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Publicação
Design of Low Complexity Receivers for Massive MIMO Systems
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 11.52 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The Information Age is far from slowing down. Telecommunications have grown to be a
fundamental pillar of a functional society and the urge for high throughput, flexible and
reliable systems has become the main objective of researchers and engineers. Along with
the explosion in wirelessly connected devices, a giant amount of data is being generated
at a pace that we never witnessed before. Not only this information can be stored, but also
distributed for numerous applications. All these changes in the paradigm demanded new
approaches for wireless communications. In the recent studies, Massive Multi-Input Multi-
Output systems (mMIMO), with hundreds or thousands of communicating antennas, are
the most prevalent candidates to the evolution of wireless communications.
State-of-the-art works consider mMIMO as one of the key technologies for 5G and
beyond. Large spatial multiplexing and diversity gains are some of the major benefits
together with an improved energy efficiency. Even though, when the numberof antennas is
scaled up, the hardware cost and power consumption also increases significantly. Current
works mostly assume the application of classic techniques to a mMIMO scenario, although
there are still open challenges regarding hardware, computational complexities and energy
efficiency in order to meet 5G most ambitious requirements.
Part of this work investigates the most acknowledged mMIMO techniques, analyses
some of the most promising ones, identifying existing problems and limitations. From
this point, the research problem is deduced and possible solutions are proposed as the
hypothesis.
Low complexity receiving algorithms are the first point to be tackled, were Maximum
Ratio (MR) and Equal Gain (EG) receivers are applied in diverse mMIMO scenarios and
their complexity evaluated in detail.
In terms of the transceiver architecture, different approaches are identified regarding
the signal processing implementation: Fully digital, analog and hybrid structures are
analyzed. For energy consumption reasons and complexity issues, fully digital precoding
and post-processing structures may turn out to be unfeasible, and thus the need to
investigate sub-optimal structures, making use of simplified hardware and a limited
number of radio-frequency chains. The hypothesis is formulated as an hybrid high
energy efficiency architecture presented as a muti-layer mMIMO transmission technique,
combined with the low complexity receiving algorithms. Regarding the multi-layer architecture, channel estimation is also investigated were a
robust and accurate channel estimation method considering the Iterative Block Decision
Feedback Equalizer (IB-DFE) is analyzed. Superimposed symbols are employed and the
excess energy is considered for Power Splitting based SimultaneousWireless Power and
Information Transmission (PS-SWIPT).
Developing such system will allowthe implementation of a high performance dynamic
transceiver which can be suitable for diverse mMIMO scenarios.
AEra da Informação está longe de desacelerar. As telecomunicações cresceram de tal forma que se tornaram um pilar fundamental para uma sociedade funcional e a necessidade de sistemas confiáveis, flexíveis e de alto rendimento passou a ser o principal objetivo de investigadores e engenheiros. Com a explosão do número de dispositivos conectados sem fio, uma quantidade gigantesca de dados é gerada a um ritmo nunca antes visto. Estes dados não só podem ser armazenados, como também distribuídos para inúmeras aplicações. Todas essas mudanças de paradigma exigiram novas abordagens para as comunicações sem fio. Os trabalhos mais recentes consideram o sistema mMIMO como uma das principais tecnologias para o 5G e gerações posteriores. Amultiplexagem espacial e os ganhos de diversidade são alguns dos principais benefícios, juntamente com uma maior eficiência energética. Porém, quando o número de antenas é expandido, o custo do hardware e o consumo de energia também aumentam significativamente. Os trabalhos atuais assumem principalmente a aplicação de técnicas clássicas MIMO a um cenário de MIMO massivo, embora existam desafios em aberto em relação às complexidades de hardware e computacional, bem como à eficiência energética para atender aos requisitos mais ambiciosos do 5G. Este trabalho investiga as técnicas mais utilizadas a nível de MIMO massivo e analisa algumas das mais promissoras, identificando os problemas e limitações existentes. A partir deste ponto, o problema é deduzido e uma possível solução é proposta como a hipótese. Os algoritmos de receção de baixa complexidade são o primeiro ponto a ser abordado, onde os recetores Maximum Ratio (MR) e Equal Gain (EG) são simulados em diversos cenários de MIMO massivo e sua complexidade avaliada em detalhe. Em termos da arquitetura do transmissor/recetor, diferentes abordagens são identificadas relativamente à implementação do processamento de sinal: Estruturas totalmente digitais, analógicas e híbridas. Devido ao maior consumo de energia e complexidade computacional as estruturas de pré-codificação e pós-processamento totalmente digitais podem tornar-se inviáveis, sendo necessário investigar estruturas subótimas de hardware simplificado e com um número limitado de cadeias de radiofrequência. Uma possível solução consiste numa arquitetura híbrida de alta eficiência energética baseada numa técnica de transmissão multi-camada para sistemas MIMO massivo, combinada com algoritmos de receção de baixa complexidade. Em relação à arquitetura multi-camada, a estimativa de canal é também investigada. Um método de estimativa de canal robusto e preciso é analisado, considerando um equalizador em bloco com feedback iterativo (IB-DFE). São utilizados pilotos sobrepostos e o excesso de energia é considerado para transmissão simultânea de energia e informação baseada em divisão de potência (PS-SWIPT). O desenvolvimento de tal sistema permitirá a implementação de um transceptor dinâmico de alto desempenho que pode ser adequado para diversos cenários mMIMO.
