Cell-free massive multiple antenna systems: estimation techniques, scalability challenges, and aerial access point deployments

dc.contributor.advisor-co1NARDELLI, Pedro Henrique Juliano
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3953769758774581
dc.contributor.advisor-co1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-7398-1802
dc.contributor.advisor1COSTA, João Crisóstomo Weyl Albuquerque
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9622051867672434
dc.contributor.advisor1ORCID******
dc.contributor.memberBORGES, Gilvan Soares
dc.contributor.memberCARDOSO, Diego Lisboa
dc.contributor.memberRODRIGUES, Roberto Menezes
dc.contributor.memberCAVALCANTE, André Mendes
dc.contributor.memberDINIS, Rui Miguel Henriques Dias Morgado
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7696860178450119
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0507944343674734
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0848357090195263
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3939185965976929
dc.contributor.member1Lattes******
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-0667-663X
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-5971-3668
dc.contributor.member1ORCID******
dc.contributor.member1ORCID******
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-8520-7267
dc.creatorSOUZA, Daynara Dias
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/7795811736168328
dc.creator.ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-4451-2927
dc.date.accessioned2026-02-25T18:33:40Z
dc.date.available2026-02-25T18:33:40Z
dc.date.issued2026-09-26
dc.description.abstractCell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) networks are envisioned as promising technologies for next-generation wireless networks. These networks stand out for their high spectral efficiency, lower susceptibility to blocking and shadowing, and uniform performance among users. As the CF massive MIMO scenario spreads a large number of access points (APs) over a large area serving a much smaller number of user equipment (UE) devices, problems related to power control, signal precoding, resources, decoding strategies, and interference management will be key issues. Furthermore, to achieve a scalable and efficient CF massive MIMO system, a user-centric (UC) approach is used to define the subset of APs serving each UE device, such that the complexity and resource requirements of each AP must remain finite when the number of UE devices is infinite. In this regard, this doctoral dissertation aims to present scalable methodologies suitable for efficiently implementing UC CF massive MIMO networks. Specifically, radio resource allocation, pilot assignment methods, downlink (DL) pilot based, and blind effective channel estimation schemes are developed. Furthermore, a dynamic strategy is proposed to choose the best channel estimation method for each UE device. The results showthat the proposed solutions can improve the spectral efficiency of the 50%-likely UE devices by up to 91% compared with the solutions presented in the literature. This doctoral dissertation by also investigates how to implement a massive UC CF network MIMO enabled by aerial APs, which are useful to improve wireless connectivity in ultradense environments or flexibly extend coverage in more isolated areas. For this purpose, a trajectory optimization of a swarm of cooperative unmanned aerial vehicles (UAVs) is proposed. The results show that it is possible to optimize UAV deployment and trajectory without knowledge of the UE locations, reaching up to a 47%increase in average spectral efficiency. Finally, this doctoral dissertation investigates UC CF massive MIMO systems with a limited processing capability. More specifically, AP cluster adjustment methods are proposed to guarantee that the computational complexity (CC) of signal processing does not increase with the number of APs. The results show that it is possible to reduce the CC by up to 96% while maintaining spectral efficiency with minimal degradation.
dc.description.resumoAs redes cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) são apontadas como uma das tecnologias promissoras para redes sem fio de próxima geração. Estas redes se destacam pela alta eficiência espectral, menor suscetibilidade a bloqueios e sombreamento, e desempenho uniforme entre os usuários. Como o cenário CF massive MIMO espalha um grande número de pontos de acesso (APs- access points) em uma grande área atendendo a um número muito menor de equipamentos dos usuários (UE- user equipment), problemas relacionadas ao controle de energia, pré-codificação de sinal, alocação de recursos, estratégias decodificação e gerenciamento de interferência serão questões-chave. Além disso, para obter um sistema CF massive MIMO escalável e eficiente, usa-se uma abordagem centrada nos usuários (UC- user-centric) para definir o subconjunto de APs que servem a cada UE, de modo que a complexidade e os requisitos de recursos para cada AP devem permanecer finitos quando o número de UE tende ao infinito. Nesse sentido, esta tese de doutorado objetiva apresentar metodologias escaláveis adequadas para alcançar uma implementação eficiente de redes UC CF massive MIMO. Especificamente, são desenvolvidos métodos de alocação de recursos de rádio e atribuição piloto, e esquemas de estimação de canal efetivo de DL cega e baseada em pilotos de DL. Também propõe-se uma estratégia dinâmica e adaptável às condições dos UE para escolher o melhor método de estimação de canal para cada um. Os resultados mostram que as soluções propostas podem melhorar a eficiência espectral dos 50%-likely UE em até 91% comparado com as soluções da literatura. Nesta tese de doutorado, também apresenta-se propostas de avanços relacionados à implantação de uma rede CF massive MIMO habilitado através de APs aéreos, que são úteis para melhorar a conectividade sem fio em ambientes ultra-densos ou para estender a cobertura em áreas mais isolados de uma maneira flexível. Para isto, é proposto uma otimização de trajetória de umenxame de veículos aéreos não tripulados (VANTs) cooperativos. Os resultados mostram que é possível otimizar a localização e trajetória dos VANTs sem a necessidade do conhecimento das posições do UE, alcançando um aumento de até 47% na média da eficiência espectral. Por fim, também foram investigados sistemas UC CF massive MIMO com capacidade de processamento limitada. Mais especificamente, são propostos métodos para ajustar o grupos de APs de forma que a complexidade computacional (CC) para processamento de sinais não aumente com o número de APs. Os resultados mostram que é possível reduzir a CC em 96% sem causar grandes degradações na eficiência espectral.
dc.description.sponsorshipCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.identifier.citationSOUZA, Daynara Dias. Cell-free massive multiple antenna systems: estimation techniques, scalability challenges, and aerial access point deployments. Orientador:João Crisóstomo Weyl Albuquerque Costa. 2025. 131 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Instituto de Tecnologia, , Universidade Federal do Pará, Belém, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18024. Acesso em:.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18024
dc.languageporpt_BR
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Federal do Parápt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentInstituto de Tecnologiapt_BR
dc.publisher.initialsUFPApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétricapt_BR
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.source.uriDisponível via correio eletrônico: bibliotecaitec@ufpa.br
dc.subjectAlocação e atribuição de piloto
dc.subjectCell-free massive MIMO
dc.subjectComplexidade computacional
dc.subjectEstimação de canal efetivo
dc.subjectEstimação cega
dc.subjectEstimação baseado em piloto de DL
dc.subjectEficiência espectral e energética
dc.subjectVeículos aéreos autônomos
dc.subjectAutonomous aerial vehicles
dc.subjectCell-free massive MIMO
dc.subjectBlind estimation
dc.subjectComputati onal complexity
dc.subjectDL pilot-based estimation
dc.subjectEffective channel estimation
dc.subjectPilot allocation and assignment
dc.subjectSpectral and energy efficiency
dc.subject.areadeconcentracaoTELECOMUNICAÇÕES
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES
dc.subject.linhadepesquisaELETROMAGNETISMO APLICADO
dc.titleCell-free massive multiple antenna systems: estimation techniques, scalability challenges, and aerial access point deployments
dc.typeTesept_BR

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