8/3/2019 Antenna Selection Training In

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MITSUBISHI ELECTRIC RESEARCH LABORATORIES

http://www.merl.com

Antenna Selection Training in

MIMO-OFDM/OFDMA Cellular Systems

Neelesh Mehta, Andreas Molisch, Jinyun Zhang, Erdem Bala

TR2007-094 August 2008

Abstract

Antenna selection allows multiple-antenna systems to achieve most of their promised diversity

gain, while keeping the number of RF chains and, thus, cost/complexity low. In this paper we

investigate antenna selection for fourth-generation OFDMA-based cellular communication sys-

tems, in particular, 3GPP LTE (long-term evolution) systems. We propose a training method for

antenna selection that is especially suitable for OFDMA. By means of simulation, we evaluate

the SNR-gain that can be achieved with our design. We find that the performance depends on

the bandwidth assigned to each user, the scheduling method (round-robin or frequency-domain

scheduling), and the Doppler spread. Furthermore, the signal-to-noise ratio of the training se-

quence plays a critical role. Typically SNR gains are around 2 dB, with larger values obtainable

in certain circumstances.

IEEE International Workshop on Computational Advances in Multimedia

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A n t e n n a S e l e c t i o n T r a i n i n g i nMIMO-OFDM/OFDMA C e l l u l a r S y s t e m sN e e l e s h B . M e h t a , S e n i o r M e m b e r , I E E E , A n d r e a s F . M o l i s c h , F e l l o w , I E E E ,J i n y u n Z h a n g , S e n i o r M e m b e r , I E E E , a n d E r d e m B a l a , M e m b e r , IEEE

A b s t r a c t - A n t e n n a s e l e c t i o n a l l o w s m u l t i p l e - a n t e n n a s y s t e m s t o r e l a t i v e l y l e s s a t t e n t i o n i s t r a i n i n g , t h r o u g h w h i c h t h e c h a n n e la c h i e v e m o s t o f t h e i r p r o m i s e d d i v e r s i t y g a i n , w h i l e k e e p i n g t h e s t a t e s o f a l l a n t e n n a s a r e d e t e r m i n e d i n o r d e r t o s e l e c t t h e b e s tn u m b e r o f RF c h a i n s a n d , t h u s , c o s t / c o m p l e x i t y l o w . I n t h i s p a p e r a n t e n n a . W h i l e a l o w h a r d w a r e c o m p l e x i t y i s o n e o f t h e k e ywe i n v e s t i g a t e a n t e n n a s e l e c t i o n f o r f o u r t h - g e n e r a t i o n OFDMA-b a s e d c e l l u l a r c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s , i n p a r t i c u l a r , 3GPP LTE r a d a n a e s d o f A i t A l S T i m s e s u n q u s e o n s t r a i s u o n t o( l o n g - t e r m e v o l u t i o n ) s y s t e m s . We p r o p o s e a t r a i n i n g m e t h o d f o r t r a i n i n g c a n b e d o n e f o r A S . T h i s i s b e c a u s e o n l y a s u b s e t o fa n t e n n a s e l e c t i o n t h a t i s e s p e c i a l l y s u i t a b l e f o r OFDMA. B y m e a n s t h e a n t e n n a s c a n b e a c t i v a t e d a t a n y i n s t a n t t o t r a n s m i t s i g n a l so f s i m u l a t i o n , w e e v a l u a t e t h e S N R - g a i n t h a t c a n b e a c hi e v ed w i t h ( i n t r a n s m i t A S ) o r r e c e i v e s i g n a l s ( i n r e c e i v e A S ) . T h e o n l yo u r d e s i g n . We f i n d t h a t t h e p e r f o r m a n c e d e p e n d s o n t h e b a n d - p u b l i s h e d w o r k we a r e a w a r e o f i n t h i s c o n t e x t i s [ 1 0 ] ; h o w -w i d t h a s s i g n e d t o e a c h u s e r , t h e s c h e d u l i n g m e t h o d ( r o u n d - r o b i n e v e r t h io r f r e q u e n c y - d o m a i n s c h e d u l i n g ) , a n d t h e D o p p l e r s p r e a d . F u r - , r s p e n r a n a l y z s , a n p t b s s y t e l p p l elrt h e r m o r e , t h e s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o o f t h e t r a i n i n g s e q u e n c e p l a y s s p r e a d e n v i r o n m e n t s , a n d i s t h u s n o t a p p l i c a b l e t o t h e c e l l u l a ra c r i t i c a l r o l e . T y p i c a l SNR g a i n s a r e a r o u n d 2 d B , w i t h l a r g e r s y s t e m s t h a t a r e t h e f o c u s o f t h i s p a p e r .v a l u e s o b t a i n a b l e i n c e r t a i n c i r c u m s t a n c e s . T h i s p a p e r s h o w s how t r a i n i n g c a n b e d o n e f o r t r a n s m i t ASb y h a n d s e t s i n 3GPP LTE s y s t e m s , w h i c h a r e c u r r e n t l y b e i n gs t a n d a r d i z e d . We s u g g e s t t h e u s e o f a v a i l a b l e a n d s p a r s e w i d e -I . I N T R O D U C T I O N b a n d p i l o t s i g n a l s , w h i c h a r e t r a n s m i t t e d a t r e g u l a r i n t e r v a l s .N e x t - g e n e r a t i o n c e l l u l a r c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s , l i k e t h e We f i n d t h a t a c o n s i d e r a b l e a m o u n t o f n o i s e c a n b e t o l e r a t e dl o n g - t e r m e v o l u t i o n ( L T E ) o f 3GPP ( t h i r d g e n e r a t i o n p a r t n e r - o n t h e p i l o t t o n e s w i t h o u t i n f l u e n c i n g t h e e f f e c t i v e n e s s o f A S .s h i p p r o j e c t ) , w i l l h a v e t o p r o v i d e h i g h e r s p e c t r a l e f f i c i e n c y a n d H o w e v e r , i f t h e S i g n a l - t o - N o i s e R a t i o ( S N R ) b e c o m e s c o n s i d -r e l i a b i l i t y . T h e r e i s g e n e r a l c o n s e n s u s t h a t s u c h s y s t e m s w i l l e r a b l y n e g a t i v e , t h e p e r f o r m a n c e l o s s b e c o m e s s i g n i f i c a n t . T h eu s e OFDMA ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) p a p e r a l s o p r e s e n t s e x t e n s i v e s i m u l a t i o n s a n a l y z i n g t h e i m p a c tf o r m u l t i p l e a c c e s s , a n d OFDM ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n o f o t h e r s y s t e m p a r a m e t e r s o n t h e p e r f o r m a n c e . F o r e x a m p l e ,m u l t i p l e x i n g ) a s t h e m o d u l a t i o n f o r m a t . I n o r d e r t o f u r t h e r e n - we i n v e s t i g a t e t h e i m p a c t o f t h e b a n d w i d t h a s s i g n e d t o e a c h

