27071

تخمين و ردياب يكانال در سيستم هاي انبوه آنتني پرازدحام

دكتري

مهندسي برق

96

1401/6/30

دكتر فلاحتي

مهندسي برق

در شبكه¬هاي نسل پنجم بي¬سيم براي سرويس¬دهي به تعداد زيادي از كاربران اينترنت اشياء با نرخ داده بالا از فنآوري انبوه آنتني استفاده مي¬شود. چالش اصلي فنآوري انبوه آنتني، تخمين و رديابي كانال¬هاي كاربران مي¬باشد. در كاربردهاي اينترنت اشياء به علت وجود تعداد زياد كاربر، تخصيص دائمي هر پايلوت به-طور منحصربه¬فرد به يك كاربر به¬دليل محدوديت بازه همدوسي غيرممكن مي¬باشد. از اين رو، استفاده از فنآوري انبوه آنتني در سيستم¬هاي پرازدحام به چالشي بزرگ تبديل شده است. راه¬حل¬هاي ارائه شده¬ تا به امروز نمي‌توانند براي كاربران با سيگنال ضعيف‌تر عدالت دسترسي را فراهم كنند. روش¬هاي دسترسي به پايلوت¬ها براساس رديابي كانال¬ها، توسط اين حقيقت محدود شده¬اند كه ايستگاه پايه مي¬بايستي از الگوي ارسال پايلوت توسط كاربران اطلاع داشته باشد. هم¬چنين در تمامي اين روش¬ها، حداكثر تعداد كاربراني كه مي‌توانند به ايستگاه پايه پايلوت ارسال كنند، محدود مي¬باشد. زيرا افزايش تعداد كاربران باعث افزايش احتمال خطا و تأخير دسترسي مي‌گردد. اين پايان¬نامه به دنبال راه¬كار¬هاي جديدي براي تخمين و رديابي كانال¬هاي كاربران با نرخ بالا و هم¬چنين رفع آلودگي پايلوت درون سلولي با استفاده از مفاهيم انتساب داده خواهد بود. الگوهاي دسترسي به پايلوت كاربران در دسترسي هماهنگ مي¬بايستي به ايستگاه پايه اطلاع¬رساني شوند. اين امر منجر به كاهش انعطاف-پذيري سيستم مي¬شود. از اين¬رو، اين پايان¬نامه ديدگاه جديدي با نام دسترسي ناهماهنگ معرفي مي¬كند كه در آن همه كاربران اجازه دارند بدون هيچ¬گونه هماهنگي با ايستگاه پايه، بازه دسترسي به پايلوت خود را به-طور مستقل انتخاب كنند. به¬دليل معلوم نبودن حضور كدام يك از كاربران در تصادم، تخمين و رديابي كانال-ها به¬طور قابل توجهي پيچيده¬تر از دسترسي هماهنگ مي¬باشد. ايستگاه پايه كاربران درون يك سلول را گروه-بندي كرده و به كاربران هر گروه پايلوت ارسالي يكساني اختصاص مي¬دهد. روش¬هاي مطرح شده نه تنها تصادم را برطرف مي¬كنند، بلكه اطلاعات آن¬ها را نيز مورد استفاده قرار مي¬دهند. مسئله كهولت كانال نيز مورد بررسي قرار مي¬گيرد. پژوهش¬هاي انجام شده در دسترسي هماهنگ به¬صورت فوق مي¬باشند: 1- با فرض مدل معلوم براي كهولت كانال، الگوريتم بهينه تواًم و دو الگوريتم زيربهينه پيشنهاد مي¬شود. به¬منظور كاهش پيچيدگي، الگوريتم بهينه براساس بردار و ماتريس با ابعاد كم¬تر مجدداً طراحي مي¬شود. هم¬چنين ويژگي حالت-ثابت آن نيز مورد تحليل قرار مي¬گيرد. 2- زماني¬كه كانال¬هاي كاربران تحت تغييرات نامعلوم قرار دارند، چندين مدل-هاي رياضياتي براي آن¬ها فرض مي¬شود. سپس الگوريتم¬هاي رديابي كانال¬ و پايداري آن¬ها مورد بررسي قرار مي¬گيرند. 3- يك محيط واقعي معرفي مي¬شود كه در آن تخمين كانال¬هاي متغير با زمان براساس فرض مدل¬هاي رياضياتي نمي¬باشد. هم¬چنين همبستگي ميان نويز اضافه شونده به سيگنال دريافتي و نويز معادله حالت كانال درنظر گرفته مي¬شوند. الگوريتم بهينه و چند زيربهينه براي رديابي كانال¬هاي كاربران در اين محيط پيشنهاد مي¬شوند. پژوهش¬هاي انجام شده در دسترسي ناهماهنگ عبارتند از: 1- با فرض مدل معلوم براي كهولت كانال، الگوريتم بهينه تواًم و شش الگوريتم زيربهينه پيشنهاد مي¬شوند. 2- الگوريتم تقريب-بهينه و چندين الگوريتم جديد با پيچيدگي بسيار كم¬تر و بازدهي بهتر طراحي مي¬شوند. 3- انعطاف¬پذيري جديدي به دسترسي ناهماهنگ افزوده مي¬شود كه در آن ايستگاه پايه از احتمال فعاليت كاربران نيز بي¬اطلاع مي¬باشد. سپس رديابي كانال¬هاي كاربران مورد تحليل قرار مي¬گيرد. 4- كانال¬هاي كاربران با فرض مدل¬ رياضياتي براي تخمين تغييرات نامعلوم آن¬ها رديابي مي¬شوند.

