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

Linear Transmit-Receive Strategies for Multi-user MIMO Wireless Communications

Die Notwendigkeit zur Unterdrueckung von Interferenzen auf der einen Seite und zur Ausnutzung der durch Mehrfachzugriffsverfahren erzielbaren Gewinne auf der anderen Seite rueckte die raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren (Space Division Multiple Access, SDMA) in den Fokus der Forschung. Ein Vertreter der raeumlichen Mehrfachzugriffsverfahren, die lineare Vorkodierung, fand aufgrund steigender Anzahl an Nutzern und Antennen in heutigen und zukuenftigen Mobilkommunikationssystemen besondere Beachtung, da diese Verfahren das Design von Algorithmen zur Vorcodierung vereinfachen. Aus diesem Grund leistet diese Dissertation einen Beitrag zur Entwicklung linearer Sende- und Empfangstechniken fuer MIMO-Technologie mit mehreren Nutzern. Zunaechst stellen wir ein Framework zur Approximation des Datendurchsatzes in Broadcast-MIMO-Kanaelen mit mehreren Nutzern vor. In diesem Framework nehmen wir das lineare Vorkodierverfahren regularisierte Blockdiagonalisierung (RBD) an. Durch den Vergleich von Dirty Paper Coding (DPC) und linearen Vorkodieralgorithmen (z.B. Zero Forcing (ZF) und Blockdiagonalisierung (BD)) ist es uns moeglich, untere und obere Schranken fuer den Unterschied bezueglich Datenraten und bezueglich Leistung zwischen beiden anzugeben. Im Weiteren entwickeln wir einen Algorithmus fuer koordiniertes Beamforming (Coordinated Beamforming, CBF), dessen Loesung sich in geschlossener Form angeben laesst. Dieser CBF-Algorithmus basiert auf der SeDJoCo-Transformation und loest bisher vorhandene Probleme im Bereich CBF. Im Anschluss schlagen wir einen iterativen CBF-Algorithmus namens FlexCoBF (flexible coordinated beamforming) fuer MIMO-Broadcast-Kanaele mit mehreren Nutzern vor. Im Vergleich mit bis dato existierenden iterativen CBF-Algorithmen kann als vielversprechendster Vorteil die freie Wahl der linearen Sende- und Empfangsstrategie herausgestellt werden. Das heisst, jede existierende Methode der linearen Vorkodierung kann als Sendestrategie genutzt werden, waehrend die Strategie zum Empfangsbeamforming frei aus MRC oder MMSE gewaehlt werden darf. Im Hinblick auf Szenarien, in denen Mobilfunkzellen in Clustern zusammengefasst sind, erweitern wir FlexCoBF noch weiter. Hier wurde das Konzept der koordinierten Mehrpunktverbindung (Coordinated Multipoint (CoMP) transmission) integriert. Zuletzt stellen wir drei Moeglichkeiten vor, Kanalzustandsinformationen (Channel State Information, CSI) unter verschiedenen Kanalumstaenden zu erlangen. Die Qualitaet der Kanalzustandsinformationen hat einen starken Einfluss auf die Guete des Uebertragungssystems. Die durch unsere neuen Algorithmen erzielten Verbesserungen haben wir mittels numerischer Simulationen von Summenraten und Bitfehlerraten belegt.In order to combat interference and exploit large multiplexing gains of the multi-antenna systems, a particular interest in spatial division multiple access (SDMA) techniques has emerged. Linear precoding techniques, as one of the SDMA strategies, have obtained more attention due to the fact that an increasing number of users and antennas involved into the existing and future mobile communication systems requires a simplification of the precoding design. Therefore, this thesis contributes to the design of linear transmit and receive strategies for multi-user MIMO broadcast channels in a single cell and clustered multiple cells. First, we present a throughput approximation framework for multi-user MIMO broadcast channels employing regularized block diagonalization (RBD) linear precoding. Comparing dirty paper coding (DPC) and linear precoding algorithms (e.g., zero forcing (ZF) and block diagonalization (BD)), we further quantify lower and upper bounds of the rate and power offset between them as a function of the system parameters such as the number of users and antennas. Next, we develop a novel closed-form coordinated beamforming (CBF) algorithm (i.e., SeDJoCo based closed-form CBF) to solve the existing open problem of CBF. Our new algorithm can support a MIMO system with an arbitrary number of users and transmit antennas. Moreover, the application of our new algorithm is not only for CBF, but also for blind source separation (BSS), since the same mathematical model has been used in BSS application.Then, we further propose a new iterative CBF algorithm (i.e., flexible coordinated beamforming (FlexCoBF)) for multi-user MIMO broadcast channels. Compared to the existing iterative CBF algorithms, the most promising advantage of our new algorithm is that it provides freedom in the choice of the linear transmit and receive beamforming strategies, i.e., any existing linear precoding method can be chosen as the transmit strategy and the receive beamforming strategy can be flexibly chosen from MRC or MMSE receivers. Considering clustered multiple cell scenarios, we extend the FlexCoBF algorithm further and introduce the concept of the coordinated multipoint (CoMP) transmission. Finally, we present three strategies for channel state information (CSI) acquisition regarding various channel conditions and channel estimation strategies. The CSI knowledge is required at the base station in order to implement SDMA techniques. The quality of the obtained CSI heavily affects the system performance. The performance enhancement achieved by our new strategies has been demonstrated by numerical simulation results in terms of the system sum rate and the bit error rate

Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems

Nach einer Einleitung behandelt Teil 2 Mehrbenutzer-Scheduling für die Abwärtsstrecke von drahtlosen MIMO Systemen mit einer Sendestation und kanaladaptivem precoding: In jeder Zeit- oder Frequenzressource kann eine andere Nutzergruppe gleichzeitig bedient werden, räumlich getrennt durch unterschiedliche Antennengewichte. Nutzer mit korrelierten Kanälen sollten nicht gleichzeitig bedient werden, da dies die räumliche Trennbarkeit erschwert. Die Summenrate einer Nutzermenge hängt von den Antennengewichten ab, die wiederum von der Nutzerauswahl abhängen. Zur Entkopplung des Problems schlägt diese Arbeit Metriken vor basierend auf einer geschätzten Rate mit ZF precoding. Diese lässt sich mit Hilfe von wiederholten orthogonalen Projektionen abschätzen, wodurch die Berechnung von Antennengewichten beim Scheduling entfällt. Die Ratenschätzung kann basierend auf momentanen Kanalmessungen oder auf gemittelter Kanalkenntnis berechnet werden und es können Datenraten- und Fairness-Kriterien berücksichtig werden. Effiziente Suchalgorithmen werden vorgestellt, die die gesamte Systembandbreite auf einmal bearbeiten können und zur Komplexitätsreduktion die Lösung in Zeit- und Frequenz nachführen können. Teil 3 zeigt wie mehrere Sendestationen koordiniertes Scheduling und kooperative Signalverarbeitung einsetzen können. Mittels orthogonalen Projektionen ist es möglich, Inter-Site Interferenz zu schätzen, ohne Antennengewichte berechnen zu müssen. Durch ein Konzept virtueller Nutzer kann der obige Scheduling-Ansatz auf mehrere Sendestationen und sogar Relays mit SDMA erweitert werden. Auf den benötigten Signalisierungsaufwand wird kurz eingegangen und eine Methode zur Schätzung der Summenrate eines Systems ohne Koordination besprochen. Teil4 entwickelt Optimierungen für Turbo Entzerrer. Diese Nutzen Signalkorrelation als Quelle von Redundanz. Trotzdem kann eine Kombination mit MIMO precoding sinnvoll sein, da bei Annahme realistischer Fehler in der Kanalkenntnis am Sender keine optimale Interferenzunterdrückung möglich ist. Mit Hilfe von EXIT Charts wird eine neuartige Methode zur adaptiven Nutzung von a-priori-Information zwischen Iterationen entwickelt, die die Konvergenz verbessert. Dabei wird gezeigt, wie man semi-blinde Kanalschätzung im EXIT chart berücksichtigen kann. In Computersimulationen werden alle Verfahren basierend auf 4G-Systemparametern überprüft.After an introduction, part 2 of this thesis deals with downlink multi-user scheduling for wireless MIMO systems with one transmitting station performing channel adaptive precoding:Different user subsets can be served in each time or frequency resource by separating them in space with different antenna weight vectors. Users with correlated channel matrices should not be served jointly since correlation impairs the spatial separability.The resulting sum rate for each user subset depends on the precoding weights, which in turn depend on the user subset. This thesis manages to decouple this problem by proposing a scheduling metric based on the rate with ZF precoding such as BD, written with the help of orthogonal projection matrices. It allows estimating rates without computing any antenna weights by using a repeated projection approximation.This rate estimate allows considering user rate requirements and fairness criteria and can work with either instantaneous or long term averaged channel knowledge.Search algorithms are presented to efficiently solve user grouping or selection problems jointly for the entire system bandwidth while being able to track the solution in time and frequency for complexity reduction. Part 3 shows how multiple transmitting stations can benefit from cooperative scheduling or joint signal processing. An orthogonal projection based estimate of the inter-site interference power, again without computing any antenna weights, and a virtual user concept extends the scheduling approach to cooperative base stations and finally included SDMA half-duplex relays in the scheduling.Signalling overhead is discussed and a method to estimate the sum rate without coordination. Part 4 presents optimizations for Turbo Equalizers. There, correlation between user signals can be exploited as a source of redundancy. Nevertheless a combination with transmit precoding which aims at reducing correlation can be beneficial when the channel knowledge at the transmitter contains a realistic error, leading to increased correlation. A novel method for adaptive re-use of a-priori information between is developed to increase convergence by tracking the iterations online with EXIT charts.A method is proposed to model semi-blind channel estimation updates in an EXIT chart. Computer simulations with 4G system parameters illustrate the methods using realistic channel models.Im Buchhandel erhältlich: Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems / Fuchs-Lautensack,Martin Ilmenau: ISLE, 2009,116 S. ISBN 978-3-938843-43-

