Multilayer Massive MIMO at mmWave for High Power and Spectral Efficient Communications

Abstract

The evolution from 4th Generation (4G) to 5th Generation (5G) wireless systems is driven by the expected huge growth in user bit rates and overall system throughput. This requires a substantial spectral efficiency increase, while maintaining or even improving power efficiency. To accomplish this, one needs new transmission techniques employing new technologies, with the most promising ones being millimeter Wave (mmWave) frequencies and massive Multiple-Input and Multiple-Output (m-MIMO). We consider broadband mmWave transmission with high spectral and power efficiencies. We develop new signal processing schemes for a novel multilayer m-MIMO architecture with large antenna arrays that explores spatial multiplexing, beamforming and employs efficient amplification. To cope with time-dispersive effects associated to high data rate transmission over multipath channels while achieving high power efficiency, we propose the use of Single Carrier with Frequency Domain Equalisation (SC-FDE) schemes using high-level constellation sizes that are decomposed into Offset Quadrature Phase Shift Keying (OQPSK)-type signals and have quasi-constant envelope, allowing the use of amplification schemes based on multiple Non-Linear Amplifiers (NLAs). Upon reception, we address the uplink transmission case, and we propose a set of low complexity iterative equalisers for offset and non-offset modulations within the proposed multilayer m-MIMO architecture.

A evolução dos sistemas sem fios de 4ª geração (4G) para a 5ª geração (5G) é impulsionada pelo enorme crescimento esperado das taxas de dados dos utilizadores e na taxa de transferência global do sistema. Isso requer um aumento substancial da eficiência espectral, mantendo ou até melhorando a eficiência energética. Para isso, são necessárias novas técnicas de transmissão empregando novas tecnologias, sendo as mais promissoras as frequências de ondas milimétricas (en: mmWave) e sistemas massivos de múltipla entrada e múltipla saída (en: m-MIMO). Neste trabalho é considerada a transmissão de banda larga nas ondas milimétricas com alta eficiência espectral e de potência. Desenvolvemos novos esquemas de processamento de sinal para uma nova arquitetura m-MIMO multicamada com grandes matrizes de antenas que exploram multiplexação espacial, formação de feixe (en: beamforming) e empregam amplificação eficiente. Para lidar com os efeitos dispersivos no domínio temporal associados à transmissão de alta taxa de dados nos canais multipercurso enquanto se obtém alta eficiência energética, propomos o uso de esquemas mono portadora com equalização no domínio da frequência (en: SC-FDE) usando constelações de tamanho elevado que são decompostas em sinais do tipo OQPSK e têm envolvente quase constante, permitindo o uso de esquemas de amplificação baseados em múltiplos amplificadores não lineares (en: NLA). Na recepção, abordamos o caso de ligação ascendente e propomos um conjunto de equalizadores iterativos de baixa complexidade para modulações com e sem offset dentro da arquitetura m-MIMO multicamada proposta.