Communication with channel uncertainties, feedback acquisition and optimization

par Umer Salim

Thèse de doctorat en Automatique, traitement du signal et des images

Sous la direction de Dirk Slock.

Soutenue en 2010

à Nice .

  • Titre traduit

    Communication avec incertitude sur le canal, acquisition et optimisation du feedback


  • Résumé

    En communications sans fil, la transmission de grande quantité d'information en utilisant le minimum des ressources est un grand défi. L'étude de la capacité, pour un canal mono-utilisateur et pour un canal multi-utilisateur, sans faire une hypothèse initiale sur la connaissance de canal est très important, vue que cette capacité ne détermine pas seulement la borne supérieure de débit réalisable par toute opération de transmission, mais reflète également l’efficacité des régimes de fonctionnement. Pour les systèmes où on ne connait rien sur le canal, l'analyse de capacité risque de devenir très lourde, même pour le cas où la complexité des modèles est moyenne. Due à la complexité élevée de cette analyse, nous nous limitons, dans la première partie de la thèse, au régime à rapport signal à bruit (RSB) élevé, car cela nous permet de caractériser le terme dominant de capacité, c'est-à-dire le terme log (P), où P est la puissance de transmission. Dans le cas des canaux stationnaires symbole par symbole, mono-utilisateur et mono-antenne, nous déterminons le pre-log, le coefficient de log (P), pour les canaux faiblement dispersifs. Une nouvelle stratégie de transmission est proposée qui réalise le non-zéro pre-log pour les canaux hautement dispersifs. En considérant le cas d’un canal multi-utilisateur en liaison descendante (DL) avec une station de base (BS) multi-antenne, les limites inférieure et supérieure du gain de multiplexage sont dérivées pour les canaux stationnaires par bloque, sans hypothèses initiale sur les coefficients de canal. Cette analyse renseigne également sur comment la qualité des coefficients de canal à la BS devrait être ajustée avec RSB pour conserver le gain de multiplexage. Le système multi-utilisateur DL montre des gains prometteurs, même pour des utilisateurs mono-antenne. Pour que ces gains soient réalisables, on a besoin de bonne connaissance des coefficients de canal à la BS, ce qui pourrait induire une surcharge importante sur la liaison montante (UL). Dans la deuxième partie de cette thèse, l'accent est mis sur la conception et l'optimisation des stratégies de feedback sur les coefficients de canal. Nous étudions un système multi-utilisateur DL sans aucune connaissance initiale de canal et nous en déduisons le débit total des différents utilisateurs quand le feedback est entièrement prise en compte. Ces bornes permettent de maximiser le débit total en faisant un compromis entre le cout et le gain de feedback. En outre, nous proposons une nouvelle stratégie de feedback pour les canaux réciproques qui combine l'utilisation des pilotes et le feedback quantifié, contrairement au régime classique pour tels canaux où seulement les séquences pilotes sont utilisées. Les résultats prouvent la supériorité de cette nouvelle acquisition hybride par rapport à celles classiques. Pour les canaux multi-utilisateur avec une connaissance du canal, la maximisation du débit total de transmission en présence de contrainte de puissance d’alimentation fixe est largement étudiée. Le problème dual, qui consiste à la minimisation de la puissance nécessaire à transmettre pour atteindre un taux bien déterminé au côté utilisateurs, est également un problème très important et de grand intérêt pour les fournisseurs de service. Dans la troisième partie de la thèse, nous étudions le problème de minimisation de la puissance transmise, en liaison avec l’ordonnancement des utilisateurs. Certains résultats analytiques sont dérivés pour quelques cas limite. Nous démontrons également que la sélection des utilisateurs semi-orthogonaux est plus performante qu’autres stratégies de sélection.


  • Résumé

    In wireless communications, there has always been a quest for being able to transmit large amounts of information at the expense of minimal resource utilization. The study of capacity/rate both for single-user and multi-user channels without initial assumption of channel state information (CSI) is important as this capacity not only indicates the upper bound of the rate limit achievable by any transmission scheme but also shows power efficient and inefficient regimes of operation. For the channels without any assumption of CSI, the capacity analysis could become highly cumbersome even for channel models of moderate complexity. Due to intractability of this analysis, we focus on the high signal-to-noise ratio (SNR) regime in the first part of this thesis which lets us characterize the dominant capacity term, the term with log(P) where P is the transmit power. For single-user single-antenna symbol-by-symbol stationary channels, the exact pre-log (the coefficient of log(P)) is specified for underspread channels. A novel transmission scheme is shown to achieve non-zero pre-log for overspread channels. Considering multi-user downlink (DL) channels with a multi-antenna base station (BS), tight lower and upper bounds of the multiplexing gain are derived for relatively simple block-stationary channels with no assumption of CSI. This analysis also reveals how the quality of CSI at the BS should be scaled with SNR to preserve the multiplexing gain. A multi-user DL channel shows promising gains even with single-antenna user terminals. Achievability of these gains requires the presence of good quality CSI at the BS which might involve a significant overhead on the uplink (UL) resource. In the second part of this thesis, the focus is on the design and optimization of CSI feedback at the transmitter. We study a multi-user DL system without any assumption of CSI and derive sum rate bounds when CSI acquisition is completely accounted for. These bounds allow maximizing the sum rate by achieving the cost-benefit trade-off of CSI feedback. Further, we propose a novel CSI feedback acquisition strategy for reciprocal channels which combines the use of training sequence and quantized feedback contrary to the classical scheme for such channels where only pilot sequences are used. The results show the superiority of the new hybrid acquisition over traditional CSI acquisition schemes. For multi-user channels with CSI, the sum rate maximization under fixed power constraints has been widely studied. The dual of this problem, namely, the minimization of transmit power required to achieve specific rate/quality targets at the users' side is also an equally important design problem and of high interest to service providers. In the third part of this thesis, we study the problem of transmit power minimization in conjunction with user scheduling for various user selection schemes. Some analytical results are derived in the limiting case and it is shown that semi-orthogonal greedy user selection performs much better than some other user selection schemes.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (xvi-137 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 131-137. Résumé en anglais

Où se trouve cette thèse ?