Publication: Cuantificación del estado del canal para la minimización de la potencia en sistemas con transmisores adaptativos
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Publication date
2007-01
Defense date
2007-02-22
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Abstract
Los sistemas de comunicación operando en canales (móviles) inalámbricos degradan considerablemente sus prestaciones (tasa de transmisión, consumo de potencia o probabilidad de error) debido a los desvanecimientos que sufre el medio
inalámbrico. Esta degradación puede mitigarse aprovechando el conocimiento del estado canal (CSI) en el receptor y en el transmisor. El CSI puede ser perfecto si el error de estimación del canal es despreciable o cuantificado si no se conoce el valor exacto del canal sino únicamente la categoría (región) a la que el canal pertenece.
La presente disertación tiene como objetivo diseñar y utilizar de manera óptima
la cuantificación del CSI a fin de minimizar la potencia transmitida satisfaciendo
requisitos de calidad de servicio en términos tasa de transmisión y probabilidad de error. El escenario básico de aplicación consiste en sistemas de comunicaciones móviles con transmisores adaptativos en los que el receptor tiene conocimiento perfecto del canal mientras que el transmisor, típicamente a través de un canal de control de retorno, únicamente conoce una versión cuantificada del mismo. Las contribuciones de esta tesis cubren sistemas de comunicaciones de distinta complejidad, operando sobre distintos tipos de canales, para uno o múltiples usuarios.
Simulaciones numéricas validarán las derivaciones analíticas y mostrarán el significativo ahorro energético cuando se implementan los esquemas propuestos.
Las principales contribuciones de esta tesis pueden resumirse como sigue: (i)
se derivan esquemas de cuantificación y de adaptación como la solución de un
problema de minimización con ligaduras; (ii) se prueba que los esquemas de cuantificación de canal corresponden al menos a un óptimo local; (iii) se prueba que los esquemas de adaptación son globalmente óptimos; (iv) se demuestra que la complejidad computacional por cada realización del canal requerida para implementar los esquemas adaptativos es moderada o despreciable; (v) se demuestra
que las necesidades de envío de información de control del receptor al transmisor
son sorprendentemente pequeñas y (vi) se muestra que la potencia consumida por los esquemas adaptativos basados en CSI cuantificado es considerablemente menor
que la potencia consumida por sistemas no adaptativos y a su vez que la pérdida
de prestaciones de aquellos frente a los que hacen uso de CSI perfecto es pequeña.
Estas contribuciones motivan la implantación práctica de esquemas similares a los
propuestos en sistemas reales de comunicaciones que, con un incremento moderado de la complejidad, obtienen significativas mejoras en sus prestaciones.
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Performance of wireless communication systems (quantified in terms of transmission rate, power e±ciency or error probability) degrades severely due to fading effects introduced by the shared air-interface. This degradation can be mitigated if channel state information (CSI) is available at the receiver and/or the transmitter side. Full CSI can be assumed when sufficient training allows for essentially perfect channel estimation, while quantized CSI can be used when only the class (cluster or region) that the channel belongs to is known. This dissertation aims at optimally designing and exploiting quantized CSI to minimize transmit-power under rate and error probability constraints. The setup comprises a wireless communication system with channel-adaptive modulation; where the receiver has available perfect CSI while the transmitter has only quantized CSI. In this context, innovative claims from a high-level vantage point pertain to novel schemes with variable complexity, under different channel types shared by single or multiple users. Simulated numerical tests corroborate the analytical claims and reveal that significant power savings result when implementing the proposed schemes. Specific contributions can be summarized as follows: (i) the quantization and adaptive transmission parameters can be obtained as the solution of a judiciously formulated constrained minimization problem; (ii) the channel quantization algorithms developed attain at least a local optimum of the objective function; (iii)the adaptive schemes reach the global optimum; (iv) the required computational complexity per channel realization for the adaptive schemes ranks from moderate to negligible; (v) the amount of feedback transmitters need from the receiver is stunningly small; and (vi) power consumed by adaptive schemes based on quantized CSI is significantly less than that required by non-adaptive alternatives, and closely approaches the power savings achieved by the benchmark perfect transmit-CSI design. These features encourage practical deployment of the proposed schemes that, with moderate computational overhead, offer a significant performance improvement.
Performance of wireless communication systems (quantified in terms of transmission rate, power e±ciency or error probability) degrades severely due to fading effects introduced by the shared air-interface. This degradation can be mitigated if channel state information (CSI) is available at the receiver and/or the transmitter side. Full CSI can be assumed when sufficient training allows for essentially perfect channel estimation, while quantized CSI can be used when only the class (cluster or region) that the channel belongs to is known. This dissertation aims at optimally designing and exploiting quantized CSI to minimize transmit-power under rate and error probability constraints. The setup comprises a wireless communication system with channel-adaptive modulation; where the receiver has available perfect CSI while the transmitter has only quantized CSI. In this context, innovative claims from a high-level vantage point pertain to novel schemes with variable complexity, under different channel types shared by single or multiple users. Simulated numerical tests corroborate the analytical claims and reveal that significant power savings result when implementing the proposed schemes. Specific contributions can be summarized as follows: (i) the quantization and adaptive transmission parameters can be obtained as the solution of a judiciously formulated constrained minimization problem; (ii) the channel quantization algorithms developed attain at least a local optimum of the objective function; (iii)the adaptive schemes reach the global optimum; (iv) the required computational complexity per channel realization for the adaptive schemes ranks from moderate to negligible; (v) the amount of feedback transmitters need from the receiver is stunningly small; and (vi) power consumed by adaptive schemes based on quantized CSI is significantly less than that required by non-adaptive alternatives, and closely approaches the power savings achieved by the benchmark perfect transmit-CSI design. These features encourage practical deployment of the proposed schemes that, with moderate computational overhead, offer a significant performance improvement.
Description
Keywords
Radiocomunicación, Comunicaciones móviles