A Markov Model for MIMO Channel Condition Number with Application to Dual-Mode Antenna Selection

The condition number is a well known indicator of the spatial selectivity of a MIMO wireless channel. The objective of this paper is to examine the temporal behavior of this metric using a Markov model construction. Specifically, we have developed two methods to calculate analytically the transition probabilities between Markov states. These methods involve the joint density for the channel eigenvalues at two adjacent time instances and the level crossing rates (LCR) of the condition number. We then use our Markov model to investigate the behavior of dual-mode antenna selection schemes in an i.i.d. Rayleigh fading channel

Multiuser MIMO techniques with feedback

Kooperative Antennenanlagen haben vor kurzem einen heißen Forschungsthema geworden, da Sie deutlich höhere spektrale Effizienz als herkömmliche zelluläre Systeme versprechen. Der Gewinn wird durch die Eliminierung von Inter-Zelle Störungen (ICI) durch Koordinierung der-Antenne Übertragungen erworben. Vor kurzem, verteilte Organisation Methoden vorgeschlagen. Eine der größten Herausforderungen für das Dezentrale kooperative Antennensystem ist Kanalschätzung für den Downlink Kanal besonders wenn FDD verwendet wird. Alle zugehörigen Basisstationen im genossenschaftlichen Bereich müssen die vollständige Kanal Informationen zu Wissen, die entsprechenden precoding Gewicht Matrix zu berechnen. Diese Information ist von mobilen Stationen übertragen werden Stationen mit Uplink Ressourcen zu stützen. Wird als mehrere Basisstationen und mehreren mobilen Stationen in kooperativen Antennensysteme und jede Basisstation und Mobilstation beteiligt sind, können mit mehreren Antennen ausgestattet sein, die Anzahl der Kanal Parameter wieder gefüttert werden erwartet, groß zu sein. In dieser Arbeit wird ein effizientes Feedback Techniken der downlink Kanal Informationen sind für die Multi-user Multiple Input Multiple Output Fall vorgeschlagen, der insbesondere auf verteilte kooperative Antennensysteme zielt. Zuerst wird ein Unterraum-basiertes Kanalquantisierungsverfahren vorgeschlagen, das ein vorbestimmtes Codebuch verwendet. Ein iterativer Codebuchentwurfsalgorithmus wird vorgeschlagen, der zu einem lokalen optimalen Codebuch konvergiert. Darüber hinaus werden Feedback-Overhead-Reduktionsverfahren entwickelt, die die zeitliche Korrelation des Kanals ausnutzen. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene adaptive Codebuchverfahren in Verbindung mit einem Datenkomprimierungsschema eine Leistung nahe an dem perfekten Kanalfall erzielt, was viel weniger Rückkopplungsoverhead im Vergleich zu anderen Techniken erfordert. Das auf dem Unterraum basierende Kanalquantisierungsverfahren wird erweitert, indem mehrere Antennen auf der Senderseite und/oder auf der Empfängerseite eingeführt werden, und die Leistung eines Vorcodierungs- (/Decodierungs-) Schemas mit regulierter Blockdiagonalisierung (RBD) wurde untersucht. Es wird ein kosteneffizientes Decodierungsmatrixquantisierungsverfahren vorgeschlagen, dass eine komplexe Berechnung an der Mobilstation vermeiden kann, während es nur eine leichte Verschlechterung zeigt. Die Arbeit wird abgeschlossen, indem die vorgeschlagenen Feedback-Methoden hinsichtlich ihrer Leistung, ihres erforderlichen Feedback-Overheads und ihrer Rechenkomplexität verglichen werden.Cooperative antenna systems have recently become a hot research topic, as they promise significantly higher spectral efficiency than conventional cellular systems. The gain is acquired by eliminating inter-cell interference (ICI) through coordination of the base antenna transmissions. Recently, distributed organization methods have been suggested. One of the main challenges of the distributed cooperative antenna system is channel estimation for the downlink channel especially when FDD is used. All of the associated base stations in the cooperative area need to know the full channel state information to calculate the corresponding precoding weight matrix. This information has to be transferred from mobile stations to base stations by using uplink resources. As several base stations and several mobile stations are involved in cooperative antenna systems and each base station and mobile station may be equipped with multiple antennas, the number of channel state parameters to be fed back is expected to be big. In this thesis, efficient feedback techniques of the downlink channel state information are proposed for the multi-user multiple-input multiple-output case, targeting distributed cooperative antenna systems in particular. First, a subspace based channel quantization method is proposed which employs a predefined codebook. An iterative codebook design algorithm is proposed which converges to a local optimum codebook. Furthermore, feedback overhead reduction methods are devised exploiting temporal correlation of the channel. It is shown that the proposed adaptive codebook method in conjunction with a data compression scheme achieves a performance close to the perfect channel case, requiring much less feedback overhead compared with other techniques. The subspace based channel quantization method is extended by introducing multiple antennas at the transmitter side and/or at the receiver side and the performance of a regularized block diagonalization (RBD) precoding(/decoding) scheme has been investigated as well as a zero-forcing (ZF) precoding scheme. A cost-efficient decoding matrix quantization method is proposed which can avoid a complex computation at the mobile station while showing only a slight degradation. The thesis is concluded by comparing the proposed feedback methods in terms of their performance, their required feedback overhead, and their computational complexity. The techniques that are developed in this thesis can be useful and applicable for 5G, which is envisioned to support the high granularity/resolution codebook and its efficient deployment schemes. Keywords: MU-MIMO, COOPA, limited feedback, CSI, CQ, feedback overhead reduction, Givens rotatio