h a n c e t h e s p e c t r a l e f f i c i e n c y a n d r o b u s t n e s s , m u l t i p l e a n t e n n a u s e r , t h e D o p p l e r s p r e a d , a n d t h e c h o s e n s c h e d u l i n g m e t h o d o ne l e m e n t s w i l l b e u s e d a t t h e b a s e s t a t i o n ( B S ) a n d m o b i l e s t a - t h e e f f e c t i v e n e s s o f A S .t i o n ( M S ) . H o w e v e r , i t i s a l s o r e c o g n i z e d t h a t t h e c o m p l e x i t y T h e p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . S e c t i o n I I b r i e f l y d e -a n d c o s t o f MS s m u s t n o t b e s i g n i f i c a n t l y h i g h e r t h a n t h o s e o f s c r i b e s r e l e v a n t a s p e c t s o f t h e p h y s i c a l t r a n s m i s s i o n s t r u c t u r ec u r r e n t h a n d s e t s . o f t h e 3GPP LT E f r e q u e n c y d i v i s i o n d u p l e x u p l i n k . T h e t r a i n -A n t e n n a s e l e c t i o n ( A S ) h a s a t t r a c t e d c o n s i d e r a b l e a t t e n t i o n i n g m e t h o d f o r t r a n s m i t AS i s d e s c r i b e d i n S e c . I I I , a n d v a r i o u sr e c e n t l y a s a s o l u t i o n t h a t r e d u c e s t h e h a r d w a r e c o m p l e x i t y o f a s p e c t s o f i t s s y s t e m - l e v e l p e r f o r m a n c e a r e s t u d i e d i n S e c . I V .m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ( M I M O ) a n t e n n a s y s t e m s w h i l e O u r c o n c l u s i o n s f o l l o w i n S e c . V .s t i l l r e t a i n i n g t h e i r d i v e r s i t y a d v a n t a g e s [ 1 , 2 ] . I n A S , o n l y t h es i g n a l s f r o m a l i m i t e d - s i z e d s u b s e t o f t h e a v a i l a b l e a n t e n n a e l e -m e n t s a r e a d a p t i v e l y c h o s e n a n d p r o c e s s e d b y RF a n d b a s e b a n d I I . P H Y S I C A L FRAME STRUCTUREc i r c u i t r y . T h i s a p p r o a c h g r e a t l y r e d u c e s t h e c o s t o f a t r a n s - T h e LTE u p l i n k u s e s s i n g l e - c a r r i e r OFDMA ( S C -c e i v e r , s i n c e a n t e n n a e l e m e n t s a r e t y p i c a l l y c h e a p a n d e a s y t o OFDMA) [ 1 1 ] . I n t h e u p l i n k , t h e b a s i c u n i t o f t i m e f o ri m p l e m e n t , w h i l e RF c h a i n s , i n p a r t i c u l a r , m i x e r s , l o w - n o i s e d a t a t r a n s m i s s i o n i s a t r a n s m i s s i o n t i m e i n t e r v a l ( T T I ) , w h i c ha m p l i f i e r s , a n d o s c i l l a t o r s a r e e x p e n s i v e . i s 1 ms l o n g . T h e s m a l l e s t t r a n s m i s s i o n u n i t i n t h e u p l i n kC o n s i d e r a b l e w o r k h a s a p p e a r e d i n t h e l i t e r a t u r e o n t h e p e r - i s c a l l e d a r e s o u r c e b l o c k ( R B ) . E a c h RB i s 1 T T I l o n g a n df o r m a n c e o f a n t e n n a s e l e c t i o n , i n c l u d i n g c a p a c i t y [ 3 ] , [ 4 ] , d i - c o n s i s t s o f 1 4 SC-OFDMA s y m b o l s . I n t h e f r e q u e n c y - d o m a i n ,v e r s i t y [ 5 ] , [ 6 ] , o p t i m a l a n d s u b o p t i m a l s e l e c t i o n c r i t e r i a a n d e a c h RB i s 1 8 0 k H z w i d e a n d c o n s i s t s o f 1 2 s u b c a r r i e r s o f 1 5p r o c e s s i n g [ 6 - 9 ] . H o w e v e r , o n e c r i t i c a l a s p e c t t h a t h a s r e c e i v e d k H z b a n d w i d t h e a c h . Of t h e 1 4 SC-OFDMA s y m b o l s , t h e 4 - t ha n d 1 1 - t h s y m b o l s a r e r e s e r v e d f o r d e m o d u l a t i o n r e f e r e n c eN . B . M e h t a i s a t t h e D e p t . o f E l e c t r i c a l C o m m u n i c a t i o n E n g . , I n - sgas(S)TefrtS FM ybli tnaieyd i a n I n s t i t u t e o f S c i e n c e ( I I S c ) , B a n g a l o r e , I n d i a . A . F . M o l i s c h sinl(R).TefrtC-FIAsybls(etavl)a n d J . Z h a n g a r e w i t h t h e M i t s u b i s h i E l e c t r i c R e s e a r c h L a b s ( M E R L ) , u s e d f o r c a r r y i n g e i t h e r t h e s o u n d i n g RS ( R S ) o r d a t a . Th e r e -C a m b r i d g e , M A , U S A ; e - m a i l s : n e e l e s h b m e h t a @ a l u m n i . c a l t e c h . e d u , A n - m a i n i n g s y m b o l s a l w a y s c a r r y d a t a . Each u s e r c a n b e a s s i g n e dd r e a s . M o l i s c h @ i e e e . o r g , j z h a n g @ m e r l . c o m . A . F . M o l i s c h i s a l s o a t t h e D e p t .O f E l e c t r o - a n d I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y , L u n d U n i v e r s i t y , S w e d e n . E . B a l a i s m u l t i p l e RBs f o r t r a n s m i t t i n g d a t a . Th e e x a c t m e c h a n i s m f o ra t I n t e r d i g i t a l C o m m u n i c a t i o n s . t h e s c h e d u l i n g ( i . e . , a s s i g n m e n t o f R B s ) i s n o t s p e c i f i e d . F o r

