Design and implementation of multiuser MIMO precoding algorithms

Resumo

Aplikazio abangoardistek beharrezko duten abiadura handiko komunikazioen eskaerak presio handia ezarri du dagoeneko saturatuta dagoen haririk gabeko espektruan. Komunikazio loturaren bi muturretan antena array-en erabilerak eraginkortasun espektral eta dagarritasun handiagoez hornitu du berez konplexua den haririk gabeko ingurunea, modu honetan banda zabalera gehigarririk gabeko abiadura handiko aplikazioen garapena ahalbidetuz. Honen ondorioz, multiple-input multiple output (MIMO) sistemak banda zabaleko komunikazio estandarren funtsezko teknologia bihurtu dira, erabiltzaile bakarreko ezarpenetan hala nola erabiltzaile anitzeko inguruneetan. Erabiltzaile bakarreko MIMO sistemen zailtasun garrantzitsuena hartzailean ematen den seinalearen detekzio fasean datza. Erabiltzaile anitzeko sistemetan, aldiz, erronka nagusiena datu jasotze ez kooperatiboa bermatzea da. Prekodi kazio teknikek hartzaile bakoitzaren seinalea kanalaren egoera orokorraren ezagutzarik gabe eta modu independiente baten interpretatzea ahalbidetzen dute estazio nagusian seinalearen pre-ekualizazio fase bat inposatuz. Azken aldian, prekodi kazio bektoriala (VP, ingelesez vector precoding) proposatu da erabiltzaile anitzeko igorpen kanalean seinalearen eskuratze ez kooperatiboa ahalbidetzeko. Perturbazio seinale baten erabilerak, prekodi katutako seinalearen ezaugarriak hobetzeaz gain, errendimenduaren hobekuntza nabarmen bat lortzen du prekodi kazio linearreko teknikekiko. Hala ere, perturbazio seinalearen kalkuluak sare in nitu baten puntu hurbilenaren bilaketa suposatzen du. Problema honen ebazpenaren konplexutasuna denbora polinomialean ez deterministikoa dela jakina da. Doktoretza tesi honen helburu nagusia VP sistemetan perturbazio prozesuaren ondorioz ematen diren zailtasun teoriko eta praktikoei irtenbide egoki bat ematea da. Alde batetik, seinale/zarata ratio handiko ingurunetan VP sistemen errendimendua aztertzen da, beti ere deskodetze optimoa ematen dela suposatuz. Perturbazio prozesuak VP sistemen errendimenduaren azterketa analitikoa oztopatzen duenez, data transmisio tasaren hainbat goi eta behe borne proposatu eta berrikusi dira. Borne hauetan oinarrituz, VP eta prekodi kazio linealaren arteko errendimendu desberdintasuna neurtu da hainbat aplikazio ezberdinen eremuan. Konkretuki, kanalaren ahalmen ponderatua, zerbitzu kalitatearen formulazio baten ondorioz esleitzen den seinale potentzia eta erabiltzaileen datu transmisio tasa orekatzean lortzen den errendimenduaren azterketa burutu dira. Beste alde batetik, perturbazio bektorearen kalkulu eraginkorra lortzeko metodoak ere aztertu dira. Analisi hau zuhaitz-bilaketa tekniketan oinarritzen da, non egitura sinple baten bitartez errendimendu ia optimoa lortzen den. Ildo horretan, hiru zuhaitz-bilaketa algoritmo proposatu dira. Alde batetik, Fixed-sphere encoder-aren (FSE) konplexutasun konstateak eta arkitektura ez errekurtsiboak datu prozesaketa abiadura handiak lortzea ahalbidetzen dute. Sequential best-node expansion (SBE) delako algoritmo iteratiboak ordea, distantzia kontrol politika baten bitartez metrika kalkuluen kopurua murriztea lortzen du. Azkenik, low-complexity SBE (LC-SBE) algoritmoak SBE metodoaren latentzia eta konplexutasuna murriztea lortzen du ordezko distantzien kalkuluari eta exekuzio iraupenean ezarritako muga aldakorreko metodo berri bati esker. Honetaz gain, prekodi kazio sistementzako zuhaitz-bilaketa algoritmo ez errekurtsiboen hardware inplementazioa garatu da. Zehazki, konplexutasun nkoko FSE eta K-Best algoritmoen arkitektura diseinua eta hardware baliabideen erabilera landu dira. Balio konplexuko nodoen sekuentzia ordenatua, Schnorr-Euchner zerrendapena bezala ezagutua, funtsezkoa da zuhaitz bilaketan erabiliko diren nodoen aukeraketa egiteko. Prozesu honek beharrezkoak dituen hardware baliabideen eskaera murrizteko, konplexutasun bajuko algoritmo ez sekuentzial bat proposatzen da. Metodo honen bitartez, sekuentzia ordenatuko edozein nodoren aukeraketa independenteki egin ahal da. Proposatutako zerrendapen metodoa eta estruktura fully-pipeline baten bitartez, 5 Gbps-ko datu prozesaketa abiadura lortu daiteke FSE eta K-Best delako algoritmoen inplementazioan.