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-

Achieving Large Multiplexing Gain in Distributed Antenna Systems via Cooperation with pCell Technology

In this paper we present pCellTM technology, the first commercial-grade wireless system that employs cooperation between distributed transceiver stations to create concurrent data links to multiple users in the same spectrum. First we analyze the per-user signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) employing a geometrical spatial channel model to define volumes in space of coherent signal around user antennas (or personal cells, i.e., pCells). Then we describe the system architecture consisting of a general-purpose-processor (GPP) based software-defined radio (SDR) wireless platform implementing a real-time LTE protocol stack to communicate with off-the-shelf LTE devices. Finally we present experimental results demonstrating up to 16 concurrent spatial channels for an aggregate average spectral efficiency of 59.3 bps/Hz in the downlink and 27.5 bps/Hz in the uplink, providing data rates of 200 Mbps downlink and 25 Mbps uplink in 5 MHz of TDD spectrum.Comment: IEEE Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Nov. 8-11th 2015, Pacific Grove, CA, US

Advanced transmitter and receivers in future wireless networks

O objectivo desta dissertação é aprofundar o estudo de tecnologias que permitam atingir comunicações mais eficientes e fiáveis nas futuras redes sem fios. Uma das tecnologias estudadas nesta dissertação e que ainda não existem muitos estudos é o Complex Rotation Matrix (CRM). Esta tecnologia é bastante útil em sistemas que usem multi-portadoras como o Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) pois permite dividir a informação pelas várias sub-portadoras. Caso este sistema use também a tecnologia MIMO ainda permitirá a divisão da informação por várias antenas. As constelações hierárquicas são outro dos temas abordados nesta dissertação e são um método eficiente de entregar o mesmo conteúdo a diferentes utilizadores. Esta técnica poderá ser bastante útil tanto em sistemas de uma portadora como multi-portadoras. O Single Carrier (SC) é outra das tecnologias abordadas nesta dissertação. Um dos standards em que poderia ser utilizado tanto o OFDM com o SC é no Digital Video Broadcasting – Satellite services to Handhelds (DVB-SH). Este esquema de comunicação tem com propósito a entrega de conteúdos multimédia aos terminais móveis via comunicação com estações base ou por satélite. O uso de o OFDM no downlink (DL) e do SC no uplink (UL) no mesmo standard/protocolo teria repercussões também ao nível dos terminais móveis pois permitiria uma melhor eficiência na duração das baterias. Os resultados obtidos nesta tese visam sobretudo o estudo do CRM, estimação de canal e constelações hierárquicas. Para a obtenção de resultados foram efectuadas simulações com o método de Monte Carlo e Turbo Códigos. Os simuladores foram desenvolvidos em Matlab.The main purpose of this dissertation is the study of technologies that allow achieving more reliable and efficient communications in wireless systems. One of the technologies studied in this dissertation and practically new is the Complex Rotation Matrix (CRM). This technology is useful in systems that use multi-carrier as the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). The hierarchical constellations are other theme approached in this dissertation and it purpose efficiently is to deliver the same content to different users. Another technology studied in this dissertation was the Single Carrier (SC) with Frequency Division Equalization. The SC is a well-know technology and is used in several telecommunications systems. The goal is the future wireless communications adopt the two technologies in the same system and use one of them depending of the situation. The Digital Video Broadcasting – Satellite services to Handhelds (DVB-SH) is one standard that can take advantage of the using of the OFDM and SC in the same system. The main goal of the DVB-SH is deliver multimedia content via satellite communications or communications with base stations to mobile terminals. The mobile terminals can achieve a more efficiency in their batteries whether in a standard/protocol that uses OFDM in DL and SC in UL. The results obtained with this thesis have the purpose to study the CRM, channel estimation and hierarchical constellation. The simulators were developed in Matlab platform and Turbo Codes are the codification used, channel estimation is also used and all the simulations were made with the Monte Carlo method