9 7 8 - 1 - 4 2 4 4 - 1 7 1 4 - 8 / 0 7 / $ 2 5 . O O C 0 0 7 IEEE 1 1 3

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e x a m p l e , a r o u n d r o b i n s c h e d u l i n g i s p o s s i b l e . H o w e v e r , t h e Tx lBS m i g h t a l s o i m p l e m e n t o t h e r , more e f f i c i e n t ( b u t p o t e n t i a l l y --l e s s f a i r ) m e c h a n i s m s . F o r e x a m p l e , i n f r e q u e n c y - d o m a i ns c h e d u l i n g , users ar e a s s i g n e d t h e f r e q u e n c i e s a t w h i c h t h e y T x 2i n s t a n t a n e o u s l y h a v e t h e b e s t t r a n s m i s s i o n q u a l i t y . D e h y D e a yT h e s t a n d a r d t h u s d e f i n e s t w o t y p e s o f R S s . T h e d e m o d u l a -t i o n RS i s u s e d t o d e t e r m i n e - w i t h h i g h a c c u r a c y - t h e c h a n n e l n A e n n a s w k e s l Et r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e s p e c i f i c R B ( s ) u s e d b y a n MS f o r d a t a d c s n a n n a s d o e s n tAntnn SWht r a n s m i s s i o n . A s e c o n d t y p e o f R S , t h e s o u n d i n g R S , i s i n - s & e t e nt e n d e d t o e n a b l e e f f i c i e n t s c h e d u l i n g . T h e BS ( c a l l e d e N o d e B

i n t h e LTE s t a n d a r d ) uses i t t o e s t i m a t e t h e f r e q u e n c y - d o m a i n F i g . 1 . U p l i n k t r a n s m i t a n t e n n a s e l e c t i o n t r a i n i n g u s i n g s o u n d i n g r e f e r e n c ec h a n n e l r e s p o n s e o v er t h e e n t i r e s y s t e m b a n d w i d t h , e . g . , o v e r s i g n a l s1 . 2 5 , 2 . 5 , 5 , o r 1 0 MHz. T h e r e f o r e , t h e s o u n d i n g RS t r a n s m i t -t e d b y e a c h u s e r t y p i c a l l y o c c u p i e s t h e e n t i r e s y s t e m b a n d w i d t h .H o w e v e r , g i v e n t h a t a l l u s e r s ' s o u n d i n g R S s o c c u p y t h e e n t i r e b e d e t e r m i n e d . On t h e d o w n s i d e , u s i n g t h e s o u n d i n g RSs y s t e m b a n d w i d t h , t h e s o u n d i n g RS n e c e s s a r i l y e n c o u n t e r s a f o r AS i s a s l o w e r o p t i o n , a s s o u n d i n g R S s a r e t r a n s m i t -h i g h e r d e g r e e o f i n t e r f e r e n c e t h a n t h e d e m o d u l a t i o n R S , w h i c h t e d l e s s o f t e n . O v e r a l l , h o w e v e r , t h e b e n e f i t s o f u s i n g t h ed o e s n o t o v e r l a p i n t i m e o r f r e q u e n c y f o r d i f f e r e n t u s e r s t h a t a r e s o u n d i n g R S s o u t w e i g h t h e d r a w b a c k s .a s s i g n e d d i f f e r e n t R B s . T h i s l e a d s t o p o o r e r s y s t em b a n dw i d th - I n t h i s p a p e r , we p r o p o s e a n d e v a l u a t e a m e t h o d t o u s e t h ew i d e c h a n n e l e s t i m a t e s . s o u n d i n g RS f o r c l o s e d - l o o p A S , a n d p r o v i d e s i m u l a t i o n r e s u l t sD i f f e r e n t u s e r s a r e a s s i g n e d d i f f e r e n t s o u n d i n g RS s e q u e n c e s t h a t s t u d y i n t e r a c t i o n s b e t w e e n A S , f r e q u e n c y - d o m a i n r e s o u r c et o e n a b l e t h e e N o d e B t o d i s t i n g u i s h a m o n g t h e m . I t i s n o t e w o r - a l l o c a t i o n , n u m b e r o f MSs i n t h e s y s t e m , a n d s c h e d u l i n g [ 1 3 ] .t h y t h a t f o r a s o u n d i n g R S , i t i s n o t n e c e s s a r y t o t r a n s m i t a s i g - T h e t r a i n i n g s c h e m e i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 1 . T h e s o u n d i n g R S ,n a l o n e v e r y a v a i l a b l e s u b c a r r i e r o r i n e v e r y T T I . A s p a r s e R S , w h i c h i s s h o w n a s a l o n g e r v e r t i c a l b a r g i v e n i t s w i d e r b a n d -w h i c h u s e s o n l y , s a y , e v e r y 6 - t h s u b c a r r i e r , p r o v i d e s s u f f i c i e n t w i d t h , i s t r a n s m i t t e d a l t e r n a t e l y f r o m t w o a n t e n n a s , T x 1 a n di n f o r m a t i o n f o r s c h e d u l i n g . T x 2 . T h i s e n a b l e s t h e e N o d e B t o e s t i m a t e t h e c h a n n e l s f r o m

