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Higher-rank Transmit Beamforming Using Space Time Block Coding

Wen, Xin :
Higher-rank Transmit Beamforming Using Space Time Block Coding.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Higher-rank Transmit Beamforming Using Space Time Block Coding
Language: English
Abstract:

With the rapid development of wireless communications, there has been a massive growth in the number of wireless communications users and progressively more new high data rate wireless services will emerge. With these developments taking place, wireless spectral resources are becoming much more scarce and precious. As a result, research on spectrally efficient transmission techniques for current and future communication networks attracts considerable interest. As a promising multi-antenna communication technique, transmit beamforming is widely recognized as being able to improve the capacity of wireless systems without requiring additional spectral resources. In conventional (rank-one) beamforming, each user is served by a single beamformer. For certain transmit beamforming applications, the beamforming performance may be poor if the degrees of freedom in the conventional beamformer design become insufficient.

The scope of this thesis is to address the beamforming performance degradation problems induced by the insufficient degrees of freedom in the beamformer design in certain practical scenarios. In this thesis, a fundamentally new idea of higher-rank (>1) transmit beamforming is proposed to improve the beamforming performance. Instead of a single beamformer assigned to each user, multiple beamformers are designed and correspondingly the degrees of freedom in the beamformer design are multiplied, i.e., the increase of the degrees of freedom consists in the increase of the number of design variables. To implement higher-rank beamforming, the central idea is to combine beamforming with different space time block coding (STBC) techniques. Conventionally, STBCs are used to exploit the transmit diversity resulting from the independent fading for different transmit antennas. However, the use of STBCs in the higher-rank beamforming approaches is not for the sake of transmit diversity, but for the sake of design diversity in the sense of degrees of freedom in the beamformer design.

The single-group multicast beamforming problem of broadcasting the same information to all users is firstly considered in the thesis. It is assumed that the transmitter knows the instantaneous channel state information (CSI) which describes the short-term channel conditions of a communication link and can be estimated in modern communication systems. In the conventional approach, a single beamforming weight vector is designed to steer the common information to all users. In the case of a large number of users, the performance of the conventional approach usually degrades severely due to the limited degrees of freedom offered by a single beamformer. In order to mitigate this drawback, a rank-two beamforming approach is proposed in which two independent beamforming weight vectors are designed. In the rank-two beamforming approach, single-group multicast beamforming is combined with the two dimentional Alamouti STBC, and each user is simultaneously served with two Alamouti coded symbols from two beamformers. The degrees of freedom in the beamformer design are doubled and significant performance improvement is achieved.

The multi-group multicast beamforming problem of transmitting the same information to users in the same group while transmitting independent information to users in different groups, is studied next in the thesis, also assuming that instantaneous CSI is available at the transmitter. The rank-two beamforming approach, originally devised for single-group multicasting networks that are free of multiuser interference, is extended to multi-group multicasting networks, where multiuser interference represents a major challenge. By combining multi-group multicast beamforming with Alamouti STBC, two independent beamforming weight vectors are assigned to each user and the degrees of freedom in the beamformer design are doubled resulting in drastically improved beamforming performance.

Then, the multiuser downlink beamforming problem of delivering independent information to different users with additional shaping constraints is investigated in the thesis, also assuming instantaneous CSI at the transmitter. Additional shaping constraints are used to incorporate a variety of requirements in diverse applications. When the number of shaping constraints is large, the degrees of freedom in the beamformer design can be rather deficient. In order to address this problem, a general rank beamforming approach is proposed in which multiuser downlink beamforming is combined with high dimensional (>2) real-valued orthogonal space time block coding (OSTBC). In the general rank beamforming approach, the number of beamforming weight vectors for each user and the associated degrees of freedom in the beamformer design are multiplied by up to eight times, which lead to significantly increased flexibility for the beamformer design.

