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Energy-Efficient and Robust Hybrid Analog-Digital Precoding for Massive MIMO Systems

Hegde, Ganapati (2019):
Energy-Efficient and Robust Hybrid Analog-Digital Precoding for Massive MIMO Systems.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

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Dissertation - Text
2019-10-24_Hegde_Ganapati.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Energy-Efficient and Robust Hybrid Analog-Digital Precoding for Massive MIMO Systems
Language: English
Abstract:

The fifth-generation (5G) and future cellular networks are expected to facilitate wireless communication among tens of billions of devices with enormously high data rate and ultra-high reliability. At the same time, these networks are required to embrace green technology by significantly improving the energy efficiency of wireless communication to reduce their carbon footprint.

The massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems, in which the base stations are equipped with hundreds of antenna elements, can provide immensely high data rates and support a large number of users by employing the precoding at the base stations. However, the conventional precoding techniques - which require a dedicated radio-frequency chain for each antenna element - become prohibitively expensive for massive MIMO systems. To address this shortcoming, the hybrid analog-digital precoding architecture is proposed, which requires fewer radio-frequency chains than the antenna elements. The reduced hardware costs in this novel architecture, however, comes at the expense of reduced degrees of freedom for the precoding, which deteriorates the energy efficiency of the network.

In this thesis, we consider the design of energy-efficient hybrid precoding techniques in multiuser downlink massive MIMO systems. These systems are fundamentally interference limited. To mitigate the interference, we adopt two interference management strategies while designing the hybrid precoding schemes. They are, namely, interference suppression-based hybrid precoding, and interference exploitation-based hybrid precoding. The former approach results in a lower computational complexity - as the resulting precoders remain the same as long as the channel is unchanged when compared to the latter approach. On the other hand, the interference exploitation-based hybrid precoding is more energy efficient due to judicious use of transmit symbol information, as compared to the interference suppression-based hybrid precoding.

In the hybrid analog-digital precoding, analog precoders are implemented in analog radio-frequency domain using a large number of phase shifters, which are relatively inexpensive. These phase shifters, however, typically suffer from artifacts; their actual values differ from their nominal values. These imperfect phase shifters can lead to symbol estimation errors at the users, which may not be tolerable in many applications of future cellular networks. To establish a high-reliable communication under the plight of imperfect phase shifters in the hybrid precoding architecture, in this thesis, we propose an energy-efficient, robust hybrid precoding technique. The designed scheme guarantees 100% robustness against the considered hardware artifacts. Moreover, the thesis demonstrates that the proposed technique can save up to 12% transmit power when compared to a conventional method.

Another critically important requirement of the future cellular networks - apart from ultra-high reliability and energy efficiency - is ultra-low latency. Some envisioned extreme real-time applications of 5G, such as autonomous driving and remote surgery, demand an end-to-end latency smaller than one millisecond. To fulfill such a stringent demand, we devise an efficient implementation scheme for the proposed robust hybrid precoding technique to reduce the required computational time. The devised scheme exploits special structures present in the algorithm to reduce the computational complexity and can compute the precoders in a distributed manner on a parallel hardware architecture. The results show that the proposed implementation scheme can reduce the average computation time of the algorithm by 35% when compared to a state-of-the-art method.

