Alineamiento de interferencia y autointerferencia en sistemas de comunicaciones inalámbricas de última generación

Abstract

Las redes de comunicaciones de última generación adoptaron una estructura heterogénea en la cual las macroceldas desplegadas en generaciones precedentes fueron superpuestas con celdas de diversas áreas de cobertura y políticas de acceso para los usuarios. Esta topología se eligió para extender el alcance de las redes anteriores, mejorar el servicio en zonas desfavorecidas y aumentar las tasas de transmisión en toda la red. De esta manera se busca satisfacer la siempre creciente demanda por parte de los usuarios que forman parte del sistema, cuyo número también se ve incrementado cuantiosamente año tras año. Aunque las redes heterogéneas proveen soluciones a las limitaciones de las preexistentes, también conllevan nuevos desafíos generados por su estructura novedosa. Al abandonarse el esquema planificado, uniforme y no superpuesto de zonas de cobertura aparecen situaciones en las cuales los niveles de interferencia que sufren los equipos de comunicaciones son inaceptables. Para que estos escenarios no anulen los beneficios incorporados mediante las redes heterogéneas se requieren soluciones novedosas que eviten o supriman estas interferencias, provocadas tanto dentro de cada celda como entre ellas. Los esquemas tradicionales de acceso múltiple al medio se tornan ineficientes en estos contextos ya que implican una subdivisión excesiva de los recursos, impactando negativamente en el desempeño de toda la red. En esta Tesis se estudian técnicas de alineamiento de interferencias aplicadas a situaciones típicas que se pueden encontrar en redes inalámbricas heterogéneas. Estas técnicas lineales permiten alcanzar alta eficiencia en el uso de los recursos del sistema, ofreciendo a la vez exibilidad para adaptarse a las situaciones siempre cambiantes originadas en las redes que adoptan la nueva topología. Los métodos de supresión de interferencias estudiados aquí se enfocan en resolver situaciones para las cuales la interferencia tiene potencia superior a la señal de interés. En primer lugar se analiza la factibilidad de alinear la interferencia sobre un subespacio dentro de las múltiples dimensiones que ofrecen las señales empleadas en los estándares de comunicación de última generación. En el trabajo se propone una implementación de ese método que ofrece ventajas comparativas respecto de las técnicas de combate de interferencia definidas en los estándares de sistemas preexistentes. Los análisis presentados aquí son respaldados mediante simulaciones de computadora. En la segunda parte se estudia el alineamiento de las señales de autointerferencia, que son auto infligidas por un terminal que transmite y recibe señales simultáneamente usando la misma banda de frecuencias. Esta funcionalidad resulta de máximo interés para los equipos de comunicaciones futuros, ya que no solamente incrementa su efiiciencia espectral sino que también permite una gestión más dinámica y flexible de los sistemas. En esta Tesis se prueba que es factible realizar el alineamiento de autointerferencia usando métodos avanzados de muestreo de señales, y se propone una estructura práctica de un transceptor capaz de lograr dicha función. Mediante análisis y simulaciones se demuestra que el transceptor propuesto tiene ventajas significativas respecto a las soluciones del estado del arte que resuelven el mismo desafío, aún ante imperfecciones que puedan limitar su desempeño.

The latest generation of communication networks adopted a heterogeneous structure in which the legacy macrocells from earlier deployments are overlaid with smaller cells adopting different user subscription policies. This new topology not only extends the coverage zones and improves the service in shadowed areas with respect to previous network implementations, but also significantly increases the transmission rates in the network to satisfy the ever increasing demand both in user number and per-user rates. Although the heterogeneous structure provides solutions to the diffculties earlier networks were facing, they also present their own challenges, especially in terms of strong interference levels that may arise among users and base stations. By abandoning the planned, uniform and non-overlapped base station and coverage area deployment, many situations appear where the interference power levels suffered by the communication devices is inadmissible. Therefore, novel intra- and inter-cell interference suppression techniques are required in order to avoid that these scenarios counteract the numerous benefits associated to heterogeneous networks. The traditional multiple access schemes become inefficient in these situations since they divide all the available resources, and this has a network wide negative impact. This Thesis presents the analysis of interference alignment techniques applied to typical situations in these networks. The linear techniques studied here enable effcient system resource exploitation, offering at the same time high flexibility to adapt to the constantly evolving conditions in the network. Their study is oriented to solve situations where the interference is stronger than the desired signal. First, the interference alignment feasibility is analyzed using the multiple signal dimensions offered by the signals used in the standards of the latest-generation mobile communication systems. This work proposes an implementation of this method which o ers comparative advantages with respect to standard-defined interference suppression strategies. The analysis of this proposal is supported by numerical results obtained using computer simulations. Next, the self-interference alignment problem is studied. These signals are selfinflicted by a terminal transmitting and receiving simultaneously at the same frequency band. This functionality is of high interest for future communication systems, since it not only increases their spectral efficiency, but it also allows to manage them in a more dynamic and exible manner, and it would also enable greater abilities for their terminals. This Thesis proves the feasibility of self-interference alignment using advanced sampling methods, and also proposes a practical transceiver structure which is able to perform this function. By means of analysis and simulations it is shown that the proposed transceiver has significant advantages with respect to the state-of-theart solutions for the same challenge, even when it is subject to performance limiting imperfections.