Coordination strategies for interference management in MIMO dense cellular networks
Authors:   , Lagén Morancho Sandra 
Published: October 2023

The envisioned rapid and exponential increase of wireless data traffic demand in the next years imposes rethinking current cellular networks due to the available spectrum scarcity. In this regard, 3 main drivers are considered to increase the capacity of today's most advanced (4G) and future (5G and beyond) cellular networks: use more bandwidth (more Hz) through spectral aggregation, enhance the spectral efficiency per base station (BS) (more bits/s/Hz/BS) by using multi-antenna (i.e. MIMO) systems, and increase the density of BSs (more BSs/km2) through a dense and heterogeneous deployment. We focus on the last 2 drivers. First, the use of MIMO systems allows exploiting the spatial dimension for improving the capacity of a conventional point-to-point link, increasing the number of served users, and reducing unwanted emissions (interference). Second, dense heterogeneous networks are a simple and cost-effective way to boost the area spectral efficiency by densifying the network and improving the spatial re-use of the spectrum.
However, increasing the BSs density entails two main technical challenges: the interference increases because neighboring BSs/users are nearer and the amount of data traffic, as well as downlink (DL) and uplink (UL) traffic asymmetry, varies over space and time more drastically since the number of users per BS is reduced. The increase of interference makes the development of efficient interference management techniques a key enabler for MIMO dense heterogeneous networks. On the other hand, the variability of the per-BS traffic amount and the DL/UL traffic asymmetry convert flexible duplexing (i.e. flexible allocation of DL/UL resources per BS) into a necessity for an efficient resource usage. Therefore, the development of resource management schemes capable of adapting to the varying traffic load, as well as interference management, becomes crucial.
Accordingly, this thesis focuses on the development of advanced interference management techniques to deal with inter-cell interference in MIMO dense networks and on the design of traffic- and interference-aware resource management schemes for flexible duplexing systems in asymmetric traffic conditions. To these goals, the wide deployment of MIMO systems is capitalized to develop advanced multi-antenna signal processing techniques when full reuse of time and frequency resources among densely deployed BSs is adopted.
In the first part, different statistical characterizations of the transmitted signals are analyzed to improve the capacity of wireless interference-limited MIMO channels. Advanced signaling schemes are developed and the use of improper Gaussian signaling (IGS) is investigated, which allows exploiting the real and imaginary dimensions of MIMO channels. Majorization theory is exploited to demonstrate the strict superiority of IGS.
In the second part, transmit coordination strategies are proposed to manage interference in extremely dense cellular networks. The design of BSs transmit strategies (involving design of spatial transmit/receive filters, power control, and user scheduling) is coordinated to optimize different network functions while reducing the stringent requirements needed for channel estimation in dense networks. Coordination strategies for the case in which different signaling schemes coexist in the network are also derived. Further, coordination strategies for cluster-based joint transmissions are developed, where BSs are grouped into clusters and different clusters interfere to each other.
The third part focuses on the design of traffic- and interference-aware duplexing techniques to make a better use of the available resources by taking into account the asymmetric traffic conditions that arise in dense networks and managing the new kinds of interference that come up under flexible duplexing. Short-term and long-term optimizations are investigated, being therefore the interference managed instantaneously and statistically, respectively.

