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Multi-User Networks with Outdated Channel State Information

Buzuverov, Alexey (2019):
Multi-User Networks with Outdated Channel State Information.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

2019_01_21_Buzuverov_Alexey.pdf - Published Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Multi-User Networks with Outdated Channel State Information
Language: English

The spread of ubiquitous high-speed mobile communication has changed our daily life and society significantly. Using multiple antennas at transmitters and receivers, known as multiple-input and multiple-output (MIMO) technology, is one of the key developments which allowed new advances in mobile communication. Accurate and up-to-date channel state information at the transmitter (CSIT) is a necessary requirement for achieving the multiplexing gains, referred to in the literature also as degrees of freedom (DoF). Maintaining up-to-date CSIT however may become exhausting in terms of the number of resources. In case the CSIT is completely outdated, no channel time correlation can be exploited. Nevertheless, even completely outdated CSIT can be very useful for achieving DoF greater than that with completely absent CSIT. The key idea is to apply a multi-phase transmission, where in each phase, the interference terms overheard in the previous phases are retransmitted. On one hand, such terms provide the transmitters with new information about the desired symbols. On the other hand, such terms can be cancelled at the receivers which previously overheard them. In such a way, the amount of the produced interference in each consecutive phase is reduced, where in the last phase, an interference-free transmission is achieved. In this thesis, we design new transmission schemes to achieve more DoF in a variety of communication networks with completely outdated or simply delayed CSIT.

Firstly, a network with two transmitters and two receivers is considered, where each transmitter desires to deliver a message to each receiver. Such network is referred to in the literature as the X-channel (XC). We consider a MIMO setting, in which the transmitters have M_1 and M_2 antennas and the receivers have N_1 and N_2 antennas. In the XC, each receiver receives a superposition of two interference signals originating from different transmitters, hence the interference in its plain form cannot be reconstructed using delayed CSIT. By applying redundancy transmission (RT), each transmitter can be forced to span only a fraction of the signal space of each receiver. Then, by applying partial interference nulling (PIN), each receiver can subtract the signal of one of the interferers, where the remaining interference signal can be reconstructed at the transmitter using delayed CSIT. In case min{M_1, M_2}>min{N_1, N_2}, a more effective multi-part transmission, known as interference sensing and redundancy transmission (IS-RT), can be performed, where the interference overheard in the first part comprises the redundancy transmitted in the second part. In this thesis, we perform decodability analysis of the state-of-the-art transmission scheme for the MIMO XC with delayed CSIT which relies on IS-RT-PIN. Our analysis shows, that despite the fact that the receivers obtain a sufficient number of linear combinations, the transmitted information symbols are not always decodable, which is due to a linear dependence of the linear combinations. To address the identified decodability problem, a novel transmission scheme is proposed, where the parameters of the scheme are carefully selected to maximize the number of the transmitted information symbols while ensuring linear independence. The proposed transmission scheme achieves a number of DoF greater than that of the state-of-the-art transmission scheme in which the number of the transmitted information symbols is reduced to the number of the decodable ones.

Secondly, a network with three transmitters and three receivers is considered, where each transmitter wants to deliver a message to its corresponding partner receiver. Such network is referred to in the literature as the three-user interference channel (IC). We consider a symmetric MIMO setting, in which each transmitter has M antennas and each receiver has N antennas. For the three-user MIMO IC with delayed CSIT, two novel transmission schemes for M<N and M>N are proposed which achieve DoF greater than that in the literature. The first transmission scheme proposed for M<N relies on RT-PIN, where we take into account the fact that for M<N, the redundancy is naturally introduced by the channel. The proposed transmission scheme has a three-phase structure, where in each phase the amount of the introduced redundancy is adjusted according to M/N. The second transmission scheme proposed for M>N relies on IS-RT-PIN. As already identified for the MIMO XC with delayed CSIT, for the transmission schemes relying on IS-RT-PIN, a loss of decodability due to linear dependencies of linear combinations may occur. The transmission scheme existing in the literature uses in phase 1 a two-part IS-RT, where to avoid loss of decodability, the number of used transmit antennas is limited for sufficiently large M/N. In such case, the additional transmit antennas are not exploited. Our proposed transmission scheme, instead, uses in phase 1 a novel three-part IS-RT, in which the IS and RT parts of different transmitters have different durations. Such transmission allows to reduce the number of linearly dependent linear combinations, while the number of used transmit antennas is limited only at a single transmitter. The parameters of the proposed transmission scheme are carefully selected to maximize the number of the transmitted information symbols while ensuring linear independence. A number of DoF greater than that in the literature is achieved. In addition to the two proposed transmission schemes, an upper bound on the linear DoF is proposed, which turns out to be tight for 1/2<M/N≤3/5 and 2≤M/N<3.

