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Novel Efficient Precoding Techniques for Multiuser MIMO Systems
In Multiuser MIMO (MU-MIMO) systems, precoding is essential to eliminate or minimize the multiuser interference (MUI).
However, the design of a suitable precoding algorithm with good overall
performance and low computational complexity at the same time is quite challenging, especially with the increase of system dimensions.
In this thesis, we explore the art of novel low-complexity high-performance precoding algorithms with both linear and non-linear processing strategies.
Block diagonalization (BD)-type based precoding techniques are well-known linear precoding strategies
for MU-MIMO systems.
By employing BD-type precoding algorithms at the transmit side, the MU-MIMO broadcast channel is decomposed
into multiple independent parallel SU-MIMO channels and achieves the
maximum diversity order at high data rates. The main computational complexity of BD-type precoding algorithms comes from
two singular value decomposition (SVD) operations, which depend on the number of users and the dimensions of each user's channel matrix.
In this thesis, two categories of low-complexity precoding algorithms are proposed to
reduce the computational complexity and improve the performance of BD-type precoding algorithms.
One is based on multiple LQ decompositions and lattice reductions. The other one is based on a channel inversion technique, QR decompositions, and lattice reductions to decouple the MU-MIMO channel into equivalent SU-MIMO channels.
Both of the two proposed precoding algorithms can achieve a comparable sum-rate performance as BD-type precoding algorithms, substantial bit error
rate (BER) performance gains, and a simplified receiver structure, while requiring a much lower complexity.
Tomlinson-Harashima precoding (THP) is a prominent nonlinear processing technique employed at the transmit side and is a dual to the successive interference cancelation (SIC) detection at the receive side. Like SIC detection, the performance of THP strongly depends on the ordering of the precoded symbols.
The optimal ordering algorithm, however, is impractical for MU-MIMO systems with multiple receive antennas. We propose a multi-branch THP (MB-THP) scheme and algorithms that employ multiple transmit processing and ordering strategies along with a selection scheme to mitigate interference in MU-MIMO systems.
Two types of multi-branch THP (MB-THP) structures are proposed. The first one employs a decentralized strategy with diagonal weighted filters at the receivers of the users and the second uses a diagonal weighted filter at the transmitter.
The MB-MMSE-THP algorithms are also derived based on an extended system model with the aid of an LQ decomposition, which is much simpler compared to the conventional MMSE-THP algorithms. Simulation results show that a better BER performance can be achieved by the proposed MB-MMSE-THP precoder with a small computational complexity increase
Multi-user MIMO wireless communications
Mehrantennensysteme sind auf Grund der erhöhten Bandbreiteneffizienz und
Leistung eine SchlĂĽsselkomponente von Mobilfunksystemen der Zukunft. Diese
ermöglichen das gleichzeitige Senden von mehreren, räumlich getrennten
Datenströmen zu verschiedenen Nutzern. Die zentrale Fragestellung in der Praxis
ist, ob der ursprünglich vorausgesagte Kapazitätsgewinn in realistischen
Szenarios erreicht wird und welche spezifischen Gewinne durch zusätzliche
Antennen und das Ausnutzen von Kanalkenntnis am Sender und Empfänger 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 Ăśberschneidung der
Zeilenräume minimiert, die durch die effektiven Kanalmatrizen verschiedener
Nutzer aufgespannt werden. Basierend auf mehreren parallelen Einzelnutzer-MIMO-
Kanälen wird im zweiten Schritt die Systemperformanz bezüglich bestimmter
Kriterien optimiert.
Aus der gängigen Literatur ist bereits bekannt, dass für 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, nämlich
sukzessives MMSE und RBD. Bei der sukzessiven Verarbeitung mit einer
entsprechenden Anpassung der Sendeleistungsverteilung kann die volle Diversität
des Systems ausgeschöpft werden. Die Kapazität nähert sich dabei der maximalen
Summenrate des Systems an. Bei gemeinsamer Verarbeitung der MIMO Kanäle wird
unabhängig vom Grad der Mehrnutzerinterferenz die maximale Diversität erreicht.
Die genannten Techniken setzen entweder eine aktuelle oder eine ĂĽber einen
längeren Zeitraum gemittelte Kanalkenntnis voraus. Aus diesem Grund müssen die
Auswirkungen von Kanal-Schätzfehlern und Einflüsse des Transceiver Front-Ends
auf die Verfahren näher untersucht werden.
Für eine weitergehende Abschätzung der Mehrantennensysteme muss die Performanz
des Gesamtsystems untersucht werden, da viele Einflüsse auf die räumliche
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, während der
Overhead durch Pilotsymbole und Steuersignale nur geringfĂĽgig 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
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