Hybrid massive MIMO architecture with SWIPT in NOMA systems

Jawarneh, Ahlam (2022). Hybrid massive MIMO architecture with SWIPT in NOMA systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

It is becoming apparent that radio frequency energy harvesting (EH) presents a vital potential for improving the energy efficiency of existing and future networks. EH has also emerged as a viable option, allowing for the re-use of a portion of the transmitted energy through an energy cycle. Moreover, the enormous need for large data speeds and increased traffic in wireless networks has prompted research into the millimeter wave (mm-Wave) spectrum for future (5G) communication systems. Massive antenna arrays are used for this high frequency. However, high implementation costs and signal processing complexity make completely digital (homogeneous) beamforming systems expensive and inefficient, while employing purely analog beamforming reduces system performance owing to hardware limits. To address the aforementioned issues, hybrid beamforming has been proposed. Finding an appropriate design remains a significant difficulty for the researcher. In this thesis, we first formulate and present a new method based on the long recurrence enlarged conjugate gradient (LRE-CG) algorithm for iteratively realizing the MMSE detection method while avoiding the matrix inversion complexities in massive MIMO systems. We demonstrate its superior performance to present competing methods. Then we tailor its application to massive MIMO systems and mmWave massive MIMO systems with NOMA System. It has been verified by the simulation results that the presented method outperforms the conventional methods in the literature including the Neumann series approximation-based approach and Gauss-Siedel iterative (GS) methods for massive MIMO systems. The proposed algorithm succeeds to attain the near-optimal performance of a typical MMSE algorithm with a minimal level of iterations. Secondly, we deal with the issue of power consumption in millimeter-wave (mmWave) huge MIMO systems caused by mixed-signal components like analog-to-digital converters. In order to increase the efficiency of the spectrum, we use non-orthogonal multiple access (NOMA) in mmWave large MIMO systems. Massive multi-input multi-output (MIMO) systems operating at millimeter waves will make advantage of the simultaneous wireless transmission of information and power (SWIPT). In the NOMA scenario, where inter-user interference may be utilized for energy harvesting, SWIPT is particularly helpful in extending the battery life of mobile users (MUs) and improving the system energy efficiency (EE) (EH). To begin with, we developed a user grouping algorithm based on affinity propagation clustering, which groups user equipment (UE) based on channel correlation and distance. Following that, we designed the analog RF precoder for all beams using the selected user grouping, then we designed a low-dimensional digital baseband precoder to achieve a maximum sum-rate as well as minimize inter-beam interference for the system. Afterward, we formed a joint power allocating and power splitting optimization problem. Given the existence of linked variables and inter-user interference, the studied non-convex optimization issue is challenging to handle. In order to address this issue, a decoupled approach is used, in which the power allocation and power splitting are treated as independent issues, and the Lagrangian duality technique is used to solve these sub-problems. The simulation findings validate the efficacy of the proposed technique and show that it is near-optimal and has superior spectrum and energy efficiency compared to the previous designs and the existing SWIPT-enabled mmWave MIMO-NOMA system.

