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https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4227
Tipo: | Tese |
Título: | Implementation of a low complexity structure for MIMO-GFDM receivers based on the interference cancellation technique |
Autor(es): | GASPAR, Danilo Simões |
Primeiro Orientador: | PIMENTA, Tales Cleber |
metadata.dc.contributor.advisor-co1: | MENDES, Luciano Leonel |
Resumo: | Os sistemas de comunicação móvel emergentes estão evoluindo de forma sem precedentes em termos de flexibilidade, taxa de dados e latência, permitindo que as redes sem fio suportem aplicações que normalmente são sustentadas por tecnologias cabeadas. A próxima geração de comunicação móvel já está sendo discutida pela comunidade científica, institutos de padronização e pelos atores do mercado de comunicação móvel. Os cenários previstos já estão começando a ser delineados, antecipando que podem ser ainda mais difíceis de alcançar, considerando o aumento esperado na flexibilidade, enquanto suportam requisitos conflitantes em várias aplicações e em diferentes setores, além de taxas de dados mais altas, maior cobertura, bandas de frequência mais amplas e latência extremamente baixa. É claro que as futuras redes móveis não podem depender de uma única rede de acesso sem fio para satisfazer a todas essas demandas. Abordagens diferentes são necessárias para atender a todos os requisitos, mas os esquemas SM-MIMO representam uma tecnologia chave para a maioria dos futuros sistemas sem fio. O SMMIMO pode fornecer a vazão necessária, reduzindo a duração do quadro e aumentando a robustez para informações com uma vida útil muito curta. Além disso, integrar sistemas SM-MIMO com esquemas de detecção avançados, que aproveitam tanto o ganho de diversidade quanto o de multiplexação, pode aumentar substancialmente a taxa de transferência e estender a cobertura da rede móvel. Normalmente, os esquemas MIMO são combinados com OFDM para lidar com canais duplamente dispersivos, assumindo que o tempo de coerência do canal é maior que a duração do bloco OFDM e a largura de banda de coerência do canal é maior que a largura de banda de uma subportadora. No entanto, o OFDM apresenta limitações que podem dificultar suas aplicações em sistemas móveis futuros. Altas emissões fora da banda, baixa flexibilidade em termos de parametrização e baixa eficiência espectral e energética para canais com longos perfis de atraso são alguns exemplos dessas restrições. Nesse sentido, o GFDM pode ser considerado uma alternativa viável. Entretanto, há um grande desafio ao uso do MIMO GFDM não ortogonal uma vez que os detectores lineares convencionais apresentam maior complexidade e desempenho inferior em comparação com os sistemas MIMO OFDM. Como resultado, há uma necessidade premente de explorar detectores não convencionais que reduzam a complexidade ao mesmo tempo em que buscam melhorias de desempenho. Para esse fim, esta tese revisa conceitos fundamentais sobre técnicas de estimação linear e detecção, fornecendo uma descrição algorítmica direta que permite a comparação de complexidade e simulação de desempenho. Este trabalho adapta o MMSE-PIC iterativo de baixa complexidade e baixa latência introduzido em [1], projetando e simulando seu desempenho em um transceptor 6G prático para o cenário eRAC, uma tarefa desafiadora assumindo que a forma de onda GFDM não é ortogonal. Os resultados finais apresentados neste trabalho mostram que o MIMO-GFDM é uma abordagem interessante para lidar com os requisitos contrastantes e desafiadores das futuras redes móveis. Logo, a avaliação pragmática de conceitos teóricos, validada por meio de simulações, é de interesse da comunidade acadêmica, pois demonstra as potenciais melhorias que a adoção de uma nova tecnologia pode alcançar. Além disso, esta tese fornece um modelo computacional versátil, uma ferramenta essencial, e também uma referência confiável, para o desenvolvimento de hardware e avaliação de desempenho. |
Abstract: | The emerging mobile communication systems towards an unprecedented evolution in terms of flexibility, data rate, and latency, enabling wireless networks to support applications that are typically backed by wired technologies. The next generation of mobile communication is already being discussed by the scientific community, standardization institutes, and players in the mobile communication market. The foreseen scenarios are already beginning to be outlined, anticipating that they might be even harder to achieve considering the expected increase in flexibility while supporting conflicting requirements across several applications in different verticals, besides higher data rates, broader coverage, wider frequency bands, and extreme low latency. It is clear that future mobile networks cannot rely on a single radio access network to meet all these demands. Different approaches are needed to address all requirements, but SM (Spatial Multiplexing)- MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) schemes represent a key technology for most future wireless systems. SM-MIMO can provide the necessary bandwidth, reducing the frame duration and increasing the robustness for data with a very short life span. Furthermore, integrating SM-MIMO systems with advanced detection schemes, that leverage both diversity and multiplexing gains, can substantially boost throughput and extend coverage area. Usually, MIMO schemes are combined with OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) to deal with double-dispersive channels, assuming that the channel coherence time is larger than the duration of the OFDM block and the channel coherence bandwidth is larger than the subcarrier bandwidth. However, OFDM presents limitations that could hinder its applications in future mobile systems. High OOB (Out-of-Band) emissions, low flexibility in terms of parameterization, and low spectral and energy efficiencies for channels with large delay profiles are some examples of these restrictions. In this sense, GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing) can be considered a feasible alternative. However, a challenge arises when considering non-orthogonal MIMOGFDM since conventional linear detectors exhibit higher complexity and inferior performance compared to MIMO-OFDM systems. Consequently, there is a compelling need to explore non-conventional detectors that simultaneously reduce complexity while aiming for performance enhancement. For this end, this thesis reviews fundamental concepts in linear estimation and detection techniques, providing a straightforward algorithmic description that enables complexity comparison and performance simulation. This work adapts the low complexity and low latency iterative MMSE (Minimum Mean Squared Error)- PIC (Parallel Interference Cancelation) introduced in [1], designing and simulating its performance in a practical 6G (Sixth Generation) transceiver for the eRAC (Enhanced Remote Area Communications) scenario, a challenging task assuming a non-orthogonal GFDM waveform. The final results, presented in this work, show that MIMO-GFDM is an interesting approach to deal with very contrasting and challenging requirements in mobile networks. As a result, the pragmatic assessment of theoretical concepts, validated through simulations, is interesting to the scientific community, as it demonstrates the potential improvements that the adoption of a new technology can achieve. Furthermore, this work provides a versatile computational model, which is an essential tool and also a reliable reference for hardware development and performance evaluation. |
Palavras-chave: | SM-MIMO Linear estimation Detection Interference cancelation Non-orthogonal waveform GFDM |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA |
Idioma: | eng |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Itajubá |
Sigla da Instituição: | UNIFEI |
metadata.dc.publisher.department: | IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica |
Citação: | GASPAR, Danilo Simões. Implementation of a low complexity structure for MIMO-GFDM receivers based on the interference cancellation technique. 2024. 141 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2024. |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4227 |
Data do documento: | 10-Dez-2024 |
Aparece nas coleções: | Teses |
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