Downlink SDMA with Limited Feedback in Interference-Limited Wireless Networks

The tremendous capacity gains promised by space division multiple access (SDMA) depend critically on the accuracy of the transmit channel state information. In the broadcast channel, even without any network interference, it is known that such gains collapse due to interstream interference if the feedback is delayed or low rate. In this paper, we investigate SDMA in the presence of interference from many other simultaneously active transmitters distributed randomly over the network. In particular we consider zero-forcing beamforming in a decentralized (ad hoc) network where each receiver provides feedback to its respective transmitter. We derive closed-form expressions for the outage probability, network throughput, transmission capacity, and average achievable rate and go on to quantify the degradation in network performance due to residual self-interference as a function of key system parameters. One particular finding is that as in the classical broadcast channel, the per-user feedback rate must increase linearly with the number of transmit antennas and SINR (in dB) for the full multiplexing gains to be preserved with limited feedback. We derive the throughput-maximizing number of streams, establishing that single-stream transmission is optimal in most practically relevant settings. In short, SDMA does not appear to be a prudent design choice for interference-limited wireless networks.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Wireless Communication

Information Technology

The new millennium has been labeled as the century of the personal communications revolution or more specifically, the digital wireless communications revolution. The introduction of new multimedia services has created higher loads on available radio resources. These services can be presented in different levels of quality of service. Namely, the task of the radio resource manager is to provide these levels. Radio resources are scarce and need to be shared by many users. The sharing has to be carried out in an efficient way avoiding as much as possible any waste of resources. The main contribution focus of this work is on radio resource management in opportunistic systems. In opportunistic communications dynamic rate and power allocation may be performed over the dimensions of time, frequency and space in a wireless system. In this work a number of these allocation schemes are proposed. A downlink scheduler is introduced in this work that controls the activity of the users. The scheduler is a simple integral controller that controls the activity of users, increasing or decreasing it depending on the degree of proximity to a requested quality of service level. The scheduler is designed to be a best effort scheduler; that is, in the event the requested quality of service (QoS) cannot be attained, users are always guaranteed the basic QoS level provided by a proportional fair scheduler. In a proportional fair scheduler, the user with the best rate quality factor is selected. The rate quality here is the instantaneous achievable rate divided by the average throughput Uplink scheduling is more challenging than its downlink counterpart due to signalling restrictions and additional constraints on resource allocations. For instance, in long term evolution systems, single carrier FDMA is to be utilized which requires the frequency domain resource allocation to be done in such a way that a user could only be allocated subsequent bands. We suggest for the uplink a scheduler that follows a heuristic approach in its decision. The scheduler is mainly based on the gradient algorithm that maximizes the gradient of a certain utility. The utility could be a function of any QoS. In addition, an optimal uplink scheduler for the same system is presented. This optimal scheduler is valid in theory only, nevertheless, it provides a considerable benchmark for evaluation of performance for the heuristic scheduler as well as other algorithms of the same system. A study is also made for the feedback information in a multi-carrier system. In a multi-carrier system, reporting the channel state information (CSI) of every subcarrier will result in huge overhead and consequent waste in bandwidth. In this work the subcarriers are grouped into subbands which are in turn grouped into blocks and a study is made to find the minimum amount of information for the adaptive modulation and coding (AMC) of the blocks. The thesis also deals with admission control and proposes an opportunistic admission controller. The controller gradually integrates a new user requesting admission into the system. The system is probed to examine the effect of the new user on existing connections. The user is finally fully admitted if by the end of the probing, the quality of service (QoS) of existing connections did not drop below a certain threshold. It is imperative to mention that the research work of this thesis is mainly focused on non-real time applications.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Random Beamforming for Multi-cell Multiple-Input Multi-Output (MIMO) Systems

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Multiuser Optimal Transmit Beamforming: Performance Studies, Antennas Selection, A Genetic Algorithm Approach

