SUPERVISOR
محمدجواد امیدی (استاد راهنما) حمید سعیدی سورک (استاد مشاور)
STUDENT
Neda Moradi
ندا مرادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Pilot Decontamination in Two-Tier Cellular Networks using Interference Alignment
Multiple input multiple output (MIMO) technology has attracted a lot of attentions for many years . This technology is being used in different wireless standards due to its capability of improvement in capacity and reliability of wireless systems . The gains in multi-user MIMO systems are more impressive since they propose the possibility of transmitting simultaneously to several users . There exist some drawbacks in using multiple antennas such as increasing complexity of the hardware and complexity and energy consumption of the signal processing at both ends . In order to achieve more gain and simplify the signal processing , massive MIMO systems have been proposed . When the number of antennas are increased , due to the asymptotics of random matrix theory , things that were random before , now start to look deterministic . Also , when dimensions are large , some of matrix operations such as inversion can be done fast . Asymptotic arguments based on random matrix theory show that the effects of uncorrelated noise and small-scale fading are eliminated , the number of users per cell are independent of the size of the cell , and the required transmitted energy per bit vanishes as the number of antennas in a MIMO cell grows to infinity . Performance of massive MIMO systems depend on channel information . Base Stations (BS) usually obtain the channel state information (CSI) corresponding to all users based on uplink pilot transmis sion . Channel estimation is done at the BS by letting all users send orthogonal pilots . However due to the limited channel coherence time , the pilot sequences employed by users in neighboring cells may not be orthogonal anymore which leads to pilot contamination . In a time-division duplex (TDD) setting and assuming the channel reciprocity , this effect is studied and different methods has been proposed . Interference alignment (IA) is a technique that allows many interfering terminals to communicate simultaneously over a finite number of signaling dimensions by aligning the interference at each receiver in a suace with a small number of dimensions , while keeping the desired signal separable from interference . The desired signal can be recovered by projecting the signal into the null space of the interference . IA was initially introduced as a coding scheme for the two-user MIMO X-channel . It was shown that IA can achieve multiplexing gains strictly higher than that of the embedded MIMO interference channel , multiple-access channel , and broadcast channel taken separately . IA is based on linear precoding at the transmitters and zero-forcing at the receivers and requires channel state information . IA has attracted many attentions in cellular networks specially in two-tier macrocell-femtocell networks . This method which seems useful for interference reduction in cellular networks , seems to be a good candidate for designing precoders for pilot decontamination . In this thesis , a precoding method based on IA for is proposed to improve the performance of the two-tier cellular network . Trying to maximize the SLNR in the network , this method uses the basis of IA and design precoders in both transmitter and receiver sides . Considering the criterion for designing the precoders , with maximizing the SNR in the network , sum throughput of the network is expected to improve . Simulation results reveal that using the proposed method for designing the precoders in two-tier network , improves the sum throughput of the network as expected . Keywords Femtocell , Interference Alignment , Massive MIMO , Pilot Contamination , Two-Tier Network
تکنولوژی MIMO در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کردهاست. به دلیل ارتقای ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستمهای مخابرات بیسیم، این تکنولوژی در استانداردهای مختلف بیسیم مورد استفاده قرار گرفتهاست. در این بین، سیستمهایMIMO چندکاربره که در آنها امکان ارسال همزمان به چندین کاربر وجود دارد، از بهره بالاتری برخوردارند. با وجود جذابیت تکنولوژی MIMO، پیچیده شدن سیستم از جهات مختلف مانند سختافزار و پردازش سیگنال، از موانع استفاده از آن، بهشمار میآیند. از طرف دیگر با زیاد شدن تعداد آنتنها در فرستنده و یا گیرنده، بهره تسهیم و نرخ داده افزایش مییابد. بنابراین بهمنظور افزایش بهرهوری و سادهسازی پردازش سیگنال، سیستمهای مبتنی بر MIMO با آنتن انبوه پیشنهاد شدهاند. زمانیکه تعداد آنتنها افزایش پیدا میکند، براساس تئوری ماتریسهای تصادفی، کمیتهای تصادفی به کمیتهای معین تبدیل شده و برخی از عملگرهای ماتریسی مانند عمل معکوسگیری، سریعتر انجام میشوند. این تئوری همچنین بیان میکند که با زیاد شدن ابعاد، اثر نویز ناهمبسته و محوشدگی مقیاس کوچک حذف میشوند. تعداد کاربران در یک سلول نیز مستقل از اندازه سلول خواهدبود و با میل دادن تعداد آنتن به سمت بینهایت، انرژی مورد نیاز ارسالی به ازای هر بیت، کاهش مییابد. عملکرد سیستمهای مبتنی بر تکنیک MIMO با آنتن انبوه وابستگی زیادی به اطلاعات کانال دارد. ایستگاههای پایه معمولاً اطلاعات حالت کانال مربوط به کاربران را برمبنای ارسال سیگنال راهنما در فراسو استخراج میکنند. با فرض متعامد بودن سیگنالهای راهنمای کاربران مختلف، تخمین کانال در ایستگاههای پایه صورت میگیرد. با توجه به محدود بودن طول زمان همبستگی کانال، تعداد دنبالههای راهنمای متعامد نیز محدود خواهدبود. به این ترتیب، کاربران سلولهای مجاور از سیگنالهای غیرمتعامد استفاده میکنند که منجر به آلودگی سیگنال راهنما میشود. در حالت TDD و با فرض اثر متقابل کانال، مطالعاتی در این زمینه انجام شده و تا کنون روشهایی نیز برای مقابله با آن پیشنهاد شدهاست. همسونهی تداخل تکنیکی است که با همسو کردن سیگنالهای تداخلی گیرنده در یک زیرفضای با بعد کوچک و جدا کردن آن از سیگنال مطلوب، به تعداد زیادی از کاربران اجازه میدهد تا به طور همزمان ارسال اطلاعات خود را انجام دهند. سیگنال مطلوب با تصویر کردن سیگنال دریافتی بر فضای پوچی تداخل به دست میآید. این تکنیک ابتدا به عنوان یک روش کدینگ برای دو کاربر در یک کانال XMIMO ارائه شد. همسونهی تداخل براساس پیشکدکننده خطی در فرستنده و ZF در گیرنده است و به اطلاعات حالت کانال نیاز دارد. همسونهی تداخل در شبکههای سلولی و به خصوص شبکههای دولایه سلولی (ماکروسل و فمتوسل) توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این روش که میتواند به خوبی برای مقابله با تداخل درانواع شبکه سلولی مورد استفاده قرار گیرد، گزینه خوبی برای طراحی پیشکدکننده برای مقابله با آلودگی سیگنال راهنما به نظر میرسد. در این پایاننامه، برای بهبود عملکرد یک شبکه سلولی دو لایه، یک روش پیشکدکنندگی برمبنای همسونهی تداخل پیشنهاد شدهاست. با معیار بیشینه کردن SLNR در شبکه، روش پیشنهادی از ایده همسونهی تداخل استفاده کرده و به طراحی پیشکدکننده میپردازد. با توجه به معیار درنظر گرفته شده در طراحی، بالا رفتن مجموع نرخ گذردهی در شبکه انتظار میرود که نتایج شبیهسازی کارایی روش پیشنهادی را تأیید میکنند. کلمات کلیدی آلودگ ی سیگنال راهنما، تکنیک MIMO با آنتن انبوه، شبکههای سلولی دولایه، فمتوسل، همسونهی تداخل