Aspects of Limited Feedback, Cooperation and Coordination in Multi-antenna Cellular Systems
Feedback Limité, Coopération et Coordination dans les Systèmes Cellulaires Multi-antennaires
Résumé
Multi-antenna schemes have been shown to provide remarkable gains in terms of spectral efficiency and extensive research has been dedicated to studying those in detail, discovering new setups in which multi-input multi-output (MIMO) schemes can be used and making them practical. This thesis is concerned with certain aspects of two particular setups in which MIMO techniques may be implemented, which we summarize below. - Limited feedback in the MIMO broadcast channel: We consider the downlink of a single cell where the base station (BS) has multiple antennas. A particular issue when dealing with such a system is that of channel state information at the transmitter (CSIT): this has been shown to play a cardinal role, particularly in the case when users are equipped with single antennas. Given the importance of acquiring that CSIT, and the fact that this acquisition comes at the cost of using resources on the uplink direction and introducing delays, a large body of literature has been concerned with limited feedback schemes for this setup. In this thesis, we contribute two ideas to try to make the most of the available feedback resource. - Coordination and Cooperation in multicell systems: The above model of a single cell corresponds roughly to current cellular designs where frequency planning is used to separate cells that use the same frequency resources so that inter-cell interference is limited. This is however not very efficient and MIMO techniques may be used to allow for increased performance at full reuse. Thus incorporating more antennas at a given BS gives it the possibility to mitigate the interference it causes at users in other cells. This is one of the topics we deal with in this thesis and propose a scheme which, while requiring local CSI only, is shown to perform quite well. MIMO techniques in a multicell environment can moreover extend to multicell processing (MCP), whereby several BSs pool their antennas to essentially act as a giant MIMO transmitter. % and jointly serve their users. This, however, has significant costs in terms of backhaul for data and CSI sharing, which threatens the scalability of MCP. We start investigating how to deal with limitations related to both these aspects.
Cette thèse traite certains aspects liés à deux scenarios dans lesquels des techniques MIMO peuvent être implémentées : - Nous nous intéressons d'abord à la voie descendante d'une cellule isolée où une station de base (SB) dotée de plusieurs antennes sert des utilisateurs mono-antenne. Dans un tel système, la connaissance du canal au niveau de l'émetteur joue un rôle particulièrement important. Vus cette importance et le fait que l'acquisition de cette connaissance nécessite l'usage de ressources en voie ascendante, nous contribuons deux idées pour bénéficier au mieux de la ressource dédiée au feedback : la première consiste en une procédure de transmission en deux étapes, la deuxième est une stratégie décentralisée dans laquelle chaque utilisateur varie le nombre de bits utilisés pour quantifier le canal en maintenant un débit moyen. - Ensuite, des scenarios multicellulaires sont considérés où des techniques MIMO peuvent améliorer la performance quand la totalité du spectre est réutilisée dans chaque cellule. Ainsi l'incorporation de plusieurs antennes au niveau d'une SB permet d'atténuer l'interférence causée au niveau des cellules voisines. Une stratégie de précodage est proposée qui nécessite une connaissance locale du canal seulement qui dans de nombreux cas a une performance analogue à celles de stratégies centralisées ou itératives. Les techniques MIMO peuvent également être étendues au traitement conjoint des signaux (multicell processing). Nous commençons à examiner le traitement des limitations liées aux coûts en termes de backhaul pour le partage des données à envoyer et de l'information sur le canal.
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