Designing feasible deployment strategies for cell-free massive MIMO networks : assessing cost-effectiveness and reliability

Redes cell-free Massive Multiple-Input Multiple-Outputs (mMIMO) são uma solução promissora para os sistemas móveis de Sexta Geração (6G) e além. Estas redes utilizam múltiplas antenas distribuídas para transmitir e receber sinais de forma coerente, sob um paradigma de comunicação aparentemente não celular que elimina o conceito tradicional de células em redes móveis. Esta mudança apresenta desafios significativos de implementação, pois as ferramentas convencionais projetadas para sistemas celulares são inadequadas para planejar e avaliar arquiteturas cell-free mMIMO. Nesse sentido, a literatura vem desenvolvendo modelos específicos para sistemas cell-free mMIMO que lidam com a coordenação de sistema, a sinalização fronthaul, as complexidades computacionais necessárias de procedimentos de processamento, o fronthaul segmentado, a transição de implementação a partir de redes celulares e a integração com a tecnologia Open Radio Access Network (ORAN). Esses avanços são fundamentais para transformar o cell-free mMIMO de um sistema teórico em uma aplicação prática. Apesar disso, mais estudos são necessários para integrar os modelos existentes e desenvolver ferramentas práticas de avaliação para examinar a viabilidade de cell-free mMIMO e de seus facilitadores. Esta tese visa preencher estas lacunas ao propor novas ferramentas para avaliar a viabilidade de redes cell-free mMIMO em termos de confiabilidade e custos. A primeira ferramenta concentra-se na avaliação da confiabilidade do cellfree mMIMO. Ela é usada para melhorar a compreensão de possíveis impactos de falhas e para desenvolver esquemas de proteção eficazes para o fronthaul de redes cell-free mMIMO. Resultados para uma implementação em escritório indoor com uma área de 100 m2 e espaçamento entre Transmission-Reception Points (TRPs) de 20 m, demonstram que sistemas cell-free com fronthaul segmentado, ou seja, com conexões de fronthaul seriais entre TRPs, necessitam de estratégias de proteção. É mostrado que interconectar cadeias seriais e duplicar parcialmente as cadeias seriais (redundância de 40%) são esquemas de proteção eficazes. Por fim, nos cenários indoor considerados, a interconexção parece ser a alternativa mais viável quando o número de cadeias seriais é maior que três. A segunda ferramenta avalia o Total Cost of Ownership (TCO) de redes cell-free mMIMO, considerando aspectos essenciais, como demandas dos usuários, limitações de largura de banda de fronthaul e capacidades de processamento de hardware. A ferramenta é usada para avaliar os custos de duas divisões funcionais da literatura que são equivalentes a arquiteturas de processamento distribuído e centralizado para redes cell-free mMIMO. Resultados para um cenário urbano ultra denso cobrindo uma área de 0,25 km2 com até 800 TRPs, revelam que processamento centralizado é mais viável para a maioria das demandas dos usuários, configurações de hardware de TRP, e considerações de custo. Apesar disso, processamento distribuído pode ser mais viável em casos limitados de baixa demanda (até 50 Mbps por usuário) e sob enormes reduções de custos relacionadas à implantação dos TRPs.