Systèmes et techniques pour Multi-Cell MIMO et relayage coopératif dans les réseaux sans fil

par Agisilaos Papadogiannis

Thèse de doctorat en Électronique et communications

Sous la direction de David Gesbert.

Soutenue en 2009

à Paris, Télécom ParisTech .


  • Résumé

    La demande sans cesse croissante pour des services sans fil de plus en plus gourmandes en ressources et l'évolution de l'état du marché des communications sans fil, obligent les futurs systèmes (4G) à obéir à des contraintes d'efficacités spectrales plus importantes et à fournir une meilleure qualité de service, particulièrement pour les utilisateurs se trouvant en bordure de cellules. Afin de répondre à ces objectifs, les nouveaux systèmes de communication devront incorporer des technologies qui leur permettent d'augmenter l'efficacité spectrale dans la cellule. Une des techniques des plus prometteuses permettant d'atteindre ces objectifs est le MIMO Coopératif dans les Réseaux Multi-cellulaires (Multicell-MIMO en anglais) qui est capable de diminuer l'interférence intercellulaire et d'augmenter le débit. Cette technique nécessite qu'un certain nombre de stations de base (BSs) se regroupent et traitent les signaux conjointement. Cependant, le Multicell-MIMO coopératif nécessite l'introduction de charges supplémentaires non négligeables sur le réseau afin de permettre le bon fonctionnement de cette technologie. Le but de cette thèse est d'étudier ces charges afin de trouver les mécanismes de les réduire avec des pertes acceptables de performances. Dans un premier temps, partant du fait que les charges introduites sur le réseau par le Multicell-MIMO coopératif sont proportionnelles au nombre de BSs qui coopèrent, nous sommes concentrés sur le regroupement d'un faible nombre d'entre eux. Nous proposons pour cela une coopération entre les BSs qui génèrent beaucoup d'interférences l'une pour l'autre, au lieu de considérer une coopération entre les stations de bases qui sont géographiquement proches l'une de l'autre. Cette approche nous a permis d'apporter des gains significatifs au niveau de l'efficacité spectrale. Par ailleurs, la conception centralisée classique pour le MIMO coopératif nécessite que les BSs appartenant à un même groupe soient interconnectées par une unité de contrôle centrale, leur permettant l'échange d'informations entre autres sur l'état du canal (CSI: Channel State Information en anglais). Cette architecture rend difficile le déploiement de cette technologie dans les réseaux de communications mobiles vu qu'elle nécessite des investissements supplémentaires pour le rajout de l'infrastructure additionnelle. Dans cette thèse, on propose une nouvelle approche mettant en œuvre une architecture décentralisée. Ceci nous assure la simplicité d'intégration du principe de la coopération Multi-cellulaire dans les systèmes cellulaires conventionnels à travers de minimes changements sur leur architecture. En outre, dans les systèmes de communication FDD (Frequency Division Duplexing en anglais) la connaissance du canal de transmission est cruciale afin d'assurer une bonne communication sur le lien descendant. Pour cela, les différents utilisateurs doivent réaliser une estimation du canal et la renvoyer sur une voie de retour. Nous proposons dans cette thèse une approche permettant de diminuer le trafic généré par le processus de retour du CSI en ne sélectionnant que les coefficients du canal ayant un gain supérieur à un niveau préfixé. On montre que la réduction de cette charge sur la voie de retour peut être combinée avec la réduction de la charge sur le backhaul (échange des donnés entre les BSs qui coopèrent). Une autre technique prometteuse, qui permet d'améliorer l'efficacité spectrale, est l'utilisation des relais. Les relais dynamiques (utilisateurs qui relaient des signaux destinés aux autres utilisateurs) sont plus rentables que les relais statiques, car ils n'exigent pas de déploiement de nouvelle infrastructure coûteuse. Cependant, leur utilisation ajoute des charges supplémentaires et des complexités importantes. Dans cette thèse l'efficacité des relais dynamiques est évaluée dans des environnements différents. De plus quelques techniques originales qui exploitent les relais dynamiques tout en exigeant des charges générales minimales sont présentées.

