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Título: Spatial interference alignment under realistic scenarios
Autor(es): Normando, Paulo Garcia
Orientador(es): Silva, Yuri Carvalho Barbosa
Coorientador(es): Freitas Junior, Walter da Cruz
Palavras-chave: Teleinformática
Sistemas de comunicação sem fio
Data do documento: 2-Ago-2013
Citação: MORMANDO, P. G. (2013)
Resumo: Devido ao rápido crescimento e os agressivos requisitos de vazão nas atuais redes sem fio, como os sistemas celulares de 4 a Geração, a interferência se tornou um problema que não pode mais ser negligenciado. Neste contexto, o Alinhamento de Interferência (IA) tem surgido como uma técnica promissora que possibilita transmissões livres de interferência com elevada eficiência espectral. No entanto, trabalhos recentes têm focado principalmente nos ganhos teóricos que esta técnica pode prover, enquanto esta dissertação visa dar um passo na direção de esclarecer alguns dos problemas práticos de implementação da técnica em redes celulares, bem como compará-la com outras técnicas bem estabelecidas. Uma rede composta por três células foi escolhida como cenário inicial de avaliação, para o qual diversos fatores realistas foram considerados de modo a realizar diferentes análises. A primeira análise foi baseada em imperfeições de canal, cujos resultados mostraram que o IA é mais robusto aos erros de estimação de canal que o BD (do inglês, Block Diagonalization), enquanto as duas abordagens são igualmente afetadas pela correlação entre as antenas. O impacto de uma interferência externa não-coordenada, que foi modelada por diferentes matrizes de covariância de modo a emular vários cenários, também foi avaliado. Os resultados mostraram que as modificações feitas nos algoritmos de IA podem melhorar bastante seus desempenho, com uma vantagem para o algoritmo que suprime um único fluxo de dados, quando são comparadas as taxas de erro de bit alcançadas por cada um. Para combinar os fatores das análises anteriores, as variações temporais de canal foram consideradas. Neste conjunto de simulações, além da presença da interferência externa, os pré-codificadores são calculados através de medidas atrasadas de canal, levando a resultados que corroboraram com as análises anteriores. Um fato recorrente percebido em todas as análises anteriores é o dilema entre aplicar os algoritmos baseados em BD, para que se consiga alcançar maiores capacidades, ou enviar a informação através de um enlace mais confiável utilizando o IA. Uma maneira de esclarecer este dilema é efetivamente realizar simulações a nível sistêmico, para isto foi aplicado um simulador sistêmico composto por um grande número de setores. Como resultado, todas as análises realizadas neste simulador mostraram que a técnica de IA atinge desempenhos intermediários entre a não cooperação e os algoritmos baseados na pré-codificação conjunta. Uma das principais contribuições deste trabalho foi mostrar alguns cenários em que a técnica do IA pode ser aplicada. Por exemplo, quando as estimações dos canais não são tão confiáveis é melhor aplicar o IA do que os esquemas baseados no processamento conjunto. Também mostrou-se que as modificações nos algoritmos de IA, que levam em consideração a interferência externa, podem melhorar consideravelmente o desempenho dos algoritmos. Finalmente, o IA se mostrou uma técnica adequada para ser aplicada em cenários em que a interferência é alta e não é possível ter um alto grau de cooperação entre os setores vizinhos.
Abstract: Due to the rapid growth and the aggressive throughput requirements of current wireless networks, such as the 4th Generation (4G) cellular systems, the interference has become an issue that cannot be neglected anymore. In this context, the Interference Alignment (IA) arises as a promising technique that enables transmissions free of interference with high-spectral efficiency. However, while recent works have focused mainly on the theoretical gains that the technique could provide, this dissertation aims to go a step further and clarify some of the practical issues on the implementation of this technique in a cellular network, as well as compare it to other well-established techniques. As an initial evaluation scenario, a 3-cell network was considered, for which several realistic factors were taken into account in order to perform different analyses. The first analysis was based on channel imperfections, for which the results showed that IA is more robust than Block Diagonalization (BD) regarding the Channel State Information (CSI) errors, but both are similarly affected by the correlation among transmit antennas. The impact of uncoordinated interference was also evaluated, by modeling this interference with different covariance matrices in order to mimic several scenarios. The results showed that modifications on the IA algorithms can boost their performance, with an advantage to the approach that suppresses one stream, when the Bit Error Rate (BER) is compared. To combine both factors, the temporal channel variations were taken into account. At these set of simulations, besides the presence of an external interference, the precoders were calculated using a delayed CSI, leading to results that corroborate with the previous analyses. A recurring fact on the herein considered analyses was the dilemma of weather to apply the Joint Processing (JP)-based algorithms in order to achieve higher sum capacities or to send the information through a more reliable link by using IA. A reasonable step towards solving this dilemma is to actually perform the packet transmissions, which was accomplished by employing a system-level simulator composed by a large number of Transmission Points (TPs). As a result, all analyses conducted with this simulator showed that the IA technique can provide an intermediate performance between the non-cooperation and the full cooperation scheme. Concluding, one of the main contributions of this work has been to show some scenarios/cases where the IA technique can be applied. For instance, when the CSI is not reliable it can be better to use IA than a JP-based scheme. Also, the modifications on the algorithms to take into account the external interference can boost their performance. Finally, the IA technique finds itself in-between the conventional transmissions and Coordinated Multi-Point (CoMP). IA achieves an intermediate performance, while requiring a certain degree of cooperation among the neighboring sectors, but demanding less infrastructure than the JP-based schemes.
Descrição: MORMANDO, P. G. Spatial interference alignment under realistic scenarios. 2013. 65 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2013.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/11051
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