MULTI-USER INFORMATION THEORY: STATE INFORMATION AND IMPERFECT CHANNEL KNOWLEDGE - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2007

MULTI-USER INFORMATION THEORY: STATE INFORMATION AND IMPERFECT CHANNEL KNOWLEDGE

THÉORIE DE L'INFORMATION MULTI-UTILISATEUR : INFORMATION ADJACENTE ET CONNAISSANCE IMPARFAITE DU CANAL

Résumé

The capacity of single and multi-user state-dependent channels under imperfect channel knowledge at the receiver(s) and/or transmitter are investigated. We address these channel mismatch scenarios by introducing two novel notions of reliable communication under channel estimation errors, for which we provide an associated coding theorem and its corresponding converse, assuming discrete memoryless channels. Basically, we exploit for our purpose an interesting feature of channel estimation through use of pilot symbols. This feature is the availability of the statistic characterizing the quality of channel estimates.

In this thesis we first introduce the notion of estimation-induced outage capacity for single-user channels, where the transmitter and the receiver strive to construct codes for ensuring reliable communication with a quality of service (QoS), no matter which degree of accuracy estimation arises during a transmission. In our setting, the quality of service constraint stands for achieving target rates with small error probability (the desired communication service), even for very poor channel estimates. Our results provide intuitive insights on the impact of the channel estimates and the channel characteristics (e.g. SNR, number of pilots, feedback rate) on the maximal mean outage rate.

Then the optimal decoder achieving this capacity is investigated. We focus on the family of decoders that can be implemented on most practical coded modulation systems. Based on the theoretical decoder that achieves the capacity, we derive a practical decoding metric for arbitrary memoryless channels that minimizes the average of the transmission error probability over all channel estimation errors. Next, we specialize this metric for the case of fading MIMO channels. According to our notion of outage rates, we characterize maximal achievable information rates of the proposed decoder using Gaussian codebooks. Numerical results show that the derived metric provides significant gains, in terms of achievable information rates and bit error rate (BER), in a bit interleaved coded modulation (BICM) framework, without introducing any additional decoding complexity.

We next consider the effects of imperfect channel estimation at the receivers with imperfect (or without) channel knowledge at the transmitter on the capacity of state-dependent channels with non-causal channel state information at the transmitter. We address this through the notion of reliable communication based on the average of the transmission error probability over all channel estimation errors. This notion allows us to consider the capacity of a composite (more noisy) Gelfand and Pinsker's channel. We derive the optimal Dirty-paper coding (DPC) scheme that achieves the capacity (assuming Gaussian inputs) of the fading Costa channel under the mentioned conditions. The results illustrate a practical trade-off between the amount of training and its impact to the interference cancellation performances of DPC scheme. This approach enable us to study the capacity region of the multiuser Fading MIMO Broadcast Channel (MIMO-BC), where the mobiles (the receivers) only dispose of a noisy estimate of the channel parameters, and these estimates may be (or not) available at the base station (the transmitter). In particular, we observe the surprising result that a BC with a single transmitter and receiver antenna, and imperfect channel estimation at each receiver, does not need the knowledge of estimates at the transmitter to achieve large rates.

Finally, we consider several implementable DPC schemes for multi-user information embedding, through emphasizing their tight relationship with conventional multi-user information theory. We first show that depending on the targeted application and on whether the different messages are asked to have different robustness and transparency requirements, multi-user information embedding parallels the Gaussian BC and the Gaussian Multiple Access Channel (MAC) with non-causal channel state information at the transmitter(s). Based on the theoretical DPC, we propose practical coding schemes for these scenarios. Our results extend the practical implementations of QIM, DC-QIM and SCS from the single user case to the multi-user one. Then, we show that the gap to full performance can be bridged up using finite dimensional lattice codebooks.
La capacité de canaux mono et multi-utilisateur dépendant d'états avec connaissance imparfaite du canal aux récepteurs et émetteurs est étudiée. Nous abordons les cas de canaux désadaptés en introduisant deux nouvelles notions de communications fiables avec erreurs d'estimation du canal, pour lesquelles nous proposons le théorème de codage associé et sa réciproque, en supposant des canaux discrets sans mémoire. Ces resultats exploitent les caractéristiques des canaux estimés à l'aide de séquences d'apprentissage.

