Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Block Diagonalization Based Beamforming
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Information Science and Engineering.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

With increasing mobile penetration multi-user multi-antenna wireless communication systems are needed. This is to ensure higher per-user data rates along with higher system capacities by exploiting the excess degree of freedom due to additional antennas at the receiver with spatial multiplexing. The rising popularity of "Gigabit-LTE" and "Massive-MIMO" or "FD-MIMO" is an illustration of this demand for high data rates, especially in the forward link. In this thesis we study the MU-MIMO communication setup and attempt to solve the problem of system sumrate maximization in the downlink data transmission (also known as forward link) under a limited availability of transmit power at the base station. Contrast to uplink, in the downlink, every user in the system is required to perform interference cancellation due to signals intended to other co-users. As the mobile terminals have strict restrictions on power availability and physical dimensions, processing capabilities are extremely narrow (relative to the base station). Therefore, we study the solutions from literature in which most of the interference cancellation can also be performed by the base station (precoding). While doing so we maximize the sumrate and also consider the restrictions on the total transmit power available at the base station. In this thesis, we also study and evaluate different conventional linear precoding schemes and how they relate to the optimal structure of the solution which maximize the effective Signal to Noise Ratio (SINR) at every receiver output. We also study one of the suboptimal precoding solutions known as Block-diagonalization (BD) applicable in the case where a receiver has multiple receive antennas and compare their performance. Finally, we notice that in spite of the promising results in terms of system sumrate performance, they are not deployed in practice. The reason for this is that classic BD schemes are computationally heavy. In this thesis we attempt to reduce the complexity of the BD schemes by exploiting the principle of coherence and using perturbation theory. We make use of OFDM technology and efficient linear algebra methods to update the beamforming weights in a smart way rather than entirely computing them again such that the overall complexity of the BD technique is reduced by at least an order of magnitude. The results are simulated using the exponential correlation channel model and the LTE 3D spatial channel model which is standardized by 3GPP. The simulated environment consists of single cell MU-MIMO in a standardized urban macro environment with up to 100 transmit antennas at the BS and 2 receive antennas per user. We observe that with the increase in spatial correlations and in high SNR regions, BD outperforms other precoding schemes discussed in this thesis and the developed low complex BD precoding solution can be considered as an alternative in a more general framework with multiple antennas at the receiver.

Abstract [sv]

För att klara det ökade mobilanvändandet krävs trådlösa kommunikationssystemmed multipla antenner. Detta, för att kunna garantera högre datatakt peranvändare och högre systemkapacitet, genom att utnyttja att extra antennerpå basstationen ger extra frihetsgrader som kan nyttjas för spatiell multiplexing.Den ökande populariteten hos “Gigabit-LTE”, “Massive-MIMO” och “FDMIMO”illustrerar detta behov av höga datatakter, framför allt i framåtlänken.I denna avhandling studerar vi MU-MIMO-kommunikation och försöker lösaproblemet att maximera summadatatakten i nedlänkskommunikation (ävenkallat framåtlänken), med begränsad tillgänglig sändeffekt hos basstationen.In nedlänken, till skillnad från upplänken, så måste varje användare hanterainterferens från signaler som är avsedda för andra mottagare. Eftersom mobilterminalerär begränsade i storlek och batteristyrka, så har de små möjligheteratt utföra sådan signalbehandling (jämfört med basstationen). Därför studerarvi lösningar från litteraturen där det mesta av interferensundertryckningenockså kan utföras vid basstationen (förkodning). Detta görs för att maximerasummadatatakten och även ta hänsyn till begränsningar i basstationens totalasändeffekt.I denna avhandling studerar vi även olika konventionella linjära förkodningsmetoderoch utvärderar hur de relaterar till den optimala strukturen hos lösningensom maximerar signal till brus-förhållandet (SINR) hos varje mottagare.Vi studerar även en suboptimal förkodningslösning kallad blockdiagonalisering(BD) som är användbar när en mottagare har multipla mottagarantenner, ochjämför dess prestanda.Slutligen noterar vi att dessa förkodningsmetoder inte har implementeratsi praktiska system, trots deras lovande prestanda. Anledningen är att klassiskaBD-metoder är beräkningskrävande. I denna avhandling försöker vi minskaberäkningskomplexiteten genom att utnyttja kanalens koherens och användaperturbationsteori. Vi utnyttjar OFDM-teknologi och effektiva metoder i linjäralgebra för att uppdatera förkodarna på ett intelligent sätt istället för att beräknadem på nytt, så att den totala komplexiteten för BD-tekniken reducerasåtminstone en storleksordning.Resultaten simuleras med både en kanalmodell baserad på exponentiell korrelationoch med den spatiella LTE 3D-kanalmodellen som är standardiseradav 3GPP. Simuleringsmiljön består av en ensam makrocell i en standardiseradstadsmiljö med MU-MIMO med upp till 100 sändantenner vid basstationenoch 2 mottagarantenner per användare. Vi observerar att BD utklassar övrigaförkodningsmetoder som diskuteras i avhandlingen när spatiella korrelationenökar och för höga SNR, och att den föreslagna lågkomplexa BD-förkodaren kanvara ett alternativ i ett mer generellt scenario med multipla antenner hos mottagarna.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , p. 122
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2017:182
National Category
Telecommunications
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-220403OAI: oai:DiVA.org:kth-220403DiVA, id: diva2:1167908
Subject / course
Electrical Engineering
Educational program
Master of Science - Wireless Systems
Presentation
2017-10-18, SIP Conference room, Osquldas väg 10, Stockholm, 10:30 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2018-01-02 Created: 2017-12-19 Last updated: 2018-01-02Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3324 kB)141 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3324 kBChecksum SHA-512
10cab5b6105902074b6f37143f7991815da108639ceaec0f50cbb6e20129225964d914a364e2d025e53a0c7acc2d62dad5a8e81dd9846667ac041eae871f7759
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Patil, Darshan
By organisation
Information Science and Engineering
Telecommunications

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 141 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 1146 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf