Hybrid equalizer for millimeter wave GFDM systems

Abstract

Wireless communication using very-large multiple-input multiple-output (MIMO) antennas has been regarded as one of the enabling technologies for the future mobile communication. It refers to the idea of equipping cellular base stations (BSs) with a very large number of antennas giving the possibility to focusing the transmitted signal energy into very short-range areas, which will provide huge improvements in the capacity, in addition to the spectral and energy efficiency. Concurrently, this demand for high data rates and capacity led to the necessity of exploiting the enormous amount of spectrum in the millimeter wave (mmWave) bands. However, the combination of millimeter-wave communications arrays with a massive number of antennas has the potential to dramatically enhance the features of wireless communication. This combination implies high cost and power consumption in the conventional full digital architecture, where each RF chain is dedicated to one antenna. The solution is the use of a hybrid architecture, where a small number of RF chains are connected to a large number of antennas through a network of phase shifters. On the other hand, another important factor that affect the transmission quality is the modulation technique, which plays an important role in the performance of the transmission process, for instance, GFDM is a flexible non-orthogonal multicarrier modulation concept, that introduces additional degrees of freedom when compared to other multicarrier techniques. This flexibility makes GFDM a promising solution for the future cellular generations, because it can achieve different requirements, such as higher spectrum efficiency, better control of out-of-band (OOB) emissions, as well as achieving low peak to average power ratio (PAPR). In this work, we present an analog-digital transmitter and receiver structures. Considering a GFDM modulation technique to be implemented in the digital part, while in the analog part, we propose a full connected hybrid multiuser linear equalizer, combined with low complexity hybrid precoder for wideband millimeter-wave massive MIMO systems. The hybrid equalizer is optimized by minimizing the mean square error between the hybrid approach and the full digital counterpart. The results show that the performance of the proposed hybrid scheme is very close to the full digital counterpart and the gap reduces as the number of RF chains increases.

O uso de um número elevado de antenas, também designado por MIMO massivo, tem sido considerada uma das tecnologias mais promissoras para os futuros sistemas de comunicação sem fios. Esta tecnologia, refere-se à ideia de equipar as estações base (BSs) com um número muito grande de antenas, dando a possibilidade de focar a energia do sinal transmitido em áreas de alcance muito restritas, o que proporcionará grandes melhorias na capacidade, além das espectrais e eficiência energética. Simultaneamente, a exigência por taxas de dados elevadas e capacidade levou à necessidade de explorar uma enorme quantidade de espectro nas bandas de ondas milimétricas (mmWave). A combinação de comunicação na banda das ondas milimétricas com terminais equipados com um grande número de antenas tem o potencial de melhorar drasticamente os recursos da comunicação sem fios. Considerando no entanto uma arquitetura digital, usada em sistemas MIMO convencionais, em que cada cadeia de RF é dedicada a uma antena, implica um custo e um consumo de energia elevados. A solução é o uso de uma arquitetura híbrida, na qual um pequeno número de cadeias de RF é conectado a um grande número de antenas através de um conjunto de deslocadores de fase. Outro fator importante que afeta a qualidade da transmissão é a técnica de modulação usada, que desempenha um papel importante no desempenho do processo de transmissão. O GFDM é um conceito de modulação de portadora múltipla, não ortogonal e flexível, que introduz graus de liberdade adicionais, quando comparado a outras técnicas de portadora múltipla, como o OFDM. Essa flexibilidade faz do GFDM uma solução promissora para as futuras gerações celulares, pois pode atender a diferentes requisitos, como maior eficiência de espectro, melhor controle das emissões fora de banda (OOB), além de atingir baixo rácio de potência média / pico ( PAPR). Neste trabalho, é assumido uma arquitetura hibrida no transmissor e recetor. Considera-se uma técnica de modulação GFDM a ser implementada na parte digital, enquanto na parte analógica, é proposto um equalizador linear híbrido multiutilizador totalmente conectado, i.e., cada cadeia RF está ligada a todas as antenas, combinado com um pré-codificador híbrido, de baixa complexidade para sistemas MIMO massivo de banda larga. O equalizador híbrido é otimizado, minimizando o erro quadrático médio entre a abordagem híbrida e a contraparte totalmente digital. Os resultados mostram que o desempenho do esquema híbrido proposto está muito próximo do equivalente digital, à medida que o número de cadeias de RF aumenta.