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Low-PAR Precoding for Very-Large Multi-User MIMO Systems
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0002-2093-5466
2013 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Lågtoppvärdesförkodning för storskaliga fleranvändar-MIMO-system (Swedish)
Abstract [sv]

Storskaliga fleranvändar-MIMO-system, med hundratals basstationsantenner, studeras med allt större intresse både inom akademin och industrin. En anledning är att sådana system kan betjäna flera enantennsanvändare samtidigt över samma tids-frekvens-resurs med fleranvändarförkodning. Det innebär högre datahastigheter och bättre spektral effektivitet. En annan anledning är att basstationens energiförbrukning förväntas avta linjärt med antalet antenner tack vare den ökade antennförstärkningen. För att möjliggöra den stora ökningen av antalet antenner, måste priset per antenn, med dess sändtagarkedja, vara lågt. Vore det möjligt att tillverka basstationsantenner av billiga, massproducerade mobiltelefonskomponenter, som effektförstärkare utan avancerad linearisering, då skulle storskalig fleranvändar-MIMO kunna bli verklighet.

Effektförstärkare i mobiltelefoner är generellt anpassade att ha hög verkningsgrad och har, i och med detta, kraftigt olinjära överföringsegenskaper. Det är fördelaktigt att sända signaler med lågt toppvärde genom sådana effektförstärkare, för att undvika svår distortion och för att maximera verkningsgraden genom att endast använda en liten avbackning från arbetspunkten. Konventionellt förkodade signaler har tyvärr högt toppvärde (ca. 10 dB). Detta arbete har undersökt en av Mohammed m.fl. (2013a) föreslagen förkodning för storskalig MIMO som resulterar i sändarsignaler med lågt toppvärde. Det visas att denna förkodning ger signaler med ett toppvärde på 4 dB, och att toppvärdet kan göras godtyckligt litet genom att dessutom begränsa fasvariationen. Ju mer fasen begränsas, desto lägre blir emellertid antennförstärkning. Till exempel om fasvariationen begränsas till π/2, sänks toppvärdet till 2,6 dB, men 2-3 dB högre sändareffekt behövs för att bibehålla samma prestanda eller, likvärdigt, så måste basstationen utrustas med 1,6-2,0 gånger fler antenner. Kontinuerlig fasmodulering som ett sätt att få sändarsignaler med konstant envelopp har studerats kort. Lågtoppvärdesförkodning, där sändarsignalerna ligger innanför en cirkel, föreslås som ett sätt att minska den erfodrade sändareffekten utan att öka toppvärdet märkvärt (<4,5 dB) relativt Mohammeds m.fl. förkodning. Förkodningsalgoritmen som utvecklades för detta fastnade dock i lokala minima, vilket försämrade dess prestanda. Sändareffekten kunde därför endast minskas lite grand (<1 dB) vid höga datahastigheter.

En preliminär länkbudget baserad på en enkel effektförstärkarmodell har visat att, med fullständig kanalkännedom och i frekvensplatt fädning, skulle lågtoppvärdesförkodning kunna minska energiförbrukningen med 33 % jämfört med konventionell, linjär förkodning i en basstation med 100 antenner. Analysen antyder att olineariserade klass AB mobiltelefonseffektförstärkare kan vara ett alternativ för storskalig fleranvändar-MIMO-basstationer.

Abstract [en]

Very-large multi-user MIMO systems, with hundreds of base station antennae, are increasingly attracting attention from both academia and industry. One reason is that such systems can use multi-user precoding to simultaneously serve multiple single-antenna users over the same time-frequency resource. This implies increased data rates and improved spectral efficiency. Another reason is that the energy consumed by the base station is expected to decrease linearly with the number of antennae because of the increasing array gain. To enable the massive increase in the number of antennae, each antenna, together with its tranceiver chain, has to be cheap. If one could manufacture base station antennae using low-cost, mass-produced handset technology, including power amplifiers without advanced linearisation techniques, then very-large multi-user MIMO could become reality.

