[pt] Os sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) empregam um número crescente de antenas, o que leva a relevantes consumo de energia e custo de hardware dos front-ends correspondentes. Nesse contexto, o uso de conversores analógico-digitais (ADCs) de baixa resolução é promovido como uma solução promissora para este problema. Neste estudo consideramos um receptor MIMO de baixa resolução que implica que os sinais recebidos são processados simultaneamente pelos 1-bit ADCs e pela rede comparadora. Os sinais de entrada da rede comparadora podem vir de antenas diferentes, de modo que a extensão da rede comparadora pode ser interpretada como canais virtuais com saídas binárias. Com base nesses receptores MIMO de baixa resolução, desenvolvemos um estimador de canal e detector lineares de baixa resolução baseados no critério de mínimo erro médio quadrático (LRA-LMMSE) de acordo com o teorema de Bussgang. Duas redes de comparação são propostas, nomeadas, redes total e parcialmente conectadas. Também desenvolvemos uma rede parcialmente conectada baseada em busca gananciosa que usa muito menos comparadores para obter um desempenho bem próximo ao da rede totalmente conectada. Os resultados numéricos mostram que adicionar canais virtuais pode ser melhor do que adicionar canais físicos extras que correspondem a antenas de recepção adicionais em termos de taxa de erro de bit (BER). Além disso, ao empregar o estimador de canal proposto e seu erro de estimativa correspondente, construímos um limite inferior na taxa de soma ergódica para o receptor LRA-MMSE. Os resultados de simulação mostram que os sistemas com a proposta sistemas MIMO auxiliados por rede com quantização de 1-bit no receptor superam o convencional sistema MIMO de 1-bit em termos de desempenho de BER e erro quadrático médio (MSE). Além disso, as simulações numéricas confirmam uma vantagem significativa em termos de taxa de soma para o sistema proposto. / [en] Multiple-input multiple-output (MIMO) systems employs an increasing number of antennas, which leads to relevant energy consumption and hardware cost of the corresponding front ends. In this context, the use of lowresolution analog to digital converters (ADCs) is promoted as a promising solution to this problem. In this study we consider a low-resolution MIMO receiver which implies that the received signals simultaneously are processed by the 1-bit ADCs and the comparator network. The input signals for the comparator network can come from different antennas, such that the comparator network extension can be interpreted as virtual channels with binary outputs. Based on such low-resolution MIMO receivers, we develop low-resolution aware linear minimum mean-squared error (LRA-LMMSE) channel estimator and detector according to the Bussgang theorem. Two comparator networks are proposed, namely, fully and partially connected networks. We also devise a greedy search-based partially connected network that can use much less comparators to approach the performance of the fully connected network. Numerical results shows that adding virtual channels can be better than adding extra physical channels which corresponds to additional receive antennas in terms of bit error rate (BER). Furthermore, by employing the proposed channel estimator and its corresponding estimation error, we build up a lower bound on the ergodic sum rate for the LRA-LMMSE receiver. Simulation results show that the systems with the proposed network-aided MIMO systems with 1-bit quantization at the receiver outperforms the conventional 1-bit MIMO system in terms of BER and mean-square error (MSE) performances. Moreover, numerical simulations confirm a significant advantage in terms of sum rate for the proposed system.

[pt] Este estudo propõe diferentes métodos de processamento de transmissão a nível de símbolo para diversas configurações MIMO multiusuário. Primeiro, dois pré-codificadores a nível de símbolo são desenvolvidos considerando uma estrita restrição de potência por antena e modulação PSK para informações de estado de canal perfeito e imperfeito. Então, uma configuração MIMO em larga escala é considerada onde o consumo de energia dos front ends de radiofrequência produz um gargalo para a realização de sistemas MIMO com eficiência energética. Com isso, recursos de redução de energia, como sinalização de envelope constante e quantização de baixa resolução, são aplicados para permitir implantações de baixo custo, com baixo impacto ambiental e melhor cobertura. Neste contexto, a formulação da mínima probabilidade de erro de símbolo é considerada como o critério de projeto para o caso de símbolos de dados QPSK e, para modulação PSK arbitrária, o estudo propõe a nova formulação de mínima probabilidade de erro de símbolo vinculada ao limitante da união. Com base nestes critérios, o estudo propõe diferentes pré-codificadores de baixa resolução a nível de símbolo, baseados no método de busca parcial gananciosa e no algoritmo proposto de branch-and-bound qualidade de serviço. Finalmente, é considerado um sistema MIMO multiusuário virtual com modulação PSK realizado através da utilização de um transmissor baseado em superfícies inteligentes reconfiguráveis. Com esta estrutura, este estudo considera modelos de superfície inteligentes reconfiguráveis de alta resolução e com mudança de fase discreta. Com essas estruturas, o estudo deriva problemas de minimização de potência a nível de símbolo sob restrições de qualidade de serviço. Tanto a probabilidade de erro de símbolo quanto a probabilidade de erro de símbolo vinculada ao limitante da união são