Coordinated Multi-Point under a Constrained Backhaul and Imperfect Channel Knowledge

Die mobile Kommunikation hat einen enormen Stellenwert in der heutigen Gesellschaft eingenommen. Insbesondere die steigende Nachfrage nach allgegenwärtigem, mobilem Internetzugang stellt Netzbetreiber zunehmend vor die Herausforderung, flächendeckend höhere Datenraten anzubieten, bei gleichzeitig verringerten Kosten pro Bit. Hierzu muß die spektrale Effizienz und Fairness von Mobilfunksystemen konsequent verbessert werden, die in heutigen Systemen primär durch die Interferenz zwischen benachbarten Zellen beschränkt ist. Aus der Theorie ist bekannt, dass Inter-Zellen-Interference reduziert oder sogar ausgenutzt werden kann, wenn Basisstationen kooperativ die Signale mehrerer Endgeräte verarbeiten. Diese so genannten Coordinated Multi-Point (CoMP) Verfahren versprechen erhebliche Steigerungen und eine homogenere Verteilung von Datenraten und gelten als Schlüsseltechnologien des Mobilfunks der Zukunft. Neben diversen Herausforderungen bei der Implementierung, z.B. der zellübergreifenden Synchronisation und Kanalschätzung, besteht ein Hauptproblem bei CoMP jedoch darin, dass eine zusätzliche Kommunikationsinfrastruktur zwischen kooperierenden Basisstationen benötigt wird - so genannter Backhaul. Die vorliegende Arbeit führt eine informationstheoretische Analyse des Verhältnisses aus Datenrate und benötigtem Backhaul von verschiedenen Kooperationsstrategien durch, wobei auch der Einfluss fehlerhafter Kanalkenntnis berücksichtigt wird. Eine wesentliche Beobachtung ist, dass der relative Gewinn durch CoMP in bestimmten Szenarien zunimmt, je schlechter die Kanalkenntnis ist. Ferner können innovative Nutzerzuordnungs- und Dekodierkonzepte Kapazitätssteigerungen erzielen, ohne dass Backhaul benötigt wird. Für die zellulare Aufwärtsstrecke werden zwei Kooperationsverfahren identifiziert, zwischen denen ein System idealerweise je nach Interferenzsituation umschaltet. Das erste, dezentralisierte Verfahren erlaubt eine Backhaul-effiziente Reduktion von schwacher Interferenz bei geringer Komplexität. Hierbei werden zwischen den Basisstationen dekodierte Nutzdaten ausgetauscht. Ein zweites, zentralisiertes Verfahren, basierend auf dem Austausch quantisierter Empfangssignale, ist vorteilhaft in Szenarien starker Interferenz, benötigt jedoch mehr Backhaul. In der Abwärtsstrecke wird ein flexibles Verfahren mittlerer Komplexität vorgestellt, das ein gutes Verhältnis aus Datenraten und benötigtem Backhaul für eine Vielzahl von Kanälen ermöglicht. Auch iterative Kooperationsverfahren werden untersucht, erweisen sich jedoch als wenig attraktiv. Neben der Betrachtung kleiner CoMP Szenerien stellt die Arbeit ein Gesamtkonzept für Backhaul-effizientes CoMP in großen zellularen Systemen vor. Dieses nutzt die Tatsache aus, dass am gleichen Ort befindliche Basisstationen ohne Backhaulbedarf kooperieren können, und verwendet Gruppierungs- und Ressourcenpartitionierungskonzepte, um weitere Kapazitätsgewinne bei geringem Backhaulbedarf zu erzielen. Zudem sind deutliche Fairnessverbesserungen gegenüber herkömmlichen Mobilfunksystemen zu verzeichnen, obwohl auf dem Backhaul lediglich ein der doppelten Systemkapazität entsprechender Datenaustausch erforderlich ist. Mobile communication has become an essential part of today's information society. Especially the demand for ubiquitous mobile Internet access has significantly increased in the past years, creating a severe challenge for mobile operators to respond to the demand for mobile data rates, while at the same time strongly reducing cost per bit. This challenge can only be successfully addressed if the spectral efficiency and fairness of mobile communications are continuously increased. In today's cellular systems, both aspects are more and more limited through the interference between cells, especially in dense urban deployments. From theory it is known that this inter-cell-interference can be canceled or even exploited if base stations cooperatively process signals connected to multiple terminals, a concept commonly referred to as Coordinated Multi-Point (CoMP). As these schemes promise significant improvements of spectral efficiency and a more homogeneous throughput distribution, they are seen as a key technology of future mobile systems. Beside many implementation challenges, such as the synchronization of the cooperating entities and an accurate estimation of the involved wireless links, a main issue connected to CoMP is the additional infrastructure required for data exchange between cooperating base stations, usually referred to as backhaul. This work provides an information theoretical analysis of the trade-off between capacity gains and required backhaul achievable with various CoMP concepts, also taking into consideration the major impact of imperfect channel knowledge at base station and terminal side. A key finding is that the relative benefit of CoMP in fact increases in certain scenarios under less accurate channel knowledge. Also, major throughput gains are already possible through flexible user assignment and decoding concepts, without requiring any backhaul. For the cellular uplink, two cooperation strategies are identified that should ideally be used adaptively, depending on the current interference situation. One can be used for a very backhaul-efficient, low complexity, decentralized cancelation of weak interference, where the base stations exchange decoded data. In the other, centralized, scheme, the base stations exchange received signals, providing larger gains under stronger interference conditions, but requiring more backhaul. For the downlink, a flexible scheme of moderate complexity is identified that provides a good throughput/backhaul trade-off for most channel conditions. Iterative cooperation concepts are shown to be of minor value, despite several publications in this field. Beside the analysis of small CoMP scenarios, the work also provides a concept for the backhaul-efficient usage of CoMP in large cellular systems. This concept exploits the fact that co-located base stations can cooperate without requiring backhaul, while smart clustering and resource partitioning concepts can provide further gain at minimal backhaul. This yields a system with strong fairness and capacity gains over a conventional system, while requiring an additional backhaul infrastructure with a capacity less than twice the system capacity.