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Tipo: Tese
Título: Array Processing and Precoding Design for Next Generation of Wireless Communication Systems
Título em inglês: Array Processing and Precoding Design for Next Generation of Wireless Communication Systems
Autor(es): Asim, Fazal-E-
Orientador: Nossek, Josef Anton
Coorientador: Cavalcante, Charles Casimiro
Palavras-chave: Beamforming;Comunicações sem fio;Estimação de parâmetros do canal;Ondas milimétricas;5G
Data do documento: 2020
Citação: ASIM, Fazal-E-. Array Processing and Precoding Design for Next Generation of Wireless Communication Systems. 2020. 118 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Programa de Pós-graduação em Engenharia de Teleinformática, Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: A proxima gera ´ c¸ao de sistemas de comunica ˜ c¸ao sem fio promete fornecer uma melhor experi ˜ encia ˆ do usuario em termos de altas taxas de dados, cobertura, confiabilidade e efici ´ encia energ ˆ etica. ´ Uma das soluc¸oes candidatas ˜ e a combina ´ c¸ao vi ˜ avel de ondas milim ´ etricas (mmWave) com ´ a introduc¸ao de um grande n ˜ umero de antenas. Por um lado, o uso de mmWave facilitar ´ a a ´ implantac¸ao de um grande n ˜ umero de antenas, mas do outro lado vai impor um desafio de ´ implementac¸ao de hardware com efici ˜ encia energ ˆ etica. Portanto, al ´ em da efici ´ encia espectral, ˆ a eficiencia energ ˆ etica ser ´ a um importante objetivo de design. A introdu ´ c¸ao de um grande ˜ numero de antenas na esta ´ c¸ao base (BS) tamb ˜ em complica a estimativa do par ´ ametro do canal. ˆ A estimativa do parametro do canal deve ser obtida com alta resolu ˆ c¸ao no equipamento do ˜ usuario (UE), pois esses par ´ ametros precisam ser quantizados antes de ser enviado de volta ˆ a BS ` para pre-codifica ´ c¸ao. Se os par ˜ ametros do canal n ˆ ao forem estimados com alta precis ˜ ao, a BS ˜ recebera os par ´ ametros errados com erros de quantiza ˆ c¸ao adicionais, resultando na deteriora ˜ c¸ao˜ do desempenho. Esta tese apresenta uma soluc¸ao de efici ˜ encia energ ˆ etica para superar o de- ´ safio de implementac¸ao de hardware devido ˜ a introdu ` c¸ao de um grande n ˜ umero de antenas ´ atraves da introdu ´ c¸ao da matriz de Butler (BM) no dom ˜ ´ınio analogico usando a abordagem ´ de deslocamentos de fase analogicos parcialmente conectado (PCAPS). A implanta ´ c¸ao da BM ˜ melhora a implementac¸ao do hardware mas torna a estimativa dos par ˜ ametros do canal e a pr ˆ e-´ codificac¸ao h ˜ ´ıbrida mais desafiadores. Para atender a esses problemas, o estimador de maxima ´ verossimilhanc¸a (ML) e inicialmente derivado para canais com desvanecimento de frequ ´ encia ˆ plano, enquanto uma abordagem de dois estagios ´ e projetada para estimativa de par ´ ametro ˆ unidimensional assumindo canais seletivos em frequencia. A primeira etapa ˆ e realizada pela ´ proposic¸ao da estima ˜ c¸ao de par ˜ ametros baseada em um algoritmo de grade DFT (PREIDG) para ˆ encontrar as estimativas grosseiras, que e usado para inicializar o algoritmo de maximiza ´ c¸ao˜ de expectativa generalizada alternada de espac¸o (SAGE) para obter estimativas dos parametros ˆ atraves da ML. Al ´ em disso, o problema ´ e estendido ´ a estimativa bidimensional de par ` ametros, ˆ que e resolvida pelo algoritmo de dois est ´ agios. No primeiro est ´ agio, um PREIDG modificado ´ e proposto para realizar uma estimativa grosseira que ´ e usada para obter as estimativas de alta ´ resoluc¸ao dos par ˜ ametros usando o algoritmo SAGE no segundo est ˆ agio. O desempenho dos ´ algoritmos de estimativa dos parametros s ˆ ao avaliados derivando o limite inferior de Cram ˜ er-Rao ´ (CRLB). Finalmente, o algoritmo analogico e de banda base ´ e obtido usando o m ´ etodo do erro ´ quadratico m ´ ´ınimo ponderado medio (WMMSE) de formac¸ ´ ao de feixe h ˜ ´ıbrido (HBF).
Abstract: The next generation of wireless communication systems promises to provide a better user experience in terms of high data rates, coverage, reliability, and energy efficiency. One of the competing candidates is the viable combination of millimeter-wave (mmWave) with the introduction of a large number of antennas. On one side, the use of mmWave will facilitate the deployment of a large number of antennas but on the other side will impose a challenge of energy-efficient hardware implementation. Therefore, in addition to spectral efficiency, energy efficiency will be an important design goal. Introducing a large number of antennas at the base station (BS) will also complicate the channel parameter estimation. The channel parameter estimation must be obtained with high-resolution at the user equipment (UE), because these parameters need to be quantized before being sent back to the BS for precoding. If the channel parameters are not estimated with high accuracy, the BS will receive the erroneous parameters with additional quantization errors, resulting in deterioration of performance. This thesis presents an energy-efficient solution to overcome the challenge of hardware implementation due to the introduction of a large number of antennas by introducing Butler matrix (BM) in the analog domain using partially connected analog phase shifting (PCAPS) approach. The deployment of BM improves the hardware implementation but makes the channel parameter estimation and hybrid precoding more challenging. To cater to these problems, maximum likelihood (ML) estimator is initially derived for frequency flat fading channels, while a two-stage approach is designed for one-dimensional parameter estimation assuming frequency selective channels. The first stage is accomplished by proposing parameter estimation based on a DFT grid (PREIDG) algorithm to find the coarse estimates, which is used to initialize the space alternating generalized expectation-maximization (SAGE) algorithm to get ML estimates of the parameters. Furthermore, the problem is extended to two-dimensional parameter estimation, which is solved by the two-stage algorithm. In the first stage a modified PREIDG is proposed to perform coarse estimation which is used to obtain the high-resolution estimates of the parameters using the SAGE algorithm in the second stage. The performance of the parameters estimation algorithms is assessed by deriving Cramer-Rao lower ´ bound (CRLB). Finally, the analog and baseband algorithm is obtained using hybrid beamforming (HBF)-weighted minimum mean square error (WMMSE) method.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/54783
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