Event-Driven Optimal Feedback Control for Multi-Antenna Beamforming

Transmit beamforming is a simple multi-antenna technique for increasing throughput and the transmission range of a wireless communication system. The required feedback of channel state information (CSI) can potentially result in excessive overhead especially for high mobility or many antennas. This work concerns efficient feedback for transmit beamforming and establishes a new approach of controlling feedback for maximizing net throughput, defined as throughput minus average feedback cost. The feedback controller using a stationary policy turns CSI feedback on/off according to the system state that comprises the channel state and transmit beamformer. Assuming channel isotropy and Markovity, the controller's state reduces to two scalars. This allows the optimal control policy to be efficiently computed using dynamic programming. Consider the perfect feedback channel free of error, where each feedback instant pays a fixed price. The corresponding optimal feedback control policy is proved to be of the threshold type. This result holds regardless of whether the controller's state space is discretized or continuous. Under the threshold-type policy, feedback is performed whenever a state variable indicating the accuracy of transmit CSI is below a threshold, which varies with channel power. The practical finite-rate feedback channel is also considered. The optimal policy for quantized feedback is proved to be also of the threshold type. The effect of CSI quantization is shown to be equivalent to an increment on the feedback price. Moreover, the increment is upper bounded by the expected logarithm of one minus the quantization error. Finally, simulation shows that feedback control increases net throughput of the conventional periodic feedback by up to 0.5 bit/s/Hz without requiring additional bandwidth or antennas.Comment: 29 pages; submitted for publicatio

