Ondas milimétricas e MIMO massivo para otimização da capacidade e cobertura de redes heterogeneas de 5G

Today's Long Term Evolution Advanced (LTE-A) networks cannot support the exponential growth in mobile traffic forecast for the next decade. By 2020, according to Ericsson, 6 billion mobile subscribers worldwide are projected to generate 46 exabytes of mobile data traffic monthly from 24 billion connected devices, smartphones and short-range Internet of Things (IoT) devices being the key prosumers. In response, 5G networks are foreseen to markedly outperform legacy 4G systems. Triggered by the International Telecommunication Union (ITU) under the IMT-2020 network initiative, 5G will support three broad categories of use cases: enhanced mobile broadband (eMBB) for multi-Gbps data rate applications; ultra-reliable and low latency communications (URLLC) for critical scenarios; and massive machine type communications (mMTC) for massive connectivity. Among the several technology enablers being explored for 5G, millimeter-wave (mmWave) communication, massive MIMO antenna arrays and ultra-dense small cell networks (UDNs) feature as the dominant technologies. These technologies in synergy are anticipated to provide the 1000_ capacity increase for 5G networks (relative to 4G) through the combined impact of large additional bandwidth, spectral efficiency (SE) enhancement and high frequency reuse, respectively. However, although these technologies can pave the way towards gigabit wireless, there are still several challenges to solve in terms of how we can fully harness the available bandwidth efficiently through appropriate beamforming and channel modeling approaches. In this thesis, we investigate the system performance enhancements realizable with mmWave massive MIMO in 5G UDN and cellular infrastructure-to-everything (C-I2X) application scenarios involving pedestrian and vehicular users. As a critical component of the system-level simulation approach adopted in this thesis, we implemented 3D channel models for the accurate characterization of the wireless channels in these scenarios and for realistic performance evaluation. To address the hardware cost, complexity and power consumption of the massive MIMO architectures, we propose a novel generalized framework for hybrid beamforming (HBF) array structures. The generalized model reveals the opportunities that can be harnessed with the overlapped subarray structures for a balanced trade-o_ between SE and energy efficiently (EE) of 5G networks. The key results in this investigation show that mmWave massive MIMO can deliver multi-Gbps rates for 5G whilst maintaining energy-efficient operation of the network.As redes LTE-A atuais não são capazes de suportar o crescimento exponencial de tráfego que está previsto para a próxima década. De acordo com a previsão da Ericsson, espera-se que em 2020, a nível global, 6 mil milhões de subscritores venham a gerar mensalmente 46 exa bytes de tráfego de dados a partir de 24 mil milhões de dispositivos ligados à rede móvel, sendo os telefones inteligentes e dispositivos IoT de curto alcance os principais responsáveis por tal nível de tráfego. Em resposta a esta exigência, espera-se que as redes de 5a geração (5G) tenham um desempenho substancialmente superior às redes de 4a geração (4G) atuais. Desencadeado pelo UIT (União Internacional das Telecomunicações) no âmbito da iniciativa IMT-2020, o 5G irá suportar três grandes tipos de utilizações: banda larga móvel capaz de suportar aplicações com débitos na ordem de vários Gbps; comunicações de baixa latência e alta fiabilidade indispensáveis em cenários de emergência; comunicações massivas máquina-a-máquina para conectividade generalizada. Entre as várias tecnologias capacitadoras que estão a ser exploradas pelo 5G, as comunicações através de ondas milimétricas, os agregados MIMO massivo e as redes celulares ultradensas (RUD) apresentam-se como sendo as tecnologias fundamentais. Antecipa-se que o conjunto destas tecnologias venha a fornecer às redes 5G um aumento de capacidade de 1000x através da utilização de maiores larguras de banda, melhoria da eficiência espectral, e elevada reutilização de frequências respetivamente. Embora estas tecnologias possam abrir caminho para as redes sem fios com débitos na ordem dos gigabits, existem ainda vários desafios que têm que ser resolvidos para que seja possível aproveitar totalmente a largura de banda disponível de maneira eficiente utilizando abordagens de formatação de feixe e de modelação de canal adequadas. Nesta tese investigamos a melhoria de desempenho do sistema conseguida através da utilização de ondas milimétricas e agregados MIMO massivo em cenários de redes celulares ultradensas de 5a geração e em cenários 'infraestrutura celular-para-qualquer coisa' (do inglês: cellular infrastructure-to-everything) envolvendo utilizadores pedestres e veiculares. Como um componente fundamental das simulações de sistema utilizadas nesta tese é o canal de propagação, implementamos modelos de canal tridimensional (3D) para caracterizar de forma precisa o canal de propagação nestes cenários e assim conseguir uma avaliação de desempenho mais condizente com a realidade. Para resolver os problemas associados ao custo do equipamento, complexidade e consumo de energia das arquiteturas MIMO massivo, propomos um modelo inovador de agregados com formatação de feixe híbrida. Este modelo genérico revela as oportunidades que podem ser aproveitadas através da sobreposição de sub-agregados no sentido de obter um compromisso equilibrado entre eficiência espectral (ES) e eficiência energética (EE) nas redes 5G. Os principais resultados desta investigação mostram que a utilização conjunta de ondas milimétricas e de agregados MIMO massivo possibilita a obtenção, em simultâneo, de taxas de transmissão na ordem de vários Gbps e a operação de rede de forma energeticamente eficiente.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe