Coordinated multiantenna interference mitigation techniques for flexible TDD systems

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>This dissertation presents cooperative beamformer techniques and possible practical implementations to mitigate the sophisticated interference scenarios in dynamic time-division-duplexing (TDD) systems and integrated access and backhaul (IAB) networks. Greater emphasis is placed on the distributed resource allocation to facilitate simultaneous uplink (UL) and downlink (DL) data transmission by employing multiple-input multiple-output (MIMO) beamformer techniques and bi-directional signalling schemes with different objectives to optimize network utilities while acknowledging important practical considerations and future traffic demand.</p><p>The first half of this thesis focuses on dynamic TDD systems, in which available resources per cell can be freely allocated to either UL or DL depending on the instantaneous traffic demand. Hence, complicated UL-DL and DL-UL interference scenarios arise due to simultaneous UL and DL data transmission in adjacent cells. Primary attention is given to mitigation of catastrophic interference exposure in dynamic TDD systems by employing MIMO based decentralized iterative beamforming techniques with traffic-aware network optimization objectives, supported with minimal information exchange among the coordinated base stations (BSs) and user-equipments (UEs). Bi-directional forward-backward training via spatially precoded over-the-air pilot signalling is used to facilitate coordinated beamforming. Novel bi-directional beamformer training strategies and methods for direct estimation (DE) of the stream specific beamformers are developed for each intermediate beamformer update, using overlapping and non-orthogonal pilots.</p><p>The latter half of this thesis considers an IAB network consisting of a BS, IAB-relays, and UEs. Both BS and IAB-relay provide access to UEs while BS and relays exchange UEs data via a wireless in-band backhaul using the same frequency-time resources shared with access links. A flexible TDD-based IAB network is considered where IAB-relays and BS are assigned to different UL or DL transmission modes to circumvent conventional half-duplex loss at the IAB-relay. An iterative beamformer design is proposed to jointly handle the resulting cross-channel interference over two consecutive data delivery intervals required for transmission and reception between the BS and UEs via half-duplex IAB-relays. Dynamic traffic behaviour is dealt with via weighted queue minimization objective for which user-specific UL/DL queues are also introduced at IAB-relays to guarantee reliable end-to-end data delivery. Bi-directional forward-backward training via spatially precoded over-the-air pilot signalling allows decentralized beamformer design across all the nodes. A novel user assignment method is proposed to allocate users into BS or IAB-relays considering long-term channel statistics and practical IAB limitations.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Tämä väitöskirja esittelee yhteistoiminnallisia keilanmuodostustekniikoita ja mahdollisia käytännön toteutuksia monimutkaisten häiriöskenaarioiden lieventämiseksi dynaamisissa aikajako-dupleksointijärjestelmissä (TDD) ja integroiduissa pääsy- ja backhaul-verkoissa (IAB). Enemmän painoarvoa on annettu hajautettuun resurssien allokoi, joka mahdollistaa samanaikaisen uplink (UL) ja downlink (DL) tiedonsiirron käyttämällä moniantennijärjestelmän (MIMO) keilanmuodostustekniikat ja kaksisuuntaiset signalointimenetelmät, joilla on eri tavoitteet verkon apuohjelmien optimoimiseksi, samalla kun otetaan huomioon tärkeät käytännön näkökohdat ja tuleva dataliikenteen kysyntä.</p><p>Tämän opinnäytetyön ensimmäinen puolisko keskittyy dynaamisiin TDD-järjestelmiin, joissa käytettävissä olevat resurssit solua kohden voidaan allokoida vapaasti joko UL:lle tai DL:lle riippuen hetkellisestä liikennetarpeesta. Tästä syystä syntyy monimutkaisia UL-DL- ja DL-UL-häiriöskenaarioita, jotka johtuvat samanaikaisesta UL- ja DL-tiedonsiirrosta viereisissä soluissa. Ensisijainen huomio kiinnitetään katastrofaalisen häiriöaltistuksen lieventämiseen dynaamisissa TDD-järjestelmissä käyttämällä MIMO-pohjaista hajautettuja iteratiivisia keilanmuodostustekniikoita liikennetietoisilla verkon optimointitavoitteilla, joita tuetaan minimaalisella tiedonvaihdolla koordinoitujen tukiasemien (BSs) ja käyttäjälaitteiden välillä (UEs). Kaksisuuntaista eteenpäin-taakse-koulutusta spatiaalisesti esikoodatun over-the-air-pilottisignaloinnin avulla käytetään koordinoidun säteenmuodostuksen helpottamiseksi. Uusia kaksisuuntaisia keilanmuodostajien koulutusstrategioita ja menetelmiä keilanmuodostajien suoraa estimointia (DE) varten kehitetään jokaista välikeilanmuodostajan päivitystä varten käyttämällä päällekkäisiä ja ei-ortogonaalisia pilotteja.</p><p>Tämän väitöskirjan jälkimmäinen puolisko käsittelee IAB-verkkoa, joka koostuu BS:stä, IAB-releistä ja UE:ista. Sekä BS että IAB-rele tarjoavat pääsyn UE:ihin, kun taas BS ja releet vaihtavat UE:iden dataa langattoman kaistan sisäisen backhaul-yhteyden kautta käyttämällä samoja taajuus-aikaresursseja, jotka jaetaan pääsylinkkien kanssa. Joustavaa TDD-pohjaista IAB-verkkoa harkitaan, jossa IAB-välittimet ja BS on määritetty eri UL- tai DL-lähetystiloihin, jotta voidaan kiertää IAB-releen tavanomaiset half-duplex-häviöt. Iteratiivista keilanmuodostajan rakennetta ehdotetaan käsittelemään samanaikaisesti tuloksena olevaa kanavien välistä häiriötä kahdella peräkkäisellä tiedonsiirtovälillä, jotka tarvitaan lähetykseen ja vastaanottoon BS:n ja UE:iden välillä half-duplex IAB-releiden kautta. Dynaamista liikennekäyttäytymistä käsitellään painotetulla jonojen minimointitavoitteella, jota varten IAB-releissä otetaan käyttöön myös käyttäjäkohtaisia UL/DL-jonoja luotettavan päästä-päähän tiedonsiirron takaamiseksi. Kaksisuuntainen eteenpäin-taakse-koulutus spatiaalisesti esikoodatun over-the-air pilottisignaloinnin avulla mahdollistaa hajautetun keilanmuodostajan suunnittelun kaikissa solmuissa. Uutta käyttäjämääritysmenetelmää ehdotetaan käyttäjien allokoimiseksi BS- tai IAB-välitteisiin ottaen huomioon pitkän aikavälin kanavatilastot ja käytännön IAB-rajoitukset.</p></div>