Esquemas de cooperação entre estações base para o LTE no sentido descendente

The explosive growth in wireless traffic and in the number of connected devices as smart phones or computers, are causing a dramatic increase in the levels of interference, which significantly degrades the capacity gains promised by the point-to-point multi input, multi output (MIMO) based techniques. Therefore, it is becoming increasingly clear that major new improvements in spectral efficiency of wireless networks will have to entail addressing intercell interference. So, there is a need for a new cellular architecture that can take these factors under consideration. It is in this context that LTE-Advanced arises. One of the most promising LTE-Advanced technology is Coordinated Multipoint (CoMP), which allows base stations to cooperate among them, in order to mitigate or eliminate the intercell interference and, by doing so, increase the system’s capacity. This thesis intends to study this concept, implementing some schemes that fall under the CoMP concept. In this thesis we consider a distributed precoded multicell approach, where the precoders are computed locally at each BS to mitigate the intercell interference. Two precoder are considered: distributed zero forcing (DZF) and distributed virtual signal-to-interference noise ratio (DVSINR) recently proposed. Then the system is further optimized by computing a power allocation algorithm over the subcarriers that minimizes the average bit error rate (BER). The considered algorithms are also evaluated under imperfect channel state information. A quantized version of the CSI associated to the different links between the BS and the UT is feedback from the UT to the BS. This information is then employed by the different BSs to perform the precoding design. A new DVSINR precoder explicitly designed under imperfect CSI is proposed. The proposed schemes were implemented considering the LTE specifications, and the results show that the considered precoders are efficiently to remove the interference even under imperfect CSI.O crescimento exponencial no tráfego de comunicações sem-fios e no número de dispositivos utilizados (smart phones, computadores portáteis, etc.) está a causar um aumento significativo nos níveis de interferência, que prejudicam significativamente os ganhos de capacidade assegurados pelas tecnologias baseadas em ligações ponto-a-ponto MIMO. Deste modo, torna-se cada vez mais necessário que os grandes aperfeiçoamentos na eficiência espectral de sistemas de comunicações sem-fios tenham em consideração a interferência entre células. De forma a tomar em consideração estes aspectos, uma nova arquitectura celular terá de ser desenvolvida. É assim, neste contexto, que surge o LTE-Advanced. Uma das tecnologias mais promissoras do LTE-Advanced é a Coordenação Multi-Ponto (CoMP), que permite que as estações base cooperem de modo a mitigar a interferência entre células e, deste modo, aumentar a capacidade do sistema. Esta dissertação pretende estudar este conceito, implementando para isso algumas técnicas que se enquadram no conceito do CoMP. Nesta dissertação iremos considerar a implementação de um sistema de pré-codificação em múltiplas células, em que os pré-codificadores são calculados em cada BS, de modo a mitigar a interferência entre células. São considerados dois pré-codificadores: Distributed Zero Forcing (DZF) e Distributed Virtual Signal-to-Interferance Noise Ratio (DVSINR), recentemente proposto. De seguida o sistema é optimizado com a introdução de algoritmos de alocação de potência entre as sub-portadoras com o objectivo de minimizar a taxa média de erros (BER). Os algoritmos considerados são também avaliados em situações em que a informação do estado do canal é imperfeita. Uma versão quantizada da CSI associada a cada uma das diferentes ligações entre as BS e os UT é assim enviada do UT para a BS. Esta informação é então utilizada para calcular os diferentes pré-codificadores em cada BS. Uma nova versão do pré-codificador DVSINR é proposta de modo a lidar com CSI imperfeito. Os esquemas propostos foram implementados considerandos especificações do LTE, e os resultados obtidos demonstram que os pré-codificadores removem de uma forma eficiente a interferência, mesmo em situações em que a CSI é imperfeita

Digital signal processing waveform aggregation and its experimental demonstration for next generation mobile fronthaul

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Técnicas de pré-codificação para sistemas multicelulares coordenados

Doutoramento em TelecomunicaçõesCoordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.Multicell coordination is a promising solution for cellular wireless systems to mitigate inter-cell interference, improving system fairness and increasing capacity and thus is already under study in LTE-A under the coordinated multipoint (CoMP) concept. There are several coordinated transmission approaches depending on the amount of information shared by the transmitters through the backhaul network and where the processing takes place i.e. in a central processing unit or in a distributed way on each base station. In this thesis, we propose joint precoding and power allocation techniques considering different strategies: Full-centralized, where all the processing takes place at the central unit; Semi-distributed, in this case only some process related with power allocation is done at the central unit; and Fulldistributed, where all the processing is done locally at each base station. The methods are designed in two phases: first the inter-cell interference is removed by applying a set of centralized or distributed precoding vectors; then the system is further optimized by centralized or distributed power allocation schemes. Three centralized power allocation algorithms with per-BS power constraint and different complexity tradeoffs are proposed. Also distributed power allocation schemes are proposed by considering the multicell system as superposition of single cell systems, where we define the average virtual bit error rate (BER) of interference-free single cell system, allowing us to compute the power allocation coefficients in a distributed manner at each BS. All proposed schemes are evaluated in realistic scenarios considering LTE specifications. The numerical evaluations show that the proposed schemes are efficient in removing inter-cell interference and improve system performance comparing to equal power allocation. Furthermore, fulldistributed schemes can be used when the amounts of information to be exchanged over the backhaul is restricted, although system performance is slightly degraded from semi-distributed and full-centralized schemes, but the complexity is considerably lower. Besides that for high degrees of freedom distributed schemes show similar behaviour to centralized ones