Handset power amplifiers generally aim to be power-efficient, and in doing so often have highly non-linear transfer characteristics. It is of benefit to transmit signals with low peak-to-average ratio (PAR) through such power amplifiers, to avoid excessive distortion and to maximise the power efficiency by only having small operating back-offs. Conventionally precoded signals unfortunately have high PAR (approx. 10 dB). This work has investigated the low-PAR precoding scheme for very-large MIMO proposed by Mohammed et al. (2013a). It is shown that, the transmit signals of this precoding scheme have 4 dB PAR, and that by further limiting the phase variation, the PAR can be made arbitrarily small. However, the more the phase is constrained, the smaller the array gain will be. For example, if the phase variation is limited to π/2, the PAR is lowered to 2.6 dB, but 2-3 dB more transmit power is needed to maintain the same performance or, equivalently, 1.6-2.0 times more antennae are needed at the base station. Continuous phase modulation has briefly been studied as a means of producing constant-envelope transmit signals. Low-PAR precoding, where the transmit signals lie inside a circle, is suggested as a way to decrease the required transmit power without increasing PAR noticeably (<4.5 dB) relative to scheme of Mohammed et al. The algorithm that was developed for this purpose, however got stuck in local minima, which degraded its performance. The transmit power could therefore only be slightly (<1 dB) lowered in the regime of high data rates.

A preliminary link budget analysis based on a simplistic model of the power amplifier has shown that, assuming perfect channel state information and frequency-flat fading, low-PAR precoding can reduce energy consumption by 33 % compared to conventional linear precoding in a base station with 100 antennae. The analysis suggests that using unlinearised class AB handset power amplifiers might be a viable option for very-large multi-user MIMO base stations.

Abstract [zh]

大規模多用戶多輸入多輸出通信系統,即配備上百基站天線的系統,正吸引著學術界及工業界越來越多的關注。其中一個原因是通過多用戶預編碼,該系統可以在同一時頻資源上同時服務多個單天線用戶,有效地增加數據速率及頻譜效率。另一個原因是,跟著陣增益的增加,基站功耗將隨天線數線性遞減。爲了使天線數的極大化可行,每根天線與其收發機的成本必須非常廉價。只有在多天線基站的生產中使用低成本的手機配件,比如不包含複雜線性化技術的功率放大器,大規模多用戶多入多出系統才有可能真正實現。

手機功放通常爲了降低功耗而有著高度非線性傳輸特性。因此,通過這樣的功放更適合傳輸低峯均比的信號以避免過度失真,同時可以在小的運作功率回退下提高功耗效率。傳統預編碼的信號峯均比不巧很高(約10分貝)。本論文研究了由Mohammed等人(2013a)提出的低峯均比預編碼。表明該預編碼的信號有4分貝的峯均比,另外加上相位變化約束信號峯均比可以降到任意小。但相位約束越緊陣增益會隨之減小。譬如約束相位變化小於π/2,峯均比降低到2.6分貝,但需要增加2至3分貝的發射功率保持相同的性能,或增加天線數於1.6至2倍。本文也簡要地描述了恆定包絡信號的連續相位調制,並提出一個預編碼讓傳播信號在一個圓內,以便減少所需要的發射功率,而峯均比也不明顯比Mohammed等人的預編碼大(<4.5分貝)。爲此設計的算法會陷入局部最優點,從而降低其性能。因此傳輸功率只有在高數據速率場景觀察到稍微減小(<1分貝)。

一個初步的基於簡單的功放模型的鏈路預算分析表明,假設收發端具有全部的信道狀態信息,並假設頻率平坦衰落,在一台以一百根天線的基站,低峯均比預編碼可以比普通的線性預編碼進一步降低33%功耗。也表示在大規模多用戶多入多出基站中使用非線性的手機功放應該是可行的。

Abstract [de]

Mehrbenutzer-MIMO-Systeme mit hunderten von Antennen auf Seite der Basisstation werden mit zunehmendem Interesse sowohl von Universitäten als auch in der Telekommunikationsindustrie erforscht. Ein Vorteil Systeme dieser Art ist die gleichzeitige Versorgung mehreren Benutzer mittels Mehrbenutzervorkodierung über dieselbe Zeit-Frequenz-Ressourcen. Dieses führt zu höheren Datenraten und besserer spektraler Effizienz. Ein weiterer Vorteil, wegen des zunehmenden Antennengewinn, ist der mit der Antennenanzahl erwartete linear abnehmende Energieverbrauch der Basisstation. Um eine große Anzahl von Antennen sinnvoll zu ermöglichen, muss jede individuelle Antenne, mit ihrer zugehörigen Sendeempfängerkette, kostengünstig sein. Wäre es möglich, Antennen einer Basisstation auf kostengünstigen serienmäßig hergestellten Mobiltelefonkomponenten, z.B. Leistungsverstärkern ohne komplexe Linearisierung, aufzubauen, könnten Mehrbenutzer-MIMO-Systeme mit hunderten Antennen wirklich realisiert werden.

