Precoding and relaying algorithms for multiuser mimo downlink channels

Resum

En los últimos años, la investigación se ha centrado en la tecnología inalámbrica MIMO gracias a la mejora en cuanto a capacidad y rendimiento, ofreciendo una mayor eficiencia espectral. Además, cuando múltiples usuarios forman la red, el escenario es mucho más realista, ya que éstos tienen que compartir recursos como el ancho de banda, potencia o tiempo. Debido al ruido introducido y a las interferencias multiusuario, el rendimiento del sistema es degradado. Cuando la transmisión se lleva a cabo desde una estación base (BS) hacia múltiples usuarios, debido a la falta de cooperación de éstos, se ha de establecer un proceso de pre-ecualización conocido como precoding o precodificación. Como consecuencia del mismo, la señal podrá ser interpretada por cada usuario de manera independiente, sin la necesidad por parte de éstos de conocer la señal. Las técnicas de precodificación se clasifican en lineales y no lineales. De hecho, THP y VP corresponden a técnicas no lineales para la adquisición no cooperativa de la señal en canales broadcast. Estas técnicas, mejoran el rendimiento de las lineales de manera considerable. Sin embargo, la complejidad computacional también se ve incrementada debido a la cancelación sucesiva de interferencias en THP y la búsqueda del punto más cercano en un lattice o reticulado infinito en VP. El último se considera un problema de complejidad no determinística no polinomial (NP-hard). Con el objetivo de aumentar el rango y cobertura de la red en entornos hostiles, además de para mitigar el efecto de las interferencias, un retransmisor o relay puede ser introducido entre transmisor y receptor, pudiendo ser la señal modificada de manera regenerativa o no. Por consiguiente, aparte de incorporar una etapa de precoding en la estación base para adquisición no cooperativa de la señal, una etapa de procesamiento en el relay es necesaria. Esta etapa, conocida como relaying, proporcionará a la señal las características necesarias para alcanzar al destino. A lo largo de esta tesis se realiza el diseño de transceptores o transceivers para redes MIMO multiusuario con retransmisores no regenerativos, donde el mayor reto reside en el diseño óptimo o subóptimo conjunto del precodificador en la estación base y el procesador en el relay. Se propone el uso de técnicas lineales y no lineales de precodificación como THP y VP en el canal de bajada. Aparte del diseño óptimo y subóptimo lineal y no lineal de trasceivers, la diagonalizacion por bloques (BD) es propuesta combinada con el precoding lineal y no lineal VP. BD, que mapea la señal de cada usuario en el espacio nulo de los canales interferentes, es aplicado en el relay para la cancelación de interferencias, mientras que el procesamiento lineal y VP serán los encargados de separar la señal de los usuarios y minimizar el error total. Las contribuciones de este trabajo de investigación corresponden al diseño óptimo basado en técnicas de precodificación no lineal y la consideración de BD para el diseño conjunto de los filtros. Además soluciones subóptimas simples y computacionalmente eficientes para precodificación lineal y no lineal son propuestas en esta tesis por primera vez. Adicionalmente, la descomposición BD-GMD, del ingles block diagonal geometric mean decomposition, se combina junto a VP para el diseño óptimo y subóptimo de las matrices de relaying y precoding. Para finalizar, se realiza un análisis complete de complejidad para demostrar la efectividad de los sistemas propuestos.