Finally, we consider the hybrid precoding in heterogeneous networks, where the cell edge users typically experience severe interference. We propose a coordinated hybrid precoding technique based on the interference exploitation approach. The numerical results reveal that the proposed coordinated hybrid precoding results in a significant transmit power savings when compared to the uncoordinated hybrid precoding.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Anforderungen an Mobilfunknetze der fünften Generation (5G) sowie die der folgenden Generationen sind hoch. Zum einen wird von ihnen erwartet, die drahtlose Kommunikation zwischen mehr als zehn Milliarden Geräten mit enorm hoher Datenrate und extrem hoher Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Zum anderen spielt der Umweltaspekt eine immer wichtigere Rolle, sodass in drahtlosen Netzwerken vermehrt auf umweltfreundliche Technologien gesetzt werden muss, um die Energieeffizienz der drahtlosen Netzwerke zu verbessern und so ihren CO2-Fußabdruck zu verringern. Durch den Einsatz von Hunderten Antennenelementen an den Basisstationen ermöglicht die massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Technologie immens hohe Datenraten. Zusätzlich kann durch Einsatz der Vorkodierung an der Basisstation eine große Anzahl an Benutzern zur selben Zeit bedient/unterstützt werden. Herkömmliche Vorkodierungstechniken erfordern für jedes Antennenelement eine eigene Hochfrequenzkette, sodass ihr Einsatz für massive MIMO-Systeme aus Kostengründen unpraktikabel ist. Anstelle herkömmlicher Vorkodierungstechniken kommt daher eine hybride Analog-Digital-Vorkodierungsarchitektur zum Einsatz, welche weniger Hochfrequenzketten als Antennenelemente erfordert und somit die Hardwarekosten reduziert. Die verringerten Hardwarekosten in dieser neuartigen Architektur gehen jedoch zu Lasten der Freiheitsgrade der Vorkodierung, was wiederum die Energieeffizienz des Netzwerks beeinträchtigt. In dieser Arbeit werden energieeffiziente hybride Vorkodierungstechniken in massiven Mehrbenutzer-Downlink-MIMO-Systemen untersucht. Diese Systeme sind grundsätzlich störungsbegrenzt. Um die Interferenzen abzumildern werden zwei unterschiedliche Interferenzmanagementstrategien angewendet. Zum einen auf Interferenz-unterdrückung basierende Hybridvorkodierung und zum anderen auf Interferenzausnutzung basierende Hybridvorkodierung. Bei gleichbleibendem Kanal liefern beide Ansätze den gleichen Vorkodierer. Im Vergleich zu dem auf Interferenzausnutzung basierenden Ansatz führt der auf Interferenzunterdrückung basierende Ansatz zu einem verringerten Rechenaufwand. Andererseits ist die auf Interferenzausnutzung basierende Hybrid-Vorkodierung aufgrund einer überlegten Verwendung von Sendesymbolinformationen im Vergleich zu der auf Interferenzunterdrückung basierenden Hybrid-Vorkodierung energieeffizienter. Bei der hybriden Analog-Digital-Vorkodierung werden analoge Vorkodierer im analogen Hochfrequenzbereich unter Verwendung einer großen Anzahl von Phasenschiebern implementiert, welche vergleichsweise kostengünstig sind. Diese Phasenschieber leiden jedoch typischerweise unter Artefakten; ihre tatsächlichen Werte weichen von ihren Nennwerten ab. Diese suboptimalen Phasenschieber können zu Symbolschätzfehlern bei den Nutzern führen, welche in vielen Anwendungen zukünftiger zellularer Netzwerke möglicherweise nicht tolerierbar sind. In dieser Arbeit wird eine energieeffiziente, robuste Hybrid-Vorkodierungsmethode vorgestellt, die es ermöglicht auch mit suboptimalen Phasenschiebern eine äußerst zuverlässige Kommunikation herzustellen. Das entworfene Schema garantiert 100% Robustheit gegenüber den betrachteten Hardware-Artefakten. Darüber hinaus zeigt die Arbeit, dass die vorgeschlagene Technik im Vergleich zu einer herkömmlichen Methode bis zu 12% der Sendeleistung einsparen kann. Eine weitere Anforderung an künftige Mobilfunknetze von entscheidender Bedeutung ist neben der extrem hohen Zuverlässigkeit und Energieeffizienz eine extrem niedrige Latenz. Einige der geplanten extremen Echtzeitanwendungen von 5G, darunter das autonome Fahren sowie das Vorhaben Fernoperation durchzuführen, erfordern eine durchgehende Latenz von weniger als einer Millisekunde. Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, wurde ein effizientes Implementierungsschema für die vorgeschlagene robuste Hybrid-Vorkodierungstechnik zur Reduzierung der Rechenzeit entwickelt. Das entworfene Schema nutzt spezielle Strukturen im Algorithmus, um die Rechenkomplexität zu verringern und kann die Vorkodierer auf einer parallelen Hardwarearchitektur berechnen. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Implementierungsschema die durchschnittliche Rechenzeit des Algorithmus im Vergleich zu einem State of the Art Verfahren um 35% reduziert. Zu guter Letzt betrachten wir die hybride Vorkodierung in heterogenen Netzwerken, in denen die Nutzer an den Zellenrändern starken Interferenzen ausgesetzt sind. Wir schlagen eine koordinierte Hybrid-Vorkodierungstechnik vor, die auf dem Interferenz-ausnutzungsansatz basiert. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene koordinierte Hybridvorkodierung im Vergleich zur nicht koordinierten Hybridvorkodierung zu einer signifikanten Sendeenergieeinsparung führt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communication Systems
Date Deposited: 06 Nov 2019 09:46
Last Modified: 09 Jul 2020 02:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-92107
Referees: Pesavento, Prof. Dr. Marius and Masouros, Prof. Dr. Christos
Refereed: 22 October 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9210
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