26292

يكپارچه سازي لينك هاي دسترسي و بكهال در شبكه هاي بدون سلول مبتني بر سطوح بازتابي هوشمند

كارشناسي ارشد

مهندسي برق- مخابرات سيستم

98-1400

1400/12/12

دكتر سيد محمد رضوي زاده

مهندسي برق

يكي از مهم‌ترين چالش‌ها در پياده‌سازي شبكه‌هاي بدون سلول، فراهم آوردن لينك بكهال لازم براي تعداد زيادي نقاط دسترسي توزيع شده در سطح شبكه است. پياده‌سازي لينك‌هاي بكهال از طريق فيبر نوري مستلزم هزينه‌هاي بسيار زياد جهت راه‌اندازي و نگهداري بوده و قابليت انعطاف‌پذيري شبكه را كاهش خواهد داد. از اين رو، لينك‌هاي بكهال بدون سيم مي‌توانند به عنوان جايگزين لينك‌هاي سيمي معرفي گردند تا پاسخ‌گوي مشكلات مطرح شده باشند. همچنين، پياده‌سازي لينك بكهال به صورت يكپارچه شده با لينك دسترسي اين امكان را فراهم آورده كه داده‌هاي مورد نياز اين لينك با هزينه كمتر و با حداكثر بازدهي طيف در اختيار نقاط دسترسي قرار گيرند. در اين پايان‌نامه به بررسي بكهال بيسيمِ يكپارچه شده با لينك دسترسي در شبكه‌هاي بدون سلول (cell-free) و در حضور سطوح بازتابي هوشمند (IRS) پرداخته مي‌شود. بدين منظور، در لينك‌هاي دسترسي و بكهال بيسيم از باند يكسان موج ميلمتري استفاده مي‌گردد تا به وسيله بهينه‌سازي ماتريس‌هاي شكل‌دهي پرتو هيبريدي، داده‌هاي مورد نياز با حداكثر نرخ انتقال يابند. در ابتدا، لينك بكهال به صورت ديد مستقيم فرض شده و در ادامه با فرض عدم وجود ديد مستقيم ناشي از مسدود شدن سيگنال‌هاي ارسالي در باند موج ميلمتري، از IRSهاي توزيع شده در سطح شبكه جهت برقراري لينك بكهال استفاده مي‌گردد. همچنين ضريب اختصاص پهناي باند بين دو لينك دسترسي و بكهال به گونه‌اي بهينه مي‌شود تا در كنار مقدار بهينه ساير پارامتر‌هاي شبكه، باعث ماكزيمم‌سازي نرخ انتها به انتها گردند. نتايج شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد كه يكپارچه‌سازي لينك‌هاي دسترسي و بكهال باعث بهبود عملكرد شبكه‌هاي بدون سلول مي‌گردد. همچنين، روش پيشنهاد شده جهت محاسبه‌ي ماتريس شكل‌دهي پرتو هيبريدي با تعداد زنجيره RF كمتر، توانايي دستيابي به عملكرد روش شكل‌دهي پرتو تماماً ديجيتال را دارا مي‌باشد. در ادامه نشان داده مي‌شود كه در صورت عدم وجود لينك‌هاي ديد مستقيم در بكهال ناشي از استفاده از باند فركانسي موج ميليمتري، مي‌توان نرخ مورد نياز بكهال را از طريق لينك‌هاي بازتابي و به وسيله IRSها فراهم نمود و روش پيشنهاد شده جهت بهينه‌سازي شيفت فاز المان‌هاي IRSها باعث بهبود عملكرد شبكه مي‌گردد. به‌علاوه، استفاده از IRSها در لينك بكهال باعث شده تا بتوان با بهبود نرخ اين لينك، نرخ انتها به انتها شبكه‌هاي بدون سلول را افزايش داد.

1401/01/15

Integrated Access and Backhaul design in IRS-aided Cell-free mMIMO Systems

3/3/2023 12:00:00 AM

One of the challenges with cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) networks is providing backhaul links for a large number of distributed access points (APs). In general, providing optical fiber-based backhaul links for these APs is not a cost-effective solution and reduces network scalability. Wireless backhauling can be a promising solution, which can be integrated with wireless access links to increase spectrum efficiency and provide the required data of each AP in the backhaul link in a wireless manner. In this thesis, the application of integrated access and backhaul (IAB) technique in millimeter-wave (mmWave) CF massive MIMO systems is investigated using Intelligent Reflection Surfaces (IRS). The access and backhaul links share a frequency spectrum in the mmWave bands, and in both of them, hybrid beamforming techniques are adopted for signal transmission. First, the connections between the CPU and APs are considered line-of-sight links. Then, by considering non-line-of-sight links in the backhaul due to mmWave spectrum blockages, multiple IRSs are used to assist data transmission in the wireless backhaul link. The bandwidth allocation (division) parameter between two links, the beamforming matrices, and IRSs’ phase shifts are optimized for achieving the maximum end-to-end (EtE) data rate. The simulation results demonstrate the effectiveness of the IAB technique and proposed scheme in CF massive MIMO systems. These simulations also compare the proposed hybrid beamforming method with a fully digital solution in terms of the number of radio frequency (RF) chains and the volume of backhaul traffic, which show a considerable improvement with the proposed algorithms. Besides, the results show that the proposed IRSs' phase shifts optimization algorithm improves the network's performance, and IRSs can enhance the wireless backhaul link's data rate and the network's EtE rate by providing the reflected links in the mmWave bands.

شبكه بدون سلول , يكپارچه‌سازي لينك دسترسي و بكهال , سطوح بازتابي هوشمند , سيستم انبوه آنتني , شكل‌دهي پرتو هيبريدي , موج ميليمتري

cell-free (CF) , Integrated Access and Backhaul (IAB) , Intelligent Reflection Surface (IRS) , massive MIMO , hybrid beamforming , millimeter-wave (mmWave)

Ali Hosseinalipour Jazi

Dr. S. Mohammad Razavizadeh