T r a n s m i t AS i s now a " w o r k i n g a s s u m p t i o n " i n t h e 3GPP t h e t w o a n t e n n a s t o i t , a n d t o p e r f o r m RB a l l o c a t i o n a n d A S .LTE s t a n d a r d a n d t h e d e t a i l s a b o u t i t s o p e r a t i o n a r e c u r r e n t l y F o r e x a m p l e , i n t h e f i g u r e , t h e s o u n d i n g RS i s t r a n s m i t t e d e v e r yb e i n g d e t e r m i n e d a n d s p e c i f i e d . O n l y a s i m p l e f o r m o f A S , 2 T T I s , a n d t h e MS s t a r t s t r a n s m i t t i n g f r o m T T I 1 . T h e n , t h ei n w h i c h o n e o u t o f t w o a n t e n n a s i s s e l e c t e d , i s c u r r e n t l y b e - s o u n d i n g R S s o f T T I s 1 , 5 , 9 , . . . a r e t r a n s m i t t e d f r o m t h e f i r s ti n g c o n s i d e r e d g i v e n t h a t t h e b a s e l i n e ( r e f e r e n c e ) a s s u m p t i o n i s a n t e n n a a n d t h e s o u n d i n g R S s o f T T I s 3 , 7 1 1 , . . . a r e t r a n s m i t -t h a t t h e e N o d e B h a s 2 t r a n s m i t a n d r e c e i v e a n t e n n a s a n d t h e MS t e d f r o m t h e s e c o n d a n t e n n a . I n g e n e r a l , how o f t e n t h e s o u n d -h a s 1 t r a n s m i t a n d 2 r e c e i v e a n t e n n a s . S u c h a n a p p r o a c h d e l i v - i n g RS i s s e n t b y e a c h MS i s c o n f i g u r a b l e , a n d i s d e t e r m i n e de r s m o s t o f t h e d i v e r s i t y b e n e f i t s , w h i l e k e e p i n g t h e c o m p l e x i t y b y t h e e N o d e B .l o w .

I V . S I M U L A T I O N RESULTSI I I . ANTENNA S E L E C T I O N TRAINING M ET HOD A . S i m u l a t i o n A s s u m p t i o n s

