Hybrid Precoding Based on Alternating Minimization for Millimeter Wave Systems

Abstract

Millimeter-wave frequencies, which enable the usage of a greater spectrum than the existing cellular microwave bands, have attracted the researchers' attention significantly. However, the ever-increasing demand for higher data rates in the future 5G and 6G networks requires further improvement of spectral efficiency. Millimeterwave systems take advantage of the decrease in wavelength to employ antenna arrays consisting of a large number of antennas on both transmitter and the receiver. Due to the high hardware cost and high power consumption of the fully digital precoders used in conventional MIMO systems, it is not feasible to employ fully digital baseband precoders at the millimeter-wave MIMO systems. Hybrid analog/digital transceiver architectures, which were made up of digital baseband and analog RF precoders were recently proposed by many researchers to reduce the rather high power consumption. Since analog RF precoders are much cheaper and consume much lower powers, the cost of the system is also significantly reduced with the help of RF precoders while achieving a comparable fully-digital precoder performance. This thesis investigates the performance of the millimeter-wave massive MIMO systems with hybrid analog/digital architecture for several aspects. We propose a novel low-complexity alternating minimization algorithm based on the Barzilai-Borwein (BB) gradient algorithm to maximize the spectral efficiency in single-user millimeterwave systems under Gaussian noise and impulsive noise. It is aimed to minimize the Euclidean distance between the hybrid precoders and fully digital precoder using alternating minimization techniques for both scenarios. In the impulsive noise environment, a novel fuzzy logic-based decoder is also proposed to suppress the effects of impulsive noise. Simulation results demonstrate that the proposed BB method can achieve almost the same spectral efficiency as the competing methods despite its lower computational complexity. Furthermore, the proposed fuzzy logic-based filter successfully suppresses the impulsive noise effects and achieves a better bit error rate performance than the competing methods which also work efficiently in Gaussian noise.

ÖZ: Mevcut hücresel mikrodalga bantlarından daha geniş bir spektrumun kullanılmasını sağlayan milimetre-dalga frekansları, araştırmacıların dikkatini önemli ölçüde çekmiştir. Bununla birlikte, gelecekteki 5G ve 6G ağlarında daha yüksek veri hızlarına yönelik sürekli artan talep, spektral verimliliğin daha da iyileştirilmesini gerektiriyor. Milimetre-dalga sistemleri hem verici hem de alıcı üzerinde çok sayıda antenden oluşan anten dizilerini kullanmak için dalga boyundaki azalmadan yararlanır. Geleneksel MIMO sistemlerinde kullanılan dijital ön kodlayıcıların yüksek donanım maliyeti ve yüksek güç tüketimi nedeniyle, milimetre-dalga MIMO sistemlerinde dijital ön kodlayıcıların yalnız başına kullanılması uygun değildir. Bu yüzden, dijital ve analog RF ön kodlayıcılardan oluşan hibrit analog/dijital alıcı-verici sistemleri, son zamanlarda oldukça yükselen güç tüketimini azaltmak için birçok araştırmacı tarafından önerildi. Analog RF ön kodlayıcılar sayesinde sistem maliyeti ve güç tüketimi düşürülürken, dijital ön kodlayıcılara yakın bir performans elde edilmiştir. Bu tez, hibrit analog/dijital yapıya sahip milimetre-dalga masif MIMO sistemlerinin performansını çeşitli açılardan incelemektedir. Tezde, tek kullanıcılı millimetre-dalga sistemlerinin Gauss gürültüsü ve anlık gürültü etkisi altında spektral verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için düşük karmaşıklığa sahip Barzilai-Borwein (BB) gradyan algoritmasına dayanan özgün bir dönüşümlü minimizasyon algoritması önerilmiştir. Dönüşümlü minimizasyon teknikleri kullanılarak hibrit ön kodlayıcılar ile tam dijital ön kodlayıcı arasındaki Öklid mesafesinin en aza indirilmesi amaçlanmaktadır. Ayrıca, anlık gürültü ortamından kaynaklanan etkileri bastırmak için özgün bir bulanık mantık tabanlı kod çözücü önerilmiştir. Simülasyon sonuçları, önerilen BB yönteminin daha düşük hesaplama karmaşıklığına sahip olmasına rağmen, yarıştığı yöntemlerle neredeyse aynı spektral verimliliğe ulaşabildiğini göstermektedir. Ayrıca, önerilen bulanık mantık tabanlı filtre, anlık gürültü etkilerini başarıyla bastırırken kıyaslanan diğer yöntemlerden daha iyi bir hata oranı elde etmiştir. Önerilen filtrenin, Gauss gürültüsü etkisi altında da yüksek verimlilik ile çalıştığı gözlemlenmiştir.