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

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 transmissão e recepção para sistemas MIMO heterogéneos na banda das ondas milimétricas

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesCom o crescimento dos dispositivos de comunicações móveis e de serviços de banda larga, os requisitos do sistema tornam-se cada vez mais exigentes. O LTE-Advanced apresenta um melhoramento progressivo relativamente ao seu antecessor LTE, introduzindo redes heterogéneas, que têm vindo provar constituir uma solução sólida para melhorar tanto a capacidade, como a cobertura da rede. Quanto à implementação do 5G, será necessário um salto disruptivo na tecnologia, que permita novas possibilidades, tal como a de conectar pessoas e coisas. Para tornar isso possível, é necessário investigar e testar novas tecnologias. MIMO massivo e comunicações em ondas milimétricas são algumas das tecnologias que têm vindo a demonstrar resultados com potencial, tais como o aumento da capacidade e da eficiência espectral. No entanto, devido às características da propagação de ondas milimétricas, a existência de cenários com redes heterogéneas ultradensas é uma possibilidade. Ao se considerar cenários ultradensos com um número massivo de utilizadores, o sistema fica limitado devido à interferência, mesmo operando na banda das ondas milimétricas. Como tal, é de extrema importância o desenvolvimento de técnicas que mitiguem essa interferência. Nesta dissertação, propõe-se uma arquitetura de baixa complexidade para um transmissor e um recetor a operarem no sentido ascendente, numa rede heterogénea ultradensa. Nesta arquitetura são aplicadas tecnologias como MIMO massivo, ondas milimétricas e técnicas de beamforming, com o intuito de mitigar a interferência entre células. Usando a probabilidade de erro de bit como métrica de performance, os resultados mostram que a arquitetura proposta consegue remover a interferência eficientemente, alcançando resultados próximos de uma arquitetura completamente digital.With the constant increase of mobile communication devices and broadband services, the system requirements are getting more demanding. Long Term Evolution (LTE) Advanced comes as a progressive enhancement to its predecessor LTE, introducing heterogeneous networks (HetNets), which have proven to be great solutions to improve both capacity and coverage. As for 5G, it takes more of a disruptive step, enabling new possibilities, such as connecting people and things. To enable such a step, new technologies and techniques need to be researched and tested. Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) and millimeter wave (mmWave) communications are two of such technologies, as they show promising results such as increased capacity and spectral efficiency. However, due to the mmWave propagation constraints, the existence of ultra-dense HetNet scenarios may be a possibility. When considering ultra-dense scenarios with a massive number of users, the system becomes interference-limited, even using mmWave band. As such, the design of interference mitigation techniques that deal with both inter and intra-tier interference are of the utmost importance. In this dissertation, a low complexity analog-digital hybrid architecture for both the transmitter and receiver in the uplink scenario is proposed. It is designed for an ultra-dense heterogeneous system and employing massive MIMO, mmWave and beamforming techniques in order to mitigate both intra- and inter-tier interference. Considering the Bit Error Rate (BER) as the performance metric, the results show that the proposed architecture efficiently removes both inter- and intra-tier interferences, achieving a result close to its fully digital counterpart

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

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

Wideband User Grouping for Uplink Multiuser mmWave MIMO Systems With Hybrid Combining

[Abstract] Analog-digital hybrid precoding and combining schemes constitute an interesting approach to millimeter-wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) systems due to the low hardware complexity and/or low power required for its deployment. However, the design of the hybrid precoders and combiners of a wideband multiuser (MU) mmWave MIMO system is challenging because the signal processing in the analog domain is constrained to be frequency flat. Furthermore, the number of radio frequency (RF) chains limits the number of individual streams that a common base station (BS) can simultaneously serve. This work jointly addresses the user scheduling, the user precoder design, and the BS hybrid combining design for the uplink of wideband MU mmWave MIMO systems. On the one hand, user precoding and BS hybrid combining are jointly designed to minimize the impact of having frequency-flat RF components. On the other hand, a number of users larger than the number of RF chains are served at the BS by employing a distributed quantizer linear coding (DQLC)-based non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme. The use of this encoding strategy also allows exploiting the spatial correlation between the source information. Simulation results show remarkable performance gains of the proposed approaches for wideband mmWave MIMO hardware-constrained systems.10.13039/501100010801-Xunta de Galicia (Grant Number: ED431C 2020/15) 10.13039/501100010801-Centro de Investigación de Galicia CITIC (Grant Number: ED431G2019/01) 10.13039/501100011033-Agencia Estatal de Investigación of Spain (Grant Number: RED2018-102668-T and PID2019-104958RB-C42) European Regional Development Funds (ERDF) of the EU (ERDF Galicia 2014-2020 & AEI/ERDF programs, UE) Predoctoral (Grant Number: BES-2017-081955)Xunta de Galicia; ED431C 2020/15Xunta de Galicia; ED431G2019/0

