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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 Algebraic Concepts for Efficient Multi-Channel Signal Processing
ï»żUnsere moderne Gesellschaft ist Zeuge eines fundamentalen Wandels in der Art und Weise
wie wir mit Technologie interagieren. GerĂ€te werden zunehmend intelligenter - sie verfĂŒgen
ĂŒber mehr und mehr Rechenleistung und hĂ€ufiger ĂŒber eigene Kommunikationsschnittstellen.
Das beginnt bei einfachen HaushaltsgerĂ€ten und reicht ĂŒber Transportmittel bis zu groĂen
ĂŒberregionalen Systemen wie etwa dem Stromnetz. Die Erfassung, die Verarbeitung und der
Austausch digitaler Informationen gewinnt daher immer mehr an Bedeutung. Die Tatsache,
dass ein wachsender Anteil der GerÀte heutzutage mobil und deshalb batteriebetrieben ist,
begrĂŒndet den Anspruch, digitale Signalverarbeitungsalgorithmen besonders effizient zu gestalten.
Dies kommt auch dem Wunsch nach einer Echtzeitverarbeitung der groĂen anfallenden
Datenmengen zugute.
Die vorliegende Arbeit demonstriert Methoden zum Finden effizienter algebraischer Lösungen
fĂŒr eine Vielzahl von Anwendungen mehrkanaliger digitaler Signalverarbeitung. Solche AnsĂ€tze
liefern nicht immer unbedingt die bestmögliche Lösung, kommen dieser jedoch hÀufig recht
nahe und sind gleichzeitig bedeutend einfacher zu beschreiben und umzusetzen. Die einfache
Beschreibungsform ermöglicht eine tiefgehende Analyse ihrer LeistungsfĂ€higkeit, was fĂŒr den
Entwurf eines robusten und zuverlÀssigen Systems unabdingbar ist. Die Tatsache, dass sie nur
gebrĂ€uchliche algebraische Hilfsmittel benötigen, erlaubt ihre direkte und zĂŒgige Umsetzung
und den Test unter realen Bedingungen.
Diese Grundidee wird anhand von drei verschiedenen Anwendungsgebieten demonstriert.
ZunÀchst wird ein semi-algebraisches Framework zur Berechnung der kanonisch polyadischen
(CP) Zerlegung mehrdimensionaler Signale vorgestellt. Dabei handelt es sich um ein sehr
grundlegendes Werkzeug der multilinearen Algebra mit einem breiten Anwendungsspektrum
von Mobilkommunikation ĂŒber Chemie bis zur Bildverarbeitung. Verglichen mit existierenden
iterativen Lösungsverfahren bietet das neue Framework die Möglichkeit, den Rechenaufwand
und damit die GĂŒte der erzielten Lösung zu steuern. Es ist auĂerdem weniger anfĂ€llig gegen eine
schlechte Konditionierung der Ausgangsdaten. Das zweite Gebiet, das in der Arbeit besprochen
wird, ist die unterraumbasierte hochauflösende ParameterschĂ€tzung fĂŒr mehrdimensionale Signale,
mit Anwendungsgebieten im RADAR, der Modellierung von Wellenausbreitung, oder
bildgebenden Verfahren in der Medizin. Es wird gezeigt, dass sich derartige mehrdimensionale
Signale mit Tensoren darstellen lassen. Dies erlaubt eine natĂŒrlichere Beschreibung und eine
bessere Ausnutzung ihrer Struktur als das mit Matrizen möglich ist. Basierend auf dieser Idee
entwickeln wir eine tensor-basierte SchÀtzung des Signalraums, welche genutzt werden kann
um beliebige existierende Matrix-basierte Verfahren zu verbessern. Dies wird im Anschluss
exemplarisch am Beispiel der ESPRIT-artigen Verfahren gezeigt, fĂŒr die verbesserte Versionen
vorgeschlagen werden, die die mehrdimensionale Struktur der Daten (Tensor-ESPRIT),
nichzirkulÀre Quellsymbole (NC ESPRIT), sowie beides gleichzeitig (NC Tensor-ESPRIT) ausnutzen.
