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Rate-splitting multiple access for non-terrestrial communication and sensing networks
Rate-splitting multiple access (RSMA) has emerged as a powerful and flexible
non-orthogonal transmission, multiple access (MA) and interference management
scheme for future wireless networks. This thesis is concerned with the application of
RSMA to non-terrestrial communication and sensing networks. Various scenarios
and algorithms are presented and evaluated.
First, we investigate a novel multigroup/multibeam multicast beamforming strategy
based on RSMA in both terrestrial multigroup multicast and multibeam satellite
systems with imperfect channel state information at the transmitter (CSIT). The
max-min fairness (MMF)-degree of freedom (DoF) of RSMA is derived and shown
to provide gains compared with the conventional strategy. The MMF beamforming
optimization problem is formulated and solved using the weighted minimum mean
square error (WMMSE) algorithm. Physical layer design and link-level simulations
are also investigated. RSMA is demonstrated to be very promising for multigroup
multicast and multibeam satellite systems taking into account CSIT uncertainty
and practical challenges in multibeam satellite systems.
Next, we extend the scope of research from multibeam satellite systems to satellite-
terrestrial integrated networks (STINs). Two RSMA-based STIN schemes are
investigated, namely the coordinated scheme relying on CSI sharing and the co-
operative scheme relying on CSI and data sharing. Joint beamforming algorithms
are proposed based on the successive convex approximation (SCA) approach to
optimize the beamforming to achieve MMF amongst all users. The effectiveness and
robustness of the proposed RSMA schemes for STINs are demonstrated.
Finally, we consider RSMA for a multi-antenna integrated sensing and communications (ISAC) system, which simultaneously serves multiple communication users
and estimates the parameters of a moving target. Simulation results demonstrate
that RSMA is beneficial to both terrestrial and multibeam satellite ISAC systems by
evaluating the trade-off between communication MMF rate and sensing Cramer-Rao
bound (CRB).Open Acces
Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems
Nach einer Einleitung behandelt Teil 2 Mehrbenutzer-Scheduling für die
Abwärtsstrecke von drahtlosen MIMO Systemen mit einer Sendestation und
kanaladaptivem precoding: In jeder Zeit- oder Frequenzressource kann eine
andere Nutzergruppe gleichzeitig bedient werden, räumlich getrennt durch
unterschiedliche Antennengewichte. Nutzer mit korrelierten Kanälen sollten
nicht gleichzeitig bedient werden, da dies die räumliche Trennbarkeit
erschwert. Die Summenrate einer Nutzermenge hängt von den Antennengewichten
ab, die wiederum von der Nutzerauswahl abhängen. Zur Entkopplung des
Problems schlägt diese Arbeit Metriken vor basierend auf einer geschätzten
Rate mit ZF precoding. Diese lässt sich mit Hilfe von wiederholten
orthogonalen Projektionen abschätzen, wodurch die Berechnung von
Antennengewichten beim Scheduling entfällt. Die Ratenschätzung kann
basierend auf momentanen Kanalmessungen oder auf gemittelter Kanalkenntnis
berechnet werden und es können Datenraten- und Fairness-Kriterien
berücksichtig werden. Effiziente Suchalgorithmen werden vorgestellt, die
die gesamte Systembandbreite auf einmal bearbeiten können und zur
Komplexitätsreduktion die Lösung in Zeit- und Frequenz nachführen können.
Teil 3 zeigt wie mehrere Sendestationen koordiniertes Scheduling und
kooperative Signalverarbeitung einsetzen können. Mittels orthogonalen
Projektionen ist es möglich, Inter-Site Interferenz zu schätzen, ohne
Antennengewichte berechnen zu müssen. Durch ein Konzept virtueller Nutzer
kann der obige Scheduling-Ansatz auf mehrere Sendestationen und sogar
Relays mit SDMA erweitert werden. Auf den benötigten Signalisierungsaufwand
wird kurz eingegangen und eine Methode zur Schätzung der Summenrate eines
Systems ohne Koordination besprochen. Teil4 entwickelt Optimierungen für
Turbo Entzerrer. Diese Nutzen Signalkorrelation als Quelle von Redundanz.
