Optimality Properties, Distributed Strategies, and Measurement-Based Evaluation of Coordinated Multicell OFDMA Transmission

The throughput of multicell systems is inherently limited by interference and the available communication resources. Coordinated resource allocation is the key to efficient performance, but the demand on backhaul signaling and computational resources grows rapidly with number of cells, terminals, and subcarriers. To handle this, we propose a novel multicell framework with dynamic cooperation clusters where each terminal is jointly served by a small set of base stations. Each base station coordinates interference to neighboring terminals only, thus limiting backhaul signalling and making the framework scalable. This framework can describe anything from interference channels to ideal joint multicell transmission. The resource allocation (i.e., precoding and scheduling) is formulated as an optimization problem (P1) with performance described by arbitrary monotonic functions of the signal-to-interference-and-noise ratios (SINRs) and arbitrary linear power constraints. Although (P1) is non-convex and difficult to solve optimally, we are able to prove: 1) Optimality of single-stream beamforming; 2) Conditions for full power usage; and 3) A precoding parametrization based on a few parameters between zero and one. These optimality properties are used to propose low-complexity strategies: both a centralized scheme and a distributed version that only requires local channel knowledge and processing. We evaluate the performance on measured multicell channels and observe that the proposed strategies achieve close-to-optimal performance among centralized and distributed solutions, respectively. In addition, we show that multicell interference coordination can give substantial improvements in sum performance, but that joint transmission is very sensitive to synchronization errors and that some terminals can experience performance degradations.Comment: Published in IEEE Transactions on Signal Processing, 15 pages, 7 figures. This version corrects typos related to Eq. (4) and Eq. (28

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