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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
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
Multiuser MIMO techniques with feedback
Kooperative Antennenanlagen haben vor kurzem einen heiĂen Forschungsthema geworden, da Sie deutlich höhere spektrale Effizienz als herkömmliche zellulĂ€re Systeme versprechen. Der Gewinn wird durch die Eliminierung von Inter-Zelle Störungen (ICI) durch Koordinierung der-Antenne Ăbertragungen erworben. Vor kurzem, verteilte Organisation Methoden vorgeschlagen. Eine der gröĂten Herausforderungen fĂŒr das Dezentrale kooperative Antennensystem ist KanalschĂ€tzung fĂŒr den Downlink Kanal besonders wenn FDD verwendet wird. Alle zugehörigen Basisstationen im genossenschaftlichen Bereich mĂŒssen die vollstĂ€ndige Kanal Informationen zu Wissen, die entsprechenden precoding Gewicht Matrix zu berechnen. Diese Information ist von mobilen Stationen ĂŒbertragen werden Stationen mit Uplink Ressourcen zu stĂŒtzen. 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 gefĂŒttert werden erwartet, groĂ zu sein. In dieser Arbeit wird ein effizientes Feedback Techniken der downlink Kanal Informationen sind fĂŒr 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. DarĂŒber 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 RĂŒckkopplungsoverhead im Vergleich zu anderen Techniken erfordert. Das auf dem Unterraum basierende Kanalquantisierungsverfahren wird erweitert, indem mehrere Antennen auf der Senderseite und/oder auf der EmpfĂ€ngerseite eingefĂŒhrt 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, wĂ€hrend es nur eine leichte Verschlechterung zeigt. Die Arbeit wird abgeschlossen, indem die vorgeschlagenen Feedback-Methoden hinsichtlich ihrer Leistung, ihres erforderlichen Feedback-Overheads und ihrer RechenkomplexitĂ€t 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
A Versatile Low-Complexity Feedback Scheme for FDD Systems via Generative Modeling
We propose a versatile feedback scheme for both single- and multi-user
multiple-input multiple-output (MIMO) frequency division duplex (FDD) systems.
Particularly, we propose utilizing a Gaussian mixture model (GMM) with a
reduced number of parameters for codebook construction, feedback encoding, and
precoder design. The GMM is fitted offline at the base station (BS) to uplink
training samples to approximate the channel distribution of all possible mobile
terminals (MTs) within the BS cell. Subsequently, a codebook is constructed,
with each element based on one GMM component. Extracting directional
information from the codebook or exploiting the GMM's sample generation ability
facilitates joint precoder design for a multi-user MIMO system using
state-of-the-art precoding algorithms. After offloading the GMM to the MTs,
they can easily determine their feedback by selecting the index of the GMM
component with the highest responsibility for their received pilot signal. This
strategy exhibits low complexity and supports parallelization. Simulations
demonstrate that the proposed approach outperforms conventional methods, which
either estimate the channel and utilize a Lloyd codebook or use a deep neural
network to determine the feedback in terms of spectral efficiency or sum-rate.
The performance gains can be exploited to deploy systems with fewer pilots or
feedback bits.Comment: Copyright IEEE. Personal use is permitted, but
republication/redistribution requires IEEE permission. See
https://www.ieee.org/publications/rights/index.html for more informatio
Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems
Nach einer Einleitung behandelt Teil 2 Mehrbenutzer-Scheduling fĂŒr die
AbwÀrtsstrecke von drahtlosen MIMO Systemen mit einer Sendestation und
kanaladaptivem precoding: In jeder Zeit- oder Frequenzressource kann eine
andere Nutzergruppe gleichzeitig bedient werden, rÀumlich getrennt durch
unterschiedliche Antennengewichte. Nutzer mit korrelierten KanÀlen sollten
nicht gleichzeitig bedient werden, da dies die rÀumliche Trennbarkeit
erschwert. Die Summenrate einer Nutzermenge hÀngt von den Antennengewichten
ab, die wiederum von der Nutzerauswahl abhÀngen. Zur Entkopplung des
Problems schlÀgt diese Arbeit Metriken vor basierend auf einer geschÀtzten
Rate mit ZF precoding. Diese lÀsst sich mit Hilfe von wiederholten
orthogonalen Projektionen abschÀtzen, wodurch die Berechnung von
Antennengewichten beim Scheduling entfÀllt. Die RatenschÀtzung kann
basierend auf momentanen Kanalmessungen oder auf gemittelter Kanalkenntnis
berechnet werden und es können Datenraten- und Fairness-Kriterien
berĂŒcksichtig werden. Effiziente Suchalgorithmen werden vorgestellt, die
die gesamte Systembandbreite auf einmal bearbeiten können und zur
KomplexitĂ€tsreduktion die Lösung in Zeit- und Frequenz nachfĂŒhren können.
