SUPERVISOR
Hamed Narimani,Mohammad sadegh Fazel falavarjani
حامد نریمانی (استاد راهنما) محمدصادق فاضل فلاورجانی (استاد راهنما)
STUDENT
Hasan Rashidi
حسن رشیدی خزینه جدید
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Performance evaluation of massive MIMO two-tier heterogeneous networks with antenna selection approach in base stations
With the rapid expansion of advanced communications and multimedia services, the fifth generation (5G) of wireless communications requires new technologies that can simultaneously provide services for larger number of users with far greater throughput and more reliable transmission. One of the important technologies is massive MIMO system, in which a base station with a large number of antennas provides services for many users within the same time and frequency resources. It has been shown that this system can provide high spectral efficiency as well as high energy efficiency. On the other hand, dividing the coverage area of a macrocell into some small cells reduces the distance between the users and the base stations, resulting in a significant reduction in the power consumption of the network. Recently, in order to meet the requirements of the 5G wireless communications, the combination of massive MIMO systems with small cell systems and millimeter wave domain under the name of two-tier massive MIMO heterogeneous systems has been proposed as a promising solution. In these systems, a number of users are covered by the macro base station and other users are covered by the small cell base stations in each cluster, and also, in each cluster, one of the base stations is selected as the base station head for connecting to the macro base station. Unfortunately, in these systems, the simultaneous transmission of signals from the macro base station and the small cell base stations creates inter-tier interference in addition to intra-cell interference. To resolve these types of interference, in a recent study, a precoding method called Block Diagonalization (BD) that can be applied separately at the macro base station and small cell base stations has been presented along with some optimal power allocation algorithms. In this thesis, at first, the performance of BD precoding method is compared with ZF precoding method when applied at small cell base stations at each cluster considering the power allocation algorithms. Then it is shown that the BD method provides better spectral efficiency for macro users which are in the interference area of a cluster compared to ZF method. In order to deal with the high complexity of the hardware of the macro base station due to having large number of antennas, in this thesis, it is suggested to select a best subset of the antennas based on a suitable criteria, while maintaining the system's performance. Also, in the small cell base stations, the performance can be improved by selecting the optimal subset of antennas. The spectral efficiency of the system is investigated in the presence of antenna selection considering different power conditions of the macro and small cell base stations as well as the different number of antennas at macro base stations. Also, the selection method of the base station head among the available small cell base stations at each cluster is considered and its performance results are compared in different cases. Key Words: 1- Massive MIMO 2- two-tier heterogeneous networks 3- Small cell, 4- BD and ZF precoding methods, 5- Antenna selection 6- Spectral efficiency
با گسترش سریع وسایل ارتباطی پیشرفته و خدمات چندرسانهای، مخابرات بیسیم نسل آینده به تکنولوژیهای جدیدی نیاز دارد که بتواند کاربران زیادی را با گذردهی خیلی بزرگ و مخابرهای مطمئنتر به طور همزمان سرویس دهد. یکی از تکنولوژیهای مهم سیستم چندآنتنی انبوه است که در آن یک ایستگاه پایه با تعداد زیادی از آنتنها، کاربران زیادی را با استفاده از منابع زمان و فرکانس یکسان سرویس میدهد. نشان داده شده که این سیستم میتواند بهرهوری طیفی و نیز بهرهوری انرژی بالایی را فراهم نماید. از سوی دیگر تقسیم ناحیهی تحت پوشش بهصورت سلولهای کوچک، فاصلهی بین کاربران و ایستگاههای پایه را بسیارکوتاهتر میکند، درنتیجه میزان توان مصرفی شبکه کاهش قابل ملاحظهای مییابد. اخیراً برای پاسخگویی به نیازمندیهای نسل پنجم مخابرات بیسیم، ترکیب سیستم چندآنتنی انبوه با سیستمهای سلول کوچک و حوزهی موج میلیمتری تحت نام سیستمهای دو سطحی نامتجانس چندآنتنی انبوه بهعنوان راه حلی امیدوار کننده مطرح شده است. در این سیستمها تعدادی از کاربران تحت پوشش ایستگاه پایه ماکرو و کاربران دیگر تحت پوشش ایستگاههای پایه سلول کوچک موجود در خوشهها قرار میگیرند. همچنین در هر خوشه یکی از ایستگاههای پایه بهعنوان ایستگاه پایه سردسته جهت ارتباط با ایستگاه پایه ماکرو انتخاب میشود. متأسفانه در این سیستمها ارسال همزمان سیگنالها از ایستگاه پایه ماکرو و ایستگاههای پایه سلول کوچک علاوهبر تداخل درون سلولی موجب ایجاد تداخل بین سطحی نیز میشود. در تحقیقات انجام شدهی اخیر، جهت رفع این نوع تداخلها یک روش پیشکدگذاری با نام قطریسازی قالبی قابل استفاده در ایستگاه پایه ماکرو و بهصورت مجزا در ایستگاههای پایه سلول کوچک به همراه الگوریتمهایی جهت تخصیص توان بهینه ارایه شده است. در این پایاننامه، ابتدا عملکرد این روش پیشکدگذاری را با روش تحمیل صفر در ایستگاههای پایه سلول کوچک در هر خوشه همزمان با بکارگیری الگوریتمهای تخصیص توان ارایه شدهی قبلی مورد مقایسه قرار میگیرد و نشان داده میشود که روش قطریسازی قالبی نسبت به روش تحمل صفر، بهرهوری طیفی کاربران ماکرو که در ناحیهی تداخل خوشهها قرار میگیرند، بهبود قابل توجهی می دهد. در ادامه پیشنهاد میشود که برای مقابله با پیچیدگی سختافزاری بالای ایستگاه پایه ماکرو به دلیل تعداد زیاد آنتنها، ضمن حفظ عملکرد سیستم، میتوان زیرمجموعهای از آنتنها را که براساس یک معیار مناسب دارای بهترین شرایط هستند انتخاب کرد. همچنین در ایستگاههای پایه سلول کوچک نیز با انتخاب بهینهی آنتنها میتوان عملکرد سیستم را بهبود بخشید. بهرهوری طیفی این سیستم در حضور انتخاب آنتن در شرایط مختلف توانی ایستگاه پایه ماکرو وایستگاههای پایه سلول کوچک و نیز تعداد آنتنهای مختلف ایستگاههای پایه بررسی میشود. در ادامه روش انتخاب ایستگاه پایه سردسته از میان ایستگاههای پایه کوچک در هر خوشه مورد توجه قرار میگیرد و عملکرد آن در حالتهای مختلف مقایسه میشود. کلیدواژه: 1- چندآنتنی انبوه، 2- سیستم دو سطحی نامتجانس ، 3- سلول کوچک، 4- پیشکدگذاری قطریسازی قالبی، 5- انتخاب آنتن، 6- بهرهوری طیفی