S e v e r a l AS t r a i n i n g s c h e m e s h a v e b e e n p r o p o s e d t h a t u s e e i - I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f AS u n d e r v a r i o u st h e r t h e d a t a d e m o d u l a t i o n RS o r t h e s o u n d i n g RS t o e n a b l e s c h e d u l i n g a l g o r i t h m s , we p e r f o r m M o n t e - C a r l o s i m u l a t i o n st h e e N o d e B t o e s t i m a t e t h e c h a n n e l s t a t e s o f b o t h a n t e n n a s , a n d w i t h t h e f o l l o w i n g s e t t i n g s : Nu = 2 5 , 5 , o r 2 MSs a r e p l a c e df e e d i t b a c k t o t h e MS [ 1 2 ] . U s i n g t h e R S s s p e c i f i e d i n t h e s t a n - i n a c e l l . T h e s y s t e m f o l l o w s t h e LT E s p e c i f i c a t i o n s a s o u t l i n e dd a r d h a s t h e a d v a n t a g e o f m i n i m i z i n g t h e n u m b e r o f c h an g e s i n S e c . 1 1 , a n d h a s a b a n d w i d t h o f B = 1 0 MHz. T h e a v e r a g er e q u i r e d t o e n a b l e AS i n LTE a n d e a s e s i t s i m p l e m e n t a t i o n . A d a t a SNR a t t h e i n p u t o f e a c h o f t h e r e c e i v e a n t e n n a e l e m e n t sm a j o r q u e s t i o n i s w h e t h e r t h e d e m o d u l a t i o n RS o r t h e s o u n d - i s s e t a s 1 0 d B ( p e r s u b c a r r i e r ) f o r a l l u s e r s . ' T h e p r o p a g a -i n g RS s h o u l d b e u s e d f o r AS t r a i n i n g . T h i s c h o i c e p r e s e n t s t i o n c h a n n e l f r o m e a c h MS t o t h e BS e x h i b i t s a 6 - p a t h T y p i c a li n t e r e s t i n g t r a d e - o f f s i n a m u l t i - u s e r c e l l u l a r s y s t e m . U r b a n ( T U ) p o w e r d e l a y p r o f i l e [ 1 4 ] , w h i c h i s a m o n g t h e moreU s i n g t h e d e m o d u l a t i o n RS e n a b l e s t h e c h a n n e l s t a t e s d i s p e r s i v e o r f r e q u e n c y - s e l e c t i v e o f t y p i c a l l y s i m u l a t e d c h a n n e lo f a l l t h e a n t e n a s t o b e e s t i m a t e d q u i c k l y . H o w e v e r , i t p r o f i l e s . U s i n g s u c h a p r o f i l e l e a d s t o c o n s e r v a t i v e p e r f o r m a n c el e a d s t o p o o r e r c h a n n e l e s t i m a t i o n f o r d a t a d e m o d u l a t i o n g a i n s b e c a u s e t h e m o r e f r e q u e n c y - s e l e c t i v e t h e c h a n n e l , t h e l e s sa t h i g h e r MS s p e e d s s i n c e s o m e o f t h e d e m o d u l a t i o n R S s l i k e l y i t i s t h a t t h e s a m e t r a n s m i t a n t e n n a w i l l b e o p t i m a l f o r a l la r e u s e d f o r A S . M o r e i m p o r t a n t l y , u s e o f d e m o d u l a t i o n t h e R B s - H o w e v e r , t h e h a r d w a r e a d v a n t a g e s t h a t m o t i v a t e ASR S s a l l o w s f o r t h e b e s t a n t e n n a t o b e c h o s e n o n l y a f t e r t h e i n t h e f i r s t p l a c e a l s o m a n d a t e t h a t a n MS m u s t u s e t h e s a m eRBh ve be n ssgnd pioi t r a n s m i t a n t e n n a f o r a l l t h e RBs a s s i g n e d t o i t . T h e e N o d e B h a s* I n c o n t r a s t , u s i n g t h e s o u n d i n g RS f o r AS f a c i l i t a t e s 2 u n c o r r e l a t e d r e c e i v e a n t e n n a s a n d d o e s maximum r a t i o c o m -j o i n t r e q u e n y - d o m i n s c h d u l i n g a n d A , i . e . j o n b i n i n g . T h e a n g u l a r p o w e r s p e c t r u m a t t h e MS h a s a G a u s s i a n

s p a c e - f r e q u e n c y r e s o u r c e a l l o c a t i o n , s i n c e t h e s y s t e m 1 F o r s i m p l i c i t y , w e d o n o t m o d e l t h e i m p a c t o f i m p e r f e c t c h a n n e l e s t i m a t i o nb a n d w i d t h - w i d e c h a n n e l r e s p o n s e o f b o t h t h e a n t e n n a s c a n o f t h e d e m o d u l a t i o n R S o n d a t a S N R .