Teil 3 zeigt wie mehrere Sendestationen koordiniertes Scheduling und
kooperative Signalverarbeitung einsetzen können. Mittels orthogonalen
Projektionen ist es möglich, Inter-Site Interferenz zu schÀtzen, ohne
Antennengewichte berechnen zu mĂŒssen. 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 SchÀtzung der Summenrate eines
Systems ohne Koordination besprochen. Teil4 entwickelt Optimierungen fĂŒr
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
InterferenzunterdrĂŒckung 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 KanalschĂ€tzung im EXIT chart berĂŒcksichtigen kann.
In Computersimulationen werden alle Verfahren basierend auf
4G-Systemparametern ĂŒberprĂŒft.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 erhÀltlich:
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-
Advanced Signal Processing Techniques for Two-Way Relaying Networks and Full-Duplex Communication Systems
ï»żSehr hohe Datenraten und stĂ€ndig verfĂŒgbare Netzabdeckung in
zukĂŒnftigen drahtlosen Netzwerken erfordern neue Algorithmen auf der
physischen Schicht. Die Nutzung von Relais stellt ein vielversprechendes
Verfahren dar, da die Netzabdeckung gesteigert werden kann. ZusÀtzlich
steht hierdurch im Vergleich zu Kupfer- oder Glasfaserleitungen eine
preiswerte Lösung zur Anbindung an die Netzinfrastruktur zur VerfĂŒgung.
Traditionelle Einwege-Relais-Techniken (One-Way Relaying [OWR]) nutzen
Halbduplex-Verfahren (HD-Verfahren), welche das Ăbertragungssystem
ausbremst und zu spektralen Verlusten fĂŒhrt. Einerseits erlauben es
Zweiwege-Relais-Techniken (Two-Way Relaying [TWR]), simultan sowohl an das
Relais zu senden als auch von diesem zu empfangen, wodurch im Vergleich zu
OWR das Spektrum effizienter genutzt wird. Aus diesem Grunde untersuchen
wir Zweiwege-Relais und im Speziellen TWR-Systeme fĂŒr den
Mehrpaar-/Mehrnutzer-Betrieb unter Nutzung von Amplify-and-forward-Relais
(AF-Relais). Derartige Szenarien leiden unter Interferenzen zwischen Paaren
bzw. zwischen Nutzern. Um diesen Interferenzen Herr zu werden, werden
hochentwickelte Signalverarbeitungsalgorithmen â oder in anderen Worten
rÀumliche Mehrfachzugriffsverfahren (Spatial Division Multiple Access
[SDMA]) â benötigt. Andererseits kann der spektrale Verlust durch den
HD-Betrieb auch kompensiert werden, wenn das Relais im Vollduplexbetrieb
arbeitet. Nichtsdestotrotz ist ein FD-GerÀt in der Praxis aufgrund starker
interner Selbstinterferenz (SI) und begrenztem Dynamikumfang des
Tranceivers schwer zu realisieren. Aus diesem Grunde sollten
fortschrittliche Verfahren zur SI-ĂnterdrĂŒckung entwickelt werden. Diese
Dissertation trÀgt diesen beiden Zielen Rechnung, indem optimale und/oder
effiziente algebraische Lösungen entwickelt werden, welche verschiedenen
Nutzenfunktionen, wie Summenrate und minimale Sendeleistung, maximieren.Im
ersten Teil studieren wir zunÀchst Mehrpaar-TWR-Netzwerke mit einem
einzelnen Mehrantennen-AF-Relais. Dieser Anwendungsfall kann auch so
betrachtet werden, dass sich mehrere verschiedene Dienstoperatoren Relais
und Spektrum teilen, wobei verschiedene Nutzerpaare zu verschiedenen
Dienstoperatoren gehören. Aktuelle AnsÀtzen zielen auf
InterferenzunterdrĂŒckung ab. Wir schlagen ein auf Projektion basiertes
Verfahren zur Trennung mehrerer Dienstoperatoren (projection based
separation of multiple operators [ProBaSeMO]) vor. ProBaSeMO ist leicht
anpassbar fĂŒr den Fall, dass jeder Nutzer mehrere Antennen besitzt oder
unterschiedliche Systemdesignkriterien angewendet werden mĂŒssen. Als
BewertungsmaĂstab fĂŒr ProBaSeMO entwickeln wir optimale Algorithmen zur
Maximierung der Summenrate, zur Minimierung der Sendeleistung am Relais
oder zur Maximierung des minimalen
Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-VerhÀltnisses (Signal to Interference and
Noise Ratio [SINR]) am Nutzer. Zur Maximierung der Summenrate wurden
spezifische gradientenbasierte Methoden entwickelt, die unabhÀngig davon
sind, ob ein Nutzer mit einer oder mehr Antennen ausgestattet ist. Um im
Falle eines âWorst-Caseâ immer noch eine polynomielle Laufzeit zu
garantieren, entwickelten wir einen Algorithmus mit polynomieller Laufzeit.
