Linear equalization techniques for hybrid systems in the millimeter wave band of communications

Abstract

Wireless communications are continuously evolving, and the demand for higher data rates, more capacity, a better quality of service and more coverage is rising. The next generation, 5G, is currently being developed and it is expected to be delivered by 2020. However, in order to fulfill the 5G requirements, such as a consistent user experience, peak bit rates of 10 to 50 Gbps, higher reliability and availability, changes in the cellular architecture are needed, using new technology. Millimeter waves are a promising carrier frequency for 5G cellular systems, due to their underutilized large bandwidth that can potentially provide high data rates for future wireless networks. Single-carrier frequency-division multiple access (SC-FDMA), a modified form of orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA), is a promising solution technique for high data rate uplink communications in future cellular systems. When compared with OFDMA, SC-FDMA has similar throughput and essentially the same overall complexity. A principal advantage of SC-FDMA is the peak-to-average power ratio (PAPR), which is lower than that of OFDMA, being less sensitive to nonlinear distortion caused by the power amplifier (PA). It is well known that an efficient PA is critical for future millimeter wave based wireless systems. Conjugating mmWaves with massive MIMO will allow packing a higher number of antennas into the same volume, since mmWaves have a smaller wavelength than the currently used cellular systems. Consequently, millimeter wave communications and massive MIMO have been considered as two of the key enabling technologies needed to provide multi-Gbps for future wireless communications. In this Dissertation a hybrid analog-digital multi-user linear equalizer for broadband mmWave massive MIMO SC-FDMA systems is designed and evaluated. The digital part is computed on a per subcarrier basis and the analog part is constant over all subcarriers. The simulation results show that the proposed hybrid equalizer achieves an average BER close to the full-digital equalizer (gap of ∼ 1 dB), when the number of RF chains is twice the number of users. When the number of RF chains is smaller than twice the number of users, a compromise between complexity and performance is achieved.

As comunicações sem fio estão em constante evolução, e a necessidade por elevadas taxas de transmissão de dados, mais capacidade, melhor qualidade de serviço e mais cobertura, está a aumentar. A próxima geração, 5G, está neste momento a ser desenvolvida e espera-se que seja implementada em 2020. No entanto, de forma a cumprir os requisitos do 5G, tais como proporcionar uma melhoria na experiência do utilizador, taxas de transmissão máximas de 10 a 50 Gbps, maior fiabilidade e cobertura, são necessárias mudanças na arquitetura celular, utilizando para tal novas tecnologias. As ondas milimétricas constituem uma frequência portadora promissora para os sistemas celulares 5G, devido à sua grande largura de banda disponível, que potencialmente pode fornecer taxas de transmissão elevadas para os futuros sistemas sem fios. Single-carrier frequency-division multiple access (SC-FDMA), um método modificado de orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA), é uma técnica promissora que poderá ser uma solução para comunicações com elevadas taxas de transmissão no sentido ascendente nos sistemas celulares futuros. Quando comparado com OFDMA, SC-FDMA possui um rendimento semelhante e apresenta essencialmente a mesma complexidade. A principal vantagem de SC-FDMA é o peak-to-average power ratio (PAPR), que é menor que no OFDMA, sendo menos sensível às distorções não-lineares causadas pelo amplificador de potência (AP). Sabe-se que a eficiência do AP é um problema crítico para os futuros sistemas sem fio baseados em ondas milimétricas. Conjugando ondas milimétricas com massive MIMO permitirá colocar um maior número de antenas no mesmo volume, uma vez que as ondas milimétricas têm um comprimento de onda menor do que os sistemas celulares usados atualmente. Consequentemente, as comunicações que usam ondas milimétricas e massive MIMO são consideradas duas das principais tecnologias que oferecem as condições necessárias para fornecer multi-Gbps para os futuros sistemas de comunicação. Nesta dissertação é projetado e avaliado um equalizador linear híbrido analógico-digital multi-user para sistemas massive MIMO SC-FDMA de banda larga usando ondas milimétricas. Assume-se que a parte analógica é constante para todas as subportadoras, enquanto que a parte digital é calculada por cada subportadora. Os resultados mostram que a arquitetura proposta atinge uma taxa média de erro próxima do equalizador digital (separação de ∼ 1 dB), quando o número de cadeias RF é o dobro que o número de utilizadores. Se o mesmo for inferior que o dobro dos utilizadores, um compromisso entre complexidade e desempenho é alcançado.