Estudi de les propietats matemàtiques dels sistemes Massive MIMO: canals amb esvaïments de tipus Rice espacialment correlats

Abstract

[cat] El creixement continu de les noves tecnologies i la seva expansió cada vegada amés àmbits de la vida quotidiana gràcies a l’Internet of Things (IoT) provoquen un augment del trànsit de dades a les xarxes mòbils. Per tal de fer front a aquest augment de la demanda i poder augmentar el rendiment de la xarxa, les noves generacions de xarxes mòbils (5G) pretenen explotar l’eficiència espectral (SE) i així, poder transmetre un major volumde dades sense haver d’augmentar les bandes de l’espectre freqüencial dedicades a les comunicacions mòbils o haver d’instal·lar unmajor nombre d’estacions base (BSs). La peça clau per poder dur a terme aquesta tasca és el Massive Multiple- InputMultiple-Output (MIMO); aquests sistemes es basen en augmentar el nombre d’antenes de cada BS i en la realització de transmissions de senyals simultànies per tal de multiplicar la SE de la xarxa respecte als sistemes de generacions anteriors, amb un nombre reduït d’antenes per BS. Per això, l’estudi de les xarxesMassiveMIMO es presenta com un tema adequat per realitzar un Treball Final de Grau (TFG) que ha de posar en pràctica les competències adquirides tant al Grau d’ Enginyeria Telemàtica com al Grau de Matemàtiques. Per una banda, treballam amb conceptes propis dels sistemes de comunicacions i, per una altra banda, utilitzam eines matemàtiques per modelitzar tant els canals com els sistemes de comunicacions i per caracteritzar les seves prestacions en termes de SE. Així, començam descrivint l’estructura de les xarxes Massive MIMO i el protocol Time Division Duplexing (TDD) que utilitzen per transmetre les dades entre els equips d’usuari (UEs) i les BSs. Després, ens centram en l’estudi dels canals espacialment correlats amb un model amb esvaïments tipus Rice, els quals estan composts per una component de visió directa (LoS) i una component de visió no directa (NLoS). Per aquest tipus de canal arribam a les expressions dels estimadors de canal minimum mean squared error (MMSE), element-wiseMMSE (EW-MMSE) i least-squares (LS) i calculam quin és l’error quadràtic mitjà (MSE) d’aquests estimadors mitjançant unes simulacions deMonte Carlo. A més, suposant l’ús de cada un d’aquests estimadors i utilitzant un esquema de processament de màxim guany (MR), arribam a expressions analítiques tancades per expressar les SEs assolibles sobre el sistema tant per a l’enllaç de pujada (UL) com per a l’enllaç de baixada (DL) i analitzam aquestes expressions. També analitzam el comportament asimptòtic de la xarxa i veim com evoluciona la SE en augmentar el nombre d’antenes de les BSs. Finalment, duima terme un seguit de simulacions deMonte Carlo per validar les expressions analítiques obtingudes en aquest document i observam com obtenim les majors taxes de SE utilitzant l’estimador MMSE i com augmenta aquesta taxa a mesura que les BSs compten amb un major nombre d’antenes.