Dieser ist inspiriert von der âPolynomial Time Difference of Convex
Functionsâ-Methode (POTDC-Methode). BezĂŒglich der Summenrate des Systems
untersuchen wir zuletzt, welche Bedingungen erfĂŒllt sein mĂŒssen, um einen
Gewinn durch gemeinsames Nutzen zu erhalten. Hiernach untersuchen wir die
Maximierung der Summenrate eines Mehrpaar-TWR-Netzwerkes mit mehreren
Einantennen-AF-Relais und Einantennen-Nutzern. Das daraus resultierende
Problem der Summenraten-Maximierung, gebunden an eine bestimmte
Gesamtsendeleistung aller Relais im Netzwerk, ist Àhnlich dem des
vorangegangenen Szenarios. Dementsprechend kann eine optimale Lösung fĂŒr
das eine Szenario auch fĂŒr das jeweils andere Szenario genutzt werden.
Weiterhin werden basierend auf dem Polynomialzeitalgorithmus global
optimale Lösungen entwickelt. Diese Lösungen sind entweder an eine
maximale Gesamtsendeleistung aller Relais oder an eine maximale
Sendeleistung jedes einzelnen Relais gebunden. ZusÀtzlich entwickeln wir
suboptimale Lösungen, die effizient in ihrer Laufzeit sind und eine
Approximation der optimalen Lösung darstellen. Hiernach verlegen wir unser
Augenmerk auf ein Mehrpaar-TWR-Netzwerk mit mehreren Mehrantennen-AF-Relais
und mehreren Repeatern. Solch ein Szenario ist allgemeiner, da die
vorherigen beiden Szenarien als spezielle Realisierungen dieses Szenarios
aufgefasst werden können. Das Interferenz-Management in diesem Szenario
ist herausfordernder aufgrund der vorhandenen Repeater.
Interferenzneutralisierung (IN) stellt eine Lösung dar, um diese Art
Interferenz zu handhaben. Im Zuge dessen werden notwendige und ausreichende
Bedingungen zur Aufhebung der Interferenz hergeleitet. Weiterhin wird ein
Framework entwickelt, dass verschiedene Systemnutzenfunktionen optimiert,
wobei IN im jeweiligen Netzwerk vorhanden sein kann oder auch nicht. Dies
ist unabhÀngig davon, ob die Relais einer maximalen Gesamtsendeleistung
oder einer individuellen maximalen Sendeleistung unterliegen. Letztendlich
entwickeln wir ein Ăbertragungsverfahren sowie ein Vorkodier- und
Dekodierverfahren fĂŒr Basisstationen (BS) in einem TWR-assistierten
Mehrbenutzer-MIMO-Downlink-Kanal. Im Vergleich mit dem
Mehrpaar-TWR-Netzwerk leidet dieses Szenario unter Interferenzen zwischen
den KanÀlen. Wir entwickeln drei suboptimale Algorithmen, welche auf
Kanalinversion basieren. ProBaSeMO und âZero-Forcing Dirty Paper
Codingâ (ZFDPC), welche eine geringe ZeitkomplexitĂ€t aufweisen, schaffen
eine Balance zwischen LeistungsfÀhigkeit und KomplexitÀt. ZusÀtzlich
gibt es jeweils nur geringe EinbrĂŒche in stark beanspruchten
Kommunikationssystemen.Im zweiten Teil untersuchen wir Techniken zur
SI-UnterdrĂŒckung, um den FD-Gewinn in einem Punkt-zu-Punkt-System
auszunutzen. ZunĂ€chst entwickeln wir ein Ăbertragungsverfahren, dass auf
SI RĂŒcksicht nimmt und die SI-UnterdrĂŒckung gegen den Multiplexgewinn
abwÀgt. Die besten Ergebnisse werden durch die perfekte Kenntnis des
Kanals erzielt, was praktisch nicht genau der Fall ist. Aus diesem Grund
werden Ăbertragungstechniken fĂŒr den âWorst Caseâ entwickelt, die den
KanalschÀtzfehlern Rechnung tragen. Diese Fehler werden deterministisch
modelliert und durch Ellipsoide beschrÀnkt. In praktischen Szenarien ist
der HF-Schaltkreise nicht perfekt. Dies hat Einfluss auf die Verfahren zur
SI-UnterdrĂŒckung und fĂŒhrt zu einer Restselbstinterferenz. Wir entwickeln
effiziente Ăbertragungstechniken mittels Beamforming, welche auf dem
Signal-zu-Verlust-und-Rausch-VerhÀltnis (signal to leakage plus noise
ratio [SLNR]) aufbauen, um Unvollkommenheiten der HF-Schaltkreise
auszugleichen. ZusÀtzlich können alle Designkonzepte auf FD-OWR-Systeme
erweitert werden.To enable ultra-high data rate and ubiquitous coverage in future wireless
networks, new physical layer techniques are desired. Relaying is a
promising technique for future wireless networks since it can boost the
coverage and can provide low cost wireless backhauling solutions, as
compared to traditional wired backhauling solutions via fiber and copper.
