Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Coordinated Precoding for Multicell MIMO Networks
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Signal Processing. KTH, School of Electrical Engineering (EES), Centres, ACCESS Linnaeus Centre.ORCID iD: 0000-0002-7724-5896
2014 (English)Licentiate thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

Enabling multiple base stations to utilize the spatial dimension in a coordinated manner has been shown to be a fruitful technique for improving the spectral efficiency in wireless interference networks. This thesis considers multicell systems where base stations and mobile stations are equipped with multiple antennas. The base stations coordinate their spatial precoding, but individually serve their mobile stations with data. For such coordinated precoding systems, interference alignment (IA) is a useful theoretical tool, due to its ability to serve the maximum number of interference-free data streams. Three topics related to interference alignment and coordinated precoding are studied.

First, the feasibility of IA over a joint space-frequency signal space is studied. A necessary condition for space-frequency IA feasibility is derived, and the possible gain over space-only IA is analyzed. An upper bound on the degree of freedom gain is shown to increase in the number of subcarriers, but decrease in the number of antennas. Numerical studies, using synthetically generated channels and real-world channels obtained from indoors and outdoors channel measurements, are used for sum rate performance evaluation. The results show that although a degree of freedom gain is noticeable due to the space-frequency precoding, the sum rate of the system is mainly improved due to a power gain.

Second, distributed channel state information (CSI) acquisition techniques are proposed, which provide estimates of the information necessary to perform distributed coordinated precoding. The methods are based on pilot-assisted channel estimation in the uplink and downlink, and correspond to different tradeoffs between feedback and signaling, backhaul use, and computational complexity. Naively applying the existing WMMSE algorithm for distributed coordinated precoding together with the estimated CSI however results in poor performance. A robustification of the algorithm is therefore proposed, relying on the well known diagonal loading technique. An inherent property of the WMMSE solutions is derived and, when enforced onto solutions with imperfect CSI, results in diagonally loaded receive filters. Numerical simulations show the effectiveness of the proposed robustification. Further, the proposed robustified and distributed WMMSE algorithm performs well compared to existing state-of-the-art robust WMMSE algorithms. In contrast to our approach, the existing methods however rely on centralized CSI acquisition.

Third, coordinated precoding systems with hardware impairments are studied. Assuming that impairment compensation techniques have been applied, a model is used to describe the aggregate effect of the residual hardware impairments. An iterative resource allocation method accounting for the residual hardware impairments is derived, based on an existing resource allocation framework. Numerical simulations show that the proposed method outperforms all benchmarks. In particular, the gain over impairments-aware time-division multiple access is substantial.

Abstract [sv]

Genom att låta flera radiobasstationer samarbeta är det möjligt att förbättra spektraleffektiviteten i trådlösa interferensnätverk. Fokus i denna licentiatavhandling ligger på multicellnätverk där både radiobasstationer och mobilenheter har flera antenner. Radiobasstationerna väljer sina spatiella förkodare gemensamt, men skickar data individuellt till sina respektive mobilenheter. För sådana system med koordinerad förkodning ('coordinated precoding') är interferensupprätning ('interference alignment') ett användbart teoretiskt verktyg, eftersom det möjliggör överföring av maximalt antal dataströmmar i nätverket. I avhandlingen studeras tre aspekter av interferensupprätning och koordinerad förkodning.

Först undersöks interferensupprätning när signalrummet består av en kombination av rymd- och frekvensdimensioner. Ett nödvändigt villkor härleds för existensen av rymd/frekvens-interferensupprätning, och prestandavinsten analyseras i jämförelse med system där enbart rymddimensionerna används för interferensupprätning. Det föreslagna systemet utvärderas med hjälp av numeriska simuleringar och uppmätta inomhus- och utomhuskanaler. Resultaten visar att rymd/frekvens-interferensupprätning ger upphov till ett ökat antal frihetsgrader, men att summadatatakten främst förbättras tack vare en upplevd effektförstärkning.

Därefter undersöks tekniker för skattning av den nödvändiga kanalkännedom som krävs för att genomföra koordinerad förkodning. Det finns flera sätt att erhålla den nödvändiga informationen, t.ex. genom olika kombinationer av kanalskattning, feedback, signalering och användning av backhaulnätverk. Speciellt söks distribuerade metoder, eftersom dessa är fördelaktiga vid praktisk implementering. Tre metoder för skattning av kanalkännedom föreslås. Dessa motsvarar olika avvägningar mellan kanalskattning och signalering, och en av metoderna är helt distribuerad. När den skattade informationen används med en existerande algoritm för koordinerad förkodning blir prestandan undermålig. Därför föreslås två förändringar av algoritmen, vilka leder till mer robusta prestanda. Förändringarna bygger på den välkända diagonal loading-tekniken. Utvärdering av det föreslagna systemet, som består av distribuerad erhållning av kanalkännedom samt den förbättrade algoritmen för koordinerad förkodning, genomförs med numerisk simulering. Resulterande prestanda är i nivå med ett tidigare föreslaget system, som dock kräver centraliserad tillgång till kanalskattningarna, till skillnad från vår nya lösning.

Slutligen studeras ett system med koordinerad förkodning och icke-perfekt radiohårdvara. En modell för distortionsbruset orsakad av bristerna i radiohårdvaran används, och en iterativ resurstilldelningsteknik föreslås baserad på ett existerande ramverk. Den föreslagna algoritmen kan implementeras distribuerat över mobilenheterna, men kan i allmänhet inte implementeras distribuerat över radiobasstationerna. Den föreslagna algoritmen utvärderas med numeriska simuleringar, och resultaten visar att prestanda är bättre än alla referensmetoder. Detta visar betydelsen av att hantera bristerna i radiohårdvaran i resurstilldelningen.

Sammantaget visar avhandlingen på möjligheterna att öka spektraleffektiviteten i framtida multicellnätverk med hjälp av koordinerad förkodning.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2014. , xii, 133 p.
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2014:023
Keyword [en]
coordinated precoding, multicell MIMO, interference alignment, distributed precoding, hardware impairments
National Category
Signal Processing Telecommunications
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-145138ISBN: 978-91-7595-142-3 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-145138DiVA: diva2:716718
Presentation
2014-06-03, Hörsal Q2, Osquldas väg 10, KTH, Stockholm, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
EU, FP7, Seventh Framework Programme, FET 265578
Note

QC 20140512

Available from: 2014-05-12 Created: 2014-05-12 Last updated: 2014-05-12Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Rasmus_Brandt_licentiate_thesis(7805 kB)819 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7805 kBChecksum SHA-512
0efeced9ba018891f5f08a90065a3a6e411c2eaf720f875ffa7850d11d1dead3b3c9a126a278be49e4141461e776fbbceedc9406a98de8926f78445eab5213cd
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Brandt, Rasmus

Search in DiVA

By author/editor
Brandt, Rasmus
By organisation
Signal ProcessingACCESS Linnaeus Centre
Signal ProcessingTelecommunications

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 819 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 517 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf