Multiuser MIMO techniques with feedback

Kooperative Antennenanlagen haben vor kurzem einen heißen Forschungsthema geworden, da Sie deutlich höhere spektrale Effizienz als herkömmliche zelluläre Systeme versprechen. Der Gewinn wird durch die Eliminierung von Inter-Zelle Störungen (ICI) durch Koordinierung der-Antenne Übertragungen erworben. Vor kurzem, verteilte Organisation Methoden vorgeschlagen. Eine der größten Herausforderungen für das Dezentrale kooperative Antennensystem ist Kanalschätzung für den Downlink Kanal besonders wenn FDD verwendet wird. Alle zugehörigen Basisstationen im genossenschaftlichen Bereich müssen die vollständige Kanal Informationen zu Wissen, die entsprechenden precoding Gewicht Matrix zu berechnen. Diese Information ist von mobilen Stationen übertragen werden Stationen mit Uplink Ressourcen zu stützen. Wird als mehrere Basisstationen und mehreren mobilen Stationen in kooperativen Antennensysteme und jede Basisstation und Mobilstation beteiligt sind, können mit mehreren Antennen ausgestattet sein, die Anzahl der Kanal Parameter wieder gefüttert werden erwartet, groß zu sein. In dieser Arbeit wird ein effizientes Feedback Techniken der downlink Kanal Informationen sind für die Multi-user Multiple Input Multiple Output Fall vorgeschlagen, der insbesondere auf verteilte kooperative Antennensysteme zielt. Zuerst wird ein Unterraum-basiertes Kanalquantisierungsverfahren vorgeschlagen, das ein vorbestimmtes Codebuch verwendet. Ein iterativer Codebuchentwurfsalgorithmus wird vorgeschlagen, der zu einem lokalen optimalen Codebuch konvergiert. Darüber hinaus werden Feedback-Overhead-Reduktionsverfahren entwickelt, die die zeitliche Korrelation des Kanals ausnutzen. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene adaptive Codebuchverfahren in Verbindung mit einem Datenkomprimierungsschema eine Leistung nahe an dem perfekten Kanalfall erzielt, was viel weniger Rückkopplungsoverhead im Vergleich zu anderen Techniken erfordert. Das auf dem Unterraum basierende Kanalquantisierungsverfahren wird erweitert, indem mehrere Antennen auf der Senderseite und/oder auf der Empfängerseite eingeführt werden, und die Leistung eines Vorcodierungs- (/Decodierungs-) Schemas mit regulierter Blockdiagonalisierung (RBD) wurde untersucht. Es wird ein kosteneffizientes Decodierungsmatrixquantisierungsverfahren vorgeschlagen, dass eine komplexe Berechnung an der Mobilstation vermeiden kann, während es nur eine leichte Verschlechterung zeigt. Die Arbeit wird abgeschlossen, indem die vorgeschlagenen Feedback-Methoden hinsichtlich ihrer Leistung, ihres erforderlichen Feedback-Overheads und ihrer Rechenkomplexität verglichen werden.Cooperative antenna systems have recently become a hot research topic, as they promise significantly higher spectral efficiency than conventional cellular systems. The gain is acquired by eliminating inter-cell interference (ICI) through coordination of the base antenna transmissions. Recently, distributed organization methods have been suggested. One of the main challenges of the distributed cooperative antenna system is channel estimation for the downlink channel especially when FDD is used. All of the associated base stations in the cooperative area need to know the full channel state information to calculate the corresponding precoding weight matrix. This information has to be transferred from mobile stations to base stations by using uplink resources. As several base stations and several mobile stations are involved in cooperative antenna systems and each base station and mobile station may be equipped with multiple antennas, the number of channel state parameters to be fed back is expected to be big. In this thesis, efficient feedback techniques of the downlink channel state information are proposed for the multi-user multiple-input multiple-output case, targeting distributed cooperative antenna systems in particular. First, a subspace based channel quantization method is proposed which employs a predefined codebook. An iterative codebook design algorithm is proposed which converges to a local optimum codebook. Furthermore, feedback overhead reduction methods are devised exploiting temporal correlation of the channel. It is shown that the proposed adaptive codebook method in conjunction with a data compression scheme achieves a performance close to the perfect channel case, requiring much less feedback overhead compared with other techniques. The subspace based channel quantization method is extended by introducing multiple antennas at the transmitter side and/or at the receiver side and the performance of a regularized block diagonalization (RBD) precoding(/decoding) scheme has been investigated as well as a zero-forcing (ZF) precoding scheme. A cost-efficient decoding matrix quantization method is proposed which can avoid a complex computation at the mobile station while showing only a slight degradation. The thesis is concluded by comparing the proposed feedback methods in terms of their performance, their required feedback overhead, and their computational complexity. The techniques that are developed in this thesis can be useful and applicable for 5G, which is envisioned to support the high granularity/resolution codebook and its efficient deployment schemes. Keywords: MU-MIMO, COOPA, limited feedback, CSI, CQ, feedback overhead reduction, Givens rotatio