Traditional one-way relaying (OWR) techniques suffer from the spectral loss
due to the half-duplex (HD) operation at the relay. On one hand, two-way
relaying (TWR) allows the communication partners to transmit to and/or
receive from the relay simultaneously and thus uses the spectrum more
efficiently than OWR. Therefore, we study two-way relays and more
specifically multi-pair/multi-user TWR systems with amplify-and-forward
(AF) relays. These scenarios suffer from inter-pair or inter-user
interference. To deal with the interference, advanced signal processing
algorithms, in other words, spatial division multiple access (SDMA)
techniques, are desired. On the other hand, if the relay is a full-duplex
(FD) relay, the spectral loss due to a HD operation can also be
compensated. However, in practice, a FD device is hard to realize due to
the strong loop-back self-interference and the limited dynamic range at the
transceiver. Thus, advanced self-interference suppression techniques should
be developed. This thesis contributes to the two goals by developing
optimal and/or efficient algebraic solutions for different scenarios
subject to different utility functions of the system, e.g., sum rate
maximization and transmit power minimization. In the first part of this
thesis, we first study a multi-pair TWR network with a multi-antenna AF
relay. This scenario can be also treated as the sharing of the relay and
the spectrum among multiple operators assuming that different pairs of
users belong to different operators. Existing approaches focus on
interference suppression. We propose a projection based separation of
multiple operators (ProBaSeMO) scheme, which can be easily extended when
each user has multiple antennas or when different system design criteria
are applied. To benchmark the ProBaSeMO scheme, we develop optimal relay
transmit strategies to maximize the system sum rate, minimize the required
transmit power at the relay, or maximize the minimum signal to interference
plus noise ratio (SINR) of the users. Specifically for the sum rate
maximization problem, gradient based methods are developed regardless
whether each user has a single antenna or multiple antennas. To guarantee a
worst-case polynomial time solution, we also develop a polynomial time
algorithm which has been inspired by the polynomial time difference of
convex functions (POTDC) method. Finally, we analyze the conditions for
obtaining the sharing gain in terms of the sum rate. Then we study the sum
rate maximization problem of a multi-pair TWR network with multiple single
antenna AF relays and single antenna users. The resulting sum rate
maximization problem, subject to a total transmit power constraint of the
relays in the network, yields a similar problem structure as in the
previous scenario. Therefore the optimal solution for one scenario can be
used for the other. Moreover, a global optimal solution, which is based on
the polyblock approach, and several suboptimal solutions, which are more
computationally efficient and approximate the optimal solution, are
developed when there is a total transmit power constraint of the relays in
the network or each relay has its own transmit power constraint. We then
shift our focus to a multi-pair TWR network with multiple multi-antenna AF
relays and multiple dumb repeaters. This scenario is more general because
the previous two scenarios can be seen as special realizations of this
scenario. The interference management in this scenario is more challenging
due to the existence of the repeaters. Interference neutralization (IN) is
a solution for dealing with this kind of interference. Thereby, necessary
and sufficient conditions for neutralizing the interference are derived.
Moreover, a general framework to optimize different system utility
functions in this network with or without IN is developed regardless
whether the AF relays in the network have a total transmit power limit or
individual transmit power limits. Finally, we develop the relay transmit
strategy as well as base station (BS) precoding and decoding schemes for a
TWR assisted multi-user MIMO (MU-MIMO) downlink channel. Compared to the
multi-pair TWR network, this scenario suffers from the co-channel
interference. We develop three suboptimal algorithms which are based on
channel inversion, ProBaSeMO and zero-forcing dirty paper coding (ZFDPC),
which has a low computational complexity, provides a balance between the
performance and the complexity, and suffers only a little when the system
is heavily loaded, respectively.In the second part of this thesis, we
investigate self-interference (SI) suppression techniques to exploit the FD
gain for a point-to-point MIMO system. We first develop SI aware transmit
strategies, which provide a balance between the SI suppression and the
multiplexing gain of the system. To get the best performance, perfect
channel state information (CSI) is needed, which is imperfect in practice.
