Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G
The increasing demand for higher data rates and for more connected devices has led to the adoption of Massive MIMO Technologies for transmission in wireless channels. Having a high number of transmit and receive antennas is the basic feature of Massive MIMO networks and this is what differentiate...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2021
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15009 |
id |
nemertes-10889-15009 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
5G BER MIMO FPGA MMSE Fast Fourier transform Expectation propagation Base station Κεραίες μετάδοσης Δίκτυα 5G Επικοινωνία άνω ζεύξης |
spellingShingle |
5G BER MIMO FPGA MMSE Fast Fourier transform Expectation propagation Base station Κεραίες μετάδοσης Δίκτυα 5G Επικοινωνία άνω ζεύξης Κομποστιώτης, Δημήτριος Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G |
description |
The increasing demand for higher data rates and for more connected devices has
led to the adoption of Massive MIMO Technologies for transmission in wireless
channels. Having a high number of transmit and receive antennas is the basic
feature of Massive MIMO networks and this is what differentiates them from conventional
MIMO systems where users communicate using base stations with a
small number of antennas. Massive MIMO technology has many benefits such as
high link reliability, high throughput rate, high spectral efficiency and therefore it
plays a crucial role at 5G networks. However due to the large number of antennas,
Massive MIMO systems are known for their cost and for their high computational
complexity. The complexity of optimum detectors such as MAP and ML increases
fast with the number of antennas, which makes their implementation and application
in networks practically impossible. Expectation Propagation (EP) algorithm
provides a good bit error rate (BER) performance similar to linear algorithms when
≫ , where linear algorithms behave as the optimals. Also, EP seems to
maintain this good behavior with low BERs compared to linear detectors, even
when the number of transmission antennas is about the same as the number of
receiving antennas. Moreover, the complexity of EP algorithm is polynomial in
contrast with the complexity of MAP and ML detectors complexity, which rises
exponentially with the number of transmit and receive antennas.
EP is an iterative algorithm that attempts to minimize the Kullback Leibler
divergence
and approach the probability density function used for the MAP criterion
via Gaussian distributions. Specifically, in the iterative section, an attempt is made
to approximate the average value of the distribution, that we are interested in, because
the average, or otherwise, the expected value of the distribution will be the
estimate for the symbol that was sent. In this thesis, an implementation of an EP in a Massive MIMO network is presented. This thesis focuses on uplink communication
where users transmit data to the base station. Furthermore a comparison
between EP and other detectors, proposed in the literature, is presented based on
BER performance using MATLAB simulations. Various methods of calculating
the inverse of a matrix are used in this thesis considering the computational complexity,
the latency and the required word length for hardware implementation.
Implementation results of these methods are also evaluated. Finally, some hardware
implementations of EP targeting FPGA designs are recommended. |
author2 |
Kompostiotis, Dimitrios |
author_facet |
Kompostiotis, Dimitrios Κομποστιώτης, Δημήτριος |
author |
Κομποστιώτης, Δημήτριος |
author_sort |
Κομποστιώτης, Δημήτριος |
title |
Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G |
title_short |
Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G |
title_full |
Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G |
title_fullStr |
Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G |
title_full_unstemmed |
Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G |
title_sort |
algorithms and vlsi architectures for detection in massive mimo systems for 5g |
publishDate |
2021 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/15009 |
work_keys_str_mv |
AT kompostiōtēsdēmētrios algorithmsandvlsiarchitecturesfordetectioninmassivemimosystemsfor5g AT kompostiōtēsdēmētrios algorithmoikaivlsiarchitektonikesgiaanichneusēsemassivemimosystēmatagia5g |
_version_ |
1771297221637046272 |
spelling |