Rate-splitting multiple access for non-terrestrial communication and sensing networks

Rate-splitting multiple access (RSMA) has emerged as a powerful and flexible non-orthogonal transmission, multiple access (MA) and interference management scheme for future wireless networks. This thesis is concerned with the application of RSMA to non-terrestrial communication and sensing networks. Various scenarios and algorithms are presented and evaluated. First, we investigate a novel multigroup/multibeam multicast beamforming strategy based on RSMA in both terrestrial multigroup multicast and multibeam satellite systems with imperfect channel state information at the transmitter (CSIT). The max-min fairness (MMF)-degree of freedom (DoF) of RSMA is derived and shown to provide gains compared with the conventional strategy. The MMF beamforming optimization problem is formulated and solved using the weighted minimum mean square error (WMMSE) algorithm. Physical layer design and link-level simulations are also investigated. RSMA is demonstrated to be very promising for multigroup multicast and multibeam satellite systems taking into account CSIT uncertainty and practical challenges in multibeam satellite systems. Next, we extend the scope of research from multibeam satellite systems to satellite- terrestrial integrated networks (STINs). Two RSMA-based STIN schemes are investigated, namely the coordinated scheme relying on CSI sharing and the co- operative scheme relying on CSI and data sharing. Joint beamforming algorithms are proposed based on the successive convex approximation (SCA) approach to optimize the beamforming to achieve MMF amongst all users. The effectiveness and robustness of the proposed RSMA schemes for STINs are demonstrated. Finally, we consider RSMA for a multi-antenna integrated sensing and communications (ISAC) system, which simultaneously serves multiple communication users and estimates the parameters of a moving target. Simulation results demonstrate that RSMA is beneficial to both terrestrial and multibeam satellite ISAC systems by evaluating the trade-off between communication MMF rate and sensing Cramer-Rao bound (CRB).Open Acces

Equalizador híbrido na banda das ondas milimétricas para sistemas GFDM

Wireless communication using very-large multiple-input multiple-output (MIMO) antennas has been regarded as one of the enabling technologies for the future mobile communication. It refers to the idea of equipping cellular base stations (BSs) with a very large number of antennas giving the possibility to focusing the transmitted signal energy into very short-range areas, which will provide huge improvements in the capacity, in addition to the spectral and energy efficiency. Concurrently, this demand for high data rates and capacity led to the necessity of exploiting the enormous amount of spectrum in the millimeter wave (mmWave) bands. However, the combination of millimeter-wave communications arrays with a massive number of antennas has the potential to dramatically enhance the features of wireless communication. This combination implies high cost and power consumption in the conventional full digital architecture, where each RF chain is dedicated to one antenna. The solution is the use of a hybrid architecture, where a small number of RF chains are connected to a large number of antennas through a network of phase shifters. On the other hand, another important factor that affect the transmission quality is the modulation technique, which plays an important role in the performance of the transmission process, for instance, GFDM is a flexible non-orthogonal multicarrier modulation concept, that introduces additional degrees of freedom when compared to other multicarrier techniques. This flexibility makes GFDM a promising solution for the future cellular generations, because it can achieve different requirements, such as higher spectrum efficiency, better control of out-of-band (OOB) emissions, as well as achieving low peak to average power ratio (PAPR). In this work, we present an analog-digital transmitter and receiver structures. Considering a GFDM modulation technique to be implemented in the digital part, while in the analog part, we propose a full connected hybrid multiuser linear equalizer, combined with low complexity hybrid precoder for wideband millimeter-wave massive MIMO systems. The hybrid equalizer is optimized by minimizing the mean square error between the hybrid approach and the full digital counterpart. The results show that the performance of the proposed hybrid scheme is very close to the full digital counterpart and the gap reduces as the number of RF chains increases.O uso de um número elevado de antenas, também designado por MIMO massivo, tem sido considerada uma das tecnologias mais promissoras para os futuros sistemas de comunicação sem fios. Esta tecnologia, refere-se à ideia de equipar as estações base (BSs) com um número muito grande de antenas, dando a possibilidade de focar a energia do sinal transmitido em áreas de alcance muito restritas, o que proporcionará grandes melhorias na capacidade, além das espectrais e eficiência energética. Simultaneamente, a exigência por taxas de dados elevadas e capacidade levou à necessidade de explorar uma enorme quantidade de espectro nas bandas de ondas milimétricas (mmWave). A combinação de comunicação na banda das ondas milimétricas com terminais equipados com um grande número de antenas tem o potencial de melhorar drasticamente os recursos da comunicação sem fios. Considerando no entanto uma arquitetura digital, usada em sistemas MIMO convencionais, em que cada cadeia de RF é dedicada a uma antena, implica um custo e um consumo de energia elevados. A solução é o uso de uma arquitetura híbrida, na qual um pequeno número de cadeias de RF é conectado a um grande número de antenas através de um conjunto de deslocadores de fase. Outro fator importante que afeta a qualidade da transmissão é a técnica de modulação usada, que desempenha um papel importante no desempenho do processo de transmissão. O GFDM é um conceito de modulação de portadora múltipla, não ortogonal e flexível, que introduz graus de liberdade adicionais, quando comparado a outras técnicas de portadora múltipla, como o OFDM. Essa flexibilidade faz do GFDM uma solução promissora para as futuras gerações celulares, pois pode atender a diferentes requisitos, como maior eficiência de espectro, melhor controle das emissões fora de banda (OOB), além de atingir baixo rácio de potência média / pico ( PAPR). Neste trabalho, é assumido uma arquitetura hibrida no transmissor e recetor. Considera-se uma técnica de modulação GFDM a ser implementada na parte digital, enquanto na parte analógica, é proposto um equalizador linear híbrido multiutilizador totalmente conectado, i.e., cada cadeia RF está ligada a todas as antenas, combinado com um pré-codificador híbrido, de baixa complexidade para sistemas MIMO massivo de banda larga. O equalizador híbrido é otimizado, minimizando o erro quadrático médio entre a abordagem híbrida e a contraparte totalmente digital. Os resultados mostram que o desempenho do esquema híbrido proposto está muito próximo do equivalente digital, à medida que o número de cadeias de RF aumenta.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Joint precoding and antenna selection in massive mimo systems

