Future Mobile Communication: From - ETH E

Diss. ETH No. 23243
Future Mobile Communication:
From Cooperative Cells to the
Post-Cellular Relay Carpet
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
RAPHAEL THOMAS LIVIUS ROLNY
Master of Science (MSc), ETH Zurich
born on September 13, 1982
citizen of Regensdorf (ZH), Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Armin Wittneben, examiner
Prof. Dr. Gerhard Bauch, co-examiner
2016
Abstract
The increasing demand for ubiquitous data service sets high expectations on future
cellular networks. They should not only provide data rates that are higher by orders of
magnitude than today’s systems, but also have to guarantee high coverage and reliability. Thereby, sophisticated interference management is inevitable. The focus of this
work is to develop cooperative transmission schemes that can be applied to cellular
networks of the next generation and beyond. For this, conventional network architectures and communication protocols have to be challenged and new concepts need to
be developed. Starting from cellular networks with base station (BS) cooperation, this
thesis investigates how classical network architectures can evolve to future networks in
which the mobile stations (MSs) are no longer served by BSs in their close vicinity, but
by a dynamic and flexible heterogeneity of different nodes.
Based on recent information theoretic results, we develop a practical and robust
linear BS cooperation scheme based on block zero-forcing in a limited area (BS cluster)
and an approximation of the residual interference with which a convex optimization
problem can be formulated and efficiently be solved. The transmission scheme is then
extended to heterogeneous networks that can also include remote radio heads and/or
decode-and-forward (DF) relays. While such relays can improve coverage range as
well as the data rates in interference limited areas, they need to be involved in the
cooperation process and have to exchange signals with their cooperation partners (e.g.
BSs), what makes the relays rather complex.
Amplify-and-forward (AF) relays of low complexity that cooperate in a distributed
fashion are therefore an attractive alternative. With properly selected amplification
gains, such AF relays can cancel interference and assist the communication between BSs
and MSs. In order to find appropriate amplification factors, we develop a distributed
gradient-based optimization algorithm that allows each node to calculate its factors
with local channel state information (CSI) only, even when applied to multi-hop setups.
We show that the overhead of the scheme does not scale with the number of involved
nodes and that it can be further improved by subcarrier cooperation, i.e. when signals
are combined over multiple subcarriers.
iii
Abstract
In order to increase the capacity of cellular systems by the required factors, we
combine large antenna arrays (massive MIMO) at few BS locations with massively
deployed small relay cells. In this “relay carpet” concept, we can benefit from the
advantages of both approaches and can simplify channel estimation at the BSs, which
would limit the performance gains in conventional networks. The relays, that are of
very low complexity and low cost, turn the network into a two-hop network where the
BSs as well as the MSs see the relays as the nodes they communicate with. This enables
sophisticated multi-user MIMO beamforming at the BSs and the performance of such
a network scales beneficially with the number of involved nodes. Especially very simple
AF relays without the requirement of any CSI can thus lead to large rates when the
network is dense. These relays are also beneficial for coverage and power savings.
In a further evolution, we abandon the cellular network layout completely and let
backhaul access points operate in places where they can most easily be installed. For
such a “post-cellular” network architecture, we apply dynamic cooperation clusters and
many distributed low-complexity relays. By optimizing the BS clusters as well as the
relay routing under practical conditions and power control, we show that coverage and
high performance can be achieved with aggressive spatial multiplexing and cooperative
leakage-based precoding.
With a transition from classical cell-based networks to relay enabled post-cellular
networks, we trade off node complexity with density. Aggressive spatial multiplexing
can thereby deliver high data rates to large areas in a very efficient way, even when the
backhaul capacity is limited or when in certain areas no backhaul access is available
at all. The beneficial performance scaling shows that such post-cellular networks can
offer a flexible and dynamic solution for mobile communication of future generations.
iv
Kurzfassung
Die immer grösser werdende Nachfrage an mobile Datendienste stellt hohe Anforderungen an zukünftige Mobilfunknetze. Diese sollen nicht nur Datenraten liefern, die
um Grössenordnungen höher liegen als in gegenwärtigen Systemen, sondern auch
hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit garantieren. Dabei ist insbesondere ein effektiver Umgang mit Interferenz von hoher Bedeutung. In dieser Arbeit entwickeln wir
deshalb effiziente kooperative Übertragungstechniken, die im Mobilfunk der nächsten
Generation und darüber hinaus angewendet werden können. Dafür müssen konventionelle Netzwerkarchitekturen und Kommunikationsprotokolle überdacht und neue
Konzepte erarbeitet werden. Ausgehend von Netzwerken mit kooperierenden Basisstationen untersucht diese Arbeit, wie klassische zelluläre Netzwerkarchitekturen zu
zukünftigen Netzwerken weiterentwickelt werden können, in denen die mobilen Nutzer
nicht mehr von nahe gelegenen Basisstationen bedient werden, sondern durch eine dynamische und flexible Vielzahl von verschiedenen Infrastrukturknoten.
