Enabling multiple base stations to utilize the spatial dimension in a coordinated manner has been shown to be a fruitful technique for improving the spectral efficiency in wireless interference networks. This thesis considers multicell systems where base stations and mobile stations are equipped with multiple antennas. The base stations coordinate their spatial precoding, but individually serve their mobile stations with data. For such coordinated precoding systems, interference alignment (IA) is a useful theoretical tool, due to its ability to serve the maximum number of interference-free data streams. Three topics related to interference alignment and coordinated precoding are studied. First, the feasibility of IA over a joint space-frequency signal space is studied. A necessary condition for space-frequency IA feasibility is derived, and the possible gain over space-only IA is analyzed. An upper bound on the degree of freedom gain is shown to increase in the number of subcarriers, but decrease in the number of antennas. Numerical studies, using synthetically generated channels and real-world channels obtained from indoors and outdoors channel measurements, are used for sum rate performance evaluation. The results show that although a degree of freedom gain is noticeable due to the space-frequency precoding, the sum rate of the system is mainly improved due to a power gain. Second, distributed channel state information (CSI) acquisition techniques are proposed, which provide estimates of the information necessary to perform distributed coordinated precoding. The methods are based on pilot-assisted channel estimation in the uplink and downlink, and correspond to different tradeoffs between feedback and signaling, backhaul use, and computational complexity. Naively applying the existing WMMSE algorithm for distributed coordinated precoding together with the estimated CSI however results in poor performance. A robustification of the algorithm is therefore proposed, relying on the well known diagonal loading technique. An inherent property of the WMMSE solutions is derived and, when enforced onto solutions with imperfect CSI, results in diagonally loaded receive filters. Numerical simulations show the effectiveness of the proposed robustification. Further, the proposed robustified and distributed WMMSE algorithm performs well compared to existing state-of-the-art robust WMMSE algorithms. In contrast to our approach, the existing methods however rely on centralized CSI acquisition. Third, coordinated precoding systems with hardware impairments are studied. Assuming that impairment compensation techniques have been applied, a model is used to describe the aggregate effect of the residual hardware impairments. An iterative resource allocation method accounting for the residual hardware impairments is derived, based on an existing resource allocation framework. Numerical simulations show that the proposed method outperforms all benchmarks. In particular, the gain over impairments-aware time-division multiple access is substantial. / Genom att låta flera radiobasstationer samarbeta är det möjligt att förbättra spektraleffektiviteten i trådlösa interferensnätverk. Fokus i denna licentiatavhandling ligger på multicellnätverk där både radiobasstationer och mobilenheter har flera antenner. Radiobasstationerna väljer sina spatiella förkodare gemensamt, men skickar data individuellt till sina respektive mobilenheter. För sådana system med koordinerad förkodning ('coordinated precoding') är interferensupprätning ('interference alignment') ett användbart teoretiskt verktyg, eftersom det möjliggör överföring av maximalt antal dataströmmar i nätverket. I avhandlingen studeras tre aspekter av interferensupprätning och koordinerad förkodning. Först undersöks interferensupprätning när signalrummet består av en kombination av rymd- och frekvensdimensioner. Ett nödvändigt villkor härleds för existensen av rymd/frekvens-interferensupprätning, och prestandavinsten analyseras i jämförelse med system där enbart rymddimensionerna används för interferensupprätning. Det föreslagna systemet utvärderas med hjälp av numeriska simuleringar och uppmätta inomhus- och utomhuskanaler. Resultaten visar att rymd/frekvens-interferensupprätning ger upphov till ett ökat antal frihetsgrader, men att summadatatakten främst förbättras tack vare en upplevd effektförstärkning. Därefter undersöks tekniker för skattning av den nödvändiga kanalkännedom som krävs för att genomföra koordinerad förkodning. Det finns flera sätt att erhålla den nödvändiga informationen, t.ex. genom olika kombinationer av kanalskattning, feedback, signalering och användning av backhaulnätverk. Speciellt söks distribuerade metoder, eftersom dessa är fördelaktiga vid praktisk implementering. Tre metoder för skattning av kanalkännedom föreslås. Dessa motsvarar olika avvägningar mellan kanalskattning och signalering, och en av metoderna är helt distribuerad. När den skattade informationen används med en existerande algoritm för koordinerad förkodning blir prestandan undermålig. Därför föreslås två förändringar av algoritmen, vilka leder till mer robusta prestanda. Förändringarna bygger på den välkända diagonal loading-tekniken. Utvärdering av det föreslagna systemet, som består av distribuerad erhållning av kanalkännedom samt den förbättrade algoritmen för koordinerad förkodning, genomförs med numerisk simulering. Resulterande prestanda är i nivå med ett tidigare föreslaget system, som dock kräver centraliserad tillgång till kanalskattningarna, till skillnad från vår nya lösning. Slutligen studeras ett system med koordinerad förkodning och icke-perfekt radiohårdvara. En modell för distortionsbruset orsakad av bristerna i radiohårdvaran används, och en iterativ resurstilldelningsteknik föreslås baserad på ett existerande ramverk. Den föreslagna algoritmen kan implementeras distribuerat över mobilenheterna, men kan i allmänhet inte implementeras distribuerat över radiobasstationerna. Den föreslagna algoritmen utvärderas med numeriska simuleringar, och resultaten visar att prestanda är bättre än alla referensmetoder. Detta visar betydelsen av att hantera bristerna i radiohårdvaran i resurstilldelningen. Sammantaget visar avhandlingen på möjligheterna att öka spektraleffektiviteten i framtida multicellnätverk med hjälp av koordinerad förkodning. / <p>QC 20140512</p>

