Tomlinson-Harashima precoding for MU-MISO wireless systems

In Multiuser MISO systems (MU-MISO) precoding is essential to eliminate or minimize multiuser interference and to concentrate all the complex processing at the transmitting Base Station (BS). In fact user equipments have to be as simple as possibile and can not cooperate. Non-linear Tomlinson-Harashima Precoding (THP) shows significant gain with respect to linear precoding techniques as Linear Zero-Forcing (LZF). THP is a precoding strategy based on the concept of successive interference pre-cancellation at the transmitter (i.e., it is the transmitter counterpart of Decision-Feedback Equalization). The first contribution of this thesis is to provide an overwiew of precoding strategies based on THP scheme. There are two different THP structures, here denoted as Cioffi's THP (C-THP) and Equal-Rate THP (ER-THP). ER-THP, unlike C-THP, can be enhanced by changing the order of successive interference pre-cancellation or using concepts from Lattice Reduction theory. However, the achievable sum rate of all the modified ER-THP schemes have been compared with the sum date of basic C-THP, still favoring the latter. As a consequence, it has been designed a novel C-THP scheme in which the order of successive interference cancellation can be optimized. Two ordering stretegies, denoted as VBLAST ordering and Reversed VBLAST ordering, have been compared with C-THP leading to the conclusion that for high SNR values the impact of ordering on the sum rate is negligible. However, ordering strongly influences how much rates vary from one user to another in each channel realization and consequently the standard deviation of the rate. In particular VBLAST C-THP leads to the maximization of the lowest rate in each channel realization, with negligible loss in the sum rate with respect to the other ordering strategies. Moreover in case of channels with different gain VBLAST C-THP guarantees fairness among users equalizing their respective rates.

Nei sistemi di comunicazione multi utente che utilizzano una schiera di antenne al trasmettitore e una singola antenna al ricevitore la precodifica è essenziale per eliminare o minimizzare l'interferenza multi-utente e per concentrare tutte le operazioni di trattamento del segnale nella Stazione Radio Base trasmettitrice. Infatti i terminali degli utenti devono essere più semplici possibile e non possono cooperare. La precodifica non-lineare di Tomlinson-Harashima (THP) mostra un significativo guadagno rispetto a precodifiche lineari come quella a Zero-Forcing (LZF). THP è una strategia di precodifica basata sul concetto di pre-cancellazione sequenziale dell'interferenza al trasmettitore (è la controparte al trasmettitore dell'equalizzazione a Decision-Feedback). Il primo contributo di questa tesi è quello di fornire una revisione delle strategie di precodifica basate sullo scheme del THP. Vi sono due differenti strutture THP, qui chiamate THP di Cioffi (C-THP) e Equal Rate THP (ER-THP). ER-THP, al contrario di C-THP, può essere migliorato cambiando l'ordine di pre-cancellazione dell'interferenza o utilizzando concetti dalla teoria di Lattice Reduction. Tuttavia il rate raggiungibile da tutte le versioni modificate di ER-THP è stato confrontato con quello del normale C-THP, continuando a favorire quest'ultimo. Di conseguenza è stato progettare uno schema di precodifica basato sulla struttura C-THP, nella quale però l'ordine di cancellazione dell'interferenza da un utente all'altro può essere ottimizzato. Due strategie di ordinamento, chiamate VBLAST e VBLAST inverso, sono state confrontate. Da tale confronto risulta che per alti valori del rapporto segnale-disturbo (SNR), l'impatto dell'ordinamento sul rate medio per utente è trascurabile. Tuttavia l'ordinamento influenza fortemente la distribuzione dei rate tra i vari utenti. In particolare VBLAST C-THP porta alla massimizzazione del rate più basso per ogni realizzazione di canale (la deviazione standard tra i rate degli utenti è minima) con perdite trascurabili nel rate medio per utente rispetto alle altre strategie di ordinamento.