nemertes-10889-150092022-09-05T13:59:56Z Algorithms and VLSI architectures for detection in massive MIMO systems for 5G Αλγόριθμοι και VLSI αρχιτεκτονικές για ανίχνευση σε massive MIMO συστήματα για 5G Κομποστιώτης, Δημήτριος Kompostiotis, Dimitrios 5G BER MIMO FPGA MMSE Fast Fourier transform Expectation propagation Base station Κεραίες μετάδοσης Δίκτυα 5G Επικοινωνία άνω ζεύξης The increasing demand for higher data rates and for more connected devices has led to the adoption of Massive MIMO Technologies for transmission in wireless channels. Having a high number of transmit and receive antennas is the basic feature of Massive MIMO networks and this is what differentiates them from conventional MIMO systems where users communicate using base stations with a small number of antennas. Massive MIMO technology has many benefits such as high link reliability, high throughput rate, high spectral efficiency and therefore it plays a crucial role at 5G networks. However due to the large number of antennas, Massive MIMO systems are known for their cost and for their high computational complexity. The complexity of optimum detectors such as MAP and ML increases fast with the number of antennas, which makes their implementation and application in networks practically impossible. Expectation Propagation (EP) algorithm provides a good bit error rate (BER) performance similar to linear algorithms when ≫ , where linear algorithms behave as the optimals. Also, EP seems to maintain this good behavior with low BERs compared to linear detectors, even when the number of transmission antennas is about the same as the number of receiving antennas. Moreover, the complexity of EP algorithm is polynomial in contrast with the complexity of MAP and ML detectors complexity, which rises exponentially with the number of transmit and receive antennas. EP is an iterative algorithm that attempts to minimize the Kullback Leibler divergence and approach the probability density function used for the MAP criterion via Gaussian distributions. Specifically, in the iterative section, an attempt is made to approximate the average value of the distribution, that we are interested in, because the average, or otherwise, the expected value of the distribution will be the estimate for the symbol that was sent. In this thesis, an implementation of an EP in a Massive MIMO network is presented. This thesis focuses on uplink communication where users transmit data to the base station. Furthermore a comparison between EP and other detectors, proposed in the literature, is presented based on BER performance using MATLAB simulations. Various methods of calculating the inverse of a matrix are used in this thesis considering the computational complexity, the latency and the required word length for hardware implementation. Implementation results of these methods are also evaluated. Finally, some hardware implementations of EP targeting FPGA designs are recommended. Η αυξανόμενη ζήτηση για υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και για περισσότερες συνδεδεμένες συσκευές οδηγεί στην ανάπτυξη των τεχνολογιών massive MIMO σε ασύρματα κανάλια. Η ύπαρξη μεγάλου αριθμού κεραιών μετάδοσης και λήψης είναι το βασικό χαρακτηριστικό των δικτύων Massive MIMO και αυτό τα διαφοροποιεί από τα συμβατικά MIMO συστήματα όπου οι χρήστες επικοινωνούν με σταθμούς βάσης με μικρό αριθμό κεραιών. Η τεχνολογία massive MIMO έχει πολλά οφέλη, όπως η αξιοπιστία σύνδεσης μεταξύ πομπού και δέκτη, υψηλό ποσοστό απόδοσης, υψηλή φασματική απόδοση και για το λόγο αυτό παίζει καθοριστικό ρόλο στα δίκτυα 5G. Ωστόσο, λόγω του μεγάλου αριθμού κεραιών, τα συστήματα Massive MIMO είναι γνωστά για το κόστος τους και για την υψηλή υπολογιστική πολυπλοκότητά τους. Οι βέλτιστοι ανιχνευτές όπως ο MAP και ο ML έχουν τόσο μεγάλη πολυπλοκότητα, γεγονός που καθιστά πρακτικά αδύνατη την υλοποίησή τους σε υλικό και την εφαρμογή τους σε δίκτυα. Ο αλγόριθμος Expectation Propagation (EP) παρέχει ένα καλό BER, απόδοση παρόμοια με γραμμικούς αλγορίθμους όταν ≫ , όπου οι γραμμικοί αλγόριθμοι συμπεριφέρονται ως βέλτιστοι. Επίσης ο EP φαίνεται να διατηρεί αυτήν την καλή συμπεριφορά με χαμηλά BER σε σύγκριση με τους γραμμικούς ανιχνευτές, ακόμη και όταν ο αριθμός των κεραιών μετάδοσης είναι περίπου ο ίδιος με τον αριθμό των κεραιών λήψης. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα του αλγορίθμου EP είναι πολυωνυμική σε αντίθεση με την πολυπλοκότητα του ανιχνευτή MAP και ML, που αυξάνεται εκθετικά με τον αριθμό των κεραιών μετάδοσης και λήψης. Ο Expectation Propagation (EP) είναι ένας επαναληπτικός αλγόριθμος που επιχειρεί να ελαχιστοποιήσει το κριτήριο KullbackLeibler και να προσεγγίσει τη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας που χρησιμοποιείται για το κριτήριο MAP μέσω κατανομών Gauss. Συγκεκριμένα, στην επαναληπτική διαδικασία, γίνεται μια προσπάθεια προσέγγισης της μέσης τιμής της κατανομής, η οποία μας ενδιαφέρει, επειδή ο μέσος όρος, ή αλλιώς, η αναμενόμενη τιμή της κατανομής θα είναι η εκτίμηση για το σύμβολο που στάλθηκε. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται η εφαρμογή ενός EP σε ένα δίκτυο Massive MIMO. Αυτή η εργασία επικεντρώνεται στην επικοινωνία άνω ζεύξης όπου οι χρήστες διαβιβάζουν δεδομένα στο σταθμό βάσης. Επιπλέον, μια σύγκριση μεταξύ EP και άλλων ανιχνευτών, που προτείνονται στην βιβλιογραφία, παρουσιάζεται με βάση την απόδοση του BER χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις MATLAB. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι υπολογισμού του αντίστροφου ενός πίνακα, λαμβάνοντας υπόψη την υπολογιστική πολυπλοκότητα, την καθυστέρηση και το απαιτούμενο μήκος λέξεων για την υλοποίηση του αλγορίθμου σε υλικό. Επίσης αξιολογούνται αποτελέσματα εφαρμογής αυτών των μεθόδων. Τέλος, δίνονται μερικές υλοποιήσεις του αλγορίθμου EP σε υλικό FPGA. 2021-07-14T08:24:56Z 2021-07-14T08:24:56Z 2021-07-14 http://hdl.handle.net/10889/15009 en application/pdf |