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...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Κομποστιώτης, Δημήτριος
Άλλοι συγγραφείς: Kompostiotis, Dimitrios
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