Implementation and performance evaluation of MIMO GFDM systems

Abstract

The Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology has been used in 4G and 5G mobile telecommunications systems. Despite its features and advanced results, it has some challenges to enhance spectral efficiency. Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) is a new digital non-orthogonal multicarrier modulation concept. It aims to achieve higher spectral efficiency, better control of Out-Of-Band (OOB) emissions due to its flexibility to choose the pulse shaping filter, and obtain a reduction in Peak to Average Power Ratio (PAPR) compared to the OFDM. MIMO can further improve the spectral efficiency of the wireless network and has adopted in several standards. Therefore, the combination of MIMO transmission with GFDM technique is almost able to present optimum results due to its ability to have diversity gain by combining independent signals from multiple antennas in order to mitigate the fading phenomenon. Besides, it can also achieve multiplexing gain that improves the throughput of the networks. This study addresses the implementation and evaluation of a GFDM system for different antenna structures such as SISO, SIMO, and MIMO. First, SISO-GFDM system is implemented, considering Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel and Rayleigh fading channel. Several frequency domain equalizers are used to mitigate the fading and remove the residual Inter-Carrier Interference (ICI) such as Matched Filter (MF) and Zero Forcing (ZF) equalizers. Then, the system was extended to SIMO and Multi-User MIMO (MU-MIMO), where a set of single-antenna users transmit to the base station, equipped with a multi-antenna array, using the same radio resources. In MU-MIMO system besides the ICI, it also suffers from multi-user interference. Therefore, in this case, two sub-optimal receiver equalizers have been implemented to deal with both ICI and multi-user interferences such as (ZF and MMSE equalizer). The GFDM system is compared with the OFDM in terms of bit error rate (BER) and power spectral density. The results show that the Interference Cancellation (IC) techniques (Serial Interference Cancellation (SIC) and Double Sided Serial Interference Cancellation (DSSIC)) are quite efficient to mitigate both the multi-user interference and the adjacent ICI, improving the overall system performance.

A tecnologia OFDM é utilizada nos sistemas de telecomunicações 4G e será também nos sistemas 5G. Apesar das suas características e resultados, é possível melhorar a sua performance em termos de eficiência espectral. GFDM é um novo conceito de modulação digital de multiportadora não ortogonal. Esta tem como objetivos alcançar uma maior eficiência espectral, um melhor controlo de emissões OOB(emissões fora da banda), devido à sua flexibilidade para escolher um filtro de modelação de pulso, e ainda reduzir o PAPR comparativamente ao OFDM. A eficiência espectral em redes sem fios pode ainda ser melhorada através do uso da tecnologia MIMO, tendo sido adotada em vários sistemas comerciais. Assim sendo, a combinação da tecnologia MIMO com a modulação GFDM permite melhorar consideravelmente o desempenho dos sistemas, já que melhora a eficiência espectral e combate de forma eficaz o desvanecimento através da combinação dos sinais independentes, provenientes das múltiplas antenas. Além disso, esta combinação consegue proporcionar um ganho de multiplexagem que melhora a performance da rede. Esta dissertação foca-se na implementação e avaliação da modulação GFDM, para os diferentes tipos de estruturas de antenas SISO, SIMO e MIMO. Em primeiro lugar, implementou-se o sistema SISO-GFDM, considerando a adição de ruido branco Gaussiano e desvanecimento de Rayleigh do canal. Vários equalizadores no domínio da frequência foram implementados para mitigar o desvanecimento e remover a ICI (interferência entre portadoras) residual, tais como os equalizadores MF e ZF. Posteriormente, o sistema SISO para um único utilizador for estendido para um sistema SIMO e MIMO multiutilizador, onde um conjunto de utilizadores equipados com apenas uma antena transmitem, usando os mesmos recursos rádio, para uma estação base equipada com múltiplas antenas. Estes sistemas enfrentam interferências entre portadores e entre utilizadores que têm que ser mitigadas. Assim, foram projetados e implementados dois equalizadores sub ótimos, ZF e MMSE, para remover essas interferências. O sistema implementado GFDM é comparado como o OFDM em termos de taxa de erro (BER) e da densidade espectral de potência. Os resultados mostram que as técnicas propostas são bastante eficientes a remover as interferências levando a uma melhoria significativa do desempenho do sistema.