Hybrid transmit and receive designs for massive MIMO millimeter-wave heterogeneous systems

Abstract

Com 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.