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Baracca, Paolo (2012) Transmission Techniques and Resource Allocation in Coordinated Multi-Point Systems. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

This thesis is focused on the design of transmission schemes and resource allocation algorithms for both downlink and uplink of coordinated multi-point (CoMP) systems.
In current cellular systems, which employ a full frequency reuse of the spectral resource, interference has been recognized as one of the most limiting factor: in particular, user equipments (UEs) close to the cell edge typically suffer strong inter-cell interference (ICI). This interference, which is due to the transmission of neighbouring base stations (BSs) in the downlink and UEs in neighbouring cells in the uplink, limits the fairness across the UEs and, in general, the overall system performance. It has been shown that BS coordination is able to dramatically improve the system performance with respect to non-cooperative schemes by limiting the impact of ICI. Coordination is obtained by sharing among the BSs channel state information (CSI), data to be sent to the UEs in the downlink and signals received by the BSs in the uplink. However, BS coordination also poses several new challenges. First of all, the backhaul may not be able to support the sharing among the BSs of all the data to be sent to the UEs or signals received by BSs. Moreover, obtaining reliable CSI at the BSs for all the UEs in the network may be an issue because of a) limited bandwidth available for the feedback channel in frequency division duplex (FDD) systems and b) noise on channel estimation in time division duplex (TDD) systems. Thereby, it is crucial to develop practical algorithms that deal efficiently with both of these issues in order to achieve, in a realistic scenario, the performance gain enabled by cooperation.
This thesis is basically divided into two parts. In the first part we focus on downlink CoMP systems and we provide four main contributions. First, we propose a novel transmission scheme based on linear precoding and quantization of quadrature amplitude modulation (QAM) constellations. With the aim of reducing the backhaul occupation, a set of cooperative BSs transmit toward the UE a quantized version of the QAM symbol by using a joint precoder, while the serving BS transmits a quantization error symbol. In order to avoid modifications of the receiver, we impose that the combination of the two symbols through the channels yields at the UE the original QAM symbol. Numerical results show that this approach ensures a network spectral efficiency close to a theoretical limit obtained by using the more complex Slepian-Wolf encoding. Secondly, we develop a greedy dynamic algorithm to jointly organize BSs in clusters and to schedule UEs in each cluster. A considerable gain is achieved by the proposed approach with respect to both non-cooperative schemes and static clustering. Thirdly, we focus on the feedback design in FDD systems and we consider a practical strategy where each UE quantizes the CSI by using codebooks designed for a single-cell scenario. We propose two algorithms which allow the UE to a) select a subset of preferred BSs and b) optimize the number of feedback bits allocated to the quantization of each CSI. In particular, more feedback bits are sent to BSs with stronger signals. Finally, we adapt our scheme based on QAM quantization to a different scenario where a set of relays assists the transmission of a BS toward a UE. In such a case, the proposed joint precoding is employed by the relays to serve the UE, whereas the links connecting the relays to the BS represent the backhaul infrastructure.
In the second part of the thesis, we consider the uplink of CoMP systems by assuming that UEs transmit toward BSs by using single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA), which is the modulation employed in the uplink of Long Term Evolution (LTE). In this scenario, we propose a new scheduler of the signals exchanged among BSs on the backhaul that allows each BS to share only a subset of the subcarriers of each SC-FDMA block.

Abstract (italiano)