Thirdly, the 2-antenna 3-user multiple-input single-output (MISO) broadcast channel (BC) with alternating CSIT is considered, in which the CSIT for each user can be either perfect (P) or delayed (D), resulting thus in total in 8 possible CSIT states I_1I_2I_3, I_i ∈ {P, D}, i ∈ {1, 2, 3}. For this scenario, we obtain two new results on the DoF characterization. The first result characterizes the DoF region for the case where the CSIT states can take the following 5 values: PPP, PPD, PDP, PDD and DDD. The second result characterizes the DoF for the case where the CSIT states can take all possible values, however the joint CSIT state probabilities are restricted to fulfil certain relationships. To achieve the optimal DoF, joint encoding over the available CSIT states is proposed, which provides DoF gains as compared to encoding over each CSIT state independently. To obtain our results, we first propose four novel constituent encoding schemes (CSs), which perform joint encoding of the CSIT state tuples (PPP, PDD), (PDD, DDD), (PDD, DPD, DDD) and (PDD, DPD, DDP). Then, after a careful assignment of the newly proposed and existing in the literature CSs to the available CSIT states, the optimal DoF are achieved.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Verbreitung allgegenwärtiger mobiler Breitbandkommunikation hat unseren Alltag und unsere Gesellschaft signifikant verändert. Der Einsatz mehrerer Antennen an Sendern und Empfängern, auch bekannt als Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Technologie, ist einer der Schlüssel für Fortschritte in der mobilen Kommunikation. Akkurate und aktuelle Kanalinformation auf der Senderseite (Channel State Information at the Transmitter, CSIT) ist dabei eine notwendige Voraussetzung, um Multiplexing-Gewinne, welche in der Literatur auch als Freiheitsgrade (Degrees of Freedom, DoF) bezeichnet werden, zu erzielen. Jedoch kann die Bereitstellung stets aktueller CSIT sehr aufwändig in Bezug auf die benötigten Ressourcen werden. Im Falle vollständig veralteter CSIT kann keine Kanal-Zeit-Korrelation ausgenutzt werden. Dennoch kann sogar vollständig veraltete CSIT sehr nützlich sein, um mehr DoF zu erzielen, als ohne jegliche CSIT möglich ist. Die Schlüsselidee ist dabei eine Mehrphasen-Übertragung, wobei in jeder Phase der mitgehörte Interferenzterm aus den vorherigen Übertagungsphasen erneut übertragen wird. Einerseits liefern diese Terme den Sendern neue Informationen über die gewünschten Symbole, andererseits können diese Terme auf Empfängerseite entfernt werden, wo sie zuvor mitgehört wurden. Dadurch kann die Menge an anfallender Interferenz in jeder der aufeinanderfolgenden Phasen reduziert werden, wobei in der letzten Phase eine interferenzfreie Übertragung erreicht wird. In dieser Arbeit entwerfen wir neue Übertragungsschemata, um für eine Vielzahl von Kommunikationsnetzwerken mit teilweise oder vollständig veralteter CSIT mehr DoF zu erzielen.

Zunächst wird ein Netzwerk mit zwei Sendern und zwei Empfängern betrachtet, in dem jeder Sender eine Nachricht an jeden Empfänger senden möchte. Ein solches Netzwerk wird in der Literatur auch als X-channel (XC) bezeichnet. Wir betrachten einen MIMO-Fall, in welchem die Sender über M_1 bzw. M_2 Antennen und die Empfänger über N_1 bzw. N_2 Antennen verfügen. Im XC empfäangt jeder Empfänger, ausgehend von den beiden verschiedenen Sendern, eine Überlagerung zweier Interferenzsignale. Daher kann die Interferenz in dieser Form nicht durch veraltete CSIT rekonstruiert werden. Durch den Einsatz von Redundanzübertragung (RT), kann jeder Sender dazu gebracht werden, nur einen Bruchteil des Signalraums jedes Empfängers zu überspannen. Desweiteren kann jeder Empfänger das Signal von einem Störer durch den Einsatz von Partial Interference Nulling (PIN) subtrahieren, wobei das verbleibende Interferenzsignal durch den Einsatz von veralteter CSIT am Sender rekonstruiert werden kann. Für den Fall, dass min{M_1, M_2} > min{N_1, N_2} gilt, kann eine effizientere mehrteilige Übertragung, auch bekannt als Interference Sensing and Redundancy Transmission (IS-RT), durchgeführt werden, bei der die Interferenz, welche im ersten Teil empfangen wird, die Interferenz aus dem zweiten Teil beinhaltet. In dieser Arbeit führen wir Dekodierbarkeitsanalysen des State-of-the-art Übertragungsschemas für den MIMO XC mit veralteter CSIT durch, welche auf IS-RT-PIN beruht. Unsere Analysen zeigen, dass trotz der Tatsache, dass die Empfänger eine ausreichende Anzahl von Linearkombinationen erhalten, die übertragenen Informationssymbole aufgrund von linearer Abhängigkeit der Linearkombinationen nicht immer dekodierbar sind. Um das identifierte Dekodierbarkeitsproblem zu lösen, schlagen wir ein neues Übertragungsschema vor, bei welchem die Parameter sorgsam gewählt werden, um die erzielbaren DoF zu maximieren und gleichzeitig die lineare Unabhängigkeit sicherzustellen. Das vorgeschlagene Übertragungsschema erzielt eine größere Anzahl an DoF als das State-of-the-art Übertragungsschema, bei welchem die Anzahl an übertragenen Informationssymbolen auf die Anzahl an dekodiebaren Informationssymbolen reduziert wird.

