Desempeño de los sistemas MU-MIMO basados en la GMD con precodificación Tomlinson-Harashima (THP)

Abstract

El uso de la GMD (Descomposición en Media Geométrica) sobre la matriz del canal MIMO (Multiple Entrada/Multiple Salida) y la implementación de técnicas DPC (Precodificación Costa), permite descomponer el canal en múltiples subcanales SISO (Simple Entrada/Simple Salida) con igual SNRs, habilitando para que el mismo MCS (Esquema de Modulación y Codificación) sea desplegado en todas las capas activas del sistema. Este trabajo de Fin de Master analiza el comportamiento de la BER (Tasa de Error de Bit) y la sum-rate que alcanzan los sistemas MU-MIMO (MIMO Multiusuario) basados en la GMD y que hacen uso de la THP (Precodificación Tomlinson-Harashima) para pre-cancelar la MUI (Interferencia Multiusuario) en un escenario broadcasts convencional (NR ≤ NT) o sobrecargado (NR > NT). Inicialmente, presenta el estado del arte de las aplicaciones que despliegan la GMD para seleccionar los vectores de pre- y post-procesamiento en los sistemas MU-MIMO convencional y que implementan algoritmos THP como técnica de cancelación de interferencia. Seguidamente, describe los algoritmos disponibles en la literatura que permite operar en un escenario sobrecargado. Un esquema de procesamiento es propuesto para un escenario convencional, el cual es diseñado sobre la base de la GMD y la THP. Los resultados de las simulaciones de un sistema MIMO (1,1,1,1) x 4 son presentados y muestran que tanto la GMD-LQ (GMD con Descomposición LQ) como la GMD-QR (GMD con Descomposición QR) tienen el mismo comportamiento para SNRs altas y bajas. Luego, un esquema de procesamiento es propuesto para operar en un escenario sobrecargado, el cual es diseñado sobre la base de la dualidad uplink-downlink y la generalización del algoritmo BD-GMD (Diagonalización en Bloque de la GMD). Este esquema soporta una asignación arbitraria de antenas transmisoras a los K usuarios, en tanto no se supere el número total de antenas disponibles en la BS (Estación Base). Finalmente, los resultados de las simulaciones de un sistema MU-MIMO (2,2) x 4 y (4,4) x 2,4 muestran que el esquema propuesto en cada escenario supera a los algoritmos convencionales y que logran un compromiso en términos de la BER como de la sum-rate que puede alcanzar el sistema, puesto que explota lo mejor de ambos en tanto las SNRs sean lo suficientemente altas.
ABSTRACT.
The use of GMD (Geometric Mean Decomposition) on MIMO (Multiple Input/Multiple Output) channel matrix and the implementation of DPC (Dirty Paper Coding) techniques allows to decompose the channel into multiple SISO (Simple
Input/Simple Output) subchannels with equal SNR, in order that the same MCS (Modulation and Coding Scheme) can be deployed throughout the all active layers of the system. This TFM analyses the behaviour of BER (Bit-Error-Rate) and the sum-rate achieved by the MU-MIMO (Multiuser - MIMO) systems based on the GMD and that make use of THP (Tomlinson Harashima Precoding) to pre-cancel the MUI (Multiuser
Interference) in a conventional (NR ≤ NT) or overload (NR > NT) broadcast scenario.
Initially, the document presents the state-of-the-art of the applications that deploy the GMD to choose the pre- and post-processing vectors in the conventional MU-MIMO system and that implemented THP algorithms as interference cancellation technique.
Then, it described the available algorithms in the literature that allows to operate in an overload broadcast scenario. A processing scheme is proposed for a conventional
scenario, which is designed based on GMD and THP. Results of the simulations of a (1,1,1,1) x 4 MIMO system are presented and show that both GMD-LQ (GMD with LQ Decomposition) and GMD-QR (GMD with QR Decomposition) have the same behaviour
in high and low SNRs. Subsequently, a processing scheme is proposed for an overload scenario, which is designed based on the uplink-downlink duality and the generalization of BD-GMD (Block Diagonal – GMD) algorithm. It supports an arbitrary allocation of transmitting antennas for each user, while not exceed the total number of antennas available in the BS (Base Station). Finally, results of the simulations of a (2,2) x 4 and (4,4) x 2,4 MU-MIMO system show that the scheme proposed in each scenario outperforms conventional algorithms and that accomplish a compromise in terms of BER
and the sum-rate that achieve the system, since they exploit the best of both as long as the SNR being sufficiently high.