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Multicast and Relay Beamforming in Wireless Multi-User Networks

Abdelkader, Ahmed :
Multicast and Relay Beamforming in Wireless Multi-User Networks.
Fachgebiet Elektotechnik und Informationstechnik, TU Darmstadt, Darmstadt, Deutschland
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Thesis on downlink beamforming for multi-group multicast networks - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Multicast and Relay Beamforming in Wireless Multi-User Networks
Language: English
Abstract:

Zahlreiche Anwendungen wie mobiles Fernsehen und Podcasts erfordern die parallele Verbereitung von Daten an mehrere Nutzer. Drahtlose Multicast-Verfahren ermöglichen dies in einer effizienten Weise, indem die für eine Gruppe von Nutzern bestimmten Daten und Services diesen simultan zugestellt werden. Aus diesem Grund spielen drahtlose Multicast-Verfahren eine wichtige Rolle für zukünftige zellulare Mobilfunksysteme. In modernen Mobilfunksystemen werden Mehrantennensysteme eingesetzt, um eine hohe spektrale Effizienz zu erreichen. Im Fall von Mehrantennensystemen können Beamformingverfahren verwendet werden, um unterschiedlicher Nachrichten gleichzeitig jedoch räumlich unterschiedlich abgestrahlt werden. In dieser Arbeit entwickeln wir recheneffiziente Beamformingalgorithmen für Multicast-Systeme. Die vorgeschlagenen Algorithmen erreichen einen verbesserten Kompromiss zwischen Sendeleistung und Rechenkomplexität im Vergleich mit existierenden Verfahren. Zuerst untersuchen wir Single-Group Multicast-Systeme, in denen alle Nutzer dieselben Daten empfangen. Wir entwickeln ein neues Verfahren zur näherungsweisen Minimierung der Sendeleistung unter Nebenbedingungen für die Signal-zu-Rauschverhältnisse an den Empfängern. Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der Orthogonalisierung der Kanalsignaturen einzelner Nutzer. Es erreicht einen verbesserten Kompromiss zwischen Sendeleistung und Rechenkomplexität im Vergleich mit existierenden Algorithmen für Single-Group Multicast-Systeme. Als nächstes betrachten wir Multi-Group Multicast-Systeme, bei denen unterschiedliche Daten an mehrere Gruppen von Nutzern gesendet werden. Wir schlagen ein neues Multicast-Verfahren vor, bei dem eine geringe Sendeleistung mittels einer hierarchischen Modulation erreicht wird. Das vorgeschlagene Verfahren hat einen geringeren Rechenaufwand und führt zu einer niedrigeren Sendeleistung im Vergleich zu existierenden Verfahren. Danach erweitern wir das für Mehrantennensysteme vorgeschlagene Kanal-Orthogonalisierungsverfahren auf nicht triviale Weise für den Einsatz in kooperative Relaynetze. Auch in dieser Anwendung lsst sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine geringe Rechenkomplexität und eine niedrigere Sendeleistung als die bekannten Verfahren für kooperative Relaynetze erzielen. Schließlich entwickeln wir verteiltes Beamformingverfahren für nicht synchronisierte kooperativen Relaynetzen. Wir verwenden ein orthogonale Frequenzmultiplexverfahren, um die Intersymbolinterferenz am Empfänger zu vermeiden, ohne Verzögerungsglieder an den Relays zu benötigen. Dadurch wird der für vollständig synchronisierte Relaynetze ansonsten erforderliche Signalisierungsoverhead vermieden. Wir vergleichen dann die erforderliche Sendeleistungen für das vorgeschlagene Verfahren mit der Sendeleistung für ein vollständig synchronisiertes Relaynetzwerk.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Many of the current and future Internet and digital multimedia applications such as Internet TV, streaming media, and localized services rely on the concept of mass content distribution. Wireless multicasting enable this in an efficient way, since it allows the provision of data and services to a group of users simultaneously using the same frequency band. In this context, wireless multicasting has emerged as a key technology for the next generation cellular and indoor/outdoor wireless networks. Several techniques have been proposed to enhance the spectral efficiency of the wireless multicast network while meeting the quality of service requirements of the network users. One of the most promising techniques is transmit beamforming, since it allows the exploitation of space as a resource at the transmitter in addition to the conventional resources such as time and frequency. In this thesis, we develop computationally efficient techniques to solve the beamforming problem for single-group and multi-group multicast networks. Our proposed techniques offer improved trade-off between performance in terms of transmitted power and computational complexity. First, the beamforming problem for single-group multicasting is considered, where all users receive the same datastream. The design approach is based on power minimization subject to individual signal-to-noise-ratio constraints at each user. We propose a channel orthogonalization and local refinement technique to efficiently solve this problem in an approximate way. The proposed techniques are shown to offer an attractive performance-to-complexity tradeoff as compared to state-of-the-art multiple-antenna multicasting algorithms. Next, we consider the beamforming problem for multi-group multicasting, where different datastreams are sent to multiple groups of users. A new approach is proposed to solve the power minimization problem using hierarchical modulation. The proposed approach enjoys a significantly reduced computational complexity and achieves a better performance in terms of the total transmitted power compared to the conventional approaches. Then, a non trivial extension of the channel orthogonalization-based approach, which was developed to approximately solve the beamforming problem for conventional single-group multicasting is proposed to the beamforming problem in singlegroup multicasting in cooperative relay networks. Similarly as in the previous network, the proposed technique has a small computational complexity and achieves a better performance in terms of transmitted power compared to other existing techniques. Finally, we propose a solution to the relay synchronization problem in cooperative relay networks with large delay spread. The proposed approach uses orthogonal frequency division multiplexing techniques to eliminate the effects of inter-symbol interference at the destination without applying artificial delays at the relays. In this approach, the additional traffic requirements of a fully synchronized relay network is completely avoided. The performance of the proposed scheme in terms of transmitted power is then compared to the performance of a fully synchronized relay network.English
Place of Publication: Darmstadt, Deutschland
Publisher: Fachgebiet Elektotechnik und Informationstechnik, TU Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Strahlformung, Konvex-Optimierung, Multi-Group Multicast-Systeme
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Beamforming techniques, distributed beamforming, convex optimization, multi-group multicastingEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Nachrichtentechnische Systeme
Date Deposited: 14 Aug 2012 10:32
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30568
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Pesavento, Prof. Dr.- Marius and Abdelhak, Prof. Dr.- Zoubir
Refereed: 2 July 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3056
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