Cogni've Beamforming for Spectral Coexistence of Satellite - PowerPoint PPT Presentation

¡ Cogni've ¡Beamforming ¡for ¡Spectral ¡ Coexistence ¡of ¡Satellite ¡and ¡Terrestrial ¡ Networks ¡ ¡ Shree ¡Krishna ¡Sharma ¡(shree.sharma@uni.lu) ¡ Dr. ¡Symeon ¡Chatzinotas ¡ Prof. ¡Björn ¡O8ersten ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ SnT, ¡University ¡of ¡Luxembourg ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 9-­‑11 ¡Oct ¡2013, ¡Rome, ¡Italy ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Outline ¡ q Introduc'on ¡ ¡ Ø CogniLve ¡SatComs ¡ Ø Beamforming ¡ q Proposed ¡Scenarios ¡ q Receive ¡Beamforming ¡ Ø Signal ¡Model ¡ Ø Applicable ¡Techniques ¡ Ø Results ¡ q Transmit ¡Beamforming ¡ Ø Signal ¡Model ¡ Ø Applicable ¡Techniques ¡ Ø Results ¡ q Numerical ¡Results ¡ q Conclusions ¡ 2 ¡

IntroducLon ¡ q Mo'va'on ¡ Ø Increasing ¡Spectrum ¡demand ¡ Ø Temporal ¡and ¡spaLal ¡variaLons ¡ ¡ q Current ¡Status ¡ Ø Spectrum ¡ segmenta'on ¡ ¡ Ø Sta'c ¡frequency ¡allocaLon ¡ ¡ q Future ¡Solu'ons : ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Source: ¡NTIA ¡ Ø Dynamic ¡Spectrum ¡Access ¡ Ø Primary/secondary ¡cogniLon ¡ q Cogni've ¡Radio ¡Techniques : ¡Spectrum ¡Sensing, ¡ Underlay , ¡Overlay, ¡Database ¡ 3 ¡

CogniLve ¡SatComs ¡ q Dual ¡Satellite ¡ Coexistence ¡ ¡ q Hybrid ¡Satellite ¡Terrestrial ¡ Coexistence ¡ Operator 1 Operator 2 Satellte Satellite Gateway 1 Gateway 2 Cognition S. ¡K. ¡Sharma, ¡S. ¡Chatzinotas, ¡and ¡B. ¡O8ersten, ¡“ Cogni've ¡Radio ¡ q Techniques ¡for ¡Satellite ¡Communica'on ¡Systems ” ¡in ¡ proc. ¡IEE ¡ VTC ¡fall ¡, ¡ Las ¡Vegas, ¡NV, ¡2013. ¡ 4 ¡

Beamforming ¡ q Spectral ¡sharing ¡opportunity ¡in ¡the ¡ angular ¡domain ¡ (same ¡Lme, ¡frequency ¡and ¡ geographical ¡locaLon) ¡ q Underlay ¡CR ¡ ¡ ¡ q Beamforming ¡Types : ¡depending ¡on ¡how ¡beamforming ¡weights ¡are ¡chosen. ¡ ¡ ¡ Ø Data ¡independent ¡beamforming ¡ ¡ ¡ Ø Sta's'cally ¡op'mum ¡beamforming : ¡Weights ¡are ¡chosen ¡based ¡on ¡the ¡staLsLcs ¡of ¡ the ¡received ¡data ¡at ¡the ¡array. ¡ MulLple ¡Side-­‑lobe ¡Canceler ¡(MSC) ¡ § Minimum ¡Variance ¡Distor'onless ¡Response ¡(MVDR) ¡ § Linearly ¡Constrained ¡Minimum ¡Variance ¡(LCMV) ¡ ¡ § 5 ¡

Proposed ¡Scenarios ¡ Uplink ¡Coexistence ¡with ¡Receive ¡Beamforming ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Downlink ¡Coexistence ¡with ¡Transmit ¡Beamforming ¡ Satellite Satellte Primary Link k n L i y r a m i r P Weak Interfering Weak reception Link links Satellite Satellte Terminals Strong Terminals Interfering Link Strong Terrestrial Terrestrial Interfering Link Terminals Terminals Secondary Terrestrial Terrestrial Secondary Link BS BS Link q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“ Spa'al ¡Filtering ¡for ¡Underlay ¡Cogni've ¡SatComs ”, ¡ ¡in ¡ proc. ¡PSATS ¡, ¡ Toulouse, ¡ France, ¡June ¡2013. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“ Transmit ¡Beamforming ¡for ¡Spectral ¡Coexistence ¡of ¡ ¡Satellite ¡and ¡Terrestrial ¡ Networks ”, ¡ in ¡proc. ¡CROWNCOM ¡2013 , ¡Washington ¡DC, ¡USA, ¡July ¡2013. ¡ 6 ¡

Proposed ¡Receive ¡Beamforming ¡ q Unique ¡Propaga'on ¡characteris'c ¡of ¡satellite ¡terminals ¡ q SpaLal ¡Filtering ¡(Receive ¡Beamforming) ¡at ¡terrestrial ¡BS ¡ ¡ q The ¡ angular ¡sector ¡ in ¡which ¡interfering ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡satellite ¡terminals ¡are ¡located ¡is ¡ known ¡to ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡beamformer. ¡ ¡ q ¡ The ¡number ¡of ¡interfering ¡terminals ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡their ¡exact ¡loca'ons ¡ are ¡not ¡known. ¡ ¡ q Objec've : ¡to ¡miLgate ¡ interference ¡coming ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡from ¡whole ¡angular ¡sector ¡ and ¡ to ¡maximize ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SINR ¡of ¡desired ¡user . ¡ 7 ¡

