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Interference Alignment for Cognitive Radio Communications and Networks: A Survey
© 2019 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Interference alignment (IA) is an innovative wireless transmission strategy that has shown to be a promising technique for achieving optimal capacity scaling of a multiuser interference channel at asymptotically high-signal-to-noise ratio (SNR). Transmitters exploit the availability of multiple signaling dimensions in order to align their mutual interference at the receivers. Most of the research has focused on developing algorithms for determining alignment solutions as well as proving interference alignment’s theoretical ability to achieve the maximum degrees of freedom in a wireless network. Cognitive radio, on the other hand, is a technique used to improve the utilization of the radio spectrum by opportunistically sensing and accessing unused licensed frequency spectrum, without causing harmful interference to the licensed users. With the increased deployment of wireless services, the possibility of detecting unused frequency spectrum becomes diminished. Thus, the concept of introducing interference alignment in cognitive radio has become a very attractive proposition. This paper provides a survey of the implementation of IA in cognitive radio under the main research paradigms, along with a summary and analysis of results under each system model.Peer reviewe
Multi-user MIMO wireless communications
Mehrantennensysteme sind auf Grund der erhöhten Bandbreiteneffizienz und
Leistung eine Schlüsselkomponente 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 Überschneidung 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 über 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 geringfügig 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
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
Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems
Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission
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