A Novel Algorithm for Distributed Dynamic Interference Coordination in Cellular Networks

Wireless systems based on Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) multiplex different users in time and frequency. One of the main problems in OFDMA-systems is the inter-cell interference. A promising approach to solve this problem is interference coordination (IFCO). In this paper, we present a novel distributed IFCO scheme, where a central coordinator communicates coordination information in regular time intervals. This information is the basis for a local inner optimization in every basestation. The proposed scheme achieves an increase of more than 100% with respect to the cell edge throughput, and a gain of about 30% in the aggregate spectral efficiency compared to a reuse 3 system

Esquemas de cooperação entre estações base para o LTE no sentido descendente

The explosive growth in wireless traffic and in the number of connected devices as smart phones or computers, are causing a dramatic increase in the levels of interference, which significantly degrades the capacity gains promised by the point-to-point multi input, multi output (MIMO) based techniques. Therefore, it is becoming increasingly clear that major new improvements in spectral efficiency of wireless networks will have to entail addressing intercell interference. So, there is a need for a new cellular architecture that can take these factors under consideration. It is in this context that LTE-Advanced arises. One of the most promising LTE-Advanced technology is Coordinated Multipoint (CoMP), which allows base stations to cooperate among them, in order to mitigate or eliminate the intercell interference and, by doing so, increase the system’s capacity. This thesis intends to study this concept, implementing some schemes that fall under the CoMP concept. In this thesis we consider a distributed precoded multicell approach, where the precoders are computed locally at each BS to mitigate the intercell interference. Two precoder are considered: distributed zero forcing (DZF) and distributed virtual signal-to-interference noise ratio (DVSINR) recently proposed. Then the system is further optimized by computing a power allocation algorithm over the subcarriers that minimizes the average bit error rate (BER). The considered algorithms are also evaluated under imperfect channel state information. A quantized version of the CSI associated to the different links between the BS and the UT is feedback from the UT to the BS. This information is then employed by the different BSs to perform the precoding design. A new DVSINR precoder explicitly designed under imperfect CSI is proposed. The proposed schemes were implemented considering the LTE specifications, and the results show that the considered precoders are efficiently to remove the interference even under imperfect CSI.O crescimento exponencial no tráfego de comunicações sem-fios e no número de dispositivos utilizados (smart phones, computadores portáteis, etc.) está a causar um aumento significativo nos níveis de interferência, que prejudicam significativamente os ganhos de capacidade assegurados pelas tecnologias baseadas em ligações ponto-a-ponto MIMO. Deste modo, torna-se cada vez mais necessário que os grandes aperfeiçoamentos na eficiência espectral de sistemas de comunicações sem-fios tenham em consideração a interferência entre células. De forma a tomar em consideração estes aspectos, uma nova arquitectura celular terá de ser desenvolvida. É assim, neste contexto, que surge o LTE-Advanced. Uma das tecnologias mais promissoras do LTE-Advanced é a Coordenação Multi-Ponto (CoMP), que permite que as estações base cooperem de modo a mitigar a interferência entre células e, deste modo, aumentar a capacidade do sistema. Esta dissertação pretende estudar este conceito, implementando para isso algumas técnicas que se enquadram no conceito do CoMP. Nesta dissertação iremos considerar a implementação de um sistema de pré-codificação em múltiplas células, em que os pré-codificadores são calculados em cada BS, de modo a mitigar a interferência entre células. São considerados dois pré-codificadores: Distributed Zero Forcing (DZF) e Distributed Virtual Signal-to-Interferance Noise Ratio (DVSINR), recentemente proposto. De seguida o sistema é optimizado com a introdução de algoritmos de alocação de potência entre as sub-portadoras com o objectivo de minimizar a taxa média de erros (BER). Os algoritmos considerados são também avaliados em situações em que a informação do estado do canal é imperfeita. Uma versão quantizada da CSI associada a cada uma das diferentes ligações entre as BS e os UT é assim enviada do UT para a BS. Esta informação é então utilizada para calcular os diferentes pré-codificadores em cada BS. Uma nova versão do pré-codificador DVSINR é proposta de modo a lidar com CSI imperfeito. Os esquemas propostos foram implementados considerandos especificações do LTE, e os resultados obtidos demonstram que os pré-codificadores removem de uma forma eficiente a interferência, mesmo em situações em que a CSI é imperfeita

