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Transmit and Multiuser Diversity Techniques in Wireless Communications

Li, Liang :
Transmit and Multiuser Diversity Techniques in Wireless Communications.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Transmit and Multiuser Diversity Techniques in Wireless Communications
Language: English
Abstract:

Recently, the demand for high-rate wireless data service has increased enormously. To meet this growing demand, many new techniques have been developed in wireless communications. Among them, techniques based on transmit and multiuser diversity have attracted much attention due to their ability to provide reliable high data rate services. This thesis is aimed at developing and analyzing advanced communication techniques making use of transmit and multiuser diversity.

In this thesis, we consider a cellular network where data transmissions are controlled and coordinated at the base station. We study a variety of special cases of this cellular network including point-to-point communication over the multiple-input and single-output channel, multiuser communication in the downlink from the base station to multiple mobile users, and cognitive communication in an unlicensed secondary network. In the first part of this thesis, we consider the case that a single user is scheduled and there are multiple antennas at the base station. We investigate the communication reliability in terms of the symbol error rate. In particular, we propose several techniques relying on the transmit diversity including different combinations of transmit antenna selection, space-time coding and power allocation. In the second part of this thesis, we study the opportunistic scheduling scheme and determine the potential performance improvement provided by multiuser diversity in terms of the symbol error rate (SER). Two scaling laws on the asymptotic behavior are derived for this system. In the first regime of a large average signal-to-noise ratio (SNR) denoted by A and a fixed number of users K, a SER asymptotically proportional to A^{-K} can be achieved. In the second regime of a large number of users K and a fixed average SNR value A, the SER asymptotically decreases as fast as K^{-A}. In the third part of this thesis, we focus on the underlay cognitive radio network and study a cognitive broadcast scenario where one secondary transmitter and several secondary receivers share the same spectral resource with the primary users. We investigate the opportunistic scheduling scheme at the secondary transmitter which takes advantage of the multiuser diversity and meanwhile controls the interference at the primary receiver. The sum capacity of such a system is computed and scaling laws of the sum capacity are derived for two asymptotic regimes. In the first asymptotic regime of a large number of secondary receivers (SRs) K and a fixed number of primary receivers (PRs) U, we show that the ergodic sum capacity C scales as lnln K. In the second asymptotic regime, where we have a large number of U and a fixed number of K, we show that C decreases as a function of ln U and asymptotically converges to a certain finite limit. Further, we analyze the symbol error rate performance of this cognitive scenario. Our study shows that the opportunistic scheduling scheme exploiting the multiuser diversity can significantly enhance the performance of the secondary network while limiting the interference caused to the primary system.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In letzter Zeit ist die Nachfrage nach drahtlosen Diensten mit Datenraten rasant gestiegen. Um dieser wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, sind verschiedene neuartige Verfahren im Bereich der drahtlosen Kommunikation entwickelt worden. Unter ihnen haben Verfahren, die auf Sende- und Mehrnutzerdiversität beruhen, besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie zuverlässige Dienste mit hohen Datenraten ermöglichen. Ziel dieser Arbeit ist es, fortschrittliche nachrichtentechnische Verfahren unter Verwendung von Sende- und Mehrnutzer- Diversität zu entwickeln und zu analysieren. In dieser Arbeit betrachten wir Mobilfunknetze, in dem die Datenübertragung an der Basisstation gesteuert und koordiniert wird. Darüber hinaus untersuchen wir eine Vielzahl von Spezialfällen dieses Mobilfunknetze einschließlich der Punkt-zu-Punkt Kommunikation mittels multipler Antennen an der Sende- und Empfangsseite, der Mehrnutzer- Kommunikation in der Abwärtsstrecke von der Basisstation zu mehreren mobilen Teilnehmern, sowie der kognitive Kommunikation in einem nicht-lizenzierten Sekundär-Netzwerk. Im ersten Teil dieser Arbeit betrachten wir die Punkt-zu-Punkt Kommunikation zwischen einer Basisstation mit mehreren Sendeantennen und einem einzelnen mobilen Teilnehmer mit einer einzelnen Empfangsantenne. Wir untersuchen die Zuverlässigkeit der Kommunikation in Bezug auf die Symbolfehlerrate (SER). Insbesondere schlagen wir mehrere auf senderseitiger Diversität basierende Verfahren vor, darunter verschiedene Kombinationen von Verfahren zur Sendeantennenauswahl, Raum-Zeit-Kodierung und Leistungsregelung. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die opportunistische Zeitschlitzverwaltung und bestimmen die Grenzen der Reduktion der Symbolfehlerrate, die sich unter Ausnutzung von Mehrnutzerdiversität erreichen lässt. Zwei Gesetzemässigkeiten des asymptotischen Verhaltens werden in diesem Zusammenhang hergeleitet. Im Bereich eines großen Bei einem hohen durchschnittlichen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), bezeichnet mit A und einer festen Anzahl von Nutzern K, kann eine SER erzielt werden, die asymptotisch proportional gemäß A^{-K} abfällt. Im Falle einer großen Anzahl von Nutzern K und eines konstanten SNR A reduziert sich die SER asymptotisch gemäß K^{-A}. Im dritten Teil dieser Arbeiten wird ein kognitives Funknetzwerk zugrundegelegt, in dem der informationstheoretische Broadcast-Szenario betrachtet wird, in dem sich Sekundärnutzer die spektralen Ressourcen mit den Teilnehmern eines lizensierten Primärnetzwerk teilen. Wir untersuchen die opportunistische Ressourcenvergabe am Sender des Sekundärnetzwerks, welcher die Vorteile der Mehrenutzerdiversität ausnutzt und gleichzeitig die erzeugten Interferenzen im Primärnetzwerk kontrolliert. Störung der primären Nutzern reguliert. Es wird die Summenkapazität eines solchen Kommunikationssystems berechnet und dessen asymptotisches Verhalten bestimmt. Für den ersten asymptotischen Bereich, in dem die Anzahl K der sekundären Empfänger (SRs) hoch und die Anzahl U der primären Empfänger (PRs) fest gehalten wird, zeigen wir, dass die ergodische Summenkapazität C mit \ln\ln K anwächst. Für den zweiten asymptotischen Bereich, in dem bei festem K die Anzahl U der PRs ist, zeigen wir, dass C als eine Funktion von ln U abfällt und asymptotisch gegen einen endliche Grenzwert konvergiert. Danach analysieren wir die Symbolfehlerrate in dem betrachteten kognitiven Szenario. Unsere Untersuchungen ergeben, dass Systeme mit opportunistischer Ressourcenverwaltung unter Ausnutzung von Mehrnutzerdiversität, erheblich die Leistungsfähigkeit des sekundären Netzwerkes steigern können und sich gleichzeitig die Störung, die dem primären Netzwerk zugeführt wird, begrenzt werden kann.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 09 May 2012 10:13
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29700
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Pesavento, Prof. Dr.- Marius and Papadias, Prof. Dr. Constantinos
Refereed: 2 May 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2970
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