1401/07/09

channel estimation and tracking in crowded massive MIMO

9/21/2023 12:00:00 AM

5G wireless networks utilize massive MIMO technology to serve numerous high-rate Internet-of-Things (IoT) devices. The main challenge of massive MIMO technology is estimating and tracking the channels of devices. Since there are many devices in the IoT applications, it is impossible to assign a unique pilot to each device permanently due to the length of the coherence time. Thus, the use of massive MIMO systems has become a significant issue. The previous approaches cannot provide service for users with weaker signals. The previous channel tracking methods are limited to the fact that the BS should be aware of the pilot access pattern of users in each access slot. Additionally, the maximum number of users who can transmit the pilot to the BS is limited in all these methods since increasing the number of devices increases the probability of error and access latency. This dissertation derives some novel methods to estimate and track the channels of high-rate IoT devices and also diminish the intra-cellular pilot contamination using data association concepts. Pilot access patterns of users in coordinated access should be notified to the BS. This leads to a reduction in system flexibility. Therefore, this dissertation offers a new viewpoint called uncoordinated access, in which all users can independently choose their pilot access slots at will without any coordination with the BS. Since it is ambiguous as to which users exist in the collision per access slot, the channel estimation and tracking challenge become more complex than coordinated access. In this dissertation, BS associates the same pilot to a group of devices. Our proposed approaches not only resolve pilot collisions but also exploit their information. In addition, they explicitly account for channel aging resulting from users’ movement respective to the BS. The investigations conducted in coordinated access are as follows: 1) assuming a fixed channel state model, the optimum algorithm and two suboptimal trackers are derived. To reduce complexity, the optimum algorithm is redesigned based on the vector and matrices with smaller dimensions. Also, its steady-state feature is analyzed, 2) when users’ channels are under uncertain evolution, some analytical models are assumed for them. Then, channel tracking algorithms and their stability are investigated, and 3) a practical scenario is introduced in which the estimation of time-varying channels is not based on the assumption of analytical models. Also, the correlation between the additive noise to the received signal and the channel state noise is considered. The optimum algorithm and several suboptimal trackers are developed for channel tracking in this scenario. The investigations conducted in uncoordinated access are as follows: 1) assuming a fixed channel state model, the optimum algorithm and six suboptimal trackers are proposed, 2) the near-optimal algorithm and several new trackers are designed with significantly lower complexity and better performance, 3) A new flexibility is added to uncoordinated access in which all devices are allowed to freely select their individual activity possibility as well as pilot access patterns. Then, channel estimation is analyzed, and 4) the users’ channels are tracked in uncoordinated access with the assumption of a mathematical model for estimating their uncertain evolution.

اينترنت اشيا , سيستم انبوه آنتني , آلودگي پايلوت , الگوريتم با پيچيدگي كم , كهولت كانال

Internet of things , crowded massive MIMO , pilot contamination , low complexity algorithm , channel aging

Hediyeh Soltanizadeh

Dr. Abolfazl Falahati