Outage Probability and Outage-Based Robust Beamforming for MIMO Interference Channels with Imperfect Channel State Information

In this paper, the outage probability and outage-based beam design for multiple-input multiple-output (MIMO) interference channels are considered. First, closed-form expressions for the outage probability in MIMO interference channels are derived under the assumption of Gaussian-distributed channel state information (CSI) error, and the asymptotic behavior of the outage probability as a function of several system parameters is examined by using the Chernoff bound. It is shown that the outage probability decreases exponentially with respect to the quality of CSI measured by the inverse of the mean square error of CSI. Second, based on the derived outage probability expressions, an iterative beam design algorithm for maximizing the sum outage rate is proposed. Numerical results show that the proposed beam design algorithm yields better sum outage rate performance than conventional algorithms such as interference alignment developed under the assumption of perfect CSI.Comment: 41 pages, 14 figures. accepted to IEEE Transactions on Wireless Communication

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

Probabilistic QoS Constrained Robust Downlink Multiuser MIMO Transceiver Design with Arbitrarily Distributed Channel Uncertainty

We study the robust transceiver optimization in downlink multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems aiming at minimizing transmit power under probabilistic quality-of-service (QoS) requirements. Owing to the unknown distributed interference, the channel estimation error obtained from the linear minimum mean square error (LMMSE) estimator can be arbitrarily distributed. Under this situation, the QoS requirements should account for the worst-case channel estimation error distribution. While directly finding the worst-case distribution is challenging, two methods are proposed to solve the robust transceiver design problem. One is based on the Markov’s inequality, while the other is based on a novel duality method. Two convergence-guaranteed iterative algorithms are proposed to solve the transceiver design problems. Furthermore, for the special case of MU multiple-input single-output (MISO) systems, the corresponding robust transceiver design problems are shown to be convex. Simulation results show that, compared to the non-robust method, the QoS requirement is satisfied by both proposed algorithms. Among the two proposed methods, the duality method shows a superior performance in transmit power, while the Markov method demonstrates a lower computational complexity. Furthermore, the proposed duality method results in less conservative QoS performance than the Gaussian approximated probabilistic robust method and bounded robust method.published_or_final_versio

From Multi-Keyholes to Measure of Correlation and Power Imbalance in MIMO Channels: Outage Capacity Analysis

An information-theoretic analysis of a multi-keyhole channel, which includes a number of statistically independent keyholes with possibly different correlation matrices, is given. When the number of keyholes or/and the number of Tx/Rx antennas is large, there is an equivalent Rayleigh-fading channel such that the outage capacities of both channels are asymptotically equal. In the case of a large number of antennas and for a broad class of fading distributions, the instantaneous capacity is shown to be asymptotically Gaussian in distribution, and compact, closed-form expressions for the mean and variance are given. Motivated by the asymptotic analysis, a simple, full-ordering scalar measure of spatial correlation and power imbalance in MIMO channels is introduced, which quantifies the negative impact of these two factors on the outage capacity in a simple and well-tractable way. It does not require the eigenvalue decomposition, and has the full-ordering property. The size-asymptotic results are used to prove Telatar's conjecture for semi-correlated multi-keyhole and Rayleigh channels. Since the keyhole channel model approximates well the relay channel in the amplify-and-forward mode in certain scenarios, these results also apply to the latterComment: accepted by IEEE IT Trans., 201

On the Outage Capacity of Correlated Multiple-Path MIMO Channels

The use of multi-antenna arrays in both transmission and reception has been shown to dramatically increase the throughput of wireless communication systems. As a result there has been considerable interest in characterizing the ergodic average of the mutual information for realistic correlated channels. Here, an approach is presented that provides analytic expressions not only for the average, but also the higher cumulant moments of the distribution of the mutual information for zero-mean Gaussian (multiple-input multiple-output) MIMO channels with the most general multipath covariance matrices when the channel is known at the receiver. These channels include multi-tap delay paths, as well as general channels with covariance matrices that cannot be written as a Kronecker product, such as dual-polarized antenna arrays with general correlations at both transmitter and receiver ends. The mathematical methods are formally valid for large antenna numbers, in which limit it is shown that all higher cumulant moments of the distribution, other than the first two scale to zero. Thus, it is confirmed that the distribution of the mutual information tends to a Gaussian, which enables one to calculate the outage capacity. These results are quite accurate even in the case of a few antennas, which makes this approach applicable to realistic situations.Comment: submitted for publication IEEE Trans. Information Theory; IEEEtran documentstyl