L'augment ràpid i exponencial previst per a la demanda de tràfic de dades en els pròxims anys imposa redissenyar les xarxes cel·lulars actuals degut a l'escassetat de l'espectre radioelèctric disponible. Es consideren 3 eixos directors per augmentar la capacitat dels sistemes més avançats d'avui dia (4G) i del futur (5G i més enllà): utilitzar més ample de banda (més Hz), millorar l'eficiència espectral per estació base (BS) (més bits/s/Hz/BS) utilitzant sistemes multi-antena (MIMO) i incrementar la densitat de BSs (més BSs/km2) a través d'un desplegament dens i heterogeni. Ens centrem en els 2 últims eixos. En primer lloc, l'ús de sistemes MIMO permet explotar la dimensió espacial per millorar la capacitat d'un enllaç convencional punt a punt, incrementar el nombre d'usuaris servits i reduir emissions indesitjades (interferències). En segon lloc, les xarxes denses i heterogènies són una manera simple i rentable de millorar l'eficiència espectral per àrea a través de la densificació de la xarxa i la reutilització espacial de l'espectre. No obstant això, l'increment de la densitat de BSs planteja dos principals reptes tècnics: les interferències augmenten perquè BSs/usuaris veïns estan més propers i la quantitat de tràfic de dades, així com l'asimetria del tràfic de baixada (DL) i de pujada (UL), fluctua amb el temps i l'espai més dràsticament ja que el nombre d'usuaris per BS és reduït. Per tant, un factor clau per a les xarxes MIMO denses i heterogènies és el desenvolupament de tècniques eficients de gestió d'interferències. D'altra banda, la variabilitat de la quantitat i asimetria del tràfic converteix en una necessitat el duplexat flexible (és a dir, assignacions flexibles de recursos DL/UL per BS) per aconseguir un ús eficient dels recursos. Així doncs, es torna crucial el desenvolupament d'esquemes de gestió de recursos capaços d'adaptar-se a càrregues de tràfic variable i, a la vegada, gestionar interferències. Aquesta tesi es centra en el desenvolupament de tècniques avançades de gestió d'interferències per combatre interferències entre cel·les en xarxes MIMO denses i en el disseny d'esquemes de gestió de recursos que tenen en compte el tràfic i la interferència per a sistemes de duplexat flexible en condicions asimètriques de tràfic. Per aconseguir aquests objectius, s'aprofita l'ampli desplegament de sistemes MIMO per desenvolupar tècniques avançades de processament de senyals quan s'adopta reutilització completa de recursos entre BSs densament desplegades. En la primera part, s'analitzen diferents caracteritzacions estadístiques dels senyals transmesos per millorar la capacitat dels canals limitats per interferència. Es deriven esquemes de senyalització avançats i s'investiga l'ús de la senyalització Gaussiana improper, la qual permet explotar les dimensions reals i imaginàries dels canals MIMO. En la segona part, es proposen estratègies de transmissió coordinades per gestionar interferències en xarxes denses. El disseny de les estratègies de transmissió a les BSs (incloent: disseny de filtres espacials en transmissió/recepció, control de potència i selecció d'usuaris) és coordinat per optimitzar diferents funcions de xarxa mentre que es redueixen els estrictes requisits d'estimació de canal en xarxes denses. També s'analitzen estratègies de coordinació per al cas en què diferents esquemes de senyalització coexisteixen. A més, es deriven estratègies de coordinació per a transmissions conjuntes basades en grups, on les BSs s'agrupen en grups i grups veïns s'interfereixen entre si. La tercera part es centra en el disseny de tècniques de duplexat flexible que tenen en compte tràfic i interferència per fer un millor ús dels recursos disponibles, considerant condicions de tràfic asimètriques i gestionant els nous tipus d'interferències que apareixen sota el duplexat flexible. S'investiguen optimitzacions a curt i a llarg termini, sent llavors la interferència gestionada instantàniament i estadísticament, respectivament.

El aumento rápido y exponencial previsto para la demanda de tráfico de datos en los próximos años impone rediseñar las redes celulares inalámbricas actuales debido a la escasez del espectro radioeléctrico disponible. En este sentido, se consideran tres ejes directores para aumentar la capacidad de las redes celulares más avanzadas de hoy en día (sistemas 4G) y las del futuro (sistemas 5G y más allá):
- utilizar más ancho de banda (más Hz) a través de la agregación de espectro,
- mejorar la eficiencia espectral por estación base (BS) (más bits/s/Hz/BS) utilizando múltiples antenas en las BSs y los usuarios (sistemas MIMO), e
- incrementar la densidad de BSs (más BSs/km2) mediante un despliegue denso y heterogéneo (conocido como redes densas y heterogéneas).
Esta tesis se centra en los dos últimos ejes directores. En primer lugar, el uso de sistemas multi-antena permite explotar la dimensión espacial con varias finalidades: mejorar la capacidad de un enlace inalámbrico convencional punto a punto, incrementar el número de usuarios servidos y reducir emisiones indeseadas (interferencias). En segundo lugar, las redes densas y heterogéneas son una manera simple y rentable de mejorar la eficiencia espectral por área a través de la densificación de la red con BSs de diferentes características y de la reutilización
espacial del espectro radioeléctrico.
Sin embargo, el incremento de la densidad de BSs plantea dos principales desafíos técnicos:
- las interferencias en la red aumentan porque BSs/usuarios vecinos están más próximos y
- la cantidad de tráfico de datos, así como la asimetría del tráfico de bajada (DL) y de subida (UL), fluctúa con el tiempo y el espacio más drásticamente debido a que el número de usuarios por BS se reduce.

El aumento de interferencias en la red hace que un factor clave para las redes MIMO densas y heterogéneas sea el desarrollo de técnicas eficientes de gestión de interferencias. Pero, a medida que avanzamos hacia redes más densas, la gestión de interferencias se convierte cada vez en un reto más desafiante.
Por otro lado, la variabilidad de la cantidad de tráfico de datos por BS y de la asimetría del tráfico DL/UL convierten en una necesidad el duplexado flexible (es decir, asignaciones flexibles y dinámicas de recursos DL/UL por BS, ya sea en el dominio temporal o frecuencial) para conseguir un uso eficiente de los recursos radio que satisfaga las cargas de tráfico no uniformes en espacio y variantes en tiempo. Por lo tanto, se vuelve crucial el desarrollo de esquemas de gestión de recursos capaces de adaptarse a cargas de tráfico variable y de, a su vez, gestionar las interferencias.