Feedback of channel state information in multi-antenna systems based on quantization of channel Gram matrices

This dissertation deals with the proper design of efficient feedback strategies for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication systems. MIMO systems outperform single antenna systems in terms of achievable throughput and are more resilient to noise and interference, which are becoming the limiting factors in the current and future communications. Apart from the clear performance advantages, MIMO systems introduce an additional complexity factor, since they require knowledge of the propagation channel in order to be able to adapt the transmission to the propagation channel’s characteristics and achieve optimum performance. This channel knowledge, also known as Channel State Information (CSI), is estimated at the receiver and sent to the transmitter through a limited feedback link. In this dissertation, first, the minimum channel information necessary at the transmitter for the optimum precoding design is identified. This minimum information for the optimum design of the system corresponds to the channel Gram matrix. It is essential for the design of optimized systems to avoid the transmission of redundant feedback information. Following this idea, a quantization algorithm that exploits the differential geometry of the set of Gram matrices and the correlation in time present in most propagation channels is developed in order to greatly improve the feedback performance. This scheme is applied first to single-user MIMO communications, then to some particular multiuser scenarios, and finally it is extended to general multiuser broadcast communications. To conclude, the feedback link sizing is studied. An analysis of the tradeoff between size of the forward link and size of the feedback link isformulated and the radio resource allocation problem, in terms of transmission energy, time, and bandwidth of the forward and feedback links is presented.En un mundo cada vez más interconectado, donde hay una clara tendencia hacia un mayor número de comunicaciones inalámbricas simultáneas (comunicaciones M2M: Machine to Machine, redes de sensores, etc.) y en el que las necesidades de capacidad de transmisión de los enlaces de comunicaciones aumentan de manera vertiginosa (audio, video, contenidos multimedia, alta definición, etc.) el problema de la interferencia se convierte en uno de los factores limitadores de los enlaces junto con los desvanecimientos del nivel de señal y las pérdidas de propagación. Por este motivo los sistemas que emplean múltiples antenas tanto en la transmisión como en la recepción (los llamados sistemas MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) se presentan como una de las soluciones más interesantes para satisfacer los crecientes requisitos de capacidad y comportamiento relativo a interferencias. Los sistemas MIMO permiten obtener un mejor rendimiento en términos de tasa de transmisión de información y a su vez son más robustos frente a ruido e interferencias en el canal. Esto significa que pueden usarse para aumentar la capacidad de los enlaces de comunicaciones actuales o para reducir drásticamente el consumo energético manteniendo las mismas prestaciones. Por otro lado, además de estas claras ventajas, los sistemas MIMO introducen un punto de complejidad adicional puesto que para aprovechar al máximo las posibilidades de estos sistemas es necesario tener conocimiento de la información de estado del canal (CSI: Channel State Information) tanto en el transmisor como en el receptor. Esta CSI se obtiene mediante estimación de canal en el receptor y posteriormente se envía al transmisor a través de un canal de realimentación. Esta tesis trata sobre el diseño del canal de realimentación para la transmisión de CSI, que es un elemento fundamental de los sistemas de comunicaciones del presente y del futuro. Las técnicas de transmisión que consideran activamente el efecto de la interferencia y el ruido requieren adaptarse al canal y, para ello, la realimentación de CSI es necesaria. En esta tesis se identifica, en primer lugar, la mínima información sobre el estado del canal necesaria para implementar un diseño óptimo en el transmisor, con el fin de evitar transmitir información redundante y obtener así un sistema más eficiente. Esta información es la matriz de Gram del canal MIMO. Seguidamente, se desarrolla un algoritmo de cuantificación adaptado a la geometría diferencial del conjunto que contiene la información a cuantificar y que además aprovecha la correlación temporal existente en los canales de propagación inalámbricos. Este algoritmo se implementa y evalúa primero en comunicaciones MIMO punto a punto entre dos usuarios, después se implementa para algunos casos particulares con múltiples usuarios, y finalmente se amplía para el caso general de sistemas broadcast multi-usuario. Adicionalmente, esta tesis también estudia y optimiza el dimensionamiento del canal de realimentación en función de la cantidad de recursos radio disponibles, en términos de ancho de banda, tiempo y potencia de transmisión. Para ello presenta el problema de la distribución óptima de dichos recursos radio entre el enlace de transmisión de datos y el enlace de realimentación para transmisión de información sobre estado del canal como un problema de optimización

