State-of-the-art assessment of 5G mmWave communications

Deliverable D2.1 del proyecto 5GWirelessMain objective of the European 5Gwireless project, which is part of the H2020 Marie Slodowska- Curie ITN (Innovative Training Networks) program resides in the training and involvement of young researchers in the elaboration of future mobile communication networks, focusing on innovative wireless technologies, heterogeneous network architectures, new topologies (including ultra-dense deployments), and appropriate tools. The present Document D2.1 is the first deliverable of Work- Package 2 (WP2) that is specifically devoted to the modeling of the millimeter-wave (mmWave) propagation channels, and development of appropriate mmWave beamforming and signal processing techniques. Deliver D2.1 gives a state-of-the-art on the mmWave channel measurement, characterization and modeling; existing antenna array technologies, channel estimation and precoding algorithms; proposed deployment and networking techniques; some performance studies; as well as a review on the evaluation and analysis toolsPostprint (published version

Design of terahertz transceiver schemes for ultrahigh-speed wireless communications

Future ultra-high-speed wireless communication systems face difficult challenges due to the fundamental limitations of current technologies operating at microwave frequencies. Supporting high transmission rates will require the use of more spectral resources that are only available at higher frequencies. Within this context, terahertz (THz) communications have been attracting more and more attention, being considered by the research community as one of the most promising research fields on the topic due to the availability of extensive unused bandwidth segments. However, its widespread use is not yet possible due to some obstacles, such as the high propagation losses that occur in this band and the difficulty in designing devices that can effectively perform both transmission and detection tasks. The purpose of this dissertation is to contribute for the solution of both of the aforementioned problems and to propose novel THz transceiver schemes for ultra-high-speed wireless communications. Three main research areas were addressed: device modelling for the THz; index modulation (IM) based schemes for Beyond 5G (B5G) networks and hybrid precoding designs for THz ultra massive (UM) – multiple input multiple output (MIMO) systems. The main contributions of this work include the creation of a new design for a reconfigurable THz filter; the proposal of a precoded generalized spatial modulation scheme for downlink MIMO transmissions in B5G networks; the creation of a low-complexity hybrid design algorithm with a near fully-digital performance for multiuser (MU) mmWave/THz ultra massive MIMO systems that can incorporate different analog architectures; and the system-level assessment of cloud radio access network (C-RAN) deployments based on low-complexity hybrid precoding designs for massive MIMO downlink transmissions in B5G networks. The first contribution is especially suited for the implementation of reconfigurable THz filters and optical modulators, since it is based on a simple design, which transits from situations in which it presents a full transparency to situations where it achieves full opacity. Moreover, this approach can also be used for the implementation of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RIS) which are important for enabling flexible system designs in RIS-assisted networks. The second contribution showed that the implementation of precoding schemes based on generalised spatial modulations is a solution with a considerable potential for future B5G systems, since it can provide larger throughputs when compared to conventional MU-MIMO schemes with identical spectral efficiencies.The last two contributions showed that through the proposed hybrid design algorithm it becomes possible to replace a fully digital precoder/combiner by a fully-connected or even by a partially-connected architecture (array of subarrays and dynamic array of subarrays), while achieving good tradeoffs between spectral efficiency, power consumption and implementation complexity. These proposals are particularly relevant for the support of UM-MIMO in severely hardware constrained THz systems. Moreover, the capability of achieving significant improvements in terms of throughput performance and coverage over typical cellular networks, when considering hybrid precoding‐based C-RAN deployments in two indoor office scenarios at the THz band, was demonstrated.Os futuros sistemas de comunicação sem fios de velocidade ultra-elevada enfrentam desafios difíceis devido às limitações fundamentais das tecnologias atuais que funcionam a frequências de microondas. O suporte de taxas de transmissão altas exigirá a utilização de mais recursos espectrais que só estão disponíveis em frequências mais elevadas. A banda Terahertz (THz) é uma das soluções mais promissoras devido às suas enormes larguras de banda disponíveis no espectro eletromagnético. No entanto, a sua utilização generalizada ainda não é possível devido a alguns obstáculos, tais como as elevadas perdas de propagação que se verificam nesta banda e a dificuldade em conceber dispositivos que possam desempenhar eficazmente as tarefas de transmissão e deteção. O objetivo desta tese de doutoramento, é contribuir para ambos os problemas mencionados anteriormente e propor novos esquemas de transcetores THz para comunicações sem fios de velocidade ultra-elevada. Três grandes áreas de investigação foram endereçadas, contribuindo individualmente para um todo: a modelação do dispositivo para o THz; esquemas baseados em modulações de índice (IM) para redes pós-5G (B5G) e desenhos de pré-codificadores híbridos para sistemas THz MIMO ultra-massivos. As principais contribuições deste trabalho incluem a criação de um novo design para um filtro THz reconfigurável; a proposta de uma nova tipologia de modulação espacial generalizada pré-codificada para transmissões MIMO de ligação descendente para redes B5G; a criação de um algoritmo de design híbrido de baixa complexidade com desempenho quase totalmente digital para sistemas MIMO multi-utilizador (MU) mmWave/THz ultra massivos que podem incorporar diferentes arquiteturas analógicas e a avaliação das implementações da rede de acesso de rádio na nuvem (C-RAN) com base em designs de pré-codificação híbridos de baixa complexidade para transmissões MIMO de ligação descendente massivas em redes B5G. A primeira contribuição é especialmente adequada para a implementação de filtros THz reconfiguráveis e moduladores óticos, uma vez que se baseia numa concepção mais simples, que transita de situações em que apresenta uma transparência total para situações em que atinge uma opacidade total. Para além disso, esta abordagem também pode ser utilizada para a implementação de superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS) de transmissão e reflexão simultânea (STAR). A segunda contribuição mostrou que a implementação de esquemas de pré-codificação baseados em modulações espaciais generalizadas é uma solução com um potencial considerável para futuros sistemas B5G, uma vez que permite alcançar maiores ganhos em termos de débito binário quando comparado com esquemas convencionais MU-MIMO com eficiências espectrais idênticas. As duas últimas contribuições mostraram que através do algoritmo proposto torna-se possível substituir a utilização de uma arquitectura totalmente digital por uma arquitetura totalmente conectada ou mesmo por uma arquitetura parcialmente conectada (arrays de subarrays e arrays dinâmicos de subarrays), conseguindo-se bons tradeoffs entre eficiência espectral, consumo de energia e complexidade de implementação. Estas propostas são particularmente relevantes para dar suporte a sistemas THz UM-MIMO com restrições severas ao nível de hardware. Demonstrou-se também a capacidade de se alcançar melhorias significativas em termos de débito binário e cobertura em relação a redes celulares típicas, considerando dois cenários na banda THz

Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands

[ES] La llegada de la próxima generación del estándar de comunicaciones móviles, la llamada quinta generación (5G), es prácticamente una realidad. Las primeras redes comerciales han comenzado a ser desplegadas, centrándose en ofrecer altas velocidades de transferencia de datos. Sin embargo, el estándar 5G va mucho más allá y prevé dar soporte a nuevos servicios que pretenden revolucionar la sociedad. Estos nuevos servicios imponen un nivel alto de requisitos en no solo en cuanto a velocidad del tráfico de datos, sino en cuanto a latencia o número de dispositivos conectados simultáneamente. La amplia variedad de requisitos no puede ser soportada por las redes de cuarta generación (4G), por lo que se hizo necesario plantear un nuevo paradigma para las redes inalámbricas. Con la promesa de grandes cantidades de ancho de banda sin utilizar, el estándar 5G contempla utilizar frecuencias en la comúnmente conocida como banda de milimétricas (mmWave). Esta banda presenta grandes pérdidas de propagación, que se acentúan si existen bloqueos de señal. Actividades regulatorias del uso de las bandas de milimétricas atrajo el interés tanto de la industria como de la academia en plantear soluciones para dar servicio en estas bandas. En los últimos años se han presentado infinidad de trabajos basados en sistemas con múltiples antenas o MIMO, para conformar las señales transmitidas o recibidas en haces apuntando en determinadas direcciones. La ganancia que aportan los sistemas MIMO pueden compensar las altas pérdidas de propagación, asegurando la viabilidad de las comunicaciones mmWave. Se ha detectado una evidente falta de estudios sobre la viabilidad de sistemas MIMO en entornos móviles y dinámicos con bloqueos que hagan necesario que el sistema se reconfigure. Esta Tesis pretende cubrir este espacio desde un enfoque práctico y propone mecanismos de gestión de los haces para hacerles un seguimiento utilizando los recursos y mecanismos del nuevo estándar 5G. Las soluciones aportadas se basan en el uso eficiente de los reportes de medidas de las señales de referencia estandarizadas en enlace descendente. En primer lugar, esta Tesis recoge un análisis minucioso del estado del arte, donde se corrobora la necesidad de aportar soluciones de seguimiento de haces en sistemas de comunicaciones en la banda de milimétricas. Además, se estudian los diferentes mecanismos definidos en el estándar 5G y que posibilitan el seguimiento. Cabe destacar que el estándar no define un mecanismo único a seguir, permitiendo presentar propuestas. Una vez conocidas las tecnologías, se centra el estudio en el impacto del seguimiento sobre las prestaciones a nivel de red y de enlace. Dicho estudio se realiza sobre un sistema punto a punto, donde el terminal móvil se desplaza por un entorno urbano. En base a simulaciones de red, se cuantifica el índice de seguimiento de haz y de cómo dicho seguimiento afecta a la relación señal a ruido más interferencia (SINR) y la tasa de transmisión del usuario. Las soluciones de seguimiento propuestas en esta Tesis se pueden clasificar en dos categorías. En una primera categoría, se realiza el seguimiento en base a reportes de medidas de las señales de referencia. Independientemente de la velocidad, se alcanza un seguimiento del 91% con poca penalización en la tasa de transmisión si se monitorizan los haces de interés con una periodicidad menor de 20 ms. En la segunda categoría caben mecanismos de seguimiento que hacen uso de fuentes externas de información. Dentro de esta categoría, se propone un fingerprinting que relacione haces con la localización reportada y un modelo de machine learning (ML) que prediga los haces a utilizar. El fingerprinting proporciona los mismos niveles de rendimiento. Sin embargo, esta solución es muy sensible a errores y requiere considerar todos los casos posibles, lo que la hace tecnológicamente inviable. En cambio, el modelo de ML, que hace p[CA] L'arribada de la següent generació de