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Efficient DSP and Circuit Architectures for Massive MIMO: State-of-the-Art and Future Directions
Massive MIMO is a compelling wireless access concept that relies on the use
of an excess number of base-station antennas, relative to the number of active
terminals. This technology is a main component of 5G New Radio (NR) and
addresses all important requirements of future wireless standards: a great
capacity increase, the support of many simultaneous users, and improvement in
energy efficiency. Massive MIMO requires the simultaneous processing of signals
from many antenna chains, and computational operations on large matrices. The
complexity of the digital processing has been viewed as a fundamental obstacle
to the feasibility of Massive MIMO in the past. Recent advances on
system-algorithm-hardware co-design have led to extremely energy-efficient
implementations. These exploit opportunities in deeply-scaled silicon
technologies and perform partly distributed processing to cope with the
bottlenecks encountered in the interconnection of many signals. For example,
prototype ASIC implementations have demonstrated zero-forcing precoding in real
time at a 55 mW power consumption (20 MHz bandwidth, 128 antennas, multiplexing
of 8 terminals). Coarse and even error-prone digital processing in the antenna
paths permits a reduction of consumption with a factor of 2 to 5. This article
summarizes the fundamental technical contributions to efficient digital signal
processing for Massive MIMO. The opportunities and constraints on operating on
low-complexity RF and analog hardware chains are clarified. It illustrates how
terminals can benefit from improved energy efficiency. The status of technology
and real-life prototypes discussed. Open challenges and directions for future
research are suggested.Comment: submitted to IEEE transactions on signal processin
Técnicas de pré-codificação para sistemas multicelulares coordenados
Doutoramento em TelecomunicaçõesCoordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido
crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre
células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e
aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced
sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem
várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da
quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através
da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é
processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma
distribuída em cada estação base.
Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de
potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o
processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída,
neste caso apenas parte do processamento é executado na
unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a
cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o
processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas
propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções
de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células,
de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários
esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de
alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com
diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também
derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema
multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com
uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro
média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem
o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação
de potência completamente distribuídos.
Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas,
bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que
os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre
células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência
propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O
desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos
baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem
ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de
grandes quantidades de informação.Multicell coordination is a promising solution for cellular wireless systems
to mitigate inter-cell interference, improving system fairness and
increasing capacity and thus is already under study in LTE-A under the
coordinated multipoint (CoMP) concept. There are several coordinated
transmission approaches depending on the amount of information shared
by the transmitters through the backhaul network and where the
processing takes place i.e. in a central processing unit or in a distributed
way on each base station.
In this thesis, we propose joint precoding and power allocation techniques
considering different strategies: Full-centralized, where all the processing
takes place at the central unit; Semi-distributed, in this case only some
process related with power allocation is done at the central unit; and Fulldistributed,
where all the processing is done locally at each base station.
The methods are designed in two phases: first the inter-cell interference is
removed by applying a set of centralized or distributed precoding vectors;
then the system is further optimized by centralized or distributed power
allocation schemes. Three centralized power allocation algorithms with
per-BS power constraint and different complexity tradeoffs are proposed.
Also distributed power allocation schemes are proposed by considering
the multicell system as superposition of single cell systems, where we
define the average virtual bit error rate (BER) of interference-free single
cell system, allowing us to compute the power allocation coefficients in a
distributed manner at each BS.
All proposed schemes are evaluated in realistic scenarios considering LTE
specifications. The numerical evaluations show that the proposed schemes
are efficient in removing inter-cell interference and improve system
performance comparing to equal power allocation. Furthermore, fulldistributed
schemes can be used when the amounts of information to be
exchanged over the backhaul is restricted, although system performance is
slightly degraded from semi-distributed and full-centralized schemes, but
the complexity is considerably lower. Besides that for high degrees of
freedom distributed schemes show similar behaviour to centralized ones