Signal ¡Model ¡ q M: ¡number ¡of ¡antennas ¡in ¡the ¡BS ¡array, ¡K: ¡total ¡number ¡of ¡users ¡ ¡(one ¡SU+(K-­‑1) ¡PU) ¡ ¡ q Received ¡Signal ¡y ¡at ¡BS ¡ ¡ q Signal ¡Direc'onal ¡Matrix ¡(SDM) ¡ ¡ ¡ 8 ¡

MVDR ¡and ¡LCMV ¡ ¡ q SINR ¡of ¡the ¡kth ¡desired ¡user ¡ ¡ ¡ q MVDR ¡Problem ¡and ¡Solu'on ¡ q LCMV ¡Problem ¡and ¡Solu'on ¡ 9 ¡

SimulaLon ¡Parameters ¡ q GEO ¡satellite ¡ ¡ q Satellite ¡terminals ¡at ¡azimuth ¡range ¡of ¡10 ◦ ¡ to ¡85 ¡◦ ¡seen ¡from ¡the ¡BS. ¡ q A ¡single ¡desired ¡user ¡at ¡-­‑30 ¡◦ . ¡ q The ¡considered ¡interfering ¡sector ¡is ¡ quanLzed ¡in ¡the ¡interval ¡of ¡5 ◦ ¡ and ¡ consider ¡one ¡terminal ¡in ¡each ¡quanLzed ¡ angle. ¡ q Number ¡of ¡interferers=16 ¡ ¡ 10 ¡

Numerical ¡Results ¡ 0 q LCMV ¡provides ¡similar ¡SINR ¡as ¡ L C MV that ¡of ¡MVDR ¡beamformer ¡ MV D R towards ¡the ¡desired ¡user ¡and ¡ -50 can ¡provide ¡ very ¡low ¡SINR ¡ towards ¡the ¡interfering ¡sector ¡ SINR in dB than ¡the ¡MVDR. ¡ -100 ¡ q LCMV ¡can ¡reject ¡the ¡ -150 interference ¡more ¡effecLvely ¡ than ¡MVDR ¡in ¡the ¡considered ¡ scenario. ¡ -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 A zimuth angles (degrees) ¡ Fig. ¡SINR ¡comparison ¡of ¡ ¡LCMV ¡and ¡MVDR ¡ beamformers ¡in ¡the ¡proposed ¡scenario ¡(M=20, ¡K=17) ¡ 11 ¡

Numerical ¡Results ¡ 20 q The ¡SINR ¡for ¡both ¡decreases ¡ L C MV as ¡ the ¡number ¡of ¡interfering ¡ MV D R 15 users ¡increases ¡in ¡the ¡ 10 considered ¡interfering ¡sector. ¡ 5 ¡ SINR in dB q LCMV ¡shows ¡beTer ¡ 0 performance ¡compared ¡to ¡ -5 MVDR ¡for ¡low ¡number ¡of ¡ -10 interferers ¡(< ¡9 ¡in ¡Fig.) ¡and ¡for ¡ higher ¡number ¡interferers, ¡ -15 MVDR ¡shows ¡beTer ¡ -20 performance ¡ than ¡the ¡LCMV. ¡ 2 4 6 8 10 12 14 16 Number of interferers ¡ Fig. ¡SINR ¡versus ¡number ¡of ¡interferers ¡for ¡the ¡proposed ¡scenario ¡ ¡ with ¡ ¡beamformer ¡designed ¡for ¡M=18, ¡K=17. ¡ ¡ ¡ ¡ 12 ¡

Proposed ¡Transmit ¡Beamforming ¡ q Transmit ¡Beamforming ¡at ¡terrestrial ¡BS ¡ N SAT Terminal q Objec'ves : ¡ ¡ Ø to ¡miLgate ¡ interference ¡towards ¡ ¡ BS ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡considered ¡angular ¡sector ¡ and ¡ to ¡maximize ¡ ¡ E W ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SINR ¡of ¡a ¡desired ¡user . ¡ Terr Satellite Terminal Terminals Ø To ¡miLgate ¡the ¡interference ¡which ¡may ¡be ¡picked ¡ Dish Receiving S interference ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡up ¡by ¡the ¡backlobe ¡of ¡ ¡the ¡ satellite ¡terminals ¡ ¡ ·√ ¡ with main lobe Dish Receiving ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡located ¡beyond ¡ ¡the ¡sector ¡of ¡interest ¡ interference with back lobe Satellite ¡ ¡ ¡ 13 ¡

Signal ¡Model ¡ q M: ¡number ¡of ¡antennas ¡in ¡the ¡BS ¡ ¡array, ¡K: ¡total ¡number ¡of ¡PUs ¡in ¡the ¡considered ¡ sector, ¡one ¡SU. ¡ ¡ q Received ¡Signal ¡at ¡the ¡desired ¡user ¡(SU) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ q Array ¡Response ¡Vector ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ q Interfering ¡signal ¡at ¡the ¡pth ¡PU ¡terminal ¡ ¡ ¡ ¡ 14 ¡

Proposed ¡Techniques ¡ q Scaled ¡LCMV : ¡ ¡ q Modified ¡LCMV ¡ ¡ ¡ ¡ q SU ¡Rate ¡Maximiza'on ¡Problem ¡ ¡ ¡ 15 ¡