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Adaptive beamforming and power allocation in multi-carrier multicast wireless networks

Carvalho Barbosa Silva, Yuri :
Adaptive beamforming and power allocation in multi-carrier multicast wireless networks.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Adaptive beamforming and power allocation in multi-carrier multicast wireless networks
Language: English
Abstract:

In the context of next-generation wireless systems, it is expected that services targeted at mass content distribution become widely popular, which is reflected for instance in the standardization activities for their implementation within current cellular networks. Examples of such services are audio/video streaming, mobile TV, messaging, news clips, localized services, download, among others. Their common characteristic is that the same information has to be transmitted to a group of users (multicast) or to all users (broadcast) within a certain coverage area. This thesis deals with the problem of multicast beamforming for multi-antenna wireless cellular networks. Both single-group and multi-group scenarios are taken into account, with the former corresponding to a single multicast group per radio resource and the latter referring to multiple multicast groups per resource. In order to provide the necessary mathematical framework for the analysis of the algorithms, a general system model is proposed for the multi-group multicast scenario. Particular cases, such as the multi-user, single-group, and single-user cases, can be derived from the general model by properly adjusting the system parameters. Different beamforming algorithms known from the unicast case are formulated for the single-group multicast case. Moreover, a new algorithm termed USMF specifically designed for the multicast case is proposed, which is shown to provide a good trade-off between performance and complexity. For the multi-group multicast case, the resource sharing results in inter-group interference, which needs to be suppressed by the beamforming algorithms. Linear and non-linear algorithms known from the unicast case are formulated for the multi-group multicast scenario. These algorithms are also further modified with the purpose of improving the performance of the multicast services. The strategies proposed for both single-group and multi-group cases are analyzed in terms of their performance and computational complexity. Finally, since the allocation of resources among the multicast groups is expected to have a significant impact on the performance of the beamforming algorithms, this issue is addressed as well. The analysis focuses on the proposal and evaluation of different alternatives for allocating the power among the subcarriers of a multi-carrier single-group multicast system. One of these alternatives is an extension of the traditional unicast waterfilling algorithm for the multicast case. Additionally, some considerations are made with regard to the allocation of resources in multi-carrier multi-group multicast scenarios. It is shown that, in spite of the inter-group interference, the sharing of resources among unicast and multicast users provides better performance than isolating them into different resources.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Für Mobilfunksysteme der nächsten Generation ist zu erwarten, dass Massendienste, in denen dieselben Informationen an eine Gruppe von Teilnehmern (Multicast) oder an alle Teilnehmer (Broadcast) verbreitet werden, deutlich an Bedeutung gewinnen. Dies zeigt sich unter anderen auch an den verstärkten Standardisierungsaktivitäten für die Nutzung dieser Dienste in gegenwärtigen Mobilfunknetzen. Beispiele für solche Massendienste sind u.a. Audio-/Video-Streaming, Newsclips, Lokalisierungsdienste und Herunterladen. Die vorliegende Arbeit behandelt das Problem der Strahlformung in Mehrantennensystemen für Multicast-Dienste. Sowohl Szenarien mit einer einzelnen Gruppe als auch mit mehreren Gruppen werden dabei berücksichtigt, wobei im ersten Fall nur eine einzige Multicast-Gruppe pro Ressource zugeteilt werden darf und im zweiten Fall mehrere Multicast-Gruppen pro Ressource erlaubt sind. Es wird ein neues Systemmodell für Multicast-Szenarien vorgeschlagen, das die mathematische Grundlage für die Analyse der betrachteten Algorithmen bildet. Durch die entsprechende Wahl der Systemparameter können Sonderfälle wie z.B. der Mehrnutzer-, der Einzelnutzer- und der Einzelgruppen-Fall aus dem allgemeinen Modell abgeleitet werden. Verschiedene Algorithmen zur Strahlformung, die aus Unicast-Szenarien bekannt sind, werden für Multicast-Szenarien formuliert. Desweiteren wird ein neuer Algorithmus namens USMF vorgeschlagen, der speziell an die Anforderungen für Multicast-Szenarien angepasst ist. Dieser Algorithmus bildet einen guten Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Komplexität. Durch die gemeinsame Nutzung der Ressourcen für den Fall mehrere Gruppen entsteht Interferenz zwischen den Gruppen, die durch entsprechende Algorithmen zur Strahlformung unterdrückt werden soll. Zu diesem Zweck werden lineare und nichtlineare Algorithmen, die aus Unicast-Szenarien bekannt sind, an Multicast-Szenarien mit mehreren Gruppen angepasst. Durch zusätzliche Modifikationen der Algorithmen können bessere Ergebnisse für Multicast-Dienste erzielt werden. Die vorgestellten Algorithmen werden sowohl für den Fall einzelner als auch mehrerer Gruppen bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und Komplexität analysiert. Schließlich wird die Zuweisung der Ressourcen zu den Multicast-Gruppen analysiert, die einen erheblichen Einfluss auf die Algorithmen zur Strahlformung hat. Es werden mehrere Alternativen für die Aufteilung der Gesamtsendeleistung zwischen den einzelnen Trägern eines Mehrträgersystems mit einer einzelnen Gruppe in einem Multicast-Szenario vorgeschlagen und analysiert. Einer davon ist eine Erweiterung des traditionellen Waterfilling-Algorithmus für den Unicast-Fall. Zusätzlich werden einige Vorschläge für die Ressourcenzuweisung in Mehrträger-Mehrgruppen-Multicastsystemen gemacht.German
Uncontrolled Keywords: Multicast transmission, transmit beamforming, power allocation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Multicast transmission, transmit beamforming, power allocationEnglish
Multicastingverfahren, Signalverarbeitung, SDMA, OFDMGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10088
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Gershman, Prof. Dr. Alex B.
Refereed: 18 March 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1008
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