Multi-layer precoding for full-dimensional massive MIMO systems

Abstract

[spa] Durante la última década, las redes de comunicaciones móviles han logrado una adaptación tecnológica asombrosa a la gran demanda surgida por el progresivo aumento del número de dispositivos móviles conectados a la red. En los últimos años, la adaptación tecnológica de las redes móviles se debe principalmente a su estructura celular formada por celdas independientes con una estación base (BS), la cual funciona como un punto de acceso para los usuarios del sistema, y la gestión eficiente de las interferencias producidas por las otras BSs. Sin embargo, tras la aparición de terminales móviles más potentes y nuevos servicios de red, se requiere una capacidad de transmisión de datos más elevada y una latencia menor para poder ofrecer dichos servicios con la mejor calidad posible. En consecuencia, las nuevas generaciones móviles deben aumentar las tasas de transmisión mejorando la eficiencia espectral por usuario. En la quinta generación móvil (5G) se han estudiado diferentes modelos de sistemas que aumenten la eficiencia espectral y sean mucho más eficientes que las generaciones precedentes. Este Trabajo Final de Grado (TFG) se centra en uno de esos modelos, massive MIMO, en especial, full-dimensional massive MIMO (FD-MIMO). Massive MIMOse caracteriza por aumentar considerablemente el número de antenas equipadas en cada una de las BSs para poder conseguir una mayor eficiencia espectral para cada uno de los usuarios a los que se da servicio simultáneamente. FD-MIMO es un sistema en el que las antenas equipadas en la BS se ubican en un array bidimensional para solucionar el problema del espacio limitado que tienen algunas BSs. Además, al situar las antenas en un plano bidimensional se consiguen grados de libertad para poder diferenciar mejor a los usuarios debido a que los canales entre las BSs y los usuarios son tridimensionales. Esto proporciona una dimensión adicional para identificar el canal en comparación a los arrays que tienen todas sus antenas situadas en el plano horizontal. Aún con todas las ventajas que tiene massive MIMO, uno de los problemas más graves es el producido por la interferencia intercelular y por la contaminación de pilotos. La primera es debida a la reutilización de las bandas frecuenciales en células vecinas y la segunda es causada por la reutilización de secuencias de entrenamiento en el canal de subida entre diferentes usuarios, las cuales sirven para poder estimar el estado del canal entre el usuario y la BS. Al reutilizarse las secuencias de entrenamiento, las BSs estiman el canal erróneamente causando que transmitan parte de la información dirigida a un usuario hacia otro no deseado que utiliza la misma secuencia de entrenamiento. En este proyecto se simula un sistema celular con un modelo de precodificación que solventa ambos problemas. El modelo en cuestión consta de una matriz de precodificación obtenida del producto de tres matrices de precodificación, cada una con una función determinada. Para evaluar su comportamiento, se realiza un estudio de las prestaciones de los usuariosmodificando diferentes parámetros del sistema. En concreto, se analizan dos métricas: la eficiencia espectralmedia por usuario y la probabilidad de cobertura. Finalmente, estos resultados se comparan con un sistema donde no hay interferencias para obtener un límite superior con el que comparar. Se concluye que el modelo propuesto permite eliminar, en condiciones ideales, tanto la interferencia intercelular como la contaminación de pilotos. Además, el diseño del modelo de precodificación propuesto elimina la interferencia intercelular basándose en el ángulo de elevación del canal entre la BS y el usuario. Por esta razón, el rendimiento del sistema obtiene mejoras significativas al incrementar el número de antenas verticales, las cuales añaden grados de libertad en el ángulo de elevación provocando que el modelo de precodificación pueda diferenciar mejor a los usuarios de las celdas vecinas de los usuarios situados al borde de la celda.