User Pairing for Mobile Communication Systems with OSC and SC-FDMA Transmission

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-12-18
Issue Year
2014
Authors
Ruder, Michael
Editor
Abstract

The main subject of this thesis is user pairing for mobile communication systems. User pairing in general describes a user selection process, where we choose the users that should transmit on the same time and frequency resource in the same cell. Typically, user pairing is optimized for a prescribed performance criterion, like bit error rate (BER) or achievable data rate. The spectral efficiency of a communication system employing user pairing is thereby increased compared to a system without coordinated pairing. In this thesis, user pairing is considered for two systems and the spectral efficiency gains compared to randomly chosen pairs are shown to be impressive. The first part of this thesis focuses on downlink transmission with orthogonal sub-channels (OSC). The evolution of the Global System for Mobile Communications (GSM) led to the standardization of Voice services over Adaptive Multi-user channels on One Slot (VAMOS). The aim of VAMOS is to double the spectral efficiency of GSM voice transmission by deliberately transmitting two Gaussian minimum-shift keying (GMSK) signals on the same time and frequency resource in the same cell, while guaranteeing backward compatibility for legacy receivers. The phase of the signal of the second user is rotated by 90° compared to that of the first user, which is referred to as OSC transmission. In this work, downlink OSC transmission is considered, where different transmit powers can be assigned to the two users of an OSC pair. Advanced receiver architectures are necessary to improve the separability of the users of one pair. Therefore, algorithms for channel estimation, equalization, and interference cancellation for an OSC downlink transmission are investigated in this thesis. Two novel algorithms for joint estimation of the channel and the power imbalance between the users, i.e., the subchannel power imbalance ratio (SCPIR), are proposed. The Cramer-Rao lower bound (CRB) w.r.t. the mean-squared error (MSE) of the joint estimation is derived for the first time for this estimation scenario. A comparison of the MSE of the suggested algorithms with the lower bound given by the CRB exhibits their excellent performance. Moreover, several equalization and interference cancellation algorithms are developed and evaluated via simulations. Furthermore, a novel asynchronous co-channel interference cancellation technique, based on modeling the equalizer metric by a Generalized Gaussian probability density function (pdf), is proposed. Additionally, radio resource allocation (RRA) performed by the base station (BS) is considered for OSC transmission. Power allocation as well as user pairing, i.e., the decision which pairs transmit in the same time slot and frequency resource, have to be optimized with the aim to maximize the network capacity. A practical RRA algorithm for OSC transmission is proposed and evaluated by network simulations for a GSM VAMOS network. Simulation results reveal significant frame error rate (FER) performance gains for the proposed downlink OSC receivers compared to state-of-the-art receiver architectures. Furthermore, simulations of a GSM VAMOS network employing the proposed RRA algorithm jointly with the novel receiver algorithms exhibit a network capacity gain of about 100 % compared to non-OSC transmission. The second part of this thesis considers the uplink of Long Term Evolution (LTE). In contrast to the downlink of LTE Release 8, where orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) and single user multiple-input multiple-output (MIMO) transmission are employed, the first release of LTE specifies only a single transmit antenna single-carrier frequency-division multiple access (SC-FDMA) transmission for the uplink. To enhance the spectral efficiency in the uplink, a virtual MIMO (V-MIMO) transmission can be employed, where multiple users transmit on the same time and frequency resource. Here, multiple receive antennas at the BS facilitate a separation of the signals of a user pair. By employing the proposed V-MIMO transmission, the spectral efficiency is impressively improved compared to a single-input multiple-output (SIMO) transmission. Various receiver algorithms for a V-MIMO SC-FDMA transmission are proposed in this thesis to separate the signals of the users of each pair. An algorithm for reference signal based channel interpolation and prediction, which is necessary to obtain channel state information (CSI) for RRA, is presented and an MSE expression for the channel acquisition error is derived. Furthermore, power allocation and beamforming (BF) with quality of service (QoS) requirements are studied for a V-MIMO SC-FDMA transmission and closed form solutions for zero-forcing (ZF) equalization at the receiver are obtained. Simulation results for random user pairs exhibit significant transmit power savings for the BF algorithm compared to constant power allocation for all subcarriers. Finally, several joint user pairing/grouping and RRA algorithms for SC-FDMA V-MIMO transmission are proposed and studied. First, different criteria for user grouping are introduced. Then user pairing in time and frequency direction are considered. For the latter, we investigate joint user grouping and frequency allocation. The combinatorial optimization problems for the considered scenarios are stated and novel suboptimal algorithms with reduced complexity are proposed. Furthermore, user pairing with QoS constraints, minimizing the required sum transmit power with or without BF, is investigated. A study of the influence of inaccurate CSI on the user pairing performance concludes the thesis. All proposed algorithms are evaluated via simulation of a V-MIMO SC-FDMA transmission. It is shown that significant performance gains are achieved compared to random user pairing. An exhaustive search would be needed to find the optimal solution to the joint user pairing and frequency allocation problem. However, the proposed suboptimal algorithms provide a close-to-optimum performance as well as a low computational complexity.