Técnicas de pré-codificação para sistemas multicelulares coordenados

Doutoramento em TelecomunicaçõesCoordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.Multicell coordination is a promising solution for cellular wireless systems to mitigate inter-cell interference, improving system fairness and increasing capacity and thus is already under study in LTE-A under the coordinated multipoint (CoMP) concept. There are several coordinated transmission approaches depending on the amount of information shared by the transmitters through the backhaul network and where the processing takes place i.e. in a central processing unit or in a distributed way on each base station. In this thesis, we propose joint precoding and power allocation techniques considering different strategies: Full-centralized, where all the processing takes place at the central unit; Semi-distributed, in this case only some process related with power allocation is done at the central unit; and Fulldistributed, where all the processing is done locally at each base station. The methods are designed in two phases: first the inter-cell interference is removed by applying a set of centralized or distributed precoding vectors; then the system is further optimized by centralized or distributed power allocation schemes. Three centralized power allocation algorithms with per-BS power constraint and different complexity tradeoffs are proposed. Also distributed power allocation schemes are proposed by considering the multicell system as superposition of single cell systems, where we define the average virtual bit error rate (BER) of interference-free single cell system, allowing us to compute the power allocation coefficients in a distributed manner at each BS. All proposed schemes are evaluated in realistic scenarios considering LTE specifications. The numerical evaluations show that the proposed schemes are efficient in removing inter-cell interference and improve system performance comparing to equal power allocation. Furthermore, fulldistributed schemes can be used when the amounts of information to be exchanged over the backhaul is restricted, although system performance is slightly degraded from semi-distributed and full-centralized schemes, but the complexity is considerably lower. Besides that for high degrees of freedom distributed schemes show similar behaviour to centralized ones

Interference Alignment and Cancellation in Wireless Communication Systems

The Shannon capacity of wireless networks has a fundamental importance for network information theory. This area has recently seen remarkable progress on a variety of problems including the capacity of interference networks, X networks, cellular networks, cooperative communication networks and cognitive radio networks. While each communication scenario has its own characteristics, a common reason of these recent developments is the new idea of interference alignment. The idea of interference alignment is to consolidate the interference into smaller dimensions of signal space at each receiver and use the remaining dimensions to transmit the desired signals without any interference. However, perfect alignment of interference requires certain assumptions, such as perfect channel state information at transmitter and receiver, perfect synchronization and feedback. Today’s wireless communication systems, on the other and, do not encounter such ideal conditions. In this thesis, we cover a breadth of topics of interference alignment and cancellation schemes in wireless communication systems such as multihop relay networks, multicell networks as well as cooperation and optimisation in such systems. Our main contributions in this thesis can be summarised as follows: • We derive analytical expressions for an interference alignment scheme in a multihop relay network with imperfect channel state information, and investigate the impact of interference on such systems where interference could accumulate due to the misalignment at each hop. • We also address the dimensionality problem in larger wireless communication systems such as multi-cellular systems. We propose precoding schemes based on maximising signal power over interference and noise. We show that these precoding vectors would dramatically improve the rates for multi-user cellular networks in both uplink and downlink, without requiring an excessive number of dimensions. Furthermore, we investigate how to improve the receivers which can mitigate interference more efficiently. • We also propose partial cooperation in an interference alignment and cancellation scheme. This enables us to assess the merits of varying mixture of cooperative and non-cooperative users and the gains achievable while reducing the overhead of channel estimation. In addition to this, we analytically derive expressions for the additional interference caused by imperfect channel estimation in such cooperative systems. We also show the impact of imperfect channel estimation on cooperation gains. • Furthermore, we propose jointly optimisation of interference alignment and cancellation for multi-user multi-cellular networks in both uplink and downlink. We find the optimum set of transceivers which minimise the mean square error at each base station. We demonstrate that optimised transceivers can outperform existing interference alignment and cancellation schemes. • Finally, we consider power adaptation and user selection schemes. The simulation results indicate that user selection and power adaptation techniques based on estimated rates can improve the overall system performance significantly