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Tipo: Tese
Data do documento: 6-Jun-2024
Autor(es): FREITAS, Marx Miguel Miranda de
Primeiro(a) Orientador(a): COSTA, João Crisóstomo Weyl Albuquerque
Primeiro(a) coorientador(a): COSTA, Daniel Benevides da
Segundo(a) coorientador(a): VALCARENGHI, Luca
Título: Scalable AP selection strategies for user-centric cell-free massive MIMO networks
Citar como: FREITAS, Marx Miguel Miranda de. Scalable AP selection strategies for user-centric cell-free massive MIMO networks. Orientador: João Crisóstomo Weyl Albuquerque Costa. 2024. 104 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Instituto de Tecnologia, , Universidade Federal do Pará, Belém, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/16633. Acesso em:.
Resumo: 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.
Abstract: User-centric (UC) cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems are promising technologies for beyond 5G (B5G) networks. In these systems, the user equipment (UE) is associated with a subset of access points (APs) distributed into the coverage area, leading to improvements in macro-diversity and spectral efficiency (SE) compared to conventional cell-based systems. Despite the benefits, challenges such as scalable AP selection strategies, computational complexity (CC), and inter-central processing unit (CPU) coordination may still exist in these systems. In this regard, this thesis proposes a novel and general AP selection framework that affords scalability for UC systems, enabling more efficient use of the network resources, such as transmission power and reduced processing demands. The solution is based on a matched-decision among the most suitable connections for APs and UEs. Moreover, three strategies to fine-tune the AP clusters of UEs are proposed, aiming to reduce the number of APs connected to each UE without compromising the SE. Simulation results reveal that the matched-decision framework improves up to 163% the SE of the 95% likely UEs compared with baseline schemes. A heuristic approach that reduces the effects of inter-CPU coordination is also proposed. It decreases the number of inter-coordinated UEs (i.e., UEs connected to multiple CPUs) on each CPU to reduce signaling demands on backhaul links. Numerical results indicate that the proposed method mitigates inter-CPU coordination while yielding slight degradation in SE and improving energy efficiency (EE). Finally, this thesis investigates the performance of UC systems with limited processing capacity. Specifically, it is assumed that the CC of performing channel estimation and precoding signals does not increase with the number of APs. Thus, the UE can only be associated with a finite number of APs. Furthermore, a method is proposed for adjusting the AP clusters according to the network implementation, i.e., centralized or distributed. The results show that UC systems can keep the SE under minor degradation even if the CC up to 96%. Besides, the proposed method for adjusting the AP cluster leads to further reductions in CC.
Palavras-chave: Abordagem centrada no usuário
Selecão de AP
Inter coordenação entre CPUs
Escalabilidade
Complexidade computacional
Cell-free massive MIMO
AP selection
Computational complexity
Cell-free massive MIMO,
Inter-CPU coordination
Scalability
User-centric approach
Área de Concentração: COMPUTAÇÃO APLICADA
Linha de Pesquisa: REDES E SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Pará
Sigla da Instituição: UFPA
Instituto: Instituto de Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Fonte URI: Disponível na internet via correio eletrônico: bibliotecaitec@ufpa.br
Aparece nas coleções:Teses em Engenharia Elétrica (Doutorado) - PPGEE/ITEC

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