Dans cette thèse, nous introduisons d'abord la notion de "estimation-induced outage capacity" pour des canaux mono-utilisateur, où lémetteur et le récepteur \oe uvrent dans le but de construire des codes assurant une communication fiable avec une certaine qualité de service (QoS), quel que soit le degré d'exactitude de l'estimation qui apparaît au cours de la transmission. Dans notre cas, la contrainte sur la qualité de service permet d'atteindre les taux souhaités avec une probabilité d'erreur faible (le service de communication visé), même dans le cas où les estimations du canal sont mauvaises. Nos résultats fournissent une notion intuitive de l'impact des estimations et des caractéristiques du canal (e.g. SNR, taille des séquences d'apprentissage, voies de retour) sur le taux de coupure.

Ensuite, le décodeur optimal atteignant cette capacité est étudié. Nous nous focalisons sur les familles de décodeurs qui peuvent être implémentées sur la plupart des systèmes pratiques de modulation codée. Nous nous basons sur le décodeur théorique qui atteint la capacité, pour obtenir une métrique practique de décodage pour des canaux sans mémoire arbitraires qui minimise la probabilité d'erreur de transmission moyennée sur toutes les erreurs d'estimation du canal. Cette métrique est ensuite appliquée au cas des canaux MIMO à évanouissements. D'après notre notion du taux de coupure, nous déterminons le taux maximal d'information atteignable associé au décodeur proposé. Les résultats numériques montrent que, sans introduire de complexité additionnelle dans le décodage, la métrique proposée fournit des gains significatifs, en termes de taux d'information atteignables et de taux d'erreur binaire (BER), dans le cas de modulation codée à bits entrelacés (BICM).

Nous considérons ensuite les effets d'une estimation imparfaite connue par les récepteurs avec (ou sans) connaissance imparfaite à lémetteur sur la capacité de canaux dépendant d'états avec information adjacente non-causale à lémetteur. Ceci est abordé via la notion de communication fiable basée sur la probabilité d'erreur moyennée sur toutes les erreurs d'estimation du canal. Cette notion nous permet de considérer la capacité d'un canal composé (plus bruité) de type Gelfand et Pinsker. Nous obtenons le schéma de codage optimal de type "Dirty-paper coding (DPC)" qui atteint la capacité (sous l'hypothèse d'entrées Gaussiennes) du canal à évanouissements de type Costa. Les résultats illustrent le compromis pratique entre la quantité d'apprentissage du canal et son impact sur les performances de l'annulation d'interférences du schéma DPC. Cette approche nous permet d'étudier la région de capacité de canaux MIMO multi-utilisateur de diffusion à évanouissements (MIMO-BC), où les mobiles (les récepteurs) disposent uniquement d'une estimation bruitée des paramètres du canal, et ces estimations sont (ou non) disponibles à la station de base (l'émetteur). Nous observons en particulier, le résultat surprenant que pour ce canal de diffusion avec une antenne unique à l'émetteur et aux récepteurs et des estimées imparfaites du canal connues aux récepteurs, une connaissance de ses estimées à l'émetteur n'est pas nécessaire pour atteindre des taux élevés.

Finalement, nous présentons plusieurs schémas réalisables de type DPC pour l'insertion de l'information multi-utilisateur en soulignant leur relation étroite avec la théorie de l'information multi-utilisateur. Nous montrons d'abord qu'en fonction de l'application visée et des conditions requises sur les différents messages en termes de robustesse et de transparence, il y a un parallèle entre l'insertion de l'information multi-utilisateur et les canaux multi-utilisateur avec information adjacente à l'émetteur. Nous nous focalisons sur les canaux de diffusion Gaussiens (GBC) et sur les canaux Gaussiens à accès multiples (MAC). Ceci consiste en une conception commune de schémas de codage pratiques de type DPC basés sur les solutions théoriques correspondant à ces canaux. Ces résultats étendent les implémentations pratiques de type QIM, DC-QIM et SCS initialement conçues pour un utilisateur au cas de plusieurs utilisateurs. Nous montrons que l'écart avec les performances optimales (les régions de capacités) peut être minimisé en utilisant des mots de code basés sur un réseau maillé de dimension finie.
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Dates et versions

tel-00168330 , version 1 (27-08-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00168330 , version 1

Citer

Pablo Piantanida. MULTI-USER INFORMATION THEORY: STATE INFORMATION AND IMPERFECT CHANNEL KNOWLEDGE. domain_stic.theo. Université Paris Sud - Paris XI, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00168330⟩
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