Random Matrix Analysis of Future Multi Cell MU-MIMO Networks

par Axel Müller (Müller)

Thèse de doctorat en Télécommunications (STIC)

Sous la direction de Mérouane Debbah.

Soutenue le 13-11-2014

à Supélec , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015) , en partenariat avec Chaire Radio Flexible Alcatel-Lucent/Supélec / Chaire Radio Flexible (laboratoire) et de Supélec Sciences des Systèmes - EA4454 / E3S (laboratoire) .

Le président du jury était Samson Lasaulce.

Le jury était composé de Romain Couillet, David Gesbert, Ralf Müller.

Les rapporteurs étaient Guiseppe Caire, Jamal Najim.

  • Titre traduit

    Analyse des réseaux multi-cellulaires multi-utilisateurs futurs par la théorie des matrices aléatoires


  • Résumé

    Les futurs systèmes de communication sans fil devront utiliser des architectures cellulaires hétérogènes composées de grandes cellules (macro) plus performantes et de petites cellules (femto, micro, ou pico) très denses, afin de soutenir la demande de débit en augmentation exponentielle au niveau de la couche physique. Ces structures provoquent un niveau d'interférence sans précèdent à l'intérieur, comme à l'extérieur des cellules, qui doit être atténué ou, idéalement, exploité afin d'améliorer l'efficacité spectrale globale du réseau. Des techniques comme le MIMO à grande échelle (dit massive MIMO), la coopération, etc., qui contribuent aussi à la gestion des interférences, vont encore augmenter la taille des grandes architectures hétérogènes, qui échappent ainsi à toute possibilité d'analyse théorique par des techniques statistiques traditionnelles.Par conséquent, dans cette thèse, nous allons appliquer et améliorer des résultats connus de la théorie des matrices aléatoires à grande échelle (RMT) afin d'analyser le problème d'interférence et de proposer de nouveaux systèmes de précodage qui s'appuient sur les résultats acquis par l'analyse du système à grande échelle. Nous allons d'abord proposer et analyser une nouvelle famille de précodeurs qui réduit la complexité de calcul de précodage pour les stations de base équipées d'un grand nombre d'antennes, tout en conservant la plupart des capacités d'atténuation d'interférence de l'approche classique et le caractère quasi-optimal du précodeur regularised zero forcing. Dans un deuxième temps, nous allons proposer une variation de la structure de précodage linéaire optimal (obtenue pour de nombreuses mesures de performance) qui permet de réduire le niveau d'interférence induit aux autres cellules. Ceci permet aux petites cellules d'atténuer efficacement les interférences induites et reçues au moyen d'une coopération minimale. Afin de faciliter l'utilisation de l'approche analytique RMT pour les futures générations de chercheurs, nous fournissons également un tutoriel exhaustif sur l'application pratique de la RMT pour les problèmes de communication en début du manuscrit.


  • Résumé

    Future wireless communication systems will need to feature multi cellular heterogeneous architectures consisting of improved macro cells and very dense small cells, in order to support the exponentially rising demand for physical layer throughput. Such structures cause unprecedented levels of inter and intra cell interference, which needs to be mitigated or, ideally, exploited in order to improve overall spectral efficiency of the communication network. Techniques like massive multiple input multiple output (MIMO), cooperation, etc., that also help with interference management, will increase the size of the already large heterogeneous architectures to truly enormous networks, that defy theoretical analysis via traditional statistical methods.Accordingly, in this thesis we will apply and improve the already known framework of large random matrix theory (RMT) to analyse the interference problem and propose solutions centred around new precoding schemes, which rely on large system analysis based insights. First, we will propose and analyse a new family of precoding schemes that reduce the computational precoding complexity of base stations equipped with a large number of antennas, while maintaining most of the interference mitigation capabilities of conventional close-to-optimal regularized zero forcing. Second, we will propose an interference aware linear precoder, based on an intuitive trade-off and recent results on multi cell regularized zero forcing, that allows small cells to effectively mitigate induced interference with minimal cooperation. In order to facilitate utilization of the analytic RMT approach for future generations of interested researchers, we will also provide a comprehensive tutorial on the practical application of RMT in communication problems.


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