Thus, worst case transmit strategies to combat the imperfect CSI are
developed, where the CSI errors are modeled deterministically and bounded
by ellipsoids. In real word applications, the RF chain is imperfect. This
affects the performance of the SI suppression techniques and thus results
in residual SI. We develop efficient transmit beamforming techniques, which
are based on the signal to leakage plus noise ratio (SLNR) criterion, to
deal with the imperfections in the RF chain. All the proposed design
concepts can be extended to FD OWR systems
Advanced multi-dimensional signal processing for wireless systems
Die florierende Entwicklung der drahtlosen Kommunikation erfordert innovative und fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen, die auf eine verbesserte Performance hinsichtlich der ZuverlĂ€ssigkeit, des Durchsatzes, der Effizienz und weiterer Faktoren abzielen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Lösung dieser Herausforderungen und prĂ€sentiert neue und faszinierende Fortschritte, um diesen Herausforderungen zu erfĂŒllen. HauptsĂ€chlich konzentrieren wir uns auf zwei innovative Aspekte der mehrdimensionalen Signalverarbeitung fĂŒr drahtlose Systeme, denen in den letzten Jahren groĂe Aufmerksamkeit in der Forschung geschenkt wurde. Das sind MehrtrĂ€gerverfahren fĂŒr Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Systeme und die mehrdimensionale harmonische SchĂ€tzung (Harmonic Retrieval). Da es sich bei MIMO-Systemen und MehrtrĂ€gerverfahren um SchlĂŒsseltechnologien der drahtlosen Kommunikation handelt, sind ihre zahlreichen Vorteile seit langem bekannt und haben ein groĂes Forschungsinteresse geweckt. Zu diesen Vorteilen zĂ€hlen zum Beispiel die Steigerung der Datenrate und die Verbesserung der VerbindungszuverlĂ€ssigkeit. Insbesondere OFDM-basierte MIMO Downlink Systeme fĂŒr mehrere Teilnehmer (Multi-User MIMO Downlink Systems), die durch SDMA (Space-Division Multiple Access) getrennt werden, kombinieren die Vorteile von MIMO-Systemen mit denen von MehrtrĂ€ger-Modulationsverfahren. Sie sind wesentliche Elemente des IEEE 802.11ac Standards und werden ebenfalls fĂŒr 5G (die fĂŒnfte Mobilfunkgeneration) ausschlaggebend sein. Obwohl die bisherigen Arbeiten ĂŒber das Precoding (Vorcodierung) fĂŒr solche Multi-User MIMO Downlink Systeme schon fruchtbare Ergebnisse zeigten, werden neue Fortschritte benötigt, die den MehrtrĂ€ger-Charakter des Systems in einer effizienteren Weise ausnutzen oder auf eine höhere spektrale Effizienz des Gesamtsystems abzielen. Andererseits gilt die Filterbank-basierte MehrtrĂ€ger Modulation (Filter Bank-based Multi-Carrier modulation, FBMC) mit einem gut konzentrierten Spektrum und einer somit niedrigen Out-of-band Leackage als eine vielversprechende Alternative zu OFDM. FBMC ermöglicht eine effiziente Nutzung von Fragmenten im Frequenzspektrums, z. B. in 5G oder Breitband Professional Mobile Radio (PMR) Netzwerken. Jedoch leiden die vorhandenen Verfahren zur Sende- und-Empfangs-Verarbeitung fĂŒr FBMC-basierte MIMO Systeme unter EinschrĂ€nkungen in Bezug auf mehrere Aspekte, wie z. B. der erlaubten DimensionalitĂ€t des Systems und der zulĂ€ssigen FrequenzselektivitĂ€t des Kanals. Die Formen der MIMO Einstellungen, die in der Literatur untersucht wurden, sind noch begrenzt auf MIMO-Systeme fĂŒr einzelne Teilnehmer und vereinfachte Multi-User MIMO Systeme. Fortschrittlichere Techniken sind daher erforderlich, die diese EinschrĂ€nkungen der existierenden Verfahren aufheben. MIMO-Szenarien, die weniger EinschrĂ€nkungen unterliegen, mĂŒssen auĂerdem untersucht werden, um die Vorteile von FBMC zu weiter herauszuarbeiten. Im Rahmen der mehrdimensionalen harmonischen SchĂ€tzung (Harmonic Retrieval) hat sich gezeigt, dass eine höhere Genauigkeit bei der SchĂ€tzung durch Tensoren erreicht werden kann. Das liegt daran, dass die Darstellung mehrdimensionaler Signale mit Tensoren eine natĂŒrlichere Beschreibung und eine gute Ausnutzung ihrer mehrdimensionalen Struktur erlaubt, z. B. fĂŒr die ModellordnungsschĂ€tzung und die UnterraumschĂ€tzung. Wichtige offene Themen umfassen die statistische Robustheit und wie man die SchĂ€tzung in zeitlich variierenden Szenarien adaptiv gestalten kann. In Teil I dieser Arbeit prĂ€sentieren wir zunĂ€chst eine effiziente und flexible Ăbertragungsstrategie fĂŒr OFDM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme. Sie besteht aus einer rĂ€umlichen Scheduling-Methode, der effizienten MehrtrĂ€ger ProSched (Efficient Multi-Carrier ProSched, EMC-ProSched) Erweiterung mit einer effektiven Scheduling-Metrik, die auf MehrtrĂ€ger-Systeme zugeschnitten wird. Weiterhin werden zwei neuartige Precoding Algorithmen vorgestellt, die lineare Precoding-basierte geometrische Mittelwert-Zerlegung (Linear Precoding-based Geometric Mean Decomposition, LP-GMD) und ein Coordinated Beamforming Algorithmus geringer KomplexitĂ€t (Low Complexity Coordinated Beamforming, LoCCoBF). Diese beiden neuen Precoding-Verfahren können flexibel entsprechend den Abmessungen des Systems gewĂ€hlt werden. Wir entwickeln auch einen System Level-Simulator, in dem die Parameter fĂŒr das Link-to-System Level Interface kalibriert werden können. Diese Kalibrierung ist Standard-spezifisch, z. B. kann der