Extending TDL based non-WSSUS vehicle-to-everything channel model

In den vergangenen Jahrzehnten haben drahtlose Kommunikationssysteme eine rasante Entwicklung durchgemacht und es wurden viele Untersuchungen durchgeführt, seit Maxwell die Existenz von elektromagnetischer Wellen vorausgesagt hat. In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der vehicle to X (V2X)-Kommunikation stetig zugenommen. V2X beschreibt die Fähigkeit, Daten zwischen einem Fahrzeug oder vehicle (V) und “allem” zu übertragen. In Zukunft könnten Fahrzeuge mit ihrer Umgebung kommunizieren, um Verkehrsunfälle zu vermeiden und Staus zu verringern. Dazu werden sie ihr Geschwindigkeits- und Positionsdaten über Ad-hoc-Fahrzeugnetze senden und empfangen können. Um die Verkehrssicherheit zu erhöhen, ist eine zuverlässige Kommunikationsverbindung notwendig. Die größte Herausforderung bei der Fahrzeugkommunikation besteht darin, dass sich die Eigenschaften des Physical Layers aufgrund der inhärenten Mobilität innerhalb des Kanals, der hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, der unterschiedlichen Antennenpositionen und der vielen Handover aufgrund kleinerer Zellen schnell ändern. Dies bringt eine Reihe von Herausforderungen in Bezug auf die Kanalcharakterisierung mit sich. Es handelt sich um einen Kanal mit starker Zeitvarianz und es treten viele Übergänge auf. Somit handelt es sich um einen nicht-stationärer (non-stationary) Kanal. Das Hauptziel dieser Untersuchung ist es, eine Methode zu finden, mit der der Kanal einer komplexen Umgebung in einer einfachen Form mit weniger strengen Beziehungen zur Geometrie dargestellt werden kann. Dabei werden die statistischen Eigenschaften ähnlich der Messdaten beibehalten. In dieser Arbeit werden nichtstationäre tapped delay line (TDL)-Modelle verwendet, um vehicle to infrastructure (V2I)-Kanäle zu beschreiben. Es wird eine neue Strategie zur Extraktion von TDL-Kanalmodellparametern aus Messdaten vorgeschlagen. Dieser Ansatz basiert auf einer bestehenden Methode zur Ableitung von Parametern für ein TDLModell. Es wird gezeigt, dass mit einer anderen Methode zur Auswahl der Taps die Anzahl der Abgriffe, die zur Rekonstruktion der root mean square delay spread (RMS-DS) eines Kanals erforderlich sind, erheblich reduziert werden kann. Ein neuer Ansatz zur überprüfen der Korrektheit der Ableitung der Kanalmodellparameter wird aufgezeigt. Die Durchführbarkeit der Methode wird anhand von Channel Sounding Messungen bestätigt. In dieser Dissertation wird ein Generator zur Erzeugung von Kanalimpulsantworten entwickelt und das nichtstationäre Verhalten der Kanäle durch die Verwendung eines ON/OFF-Prozesses beschrieben. Es werden Markov-Ketten unterschiedlicher Ordnung modelliert, um das nicht-stationäre Verhalten besser zu erfassen. Die Untersuchung zeigt, dass Markov-Ketten erster Ordnung mit zwei Zuständen vorzuziehen sind, um das häufige ON/OFF-Verhalten von Mehrwegpfaden darzustellen, und dass die Markov-Modelle zweiter und dritter Ordnung keine großen Auswirkungen haben. Eine Methode zur Erweiterung eines single input single output (SISO)-TDL-Modells auf multiple input multiple output (MIMO) unter der non-wide sense stationary uncorrelated scattering (non-WSSUS)-Annahme wird eingeführt, um TDL-Kanalmodelle für V2I MIMO-Systeme zu entwickeln. Die Analyse bewertet die SISO- mit der MIMO-Konfiguration in Bezug auf die Kanalkapazität. Es werden verschiedene MIMO-Konfigurationen untersucht, und es wird gezeigt, dass die Position der Antennen eine wichtige Rolle spielt. Die Verwendung von nur vier Antennen am transmitter (Tx) und receiver (Rx), die in unterschiedliche Richtungen abstrahlen, führt zu einem qualitativen Sprung in der Leistungsfähigkeit des Systems.In the past decades, wireless communication systems have undergone rapid development, and many investigations have been done since Maxwell predicted the existence of electromagnetic waves. In recent years, vehicle to X (V2X) communication research has been growing steadily. V2X describes the ability to transmit data between a vehicle (V) and “everything”. In the future, vehicles might be able to communicate with their environment to prevent traffic accidents and reduce congestion by allowing vehicles to transmit and receive data through a vehicular ad hoc network at their speed and position. In order to achieve the ultimate goal of enhancing transportation safety, it is crucial to establish reliable communication links. The main challenge of vehicular communications introduces new properties because the physical layer properties are rapidly changing due to inherent mobility within the channel, high vehicle speeds, varying antenna positions, and many handovers due to smaller cells. This brings up a number of challenges in terms of channel characterization because it is a strong time-variant channel and many transitions occur; therefore, it is a non-stationary channel. In this thesis, non-stationary tapped delay line (TDL) models are used to describe the vehicle to infrastructure (V2I) channels. This thesis proposes a new strategy to extract TDL channel model parameters from measurement data. The proposed approach is based on an existing method to derive parameters for a TDL model. It will be shown that with a different method of choosing taps, the number of taps necessary to regenerate the root mean square delay spread (RMS-DS) of a channel can be significantly reduced. An approach is proposed to verify the correctness of the channel model parameters derivation. The feasibility of the method will be confirmed using channel-sounding measurements. This dissertation devises a generator to produce channel impulse responses (CIRs) and describes the non-stationary behavior of the channels via employing an ON/OFF process. Different order Markov chains are modeled with the aim of better capturing the non-stationary behavior. The investigation shows that first-order two-state Markov chains are preferable to represent multipath’s frequent ON/OFF behavior, and the second- and third-order Markov models do not make enormous effects. A method for extending a single input single output (SISO)-TDL model to multiple input multiple output (MIMO) under non-wide sense stationary uncorrelated scattering (non-WSSUS) assumption is introduced to develop TDL channel models for the V2I MIMO systems. The analysis evaluates SISO- with MIMO configuration in terms of channel capacity. Different MIMO configurations are explored, and it will be illustrated that the position of antennas plays an important role. Using only four antennas at the transmitter (Tx) and receiver (Rx) that radiate towards different directions will make a qualitative leap in the performance of the system

Separation Framework: An Enabler for Cooperative and D2D Communication for Future 5G Networks

Soaring capacity and coverage demands dictate that future cellular networks need to soon migrate towards ultra-dense networks. However, network densification comes with a host of challenges that include compromised energy efficiency, complex interference management, cumbersome mobility management, burdensome signaling overheads and higher backhaul costs. Interestingly, most of the problems, that beleaguer network densification, stem from legacy networks' one common feature i.e., tight coupling between the control and data planes regardless of their degree of heterogeneity and cell density. Consequently, in wake of 5G, control and data planes separation architecture (SARC) has recently been conceived as a promising paradigm that has potential to address most of aforementioned challenges. In this article, we review various proposals that have been presented in literature so far to enable SARC. More specifically, we analyze how and to what degree various SARC proposals address the four main challenges in network densification namely: energy efficiency, system level capacity maximization, interference management and mobility management. We then focus on two salient features of future cellular networks that have not yet been adapted in legacy networks at wide scale and thus remain a hallmark of 5G, i.e., coordinated multipoint (CoMP), and device-to-device (D2D) communications. After providing necessary background on CoMP and D2D, we analyze how SARC can particularly act as a major enabler for CoMP and D2D in context of 5G. This article thus serves as both a tutorial as well as an up to date survey on SARC, CoMP and D2D. Most importantly, the article provides an extensive outlook of challenges and opportunities that lie at the crossroads of these three mutually entangled emerging technologies.Comment: 28 pages, 11 figures, IEEE Communications Surveys & Tutorials 201