Physical-layer cooperative interference mitigation techniques for wireless heterogeneous systems

Abstract

O tráfego móvel com origem em redes celulares está a aumentar exponencialmente, principalmente devido ao uso de serviços de dados como o vídeo. Uma forma efetiva de lidar com essas exigências é reduzir o tamanho da célula, implementando células pequenas (SCs), ao longo da área de cobertura do atual sistema macro-celular. A implementação de SCs melhora a cobertura de forma significativa. No entanto, como as licenças de espectro adicionais são difíceis e caras de adquirir, espera-se que a macro e as pequenas células possam coexistir sob o mesmo espectro. A coexistência dos dois sistemas resulta em interferências entre eles. Neste contexto, esta tese foca-se no projeto de várias técnicas de mitigação de interferência em redes heterogéneas (HetNets) sob requisitos de coordenação limitados. A primeira parte da tese foca-se no projeto de várias técnicas baseadas no alinhamento de interferência (IA) para o sentido descendente do sistema heterogéneo. Mais especificamente, são propostos esquemas baseados no alinhamento de interferência com diferentes níveis de coordenação intersistema e a restrição de que o desempenho do sistema macro-célula é mantido próximo do caso em que o sistema SCs é desligado. A segunda parte da tese centra-se no projeto conjunto de técnicas baseadas no IA e códigos por bloco no espaço -frequência (SFBCs) para o sentido descendente. Mais especificamente, é apresentado o projeto do esquema de IA com SFBCs orientado para se obter diversidade. A principal motivação para o projeto conjunto do IA com SFBCs, é permitir a coexistência dos dois sistemas, considerando uma pequena troca de informação entre sistemas. As células pequenas apenas precisam de saber que o SFBC é usado pelo sistema macro-celular, não sendo necessária a troca de nenhum canal inter-sistema, contrariamente aos outros esquemas propostos na primeira parte da tese. A parte final da tese apresenta a aplicação do alinhamento de sinal (SA) e codificação de rede física (PNC) para a ligação ascendente do sistema heterogéneo. A principal motivação por detrás do projeto conjunto SA-PNC é aproveitar o alinhamento do sinal e codificação de rede física, para utilizar a interferência como um sinal útil, permitindo que mais utilizadores possam estar ativos simultaneamente. Os resultados numéricos mostram claramente que os métodos propostos fornecem um desempenho próximo do ótimo, com o mínimo de troca de informação entre sistemas.

Mobile tra c in cellular based networks is increasing exponentially, mainly due to the use of data intensive services like video. One e ective way to cope with these demands is to reduce the cell-size by deploying small-cells (SCs) along the coverage area of the current macro-cell system. The deployment of SCs signi cantly improves the coverage. Nevertheless, as additional spectrum licenses are di cult and expensive to acquire, it is expected that the macro and small-cells will coexist under the same spectrum. The coexistence of the two systems results in co-tier/intra-system and crosstier/ inter-system interference. In this context, this thesis focuses on the design of several interference mitigation techniques in order to cancel the interference in heterogeneous networks (HetNets) under limited coordination requirements. The rst part of the thesis focuses on the design of several interference alignment (IA) based techniques for the downlink of HetNets. More specifically, we design IA based schemes under di erent levels of inter-system coordination and the constraint that the performance of macro-cell system is kept close to the case where SC system is switched-o . The second part of the thesis focuses on the joint design of IA and spacefrequency block codes (SFBCs) for the downlink of HetNet. More specifically, the design of diversity-oriented IA scheme with SFBCs is presented. The main motivation for joint IA with SFBCs is to allow the coexistence of two systems under minor inter-system information exchange. The SCs just need to know what SFBC is used by the macro-cell system and no inter-system channels need to be exchanged, contrarily to other schemes proposed in the rst part of the thesis. The nal part of the thesis presents the application of joint signal alignment (SA) and physical network coding (PNC) for the uplink of HetNets. The main motivation behind the joint design of SA-PNC is to take advantage of SA and PNC to utilize the interference as a useful signal that allows the network to achieve high degree of freedom (DoF) by serving more users. The numerical results clearly show that the proposed methods provide close to optimal performance with minor overheads.