Basierend auf aktuellen informationstheoretischen Forschungsresultaten entwickeln
wir praktische und robuste lineare Kooperationsverfahren. Dabei wird die Interferenz
in einem beschränkten Gebiet durch eine Gruppe von mehreren Basisstationen komplett ausgelöscht. Durch eine Approximation der restlichen Interferenz von ausserhalb
des Kooperationsgebietes kann ein konvexes Optimierungsproblem formuliert werden,
das effizient gelöst werden kann. Das Übertragungsverfahren wird dann so erweitert,
dass es auch in heterogenen Netzwerken angewendet werden kann, in denen zusätzliche
Decode-and-Forward (DF) Relais, Femto-Zellen-Basisstationen oder andere Hilfsknoten die Basisstationen unterstützen. Damit die Hilfsknoten nicht nur die Netzabdeckung vergrössern, sondern auch die Datenraten in interferenzlimitierten Umgebungen
verbessern können, müssen diese in den Kooperationsprozess der Basisstationen eingebunden werden und mit diesen Signale sowie Kanalinformation austauschen, was zu
einer relativ komplexen Implementierung führt.
Amplify-and-Forward (AF) Relais, die durch verteilte Verfahren miteinander
kooperieren, sind deshalb eine attraktive Alternative, da diese als einfache Umsetzer mit geringer Komplexität realisiert werden können. Mit geeignet gewählten Ver-
v
Kurzfassung
stärkungsfaktoren können solche AF Relais Interferenz abschwächen oder auslöschen
und somit die Kommunikation zwischen Basisstationen und Mobilgeräten unterstützen.
Um die Verstärkungsfaktoren zu optimieren, entwickeln wir einen verteilten gradientenbasierten Algorithmus, der es jedem Knoten erlaubt, seine Faktoren mit lokalem
Wissen zu berechnen. In Übertragungen über zwei oder mehr Stufen skaliert der Overhead dieses Verfahrens nicht mit der Anzahl Relais pro Stufe. In Breitbandsystemen
kann darüber hinaus eine weitere Verbesserung der erzielbaren Datenraten durch optimierte Linearkombinationen über mehrere Unterträger erzielt werden.
Um die Kapazität der Systeme um die benötigten Grössenordnungen zu erhöhen,
kombinieren wir grosse Antennenarrays an Basisstationen mit kleinen Relaiszellen, die
flächendeckend verteilt sind. In diesem “Relaisteppich” kann man von den Vorteilen
ausgeklügelter Mehrfachnutzerübertragung an den Basisstationen und der verteilten
Signalverarbeitung der Relais profitieren. Die vielen Relais verwandeln das Netzwerk in
ein Zwei-Hop-System, was grosse Antennenarrays an den Basisstationen ohne den sonst
damit verbundenen hohen Overhead ermöglicht. Mit einfachen AF Relais, die keinerlei
Kanalwissen benötigen, kann eine äussert günstige Skalierung der Leistungsfähigkeit
des Netzwerkes erreicht werden, besonders wenn viele Knoten dicht beieinander liegen.
Neben deutlich erhöhten Datenraten können die Relais auch benötigte Sendeleistung
einsparen, was die Systeme auch noch energieeffizienter macht.
In einer weiteren Evolution verzichten wir schliesslich ganz auf die zelluläre Struktur
und lassen die mobilen Nutzer nur durch spärlich platzierte Basisstationen bedienen, die
auch weit weg von den Nutzern liegen können. In solchen “post-zellulären” Netzwerken
müssen die Basisstationen nicht mehr überall verteilt sein, sondern können da platziert
werden, wo es möglichst (kosten-) günstig möglich ist. Durch eine optimierte Zuteilung
der kooperierenden Basisstationsgruppen und Relais unter praktischen Bedingungen
und Leistungsregulierung können sehr hohe Netzabdeckungen und Datenraten erreicht
werden.
Mit dem Übergang von klassischen zellbasierten Netzwerken zur post-zellulären Netzwerkarchitektur können wir die Komplexität der Knoten mit deren Anzahl aufwiegen.
Aggressives Multiplexing in der räumlichen Dimension kann hohe Datenraten in grossen
Gebieten erzielen, auch wenn die kabelgebundene Infrastruktur limitiert oder in Teilen
des Netzwerkes gar nicht vorhanden ist. Die vorteilhafte Skalierung mit der Anzahl
der Knoten zeigt deshalb, dass post-zelluläre Netzwerke eine äusserst dynamische und
flexible Lösung für die Anforderungen zukünftiger Mobilfunknetze bieten.
vi

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