Since instantaneous CSI can be difficult to acquire in certain scenarios, the use of statistical CSI describing the long-term statistical characteristics of the channel can be more practical in these scenarios. The rank-two beamformer designs based on instantaneous CSI can be straightforwardly applied in the case of statistical CSI. However, it is impossible to extend the general rank beamforming approach for the multiuser downlink beamforming problem with additional shaping constraints based on instantaneous CSI to the case of statistical CSI straightforwardly. Therefore, multiuser downlink beamforming with additional shaping constraints using statistical CSI at the transmitter is then studied and an alternative general rank beamforming approach is proposed in the thesis. In the general rank beamforming approach using statistical CSI, multiuser downlink beamforming is combined with quasi-orthogonal space time block coding (QOSTBC). The increased number of beamforming weight vectors and the associated degrees of freedom are much beyond the limits that can be achieved by Alamouti STBC in the beamformer design.

Simulation results demonstrate that the proposed higher-rank transmit beamforming approaches can achieve significantly improved performance as compared to the existing approaches.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mit der rasanten Entwicklung im Bereich der Funkkommunikation entstand ein ebenso starker Anstieg der Nutzerzahl und zunehmend mehr Dienste, die hohe Datenraten benötigen, werden in Zukunft entstehen. Durch diese Entwicklungen werden die verfügbaren spektralen Ressourcen immer knapper und wertvoller. Übertragungstechniken mit einer hohen spektralen Effizienz sind daher für heutige und zukünftige Kommunikationsnetze ein Forschungsthema von großem Interesse. Sende-Beamforming wurde entwickelt als eine Übertragungstechnik für Mehrantennensysteme, die in der Lage ist die Kapazität eines kabellosen Systems zu erhöhen ohne zusätzliche spektrale Ressourcen zu benötigen. In konventionellem (Rang-Eins-) Beamforming wird jeder Nutzer durch einen einzelnen Beamformer bedient. Für bestimmte Sende-Beamforming Anwendungen kann deren Leistungsfähigkeit begrenzt sein, wenn die Freiheitsgrade für konventionelles Beamformer Design nicht ausreichend sind. Diese Thesis behandelt Lösungsansätze für die durch geringe Freiheitsgrade entstehende, verringerte Leistungsfähigkeit im Beamformer Design bei praktischen Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit schlagen wir eine fundamental neue Idee des Höherer-Rang-Beamforming (>1) vor, um dessen Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Anstelle eines einzelnen Beamformers für jeden Nutzer werden mehrere Beamformer entwickelt, und durch diese höhere Anzahl an verfügbaren Designparametern steigt gleichermaßen die Anzahl der Freiheitsgrade. Der zentrale Ansatz für die Implementierung von Höherer-Rang-Beamforming besteht in der Verwendung verschiedener Raum-Zeit-Block-Codierung (engl. space time block coding, STBC) Verfahren. Üblicherweise werden STBCs verwendet um die Sendediversität auszunutzen, welche durch das für verschiedene Sendeantennen unabhängige Kanal-Fading entsteht. Bei der Verwendung von STBCs für Höherer-Rang-Beamforming dient dies jedoch nicht einer Erhöhung der Sendediversität, sondern einer Erhöhung der Freiheitsgrade im Beamformer Design. Das Einzelgruppen-Multicast-Beamforming Problem, dieselben Informationen an alle Nutzer zu übertragen, wird in dem ersten Teil dieser Thesis betrachtet. Es wird angenommen, dass der Sender die aktuellen Kanalinformationen kennt. Diese beschreiben aktuelle Kanaleigenschaften einer Übertragungsstrecke und können in modernen Kommunikationsnetzen mit Hilfe geeigneter Schätzverfahren bestimmt werden. Der konventionelle Ansatz verwendet einen einzelnen Beamforming-Gewichtungsvektor, um die Informationen an alle Nutzer zu übertragen. Für eine große Anzahl an Nutzern verringert sich jedoch die Leistungsfähigkeit dieser Methode, da ein einzelner Beamformer nur sehr begrenzte Freiheitsgrade ermöglicht. Um