Skip to main content
SUPERVISOR
Ali-Mohamad Doost-Hoseini,Mohammad sadegh Fazel falavarjani
علی محمد دوست حسینی (استاد مشاور) محمدصادق فاضل فلاورجانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Hadi Sadraei
محمدهادی صدرائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393

TITLE

Spectral and Energy Efficiency of Massive MIMO systems in presence of Channel Estimation
In this thesis, spectral and energy efficiencies (SE and EE) of uplink in multi-cell massive multiple-input- multiple-output (MIMO) systems are studied for correlated Rician channel. It is assumed that the channel is estimated by pilot transmission and applying minimum mean square error (MMSE), least squares (LS) and element-wise MMSE (EWMMSE) methods. SE analysis is intricate in presence of LS and EWMMSE channel estimators because the signal and interference parts are cross-correlated. In this thesis, we use information theory to calculate instantaneous SE of maximum ratio combining (MRC) detector. After that, some closed-form approximations are proposed for ergodic SE, which are close enough to Monte Carlo simulation results, and also higher than the lower bounds in previous works. In numerical results, curves related to MMSE estimation are the highest, and the lowest is seen for LS. EE is also studied based on derived SE and total power consumption. In numerical results, EE is increasing in terms of the number of base station (BS) antennas at first in the same order for LS, EWMMSE and MMSE as observed in SE results. The curves start falling, such that EE becomes the lowest for MMSE estimation in massive antennas. Keywords: Massive MIMO, Channel Estimation, Energy Efficiency, Spectral Efficiency and MRC detectio
در مخابرات سبز که در نسل پنجم سیستم‌های مخابرات سیار مورد توجه قرار گرفته است، سیستم نه تنها از نظر کارآیی طیفی بلکه کارآیی انرژی نیز لازم است کارآمد باشد. برای رسیدن به این هدف، سیستم‌های چندآنتنی انبوه با قابلیت افزایش قابل توجه کارآیی طیفی و انرژی، به عنوان یکی از ستون‌های نسل پنجم معرفی و پیاده‌سازی شدند. عملکرد کارآیی طیفی لحظه‌ای به تخمین کانال و میزان دقت آن وابسته است. در این رساله، معیارهای کارآیی طیفی و انرژی در پیوند فراسوی سیستم‌های چندآنتنی انبوه برای کانال‌های رایلی و رایسی (همبسته و ناهمبسته) در حضور تخمین کانال و آشکارساز ترکیب بیشینه نسبت (MRC) بررسی می‌شوند. در عمده کارهای انجام‌شده در زمینه سیستم‌های چندآنتنی انبوه، از تخمین‌گر کمینه میانگین مربع خطا (MMSE) مبتنی بر دنباله راهنما استفاده شده‌است. در این رساله، کانال با استفاده از دنباله راهنما و یکی از روش‌های MMSE، حداقل مربعات (LS) یا کمینه میانگین مربع خطای درایه‌ای (EWMMSE) تخمین زده می‌شود. با توجه به اینکه در حضور تخمین‌گرهای LS و EWMMSE قسمت سیگنال مطلوب و تداخل همبسته متقابل هستند و از رابطه شانون به طور مستقیم نمی‌توان استفاده کرد، در این رساله با استفاده از نظریه اطلاعات قسمت کاملا همبسته با سیگنال مطلوب از قسمت تداخل به قسمت سیگنال مطلوب ارجاع داده می‌شود. این عمل، باعث ناهمبسته متقابل شدن سیگنال مطلوب و تداخل به قیمت کاهش نسبت توان سیگنال مطلوب به تداخل می‌شود. در نتیجه، می‌توان از نسبت سیگنال به تداخل به علاوه نویز (SINR) در خروجی آشکارساز MRC و رابطه شانون، برای محاسبه کارآیی طیفی لحظه‌ای استفاده نمود. همچنین، یک روش پیشنهادی برای تقریب متوسط کارآیی طیفی با استفاده از خواص امیدریاضی لگاریتم، ارائه می‌شود. در نتایج عددی به‌دست‌آمده برای کارآیی طیفی، تقریب پیشنهادی برای متوسط کارآیی طیفی به اندازه کافی به نتایج شبیه‌سازی مونت کارلو نزدیک است. این نتایج همچنین نشان می‌دهند که کارآیی طیفی حساب‌شده با رویکرد رساله بیشتر از رویکرد مرجع مرتبطی است که در آن میانگین ترکیب کانال و آشکارساز به عنوان پاسخ کانال معادل در نظر گرفته شده‌است. به‌علاوه، بیشترین کارآیی طیفی در حضور تخمین‌گر MMSE و کمترین آن در حضور LS مشاهده می‌شود. با توجه به اهمیت زیاد کارآیی انرژی، این معیار با در نظر گرفتن کارآیی طیفی و مقدار کل توان مصرفی محاسبه می‌شود. در نتایج عددی مشاهده می‌شود که کارآیی انرژی با افزایش تعداد آنتن‌ها ابتدا صعودی و سپس نزولی است. همچنین در تعداد کم آنتن‌ها، منحنی‌های کارآیی انرژی مربوط به تخمین‌گرهای LS، MMSE و EWMMSE همان ترتیب مشاهده شده در نتایج کارآیی طیفی را دارند. اما در کانال همبسته ( رایلی و رایسی) در تعداد آنتن‌های بسیار بالا، منحنی کارآیی انرژی مربوط به تخمین‌گر MMSE پایین‌تر از منحنی‌های LS و EWMMSE قرار می‌گیرد. در نتایج عددی مربوط به توان مصرفی همچنین مشاهده می‌شود که در میان قسمت‌های وابسته به تعداد آنتن‌های ایستگاه پایه در مدل توان مصرفی، زنجیره‌های متصل به فرستنده‌گیرنده بیشترین توان را مصرف می‌کنند. علاوه براین، درصد توان مصرفی در تخمین‌گرهای LS و EWMMSE ناچیز است. اما در کانال همبسته رایلی و رایسی، تخمین‌گر MMSE برای تعداد بالای آنتن‌ها، پس از زنجیره‌های متصل به فرستنده‌گیرنده، بیشترین مصرف توان را دارد. واژه‌های کلیدی: سیستم‌های چندآنتنی انبوه، تخمین کانال، کارآیی انرژی، کارآیی طیفی، آشکارسازی MRC.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی