Projeto de Codebook para Sistemas MIMO Analógicos em Ondas Milimétricas
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Publicações do PESC
A utilização de MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) em sistemas de ondas milimétricas possibilita a implementação de conjuntos de antenas com elevada quantidade de elementos, tanto no transmissor quanto no receptor. As limitações de hardware atualmente existentes, tornam a utilização de beamforming analógico uma escolha natural de projeto destes modernos sistemas de comunicação. Assim, o beamforming analógico é frequentemente implementado através de um codebook (ou conjunto de vetores) com ajustes de fase pré-definidos, que deve ser cuidadosamente escolhido com o objetivo de melhorar o desempenho do sistema. A fim de tratar o problema de modelagem de um codebook para sistemas MIMO em ondas milimétricas, este trabalho propõe uma metodologia que leva em consideração os dados do canal de propagação baseados em técnicas de estimação semi-determinísticas, mais precisas do que as técnicas estatísticas. Tais técnicas possibilitam aproximar a representação do ``mundo real'' do ambiente de propagação através de sistemas computacionais (ou “mundo virtual”) utilizando a teoria eletromagnética e técnicas numéricas. Baseado nesta informação, este trabalho propõe a modelagem de um codebook vinculado ao ambiente que proporcione um melhor ganho de beamforming. Dessa forma, o algoritmo generalizado de Lloyd é aplicado em um conjunto de amostras de canais de treinamento gerados a partir de um dataset de redes veiculares. A abordagem considera também as restrições de hardware do beamforming analógico. Em uma etapa seguinte, com um conjunto de canais de teste, o codebook estimado é testado e comparado com o codebook DFT com fator de oversampling. Os resultados das simulações destacam a capacidade do codebook estimado em proporcionar melhores ganhos de beamforming com um codebook de tamanho reduzido.
The use of MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) in millimeter wave systems allows the implementation of sets of antennas with a high number of elements, both in the transmitter and in the receiver. Current hardware limitations make the use of analog beamforming a natural design choice for these modern communication systems. Thus, analog beamforming is often implemented through a codebook (or set of vectors) with predefined phase adjustments, which must be carefully chosen in order to improve system performance. In order to address the problem of modeling a codebook for millimeter-wave MIMO systems, this work proposes a methodology that takes into account propagation channel data based on semi-deterministic estimation techniques, which are more accurate than statistical techniques. Such techniques make it possible to approximate the representation of the ``real world'' of the propagation environment through computational systems (or “virtual world'”) using electromagnetic theory and numerical techniques. Based on this information, this work proposes the modeling of a codebook linked to the environment that provides a better beamforming gain. In this way, Lloyd's generalized algorithm is applied to a set of samples of training channels generated from a dataset of vehicular networks. The approach also considers the hardware constraints of analog beamforming. In a next step, with a set of test channels, the estimated codebook is tested and compared with the DFT codebook with oversampling factor. The simulation results highlight the ability of the estimated codebook to provide better beamforming gains with a reduced size codebook.