Mehrdimensionale Kanalschätzung für MIMO-OFDM

DIGITAL wireless communication started in the 1990s with the wide-spread deployment of GSM. Since then, wireless systems evolved dramatically. Current wireless standards approach the goal of an omnipresent communication system, which fulfils the wish to communicate with anyone, anywhere at anytime. Nowadays, the acceptance of smartphones and/or tablets is huge and the mobile internet is the core application. Given the current growth, the estimated data traffic in wireless networks in 2020 might be 1000 times higher than that of 2010, exceeding 127 exabyte. Unfortunately, the available radio spectrum is scarce and hence, needs to be utilized efficiently. Key technologies, such as multiple-input multiple-output (MIMO), orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) as well as various MIMO precoding techniques increase the theoretically achievable channel capacity considerably and are used in the majority of wireless standards. On the one hand, MIMO-OFDM promises substantial diversity and/or capacity gains. On the other hand, the complexity of optimum maximum-likelihood detection grows exponentially and is thus, not sustainable. Additionally, the required signaling overhead increases with the number of antennas and thereby reduces the bandwidth efficiency. Iterative receivers which jointly carry out channel estimation and data detection are a potential enabler to reduce the pilot overhead and approach optimum capacity at often reduced complexity. In this thesis, a graph-based receiver is developed, which iteratively performs joint data detection and channel estimation. The proposed multi-dimensional factor graph introduces transfer nodes that exploit correlation of adjacent channel coefficients in an arbitrary number of dimensions (e.g. time, frequency, and space). This establishes a simple and flexible receiver structure that facilitates soft channel estimation and data detection in multi-dimensional dispersive channels, and supports arbitrary modulation and channel coding schemes. However, the factor graph exhibits suboptimal cycles. In order to reach the maximum performance, the message exchange schedule, the process of combining messages, and the initialization are adapted. Unlike conventional approaches, which merge nodes of the factor graph to avoid cycles, the proposed message combining methods mitigate the impairing effects of short cycles and retain a low computational complexity. Furthermore, a novel detection algorithm is presented, which combines tree-based MIMO detection with a Gaussian detector. The resulting detector, termed Gaussian tree search detection, integrates well within the factor graph framework and reduces further the overall complexity of the receiver. Additionally, particle swarm optimization (PSO) is investigated for the purpose of initial channel estimation. The bio-inspired algorithm is particularly interesting because of its fast convergence to a reasonable MSE and its versatile adaptation to a variety of optimization problems. It is especially suited for initialization since no a priori information is required. A cooperative approach to PSO is proposed for large-scale antenna implementations as well as a multi-objective PSO for time-varying frequency-selective channels. The performance of the multi-dimensional graph-based soft iterative receiver is evaluated by means of Monte Carlo simulations. The achieved results are compared to the performance of an iterative state-of-the-art receiver. It is shown that a similar or better performance is achieved at a lower complexity. An appealing feature of iterative semi-blind channel estimation is that the supported pilot spacings may exceed the limits given the by Nyquist-Shannon sampling theorem. In this thesis, a relation between pilot spacing and channel code is formulated. Depending on the chosen channel code and code rate, the maximum spacing approaches the proposed “coded sampling bound”.Die digitale drahtlose Kommunikation begann in den 1990er Jahren mit der zunehmenden Verbreitung von GSM. Seitdem haben sich Mobilfunksysteme drastisch weiterentwickelt. Aktuelle Mobilfunkstandards nähern sich dem Ziel eines omnipräsenten Kommunikationssystems an und erfüllen damit den Wunsch mit