Hybrid Beamforming Techniques for Massive MIMO Full Duplex Radio Systems - EURECOM Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Hybrid Beamforming Techniques for Massive MIMO Full Duplex Radio Systems

Techniques de Beamforming Hybride pour les Systèmes Radio Massivement MIMO en Full Duplex

Chandan Kumar Sheemar
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1399803
  • IdRef : 279324707

Résumé

Full Duplex (FD) radio has emerged as a promising solution to increase the data rates by up to a factor of two via simultaneous transmission and reception in the same frequency band. Self-interference (SI) is a significant challenge to deal with to achieve an ideal FD operation, which could be 90-100 dB higher than the received signal of interest. SI cancellation (SIC) techniques can mitigate the SI signal in the propagation domain or perform active cancellation by subtracting a copy of the transmitted signal on the receive side. Beamforming is also a potent tool for FD systems, which can mitigate the SI signal while meeting the data traffic requirements. It can be distinguished into two main categories: fully digital beamforming or hybrid beamforming (HYBF). The former is helpful for the traditional multiple-input-multiple-output (MIMO) FD systems with a limited number of antennas, typically deployed in sub-6 GHz. The latter can be used for the massive MIMO (mMIMO) systems in millimeter wave (mmWave) band, such that they can be built cost-efficiently with a fewer number of radio-frequency (RF) chains. This thesis aims to present several digital and HYBF designs for FD systems, starting from very simple and then covering the most challenging scenarios for FD systems. Moreover, a novel and scalable SI architecture is also presented, promising for the mMIMO FD systems. One of the major drawbacks of the literature on multi-user FD communication systems is that it does not contain any distributed solution. As the FD paradigm shifts towards the mmWave band, several new challenges arise, which can make the implementation of the centralized HYBF designs infeasible, especially in a large or/and dense multi-cell network, for which a mathematical analysis is also presented. To make FD feasible in large or/and dense networks, we present the concept of per-link parallel and distributed (P&D) HYBF by introducing the first-ever P&D algorithm for mmWave, which enables parallel optimization of the beamformers at the multi-processor FD base stations and has very low complexity. Intelligent reflecting surfaces (IRSs) are prominent for the next generation of wireless communication systems. In the final part of this thesis, the concept of near-field IRSs for the mmWave FD systems is introduced to leverage the full potential of FD operation while drastically reducing the hardware cost and minimizing power consumption. The multi-cell dynamic time division duplexing (DTDD) systems are a particular case of the multi-cell FD systems. This thesis concludes with a novel contribution to DTDD by proposing a fully distributed and low complexity solution for the joint scheduling and power allocation problem, which in practice results in being NP-hard.
La radio Full Duplex (FD) est apparue comme une solution prometteuse pour augmenter les débits de données jusqu'à un facteur de deux via une transmission et une réception simultanées dans la même bande de fréquences. L'auto-interférence (SI) est un défi important à relever pour obtenir un fonctionnement FD idéal, qui pourrait être supérieur de 90 à 100 dB au signal d'intérêt reçu. Les techniques d'annulation SI atténuent le signal SI dans le domaine de propagation ou le soustraient du côté réception en utilisant une copie du signal transmis. Beamforming est également un outil puissant pour les systèmes FD, qui peut atténuer le signal SI tout en répondant aux exigences du trafic de données. Il peut être distingué en beamforming entièrement digitale ou beamforming hybride (HYBF). Le premier est utile pour les systèmes FD traditionnels à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) avec un nombre limité d'antennes, généralement déployées à moins de 6 GHz. Ce dernier peut être utilisé pour les systèmes MIMO massifs (mMIMO) dans la bande des ondes millimétriques (mmWave), de sorte qu'ils peuvent être construits de manière rentable avec un nombre réduit de chaînes radiofréquence (RF). Cette thèse vise à présenter plusieurs conceptions numériques et HYBF pour les systèmes FD, en partant de très simples et en couvrant ensuite les scénarios les plus difficiles pour les systèmes FD. De plus, une nouvelle architecture SI évolutive est également présentée, prometteuse pour les systèmes mMIMO FD. L'un des inconvénients majeurs de la littérature sur les systèmes de communication FD multi-utilisateurs est qu'elle ne contient aucune solution distribuée. Alors que le paradigme FD évolue vers la bande mmWave, plusieurs nouveaux défis se posent, ce qui peut rendre impossible la mise en œuvre des conceptions HYBF centralisées, en particulier dans un réseau multicellulaire large ou/et dense, pour lequel une analyse mathématique est également présentée. Pour rendre la FD réalisable dans les réseaux étendus ou/et denses, nous présentons le concept de HYBF parallèle et distribué par lien (P&D) en introduisant le tout premier algorithme P&D pour mmWave, qui permet optimisation parallèle des formateurs de faisceaux au niveau des stations de base FD multiprocesseurs et a une très faible complexité. Les surfaces réfléchissantes intelligentes (IRS) sont importantes pour la prochaine génération de systèmes de communication sans fil. Dans la dernière partie de cette thèse, le concept d'IRS en champ proche pour les systèmes MIMO FD est introduit, ce qui permet d'exploiter au maximum le plein potentiel des systèmes FD tout en réduisant considérablement le coût du matériel et en minimisant la consommation d'énergie. Les systèmes multicellulaires à dynamic time division duplexing (DTDD) sont un cas particulier des systèmes FD multicellulaires. Cette thèse se termine par une nouvelle contribution à DTDD en proposant une solution entièrement distribuée et de faible complexité pour le problème conjoint d'ordonnancement et d'allocation de puissance, qui se traduit en pratique par être NP-difficile.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04643932 , version 1 (10-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04643932 , version 1

Citer

Chandan Kumar Sheemar. Hybrid Beamforming Techniques for Massive MIMO Full Duplex Radio Systems. Computer Aided Engineering. Sorbonne Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022SORUS594⟩. ⟨tel-04643932⟩
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