Titre traduit

Architecture MIMO massive hybride avec SWIPT dans les systèmes NOMA

Résumé traduit

La récupération d’énergie radiofréquence (EH) est apparue comme une possibilité importante pour l’augmentation de l’efficacité énergétique des réseaux existants et futurs. L’EH a également émergé comme une option durable, permettant la réutilisation d’une partie de l’énergie transmise à travers un cycle énergétique. En outre, l’énorme besoin de débits de données élevés et l’augmentation du trafic dans les réseaux sans fil ont suscité des recherches sur le spectre des ondes millimétriques (ondes mm) pour les futurs systèmes de communication (5G). Les réseaux d’antennes massives sont utilisés pour cette haute fréquence. Cependant, les coûts de déploiement élevés et la complexité du traitement du signal rendent les systèmes de formation de faisceau entièrement numériques (homogènes) coûteux et inefficaces. De plus, l’utilisation d’un système de formation de faisceau purement analogique réduit les performances du système en raison de ses limites matérielles. Pour résoudre les problèmes susmentionnés, la formation de faisceau hybride a été proposée. Trouver une conception appropriée reste une difficulté importante pour le chercheur. Dans cette thèse, nous formulons et présentons une nouvelle méthode basée sur l’algorithme LRE-CG (Long Recurrence Enlarged Conjugate Gradient) pour réaliser itérativement la méthode de détection MMSE, tout en évitant les complexités d’inversion de la matrice dans les systèmes MIMO massifs. Nous démontrons que ses performances sont supérieures à celles des méthodes actuelles et compétitives. Nous adaptons ensuite son application aux systèmes MIMO massifs et aux systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques avec le système NOMA. Les résultats de la simulation ont permis de vérifier que la méthode présentée surpasse les méthodes conventionnelles trouvées dans la littérature, y compris l’approche basée sur l’approximation des séries de Neumann et l’itération de Gauss-Siedel et les méthodes itératives de Gauss-Siedel (GS) pour les systèmes MIMO massifs. L’algorithme proposé parvient à atteindre une performance quasi optimale à celle de l’algorithme MMSE typique avec un niveau minimal d’itérations. Deuxièmement, nous abordons le problème de la consommation d’énergie associée aux éléments de signaux mixtes tels que les éléments analogiques-numériques dans les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques (mmWave). Nous utilisons la méthode d’accès multiple non orthogonal (NOMA) dans les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques (mmWave) pour améliorer l’efficacité spectrale. La technologie simultanée de transmission d’informations et d’énergie sans fil (SWIPT) sera utilisée dans les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques. L’utilisation de SWIPT contribue à prolonger la durée de vie de la batterie des utilisateurs mobiles (MU) et à améliorer l’efficacité énergétique (EE) du système, en particulier dans le cas des systèmes MIMO où l’interférence d’inter-utilisateur peut être réutilisée pour la récupération de l’énergie (EH). Cependant, nous avons initialement conçu un algorithme de regroupement(clustering) des utilisateurs basé sur l’algorithme de regroupement(clustering) par propagation d’affinité, qui rassemble préférentiellement les équipements d’utilisateur (UE) en fonction de leur canal de corrélation et de leur distance. Subséquemment, nous concevons un encodeur RF analogique basé sur la sélection du groupe d’utilisateurs pour tous les faisceaux, suivi d’une conception d’un encodeur numérique en bande de base de faible dimension pour atténuer davantage les interférences entre faisceaux, et maximiser le débit total réalisable pour le système considéré. Par la suite, nous transformons le problème d’optimisation original en deux sous problèmes : le premier concerne d’allocation de puissance conjointe et le deuxième est sur la répartition de puissance. Le problème d’optimisation non convexe considéré est difficile à résoudre, en raison de la présence de variables jointes et d’interférences entre utilisateurs. Pour faire face à ce problème, une approche disjointe est adoptée, dans laquelle l’allocation et la répartition de la puissance sont séparées, et les sous-problèmes correspondants sont résolus à l’aide de la méthode de dualité lagrangienne. Les résultats de la simulation confirment l’efficacité de la méthode proposée et démontrent qu’elle est quasi-optimale et qu’elle bénéficie d’une meilleure efficacité spectrale et énergétique par rapport aux conceptions abordées dans l’état de l’art, et à la méthode conventionnelle à savoir le Système MIMO-NOMA à ondes millimétriques compatible avec SWIPT.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 85-93).
Mots-clés libres:	récupération d’énergie, onde millimétrique, formation de faisceau hybride, massifs MIMO, gradient conjugué élargi à longue récurrence, accès multiple non orthogonal, la technologie de transmission simultanée d’informations et d’énergie sans fil
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kadoch, Michel
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	15 févr. 2023 15:42
Dernière modification:	17 mars 2023 12:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3171

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