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    Robust cell-free mmWave/sub-THz access using minimal coordination and coarse synchronization

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    This study investigates simpler alternatives to coherent joint transmission for supporting robust connectivity against signal blockage in mmWave/sub-THz access networks. By taking an information-theoretic viewpoint, we demonstrate analytically that with a careful design, full macrodiversity gains and significant SNR gains can be achieved through canonical receivers and minimal coordination and synchronization requirements at the infrastructure side. Our proposed scheme extends non-coherent joint transmission by employing a special form of diversity to counteract artificially induced deep fades that would otherwise make this technique often compare unfavorably against standard transmitter selection schemes. Additionally, the inclusion of an Alamouti-like space-time coding layer is shown to recover a significant fraction of the optimal performance. Our conclusions are based on an insightful multi-point intermittent block fading channel model that enables rigorous ergodic and outage rate analysis, while also considering timing offsets due to imperfect delay compensation. Although simplified, our approach captures the essential features of modern mmWave/sub-THz communications, thereby providing practical design guidelines for realistic systems

    Comparação do desempenho de arquiteturas híbridas para comunicações na banda das ondas milimétricas

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    Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesA proliferação massiva das comunicações sem os faz prever que o número de utilizadores aumente exponencialmente até 2020, o que tornar a necessário um suporte de tráfego milhares de vezes superior e com ligações na ordem dos Gigabit por segundo. Este incremento exigir a um aumento significativo da e ciência espectral e energética. Impõe-se portanto, uma mudança de paradigma dos sistemas de comunicação sem os convencionais, imposta pela introdução da 5a geração. Para o efeito, e necessário desenvolver novas e promissoras técnicas de transmissão, nomeadamente a utilização de ondas milimétricas em sistemas com um número massivo de antenas. No entanto, consideráveis desafios emergem ao adotar estas técnicas. Por um lado, este tipo de ondas sofre grandes dificuldades em termos de propagação. Por outro lado, a adoção de arquiteturas convencionais para sistemas com um número massivo de antenas e absolutamente inviável, devido ao custo e ao nível de complexidade inerentes. Isto acontece porque o processamento de sinal ao nível da camada f sica e maioritariamente feito em banda base, ou seja, no domínio digital requerendo uma cadeia RF por cada antena. Neste contexto as arquiteturas híbridas são uma proposta relativamente recente que visa simplificar a utilização de um grande número de antenas, dividindo o processamento entre os domínios analógico e digital. Para além disso, o número de cadeias RF necessárias e bastante inferior ao número total de antenas do sistema, contribuindo para obvias melhorias em termos de complexidade, custo e energia consumida. Nesta dissertação e implementada uma arquitetura híbrida para ondas milimétricas, onde cada cadeia RF está apenas conectada a um pequeno conjunto de antenas. E considerado um sistema contendo um transmissor e um recetor ambos equipados com um grande número de antenas e onde, o número de cadeias RF e bastante inferior ao número total de antenas. Pré-codificadores híbridos analógico/digital, recentemente propostos na literatura são utilizados e novos equalizadores híbridos analógico/digital são projetados. E feita uma avaliação de performance à arquitetura implementada e posteriormente comparada com uma outra arquitetura, onde todas as antenas estão conectadas a todas as cadeias RF.The expected massive proliferation of wireless systems points out an exponential increase in the number of users until 2020, which is needed to support up to one thousand times more tra c and connections in order of Gigabit per second. However, these goals require a signi cantly improvement in the spectral and energy e ciency. As a result, it is essential to make a paradigm shift in conventional wireless systems, imposed by the introduction of fth generation (5G). For this purpose, new and promising transmission techniques will be needed, namely the use of millimeter Waves (mmWave) in systems with a massive number of antenna elements. Nevertheless, considerable challenges emerge in the adoption of these techniques. On one hand, mmWave su er great di culties in terms of propagation. On the other hand, the using of conventional architectures for systems with a large number of antennas is absolutely impracticable because of the costs and the level of complexity. This happens because the signal processing in physical layer is mostly done in baseband, which means, that one RF chain for each antenna is required. In this context the hybrid architectures are a relatively recent proposal where the aim is to simplify the use of a large number of antenna elements, dividing the processing between the analog and digital domains. Moreover, the number of RF chains needed are much lower than the total number of antenna elements of the system, which contribute to obvious improvements in terms of complexity, costs and energy consumption. In this Dissertation a hybrid mmWave based architecture, where each RF chain is only connected to a small set of antennas, is implemented. It is considered a system comprising a transmitter and a receiver both equipped with a massive number of antennas and where the number of RF chains is much lower than the number of antennas. Hybrid analog/digital precoders recently proposed in the literature are used and a new hybrid analog/digital equalizer is designed. The implemented architecture is then evaluated and compared with other architecture, where all the antennas are connected to all RF chains

