Distributed cooperative MIMO in beyond 2020 wireless networks

Abstract

[EN] Mobile communication systems are currently being developed with the aim of providing peak data rates up to 20 times higher to those of LTE-Advanced Rel 10. However, this performance improvement is often far from being the experimented performance by those users who are far from the Base Station (BS). In this sense, there exists a consensus on the fact that the best way to achieve the same quality for all users is with the use of heterogeneous networks composed of macrocells, microcells, femtocells, and relays.

This dissertation addresses the use of Mobile Relays (MRs) to provide service to users who are at the cell-edge. MR is a natural extension of the fi xed relay in which users who are in the idle state could retransmit signals received from other transmitters to enhance data rates. This dissertation focuses on proposing and evaluating new techniques that manage the use of the MR in the new generation cellular networks. In particular, the dissertation studies MR from two complementary points of view.

The first point of view investigates the MR management at the network level through a signaling protocol known as Media Independent Handover. The central idea of this mechanism is to use this signaling to connect the BS and the user in one of the following two manners. In the former, both entities are connected directly through the xG (x= 2, 3, 4, 5) wireless network. In the latter, there exists an xG connection between the BS and the MR and another one between the MR and the user through an IEEE 802.11 local wireless network. The investigations in this Thesis aim at fi nding a trade-of f between using multiple MRs and reducing signaling overhead.

The second point of view deals with MR integration at air interface level. It consists in detecting, proposing, and evaluating new transmission techniques that solve the drawbacks derived from coherent detection. As with point-to-point systems, employing multiple antennas in a cooperative system can signi cantly improve the spectral efficiency of the systems with only one transmit antenna assuming that the channel estate information is available at the receiver. However, performing a coherent detection in a network assisted by relays consumes much more resources than a point-to-point network since the coherent detection requires the channel estimation of source-relay, relay-destination, and source-destination links. In this Thesis, the proposed solution is to use transmission techniques that do not need the channel knowledge to perform the detection.

This dissertation evaluates the use of Single-User (SU) open-loop communication methods over temporally-correlated Rayleigh fading MIMO channels. On the other hand, in multi-carrier systems, the Thesis proposes to transmit the Grassmannian signaling (GS) in the virtual block formed by the coherence time and the coherence bandwidth. This proposal is due to the fact that GS achieves data rates approaching capacity over block-fading channels. However, this channel type is not common in real systems since channel correlation is often found in frequency, time, and space. For this reason, the next objective is to evaluate the performance of GS compared to the diversity transmission modes of LTE, analyzing the impact of user mobility and antenna correlation. Thanks to these investigations, we point that non-coherent systems are promising techniques in mobility scenarios with a high number of transmit antennas. This result motivates its relevance in the design of new SU open-loop transmission methods with multiple antennas. In downlink multi-user non-coherent scenarios, superposition coding and a suboptimum detection scheme are proposed. This detection system reduces the complexity respect to the maximum likelihood detection. Finally, this dissertation proposes that GS is transmitted in a new carrier type, where any reference signal is transmitted. In this way, the user would change its detection method to non-coherent.

[ES] Los sistemas de comunicaciones móviles están siendo desarrollados en la actualidad con el objetivo de ofrecer tasas de datos de pico hasta 20 veces mayores que las proporcionadas por LTE-Advanced Rel 10. Sin embargo, esta mejora en prestaciones está lejos de ser la experimentada por los usuarios que están lejos de la Estación Base (EB). En este sentido, existe un consenso en que la mejor manera de lograr la misma calidad para todos los usuarios es con el uso de redes heterogéneas formadas de macroceldas, microceldas, femtoceldas y relays.

Esta Tesis estudia el uso del Relay Móvil (RM) para proporcionar servicio a usuarios que estén en el borde de la celda. El RM es una extensión natural del relay fijo en el cual los usuarios que están en reposo podrían retransmitir señales recibidas de otros transmisores para mejorar las tasas de datos. Esta Tesis se enfoca en proponer y evaluar nuevas técnicas que gestionen el uso del RM en las redes celulares de nueva generación. En particular, la Tesis estudia el MR desde dos puntos de vista complementarios.

El primer punto de vista investiga la gestión del RM a nivel de red a través de un protocolo de señalización conocido como Media Independent Handover. La idea principal de este mecanismo es usar esta señalización para conectar la EB y el usuario en una de las siguientes dos maneras. En la primera, ambas entidades están conectadas directamente a través de la red inalámbrica xG (x=2, 3, 4, 5). En la segunda, existe una conexión xG entre la EB y el RM, y otra entre el RM y el usuario a través de una red inalámbrica local IEEE 802.11. Las investigaciones en esta Tesis buscan un compromiso entre usar múltiples RMs y reducir la carga de señalización.

El segundo punto de vista trata de la integración del RM a nivel radio. Esto consiste en detectar, proponer y evaluar nuevas técnicas de transmisión que solucionen los inconvenientes derivados de la detección coherente. Como en los sistemas punto a punto, emplear múltiples antenas en un sistema cooperativo puede mejorar la efficiencia espectral respecto a los sistemas con una única antena transmisora asumiendo que el estado del canal está disponible en el receptor. Sin embargo, realizar una detección coherente en una red asistida con relays consume más recursos que una red punto a punto ya que la detección coherente requiere la estimación de canal de los enlaces fuente-relay, relay-destino y fuente-destino. La solución propuesta es usar técnicas de transmisión que no necesiten el conocimiento del canal para realizar la detección.

