Desenho de pré-codificadores e combinadores para comunicações multiutilizador assistidas por modulações de índice em sistemas pós 5G

Abstract

Considerando os avanços tecnológicos das últimas décadas, espera-se que a próxima geração de comunicações sem fios siga a tendência de um aumento significativo da robustez do sistema, da eficiência espectral (SE) e da eficiência energética (EE). Atualmente na era do pós-5G, os esquemas de "Multiple Input, Multiple Output" (MIMO) baseados em modulações espaciais generalizadas (GSM) bem como noutras modulações de índices (IM), têm sido amplamente considerados como potenciais técnicas candidatas para as redes sem fios. Esta dissertação tem como objetivo desenhar e estudar um sistema MIMO para comunicações multiutilizador integrando símbolos GSM e símbolos de modulação de índices generalizada no espaço-frequência (GSFIM). Numa primeira parte estuda-se um sistema MIMO multiutilizador, em que uma estação base (BS) transmite símbolos GSM pré-codificados para vários recetores. Na abordagem GSM adotada, múltiplas antenas transmitem simultaneamente diferentes símbolos M-QAM de alto nível, até M =1024. O pré-codificador é desenvolvido de modo a remover interferências entre utilizadores enquanto um algoritmo iterativo baseado no "alternating direction method of multipliers" (ADMM) é aplicado no recetor para realizar a deteção GSM de um único utilizador. Os resultados mostram que a abordagem GSM MU-MIMO apresentada é capaz de explorar eficazmente um grande número de antenas de transmissão implantadas no transmissor e também proporcionar ganhos de desempenho sobre esquemas convencionais MU-MIMO com eficiências espectrais idênticas. Numa segunda parte, introduz-se uma nova dimensão (para além do espaço), a frequência. Estuda-se assim o comportamento dos recetores MMSE e OB-MMSE, num sistema MIMO baseado em GSFIM. Os resultados mostram que o sistema GSFIM MUMIMO explora de forma competente as comunicações com grande número de antenas/sub-portadoras, apresentando melhores desempenhos quando usada com um recetor OB-MMSE.

Considering the technological advances of the last decades, the next generation of wireless communications is expected to follow the trend of a significant increase in system robustness, spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE). Today in the post5G era, Multiple Input, Multiple Output (MIMO) schemes based on generalised spatial modulations (GSM) as well as other index modulations (IM) have been widely considered as potential candidate techniques for wireless networks. This dissertation aims to design and study a MIMO system for multi-user communications integrating GSM symbols and generalised space-frequency index modulation (GSFIM) symbols. In a first part, a multi-user MIMO system is studied, in which a base station (BS) transmits pre-coded GSM symbols to several receivers. In the GSM approach adopted, multiple antennas transmit different high-level M-QAM symbols simultaneously, up to M =1024. The precoder is designed to remove interference between users while an iterative algorithm based on the alternating direction method of multipliers (ADMM) is applied to the receiver to perform single user GSM detection. The results show that the GSM MU-MIMO approach presented is capable of effectively exploiting a large number of transmission antennas deployed on the transmitter and also provides desempenho gains over conventional MU-MIMO schemes with identical spectral efficiencies. In a second part, a new dimension (beyond space) is introduced, frequency. The behaviour of MMSE and OB-MMSE receivers in a GSFIM-based MIMO system is thus studied. The results show that the GSFIM MU-MIMO system competently exploits communications with large numbers of antennas/sub-carriers and performs better when used with an OB-MMSE receiver.