Standard IEEE 802.11ac gewĂ€hlt werden. Numerische Ergebnisse zeigen, dass diese Ăbertragungsstrategie Scheduling Fairness garantiert, einen weitaus höheren Durchsatz als die existierenden Verfahren erzielt, eine geringere KomplexitĂ€t besitzt und nur einen geringen Signalisierungsoverhead erfordert. Der Schwerpunkt des Rests von Teil I bilden MIMO Systeme basierend auf Filter Bank-basierten MehrtrĂ€ger-Verfahren mit Offset Quadrature Amplitude Modulation (FBMC/OQAM). Es wird ein umfassender Ăberblick ĂŒber FBMC gegeben. Nachfolgend werden fĂŒr verschiedene FBMC/OQAM-basierte MIMO Varianten neue Verfahren zur Sende- und Empfangs-Verarbeitung entwickelt, die unterschiedliche Grade von Frequenz-SelektivitĂ€t des Kanals voraussetzen. ZunĂ€chst wird die Verwendung von weitgehend linearer Verarbeitung (widely linear processing) untersucht. Ein Zwei-Schritt-EmpfĂ€nger wird fĂŒr FBMC/OQAM-basierte MIMO Systeme mit einzelnen Teilnehmern entwickelt. Hierbei ist die Frequenz-SelektivitĂ€t des Kanals niedrig. Verglichen mit linearen MMSE-EmpfĂ€nger ist die Leistung des Zwei-Schritt-EmpfĂ€ngers viel besser. Das Grundprinzip dieser Zwei-Schritt-EmpfĂ€nger ist zuerst die Verringerung der intrinsischen Interferenz, um die Ausnutzung von nicht-zirkulĂ€ren Signalen zu ermöglichen. Es motiviert weitere Studien ĂŒber weitgehend lineare Verfahren fĂŒr FBMC/OQAM-basierte Systeme. DarĂŒber hinaus werden zwei Coordinated Beamforming-Algorithmen fĂŒr FBMC/OQAM-basierte MIMO Systeme mit einzelnen Teilnehmern entwickelt. Sie verzichten auf die EinschrĂ€nkung der DimensionalitĂ€t der bestehenden Methode, bei der die Anzahl der Sendeantennen gröĂer als die Anzahl der Empfangsantennen sein muss. Der Kanal auf jedem TrĂ€ger wird als flacher Schwund (Flat Fading) modelliert, was einer Klassifizierung als âintermediate frequency selective channelâ entspricht. Unter der Kenntnis der Kanalzustandsinformation am Sender (Channel-State-Information at the Transmitter, CSIT) basiert die Vorcodierung entweder auf einem Zero Forcing (ZF) Kriterium oder auf der Maximierung der Signal-to-Leackage-plus-Noise-Ratio (SLNR). Die Vorcodierungsvektoren und die Empfangsvektoren werden gemeinsam und iterativ berechnet. Daher fĂŒhren die zwei Coordinated Beamforming-Algorithmen zu einer wirksamen Verringerung der intrinsischen Interferenz in FBMC/OQAM-basierten Systemen. Die Vorteile der Coordinated Beamforming-Konzepte werden in FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme und koordinierte Mehrpunktverbindung (Coordinated Multi-Point, CoMP-Konzepte) eingebracht. DafĂŒr werden drei intrinsische Interferenz mildernde koordinierte Beamforming-Verfahren (Intrinsic Interference Mitigating Coordinated Beamforming, IIM-CBF) vorgeschlagen. Die ersten beiden IIM-CBF Algorithmen werden fĂŒr die FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Varianten mit unterschiedlichen Dimensionen entwickelt. Es wird gezeigt, dass diese Verfahren zu einer AbschwĂ€chung der Multi-User-Interferenz (MUI) sowie einer Verringerung der intrinsischen Interferenz fĂŒhren. Bei der dritten IIM-CBF Methode wird ein neuartiges FBMC/OQAM-basiertes-CoMP Konzept vorgestellt. Dieses wird durch die gemeinsame Ăbertragung von benachbarten Zellen zu Teilnehmern, die sich am Zellenrand befinden, ermöglicht, um den Daten-Durchsatz am Zellenrand zu erhöhen. Die LeistungsfĂ€higkeit der vorgeschlagenen Algorithmen wird durch umfangreiche numerische Simulationen evaluiert. Das Konvergenzverhalten wird untersucht sowie das Thema der KomplexitĂ€t angesprochen. AuĂerdem wird die geringere AnfĂ€lligkeit von FBMC verglichen mit OFDM gegenĂŒber Frequenzsynchronisationsfehlern demonstriert. DarĂŒber hinaus wird auf die FBMC/OQAM-basierten Multi-User MIMO Downlink Systeme mit stark frequenzselektiven KanĂ€len eingegangen. DafĂŒr werden Lösungen erarbeitet, die fĂŒr die UnterdrĂŒckung der MUI, der Inter-Symbol Interferenz (ISI) sowie der Inter-Carrier Interferenz (ICI) anwendbar ist. Mehrere Kriterien der multi-tap Vorcodierung werden entwickelt, beispielsweise die Mean Squared Error (MSE) Minimierung sowie die Signal-to-Leakage-Ratio (SLR) und die SLNR Maximierung. An EndgerĂ€ten, die eine schwĂ€chere Rechenleistung besitzen als sie an der Basisstation vorhanden ist, wird dadurch nur ein single-tap Empfangsfilter benötigt. Teil II der Arbeit konzentriert sich auf die mehrdimensionale harmonische SchĂ€tzung (Harmonic Retrieval). Der Einbau von statistischer Robustheit in mehrdimensionale ModellordnungsschĂ€tzverfahren wird demonstriert.The thriving development of wireless communications calls for innovative and advanced signal processing techniques targeting at an enhanced performance in terms of reliability, throughput, robustness, efficiency, flexibility, etc.. This thesis addresses such a compelling demand and presents new and intriguing progress towards fulfilling it. We mainly concentrate on two advanced multi-dimensional signal processing challenges for wireless systems that have attracted tremendous research attention in recent years, multi-carrier Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems and multi-dimensional harmonic retrieval. As the key technologies of wireless communications, the numerous benefits of MIMO and