Esta Tesis evalúa el uso de métodos de comunicación en lazo abierto a un único usuario sobre canales MIMO con desvanecimientos Rayleigh temporalmente correlados. Por otra parte, en sistemas multiportadora, se propone transmitir la Señalización Grassmannian (SG) en el bloque virtual formado por el tiempo de coherencia y el ancho de banda de coherencia. Esta propuesta se debe al hecho de que la SG alcanza tasas de datos cercanas a la capacidad en canales block-fading. Sin embargo, este tipo de canal no es común en sistemas reales puesto que la correlación del canal se encuentra a menudo en frecuencia, tiempo y espacio. Por esta razón, el siguiente objetivo es evaluar las prestaciones de la SG comparadas con los modos de transmisión de diversidad de LTE, analizando el impacto de la movilidad del usuario y la correlación de las antenas. Gracias a estas investigaciones, apuntamos que los sistemas no coherentes son técnicas prometedoras en escenarios con movilidad y un alto número de antenas transmisoras. En escenarios no coherentes multiusuario del enlace descendente, se propone utilizar superposition coding y un esquema de detección subóptimo que reduce la complejidad respecto a la detección de máxima verosimilitud. Finalmente, se propone que la SG sea transmitida en una nueva portadora donde ninguna señal de referencia se transmita. De esta forma, el usuar

[CA] Els sistemes de comunicacions mòbils estan sent desenrotllats en l'actualitat amb l'objectiu d'oferir taxes de dades de pic fins a 20 vegades majors que les proporcionades per LTE-Advanced Rel 10. No obstant això, esta millora en prestacions està lluny de ser l'experimentada pels usuaris que estan lluny de l'Estació Base (EB). En este sentit, hi ha un consens en què la millor manera d'aconseguir la mateixa qualitat per a tots els usuaris és amb l'ús de xarxes heterogènies formades de macrocel·les, microcel·les, femtoceldas i relays.

Esta Tesi estudia l'ús del Relay Mòbil (RM) per a proporcionar servici a usuaris que estiguen en el bord de la cel·la. El RM és una extensió natural del relay fix en el qual els usuaris que estan en repòs podrien retransmetre senyals rebudes d'altres transmissors per a millorar les taxes de dades. Esta Tesi s'enfoca a proposar i avaluar noves tècniques que gestionen l'ús del RM en les xarxes cel·lulars de nova generació. En particular, la Tesi estudia el MR des de dos punts de vista complementaris.

El primer punt de vista investiga la gestió del RM a nivell de xarxa a través d'un protocol de senyalització conegut com Media Independent Handover. La idea principal d'este mecanisme és usar esta senyalització per a connectar l'EB i l'usuari en una de les següents dos maneres. En la primera, ambdós entitats estan connectades directament a través de la xarxa sense fil xG (x=2, 3, 4, 5) . En la segona, hi ha una connexió xG entre l'EB i el RM, i una altra entre el RM i l'usuari a través d'una xarxa sense fil local IEEE 802.11. Les investigacions en esta Tesi busquen un compromís entre usar múltiples RMs i reduir la càrrega de senyalització.

El segon punt de vista tracta de la integració del RM a nivell ràdio. Açò consistix a detectar, proposar i avaluar noves tècniques de transmissió que solucionen els inconvenients derivats de la detecció coherent. Com en els sistemes punt a punt, emprar múltiples antenes en un sistema cooperatiu pot millorar l'efficiencia espectral respecte als sistemes amb una única antena transmissora assumint que l'estat del canal està disponible en el receptor. No obstant això, realitzar una detecció coherent en una xarxa assistida amb relays consumix més recursos que una xarxa punt a punt ja que la detecció coherent requerix l'estimació de canal dels enllaços font-relay, relay-destí i font-destí. La solució proposada és usar tècniques de transmissió que no necessiten el coneixement del canal per a realitzar la detecció.

Esta Tesi avalua l'ús de mètodes de comunicació en llaç obert a un únic usuari sobre canals MIMO amb esvaïments Rayleigh temporalment correlats. D'altra banda, en sistemes multiportadora, es proposa transmetre la Senyalització Grassmannian (SG) en el bloc virtual format pel temps de coherència i l'amplada de banda de coherència. Esta proposta es deu al fet de que la SG aconseguix taxes de dades pròximes a la capacitat en canals block-fading. No obstant això, este tipus de canal no és comú en sistemes reals ja que la correlació del canal es troba sovint en freqüència, temps i espai. Per esta raó, el següent objectiu és avaluar les prestacions de la SG comparades amb els modes de transmissió de diversitat de LTE, analitzant l'impacte de la mobilitat de l'usuari i la correlació de les antenes. Gràcies a estes investigacions, apuntem que els sistemes no coherents són tècniques prometedores en escenaris amb mobilitat i un alt nombre d'antenes transmissores. En escenaris no coherents multiusuari de l'enllaç descendent, es proposa utilitzar superposition coding i un esquema de detecció subòptim que reduïx la complexitat respecte a la detecció de màxima versemblança. Finalment, es proposa que la SG siga transmesa en una nova portadora on cap senyal de referència es transmeta. D'esta manera, l'usuari canviaria el seu mètode de detecció a no coherent.