l'estàndard de comunicacions mòbils, l'anomenada cinquena generació (5G), es pràcticament una realitat. Les primeres xarxes comercials han començat a desplegar-se i s'han centrat en oferir altes velocitats de transferència de dades. No obstant, l'estàndard 5G va molt mes allà y preveu donar suport a nous serveis que pretenen revolucionar la societat. Estos nous serveis imposen un alt nivell de requisits no sols en quant a velocitat de tràfic de dades, si no també en quant a latència o número de connexions simultànies. L'ampla varietat de requisits no es suportada per les xarxes de quarta generació (4G) actuals, per el qual es va fer necessari un nou paradigma de xarxes sense fil. Amb la promesa de amplies quantitats d'ample de banda, l'estàndard 5G contempla utilitzar freqüències a la banda de mil·limètriques. Esta banda presenta l'inconvenient d'experimentar grans pèrdues de propagació, que s'accentuen en cas de bloqueigs. L'apertura de les bandes de mil·limètriques va atraure l'interès tant de l'industria com de l'acadèmia en plantejar solucions per a donar servei en estes bandes. En els últims anys s'han presentat infinitat de treballs basats en sistemes amb múltiples antenes o MIMO, per a conformar els senyals transmesos o rebuts en feixos apuntant en determinades direccions d'interès. El guany de feix es pot utilitzar per a compensar les pèrdues de propagació, assegurant la viabilitat de les comunicacions en la banda de mil·limètriques. No obstant això, s'ha detectat una preocupant manca d'estudis sobre la viabilitat d'estos sistemes en entorns mòbils i dinàmics, amb obstacles que bloquejen els feixos i facen necessari que el sistema es reconfigure. El present treball de Tesi pretén cobrir este espai buit i des d'un punt de vista pràctic, es proposen mecanismes de gestió dels feixos per a ser el seguiment utilitzant els recursos i mecanismes dels que disposa l'estàndard 5G. D'esta manera, les solucions aportades es basen en la utilització eficient dels reports de mesures dels senyals de referència del enllaç descendent. En primer lloc, esta Tesi recull una anàlisi minuciosa de l'estat de l'art on es corrobora la necessitat de aportar solucions de seguiment de feixos per a comunicacions en la banda de freqüències mil·limètriques. A més a més, s'estudien els diferents mecanismes definits a l'estàndard 5G i que possibiliten el seguiment. Cap destacar que l'estàndard no defineix un mecanisme únic, si no que deixa la porta oberta a presentar propostes. Una vegada conegudes les tecnologies, l'estudi es centra en l'impacte del seguiment sobre les prestacions a nivell de xarxa i d'enllaç. Este estudi es realitza sobre un sistema MIMO punt a punt, en una única estació base i un terminal mòbil desplaçant-se en un entorn urbà. En base a simulacions d'extrem a extrem, es quantifica l'índex de seguiment de feix i com l'anomenat seguiment afecta a la relació senyal a soroll més interferència (SINR) i a la taxa instantània de transmissió de l'usuari. Les solucions de seguiment de feixos propostes a la Tesi es poden classificar en dos categories. A la primera categoria, el seguiment de feixos es realitza en base als reports de mesures dels senyals de referència. Independentment de la velocitat, s'arriba a una taxa de seguiment del 91% amb poca penalització de taxa de transmissió si els feixos d'interès es mesuren amb una periodicitat menor a 20 ms. A la segona categoria pertanyen els algoritmes que utilitzen fonts d'informació externes. Dins d'aquesta categoria es proposa un fingerprinting que relaciona un parell de feixos amb la ubicació de l'usuari, i a banda un model d'intel·ligència artificial (IA) que preveu el feix a utilitzar. El fingerprinting ofereix el mateix rendiment. Però, esta solució es molt sensible a errors i requereix considerar tots els casos possibles, fent-la tecnològicament inviable. En canvi, el[EN] The arrival of the next generation of mobile communication standards, the so-called Fifth Generation (5G), is already a reality. The first commercial networks have