Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται μία νέα αρχιτεκτονική δικτύων, η οποία καταργώντας το συμβατικό σύστημα των κυψελών (Cell-Free) υπόσχεται όχι μόνο να παράσχει πλήρη ικανοποίηση των προδιαγραφών που έχουν ορίσει τα τωρινά 5G δίκτυα, αλλά και να δημιουργήσει τις κατάλληλες προϋποθέσεις για την υποδοχή των μετέπειτα γενεών δικτύων. Ωστόσο, όπως σε κάθε σύγχρονο ασύρματο σύστημα επικοινωνίας, έτσι και στο Cell-Free απαιτείται η αξιοποίηση των δυνατοτήτων που παρέχουν οι τεχνολογίες των πολλαπλών κεραιών και πιο συγκεκριμένα, εκείνη της Massive MIMO αρχιτεκτονικής. Έτσι λοιπόν, για την καλύτερη κατανόηση της Cell-Free Massive MIMO λογικής, αφού γίνεται μία εισαγωγή στα σημαντικότερα προβλήματα που διέπουν κάθε ασύρματο κανάλι διάδοσης, παρέχεται μία εκτενής παρουσίαση των δυνατοτήτων που κρύβονται πίσω από από κάθε co-located ΜΙΜΟ τοπολογία.
Ειδικότερα, στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στις έννοιες του spatial diversity, spatial multiplexing και array gain, ιδιότητες που καθιστούν κάθε MIMO διάταξη ισχυρό αντισταθμιστικό παράγοντα έναντι των προβλημάτων της μειωμένης χωρητικότητας των καναλιών και της γενικής αστάθειας των ζεύξεων. Ο ουσιαστικός ρόλος της MIMO τοπολογίας αποδεικνύεται μέσα από τη σχετική μοντελοποίηση του συστήματος, η οποία αποτελεί τον θεμέλιο λίθο για τη μετέπειτα δόμηση πιο σύνθετων συστημάτων. Κατόπιν, γίνεται προσαρμογή του απλού point-to-point SU-MIMO στις κινητές επικοινωνίες μέσω της εισαγωγής του MU-MIMO, το οποίο ενσαρκώνει τις ιδιότητες του κλασικού ΜΙΜΟ στην πράξη. Το εν λόγω κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την αναφορά στις μεθόδους ανάκτησης και χρήσης του πίνακα CSI, καθώς και στην τεχνική beamforming, η οποία αποτελεί χαρακτηριστικό ζωτικής σημασίας για κάθε συστοιχία κεραιών.
Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στις προδιαγραφές και απαιτήσεις των 5G δικτύων μέσω της ποσοτικοποίησης ορισμένων δεικτών, οι οποίοι έχουν να κάνουν τόσο με την πύκνωση των κυψελών όσο και με την αύξηση του spectral efficiency (SE). Στην προσπάθεια ενίσχυσης του δεύτερου δείκτη, αξιοποιείται η τοπολογία Massive MIMO, η οποία σημειώνει θεαματικά αποτελέσματα σε όρους quality of service (QoS). Την αύξηση της πύκνωσης των κυψελών αναλαμβάνει η αρχιτεκτονική των ετερογενών δικτύων (HetNets), η οποία, συνεργαζόμενη με τη Massive MIMO τοπολογία, αποτελεί ακόμα και σήμερα την αιχμή του τεχνολογικού δόρατος. Με τον τρόπο αυτό προετοιμάζεται κατάλληλα το έδαφος για τη σύγκρισή της με τη Cell-Free Massive MIMO διάταξη στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος, περιλαμβάνεται και μία ενεργειακή ανάλυση σχετική τόσο με το Massive MIMO όσο και με τα ετερογενή δίκτυα, δίνοντας και σε αυτόν τον τομέα ένα πρακτικό μέτρο σύγκρισης για τις μετέπειτα προσομοιώσεις.
Στο κεφάλαιο 4, αφού γίνει μία σύντομη αναφορά στα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι σημερινές κυψελωτές (co-located) Massive MIMO διατάξεις, πραγματοποιείται εισαγωγή στις Cell-Free Massive MIMO τοπολογίες, εστιάζοντας κυρίως στα χαρακτηριστικά που τις καθιστούν πλήρως ανταγωνιστικές και πρωτοπόρες. Ειδικότερα, κατόπιν μίας εκτενούς μοντελοποίησης και εξαγωγής αναλυτικών εκφράσεων ρυθμαπόδοσης κλειστού τύπου τόσο για την uplink όσο και για τη downlink ζεύξη, ακολουθεί πρακτική σύγκριση της Cell-Free Massive MIMO αρχιτεκτονικής με τη μέχρι στιγμής βέλτιστη των small cells, θεωρώντας την αποκλειστική και μόνο ύπαρξη single-antenna access points (APs) και user-equipments (UEs). Για την πληρότητα της ανάλυσης, λαμβάνονται υπόψη διάφορα σενάρια, τα οποία περιλαμβάνουν την ύπαρξη ατελούς πίνακα CSI, μη ορθογώνιων πιλοτικών σημάτων (pilot contamination), της max-min power control στρατηγικής και δύο διαφορετικών pilot assignment αλγορίθμων. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τη μοντελοποίηση και την προσομοίωση των Cell-Free Massive MIMO συστημάτων σε περιβάλλον με multi-antenna APs και multi-antenna UEs προς εξέταση του βελτιωτικού ή υποβαθμιστικού χαρακτήρα της εν λόγω προσθήκης.
Ακολούθως, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται διάφορες στρατηγικές βελτίωσης της απόδοσης των Cell-Free Massive MIMO συστημάτων. Μεταξύ αυτών περιγράφονται τα τέσσερα επίπεδα συνεργασίας των APs με το CPU κατά τη διαδικασία του uplink, εισάγοντας παράλληλα και μία βέλτιστη combining τεχνική. Αυτό αποσκοπεί στην πλήρη κατανόηση της σωστής μεθοδολογίας σχεδιασμού των μη κυψελωτών Massive MIMO διατάξεων, ώστε να είναι σε θέση κάθε φορά να παρέχουν υψηλότερες επιδόσεις συγκριτικά με κάθε άλλη co-located Massive MIMO τοπολογία. Κατόπιν, όσον αφορά τη downlink διαδικασία, προτείνονται διάφοροι βελτιωτικοί και αρκετά σύγχρονοι precoding αλγόριθμοι, οι οποίοι δρώντας κατασταλτικά για τις δημιουργούμενες παρεμβολές, χαρίζουν αρκετά ικανοποιητικά επίπεδα ρυθμαπόδοσης στο σύστημα. Το κεφάλαιο κλείνει με την προσαρμογή της ΝΟΜΑ στρατηγικής στα δεδομένα των Cell-Free Massive MIMO διατάξεων, ενισχύοντας την απόδοση του συστήματος ακόμα και σε σενάρια αρκετά αυξημένης κίνησης δεδομένων.
Στο κεφάλαιο 6 δρομολογείται το πρόβλημα του fronthaul signaling, δηλαδή της πολυπλοκότητας που αναπτύσσεται στο fronthaul δίκτυο των Cell-Free Massive MIMO συστημάτων εξαιτίας της μεταφοράς μεγάλου όγκου δεδομένων εντός αυτού. Η πρόταση που περιγράφεται περιλαμβάνει τη σειριακή σύνδεση του fronthaul μέρους της διάταξης μέσω της πρωτοποριακής τοπολογίας των radio stripes, σε συνδυασμό με έναν σειριακό αλγόριθμο επεξεργασίας, ο οποίος εκτελώντας σταδιακή μείωση σφαλμάτων την καθιστά πλήρως ανταγωνιστική. Κατόπιν, το κεφάλαιο συνεχίζεται με πλήρη μοντελοποίηση του Cell-Free Massive MIMO συστήματος, λαμβάνοντας αυτή τη φορά υπόψη την ύπαρξη περιορισμένης fronthaul χωρητικότητας και hardware impairments, στοχεύοντας στην πιο πιστή ταύτιση των συνθηκών υλοποίησής του στις ατέλειες της πραγματικότητας.
Το τελευταίο κεφάλαιο επέχει πλήρως ενεργειακό χαρακτήρα, αφού περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση του Cell-Free Massive MIMO συστήματος με στόχο αποκλειστικά και μόνο τη μελέτη του στον εν λόγω τομέα. Καίριο ρόλο διαδραματίζει η πρώτη παράγραφος, στην οποία γίνεται σύγκριση της ενεργειακής απόδοσης (EE) μεταξύ της κυψελωτής και μη Massive MIMO διάταξης, λαμβάνοντας υπόψη τρία διαφορετικά σενάρια υλοποίησης, καθώς και δύο τυποποιημένους power control αλγορίθμους. Στη συνέχεια, για την πλήρη απεικόνιση των δυνατοτήτων της προτεινόμενης τοπολογίας, λαμβάνει χώρα μία ειδικότερη ανάλυση, η οποία συμπεριλαμβάνοντας την ύπαρξη του pilot contamination φαινομένου και δύο βασικών αλγορίθμων επιλογής των APs, καταλήγει σε ένα μη-κυρτό πρόβλημα ενεργειακής ελαχιστοποίησης. Τέλος, η εργασία ολοκληρώνεται παρέχοντας αποτελέσματα προσομοιώσεων ενεργειακού περιεχομένου από τοπολογίες Cell-Free Massive MIMO στις οποίες παρατηρείται συσχέτιση καναλιών, αλλά και περιορισμένη fronthaul χωρητικότητα σε συνδυασμό με hardware impairments.
