Performance, efficiency and complexity in multiple access large-scale MIMO Systems (2019)
- Authors:
- Autor USP: MUSSI, ALEX MIYAMOTO - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PSI
- Subjects: ANTENAS; PROCESSAMENTO DE SINAIS; SISTEMA DE COMUNICAÇÃO
- Language: Inglês
- Abstract: Sistemas com múltiplas antenas transmissoras e múltiplas antenas receptoras em larga escala (LS-MIMO - large-scale multiple-input multiple-output) possibilitam altos ganhos em eficiência espectral e energética, o que resulta em aumento da taxa de transmissão de dados numa mesma banda ocupada, sem acréscimo da potência transmitida por usuário. Além disso, com o aumento do número de antenas na estação rádio-base (BS- base station) possibilita-se o atendimento de maior número de usuários por célula, em uma mesma banda ocupada. Ademais, comprovou-se na literatura que as vantagens relatadas dos sistemas LS-MIMO podem ser obtidas com um grande número de antenas em, pelo menos, um dos lados da comunicação, geralmente na BS devido à restrição física nos dispositivos móveis. Contudo, tais vantagens têm seu custo: a utilização de um grande número de antenas também dificulta tarefas que envolvem processamento de sinais, como estimação dos coeficientes de canal, precodificação e detecção de sinais. É nessa conjuntura em que se desenvolve esta Tese de Doutorado, na qual se explora o compromisso desempenho versus complexidade computacional de métodos eficientes de detecção em sistemas de comunicações LS-MIMO através da análise de algoritmos e técnicas de otimização na solução de problemas específicos e ainda em aberto. Mais precisamente, a presente Tese discute e propõe técnicas promissoras de detecção em sistemas LS-MIMO, visando a melhoria de métricas de desempenho - em termos de taxa de erro - e complexidade computacional - em termos de quantidade de operações matemáticas. Inicialmente, o problema é introduzido através de um modelo de sistema MIMO convencional, em que são considerados canais com estimativas imperfeitas e com correlação entre as antenas transmissoras (Tx) e entre as receptoras (Rx).Aplicam-se técnicas de pré-processamanto baseadas na redução treliça (LR - lattice reduction) em detectores lineares, além do detector esférico (SD - sphere decoder), o qual é proposto um procedimento de tabela de pesquisa a fim de prover redução na complexidade computacional. Mostra-se que o método LR na pré-detecção resulta em ganho de desempenho significante tanto na condição de canais descorrelacionados quanto fortemente correlacionados, sendo que, neste último cenário a melhoria é ainda mais notável, devido ao ganho de diversidade proporcionado. Por outro lado, a complexidade envolvida na aplicação da LR em alta correlação torna-se preponderante em detectores lineares. No LR-SD utilizando o procedimento de tabela de pesquisa, o ganho ótimo foi alcançado em todos os cenários, como esperado, e resultou em complexidade inferior ao detector de máxima verossimilhança (ML - maximum likelihood), mesmo com máxima correlação entre antenas, a qual representa o cenário de maior complexidade a técnica LR. Em seguida, o detector por troca de mensagens (MP - message passing) é investigado, o qual faz uso de modelos grafos do tipo MRF (Markov random fields) e FG (factor graph). Além disso, mostra-se na literatura que o método de amortecimento de mensagens (MD - message damping) aplicado ao detector MRF traz relevante ganho de desempenho sem aumento na complexidade computacional. Por outro lado, o valor do DF (damping factor) é especificado para somente uma variedade restrita de cenários. Resultados numéricos são extensivamente gerados, de forma a dispor de uma gama de análises de comportamento do MRF com MD, resultando na proposição de um valor ótimo para o DF, baseando-se em ajuste de curva numérico. Finalmente, em face ao detector MGS (mixed Gibbs sampling), são propostas duasabordagens visando a redução do impacto negativo causado pela solução aleatória quando altas ordens de modulação são empregadas. A primeira é baseada em uma média entre múltiplas amostras, chamada aMGS (averaged MGS). A segunda abordagem realiza uma restrição direta no alcance da solução aleatória, limitando em até d a vizinhança de símbolos que podem ser sorteados, sendo chamada de d-sMGS (d-simplificado MGS). Resultados de simulação numérica demonstram que ambas abordagens resultam em ganho de convergência em relação ao MGS, destacando-se: em regiões de alto carregamento, a detecção d-sMGS demonstrou ganho expressivo tanto em desempenho quanto em complexidade se comparada à aMGS e MGS; já em baixo-médio carregamentos, a estratégia aMGS demonstrou menor complexidade, com desempenho marginalmente semelhante às demais. Além disso, conclui-se que o aumento do número de dimensões do sistema favorece uma menor restrição na vizinhança.
- Imprenta:
- Data da defesa: 08.05.2019
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ABNT
MUSSI, Alex Miyamoto. Performance, efficiency and complexity in multiple access large-scale MIMO Systems. 2019. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2019. Disponível em: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3142/tde-26082019-131340/. Acesso em: 05 jan. 2026. -
APA
Mussi, A. M. (2019). Performance, efficiency and complexity in multiple access large-scale MIMO Systems (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3142/tde-26082019-131340/ -
NLM
Mussi AM. Performance, efficiency and complexity in multiple access large-scale MIMO Systems [Internet]. 2019 ;[citado 2026 jan. 05 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3142/tde-26082019-131340/ -
Vancouver
Mussi AM. Performance, efficiency and complexity in multiple access large-scale MIMO Systems [Internet]. 2019 ;[citado 2026 jan. 05 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3142/tde-26082019-131340/
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