Algoritmos para Sistemas de Comunicaciones Multi-Usuario con Múltiples Antenas

366 Pages·2008·9.12 MB·English

Universidad Polit´ecnica de Valencia
Departamento de Comunicaciones
Algoritmos para Sistemas de
Comunicaciones Multi-Usuario con
Mu´ltiples Antenas
Tesis Doctoral
presentada por
Carmen Botella Mascarell
dirigida por
Dra. Gema Pin˜ero Sip´an
Valencia, abril de 2008

Als meus huelos,
Pepe, Bernarda,
Vicente i Pepica.

Agradecimientos
Es dif´ıcil resumir en unas pocas l´ıneas todo el apoyo que he recibido a
lo largo de estos an˜os. Sin embargo, y en un lugar destacado, me gustar´ıa
agradecerle a la directora de esta Tesis, la doctora Gema Pin˜ero, todo el
tiempo que le ha dedicado a la Tesis y el hecho de que confiara en m´ı para
llevarla a cabo. Alguien me dijo que al finalizar una Tesis, tu´ eres el mayor
experto en el tema. En este caso, creo que es justo afirmar que Gema es
tan experta como yo.
Porotrolado,tambi´enmegustar´ıaagradeceraNarc´ısCardona,Alberto
Gonz´alez y Gema Pin˜ero la financiaci´on recibida durante este tiempo, que
me ha permitido dedicarme de forma exclusiva al desarrollo de la Tesis.
Al doctor David Gesbert, del Instituto Eurecom en Sophia-Antipolis,
Niza, tengo que agradecerle la magn´ıfica oportunidad que represent´o para
m´ı el hecho de realizar una estancia en su grupo de investigaci´on. S´olo
fueron tres meses, pero ese tiempo me proporcion´o la visi´on de conjunto
que necesitaba para finalizar la Tesis.
Amifamiliayamigos.Alosquehanesperadopacientementequelesex-
plicara qu´e estoy haciendo y a los que me han escuchado cuando necesitaba
hablar.
A mis compan˜eros del GTAC y del iTEAM, los m´as veteranos, los m´as
nuevos, y los que ya no est´an. A mis otros compan˜eros, los de Eurecom, en
Niza. Agradecerles los momentos de risas y la ayuda recibida durante todo
este tiempo.
Y por u´ltimo, pero no por eso menos importante, me gustar´ıa agrade-
cerle a Joaqu´ın todo el apoyo, la ayuda y la comprensi´on recibidas a lo
largo de este tiempo. Gracias Joaqu´ın por obligarme a sonre´ır.
I