Energy-Efficient System Design for Future Wireless Communications

The exponential growth of wireless data traffic has caused a significant increase in the power consumption of wireless communications systems due to the higher complexity of the transceiver structures required to establish the communication links. For this reason, in this Thesis we propose and characterize technologies for improving the energy efficiency of multiple-antenna wireless communications. This Thesis firstly focuses on energy-efficient transmission schemes and commences by introducing a scheme for alleviating the power loss experienced by the Tomlinson-Harashima precoder, by aligning the interference of a number of users with the symbols to transmit. Subsequently, a strategy for improving the performance of space shift keying transmission via symbol pre-scaling is presented. This scheme re-formulates complex optimization problems via semidefinite relaxation to yield problem formulations that can be efficiently solved. In a similar line, this Thesis designs a signal detection scheme based on compressive sensing to improve the energy efficiency of spatial modulation systems in multiple access channels. The proposed technique relies on exploiting the particular structure and sparsity that spatial modulation systems inherently possess to enhance performance. This Thesis also presents research carried out with the aim of reducing the hardware complexity and associated power consumption of large scale multiple-antenna base stations. In this context, the employment of incomplete channel state information is proposed to achieve the above-mentioned objective in correlated communication channels. The candidate’s work developed in Bell Labs is also presented, where the feasibility of simplified hardware architectures for massive antenna systems is assessed with real channel measurements. Moreover, a strategy for reducing the hardware complexity of antenna selection schemes by simplifying the design of the switching procedure is also analyzed. Overall, extensive theoretical and simulation results support the improved energy efficiency and complexity of the proposed schemes, towards green wireless communications systems

