Análise da auto-equalização e controle de potência no uplink em sistemas de redes celulares baseadas em MIMO massivo com esquemas OFDM e FMBC

Abstract

Resumo: O sistema de multiplas entradas e multiplas saidas (MIMO, do ingles Multiple-Input Multiple-Output) Massivo foi estabelecido como uma tecnologia capaz de atender varios usuarios simultaneamente, usando os mesmos recursos de frequencia em redes sem fio 5G e beyond 5G. Essa configuracao traz vantagens, como melhorar a robustez da rede e sua confiabilidade. Nesse contexto, este trabalho apresenta um metodo de avaliacao da eficiencia espectral do sistema MIMO Massivo que incorpora distorcoes nao correlacionadas ao sinal. Essas distorcoes podem ser verificadas antes de o sistema entrar no modo de auto-equalizacao; fenomeno este que ocorre quando o numero de antenas na estacao radio base e muito maior do que o numero de usuarios na celula. Nessas condicoes, o uso de combinadores lineares na deteccao faz com que os efeitos de ruido e interferencias de multiplos usuarios sejam eliminados. Contudo, quando a razao entre o numero de antenas na estacao base e o numero de usuarios na celula e menor que um digito, a avaliacao de eficiencia espectral precisa considerar demais fontes de interferencia. Assim, esta tese utiliza a relacao sinal-ruido e distorcao como metrica adotada para o calculo da eficiencia espectral na configuracao do uplink do sistema MIMO massivo. Alem disso, outro topico relevante da tecnologia abordado no documento e o gerenciamento de energia. Idealmente, o sistema de controle de potencia em MIMO massivo deve compensar as disparidades de desempenho entre usuarios que ocupam diferentes posicoes dentro de uma celula, fornecendo uma alta qualidade de servico a todos os usuarios do sistema. Nesse contexto, essa tese apresenta um metodo de controle que garante qualidade de servico uniforme aos usuarios, sendo a metodologia empregada uma modificacao do controle de potencia conhecido como maximo-minimo. Finalmente, ainda considerando o uplink do sistema MIMO massivo, dois esquemas de modulacao diferentes sao comparados, sendo eles a multiplexacao ortogonal por divisao de frequencia (OFDM, do ingles Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), e a multiportadora por banco de filtros (FBMC, do ingles Filter Bank Multicarrier ).

Abstract: ABSTRACT Massive multiple-input multiple-output (MIMO) was established as a technology capable of serving multiple users simultaneously by using the same frequency resources in 5G and beyond 5G wireless networks. This configuration brings advantages, such as improving network robustness and reliability. In this context, this work presents a method to evaluate the spectral efficiency (ES) of the Massive MIMO (MM) system that incorporates uncorrelated distortions to the signal. These distortions can be observed before the system experiences the auto-equalization mode. This phenomenon occurs when the number of antennas in the base station (BS) is much greater than the number of users in the cell. Under these conditions, the use of linear combiners causes the effects of noise and interference from multiple users to be eliminated. However, when the ratio between the number of antennas in the BS and the number of users in the cell is less than one digit, the ES evaluation needs to consider other sources of interference. Thus, this thesis uses the signal-to-noise and distortion ratio (SNDR) as the metric adopted to calculate the ES in the MM system uplink. In addition, another topic analyzed on this thesis has to do with energy management. Ideally, the power control system should compensate for performance disparities between users occupying different positions within a cell, providing a high quality of service (QoS) to all system users. Thus, this thesis presents a control method that guarantees uniform QoS to users, and the methodology used is a modification of the power control known as maximum-minimum. Finally, still considering the MM system uplink, two different modulation schemes are compared, namely the Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), and the Filter Bank Multicarrier (FBMC).