En este sentido, esta tesis doctoral se centra en:
1. el desarrollo de técnicas avanzadas de gestión de interferencias para hacer frente a las interferencias entre celdas en redes celulares MIMO densas, y
2. el diseño de esquemas de gestión de recursos que tengan en cuenta el tráfico y la interferencia para sistemas de duplexado flexible bajo condiciones de tráfico asimétricas.

Para alcanzar estos objetivos, se aprovecha el amplio despliegue de sistemas MIMO con el fin de desarrollar técnicas multi-antena avanzadas de procesado de señales cuando se adopta un reúso completo de los recursos en tiempo y en frecuencia entre BSs densamente desplegadas en la red.
En la primera parte de la tesis, se analizan diferentes caracterizaciones estadísticas de las señales de transmisión para mejorar la capacidad de los canales inalámbricos interferentes. En este sentido, se desarrollan esquemas de señalización avanzados y se investiga el uso de la señalización Gaussiana improper (IGS), la cual permite aprovechar las dimensiones reales e imaginarias de los canales de propagación MIMO mediante la división de una dimensión espacial en dos mitades. La teoría de la majorización se explota para demostrar la superioridad estricta de IGS. Después, los beneficios de IGS se aplican a diferentes escenarios MIMO limitados por interferencia.
Otra forma de gestionar la interferencia con reúso completo de los recursos frecuenciales es mediante la coordinación y/o cooperación de BSs. La coordinación entre BSs permite ajustar de manera coordinada las estrategias de transmisión de diferentes BSs con el objetivo de reducir el impacto de las interferencias en la red. Por el contrario, la cooperación entre BSs permite que las BSs actúen como un único transmisor multi-antena y tiene la gran ventaja de que convierte la interferencia en señal útil a través de la transmisión conjunta de BSs cooperativas hacia un mismo usuario. Sin embargo, la cooperación requiere sincronización estricta y alta capacidad de backhaul para compartir datos de usuario entre BSs. Por esta razón, en implementaciones prácticas, la cooperación sólo se puede lograr entre un número reducido de BSs (las cuales forman un grupo) y la coordinación entre grupos sigue siendo necesaria para hacer frente a las interferencias. Tanto la coordinación como la cooperación, ya sean implementadas de forma centralizada o descentralizada, requieren el conocimiento de todos los canales de propagación de la red, lo cual impone requisitos estrictos en cuanto a estimación de canal para la gestión de interferencias en redes densas.
En la segunda parte de este trabajo se proponen estrategias de transmisión coordinadas para gestionar interferencias en las redes celulares extremadamente densas. El foco está en la transmisión DL. El diseño de las estrategias de transmisión en las BSs (incluyendo el diseño de los filtros espaciales de transmisión y recepción, el control de potencia y la selección de usuarios) es coordinado con tal de optimizar diferentes funciones de red (como, por ejemplo, la suma ponderada de las tasas de transmisión), mientras que se reducen los estrictos requisitos necesarios para estimación de canal en redes densas. También se analizan estrategias de coordinación para el caso en que diferentes esquemas de señalización (proper e improper) coexisten en la red. Además, la tesis deriva estrategias de coordinación para transmisiones conjuntas basadas en grupos, donde las BSs se agrupan en grupos formados por un número reducido de BSs cooperativas y grupos vecinos se interfieren entre sí. En este caso, la estrategia de transmisión se optimiza conjuntamente con la formación de los grupos.

Por último, se aborda la gestión de recursos en sistemas de duplexado flexible, donde los recursos tienen que ser distribuidos adecuadamente entre las transmisiones DL y UL de acuerdo con las asimetrías y la cantidad de tráfico de cada BS. Bajo una reutilización de recursos en BSs densamente desplegadas, el uso del duplexado flexible conlleva cambios en la interferencia generada entre BSs y/o usuarios vecinos. Como consecuencia, surgen nuevos tipos de interferencias (como la interferencia de BS a BS).
La tercera parte de la tesis se centra en el diseño de técnicas de duplexado flexible que tienen en cuenta el tráfico para la gestión de recursos y de interferencias. En contraste con las partes anteriores, se consideran transmisiones DL y UL para cada BS. El objetivo principal es hacer un mejor uso de los recursos tiempo/frecuencia disponible, teniendo en cuenta las condiciones de tráfico asimétricas que surgen en redes densas, así como la gestión de los nuevos tipos de interferencias que aparecen bajo sistemas de duplexado flexible. Se investigan optimizaciones a corto plazo y a largo plazo, siendo entonces la interferencia gestionada de manera instantánea y de manera estadística, respectivamente.