Transmission Techniques and Resource Allocation in Coordinated Multi-Point Systems

Questa tesi è incentrata sullo studio di schemi di trasmissione e algoritmi per l’allocazione di risorse sia per il downlink che per l’uplink di sistemi CoMP. Nei sistemi cellulari odierni, in cui vi è un riutilizzo delle stesse frequenze in ogni cella, l’interferenza inter-cella rappresenta uno dei fattori più limitanti andando a ridurre sensibilmente l’efficienza spettrale degli utenti a bordo cella. Questa interferenza, che è dovuta nel downlink alla trasmissione da parte di stazioni radio base in celle vicine e nell’uplink alla trasmissione di utenti in celle vicine, limita la fairness tra gli utenti e, più in generale, le prestazioni del sistema. Tuttavia, la coordinazione tra stazioni radio base è in grado di limitare l’impatto dell’interferenza inter-cella e migliorare notevolmente le prestazioni rispetto ai sistemi senza cooperazione. La coordinazione prevede la condivisione tra stazioni radio base di informazioni sui canali, dei dati da trasmettere agli utenti nel downlink e dei segnali ricevuti dalle stazioni radio base nell’uplink. L’implementazione pratica della coordinazione pone però molte nuove problematiche. Prima di tutto, l’infrastruttura di backhaul può non essere in grado di supportare la condivisione di dati e segnali tra le stazioni radio base. Inoltre, può essere difficile ottenere una conoscenza affidabile dei canali tra un utente e le stazioni radio base nella rete a) per una banda limitata dedicata al canale di feedback in sistemi a divisione di frequenza e b) per il rumore sulla stima di canale in sistemi a divisione di tempo. Di conseguenza, è importante sviluppare degli algoritmi pratici che tengano in considerazione queste problematiche e mantengano in un sistema reale il guadagno garantito dalla coordinazione. Questa tesi è divisa in due parti. La prima parte è incentrata sul downlink e vengono forniti quattro contributi principali. In primo luogo, si propone un nuovo schema di trasmissione che si basa sul precoding lineare e la quantizzazione di costellazioni QAM. Con l’obiettivo di ridurre il traffico sulla rete di backhaul, un insieme di stazioni radio base coordinate trasmette verso un utente un simbolo che è una versione quantizzata del simbolo QAM originale, mentre la stazione radio base servente trasmette una versione scalata dell’errore di quantizzazione. Imponendo che la combinazione dei due campioni al ricevitore dia il simbolo QAM originale, lo schema proposto non richiede alcuna modifica al lato utente. I risultati numerici mostrano che l’efficienza spettrale ottenuta con questa tecnica si avvicina a quella ottenuta utilizzando la più complicata codifica di Slepian-Wolf. In secondo luogo, si propone un algoritmo greedy dinamico di scheduling e clustering per organizzare le stazioni radio base in cluster e per scegliere gli utenti serviti da ciascun cluster. Un guadagno considerevole è ottenuto grazie al metodo proposto rispetto a schemi senza cooperazione e schemi con clustering statico. In terzo luogo, viene studiato il problema del feedback per sistemi a divisione di frequenza e si considera uno schema pratico dove l’utente quantizza i canali utilizzando dei codebook disegnati per sistemi senza coordinazione. Con questo schema si propongono due algoritmi che permettono all’utente di a) selezionare l’insieme preferito di stazioni radio base e b) ottimizzare il numero di bit utilizzati per quantizzare ciascun canale. Nel dettaglio, questi algoritmi allocano più bit per la quantizzazione dei canali più forti. Infine, si adatta lo schema che si basa sulla quantizzazione di costellazioni QAM ad uno scenario dove un insieme di relay assiste la trasmissione di una stazione radio base verso un utente. In questo caso lo schema di precoding è utilizzato dai relay per servire l’utente, mentre i link che connettono i relay alla stazione radio base rappresentano il backhaul. Nella seconda parte della tesi si considera l’uplink di sistemi CoMP e si assume che gli utenti trasmettano verso le stazioni radio base utilizzando la modulazione SC-FDMA, che è lo schema utilizzato in LTE. Per questo scenario, si propone un nuovo scheduler dei segnali scambiati sul backhaul tra stazioni radio base che consente ad ogni stazione di condividere solo un sottoinsieme delle sottoportanti di ciascun blocco SC-FDMA.