This thesis presents an overview of massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems and proposes new algorithms to jointly precode and select the antennas. Massive MIMO is a new technology, which is candidate for comprising the fifth-generation (5G) of mobile cellular systems. This technology employs a huge amount of antennas at the base station and can reach high data rates under favorable, or asymptotically favorable, propagation conditions, while using simple linear processing. However, massive MIMO systems have some drawbacks, such as the high cost related to the base stations. A way to deal with this issue is to employ antenna selection algorithms at the base stations. These algorithms reduce the number of active antennas, decreasing the deployment and maintenance costs related to the base stations. Moreover, this thesis also describes a class of nonlinear precoders that are rarely addressed in the literature; these techniques are able to generate precoded sparse signals in order to achieve joint precoding and antenna selection. This thesis proposes two precoders belonging to this class, where the number of selected antennas is controlled by a design parameter. Simulation results show that the proposed precoders reach a lower bit-error rate than the classical antenna selection algorithms. Furthermore, simulation results show that the proposed precoders present a linear relation between the aforementioned design parameter that controls the signals’ sparsity and the number of selected antennas. Such relation is invariant to the number of base station’s antennas and the number of terminals served by this base station.Esta dissertação apresenta uma visão geral sobre MIMO (do termo em inglês, multiple-input multiple-output) massivo e propõe novos algoritmos que permitem a pré-codificacão de sinais e a seleção de antenas de forma simultânea. MIMO massivo é uma nova tecnologia candidata para compor a quinta geração (5G) dos sistemas celulares. Essa tecnologia utiliza uma quantidade muito grande de antenas na estação-base e, sob condições de propagação favorável ou assintoticamente favorável, pode alcançar taxas de transmissão elevadas, ainda que utilizando um simples processamento linear. Entretanto, os sistemas MIMO massivo apresentam algumas desvantagens, como por exemplo, o alto custo de implementação das estações-bases. Uma maneira de lidar com esse problema é utilizar algoritmos de seleção de antenas na estação-base. Com esses algoritmos é possível reduzir o número de antenas ativas e consequentemente reduzir o custo nas estações-bases. Essa dissertação também apresenta uma classe pouco estudada de pré-codificadores não-lineares que buscam sinais pré-codificados esparsos para realizar a seleção de antenas conjuntamente com a pré-codificação. Além disso, este trabalho propõem dois novos pré-codificadores pertencentes a essa classe, para os quais o número de antenas selecionadas é controlado por um parâmetro de projeto. Resultados de simulações mostram que os pré-codificadores propostos conseguem uma BER (do termo em inglês, bit-error rate) menor que os algoritmos clássicos usados para selecionar antenas. Além disso, resultados de simulações mostram que os pré-codificadores propostos apresentam uma relação linear com o parâmetro de projeto que controla a quantidade de antenas selecionadas; tal relação independe do número de antenas na estação-base e do número de terminais servidos por essa estação