diesen Nachteil abzuschwächen stellen wir einen Ansatz basierend auf Rang-Zwei-Beamforming vor, wo zwei unabhängige Beamforming-Gewichtungsvektoren entwickelt werden. In diesem Ansatz wird Einzelgruppen-Multicast-Beamforming mit zweidimensionalem Alamouti STBC kombiniert, und jeder Nutzer wird gleichzeitig mit zwei Alamouti-kodierten Symbolen von zwei Beamformern bedient. Die Freiheitsgrade im Beamformer Design verdoppeln sich dadurch, und eine signifikante Erhöhung der Leistungsfähigkeit wird erreicht. Das nächste in dieser Thesis behandelte Problem ist Mehrgruppen-Multicast-Beamform-ing, wo identische Informationen an Nutzer in derselben Gruppe übermittelt werden, aber unterschiedliche Informationen an Nutzer in unterschiedlichen Gruppen. Auch hier wird angenommen, dass aktuelle Kanalinformationen auf der Seite des Senders verfügbar sind. Der Ansatz des Rang-Zwei-Beamforming wurde ursprünglichfür Einzelgruppen-Multicast Netzwerke entwickelt, welche frei von Mehrnutzer-Interferenzen sind, und wird hier für Mehrgruppen-Multicast Netzwerke weiterentwickelt, wo diese ein großes Problem darstellen. Durch eine Kombination von Mehrgruppen-Multicast-Beamforming mit Alamouti STBC werden zwei unabhängige Beamforming-Gewichtungsvektoren jedem Nutzer zugeordnet, was durch die zusätzlichen Freiheitsgrade die Leistungsfähigkeit des Beamformers stark erhöht. Daraufhin betrachten wir das Mehrnutzer-Downlink-Beamforming Problem, bei dem unabhängige Informationen zu verschiedenen Nutzern mit zusätzlichen Shaping Constraints übertragen werden. Wiederum nehmen wir an, dass aktuelle Kanalinformationen beim Sender verfügbar sind. Die Shaping Constraints repräsentieren verschiedene anwendungsspezifische Anforderungen. Ist deren Anzahl groß, sind die nutzbaren Freiheitsgrade im Beamformer Design unzureichend. Um dieses Problem zu adressieren stellen wir einen Ansatz für Allgemei-ner-Rang-Beamforming vor, bei dem Mehrnutzer-Downlink-Beamforming kombiniert wird mit höherdimensionalem (>2) reellwertigem orthogonalem STBC. Bei diesem Ansatz ist die Anzahl der Beamforming-Gewichtungsvektoren für jeden Nutzer und die entsprechenden Freiheitsgrade bis zu achtfach erhöht. Dies führt zu erheblich höherer Flexibilität beim Beamformer Design. Da aktuelle Kanalinformationen in manchen Szenarien schwer zu ermitteln sind, kann die Verwendung langfristiger, statistischer Kanaleigenschaften stattdessen praktischer sein. Die Rang-Zwei-Beamformer Designs basierend auf aktuellen Kanalinformationen sind direkt anwendbar auf statistische Kanalinformationen. Es ist jedoch nicht möglich den Ansatz für Allgemeiner-Rang-Beamforming für Mehrnutzer-Downlink-Beamforming mit zusätzlichen Shaping Constraints, welcher auf aktuellen Kanalinformationen basiert, direkt auf statistische Kanalinformationen anzuwenden. Daher wird in dieser Thesis Mehrnutzer-Downlink-Beamforming mit zusätzlichen Shaping Constraints analysiert und ein alternativer Allgemei-ner-Rang-Beamforming Ansatz entwickelt. Bei diesem Ansatz wird Mehrgruppen-Downlink-Beamforming kombiniert mit quasi-orthogonalem STBC. Die erhöhte Zahl an Beamforming-Gewichtungsvektoren und entsprechender Freiheitsgrade übertreffen die Grenzen die üblicherweise von Alamouti STBC im Beamformer Design erreicht werden. Simulationsergebnisse demonstrieren, dass die vorgestellten Methoden für Höherer-Rang-Beamforming wesentlich leistungsfähiger sind, als bisher bekannte Ansätze.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 000 Allgemeines, Wissenschaft
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communication Systems
Date Deposited: 19 May 2016 13:15
Last Modified: 19 May 2016 13:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54641
Referees: Pesavento, Prof. Dr. Marius and So, Prof. Dr. Anthony Man-Cho
Refereed: 12 February 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5464
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  • Higher-rank Transmit Beamforming Using Space Time Block Coding. (deposited 19 May 2016 13:15) [Currently Displayed]
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