Desweiteren wird ein Netzwerk mit drei Sendern und drei Empfängern betrachtet, in dem jeder Sender eine Nachricht an seinen jeweiligen Partner-Empfänger senden möchte. Ein solches Netzwerk wird in der Literatur als Drei-Nutzer Interference Channel (IC) bezeichnet. Wir betrachten einen symmetrischen MIMO-Fall, in dem jeder Sender M Antennen und jeder Empfänger N Antennen hat. Für den Drei-Nutzer MIMO IC mit veralteter CSIT werden zwei neue Übertragungsschemata für M<N und M>N vorgeschlagen, welche höhere DoF erzielen als aus der Literatur bekannte Verfahren. Das erste Übertragungsschema für M<N beruht auf RT-PIN, wobei berücksichtigt wird, dass für M<N die Redundanz natürlicherweise vom Kanal eingebracht wird. Das vorgestellte Verfahren hat eine Drei-Phasen-Struktur, wobei in jeder Phase die Menge an eingebrachter Redundanz entsprechend M/N angepasst wird. Das zweite Übertragungsschema für M>N beruht auf IS-RT-PIN. Wie bereits für den MIMO XC mit veralteter CSIT und den Verfahren basierend auf IS-RT-PIN identifiert, kann es aufgrund von linearen Abhängigkeiten zu einem Verlust an Dekodierbarkeit kommen. Das Übertragungsschema aus der Literatur nutzt in Phase 1 eine zweiteilige IS-RT, wobei die Anzahl an verwendeten Sendeantennen für ausreichend große M/N begrenzt wird, um einen Verlust an Dekodierbarkeit zu verhindern. In diesem Fall werden die zusätzlichen Sendeantennen nicht ausgenutzt. Unser vorgeschlagenes Übertragungsschema nutzt stattdessen eine neue dreiteilige IS-RT in Phase 1, in welcher die IS und RT Teile verschiedener Sender eine unterschiedliche Länge haben. Eine solche Übertragung erlaubt die Reduzierung der Anzahl der linear abhängigen Linearkombinationen, wobei die Anzahl an genutzten Sendeantennen nur an einem einzigen Sender beschränkt ist. Die Parameter des vorgeschlagenen Übertragungsschemas werden sorgsam gewählt, um die erzielbaren DoF zu maximieren und gleichzeitig die lineare Unabhängigkeit sicherzustellen. Dabei wird eine größere Anzahl an DoF erzielt als in der Literatur. Zusätzlich zu den zwei vorgeschlagenen Verfahren wird eine obere Grenze der linearen DoF präsentiert, welche sich als sehr eng für 1/2 < M/N ≤ 3/5 und 2 ≤ M/N < 3 darstellt.

Außerdem wird der 2-Antennen 3-Nutzer Multiple-Input Single-Output (MISO) Broadcast Channel (BC) mit alternierender CSIT betrachtet, in welchem das CSIT für jeden Nutzer entweder perfekt (P) oder veraltet (D) sein kann, was in insgesamt 8 mögliche CSIT Zustände I_1I_2I_3, I_i ∈ {P, D}, i ∈ {1, 2, 3}, resultiert. Für dieses Szenario erhalten wir neue Ergebnisse über die DoF Charakterisierung. Das erste Ergebnis charakterisiert die DoF-Region für den Fall, in dem die CSIT Zustände die folgenden 5 Werte annehmen: PPP, PPD, PDP, PDD und DDD. Das zweite Ergebnis charakterisiert die DoF für den Fall, in dem die CSIT Zustände alle möglichen Werte annehmen können, die gemeinsamen CSIT Zustandswahrscheinlichkeiten jedoch bestimmte Verhältnisse erfüllen müssen. Um die optimalen DoF zu erzielen, wird eine gemeinsame Codierung über alle verfügbaren CSIT Zustände vorgeschlagen, was Gewinne im Vergleich zur individuellen Codierung über jeden einzelnen CSIT Zustand liefert. Um unsere Ergebnisse zu erhalten, schlagen wir zuerst vier neue konstituierende Kodierungsschemata (CSs) vor, welche eine gemeinsame Codierung der CSIT Zustands-Tupel (PPP, PDD), (PDD, DDD), (PDD, DPD, DDD) und (PDD, DPD, DDP) ausführen. Nach einer sorgfältigen Zuordnung der neu vorgeschlagenen und der in der Literatur existierenden CSs zu den verfügbaren CSIT Zuständen werden die optimalen DoF erzielt.

Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Exzellenzinitiative > Graduate Schools > Graduate School of Computational Engineering (CE)
Date Deposited: 12 Apr 2019 12:16
Last Modified: 12 Apr 2019 12:16
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-85716
Referees: Klein, Prof. Dr. Anja ; Clerckx, Dr. Bruno
Date of oral examination: 21 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8571
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