    Técnicas de quantização para sistemas de comunicação híbridos na banda de ondas milimétricas com um número elevado de antenas

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    Since the appearance of mobile communications, the users of this technology have been growing exponentially every day. The escalating mobile traffic growth it has been imposed by the proliferation of smartphones and tablets. The increasing and more intensive use of wireless communications may lead to a future breaking point, where the traditional systems will fail to support the required capability, spectral and energy efficiency. On the other hand, to cover all this current need to have more and more data it is necessary to provide a new range of data rates around the gigabits per second. Today, almost all mobile communications systems use spectrum in the range of 300MHz – 3GHz. It is needed to start looking to the range of 3GHz – 300GHz spectrum for mobile broadband applications. Millimeter waves are one way to alleviate the spectrum gridlock at lower frequencies. MIMO based systems has been researched for the last 20 years and are now part of the current standards. However, to achieve more gains, a grander view of the MIMO concept envisions the use of a large scale of antennas at each base stations, a concept referred as massive MIMO. The symbiotic combination of these technologies and other ones will lead to the development of a new generation system known as the 5G. The knowledge of the channel state information at the transmitter is very important in real massive MIMO millimeter wave systems. In this dissertation a limited feedback strategy for a hybrid massive MIMO OFDM system is proposed, where only a part of the parameters associated to the link channel are quantized and fed back. The limited feedback strategy employs a uniform-based quantization for channel amplitudes, angle of departure and angle of arrival in time domain. After being fed back, this information is used to reconstruct the overall channel in frequency domain and the transmit antenna array, which are then used to compute the hybrid analog-digital precoders. Numerical results show that the proposed quantization strategy achieve a performance close to the one obtained with perfect full channel, with a low overhead and complexityDesde o aparecimento das comunicações móveis, os utilizadores desta tecnologia têm vindo a crescer exponencialmente todos os dias. A escalada do crescimento do tráfego móvel foi imposta, principalmente, pela proliferação de smartphones e tablets. O uso crescente e intensivo das comunicações sem fios pode levar no futuro a um ponto de rutura, onde os sistemas tradicionais não suportam a capacidade requerida, a eficiência espectral e eficiência enérgica. Por outro lado, para cobrir toda esta necessidade atual de ter mais e mais dados, é necessário fornecer taxas de transmissão mais elevadas, em torno dos gigabits por segundo. Hoje, quase todos os sistemas de comunicações móveis usam espectro na faixa de 300 MHz - 3GHz. É necessário começar a procurar a gama de espectro 3GHz - 300 GHz para aplicações de banda larga móvel. Aqui vamos apresentar as ondas milimétricas, sendo esta uma maneira de aliviar espectro em frequências mais baixas. Os sistemas baseados em MIMO foram alvo de pesquisa nos últimos 20 anos e agora fazem parte dos padrões atuais. No entanto, para obter mais ganhos, uma visão mais ampla do conceito MIMO prevê o uso de uma grande quantidade de antenas em cada estação base, um conceito referido como massive MIMO. A combinação simbiótica destas tecnologias levará ao desenvolvimento de um novo sistema de geração denominado 5G. O desenvolvimento de técnicas de conhecimento da informação do canal no transmissor é muito importante em sistemas massive MIMO millimeter wave reais. Nesta dissertação é proposta e avaliada uma estratégia de envio de informação de canal para o transmissor para sistemas massive MIMO OFDM híbrido, onde apenas uma parte dos parâmetros associados ao canal são quantificados e transmitidos para o transmissor. A estratégia de feedback proposta é baseada numa quantização uniforme das amplitudes de canal, ângulos de partida e de chegada, no domínio do tempo. Depois de serem enviadas, essas informações são usadas para reconstruir o canal geral no domínio da frequência e a matriz da antena de transmissão, que são então usadas para obter os precoders híbridos analógico-digitais. Os resultados numéricos mostram que a estratégia de quantificação proposta atinge um desempenho próximo ao obtido caso se conhecesse o canal perfeito no transmissor, com um baixo overhead e complexidadeMestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

    Esquemas de pré-codificação e equalização para arquiteturas híbridas sub-conectadas na banda de ondas milimétricas