multi-carrier modulation, e.g., boosting the data rate and improving the link reliability, have long been identified and have ignited great research interest. In particular, the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)-based multi-user MIMO downlink with Space-Division Multiple Access (SDMA) combines the twofold advantages of MIMO and multi-carrier modulation. It is the essential element of IEEE 802.11ac and will also be crucial for the fifth generation of wireless communication systems (5G). Although past investigations on scheduling and precoding design for multi-user MIMO downlink systems have been fruitful, new advances are desired that exploit the multi-carrier nature of the system in a more efficient manner or aim at a higher spectral efficiency. On the other hand, a Filter Bank-based Multi-Carrier modulation (FBMC) featuring a well-concentrated spectrum and thus a low out-of-band radiation is regarded as a promising alternative multi-carrier scheme to OFDM for an effective utilization of spectrum fragments, e.g., in 5G or broadband Professional Mobile Radio (PMR) networks. Unfortunately, the existing transmit-receive processing schemes for FBMC-based MIMO systems suffer from limitations in several aspects, e.g., with respect to the number of supported receive antennas (dimensionality constraint) and channel frequency selectivity. The forms of MIMO settings that have been investigated are still limited to single-user MIMO and simplified multi-user MIMO systems. More advanced techniques are therefore demanded to alleviate the constraints imposed on the state-of-the-art. More sophisticated MIMO scenarios are yet to be explored to further corroborate the benefits of FBMC. In the context of multi-dimensional harmonic retrieval, it has been demonstrated that a higher estimation accuracy can be achieved by using tensors to preserve and exploit the multidimensional nature of the data, e.g., for model order estimation and subspace estimation. Crucial pending topics include how to further incorporate statistical robustness and how to handle time-varying scenarios in an adaptive manner. In Part I of this thesis, we first present an efficient and flexible transmission strategy for OFDM-based multi-user MIMO downlink systems. It consists of a spatial scheduling scheme, efficient multi-carrier ProSched (EMC-ProSched), with an effective scheduling metric tailored for multi-carrier systems and two new precoding algorithms, linear precoding-based geometric mean decomposition (LP-GMD) and low complexity coordinated beamforming (LoCCoBF). These two new precoding schemes can be flexibly chosen according to the dimensions of the system. We also develop a system-level simulator where the parameters for the link-to-system level interface can be calibrated according to a certain standardization framework, e.g., IEEE 802.11ac. Numerical results show that the proposed transmission strategy, apart from guaranteeing the scheduling fairness and a small signaling overhead, achieves a much higher throughput than the state-of-the-art and requires a lower complexity. The remainder of Part I is dedicated to Filter Bank-based Multi-Carrier with Offset Quadrature Amplitude Modulation (FBMC/OQAM)-based MIMO systems. We begin with a thorough overview of FBMC. Then we present new transmit-receive processing techniques for FBMC/OQAM-based MIMO settings ranging from the single-user MIMO case to the Coordinated Multi-Point (CoMP) downlink considering various degrees of channel frequency selectivity. The use of widely linear processing is first investigated. A two-step receiver is designed for FBMC/OQAM-based point-to-point MIMO systems with low frequency selective channels. It exhibits a significant performance superiority over the linear MMSE receiver. The rationale in this two-step receiver is that the intrinsic interference is first mitigated to facilitate the exploitation of the non-circularity residing in the signals. It sheds light upon further studies on widely linear processing for FBMC/OQAM-based systems. Moreover, two coordinated beamforming algorithms are devised for FBMC/OQAM-based point-to-point MIMO systems to relieve the dimensionality constraint of existing schemes that the number of transmit antennas must be larger than the number of receive antennas. The channel on each subcarrier is assumed to be flat fading, which is categorized as the class of intermediate frequency selective channels. With the Channel State Information at the Transmitter (CSIT) known, the precoder designed based on a Zero Forcing (ZF) criterion or the maximization of the Signal-to-Leakage-plus-Noise-Ratio (SLNR) is jointly and iteratively computed with the receiver, leading to an effective mitigation of the intrinsic interference inherent in FBMC/OQAM-based systems. The benefits of the coordinated beamforming concept are successfully translated into the FBMC/OQAM-based multi-user MIMO downlink and the CoMP downlink. Three intrinsic interference mitigating coordinated beamforming (IIM-CBF) schemes are developed. The first two IIM-CBF schemes are proposed for FBMC/OQAM-based multi-user MIMO downlink settings with different dimensions and are able to effectively suppress the Multi-User