[ca] L'augment ràpid i exponencial previst per a la demanda de tràfic de dades en els pròxims anys imposa redissenyar les xarxes cel·lulars actuals degut a l'escassetat de l'espectre radioelèctric disponible. Es consideren 3 eixos directors per augmentar la capacitat dels sistemes més avançats d'avui dia (4G) i del futur (5G i més enllà): utilitzar més ample de banda (més Hz), millorar l'eficiència espectral per estació base (BS) (més bits/s/Hz/BS) utilitzant sistemes multi-antena (MIMO) i incrementar la densitat de BSs (més BSs/km2) a través d'un desplegament dens i heterogeni. Ens centrem en els 2 últims eixos. En primer lloc, l'ús de sistemes MIMO permet explotar la dimensió espacial per millorar la capacitat d'un enllaç convencional punt a punt, incrementar el nombre d'usuaris servits i reduir emissions indesitjades (interferències). En segon lloc, les xarxes denses i heterogènies són una manera simple i rentable de millorar l'eficiència espectral per àrea a través de la densificació de la xarxa i la reutilització espacial de l'espectre. No obstant això, l'increment de la densitat de BSs planteja dos principals reptes tècnics: les interferències augmenten perquè BSs/usuaris veïns estan més propers i la quantitat de tràfic de dades, així com l'asimetria del tràfic de baixada (DL) i de pujada (UL), fluctua amb el temps i l'espai més dràsticament ja que el nombre d'usuaris per BS és reduït. Per tant, un factor clau per a les xarxes MIMO denses i heterogènies és el desenvolupament de tècniques eficients de gestió d'interferències. D'altra banda, la variabilitat de la quantitat i asimetria del tràfic converteix en una necessitat el duplexat flexible (és a dir, assignacions flexibles de recursos DL/UL per BS) per aconseguir un ús eficient dels recursos. Així doncs, es torna crucial el desenvolupament d'esquemes de gestió de recursos capaços d'adaptar-se a càrregues de tràfic variable i, a la vegada, gestionar interferències. Aquesta tesi es centra en el desenvolupament de tècniques avançades de gestió d'interferències per combatre interferències entre cel·les en xarxes MIMO denses i en el disseny d'esquemes de gestió de recursos que tenen en compte el tràfic i la interferència per a sistemes de duplexat flexible en condicions asimètriques de tràfic. Per aconseguir aquests objectius, s'aprofita l'ampli desplegament de sistemes MIMO per desenvolupar tècniques avançades de processament de senyals quan s'adopta reutilització completa de recursos entre BSs densament desplegades. En la primera part, s'analitzen diferents caracteritzacions estadístiques dels senyals transmesos per millorar la capacitat dels canals limitats per interferència. Es deriven esquemes de senyalització avançats i s'investiga l'ús de la senyalització Gaussiana improper, la qual permet explotar les dimensions reals i imaginàries dels canals MIMO. En la segona part, es proposen estratègies de transmissió coordinades per gestionar interferències en xarxes denses. El disseny de les estratègies de transmissió a les BSs (incloent: disseny de filtres espacials en transmissió/recepció, control de potència i selecció d'usuaris) és coordinat per optimitzar diferents funcions de xarxa mentre que es redueixen els estrictes requisits d'estimació de canal en xarxes denses. També s'analitzen estratègies de coordinació per al cas en què diferents esquemes de senyalització coexisteixen. A més, es deriven estratègies de coordinació per a transmissions conjuntes basades en grups, on les BSs s'agrupen en grups i grups veïns s'interfereixen entre si. La tercera part es centra en el disseny de tècniques de duplexat flexible que tenen en compte tràfic i interferència per fer un millor ús dels recursos disponibles, considerant condicions de tràfic asimètriques i gestionant els nous tipus d'interferències que apareixen sota el duplexat flexible. S'investiguen optimitzacions a curt i a llarg termini, sent llavors la interferència gestionada instantàniament i estadísticament, respectivament.

[en] The envisioned rapid and exponential increase of wireless data traffic demand in the next years imposes rethinking current cellular networks due to the available spectrum scarcity. In this regard, 3 main drivers are considered to increase the capacity of today's most advanced (4G) and future (5G and beyond) cellular networks: use more bandwidth (more Hz) through spectral aggregation, enhance the spectral efficiency per base station (BS) (more bits/s/Hz/BS) by using multi-antenna (i.e. MIMO) systems, and increase the density of BSs (more BSs/km2) through a dense and heterogeneous deployment. We focus on the last 2 drivers. First, the use of MIMO systems allows exploiting the spatial dimension for improving the capacity of a conventional point-to-point link, increasing the number of served users, and reducing unwanted emissions (interference). Second, dense heterogeneous networks are a simple and cost-effective way to boost the area spectral efficiency by densifying the network and improving the spatial re-use of the spectrum. However, increasing the BSs density entails two main technical challenges: the interference increases because neighboring BSs/users are nearer and the amount of data traffic, as well as downlink (DL) and uplink (UL) traffic asymmetry, varies over space and time more drastically since the number of users per BS is reduced. The increase of interference makes the development of efficient interference management techniques a key enabler for MIMO dense heterogeneous networks. On the other hand, the variability of the per-BS traffic amount and the DL/UL traffic asymmetry convert flexible duplexing (i.e. flexible allocation of DL/UL resources per BS) into a necessity for an efficient resource usage. Therefore, the development of resource management schemes capable of adapting to the varying traffic load, as well as interference management, becomes crucial. Accordingly, this thesis focuses on the development of advanced interference management techniques to deal with inter-cell interference in MIMO dense networks and on the design of traffic- and interference-aware resource management schemes for flexible duplexing systems in asymmetric traffic conditions. To these goals, the wide deployment of MIMO systems is capitalized to develop advanced multi-antenna signal processing techniques when full reuse of time and frequency resources among densely deployed BSs is adopted. In the first part, different statistical characterizations of the transmitted signals are analyzed to improve the capacity of wireless interference-limited MIMO channels. Advanced signaling schemes are developed and the use of improper Gaussian signaling (IGS) is investigated, which allows exploiting the real and imaginary dimensions of MIMO channels. Majorization theory is exploited to demonstrate the strict superiority of IGS. In the second part, transmit coordination strategies are proposed to manage interference in extremely dense cellular networks. The design of BSs transmit strategies (involving design of spatial transmit/receive filters, power control, and user scheduling) is coordinated to optimize different network functions while reducing the stringent requirements needed for channel estimation in dense networks. Coordination strategies for the case in which different signaling schemes coexist in the network are also derived. Further, coordination strategies for cluster-based joint transmissions are developed, where BSs are grouped into clusters and different clusters interfere to each other. The third part focuses on the design of traffic- and interference-aware duplexing techniques to make a better use of the available resources by taking into account the asymmetric traffic conditions that arise in dense networks and managing the new kinds of interference that come up under flexible duplexing. Short-term and long-term optimizations are investigated, being therefore the interference managed instantaneously and statistically, respectively.