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    In the last years, the demand for high data rates increased substantially and the mobile communications are currently a necessity for our society. Thus, the number of users to access interactive services and applications has increased. The next generation of wireless communications (5G) is expected to be released in 2020 and it is projected to provide extremely high data rates for the users. The millimeter wave communications band and the massive MIMO are two promising keys technologies to achieve the multi Gbps for the future generations of mobile communications, in particular the 5G. The conjugation of these two technologies, allows packing a large number of antennas in the same volume than in the current frequencies and increase the spectral efficiency. However, when we have a large number of antennas, it is not reasonable to have a fully digital architecture due to the hardware constrains. On the other hand, it is not feasible to have a system that works only in the analog domain by employing a full analog beamforming since the performance is poor. Therefore, it is required a design of hybrid analog/digital architectures to reduce the complexity and achieve a good performance. Fully connected and sub-connected schemes are two examples of hybrid architectures. In the fully connected one, all RF chain connect to all antenna elements while in the sub-connected architecture, each RF chain is connected to a group of antennas. Consequently, the sub-connected architecture is more attractive due to the low complexity when compared to the fully connected one. Also, it is expected that millimeter waves be wideband, however, most of the works developed in last years for hybrid architectures are mainly focused in narrowband channels. Therefore, in this dissertation it is designed a low complex analog precoder at the user terminals and a hybrid analog-digital multi-user linear equalizer for broadband sub-connected millimeter wave massive MIMO at the base station. The analog precoder at the transmitter considers a quantized version of the average angle of departure of each cluster for its computation. In order to remove the multi-user interference, it is considered a hybrid sub-connected approach that minimizes the bit error rate (BER). The performance results show that the proposed hybrid sub-connected scheme is close to the hybrid full-connected design. However, due to the large number of connections, the full-connected scheme is slightly better than the proposed sub-connected scheme but with higher complexity. Therefore, the proposed analog precoder and hybrid sub-connected equalizer are more feasible to practical applications due to the good trade-off between performance and complexity.Nos últimos anos, a necessidade por elevadas taxas de transmissão de dados tem vindo a aumentar substancialmente uma vez que as comunicações móveis assumem cada vez mais um papel fundamental na sociedade atual. Por isso, o número de utilizadores que acedem a serviços e aplicações interativas tem vindo a aumentar. A próxima geração de comunicações móveis (5G) é esperada que seja lançada em 2020 e é projetada para fornecer elevadas taxas de transmissão de dados aos seus utilizadores. A comunicação na banda das ondas milimétricas e o MIMO massivo são duas tecnologias promissoras para alcançar os multi Gb/s para as comunicações móveis futuras, em particular o 5G. Conjugando essas duas tecnologias, permite-nos colocar um maior número de antenas no mesmo volume comparativamente às frequências atuais, aumentando assim a eficiência espectral. No entanto, quanto se tem um grande número de antenas, não é viável ter uma arquitetura totalmente digital devido às restrições de hardware. Por outro lado, não é viável ter um sistema que trabalhe apenas no domínio analógico. Assim sendo, é necessária uma arquitetura híbrida analógica-digital de modo a remover a complexidade geral do sistema. É esperado que os sistemas de comunicação baseados em ondas milimétricas sejam de banda larga, no entanto, a maioria dos trabalhos feitos para arquiteturas híbridas são focados em canais de banda estreita. Dois exemplos de soluções híbridas são as arquiteturas completamente conectada e sub-conectada. Na primeira, todas as cadeias RF estão ligadas a todas as antenas enquanto na arquitetura sub-conectada cada cadeia RF é ligada apenas a um grupo de antenas. Consequentemente, a arquitetura sub-conectada é mais interessante do ponto de vista prático devido à sua menor complexidade quando comparada à arquitetura completamente conectada. Nesta dissertação é projetado um pré-codificador analógico de baixa complexidade no terminal móvel, combinado com um equalizador multiutilizador desenhado para uma arquitetura híbrida sub-conectada, implementado na estação base. O pré-codificador no transmissor assume um conhecimento parcial da informação do canal e, de modo a remover eficientemente a interferência multiutilizador, é proposta também uma arquitetura híbrida sub-conectada que minimiza a taxa média de erro. Os resultados de desempenho mostram que o esquema híbrido sub-conectado proposto está próximo da arquitetura híbrida completamente conectada. No entanto, devido ao grande número de conexões, a arquitetura híbrida completamente conectada é ligeiramente melhor que a arquitetura sub-conectada proposta à custa de uma maior complexidade. Assim sendo, o pré-codificador analógico e o equalizador sub-conectado híbrido proposto são mais viáveis para aplicações práticas devido ao compromisso entre o desempenho e a complexidade.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe
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