On MIMO systems with limited feedback: end-to-end distortion, analog channel feedback, and layered multiplexing
Sur des systèmes MIMO avec retour limité: distorsion bout-à-bout, retour analogique du canal, et multiplexage par couche
Abstract
In this thesis, we investigate the following three fields on multi-input multi-output (MIMO) systems with limited feedback. End-to-end distortion: The first part of the thesis presents the joint impact of antenna numbers, source-to-channel bandwidth ratio, spatial correlation and time diversity on the optimum expected end-to-end distortion in an outage-free MIMO system. In particular, based on the analytical expression for any signal-to-noise ratio (SNR), the closed-form expression of the asymptotic optimum expected end-to-end distortion at a high SNR is derived, comprised of the optimum distortion exponent and the optimum distortion factor. The simulation results illustrate that, at a practical high SNR, the analysis on the impacts of the optimum distortion exponent and the optimum distortion factor explains the behavior of the optimum expected end-to-end distortion. The results in this part could be the performance objectives for analog-source transmission systems as well as a guidance on system design. Analog channel feedback: In the second part of this thesis, we propose to apply orthogonal space-time block codes (OSTBC) with linear analog channel feedback. Since MIMO channel information is a sort of analog source vector, relative to quantized channel feedback, linear analog feedback has the advantages such as outage-free, self channel adaptation and low complexity. It is proved that the linear analog transmission method with OSTBC can achieve the matched filter bound (MFB) on received SNR. In comparison with the linear analog transmission method with circulant space-time block coding (CSTBC), the method with OSTBC performs better with respect to received SNR and mean-squared error. In comparison with the random vector quantization methods with different modulation schemes, the simulation results show that with respect to average direction error, the linear analog transmission method with OSTBC performs over any RVQ method with specific modulation scheme in the regimes of relatively high SNR and low SNR; with respect to average mean-squared error, it performs always better than the RVQ methods. We also evaluate the effect of applying the linear analog channel feedback with OSTBC to multiuser MIMO downlink beamforming. It is shown that the linear analog channel feedback with OSTBC can make the system approach the optimum performance within a short latency. Layered multiplexing: In the third part of this thesis, with respect to the systems with short blocks, a new layered multiplexing strategy is proposed to adapt an uncertain channel by Walsh layer-time coding, successive interference canceller and HARQ signaling. As illustrated by simulation results, with respect to its high success rate, good performance on average latency and lower computational complexity, this strategy would be a good replacement to the widely-used adaptive QAM modulation strategy.
Dans cette thèse, nous étudions les trois sujets suivants sur les systèmes de multiples entrées multiples sorties (MIMO) avec retour limité: Distorsion bout-à-bout: La première partie de la thèse présente l'impact conjoint des les nombres d'antenne, le ratio de bande passante de la source au canal, la corrélation spatiale et diversité dans le temps sur l'espérance de la distorsion optimale bout-à-bout dans les MIMO systèmes sans panne. En particulier, repose sur l'expression analytique pour tout les ratios du signal au bruit (SNR), l'expression asymptotique de l'espérance de la distorsion optimal bout-à-bout au SNR élevé est dérivé, composé de l'exposant de distorsion optimale et le facteur de distorsion optimale. Les résultats des simulations montrent que, à un SNR élevé pratique, l'analyse sur les impacts de l'exposant de distorsion optimale et le facteur de distorsion optimale explique le comportement de la distorsion optimale bout-à-bout. Les résultats présentés dans cette partie pourraient être les objectifs de performance pour les systèmes qui transmettent les sources analogique et en outre les directives sur la conception du système. Retour analogique du canal: Dans la seconde partie de cette thèse, nous proposons d'appliquer le codage bloc d'espace-temps orthogonal (OSTBC) sur retour analogique linéaire du canal. Considérant l'information du canal MIMO est une sorte de source vectorielle analogique, par rapport au retour du canal quantifié, le retour analogique linéaire a les avantages comme sans panne, l'adaptation automatique au canal et peu complexe. Il est prouvé que la méthode de transmission analogique linéaire OSTBC peutatteindre le borne de filtre adapté (MFB) sur SNR reçu. Par rapport en méthode analogique linéaire du codage bloc d'espace-temps circulant, la méthode linéaire analogique OSTBC obtient de meilleurs résultats à l'égard de SNR reçu et erreur quadratique moyenne (MSE) ; Par rapport en méthode de la quantification vectorielle aléatoire, les résultats des simulations montrent que sous une contrainte stricte de latence, leur performances sont proches à l'égard de l'erreur moyenne au sens et la méthode linéaire analogique OSTBC exécute encore mieux à l'égard erreur quadratique moyenne. Nous étudions également l'incidence de appliquer le retour linéaire analogique OSTBC au beamforming en liaison descendante pour multiutilisateurs MIMO et nous montrons que le retour linéaire analogique OSTBC peut rendre l'approche du système des performances optimales dans un temps de latence court. Multiplexage par couche: Dans la troisime partie de cette thèse, en considérant les systèmes avec des blocs courts, une nouvelle stratégie de multi-plexage par couches est proposée d'adapter un canal incertain par le codage couche-temps Walsh, l'annuleur d'interférence successif et HARQ signalisation. Comme l'illustrent les résultats de la simulation, en raison de ses performances proches mais beaucoup moins complexe, cette stratégie serait un bon substitut µa la stratégie de modulation QAM adaptive qui est largement utilise.
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