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Performance Evaluation of SDMA Coordination Schemes for WiMAX Systems
Premi Accenture al millor projecte de fi de carrera dâEnginyeria de TelecomunicaciĂł en Serveis TelemĂ tics.(Curs 2008-2009) Projecte realitzat en col.laboraciĂł amb el centre Aachen University of Technology.Advanced antenna technologies that are technically mature are currently being integrated into modern wireless systems such asWiMAX or LTE. Capacity and service quality provided by wireless links, as well as the spectral efficiency, are expected to be significantly boosted by advanced antenna techniques that are using multiple antennas either at the transmitter, at the receiver or at both sides. Beamforming or Space Division Multiple Access (SDMA) techniques are able to simultaneously transmit different signals to different receivers. Furthermore, concurrent reception of different signals is provided by joint detection techniques. In this manner the Medium Access Control (MAC) layer can also schedule stations separated in space. Thus, the capacity of the system can be increased with the number of concurrent data streams. But an SDMA enabled cell generates more varying interference than a conventional cell, because a changing number of subscriber stations are sending uplink data in parallel or DL streams with changing direction are transmitted by the base station. Thereby the SINR estimation becomes less precise and the link adaptation less effective. This thesis investigates schemes for mitigating inter-cell interference and increasing the precision of SINR estimations in SDMA enhanced system. Three concepts of coordination of BS are developed, implemented and evaluated in this work. System level simulations are conducted in a cellular deployment by means of the open Wireless Network Simulator (openWNS). They show the considerable gain of the developed enhancements compared to an uncoordinated systemAward-winnin
Multi-user MIMO wireless communications
Mehrantennensysteme sind auf Grund der erhöhten Bandbreiteneffizienz und
Leistung eine SchlĂŒsselkomponente von Mobilfunksystemen der Zukunft. Diese
ermöglichen das gleichzeitige Senden von mehreren, rÀumlich getrennten
Datenströmen zu verschiedenen Nutzern. Die zentrale Fragestellung in der Praxis
ist, ob der ursprĂŒnglich vorausgesagte KapazitĂ€tsgewinn in realistischen
Szenarios erreicht wird und welche spezifischen Gewinne durch zusÀtzliche
Antennen und das Ausnutzen von Kanalkenntnis am Sender und EmpfÀnger erzielt
werden, was andererseits einen Zuwachs an Overhead oder nötiger Rechenleistung
bedeutet.
In dieser Arbeit werden neue lineare und nicht-lineare MU-MIMO Precoding-
Verfahren vorgestellt. Der verfolgte Ansatz zur Bestimmung der Precoding-
Matrizen ist allgemein anwendbar und die entstandenen Algorithmen können zur
Optimierung von verschiedenen Kriterien mit beliebig vielen Antennen an der
Mobilstation eingesetzt werden. Das wurde durch die Berechnung der Precoding-
Matrix in zwei Schritten erreicht. Im ersten Schritt wird die Ăberschneidung der
ZeilenrÀume minimiert, die durch die effektiven Kanalmatrizen verschiedener
Nutzer aufgespannt werden. Basierend auf mehreren parallelen Einzelnutzer-MIMO-
KanĂ€len wird im zweiten Schritt die Systemperformanz bezĂŒglich bestimmter
Kriterien optimiert.
Aus der gĂ€ngigen Literatur ist bereits bekannt, dass fĂŒr Nutzer mit nur einer
Antenne das MMSE Kriterium beim precoding optimal aber nicht bei Nutzern mit
mehreren Antennen. Deshalb werden in dieser Arbeit zwei neue Mehrnutzer MIMO
Strategien vorgestellt, die vom MSE Kriterium abgeleitet sind, nÀmlich
sukzessives MMSE und RBD. Bei der sukzessiven Verarbeitung mit einer
entsprechenden Anpassung der Sendeleistungsverteilung kann die volle DiversitÀt
des Systems ausgeschöpft werden. Die KapazitÀt nÀhert sich dabei der maximalen
Summenrate des Systems an. Bei gemeinsamer Verarbeitung der MIMO KanÀle wird
unabhÀngig vom Grad der Mehrnutzerinterferenz die maximale DiversitÀt erreicht.
Die genannten Techniken setzen entweder eine aktuelle oder eine ĂŒber einen
lĂ€ngeren Zeitraum gemittelte Kanalkenntnis voraus. Aus diesem Grund mĂŒssen die
Auswirkungen von Kanal-SchĂ€tzfehlern und EinflĂŒsse des Transceiver Front-Ends
auf die Verfahren nÀher untersucht werden.
FĂŒr eine weitergehende AbschĂ€tzung der Mehrantennensysteme muss die Performanz
des Gesamtsystems untersucht werden, da viele EinflĂŒsse auf die rĂ€umliche
Signalverarbeitung bei Betrachtung eines einzelnen Links nicht erkennbar sind.
Es wurde gezeigt, dass mit MIMO Precoding Strategien ein Vielfaches der
Datenrate eines Systems mit nur einer Antenne erzielt werden kann, wÀhrend der
Overhead durch Pilotsymbole und Steuersignale nur geringfĂŒgig zunimmt.Multiple-input, multiple-output (MIMO) systems are a key component of future
wireless communication systems, because of their promising improvement in terms
of performance and bandwidth efficiency. An important research topic is the
study of multi-user (MU) MIMO systems. Such systems have the potential to
combine the high throughput achievable with MIMO processing with the benefits of
space division multiple access (SDMA). The main question from a practical
standpoint is whether the initially predicted capacity gains can be obtained in
more realistic scenarios and what specific gains result from adding more
antennas and overhead or computational power to obtain channel state information
(CSI) at the transceivers.
In this thesis we introduce new linear and non-linear MU MIMO processing
techniques. The approach used for the design of the precoding matrix is general
and the resulting algorithms can address several optimization criteria with an
arbitrary number of antennas at the user terminals (UTs). This is achieved by
designing the precoding matrices in two steps. In the first step we minimize the
overlap of the row spaces spanned by the effective channel matrices of different
users. In the next step, we optimize the system performance with respect to the
specific optimization criterion assuming a set of parallel single-user MIMO
channels.
As it was previously reported in the literature, minimum mean-squared-error
(MMSE) processing is optimum for single-antenna UTs. However, MMSE suffers from
a performance loss when users are equipped with more than one antenna. The two
MU MIMO processing techniques that result from the two different MSE criteria
that are proposed in this thesis are successive MMSE and regularized block
diagonalization. By iterating the closed form solution with appropriate power
loading we are able to extract the full diversity in the system and empirically
approach the maximum sum-rate capacity in case of high multi-user interference.
Joint processing of MIMO channels yields maximum diversity regardless of the
level of multi-user interference.
As these techniques rely on the fact that there is either instantaneous or long-
term CSI available at the base station to perform precoding and decoding, it was
very important to investigate the influence of the transceiver front-end
imperfections and channel estimation errors on their performance.
For a comprehensive assessment of multi-antenna techniques, it is mandatory to
consider the performance at system level, since many effects of spatial
processing are not tractable at the link level. System level investigations have
shown that MU MIMO precoding techniques provide several times higher data rates
than single-input single-output systems with only slightly increased pilot and
control overhead