Técnicas de equalização híbridas para sistemas heterogéneos na banda das ondas milimétricas

With the constant demand for better service and higher transmission rates current technologies are reaching the limits of the channel capacity. Although, technologies such as MIMO and Heterogeneous systems appear to increase the channel capacity by introducing more antennas at the transceivers making the link between users and base station more reliable. Furthermore, the current spectrum, sub-6GHz, is becoming saturated and due to the properties of such frequencies the deployment of heterogeneous systems can introduce some levels of interference. Towards improving future communication systems a new part of the frequencies spectrum available should be used, researchers have their eyes on the mmWave band. This band allows to increase the carrier frequency and respective signal bandwidth and therefore increase the transmission speeds, moreover the properties of such frequencies unlock some advantages over the frequencies used in the sub-6G band. Additionally, mmWave band can be combined with massive MIMO technology to enhance the system capacity and to deploy more antenna elements in the transceivers. One more key technology that improves the energy efficiency in systems with hundreds of antenna elements is the possibility to combine analog and digital precoding techniques denoted as hybrid architectures. The main advantages of such techniques is that contrary to the full digital precoding processing used in current systems this new architecture allows to reduce the number of RF chains per antenna leading to improved energy efficiency. Furthermore to handle heterogeneous systems that have small-cells within the macro-cell, techniques such as Interference Alignment (IA) can be used to efficiently remove the existing multi-tier interference. In this dissertation a massive MIMO mmWave heterogeneous system is implemented and evaluated. It is designed analog-digital equalizers to efficiently remove both the intra an inter-tier interference. At digital level, an interference alignment technique is used to remove the interference and increase the spectral efficiency. The results showed that the proposed solutions are efficient to remove the macro and small cells interference.Com a constante procura de melhores serviços e taxas de transmissão mais elevadas, as tecnologias atuais estão a atingir os limites de capacidade do canal. Contudo tecnologias como o MIMO e os sistemas heterogéneos permitem aumentar a capacidade do canal através da introdução de mais antenas nos transcetores e através da implementação de pequenos pontos de acesso espalhados pela célula primária, com o intuito de tornar as ligações entre os utilizadores e a estação base mais fiáveis. Tendo também em atenção que o espectro atual, sub-6GHz, está sobrecarregado e que devido às propriedades das frequências utilizadas a implementação de sistemas heterogéneos pode levar a níveis de interferência insustentáveis. Por modo a resolver esta sobrecarga futuros sistemas de comunicação devem aproveitar uma maior parte do espectro de frequências disponível. A banda das ondas milimétricas (mmWave) tem sido apontada como solução, o que permite aumentar a frequência utilizada para transportar o sinal e consequentemente aumentar as velocidades de transmissão. Uma outra vantagem da banda mmWave é que pode ser combinada com a tecnologia MIMO massivo, permitindo implementar mais elementos de antena nos terminais e consequentemente aumentar a capacidade do sistema. Umas das tecnologias desenvolvida para melhorar a eficiência energética em sistemas com centenas de antenas é a possibilidade de combinar técnicas de codificação analógica e digital, designadas como arquiteturas híbridas. A principal vantagem desta técnica é que, contrariamente ao processamento feito nos sistemas atuais, totalmente no domínio digital, esta nova arquitetura permite reduzir o número de cadeias RF por antena. Com o intuito de reduzir a interferência em sistemas heterogéneos, técnicas como o alinhamento de interferência são usadas para separar utilizadores das células secundárias dos utilizadores das células primárias de modo a reduzir a interferência multi-nível existente no sistema geral. Nesta dissertação, é implementado e avaliado um sistema heterogéneo que combina MIMO massivo e ondas milimétricas. Este sistema é projetado com equalizadores analógico-digitais para remover com eficiência a interferência intra e inter-camadas. No domínio digital é utilizada a técnica de alinhamento de interferência para remover a interferência e aumentar a eficiência espectral. Os resultados mostram que as soluções propostas são eficientes para remover a interferência entre as células secundárias e a primária.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Uplink Beam Management for Millimeter Wave Cellular MIMO Systems with Hybrid Beamforming

Hybrid analog and digital BeamForming (HBF) is one of the enabling transceiver technologies for millimeter Wave (mmWave) Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems. This technology offers highly directional communication, which is able to confront the intrinsic characteristics of mmWave signal propagation. However, the small coherence time in mmWave systems, especially under mobility conditions, renders efficient Beam Management (BM) in standalone mmWave communication a very difficult task. In this paper, we consider HBF transceivers with planar antenna panels and design a multi-level beam codebook for the analog beamformer comprising flat top beams with variable widths. These beams exhibit an almost constant array gain for the whole desired angle width, thereby facilitating efficient hierarchical BM. Focusing on the uplink communication, we present a novel beam training algorithm with dynamic beam ordering, which is suitable for the stringent latency requirements of the latest mmWave standard discussions. Our simulation results showcase the latency performance improvement and received signal-to-noise ratio with different variations of the proposed scheme over the optimum beam training scheme based on exhaustive narrow beam search.Comment: 7 pages; 6 figures; accepted to an IEEE conferenc