Impact of channel state information on the analysis and design of multiantenna communication systems
Authors:   , Payaró Llisterri Miquel 
Published: October 2023

Al llarg d'aquesta última dècada, s'ha produit un creixement constant en la demanda d'elevades taxes de transmissió de dades que han de suportar les aplicacions sobre comunicacions sense fils. Entre les diferents solucions ideades per la comunitat recercaire per tal de fer front a aquesta nova demanda, la utilització de múltiples antenes s'erigeix com una de les millors candidates degut al fet que proporciona simultàniament una millora en les taxes de transmissió i en la fiabilitat en la recepció de les dades. L'ús d'antenes múltiples en un dels extrems de la comunicació data de la dècada dels seixanta, nogensmenys ha estat en aquests últims anys quan s'ha pogut provar, tant en els camps teòric com pràctic, tot el potencial que possibilita la presència de múltiples antenes en ambdós extrems de la comunicació.<br/><br/>El disseny adequat de sistemes de comunicació amb múltiples antenes per satisfer aquesta demanda no només depèn de la funció de mèrit (o de la mètrica de rendiment) escollida, sinó que també es veu afectat per la quantitat i la qualitat de la informació de l'estat del canal que es troba disponible als extrems de la comunicació. Aquesta tesi tracta sobre l'anàlisi i el disseny d'arquitectures per sistemes de comunicació amb múltiples antenes i amb diferents nivells de quantitat i qualitat de la informació de l'estat del canal. La secció d'anàlisi es centra en l'estudi de la capacitat i les taxes de transmissió assolibles per aquests tipus de sistemes de comunicació i la part de disseny queda més encarada a la síntesi de sistemes de comunicació pràctics amb l'objectiu de maximitzar el rendiment d'acord amb la mètrica de rendiment escollida.<br/><br/>Primerament, l'atenció es centra en sistemes de comunicació amb múltiples antenes per a un únic usuari amb informació perfecte de l'estat del canal, que suposa una idealització dels sistemes pràctics que s'empren en la realitat. En aquest context, es revisen resultats de capacitat que són ben coneguts, i es caracteritza, a més, un transmissor lineal dissenyat per tal de maximitzar la fiabilitat de l'enllaç sense fils amb múltiples antenes. Addicionalment, s'apunten una sèrie d'analogies entre el disseny del transmissor lineal òptim i la teoria de construcció de constel.lacions de símbols.<br/><br/>En segon lloc, es roman en un escenari de comunicacions amb un únic usuari i es considera el cas on la informació sobre l'estat del canal és incompleta. En aquest cas, es presenta un anàlisi detallat sobre la capacitat a través de les formulacions ergòdica i composta (compound), les quals prenen significat depenent del model utilitzat per caracteritzar el canal. Mentres que en canals ràpidament variants la capacitat ergòdica és la mesura clau de les taxes de transmissió assolibles per qualsevol sistema de comunicació, en canals fixos o de variació lenta, és la capacitat composta, la que mesura la mínima taxa de transmissió assolible de forma sostinguda durant la transmissió del missatge.<br/><br/>Seguidament, es considera el cas on la informació disponible sobre l'estat del canal és imperfecta. Precisament, es discorre sobre un sistema de comunicació pràctic anomentat Precodificador Espacial de Tomlinson i Harashima i s'estudien les seves potencialitats en termes de taxes de transmissió assolibles. Gràcies a l'arquitectura versàtil del Precodificador Espacial de Tomlinson i Harashima l'esmentat estudi es duu a terme tant per escenaris amb un únic usuari com per escenaris amb múltiples usuaris. Per aquests dos casos, es presenta així doncs un disseny que és robust a les incerteses de la informació de l'estat del canal i que té per objectiu minimitzar les pèrdues de taxa de transmissió d'informació.<br/><br/>Finalment, restant en un escenari amb múltiples usuaris amb coneixement imperfecte de l'estat del canal, es presenta una arquitectura de transmissió que és robusta a les incerteses de la informació sobre l'estat del canal disponible tant en el transmisor com en el receptor. La variable per al disseny robust és la distribució de potència entre els símbols d'informació destinats a cada usuari, i el criteri d'optimització és minimitzar la potència total transmesa, tot garantint una determinada qualitat de servei per cada usuari i per qualsevol possible realització del canal que sigui compatible amb la informació disponible sobre l'estat del canal.

During the last decade, there has been a steady increase in the demand of high data rates that are to be supported by wireless communication applications. Among the different solutions that have been proposed by the research community to cope with this new demand, the utilization of multiple antennas arises as one of the best candidates due to the fact that it provides both an increase in reliability and also in information transmission rate. Although the use of multiple antennas at the receiver side dates back from the sixties, the full potential of multiple antennas at both communication ends has been both theoretically and practically recognized in the last few years.<br/><br/>The design of proper multi-antenna communication systems to satisfy the high data rates demand depends not only on the chosen figure of merit or performance metric, but also on the quantity and the quality of the channel state information that is available at the communication ends. In this dissertation we deal with the analysis and design of different architectures for multiple-antenna communication systems for various degrees of quality and quantity of channel state information. The analysis section is devoted to the study of capacity and achievable rates and the part that deals with design is aimed at the synthesis of practical communication systems that maximize a certain performance measure.<br/><br/>Firstly, we focus our attention on multiple antenna single-user communication systems with perfect channel state information, which is an idealization of actual practical systems. In this context, we review well known capacity results and deal with the practical characterization of a linear transmitter that is designed to maximize the reliability of the wireless multi-antenna link. Some analogies between the optimal linear transmitter design and the theory of constellation construction are also pointed out.<br/><br/>Secondly, we stay in a single-user scenario and we move onto the case where the channel state information is incomplete. In this case, a detailed capacity analysis is presented dealing with the ergodic and compound capacity formulations, which arise depending on the model utilized to characterize the channel. While in rapidly varying channels the ergodic capacity is a key measure of the rates that can be achieved by any communication system, in slow varying or fixed channels the compound capacity measures the minimum transmission rate that can be sustained during the transmission of the message.<br/><br/>Next, we shift to the case where the available channel state information is imperfect. Precisely, we deal with a practical communication system called spatial Tomlinson-Harashima precoder and study its achievable rate capabilities. Due to the versatile architecture of the spatial Tomlinson-Harashima precoder we are able to perform the study for the single and multi-user scenarios. For both cases, a design is presented which is robust to the uncertainties of the channel state information and which is aimed at maximizing the transmission rate.<br/><br/>Finally, staying in the multi-user scenario with imperfect channel state information, we present a transmission architecture that is robust to the uncertainties of the side information that is available at both the transmitter and the receiver. The robustness criterion is to minimize the transmitted power while guaranteeing a certain quality of service per user for every possible realization of the channel that is compatible with the available channel state information.