University of Oulu

Joint multiuser power allocation and iterative multi-antenna receiver design

Saved in:
Author: Tervo, Valtteri
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Communications Engineering
Centre for Wireless Communications
University of Oulu, Infotech Oulu
Japan Advanced Institute of Science and Technology, School of Information Science, Information Theory and Signal Processing Laboratory
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 9.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207292
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-01-20
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium IT116, Linnanmaa, on 30 January 2015, at 9 a.m.
Tutor: Docent Antti Tölli
Professor Tadashi Matsumoto
Professor Markku Juntti
Reviewer: Professor Ping Li
Professor Henk Wymeersch
Professor Hidekazu Murata
Description:

Abstract

This thesis concentrates on joint optimization of transmit power allocation and receive filtering in multiuser, multi-antenna communications. Due to the increasing number of wireless devices, the design of energy-efficient communication links is becoming increasingly important. In cellular mobile communications, reducing the average power consumption in uplink transmission is beneficial for users in order to extend battery life and, hence, energy efficiency in general. However, the power consumption of the high power amplifier (HPA) at the transmitter depends on the peak power of the transmission. This thesis focuses on power allocation problems for single-carrier (SC) frequency division multiple access (FDMA) and orthogonal FDMA (OFDMA) transmission assuming iterative reception.

The goal in the first scheme presented in this thesis is to reduce the average power consumption by designing a power allocation method that takes into account the convergence properties of an iterative receiver in multiuser uplink communications. The proposed scheme can guarantee that the desired quality of service (QoS) is achieved after a sufficient number of iterations.

Reducing the peak-to-average power ratio (PAPR) in any transmission system is beneficial because it allows the use of inexpensive, energy-efficient power amplifiers. The goal in the second scheme presented in this thesis is to control the PAPR of the transmitted signal. Hence, in addition to the QoS constraint, the instantaneous PAPR constraint is derived for SC-FDMA and OFDMA transmission. Moreover, a statistical approach is considered in which the power variance of the transmitted waveform is controlled. The QoS and PAPR constraints are considered jointly and, therefore, the proposed power allocation strategy jointly takes into account the channel quality and the PAPR characteristics of the power amplifier. However, the PAPR constraint can be adopted to any SC-FDMA or OFDMA framework and it is not restricted to the scheme presented in this thesis. The objective of the optimization problems considered throughout the thesis is to minimize the sum power. The majority of the derived constraints are non-convex and therefore, two alternative successive convex approximations (SCAs) are derived for all the non-convex constraints considered.

The numerical results show that the proposed power allocation strategies can significantly reduce the average transmission power of users while allowing flexible PAPR control. Hence, the proposed methods can be used to extend battery life for users and especially improve the QoS at the cell edges.


Tiivistelmä

Väitöskirjassa tutkitaan lähettimessä tapahtuvan tehoallokoinnin sekä vastaanottimessa tapahtuvan signaalin suodatuksen yhteisoptimointia monikäyttöön suunnatussa langattomassa moniantennikommunikaatiossa. Langattomien laitteiden lukumäärän kasvaessa energiatehokkuuden merkitys tiedonsiirtolinkkien suunnittelussa korostuu. Soluihin perustuvassa langattomassa tietoliikenteessä keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen ylälinkkilähetyksessä (käyttäjältä tukiasemaan) on tärkeää käyttäjän kannalta, sillä se pidentää laitteen akun kestoa. Lähettimen tehovahvistimen (high power amplifier (HPA)) tehonkulutus on kuitenkin verrannollinen lähetyksen huipputehoon. Väitöskirjassa luodaaan uusia menetelmiä sekä vertaillaan tehoallokointia yhden kantoaallon taajuustason monikäyttöön (single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA)) ja ortogonaalisen taajuustason monikäyttöön (orthogonal FDMA (OFDMA)) perustuvissa lähetysteknologioissa.

Työn ensimmäisessä osiossa tavoitteena on keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen monen käyttäjän ylälinkkikommunikaatiossa suunnittelemalla tehoallokointimenetelmä, joka ottaa huomioon iteratiivisen vastaanottimen konvergenssiominaisuudet. Työssä ehdotettu menetelmä takaa vastaanotetun informaation halutun laadun (quality of service (QoS)) riittävän monen vastaanottimessa tehdyn iteraation jälkeen.

Huipputehon ja keskitehon suhteen (peak to average power ratio (PAPR)) pienentäminen missä tahansa lähetyksessä on hyödyllistä, sillä sen ansiosta voidaan käyttää energiatehokkaampia ja halvempia tehovahvistimia. Työn jälkimmäisessä osiossa tavoitteena on kontrolloida lähetetyn signaalin huipputehon ja keskitehon suhdetta. Työn ensimmäisessä osiossa esitetyn QoS-rajoitteen lisäksi tehoallokointia rajoitetaan symbolisekvenssikohtaisella PAPR-rajoitteella SCFDMA- ja OFDMA-lähetyksessä. Lisäksi esitetään tilastollinen menetelmä, jossa rajoitetaan lähetetyn signaalin tehon varianssia. Kun käytetään yhtäaikaisesti QoS- ja PAPR-rajoitteita, voidaan tiedonsiirtokanavaan suunnitella optimaalinen tehoallokointi ottaen huomioon tehovahvistimen epälineaarisuudet. Työssä esitetty PAPR-rajoite on kuitenkin geneerinen, ja se voidaan sovittaa mihin tahansa SCFDMA- tai OFDMA- optimointikehykseen. Työssä esitettävien optimointiongelmien tavoitteena on käyttäjien summatehon minimointi. Suurin osa työssä esiintyvistä ongelmista on ei-konvekseja, joten siinä esitetään kaksi vaihtoehtoista peräkkäinen konveksi approksimaatio (successive convex approximation (SCA)) -menetelmää kaikille ei-konvekseille rajoitteille.

Numeeriset tulokset osoittavat, että esitetyt tehoallokointimenetelmät pienentävät merkittävästi keskimääräistä tehonkulutusta mahdollistaen lisäksi adaptiivisen PAPR-kontrolloinnin. Väitöskirjassa esitettyjen menetelmien avulla voidaan pidentää mobiilikäyttäjien akun kestoa sekä erityisesti parantaa solun reunakäyttäjien palvelun laatua.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0729-2
ISBN Print: 978-952-62-0728-5
Issue: 517
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.