jedem Menschen zu jeder Zeit an jedem Ort kommunizieren zu können. Heutzutage ist die Akzeptanz von Smartphones und Tablets immens und das mobile Internet ist die zentrale Anwendung. Ausgehend von dem momentanen Wachstum wird das Datenaufkommen in Mobilfunk-Netzwerken im Jahr 2020, im Vergleich zum Jahr 2010, um den Faktor 1000 gestiegen sein und 100 Exabyte überschreiten. Unglücklicherweise ist die verfügbare Bandbreite beschränkt und muss daher effizient genutzt werden. Schlüsseltechnologien, wie z.B. Mehrantennensysteme (multiple-input multiple-output, MIMO), orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM) sowie weitere MIMO Codierverfahren, vergrößern die theoretisch erreichbare Kanalkapazität und kommen bereits in der Mehrheit der Mobil-funkstandards zum Einsatz. Auf der einen Seite verspricht MIMO-OFDM erhebliche Diversitäts- und/oder Kapazitätsgewinne. Auf der anderen Seite steigt die Komplexität der optimalen Maximum-Likelihood Detektion exponientiell und ist infolgedessen nicht haltbar. Zusätzlich wächst der benötigte Mehraufwand für die Kanalschätzung mit der Anzahl der verwendeten Antennen und reduziert dadurch die Bandbreiteneffizienz. Iterative Empfänger, die Datendetektion und Kanalschätzung im Verbund ausführen, sind potentielle Wegbereiter um den Mehraufwand des Trainings zu reduzieren und sich gleichzeitig der maximalen Kapazität mit geringerem Aufwand anzunähern. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein graphenbasierter Empfänger für iterative Datendetektion und Kanalschätzung entwickelt. Der vorgeschlagene multidimensionale Faktor Graph führt sogenannte Transferknoten ein, die die Korrelation benachbarter Kanalkoeffizienten in beliebigen Dimensionen, z.B. Zeit, Frequenz und Raum, ausnutzen. Hierdurch wird eine einfache und flexible Empfängerstruktur realisiert mit deren Hilfe weiche Kanalschätzung und Datendetektion in mehrdimensionalen, dispersiven Kanälen mit beliebiger Modulation und Codierung durchgeführt werden kann. Allerdings weist der Faktorgraph suboptimale Schleifen auf. Um die maximale Performance zu erreichen, wurde neben dem Ablauf des Nachrichtenaustausches und des Vorgangs zur Kombination von Nachrichten auch die Initialisierung speziell angepasst. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, bei denen mehrere Knoten zur Vermeidung von Schleifen zusammengefasst werden, verringern die vorgeschlagenen Methoden die leistungsmindernde Effekte von Schleifen, erhalten aber zugleich die geringe Komplexität des Empfängers. Zusätzlich wird ein neuartiger Detektionsalgorithmus vorgestellt, der baumbasierte Detektionsalgorithmen mit dem sogenannten Gauss-Detektor verknüpft. Der resultierende baumbasierte Gauss-Detektor (Gaussian tree search detector) lässt sich ideal in das graphenbasierte Framework einbinden und verringert weiter die Gesamtkomplexität des Empfängers. Zusätzlich wird Particle Swarm Optimization (PSO) zum Zweck der initialen Kanalschätzung untersucht. Der biologisch inspirierte Algorithmus ist insbesonders wegen seiner schnellen Konvergenz zu einem akzeptablen MSE und seiner vielseitigen Abstimmungsmöglichkeiten auf eine Vielzahl von Optimierungsproblemen interessant. Da PSO keine a priori Informationen benötigt, ist er speziell für die Initialisierung geeignet. Sowohl ein kooperativer Ansatz für PSO für Antennensysteme mit extrem vielen Antennen als auch ein multi-objective PSO für Kanäle, die in Zeit und Frequenz dispersiv sind, werden evaluiert. Die Leistungsfähigkeit des multidimensionalen graphenbasierten iterativen Empfängers wird mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht. Die Simulationsergebnisse werden mit denen eines dem Stand der Technik entsprechenden Empfängers verglichen. Es wird gezeigt, dass ähnliche oder bessere Ergebnisse mit geringerem Aufwand erreicht werden. Eine weitere ansprechende Eigenschaft von iterativen semi-blinden Kanalschätzern ist, dass der mögliche Abstand von Trainingssymbolen die Grenzen des Nyquist-Shannon Abtasttheorem überschreiten kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Beziehung zwischen dem Trainingsabstand und dem Kanalcode formuliert. In Abhängigkeit des gewählten Kanalcodes und der Coderate folgt der maximale Trainingsabstand der vorgeschlagenen “coded sampling bound”

