Spatial modulations for green heterogeneous networks

Abstract

A rápida evolução dos sistemas de telecomunicações culminou numa necessidade cada vez mais crescente por redes que permitam elevados débitos. Associado a esse throughput elevado está o custo energético que gradualmente torna os sistemas pouco eficientes energeticamente. As modulações espaciais generalizadas (Generalized Spatial Modulation -GSM) surgem da necessidade de criar comunicações mais “verdes”, permitindo obter melhores eficiências energéticas através da redução do número de cadeias de blocos radio-frequência (RF) utilizadas no emissor. O estudo apresentado neste trabalho pretende realçar, num primeiro ponto, a importância da evolução dos sistemas de transmissão MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) como forma de aumento do throughput global de uma rede de telecomunicações mantendo uma eficiência energética alta, com foco em GSM. O segundo ponto consiste no estudo de um algoritmo baseado no método ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers), como recetor de baixa complexidade para esquemas GSM com desempenho próximo do ótimo, o detetor de máxima verosimilhança (MLD). O estudo do recetor ADMM foi efetuado em duas fases, sendo que a primeira é referente ao estudo extensivo e exclusivo do recetor ADMM, com principal enfoque nos vários parâmetros que o definem. Na segunda fase é feita uma comparação para vários cenários entre o recetor ADMM e alguns dos recetores de baixa complexidade mais conhecidos, entre eles o OB-MMSE (Ordered Block MMSE) e o BPDN (Basis Pursuit De-Noising), por exemplo. A realização de simulações, com os vários recetores, em vários cenários permitiu concluir que o ADMM, com recurso às suas técnicas de refinamento, representa uma alternativa eficiente, e em certos casos superior, ao OB-MMSE principalmente para cenários com um elevado número de bits por símbolo espacial.

The fast evolution of telecommunications systems resulted in a growing need for networks that support high transmission rates. Associated with this high throughput is the energy cost that gradually makes this systems less energy-efficient . The Generalized Spatial Modulation (GSM) arises from the need to create more "green" communication, allowing best energy efficiencies. The study presented in this thesis aims to highlight firstly, the importance of the development of MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) transmission systems capable of increasing the overall throughput of a telecommunications network while maintaining high energy efficiency, focusing on GSM. The second relevant aspect is the study of an algorithm based on the ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers) method, as a solution for a low complexity receiver for GSM schemes with a performance close to the optimal one, the maximum likelihood detector (MLD). The ADMM receiver study was conducted in two phases, the first of which refers to the extensive and unique study of the ADMM receiver, with main focus on the various parameters that define it. In the second stage a comparison is made between the settings for various ADMM receivers and some of the known low-complexity receivers, including OB-MMSE (Ordered Block MMSE) and BPDN (Basis Pursuit De-noising), for example. The results obtained from the evaluations performed several scenarios allow us to conclude that the ADMM based receiver combined with refinement techniques, is an efficient alternative and in some cases with better performance than the OB-MMSE receiver, especially for scenarios with a large number of bits per spatial symbol.