Interference (MUI) as well as the intrinsic interference. A novel FBMC/OQAM-based CoMP concept is established via the third IIM-CBF scheme which enables the joint transmission of adjacent cells to the cell edge users to combat the strong interference as well as the heavy path loss and to boost the cell edge throughput. The performance of the proposed algorithms is evaluated via extensive numerical simulations. Their convergence behavior is studied, and the complexity issue is also addressed. In addition, the stronger resilience of FBMC over OFDM against frequency misalignments is demonstrated. Furthermore, we cover the case of highly frequency selective channels and provide solutions to the very challenging task of suppressing the MUI, the Inter-Symbol Interference (ISI), as well as the Inter-Carrier Interference (ICI) and supporting per-user multi-stream transmissions. Several design criteria of the multi-tap precoders are devised including the Mean Squared Error (MSE) minimization as well as the Signal-to-Leakage-Ratio (SLR) and SLNR maximization. By rendering a larger computational load at the base station, only single-tap spatial receive filters are required at the user terminals with a weaker computational capability, which enhances the applicability of the proposed schemes in real-world multi-user MIMO downlink systems. Part II focuses on the context of multi-dimensional harmonic retrieval. We demonstrate the incorporation of statistical robustness into multi-dimensional model order estimation schemes by substituting the sample covariance matrices of the unfoldings of the measurement tensor with robust covariance estimates. It is observed that in the presence of a very severe contamination of the measurements due to brief sensor failures, the robustified tensor-based model order estimation schemes lead to a satisfactory estimation accuracy. This philosophy of introducing statistical robustness also inspires robust versions of parameter estimation algorithms. Last but not the least, we present a generic framework for Tensor-based subspace tracking via Kronecker-structured projections (TeTraKron) for time-varying multi-dimensional harmonic retrieval problems. It allows to extend arbitrary matrix-based subspace tracking schemes to track the tensor-based subspace estimate in an elegant and efficient manner. By including forward-backward-averaging, we show that TeTraKron can also be employed to devise real-valued tensor-based subspace tracking algorithms. Taking a few matrix-based subspace tracking approaches as an example, a remarkable improvement of the tracking accuracy is observed in case of the TeTraKron-based tensor extensions. The performance of ESPRIT-type parameter estimation schemes is also assessed where the subspace estimates obtained by the proposed TeTraKron-based subspace tracking algorithms are used. We observe that Tensor-ESPRIT combined with a tensor-based subspace tracking scheme significantly outperforms the combination of standard ESPRIT and the corresponding matrix-based subspace tracking method. These results open the way for robust multi-dimensional big data signal processing applications in time-varying environments
Random Beamforming for Multi-cell Multiple-Input Multi-Output (MIMO) Systems
Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH
Limited feedback MIMO techniques for temporally correlated channels and linear receivers
Advanced mobile wireless networks will make extensive use of multiantenna (MIMO) transceivers to comply with high requirements of data rates and reliability. The use of feedback channels is of paramount importance to achieve this goal in systems employing frequency division duplexing (FDD). The design of the feedback mechanism is challenging due to the severe constraints imposed by computational complexity and feedback bandwidth restrictions.
This thesis addresses the design of transmission strategies in both single-user and multi-user MIMO systems, based on compact feedback messages. First, recursive feedback mechanisms for single-user transmission scenarios are proposed, including stochastic gradient techniques, deterministic updates based on Givens rotations and low computational complexity schemes based on partial update filtering concepts. Thereafter, channel feedback algorithms are proposed, and a convergence analysis for static channels is presented. These algorithms can be used to provide channel side information to any multi-user MIMO solution. A limited-feedback decentralized multi-user MIMO solution is proposed, which avoids the need for explicit channel feedback. A feed-forward technique is proposed, which allows our methods to operate in presence of feedback errors.
The performance of all the proposed algorithms is illustrated via link-level simulations, where the effect of different parameter values is assessed. Our results show that the proposed methods outperform existing limited-feedback counterparts over a range of low to medium mobile speeds, for moderate antenna array sizes that are deemed practical for commercial deployment. The computational complexity reduction of some of the proposed algorithms is also shown to be considerable, when compared to existing techniques