Hybrid precoding and equalizer techniques for mmWave and massive MIMO based wireless systems

Abstract

Millimeter wave communications (mmWave) and massive MIMO will be two of the keys enabling technologies for future wireless communication systems. The combination of these technologies will allow to achieve multi Gb/s needed to meet the quality of service requirements. In this research work we design solutions for mmWave massive MIMO systems, where a set of users equipped with a large number of antennas transmit data to a receiver also equipped with a massive number of antennas. Since we consider a large number of antennas, we cannot use one dedicated RF chain per antenna, due to power consumption and hardware costs. The solution is the use of a hybrid architecture, where the number of RF chains is lower than the number of antennas. In such architecture the processing is distributed by the analog and digital domains (contrary to the conventional fully digital systems). Thus, the conventional fully digital approaches cannot be used in this hybrid architecture where an additional analog filter must be computed and we have additional hardware constraints. Therefore, this research work explores the design of beamforming and equalization techniques assuming massive antenna terminals for mmWave based systems, and to cope with the hardware limitations inherent to this type of systems, three hybrid analog-digital architectures are considered: the fully connected, and the subconnected with fixed or dynamic subarray antennas. A major advantage of the exploration of mmWave bands is to allow larger bandwidths, which lead to larger number of subcarriers for multicarrier based systems. Therefore, the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique, which is very efficient to mitigate the effects of inter-symbol interference (ISI) in frequency selective channels, results in a signal with higher amplitude fluctuations, making the large peak-to-average power ratio (PAPR) a problem that should be taken into account for mmWave mMIMO systems. A high PAPR results in strong nonlinear distortions caused by the power amplifier, degrading system performance. To solve the PAPR problem, constant envelope modulations which present a PAPR equal to 0 dB, such as the constant envelope OFDM (CE-OFDM), can be used. Therefore, this research work explores the design of an equalization technique for hybrid analog-digital systems using the CE-OFDM as modulation technique. Additionally, there is significant interest in the design of nonlinear equalizers, that have been considered to efficiently separate the spatial streams and mitigate the inter-carrier-interference (ICI) problem in the current MIMO systems, and that can be extremely efficient in a mMIMO scenario. Iterative block decision feedback equalization (IB-DFE) approach is one of the most promising nonlinear equalization schemes. Therefore, this work explores the IB-DFE principles for the hybrid analog-digital systems. The first part of the thesis is focused on the development of efficient precoding/beamforming and equalization algorithms for a narrowband channel. In the first phase, a single-user scenario is assumed to separate the spatial streams and later the developed solution is extended for multiuser scenarios, to reduce the inter-user interference. The second part of the thesis is focused on the development of algorithms for a wideband channel, which have to be different from the narrowband case due to specificities of analog-digital architectures. The CEOFDM is also exploited as a mean for solving the PAPR problem. These algorithms are accompanied with numerical results to evaluate their performance. The numerical results show that the proposed algorithms for analog-digital architectures, based on iterative procedures, are very efficient to remove the multiuser/inter-symbol interference. The performance obtained with these algorithms almost achieve the optimal performance of conventional fully digital architectures with a very few iterations. Therefore, they are interesting for practical mmWave massive MIMO based systems, since it ensures good performance at a low cost.

As comunicações na banda das ondas milimétricas e a utilização de terminais equipados com um número elevado de antenas serão duas das tecnologias chave que possibilitarão os futuros sistemas de comunicação sem fios. A combinação destas tecnologias permitirá atingir os multi Gb/s necessários para atender aos requisitos de qualidade de serviço. Uma vez que consideramos um número elevado de antenas, não podemos usar uma cadeia de radiofrequência por antena, devido ao consumo de potência e custos de hardware. A solução é o uso de arquiteturas híbridas, onde o número de cadeias de radiofrequência é menor que o número de antenas. Em tal arquitetura, o processamento é distribuído entre os domínios analógico e digital (contrariamente aos sistemas convencionais completamente digitais). Logo, as abordagens usadas nos sistemas convencionais completamente digitais não podem ser usadas nestas arquiteturas híbridas, onde um filtro analógico tem que ser calculado, para além de outras restrições de hardware adicionais. Portanto, este trabalho de investigação explora o projeto de técnicas de formação de feixe e equalização, assumindo terminais com um número elevado de antenas na banda das ondas milimétricas. Uma das principais vantagens da exploração da banda das ondas milimétricas é permitir maiores larguras de banda, o que leva a um maior número de subportadoras para sistemas multiportadora. Portanto, a técnica orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), que é bastante eficiente para mitigar os efeitos da interferência entre símbolos em canais seletivos na frequência, resulta num sinal com maiores flutuações em amplitude, tornando o elevado peak-toaverage power ratio (PAPR) um problema que deve ser tido em conta para sistemas na banda das ondas milimétricas com um número elevado de antenas. O alto PAPR resulta em fortes distorções não lineares causadas pelos amplificadores de potência, degradando o desempenho do sistema. Para resolver o problema do PAPR, podem ser usadas modulações de envolvente contante que apresentam um PAPR igual a 0 dB, tal como a constant envelope OFDM (CEOFDM). Portanto, este trabalho de investigação explora o projeto de uma técnica de equalização, especificamente para sistemas híbridos usando o CE-OFDM como técnica de modulação. Adicionalmente, há um interesse significativo no projeto de equalizadores não lineares que têm sido considerados para eficientemente separar os dados de forma espacial, e mitigar o problema da interferência entre portadoras nos atuais sistemas multi-antenas, e que podem ser especialmente eficientes num cenário com um elevado número de antenas. O iterative block decision feedback equalization (IB-DFE) é um dos equalizadores não lineares mais promissores. Portanto, este trabalho explora os princípios do IB-DFE em sistemas híbridos. A primeira parte da tese foca no desenvolvimento de algoritmos eficientes para precodificação/formação de feixe e equalização, para um canal de banda estreita. Numa primeira fase são assumidos cenários de um utilizador, para separar os fluxos de dados espaciais, tendo sido depois esta solução estendida para cenários de múltiplos utilizadores, para reduzir a interferência entre estes. A segunda parte da tese foca no desenvolvimento de algoritmos para um canal de banda larga, que tem de ser diferente do caso de banda estreita, devido às especificidades das arquiteturas analógico-digitais. O CE-OFDM é também explorado como um meio para resolver o problema do PAPR. Estes algoritmos são acompanhados com resultados numéricos para avaliar os seus desempenhos. Os resultados numéricos mostram que os algoritmos propostos para as arquiteturas analógico-digitais, baseados em processos iterativos, são bastante eficientes para remover a interferência entre utilizadores e entre símbolos. Os desempenhos obtidos com estes algoritmos quase alcançam o desempenho ótimo das arquiteturas convencionais completamente digitais, apenas com algumas iterações. Portanto, são interessantes para sistemas práticos baseados em terminais com um número elevado de antenas na faixa das ondas milimétricas, uma vez que asseguram um bom desempenho a baixo custo.