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

Channel estimation in massive MIMO systems

Last years were characterized by a great demand for high data throughput, good quality and spectral efficiency in wireless communication systems. Consequently, a revolution in cellular networks has been set in motion towards to 5G. Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is one of the new concepts in 5G and the idea is to scale up the known MIMO systems in unprecedented proportions, by deploying hundreds of antennas at base stations. Although, perfect channel knowledge is crucial in these systems for user and data stream separation in order to cancel interference. The most common way to estimate the channel is based on pilots. However, problems such as interference and pilot contamination (PC) can arise due to the multiplicity of channels in the wireless link. Therefore, it is crucial to define techniques for channel estimation that together with pilot contamination mitigation allow best system performance and at same time low complexity. This work introduces a low-complexity channel estimation technique based on Zadoff-Chu training sequences. In addition, different approaches were studied towards pilot contamination mitigation and low complexity schemes, with resort to iterative channel estimation methods, semi-blind subspace tracking techniques and matrix inversion substitutes. System performance simulations were performed for the several proposed techniques in order to identify the best tradeoff between complexity, spectral efficiency and system performance

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

Symbol-level and Multicast Precoding for Multiuser Multiantenna Downlink: A State-of-the-art, Classification and Challenges

Precoding has been conventionally considered as an effective means of mitigating or exploiting the interference in the multiantenna downlink channel, where multiple users are simultaneously served with independent information over the same channel resources. The early works in this area were focused on transmitting an individual information stream to each user by constructing weighted linear combinations of symbol blocks (codewords). However, more recent works have moved beyond this traditional view by: i) transmitting distinct data streams to groups of users and ii) applying precoding on a symbol-per-symbol basis. In this context, the current survey presents a unified view and classification of precoding techniques with respect to two main axes: i) the switching rate of the precoding weights, leading to the classes of block-level and symbol-level precoding, ii) the number of users that each stream is addressed to, hence unicast, multicast, and broadcast precoding. Furthermore, the classified techniques are compared through representative numerical results to demonstrate their relative performance and uncover fundamental insights. Finally, a list of open theoretical problems and practical challenges are presented to inspire further research in this area

Energy Efficiency Maximization through Cooperative Transmit and Receive Antenna Selection for Multicell MU-MIMO System

The capacity of Multiple Input Multiple Output (MIMO) system is highly related to the number of active antennas. But as the active antenna number increases, the MIMO system will consume more energy. To maximize the energy efficiency of MIMO system, we propose an antenna selection scheme which can maximize the energy efficiency of BS cluster. In the scheme, ergodic energy efficiency is derived according to large scale channel state information (CSI). Based on this ergodic energy efficiency, we introduce a cost function varied with the number of antennas, in which the effect to the energy efficiency of both the serving BS and the neighbor BS is considered. With this function, we can transform the whole system optimization problem to a sectional optimization problem and obtain a suboptimal antenna set using a heuristic algorithm. Simulation results verify that the proposed approach performs better than the comparison schemes in terms of network energy efficiency and achieves 98% network energy efficiency of the centralized antenna selection scheme. Besides, since the proposed scheme does not need the complete CSI of the neighbor BS, it can effectively reduce the signaling overhead