17293

17293

وابسته سازي كاربر و تخصيص طيف در شبكه هاي ناهمگون MIMO

كارشناسي ارشد

مخابرات سيستم

اسفندماه 1395

دكتر بهمن ابوالحسني

برق

نسل پنجم (5G) شبكه‌هاي موبايل براي پشتيباني از حجم بالاي ترافيك داده، باهدف كاهش مصرف انرژي و بهبود كيفيت سرويس‌دهي پيش‌بيني‌شده است. براي تحقق نسل پنجم شبكه‌هاي موبايل، فناوري‌هاي كليدي¬اي نظير شبكه‌هاي ناهمگون، شبكه‌هاي انبوه آنتني، شبكه‌هاي برداشت انرژي و تكنيك‌هاي موج ميلي‌متري پيشنهادشده‌اند. شبكه‌هاي سلولي مرسوم با ناحيه‌ي پوشش¬دهي وسيع، به دليل افزايش روزافزون ترافيك داده، براي برآوردن نياز كاربران و پاسخگويي به تقاضاي زياد، كافي نيستند. ازاين‌رو، براي حل اين مسئله از شبكه‌هاي ناهمگون استفاده مي‌كنند كه در اين شبكه‌ها، ايستگاه‌هاي پايه‌ي هر لايه به‌صورت تصادفي جاي گرفته‌اند و هر يك براي جلب رضايت كاربران موبايل، توان ارسالي، نماي تلفات مسير، تعداد آنتن و تراكم فضايي متفاوتي دارند. شبكه‌هاي ناهمگون، از ايستگاه‌هاي پايه‌ي ماكرو تشكيل‌شده است كه اين ايستگاه‌ها به سلول‌هاي كوچك مجهز شده‌اند. سلول‌هاي كوچك و كم¬توان، نظير پيكوسل‌ها، فمتوسل‌ها و رله‌ها، تراكم ناحيه‌اي بيشتري داشته و به‌عنوان عناصري مهم براي تخليه‌ي ترافيك ماكروسل‌ها شناسايي مي‌شوند؛ همچنين موجب بهبود پوشش¬دهي، افزايش كارايي كاربران لبه‌ي سلول، افزايش بهره‌وري طيفي و بهره‌وري انرژي و كاهش هزينه‌هاي عملياتي و سرمايه‌اي مي‌گردند. علاوه بر فناوري‌هاي اشاره‌شده، وابسته سازي كاربر نيز اهميت زيادي در افزايش تعادل بار، بهره‌وري طيفي و بهره‌وري انرژي شبكه‌ها دارد؛ بنابراين، چالش‌ها و فرصت‌هاي متعددي براي طرح وابسته سازي كاربر در شبكه‌هاي 5G معرفي مي‌گردد كه مكانيسم آن، اختصاص كاربر به ايستگاه پايه‌ي خاص قبل از شروع انتقال داده است. در اين پايان‌نامه به بررسي تابع ميانگين سود كاربر در شبكه‌هاي ناهمگون چندورودي-چندخروجي و در ارتباط فروسو پرداخته‌شده است. مفهوم سود به‌صورت ميانگين لگاريتم نرخ پوشش¬دهي كاربر تعريف مي‌شود. نوآوري پايان‌نامه نيز در نظر گرفتن بيش از يك آنتن در ايستگاه‌هاي پايه‌ي هر لايه‌ براي سرويس¬دهي به بيش از يك كاربر در هر بازه زماني است. اين نوآوري موجب پيچيدگي تحليل رياضي و استخراج رابطه‌اي تقريبي براي تابع ميانگين سود كاربر مي‌گردد؛ در ضمن رابطه¬ي رياضي در دو حالت‌ اشتراك‌گذاري طيفي ميان لايه‌ها و تقسيم‌بندي طيفي ميان لايه‌ها بررسي‌شده است. در بخش نتايج نيز به كمك نتايج عددي و شبيه‌سازي به ارزيابي مدل در نظر گرفته‌شده پرداخته‌شده است كه بيانگر صحت رابطه‌ي رياضي استخراج‌شده مي‌باشد؛ بهبود ميانگين سود كاربر حاصل از افزودن 2 ، 3 و 5 آنتن به هر ايستگاه پايه¬ي لايه¬ي اول در مقدار ضريب تمايل بهينه¬اش به ترتيب 0.312 log⁡(R[Mb/s])، 0.525 log⁡(R[Mb/s]) و 0.687 log⁡(R[Mb/s]) است، كه R ميانگين نرخ ارسالي كاربر است. احتمال وقفه¬ي كاربر نيز با افزودن 5 آنتن به لايه¬ي اول، 0.15 كاهش مي¬يابد. كلمات كليدي: شبكه‌ي سلولي ناهمگون، شبكه‌ي ناهمگون چند ورودي چند خروجي، هندسه‌ي تصادفي، وابسته سازي كاربر، تخصيص طيف، بررسي عملكرد ارتباط فروسو، بهينه‌سازي سود.

1396/03/03

1/1/1900 12:00:00 AM

Fifth-generation (5G) Mobile Networks has been investigated to support the high volume of data traffic, with the aim of reducing energy consumption and improving the quality of service. To achieve the fifth generation mobile networks, some key technologies such as heterogeneous networks, massive MIMO networks, energy harvesting networks and millimeter-wave techniques have been proposed. because of the ever-increasing data traffic, conventional cellular networks with a wide coverage area is not enough to satisfy high data rate demands; Therefore heterogeneous networks are employed to solve that problem and in this network base stations of each layer are located randomly and each one for satisfaction of mobile users has a different transmit power, pathloss exponent, number of antennas and spatial density. Heterogeneous networks, made up of macro base stations, that each macro base station is equipped with small cells. Small cells, such as Picocells, Femtocells and relays, have a more spatial density and they use lower power for data transfer. Also, the small cells are recognized as an important element for offloading the macrocell's traffic as well as for improving coverage. moreover using small cells result in increasing performance of the cell edge users, increase spectral efficiency and energy efficiency and reduce both of the operational and capital expenditures. In addition, user association has a great importance to increase load balancing, spectral efficiency and energy efficiency in this network; therefore, challenges and multiple opportunities are introduced for user association algorithm in 5G networks and that mechanism is: asigning a user to a specific base station before starting data transmission. In this thesis, the mean utility of typical user in MIMO downlink heterogeneous networks is investigated and examined. The concept of that Utility is defined as a Logarithm of transmission rate. The thesis novelty is taking more than one antenna in each base station of layers to serve more than one user in each time slot. This novelty leads to complex mathematical analysis and derive an approximate equation for mean utility of typical user's function. The mathematically equation is studied under spectrum sharing and spectrum partitioning among tiers. Numerical results and simulation results also help to eva​luate the proposed model, which validate the derived mathematically equation. The mean Utility Improvement of typical user by addition 2, 3 and 5 antennas to each base station at the first tier under optimal bias factor, is 0.312 log(R[Mb/s]), 0.525 log(R[Mb/s]) and 0.687 log(R[Mb/s]) respectively. The user outage probability decreases 0.15 by adding 5 antennas to the first tier. Keywords: Heterogeneous Cellular Networks, MIMO Heterogeneous Networks, Stochastic Geometry, User Association, Spectrum Allocation, Downlink performance analysis, Utility optimization.