Channel quantization techniques for hybrid massive MIMO millimeter wave systems

Abstract

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 complexity

Desde 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 complexidade