Pre-codification and equalization schemes for hybrid sub-connected architectures in the millimeter wave band

Abstract

In the last years, the demand for high data rates increased substantially and the mobile communications are currently a necessity for our society. Thus, the number of users to access interactive services and applications has increased. The next generation of wireless communications (5G) is expected to be released in 2020 and it is projected to provide extremely high data rates for the users. The millimeter wave communications band and the massive MIMO are two promising keys technologies to achieve the multi Gbps for the future generations of mobile communications, in particular the 5G. The conjugation of these two technologies, allows packing a large number of antennas in the same volume than in the current frequencies and increase the spectral efficiency. However, when we have a large number of antennas, it is not reasonable to have a fully digital architecture due to the hardware constrains. On the other hand, it is not feasible to have a system that works only in the analog domain by employing a full analog beamforming since the performance is poor. Therefore, it is required a design of hybrid analog/digital architectures to reduce the complexity and achieve a good performance. Fully connected and sub-connected schemes are two examples of hybrid architectures. In the fully connected one, all RF chain connect to all antenna elements while in the sub-connected architecture, each RF chain is connected to a group of antennas. Consequently, the sub-connected architecture is more attractive due to the low complexity when compared to the fully connected one. Also, it is expected that millimeter waves be wideband, however, most of the works developed in last years for hybrid architectures are mainly focused in narrowband channels. Therefore, in this dissertation it is designed a low complex analog precoder at the user terminals and a hybrid analog-digital multi-user linear equalizer for broadband sub-connected millimeter wave massive MIMO at the base station. The analog precoder at the transmitter considers a quantized version of the average angle of departure of each cluster for its computation. In order to remove the multi-user interference, it is considered a hybrid sub-connected approach that minimizes the bit error rate (BER). The performance results show that the proposed hybrid sub-connected scheme is close to the hybrid full-connected design. However, due to the large number of connections, the full-connected scheme is slightly better than the proposed sub-connected scheme but with higher complexity. Therefore, the proposed analog precoder and hybrid sub-connected equalizer are more feasible to practical applications due to the good trade-off between performance and complexity.

Nos últimos anos, a necessidade por elevadas taxas de transmissão de dados tem vindo a aumentar substancialmente uma vez que as comunicações móveis assumem cada vez mais um papel fundamental na sociedade atual. Por isso, o número de utilizadores que acedem a serviços e aplicações interativas tem vindo a aumentar. A próxima geração de comunicações móveis (5G) é esperada que seja lançada em 2020 e é projetada para fornecer elevadas taxas de transmissão de dados aos seus utilizadores. A comunicação na banda das ondas milimétricas e o MIMO massivo são duas tecnologias promissoras para alcançar os multi Gb/s para as comunicações móveis futuras, em particular o 5G. Conjugando essas duas tecnologias, permite-nos colocar um maior número de antenas no mesmo volume comparativamente às frequências atuais, aumentando assim a eficiência espectral. No entanto, quanto se tem um grande número de antenas, não é viável ter uma arquitetura totalmente digital devido às restrições de hardware. Por outro lado, não é viável ter um sistema que trabalhe apenas no domínio analógico. Assim sendo, é necessária uma arquitetura híbrida analógica-digital de modo a remover a complexidade geral do sistema. É esperado que os sistemas de comunicação baseados em ondas milimétricas sejam de banda larga, no entanto, a maioria dos trabalhos feitos para arquiteturas híbridas são focados em canais de banda estreita. Dois exemplos de soluções híbridas são as arquiteturas completamente conectada e sub-conectada. Na primeira, todas as cadeias RF estão ligadas a todas as antenas enquanto na arquitetura sub-conectada cada cadeia RF é ligada apenas a um grupo de antenas. Consequentemente, a arquitetura sub-conectada é mais interessante do ponto de vista prático devido à sua menor complexidade quando comparada à arquitetura completamente conectada. Nesta dissertação é projetado um pré-codificador analógico de baixa complexidade no terminal móvel, combinado com um equalizador multiutilizador desenhado para uma arquitetura híbrida sub-conectada, implementado na estação base. O pré-codificador no transmissor assume um conhecimento parcial da informação do canal e, de modo a remover eficientemente a interferência multiutilizador, é proposta também uma arquitetura híbrida sub-conectada que minimiza a taxa média de erro. Os resultados de desempenho mostram que o esquema híbrido sub-conectado proposto está próximo da arquitetura híbrida completamente conectada. No entanto, devido ao grande número de conexões, a arquitetura híbrida completamente conectada é ligeiramente melhor que a arquitetura sub-conectada proposta à custa de uma maior complexidade. Assim sendo, o pré-codificador analógico e o equalizador sub-conectado híbrido proposto são mais viáveis para aplicações práticas devido ao compromisso entre o desempenho e a complexidade.