分散アンテナネットワークにおける広帯域MIMO伝送技術に関する研究

Tohoku University安達文幸課

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

MIMO Systems

In recent years, it was realized that the MIMO communication systems seems to be inevitable in accelerated evolution of high data rates applications due to their potential to dramatically increase the spectral efficiency and simultaneously sending individual information to the corresponding users in wireless systems. This book, intends to provide highlights of the current research topics in the field of MIMO system, to offer a snapshot of the recent advances and major issues faced today by the researchers in the MIMO related areas. The book is written by specialists working in universities and research centers all over the world to cover the fundamental principles and main advanced topics on high data rates wireless communications systems over MIMO channels. Moreover, the book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

D 3. 3 Final performance results and consolidated view on the most promising multi -node/multi -antenna transmission technologies

This document provides the most recent updates on the technical contributions and research challenges focused in WP3. Each Technology Component (TeC) has been evaluated under possible uniform assessment framework of WP3 which is based on the simulation guidelines of WP6. The performance assessment is supported by the simulation results which are in their mature and stable state. An update on the Most Promising Technology Approaches (MPTAs) and their associated TeCs is the main focus of this document. Based on the input of all the TeCs in WP3, a consolidated view of WP3 on the role of multinode/multi-antenna transmission technologies in 5G systems has also been provided. This consolidated view is further supported in this document by the presentation of the impact of MPTAs on METIS scenarios and the addressed METIS goals.Aziz, D.; Baracca, P.; De Carvalho, E.; Fantini, R.; Rajatheva, N.; Popovski, P.; Sørensen, JH.... (2015). D 3. 3 Final performance results and consolidated view on the most promising multi -node/multi -antenna transmission technologies. http://hdl.handle.net/10251/7675

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

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