Optimization of integer-forcing precoding for multi-user MIMO downlink

Abstract

A tecnologia com múltiplas antenas (MIMO) vem sido amplamente considerada em canais sem fio, uma vez que a capacidade-soma cresce com o número de antenas. Esta tese foca no canal downlink com multiusuários (MU-MIMO), em que a estação rádio base deseja se comunicar com múltiplos usuários. Técnicas cujo desempenho se aproximam da capacidadesoma têm um custo computacional muito elevado, o que é inviável em cenários práticos. Por outro lado, métodos lineares, como forçagem a zero (ZF) e ZF regularizado (RZF), que são de baixa complexidade, têm um desempenho muito aquém da capacidade-soma. Como uma alternativa, técnicas de forçagem a inteiros (IF), que podem ser vistas como uma generalização dos métodos lineares tradicionais, foram propostas. O objetivo da pré-codificação IF é produzir um canal efetivo que é aproximadamente uma matriz inteira, ao invés da matriz identidade. Encontrar os parâmetros ótimos para a pré-codificação IF é uma tarefa difícil já que requer uma otimização inteira. Silva et al. propuseram dois métodos para a pré-codificação IF chamados DIF e RDIF. Eles também mostraram como encontrar os parâmetros ótimos de forma analítica para o caso especial K = 2 usuários. Nesta tese, é proposto um método sub-ótimo de baixa complexidade para encontrar parâmetros do esquema IF para qualquer número de usuários. O método proposto consiste em solucionar um problema de otimização relaxado e, em seguida, aplicar um algoritmo de redução de base de reticulado. É mostrado que o método proposto tem complexidade de O(K^3). Resultados de simulação mostram que o método proposto tem um desempenho superior aos métodos tradicionais de pré-codificação linear em todos cenários simulados. Uma segunda contribuição desta tese é combinar o esquema de pré-codificação proposto com modulação adaptativa, em que o transmissor seleciona a taxa e a energia para cada usuário baseado na probabilidade de erro de bit. Devido ao canal efetivo com coeficientes inteiros produzido pela abordagem IF, é necessário que o transmissor seja capaz de operar com modulações de diferentes cardinalidades. Os resultados de simulação mostram que, para valores medianos de SNR, o método proposto tem uma taxa-soma maior que os demais métodos comparados.

Abstract: Multiple-input-multiple-output (MIMO) technology has been vastly considered in wireless channels since the sum capacity grows with the number of antennas. This thesis focuses on the multi-user MIMO (MU-MIMO) downlink scenario, where the base-station wants to communicate with multiple users. Techniques whose performance approach the sum capacity have a high computational cost, which is infeasible in practical scenarios. On the other hand, linear methods, such as zero-forcing (ZF) and regularized ZF (RZF), which are low-complexity, have a performance far below the sum capacity. As an alternative, integer-forcing (IF) techniques have been proposed, which can be seen as a generalization of traditional linear methods. The goal of IF precoding is to produce an effective channel that is approximately an integer matrix, rather than an identity matrix. Finding optimal parameters in IF precoding is a difficult task since it requires integer optimization. Silva et al. proposed two methods for IF precoding called DIF and RDIF. They also show how to analytically obtain optimal parameters in the special case K = 2 users. In this thesis, a low-complexity suboptimal method is proposed to optimize the parameters of an IF scheme for any number of K users. The proposed method involves solving a relaxation of the problem followed by the application of a lattice reduction algorithm and is shown to have an overall complexity of O(K^3). Simulation results show that the proposed method achieves a higher sum rate than a heuristic choice of parameters and significantly outperforms conventional linear precoding in all simulated scenarios. A second contribution of this thesis is combining the proposed precoding scheme with adaptive modulation, where the transmitter selects power and rate for each user based on the bit-error probability. Due to the integer effective channel in the IF approach, the transmitter must be able to operate with different modulation sizes. Simulation results show that for a medium range of SNR the proposed method allows a higher sum of spectral efficiency than other methods.