Random Matrix Analysis of Future Multi Cell MU-MIMO Networks
Analyse des réseaux multi-cellulaires multi-utilisateurs futurs par la théorie des matrices aléatoires
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-tooptimal
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.
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.
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