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s h a p e w i t h a n a n g u l a r s p r e a d o f 5 8 , a n d t h e t r a n s m i t a n t e n n a s 1 0 a t t h e MS a r e s p a c e d h a l f a w a v e l e n t h a p a r t .T h e c h a n n e l e s t i m a t i o n e r r o r i n t h e s o u n d i n g RS S C -OFDMA s y m b o l i s m o d e l e d b y m e a n s o f G a u ss i a n c h a n n e l e s -t i m a t i o n n o i s e a t t h e e N o d e B r e c e i v e r w i t h a p o w e r t h a t v a r i e sb e t w e e n 1 0 d B a n d -1 0 d B ( p e r s u b c a r r i e r ) . A 1 0 d B s o u n d i n g 1 0RS SNR c o r r e s p o n d s t o a l m o s t p e r f e c t c h a n n e l e s t i m a t i o n f o r =.,f r e q u e n c y - d o m a i n s c h e d u l i n g a n d a n t e n n a s e l e c t i o n ( e x c e p t f o rd e l a y s a s s o c i a t e d w i t h s o u nd i n g a n d f e e d b a c k ) . On t h e o t h e r / /0dBh a n d , a - 1 0 d B s o u n d i n g RS SNR c o r r e s p o n d s t o a n e x t r e m e l y 2 d Bn o i s y c h a n n e l e s t i m a t e t h a t e f f e c t i v e l y l e a d s t o r a n d o m AS a s 1 o - 21 0 d Bw e l l a s r a n d o m f r e q u e n c y a s s i g n m e n t . E a c h MS h a s 2 t r a n s m i t S N R o f d a t aa n t e n n a s o u t o f w h i c h o n e i s s e l e c t e d b a s e d o n a 1 - b i t f e e d b a c k F i g . 2 . E n t i r e b a n d w i d t h a s s i g n e d t o 2 5 M S s ( f d 5 H z , r o u n d - r o b i nf r o m t h e e N o d e B . T h e f e e d b a c k d e l a y i s a s s u m e d t o b e 1 T T I . s c h e d u l i n g , s o u n d i n g R S s e n t e v e r y T T I )T h e e N o d e B a s s i g n s RBs b a s e d o n i t s n o i s y e s t i m a t e s o f t h es y s t e m b a n d w i d t h - w i d e c h a n n e l r e s p o n s e s o f a l l t h e U E s , a s 1 0 p e r S e c . I I I . T h e m u l t i p l e R B s , w h e n a s s i g n e d t o a n M S , a r e a s -s u m e d t o b e c o n t i g u o u s , a s t h i s s i m p l i f i e s t h e f r q u e n c y - d o m a i ns c h e d u l i n g a l g o r i t h m a n d a l s o e n a b l e s b e t t e r c h a n n e l e s t i m a -t i o n u s i n g f r e q u e n c y - d o m a i n i n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e s . F o r t h es e l e c t i o n , t h e c a p a c i t y o f e a c h RB i s c a l c u l a t e d u s i n g t h e c h a n - 1 0 - o -n e l e s t i m a t e d e r i v e d f r o m t h e s o u n d i n g R S , a s s u m i n g t h a t i t i sp e r f e c t . B a s e d o n t h e s e c a p a c i t y e s t i m a t e s , we c h o o s e t h e a n -t e n n a s f o r t h e u s e r s a n d e v a l u a t e t h e d a t a SNRs t h e y e n c o u n t e r . 1 0 dBa s t h e p e r f o r m a n c e m e a s u r e . When m u l t i p l e RBs a r e a s s i g n e d 2d Bt o a n M S , t h e a n t e n n a c h o s e n i s t h e o n e t h a t l e a d s t o t h e h i g h e s t 1 0 - 2 d Bc a p a c i t y o v e r a l l RBs b e i n g c o n s i d e r e d f o r a n M S . 6 d . t 1T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s p r e s e n t e d b e l o w s h o w t h e C u m u l a - F i g . 3 . E n t i r e b a n d w i d t h a s s i g n e d t o 5 MSs ( f d 1 0 H z , r o u n d - r o b i nt i v e D i s t r i b u t i o n F u n c t i o n ( C D F ) o f t h e SNR ( o f d a t a ) o b s e r v e d s c h e d u l i n g , s o u n d i n g R S s e n t e v e r y 2 T T I )f o r e a c h RB a s a f u n c t i o n o f t h e c h a n n e l e s t i m a t i o n e r r o r a n dt h e n u m b e r o f MSs s c h e d u l e d p e r T T I . T h i s i s d o n e f o r b o t ht h e r o u n d - r o b i n s c h e d u l e r , w h i c h i s f a i r b u t i n e f f i c i e n t , a n d g o o d a n t e n n a s . I f t h e i n s t a n t a n e o u s SNR o f t h e t w o a n t e n n a st h e f r e q u e n c y - d o m a i n s c h e d u l e r , w h i c h c a n p o t e n t i a l l y s a c r i - i s v e r y d i f f e r e n t , e v e n a q u i t e n o i s y t r a i n i n g s e q u e n c e i s o f t e nf i c e f a i r n e s s f o r t h r o u g h p u t w h e n t h e u s e r s h a v e a s y m m e t r i c s u f f i c i e n t t o d e t e r m i n e w h i c h a n t e n n a i s b e s t .c h a n n e l s o n a v e r a g e . P l o t t i n g t h e C DF o f t h e SNR i s u s e f u l a sSNR i s a f u n d a m e n t a l p e r f o r m a n c e m e a s u r e o n w h i c h a d a p t i v e C . A n t e n n a s e l e c t i o n w i t h f r e q u e n c y - d o m a i n s c h e d u l i n gm o d u l a t i o n a n d c o d i n g a n d H A RQ ( h y b r i d a u t o m a t i c r e p e a t r e - T h e f r e q u e n c y - d o m a i n s c h e d u l i n g a i m s t o a s s i g n e a c h u s e rq u e s t ) r e t r a n s m i s s i o n s w i l l d e p e n d . t o t h e RBs t h a t o f f e r s t h e b e s t c h a n n e l q u a l i t y . We u s e a s u b o p -

t i m u m , t h o u g h s t i l l e f f i c i e n t s c h e d u l i ng a l g o r i th m t h a t w o r k s a sB . A n t e n n a s e l e c t i o n w i t h r o u n d - r o b i n s c h e d u l i n g f o l l o w s : o n c e a n MS i s s e l e c t e d f o r t r a n s m i t t i n g a f i x e d n u m -T h e r o u n d - r o b i n s c h e d u l e r a s s i g n s d i f f e r e n t RBs t o d i f f e r e n t b e r o f c o n t i g u o u s R B s , i t i s n o t s e l e c t e d a g a i n i n t h e s a m e T T I .MSs w i t h o u t t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e i r i n s t a n t a n e o u s c h a n n e l T h e a b o v e l i m i t a t i o n m a k e s t h e s c h ed u l i ng a l g o r i t hm t r a c t a b l es t a t e s . I t s p e r f o r m a n c e w i t h AS w h e n t h e e n t i r e b a n d w i d t h i sa l l o c a t e d t o 2 5 , 5 a n d 2 MSs i n e a c h T T I i s s h o w n i n F i g u r e s 2 ,3 , a n d 4 , r e s p e c t i v e l y . 1 0A s m o r e c o n t i g u o u s RBs a r e a s s i g n e d t o a n M S , t h e r e l a -

t i v e p e r f o r m a n c e g a i n f r o m AS d e c r e a s e s . H o w e v e r , e x c e p t f o rt h e e x t r e m e c a s e s i n w h i c h t h e e n t i r e 1 0 MHz b a n d w i d t h i s a s -s i g n e d t o j u s t 1 o r 2 MSs p e r T T I , AS d e l i v e r s a g a i n o f 1 . 7 d B a t1 0 o i l e a n d 1 . 3 d B a t 1 0 0 o i l e o f t h e s y s t e m - l e v e l S NR C DF w h e n 1 0 .1 0 MSs a r e s c h e d u l e d p e r T T I . F u r t h e r m o r e , AS i s e x t r e m e l yr o b u s t t o i m p e r f e c t c h a n n e l e s t i m a t i o n . E v e n a t a s o u n d i n g RSSNR o f -2 d B , AS s u f f e r s f r o m a p e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n t h a t 'i s l e s s t h a n 0 . 5 d B . v 2 d BAn i n t u i t i v e e x p l a n a t i o n o f t h i s e f f e c t i s t h e f o l l o w i n g : w h e n 602// 8 1 0 o f 1 t* 1 1 0 d B 1t h e SNR o f t h e t w o a v a i l a b l e a n t e n n a s i s s i m i l a r , a c h a n n e l e s - S N o d tt i m a t i o n e r r o r d o e s n o t h a v e a s t r o n g e f f e c t o n t h e a c h i e v a b l e F i g . 4 . E n t i r e b a n d w i d t h a s s i g n e d t o 2 M S s ( f d =1 0 H z , r o u n d - r o b i np e r f o r m a n c e , s i n c e t h e c h o i c e i s b e t w e e n t w o a l m o s t e q u a l l y s c h e d u l i n g , s o u n d i n g R S s e n t e v e r y 2 T T I )

