Implementation and evaluation on system generator of a cooperative system for 5G future systems

Abstract

With the arrival of 5G it is expected the proliferation of services in the different fields such as healthcare, utility applications, industrial automation, 4K streaming, that the former networks can not provide. Additionally, the total number of wireless communication devices will escalate in such a manner that the already scarce available frequency bandwidth won’t be enough to pack the intended objectives. Cisco’s Annual Internet Report from 2018 predicts that by 2023 there will be nearly 30 billion devices capable of wireless communication. Due to the exponential expiation of both services and devices, the challenges upon both network data capacity and efficient radio resourse use will be greater than ever, thus the urgency for solutions is grand. Both the capacity for wireless communications and spectral efficiency are related to cell size and its users proximity to the access point. Thus, shortening the distance between the transmitter and the receiver improves both aspects of the network. This concept is what motivates the implementation of heterogeneous networks, HetNets, that are composed of many different small-cells, SCs, overlaid across the same coexisting area of a conventional macro-cell, shortening the distance between the cell users and its access point transceivers, granting a better coverage and higher data rates. However, the HetNets potential does not come without any challenges, as these networks suffer considerably from communication interference between cells. Although some interference management algorithms that allow coexistence between cells have been proposed in recent years, most of them were evaluated by software simulations and not implemented in real-time platforms. Therefore, this master thesis aims to give the first step on the implementation and evaluation of an interference mitigation technique in hardware. Specifically, it is assumed a downlink scenario composed by a macro-cell base station, a macro-cell primary user and a small cell user, with the aim of implementing an algorithm that eliminates the downlink interference that the base station may cause to the secondary users. The study was carried out using the System Generator DSP tool, which is a tool that generates code for hardware from schematics created in it. This tool also offers a wide range of blocks that help the creation, and fundamentally, the simulation and study of the system to be implemented, before being translated into hardware. The results obtained in this work are a faithful representation of the behavior of the implemented system, which can be used for a future application for FPGA.

Com a chegada do 5G, espera-se a proliferação de serviços nas mais diversas áreas tal como assistência médica, automação industrial, transmissão em 4k, que não eram possíveis nas redes das gerações anteriores. Além deste fenómeno, o número total de dispositivos capazes de conexões wireless aumentará de tal maneira que a escassa largura de banda disponível não será suficiente para abranger os objetivos pretendidos. O Relatório Anual de 2018 sobre a Internet da Cisco prevê que até 2023 haverá quase 30 bilhões de dispositivos capazes de comunicação sem fio. Devido ao aumento exponencial de serviços e dispositivos, os desafios sobre a capacidade de dados da rede e o udo eficiente dos recursos de rádio serão maiores que nunca. Por estes motivos, a necessidade de soluções para estas lacunas é enorme. Tanto a capacidade da rede e o uso eficiente do espectro de frequências estão relacionados ao tamanho da célula e à proximidade dos usuários com o ponto de acesso da célula. Ao encurtar a distância entre o transmissor e o recetor ocorre um melhoramento destes dois aspetos da rede. Este é o principal conceito na implementação de redes heterogéneas, HetNets, que são compostas por diversas células pequenas que coexistem na área de uma macro célula convencional, diminuído a distância entre os utilizadores da célula e os pontos de acesso, garantindo uma melhor cobertura e taxa de dados mais elevadas. No entanto, o potencial das HatNets não vem sem nenhum custo, pois estas redes sofrem consideravelmente de interferência entre as células. Embora nos últimos anos foram propostos alguns algoritmos que permitem a coexistência das células, a maioria destes foi só testado em simulações de software e não em plataformas em tempo real. Por esse motivo, esta dissertação de mestrado visa dar o primeiro passo na implementação e a avaliação de uma técnica de mitigação de interferência em hardware. Mais especificamente no cenário de downlink entre uma estação base de uma macro célula, um utilizador primário da macro célula e um utilizador secundário de uma célula pequena, com o principal objetivo de cancelar a interferência que a estação base possa fazer ao utilizador secundário. O estudo foi realizado utilizando a ferramenta System Generator DSP, que é uma ferramenta que gera código para hardware a partir de esquemáticos criados na mesma. Esta ferramenta também oferece uma vasta gama de blocos que ajudam a criação, e fundamentalmente, a simulação e o estudo do sistema a implementar antes de ser traduzido para hardware. Os resultados obtidos neste trabalho são uma fiel representação do comportamento do sistema implementado. O quais podem ser utilizados para uma futura aplicação para FPGA.