Mobiltelefonleistungsverstärker sind gewöhnlich eher auf hohen Wirkungsgrade angepasst, deren Übertrangungseigenschaften sind daher stark nichtlinear. Es ist von Vorteil, Signale mit niedrigem Scheitelfaktor durch solche Leistungsverstärker zu übertragen, um übermäßige Verzerrung zu vermeiden und die Wirkungsgrad durch kleineren Backoff vom Arbeitspunkt zu maximieren. Leider haben herkömmlich vorkodierte Signale hohen Scheitelfaktor (ca. 10 dB). Diese Arbeit untersucht die Vorkodierungsmethode von Mohammed u.a. (2013a) zur Verringerung des Scheitelfaktors. Es wird gezeigt, dass die Signale dieser Vorkodierungsmethode haben einen Scheitelfaktor von 4 dB und dass der Scheitelfaktor durch eine zusätzliche Begrenzung der Phasenvariation beliebig klein gemacht werden kann. Je mehr die Phasen begrenzt werden, desto kleiner wird jedoch die Antennenverstärkung. Z.B, wenn die Phasenvariation auf π/2 begrenzt wird, wird der Scheitelfaktor auf 2,6 dB reduziert, aber 2-3 dB höhere Sendeleistung ist benötigt, um die gleiche Datenraten zu behalten, oder, entsprechend, muss die Antennenanzahl um einen Faktor 1,6-2 erhöht werden. Modulation mit stetiger Phase, als eine Methode um Sendesignale mit konstanten Einhüllenden zu bekommen, wird kurz untersucht. Eine Vorkodierungsmethode, wo die Signale innerhalb eines Kreises liegen, wird vorgeschlagen, zur Verringerung der erforderlichen Sendeleistung, ohne den Scheitelfaktor (<4,5 dB), im Vergleich zur Vorkodierung von Mohammed u.a, erkennbar zu erhöhern. Der Algorithmus, der für diesen Zweck entwickelt wurde, fährt aber in lokale Mimima fest, was dessen Leistung vermindern. Die Sendeleistung kann deshalb nur im Bereich hohen Datenraten etwas (<1 dB) gesenkt werden.

Eine Kanalgewinnanalyse, die auf einem einfachen Leistungsverstärkermodell beruht, zeigt ansatzweise im Fall perfekter Kanalzustandsinformation und Flachschwunds, dass geeignete Scheitelfaktorvorkodierung in einem Basisstation mit 100 Antennen den Stromverbrauch im Vergleich zu herkömmlicher linearer Vorkodierung um 33 % verringern kann. Die Analyse deutet an, dass die Anwendung unlinearisierter Mobiltelefonleistungsverstärker Klasse AB eine Möglichkeit in Mehrbenutzer-MIMO-Basisstationen mit hunderten von Antennen ist.

Place, publisher, year, edition, pages
2013. , 106 p.
Keyword [en]
MIMO, PAR Reduction, Precoding, Multi-User
Keyword [sv]
MIMO, toppvärdesreducering, förkodning, fleranvändarförkodning
National Category
Communication Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-94627ISRN: LiTH-ISY-EX--13/4671--SEOAI: oai:DiVA.org:liu-94627DiVA: diva2:633750
External cooperation
Ericsson AB
Subject / course
Communication Systems
Presentation
2013-06-05, Algoritmen, 14:52 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2013-06-28 Created: 2013-06-27 Last updated: 2015-01-23Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Low-PAR Precoding for Very-LArge Multi-User MIMO(5014 kB)1023 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5014 kBChecksum SHA-512
e398718d7ce7b4fe591c78a64d6590f73262dc0d9fa7fb36e23386e48704ecbf0d14f3f4fc2899730ea12a82b86ca471490169385976a96fc665e710d92a86a7
Type fulltextMimetype application/pdf

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By author/editor
Mollén, Christopher
By organisation
Communication SystemsThe Institute of Technology
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