AEra da Informação está longe de desacelerar. As telecomunicações cresceram de tal forma que se tornaram um pilar fundamental para uma sociedade funcional e a necessidade de sistemas confiáveis, flexíveis e de alto rendimento passou a ser o principal objetivo de investigadores e engenheiros. Com a explosão do número de dispositivos conectados sem fio, uma quantidade gigantesca de dados é gerada a um ritmo nunca antes visto. Estes dados não só podem ser armazenados, como também distribuídos para inúmeras aplicações. Todas essas mudanças de paradigma exigiram novas abordagens para as comunicações sem fio. Os trabalhos mais recentes consideram o sistema mMIMO como uma das principais tecnologias para o 5G e gerações posteriores. Amultiplexagem espacial e os ganhos de diversidade são alguns dos principais benefícios, juntamente com uma maior eficiência energética. Porém, quando o número de antenas é expandido, o custo do hardware e o consumo de energia também aumentam significativamente. Os trabalhos atuais assumem principalmente a aplicação de técnicas clássicas MIMO a um cenário de MIMO massivo, embora existam desafios em aberto em relação às complexidades de hardware e computacional, bem como à eficiência energética para atender aos requisitos mais ambiciosos do 5G. Este trabalho investiga as técnicas mais utilizadas a nível de MIMO massivo e analisa algumas das mais promissoras, identificando os problemas e limitações existentes. A partir deste ponto, o problema é deduzido e uma possível solução é proposta como a hipótese. Os algoritmos de receção de baixa complexidade são o primeiro ponto a ser abordado, onde os recetores Maximum Ratio (MR) e Equal Gain (EG) são simulados em diversos cenários de MIMO massivo e sua complexidade avaliada em detalhe. Em termos da arquitetura do transmissor/recetor, diferentes abordagens são identificadas relativamente à implementação do processamento de sinal: Estruturas totalmente digitais, analógicas e híbridas. Devido ao maior consumo de energia e complexidade computacional as estruturas de pré-codificação e pós-processamento totalmente digitais podem tornar-se inviáveis, sendo necessário investigar estruturas subótimas de hardware simplificado e com um número limitado de cadeias de radiofrequência. Uma possível solução consiste numa arquitetura híbrida de alta eficiência energética baseada numa técnica de transmissão multi-camada para sistemas MIMO massivo, combinada com algoritmos de receção de baixa complexidade. Em relação à arquitetura multi-camada, a estimativa de canal é também investigada. Um método de estimativa de canal robusto e preciso é analisado, considerando um equalizador em bloco com feedback iterativo (IB-DFE). São utilizados pilotos sobrepostos e o excesso de energia é considerado para transmissão simultânea de energia e informação baseada em divisão de potência (PS-SWIPT). O desenvolvimento de tal sistema permitirá a implementação de um transceptor dinâmico de alto desempenho que pode ser adequado para diversos cenários mMIMO.
Descrição
Palavras-chave
5G Massive MIMO Energy efficiency Spatial Multiplexing Diversity Gain Multi-layer MIMO