Trotzdem kann eine Kombination mit MIMO precoding sinnvoll sein, da bei
Annahme realistischer Fehler in der Kanalkenntnis am Sender keine optimale
Interferenzunterdrückung möglich ist. Mit Hilfe von EXIT Charts wird eine
neuartige Methode zur adaptiven Nutzung von a-priori-Information zwischen
Iterationen entwickelt, die die Konvergenz verbessert. Dabei wird gezeigt,
wie man semi-blinde Kanalschätzung im EXIT chart berücksichtigen kann.
In Computersimulationen werden alle Verfahren basierend auf
4G-Systemparametern überprüft.After an introduction, part 2 of this thesis deals with downlink multi-user
scheduling for wireless MIMO systems with one transmitting station
performing channel adaptive precoding:Different user subsets can be served
in each time or frequency resource by separating them in space with
different antenna weight vectors. Users with correlated channel matrices
should not be served jointly since correlation impairs the spatial
separability.The resulting sum rate for each user subset depends on the
precoding weights, which in turn depend on the user subset. This thesis
manages to decouple this problem by proposing a scheduling metric based on
the rate with ZF precoding such as BD, written with the help of orthogonal
projection matrices. It allows estimating rates without computing any
antenna weights by using a repeated projection approximation.This rate
estimate allows considering user rate requirements and fairness criteria
and can work with either instantaneous or long term averaged channel
knowledge.Search algorithms are presented to efficiently solve user
grouping or selection problems jointly for the entire system bandwidth
while being able to track the solution in time and frequency for complexity
reduction.
Part 3 shows how multiple transmitting stations can benefit from
cooperative scheduling or joint signal processing. An orthogonal projection
based estimate of the inter-site interference power, again without
computing any antenna weights, and a virtual user concept extends the
scheduling approach to cooperative base stations and finally included SDMA
half-duplex relays in the scheduling.Signalling overhead is discussed and a
method to estimate the sum rate without coordination.
Part 4 presents optimizations for Turbo Equalizers. There, correlation
between user signals can be exploited as a source of redundancy.
Nevertheless a combination with transmit precoding which aims at reducing
correlation can be beneficial when the channel knowledge at the transmitter
contains a realistic error, leading to increased correlation. A novel
method for adaptive re-use of a-priori information between is developed to
increase convergence by tracking the iterations online with EXIT charts.A
method is proposed to model semi-blind channel estimation updates in an
EXIT chart.
Computer simulations with 4G system parameters illustrate the methods using realistic channel models.Im Buchhandel erhältlich:
Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems / Fuchs-Lautensack,Martin
Ilmenau: ISLE, 2009,116 S.
ISBN 978-3-938843-43-
Linear Transmit-Receive Strategies for Multi-user MIMO Wireless Communications
Die Notwendigkeit zur Unterdrueckung von Interferenzen auf der einen Seite
und zur Ausnutzung der durch Mehrfachzugriffsverfahren erzielbaren Gewinne
auf der anderen Seite rueckte die raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren
(Space Division Multiple Access, SDMA) in den Fokus der Forschung. Ein
Vertreter der raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren, die lineare
Vorkodierung, fand aufgrund steigender Anzahl an Nutzern und Antennen in
heutigen und zukuenftigen Mobilkommunikationssystemen besondere Beachtung,
da diese Verfahren das Design von Algorithmen zur Vorcodierung
vereinfachen. Aus diesem Grund leistet diese Dissertation einen Beitrag zur
Entwicklung linearer Sende- und Empfangstechniken fuer MIMO-Technologie mit
mehreren Nutzern. Zunaechst stellen wir ein Framework zur Approximation des
Datendurchsatzes in Broadcast-MIMO-Kanaelen mit mehreren Nutzern vor. In
diesem Framework nehmen wir das lineare Vorkodierverfahren regularisierte
Blockdiagonalisierung (RBD) an. Durch den Vergleich von Dirty Paper Coding
(DPC) und linearen Vorkodieralgorithmen (z.B. Zero Forcing (ZF) und