Advanced interference management techniques for future wireless networks

In this thesis, we design advanced interference management techniques for future wireless networks under the availability of perfect and imperfect channel state information (CSI). We do so by considering a generalized imperfect CSI model where the variance of the channel estimation error depends on the signal-to-noise ratio (SNR). First, we analyze the performance of standard linear precoders, namely channel inversion (CI) and regularized CI (RCI), in downlink of cellular networks by deriving the received signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of each user subject to both perfect and imperfect CSI. In this case, novel bounds on the asymptotic performance of linear precoders are derived, which determine howmuch accurate CSI should be to achieve a certain quality of service (QoS). By relying on the knowledge of error variance in advance, we propose an adaptive RCI technique to further improve the performance of standard RCI subject to CSI mismatch. We further consider transmit-power efficient design of wireless cellular networks. We propose two novel linear precoding techniques which can notably decrease the deployed power at transmit side in order to secure the same average output SINR at each user compared to standard linear precoders like CI and RCI. We also address a more sophisticated interference scenario, i.e., wireless interference networks, wherein each of the K transmitters communicates with its corresponding receiver while causing interference to the others. The most representative interference management technique in this case is interference alignment (IA). Unlike standard techniques like time division multiple access (TDMA) and frequency division multiple access (FDMA) where the achievable degrees of freedom (DoF) is one, with IA, the achievable DoF scales up with the number of users. Therefore, in this thesis, we quantify the asymptotic performance of IA under a generalized CSI mismatch model by deriving novel bounds on asymptotic mean loss in sum rate and the achievable DoF. We also propose novel least squares (LS) and minimum mean square error (MMSE) based IA techniques which are able to outperform standard IA schemes under perfect and imperfect CSI. Furthermore, we consider the implementation of IA in coordinated networks which enable us to decrease the number of deployed antennas in order to secure the same achievable DoF compared to standard IA techniques

Adaptive Precoding and Resource Allocation in Cognitive Radio Networks

In this thesis, we develop efficient resource allocation and adaptive precoding schemes for two scenarios: multiuser MIMO-OFDM and multiuser MIMO based CR networks. In the context of the multiuser MIMO-OFDM CR network, we have developed resource allocation and adaptive precoding schemes for both the downlink (DL) and uplink (UL). The proposed schemes are characterized by both computational and spectral efficiencies. The adaptive precoder operates based on generating degrees of freedom (DoF). The resource allocation has been formulated as a sum-rate maximization problem subject to the upper-limit of total power and interference at primary user constraints. The formulated optimization problem is a mixed integer programming having a combinatorial complexity which is hard to solve, and therefore we separated it into a two-phase procedure to elaborate computational efficiency: Adaptive precoding (DoF assignment) and subcarrier mapping. From the implementation perspective, the resource allocation of the DL is central based processing, but the UL is semi-distributed based. The DL and UL problems are sorted out using the Lagrange multiplier theory which is regarded as an efficient alternative methodology compared to the convex optimization theory. The solution is not only characterized by low-complexity, but also by optimality. Numerical simulations illustrate remarkable spectral and SNR gains provided by the proposed schemes.In dieser Dissertation werden effiziente Ressourcenallokation und adaptive Vorkodierungsverfahren für zwei Szenarios entwickelt: Mehrbenutzer-MIMO-OFDM und Mehrbenutzer-MIMO jeweils basierend auf CR-Netzwerken. Im Bereich der Mehrbenutzer-MIMO-OFDM CR-Netzwerke wurden Verfahren zur Ressourcenallokation und zur adaptiven Vorkodierung jeweils für den Downlink (DL) und den Uplink (UL) entwickelt. Die Ressourcenallokation wurde als Optimierungsproblem formuliert, bei dem die Summenrate maximiert wird, wobei die Gesamtsendeleistung und die Interferenz an den Primärnutzern begrenzt ist. Das formulierte Optimierungsproblem ist ein sogenanntes Mixed-Integer-Programm, dessen kombinatorische Komplexität nur extrem aufwendig lösbar ist. Auf Grund dessen wurde es zur Komplexitätsreduktion in zwei Phasen aufgeteilt: Adaptive Vorkodierung (DoF-Zuordnung) und Subkanalzuordnung. Während die Ressourcenallokation für den DL aus Implementierungssicht ein zentralistischer Prozess ist, kann sie für den UL als semiverteilt eingeordnet werden. Die Aufgabe der zentralen Ressourcenallokation wird gelöst, um die zentrale adaptive Vorkodierung und die Subkanalzuordnung für UL und DL zu verwalten. Die Subkanalzuordnung ist für den DL optimal und effizient gelöst, indem das Problem als konvexes Problem modelliert ist. Für den UL wiederum ist das Problem trotz der Konvexität quasi-optimal gelöst, da in der Problemformulierung eine Begrenzung der Ressourcen pro Benutzer existiert