Performance analysis of massive MIMO receivers

Abstract

We face now an exponential increase in wireless devices and to allow good user experience, it is imperative that the next generation of mobile (5G) communications ensures reliable connections, high data transfer rates and low latency. One way to increase the data transfer rate is to use massive Multiple-Input, Multiple-Output (MIMO) systems, that is, systems with multiple antennas to emit and multiple antennas to receive thus allowing spatial diversity. In these systems, to increase the battery life of the devices it is preferable to use the Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization modulation in the uplink as this modulation reduces the complexity in the emitter, transferring it to the receiver, in this case the Base Staion, where it is quite acceptable. This dissertation studies the performance of massive MIMO receiver systems, comparing it to the performance achieved with the Matched Filter Bound (MFB). The Iterative Block Decision-Feedback Equalizer (IB-DFE) receiver presents a very similar performance to the MFB, however, the algorithm requires matrix inversions, which in the systems under study, where the size of the matrix is high, implies an increase of the associated operations increases. Thus it is very important that low complexity receivers, such as the Maximal-Ratio Combining (MRC) or Equal Gain Combining are used. In this dissertation, a simple receiver is proposed combining the IB-DFE receiver with the MRC receiver, thus creating a low complexity receiver with excellent performance

Atualmente, sente-se um aumento exponencial nos dispositivos wireless. De modo a permitir uma boa experiência por parte dos utilizadores é fundamental que a próxima geração de comunicações móveis (5G) assegure fiabilidade nas ligações, uma elevada taxa de transferência de dados e baixa latência. Uma maneira de elevar a taxa de transferência de dados é utilizar sistemas massive Multiple-Input, Multiple-Output (MIMO), ou seja, sistemas com múltiplas antenas a emitir e múltiplas antenas a receber permitindo assim diversidade espacial. Nestes sistemas, para aumentar a bateria dos dispositivos é preferível usar no uplink a modulação Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization pois esta modulação reduz a complexidade no emissor transferindo-a para o recetor, neste caso na Base Station, onde isso é bastante aceitável. Esta dissertação estuda o desempenho dos recetores dos sistemas massive MIMO, comparando o desempenho alcançado com o desempenho do Matched Filter Bound (MFB). O recetor Iterative Block Decision-Feedback Equalizer (IBDFE) apresenta um desempenho muito semelhante ao do MFB no entanto, o algoritmo do receptor inverte matrizes, o que nos sistemas em estudo, onde o tamanho das matrizes é elevado, se reflecte no aumento da complexidade das operações associadas. Deste modo, é importante que sejam utilizados recetores de baixa complexidade tal como o Maximal-Ratio Combining (MRC) ou o Equal Gain Combining. Esta dissertação propõe um recetor simples que combina um recetor IB-DFE com um recetor MRC, criando desde modo um recetor de baixa complexidade e com excelente desempenho.