Radio resource allocation for coordinated multi-point systems

The International Telecommunications Union (ITU) established through the International Mobile Telecommunications (IMT)-Advanced a set of requirements for high performance of 4th Generation (4G) communication systems and, with the aim of meeting such requirements, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE) is considering a set of enhancements, referred to as LTE-Advanced. In the LTE-Advanced context, Coordinated Multi-Point (CoMP) communication appears as a promising technology to boost system throughput and to allow for an efficient Radio Resource Allocation (RRA). CoMP systems promise very high performance in terms of spectral efficiency and coverage benefits when perfect Channel State Information (CSI) is available at the transmitter. However, perfect CSI is difficult to obtain in CoMP systems due to an increased number of channel parameters to be estimated at the receiver and to be fed back to the transmitter. So, the performance of such systems is compromised when the CSI is not perfectly known during CoMP processing, which is an important problem to be addressed. Space Division Multiple Access (SDMA) grouping algorithms are usually employed in order to find a suitable set of users for spatial multiplexing. The largest SDMA group is not always the best group in a given data transmission such that higher gains might be achieved by dynamically adjusting the SDMA group size. Besides, algorithms that balance the Signal to Interference-plus-Noise Ratio (SINR) among different links might ensure a certain level of link quality and so provide a more reliable communication for the scheduled users. This master thesis provides system-level analyses for RRA algorithms that exploit coordination in the downlink of CoMP systems to implement adaptive resource reuse and so improve system throughput. Herein, RRA strategies which consider dynamic SDMA grouping, joint precoding and power allocation for SINR balancing are studied in CoMP systems assuming imperfect CSI in order to obtain a better approximation with regard to the real-world implementations. It is shown through system-level analyses that quite high throughput gains are achieved through intelligent RRA. In conclusion, the results show that Sequential Removal Algorithms (SRAs) and SINR balancing provide system spectral efficiency gains. However, a critical degradation on the performance of these RRA strategies due to imperfect CSI is also shown.A União Internacional para Telecomunicações (ITU) estabeleceu através da iniciativa para o Sistema Avançado Internacional de Telecomunicações Móveis (IMT-Advanced), um conjunto de requisitos de alto desempenho para os sistemas de comunicação de quarta geração (4G) e, com o objetivo de atender tais requisitos, a Evolução de Longo Prazo (LTE) do Projeto de Parceria para a Terceira Geração (3GPP) está considerando um conjunto de melhorias, referidas como LTE-Avançado. No contexto do LTE-Avançado, a comunicação multi-ponto coordenada (CoMP) aparece como uma tecnologia promissora para aumentar a vazão do sistema e permitir uma Alocação de Recursos de Rádio (RRA) eficiente. Os sistemas CoMP prometem alto desempenho em termos de eficiência espectral e benefícios de cobertura quando a Informação do Estado do Canal (CSI) perfeita está disponível no transmissor. No entanto, CSI perfeita é difícil de se obter em sistemas CoMP devido a um alto número de parâmetros de canal a serem estimados no receptor e enviados para o transmissor. Assim, o desempenho de tais sistemas é comprometido quando a CSI não é perfeitamente conhecida durante o processamento CoMP tal que esse é um problema importante a ser abordado. Algoritmos de agrupamento para Múltiplo Acesso por Divisão no Espaço (SDMA) geralmente são utilizados a fim de encontrar um conjunto adequado de usuários para multiplexação espacial. O maior grupo SDMA nem sempre é o melhor grupo em uma transmissão de dados tal que maiores ganhos podem ser obtidos ajustando dinamicamente o tamanho do grupo SDMA. Além disso, os algoritmos que balanceiam a Razão Sinal-Interferência mais Ruído (SINR) entre diferentes canais podem garantir um certo nível de qualidade de canal e assim proporcionar uma comunicação mais confiável para os usuários agrupados. Esta dissertação de mestrado fornece análises em nível sistêmico para algoritmos de RRA que exploram a coordenação no enlace direto de sistemas CoMP para implementar reuso adaptativo de recursos e assim melhorar o desempenho do sistema. São estudadas aqui estratégias de RRA em sistemas CoMP que consideram agrupamento SDMA dinâmico, precodificação e alocação de potência conjuntas para balanceamento de SINR, sendo assumida CSI imperfeita a fim de conseguir maior aproximação com relação às implementaçõs em cenários reais. É mostrado através de análises em nível sistêmico que ganhos de vazão bastante altos são alcançados através de RRA inteligente. Em conclusão, os resultados mostram que Algoritmos de Remoção Sequencial (SRAs) e de balanceamento de SINR proporcionam ganhos de eficiência espectral do sistema. No entanto, é também mostrada uma degradação crítica no desempenho dessas estratégias de RRA devido à CSI imperfeita