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F i g 0 5 . E n i rbadwdt a s i g e d t o 2 . M s fd5.z freueny-dmai F i . o . - n t r badwdtasine.o Ss(d 0Hz.reunc-omi~~~~~~~~~~~- dB - v 2 dBo - 2 -2

4 6 8 1 0 12 14 1 6 1 8 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8SNR of d a t a SNR of d a t a

F i g . 5 . E n t i r e b a n d w i d t h a s s i g n e d t o 2 5 MSs ( f d =5 H z , f r e q u e n c y - d o m a i n F i g . 7 . E n t i r e b a n d w i d t h a s s i g n e d t o 2 MS s ( f d =10 H z , f r e q u e n c y - d o m a i ns c h e d u l i n g , s o u n d i n g RS s e n t e v e r y 2 T T I ) s c h e d u l i n g , s o u n d i n g RS s e n t e v e r y T T I )10

w i d e b a n d s o u n d i n g r e f e r e n c e s i g n a l i s e x p e c t e d t o e n c o u n t e r .F u t u r e r e s e a r c h i n c l u d e s d e v e l o p i n g t e c h n i q u e s t h a t r e d u c e t h et o t a l n u m b e r o f t i m e s t h e s o u n d i n g r e f e r e n c e s i g n a l n e e d s t o b et r a n s m i t t e d b y a m o b i l e s t a t i o n f r o m b o t h i t s a n t e n n a s w i t h o u tc o m p r o m i s i n g o n p e r f o r m a n c e .

REFERENCES/ ' /1 0dB1 ] N . B . M e h t a a n d A . F . M o l i s c h , " A n t e n n a s e l e c t i o n i n MIMO s y s t e m s , " i n- 2 / / / S / X X 0 6 d B 1 MIMO S y s t e m T e c h n o l o g y f o r W i r e l e s s C o m m u n i c a t i o n s ( G . T s u l o s , e d . ) ,6B ~ ~ ~ ~ c h . 6 , C RC P r e s s , 2 0 0 6 .

1 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 1 8 [ 2 ] A . F . M o l i s c h a nd M . Z . W i n , "MIMO s y s t e m s w i t h a n t e n n a s e l e c t i o n , "S N R o f d a t a IEEE M i c r o w a v e M a g . , v o l . 5 , p p . 4 6 -5 6 , M a r . 2 0 0 4 .[ 3 ] A . F . M o l i s c h , M . Z . W i n , a n d J . H . W i n t e r s , " C a p a c i t y o f MIMO s y s t e m sF i g . 6 . E n t i r e b a n d w i d t h a s s i g n e d t o 5 MSs ( f d 1 0 H z , f r e q u e n c y - d o m a i n w i th a n te n na s e l e c t i o n , " i n P r o c . I C C , H e l s i n k i , p p . 5 7 0 - 5 7 4 , 2 0 0 1 .s c h e d u l i n g , s o u n d i n g RS s e n t e v e r y 2 T T I ) [ 4 ] A . G o r o k h o v , D . G o r e, a n d A . P a u l r a j , " P e r f o r m a n c e b o u n d s f o r a n t e n n as e l e c t i o n i n MIMO s y s t e m s , " i n P r o c . I C C , p p . 3 0 2 1 - 3 0 2 5 , 2 0 0 3 .[ 5 ] A . F . M o l i s c h , M . Z . W i n , a n d J . H . W i n t e r s , " R e d u c e d - c o m p l e x i t y t r a n s -i n t h e p r e s e n c e o f A S , w h i c h i m p o s e s t h e r i g i d c o n s t r a i n t t h a t m i t / r e c e i v e d i v e r s i t y s y s t e m s , " I E E E T r a n s . S i g . P r o c . , v o l . 5 1 , p p . 2 7 2 9 -2 7 3 8 .a n MS c a n t r a n s m i t a t a n y t i m e w i t h o n l y a n t e n n a . A t o t a l o f 5 [ 6 ] D . G o r e a n d A . P a u l r a j , " S t a t i s t i c a l MIMO a n t e n n a s u b - s e t s e l e c t i o n w i t hMSs a r e s i m u l a t e d i n t h e s y s t e m . s p a c e - t i m e c o d i n g , " I E E E T r a n s . S i g . P r o c . , v o l . 5 0 , p p . 2 5 8 0 - 2 5 8 8 , 2 0 0 2 .AS w i t h f r e q u e n c y - d o m a i n s c h e d u l i n g when t h e e n t i r e b a n d - [ 7 ] M . G h a r a v i - A l k h a n s a r i a n d A . B . G e r s h m a n , " F a s t a n t e n n a s u b s e t s e l e c -t i o n i n w i r e l e s s MIMO s y s t e m s , " i n P r o c . I C A S S P , p p . V - 5 7 - V - 6 0 , 2 0 0 3 .w i d t h i s a l l o c a t e d t o 2 5 , 5 a n d 2 MS s i s s h o w n i n F i g u r e s 5 , 6 , [ 8 ] A . G h r a y e b a n d T . M . D u m a n , " P e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f MIMO s y s t e m sa n d 7 , r e s p e c t i v e l y , f o r d i f f e r e n t v a l u e s o f t h e s o u d i n g RS S N R . w i t h a n t e n n a s e l e c t i o n o v e r q u a s i - s t a t i c f a d i n g c h a n n e l s , " I E E E T r a n s . V e h .R S o f - 1 0B c o r r e s p o d s t o r a n - T e c h n . , v o l . 5 2 , p p . 2 8 1 - 2 8 8 , 2 0 0 3 .A s m e n t i o n e d , a s o u n d i n g RS o f 1 0 d B c o r r e s p o n d s t o r a n - [ ] P . D . K a r a m a l i s , N . D . S k e n t o s , a n d A . G . K a n a t a s , " S e l e c t i n g a r r a y c o n-dom AS ( o r , e q u i v a l e n t l y , t h e s i n g l e t r a n s m i t a n t e n n a c a s e ) . We f i g u r a t i o n s f o r MIMO s y s t e m s : a n e v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n a p p r o a c h , "a g a i n s e e t h a t AS i n c u r s a n e g l i g i b i l e p e r f o r m a n c e p e n a l t y s o I E E E T r a n s . W i r e l e s s C o m m u n . , V o l . 3 , p p . 1 9 9 4 - 1 9 9 8 , 2 0 0 4 .