(EL)
In the present thesis what is investigated is a new network architecture which by abolishing the conventional cellular system (Cell-Free) promises not only to provide full satisfaction of the standards set by the current 5G networks, but also to create the appropriate conditions for the reception of the next generations of networks. However, as any modern wireless communication system, Cell-Free requires the utilization of the possibilities provided by the technologies of multiple antennas, particularly that of the Massive MIMO architecture. Hence, for a better understanding of Cell-Free Massive MIMO reasoning, after an introduction to the most important problems that influence each wireless propagation channel, an extensive presentation of the potential entailed in each co-located MIMO topology is provided.
In particular, Chapter 2 referes to the concepts of spatial diversity, spatial multiplexing and array gain, properties that make each MIMO layout a powerful compensating factor against the problems of reduced channel capacity and of general link instability. The essential role of MIMO topology is highlighted through the relevant modeling of the system, which functions as the cornerstone for the subsequent construction of more complex arrangements. Additionally, the simple point-to-point SU-MIMO is adapted to mobile communications through the introduction of MU-MIMO, which embodies the properties of the clasic MIMO in practice. This chapter concludes with a reference to the methods of retrieving and using the CSI matrix, as well ass the beamforming technique, which is a vital element for any antenna array.
Chapter 3 referes to the specifications and demands of 5G networks through the quantification of certain indicators, which are related to both the densification of cells and the increase of spectral efficiency (SE). In the effort to increase the second indicator, the Massive MIMO topology is fully engaged thus achieving spectacular results in terms of quality of service (QoS). The augmentation of the cell density is accomplished by the architecture of the heterogeneous networks (HetNets), which alongside with the Massive MIMO topology, constitutes even today the tip of the technological spear. In his way, the stage is set for future comparison between Cell-Free Massive MIMO and the HetNet layouts. Last but not least, an energy analysis associated with the above mentioned topologies is included, adding to this sector a practical benchmark for subsequent simulations.
In Chapter 4, after a brief reference to the problems faced by current cellular (co-located) Massive MIMO arrangements, the Cell-Free Massive MIMO topologies are introduced, mainly focusing on the features that render them fully competitive and innovative. In particular, after an extensive modeling and deriviation of closed-form rate expresions for both the uplink and the downlink schemes, a practical comparison of the Cell-Free Massive MIMO architecture with the optimal one (until today) of small cells is following, considering only the case of single-antenna access points (APs) and user-equipments (UEs). For the completeness of the analysis, various scenarios are considered. These scenarios include the existence of imperfect CSI matrix, of non-orthogonal pilot signals (pilot contamination), of the max-min power control strategy and of two different pilot assignment algorithms. The chapter concludes with the modeling and the simulation of Cell-Free Massive MIMO systems in a context with multi-antenna APs and multi-antenna UEs examining the enhancing or degrading nature of this addition.
Following, Chapter 5 presents several strategies for improving the performance of Cell-Free Massive MIMO systems. Among these, the 4 levels of cooperation between APs and CPU during the uplink process are described, considering at the same time an optimal combining technique. This aims to fully understand the correct design methodology of non-cellular Massive MIMO layouts, so that they are able to provide higher levels of performance compared to co-located Massive MIMO topologies in every scenario. Regarding the downlink process, a number of improving and innovative precoding algorithms are proposed, which, acting suppressively for the generated interferences, provide quite satisfactory rates to the system. The chapter ends with the adaptation of the NOMA strategy to the date of Cell-Free Massive MIMO layouts, enhancing the performance of the system even in high date traffic cases.
Chapter 6 addresses the issue of Cell-Free Massive MIMO fronthaul signaling, that is the complexity that develops in it due to the transfer of large volumes of data. The solution proposed includes the serial connection of the fronthaul part of the layout through the innovative topology of radio stripes, combined with a serial proccessing algorithm, which performes a gradual reduction of errors thus making it entirely competitive. The chapter continues with a complete modeling of the Cell-Free Massive MIMO system, this time taking into account the existence of limited fronthaul capacity and of hardware impairments, aiming at the most faithfull identification of its implementation conditions within the imperfections of reality.
The last chapter features an energy profile, as it includes the modeling of the Cell-Free Massive MIMO system with the sole purpose of its studying in the forementioned field. A key role is played in the first paragraph where the energy efficiency (EE) of cellular and Cell-Free Massive MIMO layouts are compared after taking into account three different implementation scenarios, as well as two standard power control algorithms. For the full depiction of the possibilities of the proposed topology, a more dedicated analysis takes place, which includes the existence of the pilot contamination phenomenon and two basic AP selection schemes, resulting in a non-convex energy minimization problem. Lastly, this thesis is completed by providing the results of energy content simulations of Cell-Free Massive MIMO topologies in which channel correlation is observed alongside with limited fronthaul capacity in combination with hardware impairments.
(EN)
Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