Blockdiagonalisierung (BD)) ist es uns moeglich, untere und obere Schranken
fuer den Unterschied bezueglich Datenraten und bezueglich Leistung zwischen
beiden anzugeben. Im Weiteren entwickeln wir einen Algorithmus fuer
koordiniertes Beamforming (Coordinated Beamforming, CBF), dessen Loesung
sich in geschlossener Form angeben laesst. Dieser CBF-Algorithmus basiert
auf der SeDJoCo-Transformation und loest bisher vorhandene Probleme im
Bereich CBF. Im Anschluss schlagen wir einen iterativen CBF-Algorithmus
namens FlexCoBF (flexible coordinated beamforming) fuer
MIMO-Broadcast-Kanaele mit mehreren Nutzern vor. Im Vergleich mit bis dato
existierenden iterativen CBF-Algorithmen kann als vielversprechendster
Vorteil die freie Wahl der linearen Sende- und Empfangsstrategie
herausgestellt werden. Das heisst, jede existierende Methode der linearen
Vorkodierung kann als Sendestrategie genutzt werden, waehrend die Strategie
zum Empfangsbeamforming frei aus MRC oder MMSE gewaehlt werden darf. Im
Hinblick auf Szenarien, in denen Mobilfunkzellen in Clustern
zusammengefasst sind, erweitern wir FlexCoBF noch weiter. Hier wurde das
Konzept der koordinierten Mehrpunktverbindung (Coordinated Multipoint
(CoMP) transmission) integriert. Zuletzt stellen wir drei Moeglichkeiten
vor, Kanalzustandsinformationen (Channel State Information, CSI) unter
verschiedenen Kanalumstaenden zu erlangen. Die Qualitaet der
Kanalzustandsinformationen hat einen starken Einfluss auf die Guete des
Uebertragungssystems. Die durch unsere neuen Algorithmen erzielten
Verbesserungen haben wir mittels numerischer Simulationen von Summenraten
und Bitfehlerraten belegt.In order to combat interference and exploit large multiplexing gains of the
multi-antenna systems, a particular interest in spatial division multiple
access (SDMA) techniques has emerged. Linear precoding techniques, as one
of the SDMA strategies, have obtained more attention due to the fact that
an increasing number of users and antennas involved into the existing and
future mobile communication systems requires a simplification of the
precoding design. Therefore, this thesis contributes to the design of
linear transmit and receive strategies for multi-user MIMO broadcast
channels in a single cell and clustered multiple cells. First, we present a
throughput approximation framework for multi-user MIMO broadcast channels
employing regularized block diagonalization (RBD) linear precoding.
Comparing dirty paper coding (DPC) and linear precoding algorithms (e.g.,
zero forcing (ZF) and block diagonalization (BD)), we further quantify
lower and upper bounds of the rate and power offset between them as a
function of the system parameters such as the number of users and antennas.
Next, we develop a novel closed-form coordinated beamforming (CBF)
algorithm (i.e., SeDJoCo based closed-form CBF) to solve the existing open
problem of CBF. Our new algorithm can support a MIMO system with an
arbitrary number of users and transmit antennas. Moreover, the application
of our new algorithm is not only for CBF, but also for blind source
separation (BSS), since the same mathematical model has been used in BSS
application.Then, we further propose a new iterative CBF algorithm (i.e.,
flexible coordinated beamforming (FlexCoBF)) for multi-user MIMO broadcast
channels. Compared to the existing iterative CBF algorithms, the most
promising advantage of our new algorithm is that it provides freedom in the
choice of the linear transmit and receive beamforming strategies, i.e., any
existing linear precoding method can be chosen as the transmit strategy and
the receive beamforming strategy can be flexibly chosen from MRC or MMSE
receivers. Considering clustered multiple cell scenarios, we extend the
FlexCoBF algorithm further and introduce the concept of the coordinated
multipoint (CoMP) transmission. Finally, we present three strategies for
channel state information (CSI) acquisition regarding various channel
conditions and channel estimation strategies. The CSI knowledge is required
at the base station in order to implement SDMA techniques. The quality of
the obtained CSI heavily affects the system performance. The performance
enhancement achieved by our new strategies has been demonstrated by
numerical simulation results in terms of the system sum rate and the bit
error rate