l ong asth o n ig R N Rir a e h n 2 d . W x [ 1 0 ] H . Z h a n g , A . F . M o l i s c h , a n d J . Z h a n g , " A p p l y i n g A n t e n n a S e l e c t i o nl o n g a s t h e s o u n d i n g RS SNR i S g r e a t e r t h a n - 2 d B . We e x p e c t i n WLANs f o r A c h i e v i n g B r o a d b a n d M u l t i m e d i a C o m m u n i c a t i o n , " I E E Et h e f r e q u e n c y - d o m a i n s c h e d u l e r t o o u t p e r f o r m t h e r o u n d - r o b i n T r a n s . B r o a d c a s t i n g , v o l . 5 2 , p p . 4 7 5 - 4 8 2 , 2 0 0 6 .s c h e d u l e r , b e c a u s e t h e f o r m e r s e l e c t s t h e u s e r s w i t h t h e b e s t [ 1 1 ] " T e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n g r o u p r a d i o a c c e s s n e t w o r k ; p h y s i c a l c h a n n e l sa n d m o d u la t io n ( r e l e a s e 8 ) , " T e c h . S p e c . 3 6 . 2 1 1 ( v l . 0 . 0 ) , 3 r d G e n e r a t i o nc h a n n e l s , w h i l e t h e l a t t e r a l w a y s s c h e d u l e s t h e u s e r s a c c o r d i n g P a r t n e r s h i p P r o j e c t ( 3 G P P ) , 2 0 0 7 .t o a f i x e d p a t t e r n , e v e n i f t h e y h a v e v e r y b a d c h a n n e l s . C o m p a r - [ 1 2 ] M i t s u b i s h i E l e c t r i c , " L o w c o s t t r a i n i n g f o r t r a n s m i t a n t e n n a s e l e c t i o n o ni n g F i g s . 5 - 7 w i t h F i g s . 2 - 4 s h o w s t h a t t h e f r e q u e n c y - d o m a i n t h e u p l i n k , " R J - 0 6 2 1 0 8 , 3 G P P R A N ] # 4 6 , A u g . 2 0 0 6 .[ 1 3 ] M i t s u b i s h i E l e c t r i c , " I m p a c t o f s o u n d i n g r e f e r e n c e s i g n a l l o a d i n g o ns c h e d u l e r i n d e e d p e r f o r m s b e t t e r b y 1 - 2 d B . s y s t e m - l e v e l p e r f o r m a n c e o f a d a p t i v e a n t e n n a s w i t c h i n g , " R J - 0 7 3 0 6 8 ,3GPP RAN] # 4 9 b i s , J u l . 2 0 0 7 .[ 1 4 ] M. F a i l l i ( e d . ) , D i g i t a l L a n d M o b i le R a d i o C o m m u n i c a t i o n s - C O S T 2 0 7 .V . CONCLUSIONS E C S C - E E C - E A E C , 1 9 8 9 .We p r o p o s e d a n d e v a l u a t e d a p r a c t i c a l t r a i n i n g m e t h o d t h a t

u s e s t h e w i d e b a n d s o u n d i n g r e f e r e n c e s i g n a l f o r a n t e n n a s e -l e c t i o n i n MIMO-OFDMIOFDMA s y s t e m s , s p e c i f i c a l l y , 3GPPLTE s y s t e m s . T h e m e t h o d r e a l i z e s t h e d i v e r s i t y a d v a n t a g e s o fm u l t i p l e a n t e n n a s y s t e m s w h i l e k e e p i n g t h e h a r d w a r e c o m p l e x -i t y o f h a n d s e t s u n d e r c o n t r o l . D o i n g s o a l s o e n a b l e s j o i n t s p a c e -f r e q u e n c y r e s o u r c e a l l o c a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n . T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e d t h a t j o i n t a n t e n n a s e l e c t i o n a n d s c h e d u l i n g i s e x -t r e m e l y r o b u s t t o t h e h i g h e r c h a n n e l e s t i m a t i o n e r r o r t h a t t h e

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