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Efficient Radio Resource Allocation Schemes and Code Optimizations for High Speed Downlink Packet Access Transmission
An important enhancement on the Wideband Code Division Multiple Access
(WCDMA) air interface of the 3G mobile communications, High Speed Downlink
Packet Access (HSDPA) standard has been launched to realize higher spectral
utilization efficiency. It introduces the features of multicode CDMA transmission
and Adaptive Modulation and Coding (AMC) technique, which makes radio resource
allocation feasible and essential. This thesis studies channel-aware resource
allocation schemes, coupled with fast power adjustment and spreading code optimization
techniques, for the HSDPA standard operating over frequency selective
channel.
A two-group resource allocation scheme is developed in order to achieve a
promising balance between performance enhancement and time efficiency. It only
requires calculating two parameters to specify the allocations of discrete bit rates
and transmitted symbol energies in all channels. The thesis develops the calculation
methods of the two parameters for interference-free and interference-present
channels, respectively. For the interference-present channels, the performance of
two-group allocation can be further enhanced by applying a clustering-based channel
removal scheme.
In order to make the two-group approach more time-efficient, reduction in
matrix inversions in optimum energy calculation is then discussed. When the
Minimum Mean Square Error (MMSE) equalizer is applied, optimum energy allocation
can be calculated by iterating a set of eigenvalues and eigenvectors. By
using the MMSE Successive Interference Cancellation (SIC) receiver, the optimum
energies are calculated recursively combined with an optimum channel ordering
scheme for enhancement in both system performance and time efficiency.
This thesis then studies the signature optimization methods with multipath
channel and examines their system performances when combined with different
resource allocation methods. Two multipath-aware signature optimization methods
are developed by applying iterative optimization techniques, for the system
using MMSE equalizer and MMSE precoder respectively. A PAM system using
complex signature sequences is also examined for improving resource utilization
efficiency, where two receiving schemes are proposed to fully take advantage of
PAM features. In addition by applying a short chip sampling window, a Singular
Value Decomposition (SVD) based interference-free signature design method is
presented
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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