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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
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
Device-to-Device Communication and Multihop Transmission for Future Cellular Networks
The next generation wireless networks i.e. 5G aim to provide multi-Gbps data traffic, in order to satisfy the increasing demand for high-definition video, among other high data rate services, as well as the exponential growth in mobile subscribers. To achieve this dramatic increase in data rates, current research is focused on improving the capacity of current 4G network standards, based on Long Term Evolution (LTE), before radical changes are exploited which could include acquiring additional/new spectrum. The LTE network has a reuse factor of one; hence neighbouring cells/sectors use the same spectrum, therefore making the cell edge users vulnerable to inter-cell interference. In addition, wireless transmission is commonly hindered by fading and pathloss.
In this direction, this thesis focuses on improving the performance of cell edge users in LTE and LTE-Advanced (LTE-A) networks by initially implementing a new Coordinated Multi-Point (CoMP) algorithm to mitigate cell edge user interference. Subsequently Device-to-Device (D2D) communication is investigated as the enabling technology for maximising Resource Block (RB) utilisation in current 4G and emerging 5G networks. It is demonstrated that the application, as an extension to the above, of novel power control algorithms, to reduce the required D2D TX power, and multihop transmission for relaying D2D traffic, can further enhance network performance. To be able to develop the aforementioned technologies and evaluate the performance of new algorithms in emerging network scenarios, a beyond-the-state-of-the-art LTE system-level simulator (SLS) was implemented. The new simulator includes Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna functionalities, comprehensive channel models (such as Wireless World initiative New Radio II i.e. WINNER II) and adaptive modulation and coding schemes to accurately emulate the LTE and LTE-A network standards. Additionally, a novel interference modelling scheme using the âwrap aroundâ technique was proposed and implemented that maintained the topology of flat surfaced maps, allowing for use with cell planning tools while obtaining accurate and timely results in the SLS compared to the few existing platforms.
For the proposed CoMP algorithm, the adaptive beamforming technique was employed to reduce interference on the cell edge UEs by applying Coordinated Scheduling (CoSH) between cooperating cells. Simulation results show up to 2-fold improvement in terms of throughput, and also shows SINR gain for the cell edge UEs in the cooperating cells. Furthermore, D2D communication underlaying the LTE network (and future generation of wireless networks) was investigated. The technology exploits the proximity of users in a network to achieve higher data rates with maximum RB utilisation (as the technology reuses the cellular RB simultaneously), while taking some load off the Evolved Node B (eNB) i.e. by direct communication between User Equipment (UE). Simulation results show that the proximity and transmission power of D2D transmission yields high performance gains for a D2D receiver, which was demonstrated to be better than that of cellular UEs with better channel conditions or in close proximity to the eNB in the network. The impact of interference from the simultaneous transmission however impedes the achievable data rates of cellular UEs in the network, especially at the cell edge. Thus, a power control algorithm was proposed to mitigate the impact of interference in the hybrid network (network consisting of both cellular and D2D UEs). It was implemented by setting a minimum SINR threshold so that the cellular UEs achieve a minimum performance, and equally a maximum SINR threshold to establish fairness for the D2D transmission as well. Simulation results show
an increase in the cell edge throughput and notable improvement in the overall SINR distribution of UEs in the hybrid network. Additionally, multihop transmission for D2D UEs was investigated in the hybrid network: traditionally, the scheme is implemented to relay cellular traffic in a homogenous network. Contrary to most current studies where D2D UEs are employed to relay cellular traffic, the use of idle nodes to relay D2D traffic was implemented uniquely in this thesis. Simulation results show improvement in D2D receiver throughput with multihop transmission, which was significantly better than that of the same UEs performance with equivalent distance between the D2D pair when using single hop transmission
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