Resource allocation for future wireless relay systems

Radhakrishnan, Vimal; Mathar, Rudolf; Knott, Peter Hubert

doi:10.18154/RWTH-2020-07051

Resource allocation for future wireless relay systems

Radhakrishnan, Vimal^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeVimal Radhakrishnan

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2020

Umfang1 Online-Ressource (vi, 127 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-878-5

ReiheElektro- und Informationstechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mathar, Rudolf (Thesis advisor)^RWTH* ; Knott, Peter Hubert (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07051
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/793604/files/793604.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Informationstechnik (613410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dual-connectivity (frei) ; full-duplex radios (frei) ; massive MIMO (frei) ; multi-carrier (frei) ; resource allocation (frei) ; wireless communication (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
In zukünftigen drahtlosen Kommunikationssystemen gelten Vollduplex (FD) und massives Multiple-Input-Multiple-Output (mMIMO) als zwei vielversprechende Technologien zur Überwindung von Kapazitätsengpässen und Spektrumsknappheit. Die Übertragung und der Empfang auf dem gleichen Frequenz-Zeit-Kanal in FD sowie großen Antennen-Arrays in mMIMO-Systemen verbessern die spektrale Effizienz im Vergleich zu derzeitigen Systemen erheblich. Zur Kostenreduktion von mMIMO-Systemen werden weniger präzise und günstige Komponenten in der Sende- und Empfangskette bevorzugt. Dies führt zu Hardwareverzerrungen, die sich wiederum ungünstig für die Eigeninterferenzunterdrückung in FD-Systemen auswirken. In dieser Arbeit ist unser Hauptziel, Verzerrung berücksichtigende FD-Mehrantennen-Mehrträgersysteme (MC) hinsichtlich der Ressourcenzuweisung und der daraus resultierenden Systemleistung zu entwerfen. Dabei werden insbesondere die Auswirkungen von Verzerrungen durch Hardwarebeeinträchtigungen, die zu Restselbstinterferenzen und Inter-Carrier-Leakage führen, sowie die unvollkommene Kanalzustandsinformation berücksichtigt. Zunächst untersuchen wir das Problem des linearen Transceiver-Designs für ein Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO)-FD-MC-Decode-and-Forward (DF)-Relaying-System. Zusätzlich zum traditionellen DF-Relaying pro Träger wird auch der Fall eines Joint-Carrier-DF untersucht, bei dem die Vorteile einer gruppenweisen Decodierung und Codierung genutzt werden. Für das daraus resultierende nichtkonvexe Optimierungsproblem wird ein alternierendes quadratisch-konvexes Programm vorgeschlagen, bei dem eine monotone Verbesserung bei jeder Iteration zu einer garantierten Konvergenz führt. Darüber hinaus konzentrieren wir uns auf das Problem der gemeinsamen Unterträger- und Leistungszuweisung für ein DF-Relay-System, bei dem mehrere Halbduplex (HD)-Einzelantennen (SA)-MC-Quelle-Ziel-Paare mit Hilfe eines FD-mMIMO-MC-Relay kommunizieren. Neben dem Schwerpunkt auf der Maximierung der Summenrate und der Energieeffizienz konzentrieren wir uns auch auf die Minimierung der Gesamtlieferzeit für eine gegebene Menge an Kommunikationsaufgaben zu den Benutzerknoten. Aufgrund der schwer zu bewältigenden Art des Zuweisungsproblems wird eine iterative Lösung vorgeschlagen, welche die sukzessive innere Annäherungsstruktur verwendet, mit garantierter Konvergenz bis zu einem Punkt, der die Karush-Kuhn-Tucker-Optimalitätsbedingungen erfüllt. Dieser Ansatz wird dann auf ein bidirektionales Kommunikationssystem erweitert, bei dem eine FD-mMIMO-MC-Basisstation (BS) mehrere FD-SA-MC-Knoten bedient. Schließlich konzentrieren wir uns auf das Problem der Ressourcenzuweisung für ein FD-fähiges Relay-System, bei dem eine mMIMO-MC-BS gleichzeitig sowohl das Relay als auch den Direktkanal für die Kommunikation separater Datenströme zu den Benutzerendgeräten aktiviert. Dies wird durch den Einsatz der sukzessiven Interferenzunterdrückung (SuIC) an den MC-SA-Benutzerterminals realisiert. Neben der überlegenen Leistung unter verschiedenen Systembedingungen genießt die vorgeschlagene Doppelverbindung eine höhere Robustheit, wenn einer der aktiven Pfade eine unerwartete Blockade erfährt. Numerische Ergebnisse zeigen die Bedeutung einer Verzerrung berücksichtigenden Designs für FD-mMIMO-MC-Systeme, insbesondere bei Präsenz eines starken Eigeninterferenz-Kanals oder Hardware mit niedriger Auflösung. Darüber hinaus wird ein beträchtlicher Gewinn im Vergleich zu seinen HD-Pendants beobachtet, wenn Eigeninterferenz effizient unterdrück wird. Im Falle eines Szenarios mit zwei Anschlüssen zeigen die numerischen Ergebnisse den Leistungsgewinn des von uns vorgeschlagenen SuIC-Schemas bezüglich der Summenrate im Vergleich zu Einfachanschluss-und HD-Schemata.

