Addressing the disruptive capacity requirements of 5G networks calls for a thorough exploration of multiple technological solutions. Two promising approaches are i) the use of multiple-input multiple-output (MIMO) technologies that enable multiplicative capacity gains, and ii) the exploration of new frequency bands to enlarge available bandwidth. While millimeter spectrum, one of the main bands under study, poses significant challenges due to its cumbersome propagation characteristics (particularly severe path-loss and channel sparsity), its ten-fold frequency increase favors the deployment of reduced-size large antenna arrays for massive MIMO. However, the high cost and power consumption of its required signal mixers and analog-to-digital converters precludes mmWave beamforming to be performed entirely at baseband using digital precoders. A possible cost-effective alternative is the hybrid precoding transceiver architecture, which combines digital and analog precoders. In this paper, we exploit the sparse nature of the channel to unveil an advantage in the design of the hybrid precoder. Specifically, by reformulating the hybrid precoder design as a matrix factorization problem, and adopting an atomic norm minimization approach, we propose a new hybrid precoding algorithm that takes advantage of the sparse nature of the mmWave channel to approach the performance of the optimal fully-digital precoder. Simulation results confirm that the proposed algorithm can approach the performance achieved by unconstrained digital beamforming solutions.

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Comenzaré agradeciendo a mis padres y a mi hermana su apoyo incondicional a lo largo de mi vida, y en especial durante esta etapa de mis estudios de doctorado. Gracias por estar en los momentos buenos y en los no tan buenos, gracias por vuestras palabras dé animo y alegraros de cada uno de mis logros personales.Agradecer también a otro de mis apoyos fundamentales durante esta etapa, mis compañeros y amigos, con los que tantos buenos momentos he compartido, entre ellos nuestros coffees diarios que tanto voy a echar de menos. Pablo, gracias por tus consejos y paciencia. Lore, siempre dispuesta a escuchar y ayudar, gracias. Iratxe, no sólo compartiste conmigo la primera etapa de mis estudios en la que fuiste un gran apoyo, sino también nuestras clases de zumba o nuestras meriendas dulces. Porúltimo, pero no menos importantes, mis compañeros de despacho y de comidas diarias, especialmente Juan Carlos, Alberto y Borja.Durante mi estancia en Chile, agradecer a todos por el trato excepcional que me dieron, pero especialmente a Manolo al que aprecio mucho y con el que lo pasé genial. Gracias por hacerme ver que es posible seguir viendo la parte positiva de las cosas aunque no siempre sea fácil.A Eva, por su disposicíon para ayudarme con el diseño de antenas, así como sus palabras deánimo y consejos cuando las cosas no parecían fáciles.Quizás me olvido de mencionar a mucha gente,Ángel, Jesús, Aarón, ... personas de distintos lugares que siempre han estado ahí y que de alguna manera, también me han apoyado durante esta etapa.Finalmente, a mi tutora, Mati, tengo que agradecerle su paciencia, apoyo y comprensión durante estos años, así como todas las oportunidades que me ha dado, entre ellas participar en proyectos de investigación enriquecedores, así como realizar estancias internacionales que puedo decir que me han enriquecido mucho como persona.

Every year around 200 million people are affected by hazards of different nature. In most of these situations public protection and disaster relief personnel are usually the first responders to provide help. To provide differential relief coverage in these scenarios, novel communication and network functionalities are being demanded, relegating today’s narrowband private radio (PMR) emergency systems to the background. These are data-support, increased coverage, broadband communication, and high reliability which will be addressed by novel communication technologies such as Long Term Evolution (LTE), LTE Advanced-pro, and future 5G. In this work we tackle two key technological solutions for future emergency communication networks such as an architecture based on relay nodes and enhanced user equipment by means of multiple-input-multiple-output (MIMO) techniques.

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