Análise da eficiência espectral em uplink do sistema MIMO massivo para modulação FBMC

Abstract

Resumo: Esta dissertação traz uma análise de desempenho do Filter Bank Multicarrier (FBMC) e suas vantagens como uma técnica alternativa a ser adotada futuramente em tecnologia de quinta geração (5G), onde sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) de múltiplos usuários (MU) serão implementados. O estudo compara o desempenho entre Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), que é o principal modelo de multiplexação adotado em redes 4G, e o FBMC, que é considerado um dos mais fortes candidatos a substituir o OFDM em 5G. Essa comparação avalia a eficiência espectral (ES) na ligação ascendente (uplink) do sistema MIMO Massivo (MM) em um ambiente de célula única. A diversidade presente em MM permite uma auto-equalização do canal, da qual o FBMC se beneficia devido ao confinamento da subportadora em uma faixa atribuída. Devido à ausência do prefixo cíclico, o FBMC possui melhor ES que o OFDM conforme a relação sinal-ruído (SNR) é aumentada. Pode-se observar que há escassa literatura a contemplar a análise de FBMC em um cenário de MIMO multiusuário em larga escala, que considera um grande número de antenas na estação rádio base (ERB). Neste estudo, porém, cenários distintos são considerados ao se variar o número de antenas, usuários e diferentes raios de célula. Além disso, as modulações da subportadora são simuladas, não sendo consideradas como distribuições Gaussianas como na teoria dos limites de Shannon para capacidade do canal. Assim, as simulações mostram que em casos de elevado SNR percebido em uma configuração onde o número de antenas na ERB é fixo, o FBMC permite dobrar o raio da célula para um mesmo valor de ES dado em bits/s/Hz/usuário quando comparado ao OFDM. Já para o cenário onde o raio da célula permanece o mesmo, o OFDM chega a requerer até três vezes mais antenas que o FBMC quando ambas as modulações estão sob as mesmas condições, e o mesmo valor de ES é usado como parâmetro. Palavras-chave: MIMO, FBMC, mimo massivo, filter bank multicarrier, efficiência espectral, 5G.

Abstract: This dissertation covers the potential of Filter Bank Multicarrier (FBMC) modulation as an alternative to be used in the future 5G wireless networks where Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) will be deployed. The study compares orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with FBMC. The former is the multiplexing technique in 4G communications and the latter is one of the strongest candidates to replace OFDM in 5G networks. This comparison evaluates the spectral efficiency (SE) of a Massive MIMO (MM) system uplink under a single-cell environment. The diversity in MM permits a self-equalization of the channel, which the FBMC further benefits from, due to the confinement of the subcarrier in an assigned range. Due to the absence of the cyclic prefix, the FBMC has better SE than the OFDM for increasing signal-to-noise-ratio (SNR). One may find a scarce literature covering the FBMC in a large-scale multi user MIMO scenario, which considers a large number of antennas at the base station (BS). Various scenarios are considered by varying the number of antennas, users and different cell radius. Moreover, the subcarrier modulations are simulated, and not considered Gaussian distributed, as in Shannon limit theory of channel capacity. Thus, simulations show that in cases of high perceived SNR in a configuration where the number of antennas in the ERB is fixed, the FBMC allows the cell radius to be doubled to a given value of ES in [bits/s/Hz/user] when compared to OFDM. For the scenario where the radius of the cell is kept the same, OFDM requires up to three times more antennas than the FBMC when both modulations are under the same conditions, and the same ES value is used as a parameter. Keywords: MIMO, FBMC, massive mimo, filter bank multicarrier, spectral efficiency, 5G.