Resource selection for cell-free MIMO systems

Cell-Free Multiple Input Multiple Output (CF MIMO) constitutes a revolutionary wireless communication technology for meeting the rising number of users and their high-rate expectations in beyond-5G networks. The fundamental premise is to allow numerous spatially distributed Access Points (APs) to communicate with the users in the network. It is a promising technology, which converts modern networks into massive MIMO systems with its innovative approach. This thesis explores the dynamic environment of the CF MIMO wireless communication systems and investigates several critical aspects within this emerging field. Starting with an overview of the current state of CF MIMO, the research covers essential principles such as channel modelling, communication protocols, AP selection, power allocation, precoding techniques, and system performance. The main focus of this research is the downlink scenario of CF MIMO by implementing a system model that examines propagation models and downlink data transmission. It includes an examination of OFDM signals and transmission strategies using subset of APs. The research also covers the resource allocation and different techniques for interference management. In the context of selecting APs, various approaches such as Received Power based, Minimum Large-Scale Fading based, and Random Selection strategies and Full Connection method are investigated. The allocation of power is discussed in detail with the focus on Uniform Power Allocation, Water Filling based power allocation, and Channel Gain based power allocation. The thesis examines precoding methods, including Zero Forcing and Conjugate Beamforming, and provides a synopsis of their use in CF MIMO systems. The practical implementation of CF MIMO techniques is illustrated through a simulation environment which provides insight into impact on system performance in real-world scenarios. In conclusion, this thesis synthesizes significant methods, emphasises the importance of CF MIMO in wireless communications, and proposes areas for potential future research in this rapidly evolving field.

La Cell-Free Multiple Input Multiple Output (CF MIMO) è una tecnologia di comunicazione wireless rivoluzionaria per soddisfare il numero crescente di utenti e le loro aspettative di alta velocità nelle reti oltre il 5G. La premessa fondamentale è quella di consentire a numerosi Access Point (AP) distribuiti spazialmente di comunicare con gli utenti della rete. Si tratta di una tecnologia promettente che, con il suo approccio innovativo, converte le reti moderne in sistemi massive MIMO. Questa tesi esplora l'ambiente dinamico dei sistemi di comunicazione wireless CF MIMO e indaga diversi aspetti critici di questo campo emergente. Partendo da una panoramica dello stato attuale del CF MIMO, la ricerca copre principi essenziali come la modellazione del canale, i protocolli di comunicazione, la selezione degli AP, l'allocazione della potenza, le tecniche di precodifica e le prestazioni del sistema. L'obiettivo principale di questa ricerca è lo scenario downlink di un sistema CF MIMO, sviluppando un modello che includa la propagazione e la trasmissione dei dati downlink. La tesi include anche un esame dei segnali OFDM e delle strategie di trasmissione utilizzando un sottoinsieme di AP. La ricerca copre anche l'allocazione delle risorse e le diverse tecniche di gestione delle interferenze. Per quanto riguarda la selezione degli AP, vengono analizzati vari approcci come quello basato sulla potenza ricevuta, quello basato sul fading minimo su larga scala, le strategie di selezione casuale e il metodo della connessione completa. L'allocazione della potenza viene discussa in dettaglio con particolare attenzione all'allocazione uniforme della potenza, all'allocazione della potenza basata sul Water Filling e all'allocazione della potenza basata sul guadagno di canale. La tesi esamina i metodi di precodifica, tra cui Zero Forcing e Conjugate Beamforming, e fornisce una sinossi del loro utilizzo nei sistemi CF MIMO. L'implementazione pratica delle tecniche CF MIMO è illustrata attraverso un ambiente di simulazione che fornisce un'idea dell'impatto sulle prestazioni del sistema in scenari reali. In conclusione, questa tesi sintetizza metodi significativi per la tecnologia CF MIMO, sottolinea l'importanza del CF MIMO nelle comunicazioni wireless e propone aree di potenziale ricerca futura in questo campo in rapida evoluzione.