Wireless communications are important in our highly connected world. The amount of data being transferred in cellular networks is steadily growing, and consequently more capacity is needed. This thesis considers the problem of downlink capacity improvement from the perspective of multicell coordination. By employing multiple antennas at the transmitters and receivers of a multicell network, the inherent spatial selectivity of the users can be exploited in order to increase the capacity through linear precoding and receive filtering. For the coordination between cells, distributed algorithms are often sought due to their low implementation complexity and robustness. In this context, the thesis considers two problem domains: base station clustering and coordinated precoding. Base station clustering corresponds to grouping the cell base stations into disjoint clusters in order to reduce the coordination overhead. This is needed in intermediate-sized to large networks, where the overhead otherwise would be overwhelmingly high. Two solution methods for the clustering problem are proposed: an optimal centralized method, as well as a heuristic distributed method. The optimal method applies to a family of throughput models and exploits the structure of the model to find bounds that can be used to focus the search for the optimal clustering into promising territories. The distributed method instead uses notions from coalitional game theory, where the base stations are modelled as rational and intelligent players in a game. By letting the players make individual deviations that benefit them in the game, i.e.\@ switching clusters, a distributed coalition formation algorithm is obtained. Coordinated precoding is the act of finding the linear precoders and receive filters that maximize the network performance, given a base station clustering. Four specific challenges are studied in this problem domain. First, coordinated precoding under intercluster interference is considered. The channels of the intercluster links are not explicitly estimated due to overhead reasons, and these links thus lead to intercluster interference. By exploiting the known statistics of the intercluster channels, a robust and distributed coordinated precoding algorithm is developed. Second, coordinated precoding under imperfect channel state information is considered. Relying on the channel reciprocity under time-division duplex operation, a distributed estimation framework is proposed. Given the estimated channels, a robust and distributed coordinated precoding algorithm is then derived. Third, coordinated precoding under imperfect radio hardware is considered. By modelling the radio frequency distortion noises, a distributed coordinated precoding method that accounts for the imperfections is proposed. Fourth, joint coordinated precoding and discrete rate selection is considered. By bounding and linearizing an originally intractable optimization problem, a heuristic algorithm is derived which selects the transmit rate from a finite set and simultaneously forms the linear precoders and receive filters. / Trådlös kommunikation är ett viktigt verktyg i dagens ständigt uppkopplade värld. Datamängden som överförs i mobilnätverk ökar stadigt och därmed behovet av mer kapacitet. För att öka kapaciteten i nedlänken så utvecklar denna avhandling nya metoder för koordinering av multicellnätverk. Med flerantenniga sändare och mottagare så kan den spatiala selektiviteten hos mottagarna utnyttjas för att separera dem, vilket ger en ökad kapacitet. För denna koordinering är distribuerade algoritmer ofta att föredra eftersom de är robusta och har låg implementeringskomplexitet. I detta sammanhang undersöker denna avhandling två problemområden: basstationsgruppering och samordnad förkodning. Basstationsgruppering innebär att basstationerna delas in i disjunkta grupper, vilket minskar overheadkostnaden för samordningen. Detta är framför allt nödvändigt i medelstora till stora nätverk, eftersom overheadkostnaden för koordineringen av dessa annars skulle bli för stor. Två lösningar för basstationsgruppering presenteras: dels en optimal och centraliserad metod samt dels en heuristisk och distribuerad metod. Den optimala och centraliserade metoden kan hantera en familj av modeller för den totala datatakten och utnyttjar strukturen i modellen för att fokusera sökandet efter den optimala grupperingen mot lovande områden. Den heuristiska och distribuerade metoden bygger på spelteori för koalitioner och modellerar basstationerna som rationella och intelligenta spelare i ett spel. En distribuerad algoritm för koalitionsformering härleds genom att låta spelarna göra individuella förflyttningar, dvs. byta grupp, när det gynnar dem under spelets regler. Vid samordnad förkodning använder de flerantenniga sändarna och mottagarna linjära förkodare och mottagningsfilter för att maximera nätverkets prestanda. Inom detta problemområde undersöks fyra olika specifika problem. Först undersöks problemet när det finns störningar mellan basstationsgrupperna. För att hålla nere mängden overhead så skattas inte kanalerna mellan grupperna, vilket ger upphov till störningar hos mottagarna. Genom att utnyttja den kända statistiska informationen för dessa okända kanaler kan en robust och distribuerade samordningsmetod för förkodningen utvecklas. Därnäst undersöks problemet då kanalkännedomen är bristfällig i allmänhet. Reciprociteten som uppstår vid tidsdelningsduplexning utnyttjas och flera distribuerade skattningsmetoder härleds. Givet den skattade kanalkännedomen föreslås en robust metod för samordnad förkodning. Därnäst undersöks problemet med samordnad förkodning då radiohårdvaran är bristfällig. En modell för det distortionsbrus som skapas av den bristfälliga hårdvaran används för att föreslå en robust distribuerad metod för samordnad förkodning för detta scenario. Slutligen undersöks valet av diskret datatakt med simultan samordnad förkodning. En heuristisk algoritm utvecklas som löser ett begränsat optimeringsproblem. Algoritmen väljer sänddatatakten från en ändlig mängd och bestämmer simultant de linjära förkodarna och mottagningsfiltrena. / <p>QC 20160407</p>