Low rank channel estimation in sparse multipath 5G millimeter-wave systems

Millimeter wave (mmWave) communications (say, 28GHz) are characterized by wideband channels that are composed of few directional paths, mostly in line-of-sight (LOS). The antennas are arranged in an array to cope with severe mmWave path loss, and the corresponding space (or antennas dimension) and time (ST) channel response is sparse. This thesis addresses the sparsity by exploiting the algebraic structure of the ST channel and interference for an uncalibrated array of antennas, using training-based estimation methods for slotted systems. Specifically, the contribution here relies on the recognition that ST channel has some slowly changing (angles of arrival and delay of paths) and fast-varying (faded amplitudes of paths) features. The interference has similarly structured, slowly varying spatial covariance with fast-varying amplitudes. The thesis shows that in mmWave setting rank-1 is a parsimonious joint channel + interference representation that is appropriate for severe interference. Also, it provides an analytic MSE-bound (derived in closed form) that is reached asymptotically for a large number of slots. Furthermore, it indicates that a circular array geometry arrangement is preferable when the antenna element is directional when compared with square or triangular arrangements.

Le comunicazioni a onda millimetrica (mmWave) (ad esempio, 28 GHz) sono caratterizzate da canali a banda larga composti da pochi percorsi direzionali, principalmente in linea d'aria. Le antenne sono disposte in un array per far fronte alla grave perdita di energia nel percorso e la risposta del canale (o delle antenne) nello spazio e nel tempo (ST) corrispondente è scarsa. Questa tesi affronta la scarsità sfruttando la struttura algebrica del canale ST e l'interferenza per un array non calibrato di antenne, utilizzando metodi di stima basati sul training per sistemi multi-slot. Nello specifico, il nostro contributo si basa sul fatto che il canale ST ha alcune caratteristiche che cambiano lentamente (angoli di arrivo e ritardo dei percorsi) e che variano rapidamente (ampiezze *** dei percorsi). L'interferenza ha una covarianza spaziale strutturata in modo simile, variando lentamente anche con ampiezze che variano rapidamente. La tesi mostra che in mmWave il rank-1 è una rappresentazione congiunta di canale e interferenza parsimoniosa e appropriata per gravi interferenze. Inoltre, fornisce un limite analitico di tipo MSE (derivato in forma chiusa) che viene raggiunto asintoticamente per un numero elevato di slot. Infine, questo lavoro indica che è preferibile una disposizione geometrica dell'array di tipo circolare quando l'elemento dell'antenna è direzionale, rispetto a disposizioni quadrate o triangolari.