Limited feedback MIMO techniques for temporally correlated channels and linear receivers

Advanced mobile wireless networks will make extensive use of multiantenna (MIMO) transceivers to comply with high requirements of data rates and reliability. The use of feedback channels is of paramount importance to achieve this goal in systems employing frequency division duplexing (FDD). The design of the feedback mechanism is challenging due to the severe constraints imposed by computational complexity and feedback bandwidth restrictions. This thesis addresses the design of transmission strategies in both single-user and multi-user MIMO systems, based on compact feedback messages. First, recursive feedback mechanisms for single-user transmission scenarios are proposed, including stochastic gradient techniques, deterministic updates based on Givens rotations and low computational complexity schemes based on partial update filtering concepts. Thereafter, channel feedback algorithms are proposed, and a convergence analysis for static channels is presented. These algorithms can be used to provide channel side information to any multi-user MIMO solution. A limited-feedback decentralized multi-user MIMO solution is proposed, which avoids the need for explicit channel feedback. A feed-forward technique is proposed, which allows our methods to operate in presence of feedback errors. The performance of all the proposed algorithms is illustrated via link-level simulations, where the effect of different parameter values is assessed. Our results show that the proposed methods outperform existing limited-feedback counterparts over a range of low to medium mobile speeds, for moderate antenna array sizes that are deemed practical for commercial deployment. The computational complexity reduction of some of the proposed algorithms is also shown to be considerable, when compared to existing techniques

Limited Feedback Techniques in Multiple Antenna Wireless Communication Systems

Multiple antenna systems provide spatial multiplexing and diversity benefits.These systems also offer beamforming and interference mitigation capabilities in single-user (SU) and multi-user (MU) scenarios, respectively. Although diversity can be achieved without channel state information (CSI) at the transmitter using space-time codes, the knowledge of instantaneous CSI at the transmitter is essential to the above mentioned gains. In frequency division duplexing (FDD) systems, limited feedback techniques are employed to obtain CSI at the transmitter from the receiver using a low-rate link. As a consequence, CSI acquired by the transmitter in such manner have errors due to channel estimation and codebook quantization at the receiver, resulting in performance degradation of multi-antenna systems. In this thesis, we examine CSI inaccuracies due to codebook quantization errors and investigate several other aspects of limited feedback in SU, MU and multicell wireless communication systems with various channel models. For SU multiple-input multiple-output (MIMO) systems, we examine the capacity loss using standard codebooks. In particular, we consider single-stream and two-stream MIMO transmissions and derive capacity loss expressions in terms of minimum squared chordal distance for various MIMO receivers. Through simulations, we investigate the impact of codebook quantization errors on the capacity performance in uncorrelated Rayleigh, spatially correlated Rayleigh and standardized MIMO channels. This work motivates the need of effective codebook design to reduce the codebook quantization errors in correlated channels. Subsequently, we explore the improvements in the design of codebooks in temporally and spatially correlated channels for MU multiple-input single-output (MISO) systems, by employing scaling and rotation techniques. These codebooks quantize instantaneous channel direction information (CDI) and are referred as differential codebooks in the thesis. We also propose various adaptive scaling techniques for differential codebooks where packing density of codewords in the differential codebook are altered according to the channel condition, in order to reduce the quantization errors. The proposed differential codebooks improve the spectral efficiency of the system by minimizing the codebook quantization errors in spatially and temporally correlated channels. Later, we broaden the scope to massive MISO systems and propose trellis coded quantization (TCQ) schemes to quantize CDI. Unlike conventional codebook approach, the TCQ scheme does not require exhaustive search to select an appropriate codeword, thus reducing computational complexity and memory requirement at the receiver. The proposed TCQ schemes yield significant performance improvements compared to the existing TCQ based limited feedback schemes in both temporally and spatially correlated channels. Finally, we investigate interference coordination for multicell MU MISO systems using regularized zero-forcing (RZF) precoding. We consider random vector quantization (RVQ) codebooks and uncorrelated Rayleigh channels. We derive expected SINR approximations for perfect CDI and RVQ codebook-based CDI. We also propose an adaptive bit allocation scheme which aims to minimize the network interference and moreover, improves the spectral efficiency compared to equal bit allocation and coordinated zero-forcing (ZF) based adaptive bit allocation schemes