begun to be deployed, and they focus on providing higher data rates. However, the 5G standard goes much further from that and aims at providing support to new services which will revolutionise the society. These new services impose a high level of requirements not only in terms of the data traffic speed, but also in terms of very low latency or incredibly large number of simultaneous connections. This wide variety of requirements cannot be technologically supported by the current Fourth Generation (4G) networks, so it became necessary to move forward with a new paradigm for wireless networks. With the promise of large amounts of bandwidth, in the order of GHz, the 5G standard contemplates the use of frequencies in the commonly known Millimetre Wave (mmWave) band. The mmWave band experiences large propagation losses, which are accentuated in blockage events. Regulatory activities worldwide in the mmWave bands attracted the interest of both the industry and the academia. In the last few years, a tremendous number of contributions on mmWave propagation studies and networks have appeared, most of them based on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) solutions. MIMO architectures allow to beamform, which focuses the radiated energy on certain directions of interest called beams. The additional beam gain compensates the high propagation losses, ensuring the viability of the communications in the mmWave band. There is an evident lack of viability studies of mmWave MIMO systems in mobile and highly-dynamic environments, where obstacles may block beams and forcing frequent re-configurations. This Thesis work aims to fill this gap from a practical approach. This Thesis proposes beam management mechanisms utilising the mechanisms and resources offered by the Third Generation Partnership Project (3GPP) 5G radio access standard: 5G New Radio (NR). The practical solutions are based on the efficient use of measurement reports of standardised downlink Reference Signals (RS). In first place, this Thesis provides a thorough state-of-the-art analysis and corroborates the need of adopting beam tracking solutions for mmWave networks. Then, a complete overview of the 5G standard mechanisms that enable beam tracking is given. The NR standard does not define a standardised mechanism for beam tracking, leaving the door open to proposals to carry out such monitoring. Once the technologies have been identified, the Thesis continues with assessing the impact of the beam tracking strategies on the network and link-level performance. The study is focused on individual point-to-point mmWave links in a realistic urban environment. Based on end-to-end network simulations, the Thesis is interested in assessing the beam tracking success ratio and how beam misalignment affects the perceived Signal to Noise plus Interference Ratio (SINR) and user throughput at pedestrian and vehicular speeds. The beam tracking solutions proposed in this Thesis fall into two categories. The first category monitors beams based on measuring and reporting beamformed RS. Regardless of the speed, this beam tracking category provides up to 91 % tracking performance, with little throughput reduction if the beams of interest are measured with a periodicity below 20 ms. Beam tracking in the second category relies on external information sources. Within this category, this Thesis proposes a fingerprinting database relating beams to the user position and a machine learning (ML) model. Fingerprinting beam tracking is technologically viable and provides similar performance levels. However, this solution is very sensitive to errors and requires considering all possible situations. The ML beam tracking, which makes predictions with a 16 % of estimation error for the reference data set.I want to thank the Spanish Ministry of Education and Professional Formation for funding this Thesis work with an official pre-doctoral contract grant.Herranz Claveras, C. (2019). Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130845TESI

