title: Non-orthogonal Precoding and Decoding Schemes for 5G and Beyond Downlink MIMO Communication Systems
title: Nichtorthogonale Vorcodier- und Decodierverfahren für 5G und zukünftige Downlink-MIMO-Kommunikationssysteme
Creators: name: Krishnamoorthy, Aravindh
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Digital Communication
subject: MIMO
subject: NOMA
subject: RSMA
subject: Information Theory
subject: Communication Theory
subject: Random Matrix Theory
subject: Broadcast Channel

description: The development of advanced multiple access schemes, which enable efficient utilization of scarce communication resources, is crucial to meet the increased data rate and user density requirements of next generation mobile communication systems. This thesis concerns the design of low-complexity and high-performance precoding and decoding schemes at the base station and the receivers, respectively, which facilitate such advanced multiple access schemes for 5th generation and beyond downlink multiple-input multiple-output (MIMO) systems. First, two MIMO non-orthogonal multiple access (NOMA) precoding and decoding schemes are proposed, which employ user-assisted simultaneous diagonalization (UA-SD) and simultaneous triangularization (ST) to enhance the performance of downlink MIMO-NOMA systems. The schemes utilize novel matrix factorization techniques to achieve UA-SD and ST. Furthermore, for UA-SD MIMO-NOMA, a new finite-size random matrix theory based analysis framework is developed. On the other hand, for ST MIMO-NOMA, a novel broadcast channel -- multiple access channel transformation is proposed for solving the power allocation problem. For both schemes, the ergodic rate regions are evaluated via computer simulations and compared against state-of-the-art baseline schemes. Next, MIMO rate-splitting multiple access (RSMA) precoding and decoding schemes are proposed that employ the novel successive null space (SNS) concept to enhance downlink MIMO-RSMA performance. Furthermore, the robustness of the proposed SNS-based MIMO-RSMA scheme is studied via first-order sensitivity analysis. Moreover, a matrix-valued weighted sum rate (WSR) optimization problem is formulated and solved using successive convex approximation. Subsequently, the performance of the proposed scheme is evaluated in terms of the WSR via computer simulations and compared to state-of-the-art baseline schemes. Lastly, a novel, low-complexity linear precoding scheme for massive MIMO systems, termed successive regularized zero forcing precoding, is reported, which utilizes SNSs to enhance the performance and robustness, especially for systems where the MIMO channels of the users are correlated. The presented simulation results reveal that the proposed schemes significantly outperform the considered baseline schemes, thereby proving them to be strong contenders for deployment in 5G and beyond communication systems.
description: Die Entwicklung von fortschrittlichen Vielfachzugriffsverfahren zur effizienten Nutzung der begrenzten Kommunikationsressourcen ist von entscheidender Bedeutung für die Realisierung der erhöhten Datenraten- und Nutzerdichteanforderungen der nächsten Generation von Mobilkommunikationssystemen. Das zentrale Thema dieser Dissertation ist der Entwurf von Vorkodier- und Dekodierverfahren mit geringer Komplexität und hoher Leistungsfähigkeit, die solche fortschrittlichen Vielfachzugriffsverfahren für Downlink-Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Systeme der fünften und zukünftigen Mobilfunkgenerationen ermöglichen. Zuerst werden zwei Vorkodier- und Dekodierverfahren für Non-Orthogonal-Multiple-Access (NOMA) vorgestellt, die durch Benutzer-unterstützte gleichzeitige Diagonalisierung (UA-SD) und Triangularisierung (ST) die Leistungsfähigkeit von Downlink-MIMO-NOMA-Systemen verbessern. Die vorgestellten Verfahren nutzen neuartige Matrixzerlegungen, um UA-SD und ST zu erreichen. Darüber hinaus wird für UA-SD MIMO-NOMA ein neues Analyseverfahren entwickelt, das auf der Theorie der Zufallsmatrizen endlicher Größe basiert. Andererseits wird zur Lösung des Leistungsverteilungsproblems in ST-MIMO-NOMA eine neuartige Broadcast Channel -- Multiple Access Channel Transformation vorgeschlagen. Für beide vorgestellte Verfahren werden die ergodischen Ratenbereiche untersucht und mit dem Stand der Technik entsprechenden Basisverfahren verglichen. Als nächstes werden MIMO-Rate-Splitting-Multiple-Access (RSMA) Vorkodier- und Dekodierverfahren vorgestellt, die durch die Ausnutzung der neuartigen Successive-Null-Spaces (SNS) die Leistungsfähigkeit von Downlink-MIMO-RSMA Systemen verbessern. Darüber hinaus wird die Robustheit des vorgestellten SNS-basierten MIMO-RSMA-Verfahrens anhand einer Sensitivitätsanalyse erster Ordnung untersucht. Zudem wird ein Matrix-Optimierungsproblem für die Weighted-Sum-Rate (WSR) formuliert und durch Successive-Convex-Approximation gelöst. Anschließend wird die WSR durch Computersimulationen ermittelt und mit dem Stand der Technik verglichen. Schließlich wird ein neuartiges lineares Vorkodierverfahren mit geringer Komplexität für massive MIMO-Systeme entwickelt. Das entwickelte Successive-Regularized-Zero-Forcing-Verfahren verwendet SNS zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Robustheit, insbesondere für Systeme bei denen die MIMO-Nutzerkanäle korreliert sind. Die vorgelegten Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgestellten Verfahren den Stand der Technik deutlich übertreffen und damit gute Kandidaten für den Einsatz in 5G und zukünftigen Kommunikationssystemen sind.