Scalable AP selection strategies for user-centric cell-free massive MIMO networks

Sistemas user-centric (UC) cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) são tecnologias promissoras para as próximas gerações de redes de banda larga móvel. Nesses sistemas, o equipamento do usuário (UE - user equipment) é associado a um subconjunto de pontos de acesso (APs - access points) distribuídos na área de cobertura, resultando em melhorias na macrodiversidade e na eficiência espectral (SE - spectral efficiency) da rede, quando comparado com sistemas celulares convencionais. Apesar dos benefícios provenientes destes sistemas, desafios como métodos escaláveis de seleção de APs, complexidade computacional (CC) e intercoordenação entre unidades centrais de processamento (CPU - central processing units) ainda podem existir nos mesmos. Neste sentido, esta tese propõe um novo framework de seleção de APs que fornece escalabilidade a sistemas UC, possibilitando um uso mais eficiente dos recursos da rede, tais como potência de transmissão e demandas de processamento. A solução é baseada em uma decisão casada que visa estabelecer as conexões que sejam mais vantajosas tanto para os UEs quanto para os APs. Além disso, são propostas três estratégias que modificam os grupos de APs dos UEs, com o objetivo de reduzir o número de APs conectados a cada UE sem comprometer a SE. Resultados de simulação revelam que o framework de decisão casada pode melhorar a SE dos 95% likely UEs em até 163% quando comparado com as soluções de referência. Uma abordagem heurística que reduz os efeitos da inter coordenação entre CPUs também é proposta. A mesma diminui o número de UEs inter coordenados (i.e., UEs conectados a múltiplas CPUs) em cada CPU para reduzir as demandas de sinalização nos links de backhaul. Resultados numéricos indicam que o método proposto mitiga os impactos da inter coordenação entre CPUs, enquanto gera perdas marginais na SE e melhora a eficiência energética (EE). Por fim, investiga-se o desempenho de sistemas UC com capacidade de processamento limitada. Especificamente, assume-se que a CC de realizar a estimativa de canal e precodificação de sinais não cresce com o número de APs. Assim, o UE só pode ser associado a um número finito de APs. Além disso, propõe-se um método para ajustar os grupos de APs de acordo com a implementação da rede, ou seja, centralizada ou distribuída. Os resultados mostram que os sistemas UC podem manter a SE sob pequena degradação mesmo reduzindo a CC em até 96%. Além disso, o método proposto para ajustar o grupo de APs leva à reduções adicionais na CC.