Abstract

Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit ist die Benutzerpaarung für Mobilkommunikationssysteme. Unter Benutzerpaarung versteht man einen Zuordnungsprozess, bei dem diejenigen Benutzer ausgewählt werden, die zur selben Zeit auf derselben Frequenzressource in derselben Zelle übertragen. Typischerweise wird durch den Einsatz von Benutzerpaarung ein vorgegebenes Gütekriterium, z.B. Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER) oder individuell erreichbare Datenrate optimiert. Die spektrale Effizienz eines Kommunikationssystems das Benutzerpaarung einsetzt kann dabei im Vergleich zu einem System ohne Koordinierung der Benutzer gesteigert werden. In dieser Arbeit wird Benutzerpaarung für zwei unterschiedliche Systeme betrachtet und es werden beachtliche Gewinne bezüglich spektrale Effizienz im Vergleich zu zufälliger Benutzerpaarung nachgewiesen. Im ersten Teil der Arbeit liegt der Fokus auf der Orthogonal Sub-Channels (OSC) Übertragung im Downlink. Die Weiterentwicklung des Global System for Mobile Communications (GSM) führte zur Standardisierung von Voice Services over Adaptive Multi-user Channels on One Slot (VAMOS). Das Ziel von VAMOS ist die Verdoppelung der spektralen Effizienz durch die gezielte Übertragung von zwei Gaussian Minimum-Shift Keying (GMSK) Signalen zur selben Zeit, auf der gleichen Frequenzressource und in derselben Zelle, wobei die Abwärtskompatibilität für bestehende Empfänger gewährleistet werden muss. Die Phase des Signals des zweiten Benutzers wird dafür um 90° im Vergleich zur Phase des ersten Benutzers verschoben; dieses Verfahren wird als OSC Übertragung bezeichnet. In dieser Arbeit wird OSC Übertragung im Downlink betrachtet, bei der den beiden Benutzern eines Paars unterschiedliche Sendeleistungen zugewiesen werden können. Weiterentwickelte Empfängerarchitekturen sind nötig um die Trennbarkeit der Benutzer eines Paars zu verbessern. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit Algorithmen zur Kanalschätzung, Entzerrung und Interferenzauslöschung für eine OSC Übertragung im Downlink untersucht. Es werden zwei neue Algorithmen für die gemeinsame Kanalschätzung und Schätzung des Leistungsunterschieds der beiden Benutzer, der Subchannel Power Imbalance Ratio (SCPIR), vorgeschlagen. Die untere Schranke für den mittleren quadratischen Schätzfehler (MSE), die Cramer-Rao Bound (CRB), wird für die gemeinsame Kanal- und SCPIR-Schätzung erstmalig für dieses Schätzproblem hergeleitet. Ein Vergleich des MSE der vorgeschlagenen Algorithmen mit der unteren Schranke in Form der CRB zeigt deren exzellente Leistungsfähigkeit. DesWeiteren werden mehrere Entzerrungs- und Interferenzauslöschungsalgorithmen ausgearbeitet und mit Hilfe von Simulationen evaluiert. Es wird außerdem eine neuartige Interferenzauslöschungstechnik für asynchrone Gleichkanalinterferenz vorgeschlagen, die auf der Modellierung der Entzerrerzweigmetrik durch eine verallgemeinerte Gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (pdf) basiert. Darüber hinaus wird die Zuweisung der Funkressourcen (Radio Resource Allocation, RRA), welche von der Basisstation (BS) durchgeführt wird, für eine OSC Übertragung betrachtet. Leistungszuweisung und Benutzerpaarung, das heißt die Entscheidung, welche Paare im gleichen Zeitschlitz und auf der gleichen Frequenzressource übertragen, müssen dahingehend optimiert werden, dass die Netzkapazität maximiert wird. Ein praktisch umsetzbarer RRA Algorithmus für eine OSC Übertragung wird vorgeschlagen und mittels Netzwerksimulationen eines GSM VAMOS Netzes evaluiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass mit den vorgeschlagenen