cancellation (SIC) receivers is a flexible framework for non-orthogonal transmission that generalizes, and subsumes as special cases, four seemingly different strategies, namely Space Division Multiple Access (SDMA) based on linear precoding, Orthogonal Multiple Access (OMA), Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) based on linearly precoded superposition coding with SIC, and physical-layer multicasting. This letter studies the sum-rate and shows analytically how RS unifies, outperforms, and specializes to SDMA, OMA, NOMA, and multicasting as a function of the disparity of the channel strengths and the angle between the user channel directions.