Um die endgĂŒltige SchĂ€tzgenauigkeit objektiv einschĂ€tzen zu können wird dann ein
Framework fĂŒr die analytische Beschreibung der LeistungsfĂ€higkeit beliebiger ESPRIT-artiger
Algorithmen diskutiert. Verglichen mit existierenden analytischen AusdrĂŒcken ist unser Ansatz
allgemeiner, da keine Annahmen ĂŒber die statistische Verteilung von Nutzsignal und
Rauschen benötigt werden und die Anzahl der zur VerfĂŒgung stehenden SchnappschĂŒsse beliebig
klein sein kann. Dies fĂŒhrt auf vereinfachte AusdrĂŒcke fĂŒr den mittleren quadratischen
SchĂ€tzfehler, die Schlussfolgerungen ĂŒber die Effizienz der Verfahren unter verschiedenen Bedingungen
zulassen. Das dritte Anwendungsgebiet ist der bidirektionale Datenaustausch mit
Hilfe von Relay-Stationen. Insbesondere liegt hier der Fokus auf Zwei-Wege-Relaying mit Hilfe
von Amplify-and-Forward-Relays mit mehreren Antennen, da dieser Ansatz ein besonders gutes
Kosten-Nutzen-VerhÀltnis verspricht. Es wird gezeigt, dass sich die nötige Kanalkenntnis
mit einem einfachen algebraischen Tensor-basierten SchĂ€tzverfahren gewinnen lĂ€sst. AuĂerdem
werden Verfahren zum Finden einer gĂŒnstigen Relay-VerstĂ€rkungs-Strategie diskutiert. Bestehende
AnsÀtze basieren entweder auf komplexen numerischen Optimierungsverfahren oder auf
Ad-Hoc-AnsÀtzen die keine zufriedenstellende Bitfehlerrate oder Summenrate liefern. Deshalb
schlagen wir algebraische AnsÀtze zum Finden der RelayverstÀrkungsmatrix vor, die von relevanten
Systemmetriken inspiriert sind und doch einfach zu berechnen sind. Wir zeigen das
algebraische ANOMAX-Verfahren zum Erreichen einer niedrigen Bitfehlerrate und seine Modifikation
RR-ANOMAX zum Erreichen einer hohen Summenrate. FĂŒr den Spezialfall, in dem
die EndgerÀte nur eine Antenne verwenden, leiten wir eine semi-algebraische Lösung zum
Finden der Summenraten-optimalen Strategie (RAGES) her. Anhand von numerischen Simulationen
wird die LeistungsfĂ€higkeit dieser Verfahren bezĂŒglich Bitfehlerrate und erreichbarer
Datenrate bewertet und ihre EffektivitÀt gezeigt.Modern society is undergoing a fundamental change in the way we interact with technology.
More and more devices are becoming "smart" by gaining advanced computation capabilities
and communication interfaces, from household appliances over transportation systems to large-scale
networks like the power grid. Recording, processing, and exchanging digital information
is thus becoming increasingly important. As a growing share of devices is nowadays mobile
and hence battery-powered, a particular interest in efficient digital signal processing techniques
emerges.
This thesis contributes to this goal by demonstrating methods for finding efficient algebraic
solutions to various applications of multi-channel digital signal processing. These may not
always result in the best possible system performance. However, they often come close while
being significantly simpler to describe and to implement. The simpler description facilitates a
thorough analysis of their performance which is crucial to design robust and reliable systems.
The fact that they rely on standard algebraic methods only allows their rapid implementation
and test under real-world conditions.
We demonstrate this concept in three different application areas. First, we present a semi-algebraic
framework to compute the Canonical Polyadic (CP) decompositions of multidimensional
signals, a very fundamental tool in multilinear algebra with applications ranging from
chemistry over communications to image compression. Compared to state-of-the art iterative
solutions, our framework offers a flexible control of the complexity-accuracy trade-off and
is less sensitive to badly conditioned data. The second application area is multidimensional
subspace-based high-resolution parameter estimation with applications in RADAR, wave propagation
modeling, or biomedical imaging. We demonstrate that multidimensional signals can
be represented by tensors, providing a convenient description and allowing to exploit the
multidimensional structure in a better way than using matrices only. Based on this idea,
we introduce the tensor-based subspace estimate which can be applied to enhance existing
matrix-based parameter estimation schemes significantly. We demonstrate the enhancements
by choosing the family of ESPRIT-type algorithms as an example and introducing enhanced
versions that exploit the multidimensional structure (Tensor-ESPRIT), non-circular source
amplitudes (NC ESPRIT), and both jointly (NC Tensor-ESPRIT). To objectively judge the
resulting estimation accuracy, we derive a framework for the analytical performance assessment
of arbitrary ESPRIT-type algorithms by virtue of an asymptotical first order perturbation
expansion. Our results are more general than existing analytical results since we do not need
any assumptions about the distribution of the desired signal and the noise and we do not
require the number of samples to be large. At the end, we obtain simplified expressions for the
mean square estimation error that provide insights into efficiency of the methods under various
conditions. The third application area is bidirectional relay-assisted communications. Due to
its particularly low complexity and its efficient use of the radio resources we choose two-way
relaying with a MIMO amplify and forward relay. We demonstrate that the required channel
knowledge can be obtained by a simple algebraic tensor-based channel estimation scheme. We
also discuss the design of the relay amplification matrix in such a setting. Existing approaches
are either based on complicated numerical optimization procedures or on ad-hoc solutions
that to not perform well in terms of the bit error rate or the sum-rate. Therefore, we propose
algebraic solutions that are inspired by these performance metrics and therefore perform well
while being easy to compute. For the MIMO case, we introduce the algebraic norm maximizing
(ANOMAX) scheme, which achieves a very low bit error rate, and its extension Rank-Restored
ANOMAX (RR-ANOMAX) that achieves a sum-rate close to an upper bound. Moreover, for
the special case of single antenna terminals we derive the semi-algebraic RAGES scheme which
finds the sum-rate optimal relay amplification matrix based on generalized eigenvectors. Numerical
simulations evaluate the resulting system performance in terms of bit error rate and
system sum rate which demonstrates the effectiveness of the proposed algebraic solutions
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