Questa tesi è incentrata sullo studio di schemi di trasmissione e algoritmi per l’allocazione di risorse sia per il downlink che per l’uplink di sistemi CoMP.
Nei sistemi cellulari odierni, in cui vi è un riutilizzo delle stesse frequenze in ogni cella, l’interferenza inter-cella rappresenta uno dei fattori più limitanti andando a ridurre sensibilmente l’efficienza spettrale degli utenti a bordo cella. Questa interferenza, che è dovuta nel downlink alla trasmissione da parte di stazioni radio base in celle vicine e nell’uplink alla trasmissione di utenti in celle vicine, limita la fairness tra gli utenti e, più in generale, le prestazioni del sistema. Tuttavia, la coordinazione tra stazioni radio base è in grado di limitare l’impatto dell’interferenza inter-cella e migliorare notevolmente le prestazioni rispetto ai sistemi senza cooperazione. La coordinazione prevede la condivisione tra stazioni radio base di informazioni sui canali, dei dati da trasmettere agli utenti nel downlink e dei segnali ricevuti dalle stazioni radio base nell’uplink. L’implementazione pratica della coordinazione pone però molte nuove problematiche. Prima di tutto, l’infrastruttura di backhaul può non essere in grado di supportare la condivisione di dati e segnali tra le stazioni radio base. Inoltre, può essere difficile ottenere una conoscenza affidabile dei canali tra un utente e le stazioni radio base nella rete a) per una banda limitata dedicata al canale di feedback in sistemi a divisione di frequenza e b) per il rumore sulla stima di canale in sistemi a divisione di tempo. Di conseguenza, è importante sviluppare degli algoritmi pratici che tengano in considerazione queste problematiche e mantengano in un sistema reale il guadagno garantito dalla coordinazione.
Questa tesi è divisa in due parti. La prima parte è incentrata sul downlink e vengono forniti quattro contributi principali. In primo luogo, si propone un nuovo schema di trasmissione che si basa sul precoding lineare e la quantizzazione di costellazioni QAM. Con l’obiettivo di ridurre il traffico sulla rete di backhaul, un insieme di stazioni radio base coordinate trasmette verso un utente un simbolo che è una versione quantizzata del simbolo QAM originale, mentre la stazione radio base servente trasmette una versione scalata dell’errore di quantizzazione. Imponendo che la combinazione dei due campioni al ricevitore dia il simbolo QAM originale, lo schema proposto non richiede alcuna modifica al lato utente. I risultati numerici mostrano che l’efficienza spettrale ottenuta con questa tecnica si avvicina a quella ottenuta utilizzando la più complicata codifica di Slepian-Wolf. In secondo luogo, si propone un algoritmo greedy dinamico di scheduling e clustering per organizzare le stazioni radio base in cluster e per scegliere gli utenti serviti da ciascun cluster. Un guadagno considerevole è ottenuto grazie al metodo proposto rispetto a schemi senza cooperazione e schemi con clustering statico. In terzo luogo, viene studiato il problema del feedback per sistemi a divisione di frequenza e si considera uno schema pratico dove l’utente quantizza i canali utilizzando dei codebook disegnati per sistemi senza coordinazione. Con questo schema si propongono due algoritmi che permettono all’utente di a) selezionare l’insieme preferito di stazioni radio base e b) ottimizzare il numero di bit utilizzati per quantizzare ciascun canale. Nel dettaglio, questi algoritmi allocano più bit per la quantizzazione dei canali più forti. Infine, si adatta lo schema che si basa sulla quantizzazione di costellazioni QAM ad uno scenario dove un insieme di relay assiste la trasmissione di una stazione radio base verso un utente. In questo caso lo schema di precoding è utilizzato dai relay per servire l’utente, mentre i link che connettono i relay alla stazione radio base rappresentano il backhaul.
Nella seconda parte della tesi si considera l’uplink di sistemi CoMP e si assume che gli utenti trasmettano verso le stazioni radio base utilizzando la modulazione SC-FDMA, che è lo schema utilizzato in LTE. Per questo scenario, si propone un nuovo scheduler dei segnali scambiati sul backhaul tra stazioni radio base che consente ad ogni stazione di condividere solo un sottoinsieme delle sottoportanti di ciascun blocco SC-FDMA.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Benvenuto, Nevio
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 25 > Scuole 25 > INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE > SCIENZA E TECNOLOGIA DELL'INFORMAZIONE
Data di deposito della tesi:17 Dicembre 2012
Anno di Pubblicazione:17 Dicembre 2012
Parole chiave (italiano / inglese):Wireless communications, Coordinated multi-point, Network MIMO, Multi-cell processing, Cellular systems, Resource allocation
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/03 Telecomunicazioni
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Codice ID:5277
Depositato il:15 Ott 2013 11:25
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