  • Titre traduit

    Systems and techniques for multicell-MIMO and coopérative relaying in wireless networks


  • Résumé

    The constantly increasing demand for wireless services, the scarcity of radio spectrum and the characteristics of the global wireless market, necessitate that future wireless systems (Fourth Generation Mobile - 4G) provide higher peak data rates and better QoS, especially for the cell-edge users. Furthermore it is essential that they achieve high spectral efficiencies and they are easily deployed. In order to be able to accomplish these objectives, wireless systems need to incorporate technologies that increase the cell throughput without increasing spectral consumption. A very promising technique that can achieve the aforementioned targets is Multicell Cooperative Processing (MCP) or Multicell-MIMO. MCP has the potential to mitigate Inter-Cell Interference (ICI) and augment data rates without sacrificing additional spectrum but at the cost of some overhead and complexity. According to the concept of clustered MCP proposed in this thesis, Base Stations (BSs) are grouped into cooperation clusters, each of which contains a subset of the network BSs. The BSs of each cluster exchange information and jointly process signals as they form virtual antenna arrays distributed in space. In these systems, each user receives useful signals from several BSs and therefore the notion of a cell transcends the one of the conventional cellular systems. Although Multicell-MIMO is a technique that can help meet a lot of the challenges towards 4G systems, it has some intrinsic drawbacks that need to be addressed in order for it to be brought into practice; this is the main focus of the present thesis. Firstly the problem of how to optimally form BS cooperation clusters of limited size has been investigated. MCP's overheads are proportional to the size of cooperation clusters, therefore this size should be kept limited. The straightforward solution of forcing neighboring BSs to collaborate provides limited gains. In this thesis it is proposed that the BSs which interfere the most with each other should cooperate rather the ones that are in close proximity. This is shown to lead to significant spectral efficiency gains while cluster sizes are kept very small. The typical centralized architectural conception for MCP entails that the BSs of each cooperation cluster should be inter-connected through a control unit and exchange Channel State Information (CSI). This conception impedes the deployment of MCP systems as it implies additional infrastructural costs. In this thesis a new decentralized framework has been proposed that allows the incorporation of MCP by the conventional cellular systems with very few changes upon their architecture. Mobile Stations (MSs) feed back their CSI not only to one BS as in current systems, but they broadcast this information to all collaborating BSs, and the resulting inter-BS CSI information exchange requirement is minimal. In the downlink, a major overhead of MCP that needs to be mitigated is the one of CSI over-the-air feedback (i. E. Mobile to base). Furthermore the collaborating BSs need to exchange the user data to be transmitted through the backhaul (backhaul overhead). For downlink communication under Frequency Division Duplexing (FDD), each user needs to estimate and feed back to the system infrastructure (one or more BSs) a number of channel coefficients, equal at least to the number of collaborating antennas at each subcarrier in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). This feedback load renders the deployment of MCP prohibitive in large scale deployments. In this thesis we suggest the use of a selective feedback approach. In this setup only the significant coefficients are fed back by the users; the ones whose channel gain exceeds a threshold. This approach can be also exploited in reducing backhaul overhead through scheduling or precoding design. It is shown that this is a good tradeoff between performance and overheads that can facilitate the incorporation of MCP by future systems. Another promising technique that can increase spectral efficiency of wireless systems is cooperative relaying. In this thesis the utilization of dynamic relays (user terminals relay signals) in cellular systems is investigated. Dynamic relays are more cost effective than static ones, as they bring the gains of relaying without the need for costly new infrastructure. However their utilization entails very high overheads and complexities (CSI feedback requirements, relay selection process). In the present dissertation the performance of dynamic relays in different cellular environments is assessed from a system level point of view and some novel techniques that exploit dynamic relays while requiring minimal overhead are presented. The overheads of relaying are proportional to the number of considered relay candidates (relay selection process). It is suggested that for a specific transmission only a small but suitable set of relay nodes are considered as relaying candidates. This is an efficient method to benefit from dynamic relays while circumventing their drawbacks.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XLII-122 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 103 réf. bibliogr. Résumé en français et en anglais

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  • Bibliothèque : Télécom Paris. Bibliothèque - Centre de ressources documentaires numériques (CRDN).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 8.733 PAPA
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