Downlink OSC Empfängern beachtliche Gewinne bezüglich der Rahmenfehlerraten (Frame Error Rate, FER) im Vergleich zu Empfängern vom aktuellen Stand der Technik erzielt werden können. Des Weiteren zeigt eine GSM VAMOS Netzsimulation, bei der die vorgeschlagenen RRA Algorithmen zusammen mit den neuen Empfängeralgorithmen verwendet werden, einen Kapazitätsgewinn von ca. 100 % auf im Vergleich zu einer Übertragung ohne OSC. Der zweite Teil dieser Arbeit betrachtet den Uplink von Long TermEvolution (LTE). Im Gegensatz zum Downlink von LTE Release 8, bei dem Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) zusammen mit Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Übertragung für einen Benutzer verwendet wird, spezifiziert das erste Release von LTE nur eine Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access (SC-FDMA) Übertragung mit einer Sendeantenne für den Uplink. Um die spektrale Effizienz im Uplink zu steigern, kann eine Virtuelle Multiple Input Multiple Output (V-MIMO) Übertragung verwendet werden, bei der mehrere Benutzer auf derselben Zeit- und Frequenzressource übertragen. Dabei ermöglichen mehrere Empfangsantennen an der BS eine Trennung der Signale einer Benutzergruppe. Durch die Verwendung der vorgeschlagenen V-MIMO Übertragung wird die spektrale Effizienz im Vergleich zu einer Single-Input Multiple-Output (SIMO) Übertragung in beeindruckender Weise gesteigert. Unterschiedliche Empfängeralgorithmen für die Trennung der Benutzersignale jedes Paars werden für eine V-MIMO SC-FDMA Übertragung in dieser Arbeit vorgeschlagen. Zudem wird ein Algorithmus zur referenzsignalbasierten Kanalinterpolation und Kanalprädiktion, welche man zur Erlangung der Kanalzustandsinformation (CSI) für die RRA benötigt, wird vorgestellt. Ein Ausdruck für den MSE des Fehlers der Kanalzustandsinformation hergeleitet. Des Weiteren werden Leistungsregelung und Beamforming (BF) mit Quality of Service (QoS) Anforderungen für eine V-MIMO SC-FDMA Übertragung analysiert und eine geschlossene Lösung für Zero Forcing (ZF) Entzerrung am Empfänger hergeleitet. Simulationsergebnisse für zufällige Benutzerpaare zeigen, dass eine deutliche Sendeleistungsreduktion mit Hilfe von BF erzielt werden kann im Vergleich zu konstanter Sendeleistung für alle Subträger. Abschließend werden mehrere Benutzerpaarungs-/Benutzergruppierungs-Algorithmen vorgeschlagen, welche zusammen mit der RRA für eine V-MIMO SC-FDMA Übertragung optimiert werden. Zunächst werden unterschiedliche Kriterien zur Benutzergruppierung eingeführt. Dann werden Benutzerpaarung in Zeitrichtung und gemeinsame Benutzergruppierung und Frequenzzuweisung betrachtet. Die kombinatorischen Optimierungsprobleme werden für die betrachteten Szenarien formuliert und neue suboptimale Algorithmen mit reduzierter Komplexität werden vorgeschlagen. Des Weiteren wird Benutzerpaarung mit QoS Anforderungen untersucht, bei dem die benötigte Summensendeleistung für den Fall mit BF als auch den Fall ohne BF minimiert wird. Eine Untersuchung des Einflusses von ungenauer CSI auf die Leistungsfähigkeit der Benutzerpaarung schließt diese Arbeit ab. Alle vorgestellten Algorithmen werden mit Hilfe der Simulation einer V-MIMO SC-FDMA Übertragung evaluiert. Es wird gezeigt, dass im Vergleich zu zufälliger Benutzerpaarung beindruckende Gewinne erzielt werden. Eine Vollsuche wäre nötig, um die optimale Lösung der gleichzeitigen Optimierung von Benutzerpaarung und Frequenzzuweisung zu finden. Die vorgeschlagenen suboptimalen Algorithmen bieten sowohl eine nahezu optimale Leistungsfähigkeit als auch eine niedrige Rechenkomplexität.

DOI
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