Performance comparison of hybrid architectures for millimeter wave communicatins

Abstract

A 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.