Implementation of massive MIMO communication based on very large linear arrays

Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) has been a very interesting research area as it is one of the promising technologies for 5G communications. This technology uses a large number of antennas at the base station and provides large network capabilities and energy efficiency. Usually, the system performance of massive MIMO is evaluated by characterizing a complex Gaussian channel with independent, identically distributed (IID) channel coefficients. However, in reality, the assumption of IID is not correct as a realistic channel always has some correlation between antenna elements. The correlation is mostly due to the spacing between the antenna elements: shorter the distance, higher the correlation. Planar arrays are commonly used due to their compactness and their convenience to use in constrained physical spaces. However, the correlation among the antenna elements in such an array is higher due to their close proximity. Increased correlation between antenna elements increases the complexity of the system and reduces performance. A simple way to increase the performance of the Massive MIMO system is to decrease the antenna element correlation. In this thesis, we analyze various antenna correlation models as they are simple and are suitable for analytical study. We use the Kronecker model to compare the performance of Massive MIMO in conventional planar arrays with very large Uniform Linear Arrays (ULA). Simulation results show that very large ULAs provide better performance due to their large antenna spacing.

Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) `e un’area di ricerca molto interessante in quanto `e una delle tecnologie promettenti per le comunicazioni 5G. Questa tecnologia utilizza un gran numero di antenne alla stazione base e fornisce una grande capacit`a di rete ed efficienza energetica. Di solito, le prestazioni del sistema di massive MIMO vengono valutate caratterizzando un canale gaussiano complesso con coefficienti di canale indipendenti, identicamente distribuiti (IID). Tuttavia, in realt`a, l’ipotesi di IID non `e corretta in quanto un canale realistico ha sempre una certa correlazione tra gli elementi dell’antenna. La correlazione `e principalmente dovuta alla spaziatura tra gli elementi dell’antenna: pi`u breve `e la distanza, maggiore `e la correlazione. Le matrici planari sono comunemente utilizzate per la loro compattezza e praticit`a da utilizzare in spazi fisici limitati. Tuttavia, la correlazione tra gli elementi dell’antenna in un tale array `e maggiore a causa della loro stretta vicinanza. Una maggiore correlazione tra gli elementi dell’antenna aumenta la complessit`a del sistema e riduce le prestazioni. Un modo semplice per aumentare le prestazioni del sistema Massive MIMO `e ridurre la correlazione agli elementi dell’antenna. In questa tesi, analizziamo vari modelli di correlazione dell’antenna in quanto sono semplici e adatti allo studio analitico. Usiamo in particolare il modello Kronecker per confrontare le prestazioni di Massive MIMO in array planari convenzionali rispetto ad array lineari uniformi molto grandi (ULA). I risultati della simulazione mostrano che ULA molto grandi offrono prestazioni migliori a spese delle grandi dimensioni dell’antenna.