Çok hücreli masif MIMO kablosuz iletişim sistemleri için spektrum verimliliğinin ve güç tahsisinin incelenmesi
Investigation of spectrum efficiency and power allocation for massive MIMO multi-cell wireless communication systems
Yazar: OSMAN DİKMEN
Danışman: DOÇ. DR. SELMAN KULAÇ
Düzce Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Hücresel iletişim sistemleri = Cellular communication systems ; Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Sayısal iletişim sistemleri = Digital communication systems

Özet:
Gelecek nesil kablosuz iletişim sistemlerinde, spektrum doluluk problemi nedeni ile yüksek spektrum verimliliğinde (SE) hizmet sunulması en önemli hedefler arasındadır. Bu düşünce ile öncelikle bu tezde, masif MIMO haberleşme sistemlerinde, yüksek SE kazancına odaklanılmıştır. Bu kapsamda, araştırmacılara yol gösterici olması adına, Maksimum Oran Birleştirme (MRC) veya Sıfıra Zorlama (ZF) kullanarak, sabit veya farklı uzunluktaki pilot dizisi ile Zaman Bölmeli Çiftleme (TDD) veya Frekans Bölmeli Çiftleme (FDD) modu kombinasyonlarıyla yüksek SE başarımı sunabilen farklı senaryo analizleri sunulmuştur. Özellikle, masif MIMO sistemlerindeki baz istasyonundaki (BS) antenlerinin sayısı ve pilot yeniden kullanım faktörü ile birlikte ideal kullanıcı terminali sayısının (U), SE bazında etkin kaynak tahsisi açısından önemli olduğu anlaşılmıştır. Bu bağlamda, tezin ilerleyen kısımlarında, üç girişim seviyelerine dayalı olarak, sinyal-parazit-ve-gürültü oranları (SINR) ile birlikte kapalı form SE denklemleri elde edilmiştir. BS'deki anten sayısının bir fonksiyonu olarak, çoklu pilot yeniden kullanım faktörleri ile MRC ve ZF gibi çeşitli işleme şemaları dikkate alınarak benzetimler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlardan, U'nun işleme şemalarına göre değişiklik gösterdiği anlaşılmıştır. Genel olarak, bu sonuçlar, çok hücreli sistemlerde bu tezde elde edilen U dikkate alındığında, SE'den azami seviyede yararlanılabilecek olması ile literatüre katkı olarak sunulmuştur. Böylelikle, heterojen ağlarda SE açısından ideal U sayısına ulaşan bir hücreye dâhil olmak isteyen kullanıcının başka bir ağa yönlendirilmesi için ağ değiştirme algoritmalarına girdi verisi sunulmuştur. Ayrıca, bu tez çalışmasında masif MIMO sistemlerinde enerji verimliliğini (EE) en üst düzeye çıkarmak için yenilikçi bir pilot güç tahsisi algoritması önerilmiştir. Algoritma, ilgili SINR değerlerini polarize ederek pilot güçlerini optimize etmektedir. Optimize edilen bu güç değerleri sayesinde, toplam harcanan güç bütçesinin daha da düşürüldüğü gözlemlenmiştir. Algoritmanın başarımı, benzetim sisteminin kümülatif dağılım fonksiyonu (CDF)-EE çıktıları kullanılarak ölçülmüştür. Ayrıca, aynı benzetim ortamları altındaki başarımları karşılaştırmak için eşit pilot güç tahsisi (EPPA) ve su doldurma pilot güç tahsisi (WF-PPA) şemaları da uygulanmış ve önerilen sezgisel yaklaşımımızın EPPA ve WF-PPA yöntemlerinden daha üstün olduğu kanıtlanmıştır.

Abstract:
In the next generation wireless communication systems, providing high spectrum efficiency (SE) service is among the most important targets due to the spectrum occupancy problem. Hereby, this thesis focuses on high SE gain in massive MIMO communication systems. In this context, different scenario analyzes that provide high SE performance using Maximum Ratio Combining (MRC) or Zero Forcing (ZF) with either a fixed or different length pilot sequence with Time Division Duplex (TDD) or Frequency Division Duplex (FDD) mode combinations are presented to guide the researchers. In particular, it has been understood that the number of antennas in the base station (BS) and the pilot reuse factor in massive MIMO systems, as well as the ideal number of user terminals (U), are important for efficient resource allocation on the basis of SE. Within this scope, closed-form SE equations with signal-to-noise-and-noise ratios (SINR) based on three interference levels are obtained later in the thesis. Simulations are performed considering multiple pilot reuse factors and various processing schemes such as MRC and ZF as a function of the number of antennas in the BS. From the results, it was understood that U varies according to the processing schemes. In general, these results are presented as a contribution to the literature, with the maximum utilization of SE in multicellular systems, considering the U obtained in this thesis. Thus, in heterogeneous networks, the input data is presented to the network switching algorithms for routing the user to another network that wants to be included in a cell that reaches the ideal U number in terms of SE. Also, in this thesis, a novel pilot power allocation algorithm is proposed to maximize energy efficiency (EE) in massive MIMO systems. The algorithm optimizes the pilot powers by polarizing the corresponding SINR values. It has been observed that the total power budget is reduced even more thanks to these optimized power values. The performance of the algorithm was measured using the cumulative distribution function (CDF)-EE outputs of the simulation system. In addition, equal pilot power allocation (EPPA) and water fill pilot power allocation (WF-PPA) schemes have also been applied to compare performances under the same simulation environments, and our proposed heuristic approach has proven to be superior to EPPA and WF-PPA methods.