Resumen
Esta Tesis surge en el contexto de un proyecto de investigaci´on del
Ministerio de Educaci´on y Ciencia centrado en el an´alisis de una nue-
va arquitectura de acceso radio para los sistemas UMTS, la arquitectura
Multinodo B. La idea fundamental de esta nueva propuesta para UMTS
era distribuir espacialmente las antenas de la estaci´on base sobre el ´area de
servicio de la celda, con el objetivo de reducir el nivel de interferencias y
aumentar al mismo tiempo la capacidad del sistema.
Por otro lado, los sistemas de comunicaciones con mu´ltiples antenas
o sistemas MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), han generado en la
u´ltima d´ecada un gran inter´es de la comunidad investigadora. Inicialmente
propuestos para enlaces punto a punto, estos sistemas se perfilan como
posible soluci´on tecnol´ogica para los futuros sistemas de comunicaciones,
debido a la alta eficiencia espectral te´orica que prometen.
En esta Tesis, la arquitectura Multinodo B se analiza desde el punto
de vista de un sistema MIMO multi-usuario multi-celda coordinado. En
esta configuraci´on avanzada y cooperativa de sistema MIMO, varias esta-
ciones base cooperan perfectamente en datos a trav´es de un enlace de alta
capacidad y transmiten de forma coordinada a todos los usuarios de una
determinada ´area. Adem´as, cada estaci´on base del sistema est´a sujeta a
una restricci´on en la potencia total que puede transmitir.
Elestudio de los sistemas MIMOmulti-usuario multi-celdacoordinados
seencuentratodav´ıaensufaseinicial.Enlaactualidad,sepuedendistinguir
claramente dos l´ıneas de investigaci´on; por una parte se est´a tratando de
caracterizardesdeunpuntodevistadeteor´ıadelainformaci´onlaregi´onde
capacidad de estos sistemas y por otra, se est´a desarrollando la algor´ıtmica
necesaria para tratar distintos problemas de optimizaci´on.
En la Tesis, se plantea el problema de minimizaci´on de potencia en
el enlace downlink de un sistema W-CDMA MIMO multi-usuario multi-
III
IV
celdacoordinado.Elproblemademinimizaci´ondepotenciaesunproblema
de optimizaci´on que busca minimizar la potencia total transmitida en el
sistema, entendida como la suma de las potencias que transmiten todas las
estacionesbasedelsistema.Almismotiempo,todoslosusuariostienenque
alcanzar un determinado nivel de calidad de servicio.
En un primer paso, se presenta un modelo de sistema donde se omite
el proceso que tiene lugar en el receptor del usuario. En este escenario, se
propone un primer algoritmo JPCOB o Joint Power Control and Optimal
Beamforming, modificando una de las referencias cl´asicas de los problemas
de minimizaci´on de potencia. Este primer algoritmo, el JPCOB-VUL o
Virtual uplink-based JPCOB, utiliza la dualidad entre el problema de mini-
mizaci´on de potencia en el enlace downlink y un equivalente uplink virtual
para simplificar el disen˜o de los beamformers en transmisi´on de cada usua-
rio. Adem´as, la estructura de las matrices involucradas en el mecanismo
de control de potencia del algoritmo JPCOB-VUL permite obtener una
versi´on computacionalmente eficiente de este algoritmo.
En el an´alisis de los aspectos pr´acticos relacionados con la implementa-
ci´ondelalgoritmoJPCOB-VUL,seproponeunmodelodelasinterferencias
presentes en el sistema y se plantean esquemas de asignaci´on de c´odigos de
canalizaci´on que permiten disminuir el nivel de interferencia que perciben
los usuarios del sistema. Al mismo tiempo, se plantea una versi´on robusta
del JPCOB-VUL, para las situaciones en las que las estaciones base dispo-
nen de un conocimiento parcial del canal en la forma de hybrid channel
knowledge. Este modelo de informaci´on de canal se corresponde con un
escenario en el que existe algu´n tipo de restricci´on en la cantidad de infor-
maci´on que las estaciones base pueden intercambiar entre ellas a trav´es del
enlace de alta capacidad.
En un segundo paso, se avanza en el modelo anal´ıtico del sistema y
se propone una formulaci´on matricial compacta que caracteriza comple-
tamente el funcionamiento de un sistema W-CDMA MIMO multi-usuario
multi-celda coordinado, teniendo en cuenta la naturaleza as´ıncrona de las
sen˜ales que recibe cada usuario y el proceso que tiene lugar en el receptor
del mismo. En este punto de la Tesis, se propone un algoritmo JPCOB que
mejora las prestaciones del JPCOB-VUL, el JPCOB-DL o Downlink-based
JPCOB. Al mismo tiempo, se propone una versi´on simplificada de este al-
goritmo, el algoritmo JPCOB-SDL o Simplified Downlink-based JPCOB,
para aquellas situaciones en las que existe algu´n tipo de restricci´on en la
cantidad de informaci´on que cada usuario puede realimentar a la estaci´on
V
base, pero donde las estaciones base pueden intercambiar perfectamente
datos entre ellas. Ambos algoritmos se denominan downlink-based porque
abandonan la dualidad entre el problema downlink y el equivalente uplink
virtual.
Por u´ltimo, y aprovechando la estructura de las matrices que inter-
vienen en el mecanismo de control de potencia, se proponen dos esquemas
que mejoran las propiedades de convergencia del algoritmo JPCOB-DL en
sistemas MIMO multi-usuario multi-celda coordinados mal condicionados.
Las simulaciones demuestran que estos esquemas se pueden interpretar en
realidadcomocriterioseficientesycomputacionalmentesencillosparaelimi-
narusuariosenunsistemaMIMOmulti-usuariomulti-celdacoordinado,en
el caso en que no se alcance la convergencia del algoritmo.