consideradas para a formulação da qualidade do serviço. Os problemas são resolvidos utilizando um método de bissecção e um método branch-and-bound para elementos refletores de alta e baixa resolução, respectivamente. / [en] This study proposes different symbol-level transmit processing methods for diverse multiuser MIMO setups. First, two symbol-level precoders are developed considering a strict per-antenna power constraint and PSK modulation for perfect and imperfect channel state information. Then, a large-scale MIMO setup is considered where the energy consumption of the radio frequency front ends yields a bottleneck for realizing energy efficient MIMO systems. With this, power reduction features such as constant envelope signaling and low-resolution quantization are applied to enable low-cost deployments, with low environmental impact, and better coverage. In this context, the minimum symbol-error probability formulation is con sidered as the design criterion for the case of QPSK data symbols, and, for arbitrary PSK modulation, the study proposes the novel minimum union bound symbol-error probability formulation. Based on these criteria the study proposes different low-resolution symbol-level precoders based on the partial greedy search method and the proposed quality-of-service branch and bound algorithm. Finally, a virtual multiuser MIMO system with PSK modulation realized via the reconfigurable intelligent surface-based passive transmitter setup is considered. Under this framework, this study considers both high-resolution and discrete phase shift reconfigurable intelligent surface models. With these frameworks, the study derives symbol-level power minimization problems under quality of service constraints. Both the symbol-error probability and union-bound symbol-error probability are considered for the quality of service formulation. The problems are solved by utilizing a bisection method and a branch-and-bound method for high and low-resolution reflecting elements, respectively.

[pt] Com um número crescente de antenas em sistemas MIMO, o consumo de energia e os custos das interfaces de rádio correspondentes tornam-se relevantes. Nesse contexto, uma abordagem promissora é a utilização de conversores de dados de baixa resolução. Neste estudo, propomos dois novos pré-codificadores ótimos para a sinais de envelope constante e quantização de fase. O primeiro maximiza a distância mínima para o limite de decisão (MMDDT) nos receptores, enquanto o segundo minimiza o erro médio quadrático entre os símbolos dos usuários e o sinal de recepção. O design MMDDT apresetado nesse estudo é uma generalização de designs anteriores que baseiam-se em quantização de 1-bit. Além disso, ao contrário do projeto MMSE anterior que se baseia na resolução de 1-bit, a abordagem proposta emprega quantização de fase uniforme e a etapa de limite no método branch-and-bound é diferente em termos de considerar o relaxamento mais restritivo do problema não convexo, que é então utilizado para um design sub ótimo também. Além disso, três métodos diferentes de detecção suave e um esquema iterativo de detecção e decodificação que permite a utilização de codificação de canal em conjunto com pré-codificação de baixa resolução são propostos. Além de uma abordagem exata para calcular a informação extrínseca, duas aproximações com reduzida complexidade computacional são propostas. Os algoritmos propostos de pré-codificação branch-and-bound são superiores aos métodos existentes em termos de taxa de erro de bit. Resultados numéricos mostram que as abordagens propostas têm complexidade significativamente menor do que a busca exaustiva. Finalmente, os resultados baseados em um código de bloco LDPC indicam que os esquemas de processamento de recepção geram uma taxa de erro de bit menor em comparação com o projeto convencional. / [en] With an increasing number of antennas in multiple-input multiple-output (MIMO) systems, the energy consumption and costs of the corresponding front ends become relevant. In this context, a promising approach is the consideration of low-resolution data converters. In this study two novel optimal precoding branch-and-bound algorithms constrained to constant envelope signals and phase quantization are proposed. The first maximizes the minimum distance to the decision threshold (MMDDT) at the receivers, while the second minimizes the MSE between the users data symbols and the receive signal. This MMDDT design presented in this study is a generalization of prior designs that rely on 1-bit quantization. Moreover, unlike the prior MMSE design that relies on 1-bit resolution, the proposed MMSE approach employs uniform phase quantization and the bounding step in the branch-and-bound method is different in terms of considering the most restrictive relaxation of the nonconvex problem, which is then utilized for a suboptimal design also. Moreover, three different soft detection methods and an iterative detection and decoding scheme that allow the utilization of channel coding in conjunction with low-resolution precoding are proposed. Besides an exact approach for computing the extrinsic information, two approximations with reduced computational complexity are devised. The proposed branch-and-bound precoding algorithms are superior to the existing methods in terms of bit error rate. Numerical results show that the proposed approaches have significantly lower complexity than exhaustive search. Finally, results based on an LDPC block code indicate that the proposed receive processing schemes yield a lower bit-error-rate compared to the conventional design.