RÉSUMÉ La formation de faisceaux est une technique très prometteuse utilisant un grand nombre d'antennes pour transmettre un signal vers un ou plusieurs utilisateurs. L'objectif est d'augmenter la puissance du signal chez l'utilisateur souhaité et de réduire la puissance d'interférence chez les utilisateurs non visés. Étant donné que la transmission de la formation de faisceaux augmente la puissance dans une direction spécifique, cela permet à un accès multiple par division spatiale de servir plusieurs utilisateurs simultanément. Cependant, le problème est de garder un équilibre entre maximiser la puissance du signal et minimiser la puissance d'interférence dans les systèmes multi-utilisateurs. Cette thèse décrit une structure simple qui fournit une base théorique pour un système de formation de faisceau optimal. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés des systèmes linéaires et optimaux dans différents scénarios, tels que les rapports des signaux faibles et élevés au bruit, des nombres multiple d'antennes, le canal à évanouissement de Rayleigh et les retards multiples. Nous analysons les scénarios lorsque la formation de faisceaux linéaires fonctionnent comme une formation de faisceau optimale. Ensuite, nous proposons une méthode simple pour sélectionner le nombre minimum d'antennes suffisantes pour satisfaire aux exigences de qualité de service des utilisateurs. Lorsque le nombre d’antennes à la station de base est très grand, il ne sera peut-être pas nécessaire d’utiliser toutes les antennes pour desservir seulement quelques utilisateurs. Cette situation incite à choisir un nombre d’antennes limité. Cependant, le nombre choisi peut ne pas suffire à satisfaire les exigences de qualité de service des utilisateurs en raison de fortes interférences, de conditions de canal et du nombre d'utilisateurs. Pour résoudre ce problème NP-difficile, il faut faire une recherche exhaustive ou une recherche heuristique des méthodes itératives avec un coût de complexité informatique acceptable. Ainsi, nous proposons un cadre simple pour sélectionner un ensemble d'antennes suffisantes pour satisfaire les besoins de l'utilisateur. Enfin, nous proposons un algorithme génétique pour une formation de faisceaux optimale avec une complexité d'implémentation faible. Considérant l'algorithme de réduction de branche comme une référence, nous comparons la performance de l'algorithme proposé dans différents scénarios.---------- ABSTRACT Transmit beamforming is a very promising technique to transmit the signal from a large array of antennas to one or multiple users. The goal is to increase the signal power at the desired user and reduce the interference power at the non-intended users. Since transmit beamforming increases the power to a specific direction, it allows for space division multiple access to serve multiple users simultaneously. However, the problem is to keep the balance between maximizing the signal power and minimizing the interference power in multi-user systems. This thesis describes a simple structure that provides a theoretical foundation for optimal beamforming scheme. In this thesis, we study the properties of linear and optimal beamforming schemes in different scenarios such as low to high signal to noise ratio ranges, multiple number of antennas, simple Rayleigh fading channel, Rayleigh fading channel with Doppler effects. We analyze the scenarios when linear beamforming performs as an optimal beamforming. Next, we propose a simple method to select the minimum number of antennas that is enough to satisfy the quality of service requirements of the users. In case of massive number of antennas at base station, it may not be necessary to use all antennas to serve only few users. That situation motivates the selection of a set of limited number of antennas. However, the number of chosen antennas may not be enough to satisfy the quality of service requirements of the users due to strong interference, channel conditions and number of users. To solve this NP-hard problem, it requires an exhaustive search or heuristic search, iterative methods with a cost of computational complexity. Thus, we propose a simple framework to select a set of antennas that is enough to satisfy the user’s requirements. Finally, we propose a genetic algorithm for optimal beamforming with low implementation complexity. Considering the branch reduce and bound algorithm as a benchmark, we compare the performance of the proposed algorithm in different scenarios

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Rate-Splitting for Max-Min Fair Multigroup Multicast Beamforming in Overloaded Systems

In this paper, we consider the problem of achieving max-min fairness amongst multiple co-channel multicast groups through transmit beamforming. We explicitly focus on overloaded scenarios in which the number of transmitting antennas is insufficient to neutralize all inter-group interference. Such scenarios are becoming increasingly relevant in the light of growing low-latency content delivery demands, and also commonly appear in multibeam satellite systems. We derive performance limits of classical beamforming strategies using DoF analysis unveiling their limitations; for example, rates saturate in overloaded scenarios due to inter-group interference. To tackle interference, we propose a strategy based on degraded beamforming and successive interference cancellation. While the degraded strategy resolves the rate-saturation issue, this comes at a price of sacrificing all spatial multiplexing gains. This motivates the development of a unifying strategy that combines the benefits of the two previous strategies. We propose a beamforming strategy based on rate-splitting (RS) which divides the messages intended to each group into a degraded part and a designated part, and transmits a superposition of both degraded and designated beamformed streams. The superiority of the proposed strategy is demonstrated through DoF analysis. Finally, we solve the RS beamforming design problem and demonstrate significant performance gains through simulations