A Tutorial on Extremely Large-Scale MIMO for 6G: Fundamentals, Signal Processing, and Applications

Extremely large-scale multiple-input-multiple-output (XL-MIMO), which offers vast spatial degrees of freedom, has emerged as a potentially pivotal enabling technology for the sixth generation (6G) of wireless mobile networks. With its growing significance, both opportunities and challenges are concurrently manifesting. This paper presents a comprehensive survey of research on XL-MIMO wireless systems. In particular, we introduce four XL-MIMO hardware architectures: uniform linear array (ULA)-based XL-MIMO, uniform planar array (UPA)-based XL-MIMO utilizing either patch antennas or point antennas, and continuous aperture (CAP)-based XL-MIMO. We comprehensively analyze and discuss their characteristics and interrelationships. Following this, we examine exact and approximate near-field channel models for XL-MIMO. Given the distinct electromagnetic properties of near-field communications, we present a range of channel models to demonstrate the benefits of XL-MIMO. We further motivate and discuss low-complexity signal processing schemes to promote the practical implementation of XL-MIMO. Furthermore, we explore the interplay between XL-MIMO and other emergent 6G technologies. Finally, we outline several compelling research directions for future XL-MIMO wireless communication systems.Comment: 38 pages, 10 figure

A Concise Review of 5G New Radio Capabilities for Directional Access at mmWave Frequencies

In this work, we briefly outline the core 5G air interface improvements introduced by the latest New Radio (NR) specifications, as well as elaborate on the unique features of initial access in 5G NR with a particular emphasis on millimeter-wave (mmWave) frequency range. The highly directional nature of 5G mmWave cellular systems poses a variety of fundamental differences and research problem formulations, and a holistic understanding of the key system design principles behind the 5G NR is essential. Here, we condense the relevant information collected from a wide diversity of 5G NR standardization documents (based on 3GPP Release 15) to distill the essentials of directional access in 5G mmWave cellular, which becomes the foundation for any corresponding system-level analysis.Comment: 14 pages, 6 figures, 4 tables, published in proceedings of International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking, NEW2AN 2018, St. Petersburg, Russi