In future wireless communication systems, full-duplex (FD) and massive multiple-input-multiple-output (mMIMO) are considered as two promising technologies to overcome capacity crunch and spectrum scarcity. Transmission and reception at the same frequency-time channel in FD and large antenna arrays in mMIMO systems improve the spectral efficiency to a great extent compared to current systems. To make mMIMO systems cost-efficient, inexpensive less-accurate transmit and receive chain components are preferred. This leads to hardware distortions, which in turn becomes unfavourable for self-interference (SI) cancellation in FD systems. In this thesis, our main goal is to design distortion-aware FD multi-antenna multi-carrier (MC) systems, from the aspect of resource allocation and the resulting system performance. Particularly the impact of distortions caused by hardware impairments, leading to residual self-interference and inter-carrier leakage as well as the imperfect channel state information is taken into account. Initially, we investigate the linear transceiver design problem for an FD multiple-input-multiple-output (MIMO) MC decode and forward (DF) relaying system. In addition to the traditional per-carrier DF relaying, the case with a joint-carrier DF is also studied, taking advantage of group-wise decoding and encoding. An alternating quadratic convex program is proposed for the resulting non-convex optimization problem, where a monotonic improvement at each iteration leads to a guaranteed convergence. Furthermore, we focus on the joint sub-carrier and power allocation problem for a DF relay system, where multiple half-duplex (HD) single antenna (SA) MC source-destination pairs communicate with the aid of an FD mMIMO MC relay. Apart from focusing on maximizing the sum-rate and energy efficiency, we also focus on minimizing the overall delivery time for a given set of communication tasks to the user nodes. Due to the intractable nature of the allocation problem, an iterative solution is proposed, employing the successive inner approximation framework, with guaranteed convergence to a point that satisfies the Karush-Kuhn-Tucker optimality conditions. This approach is then extended to a bi-directional communication system, where an FD mMIMO MC base station (BS) serves multiple FD SA MC nodes. Finally, we focus on the problem of resource allocation for an FD-enabled relaying system, where an mMIMO MC BS simultaneously activates the relay as well as the direct channel for communicating separate data streams to the user terminals. This is implemented by employing successive interference cancellation (SuIC) at the MC SA user terminals. Besides the superior performance under various system conditions, the proposed dual-connectivity enjoys higher robustness when one of the active paths experience an unexpected blockage. Numerical results show the significance of distortion-aware design for FD mMIMO MC systems, particularly in the presence of a strong SI channel or low-resolution hardware. Moreover, a notable gain is observed compared to its HD counterparts when SI is efficiently suppressed. In the case of dual-connectivity scenario, numerical results show the performance gain of our proposed SuIC scheme in terms of sum-rate compared to single-connectivity and HD schemes.

OpenAccess:
PDF
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