Transceiver Architectures for Future Wireless Systems with Hardware Constraints

QC 20260327

Abstract

I den kommande eran av kommunikationssystem förväntas en förskjutning mot att använda hårdvarukomponenter av lägre kvalitet för att optimera storlek, kostnad och strömförbrukning. Denna förskjutning är särskilt fördelaktig för MIMO-system (multiple-input multiple-output) och sakernas internet-enheter, vilka kräver många komponenter och förlängd batteritid. Användning av komponenter av lägre kvalitet introducerar dock försämringar, inklusive olika icke-linjära och tidsvarierande distorsioner som påverkar kommunikationssignalerna. Traditionellt har dessa försämringar behandlats som ytterligare brus på grund av avsaknaden av en rigorös teori. Denna avhandling utforskar ett nytt perspektiv på hur strukturen av försämringar kan utnyttjas för att optimera kommunikationsprestanda. För att hantera dessa utmaningar presenterar denna avhandling försämringsmedveten strålformning i olika scenarier.

Inledningsvis undersöker vi system med begränsad fronthaul-kapacitet. Vi föreslår en optimerad linjär förkodning för avancerade antennsystem (AAS) som arbetar vid en 5G-basstation (BS) inom begränsningarna av en begränsad fronthaul-kapacitet, modellerad av en kvantiserare. Den föreslagna nya förkodningen minimerar medelkvadratfelet (MSE) på mottagarsidan med hjälp av en sfäravkodningsmetod (SD).

Efter att ha analyserat MSE-minimering föreslås en ny linjär förkodningsdesign för att maximera summahastigheten för samma system i den andra delen av denna avhandling. Det senare problemet löses med en ny iterativ algoritm inspirerad av den klassiska vägda minimum medelkvadratfelsmetoden (WMMSE). Dessutom presenteras en kvantiseringsmedveten lågkomplexitetsalgoritmförväntningsutbredning (EP) för stora massiva MIMO-uppsättningar, vilket är mer praktiskt för dagens system. Dessutom presenteras den heuristiska kvantiseringsmedvetna förkodningsmetoden med lägre beräkningskomplexitet, vilket visar att den överträffar den kvantiseringsomedvetna baslinjen. Denna baslinje är en optimerad förkodning med oändlig upplösning, som sedan kvantiseras. Denna studie visar att det är möjligt att fördubbla summahastigheten vid högt signal-brusförhållande (SNR) genom att välja vikter och förkodningsmatriser som är kvantiseringsmedvetna.

Därefter använder vi en delande förkodningsarkitektur skräddarsydd för fronthaul-begränsade system för praktiska implementeringar. I moderna system kan AAS utföra en del av strålformningen lokalt, till exempel genom strålrymdsval. Den återstående lägre dimensionella interferensutsläckningsförkodaren kan sedan sändas över fronthaul-länken med begränsad kapacitet. Jämfört med den tidigare helt centraliserade uppsättningen under samma fronthaul-begränsning möjliggör denna metod högre kvantiseringsupplösning för förkodarkoefficienterna. Eftersom både upplänkspilotsignalerna som används för kanaluppskattning och nedlänksförkodningsmatrisen måste sändas över fronthaul-länken med begränsad kapacitet, utformar vi dessutom ett gemensamt upplänks-nedlänksbitallokeringsschema för att bestämma den optimala fördelningen av fronthaul-resurser mellan de två riktningarna.

I den sista delen av denna avhandling fokuserar vi på signaleringsproblemet i mobil millimetervågskommunikation (mmWave). Utmaningen med mmWave-system är de snabba fadningsvariationerna och den omfattande pilotsignaleringen. Vi utforskar frekvensen för att uppdatera kombinationsmatrisen i en bredbandig mmWave punkt-till-punkt MIMO under användarutrustningsmobilitet (UE). Konceptet strålkoherenstid introduceras för att kvantifiera frekvensen med vilken UE:n måste uppdatera sin nedlänksmottagningskombinationsmatris. Studien visar att strålkoherenstiden kan vara till och med hundratals gånger större än kanalkoherenstiden vid småskalig fädning. Simuleringar bekräftar att den föreslagna nedre gränsen för detta definierade koncept garanterar högst 50 \% förlust av mottagen signalförstärkning (SG). Baserat på dessa resultat föreslås strålkoherensmedveten tvåstegs digital kombinering för mmWave punkt-till-punkt MIMO för enanvändare och fleranvändar-MIMO-system. Vi föreslår även tidsdomänkanalestimering.

Link to DiVA