Contribuições para o acesso múltiplo aleatório sem concessão sob desvanecimento seletivo em frequência

Abstract

Comunicação máquina para máquina (M2M, do inglês machine-to-machine) é um tema de pesquisa importante e atual, especialmente a comunicação massiva do tipo máquina (mMTC, do inglês massive Machine Type Communication) na qual uma quantidade massiva de dispositivos de IoT (do inglês Internet of Things) realiza transmissão de dados esporadicamente e em baixas taxas. Consequentemente, apenas uma pequena parcela dos usuários está ativa em um dado momento. Esse cenário ocorre, por exemplo, na Indústria 4.0, na qual sensores enviam medidas para um centro de controle. Com essas características, não é viável cada usuário (dispositivo IoT) possuir uma sequência piloto única devido ao grande overhead gerado. Como solução, o método de acesso múltiplo sem concessão tem recebido grande atenção. Nele, o acesso aleatório ao meio se dá sem um agendamento ou concessão para transmitir. Para isso, cada usuário ativo transmite inicialmente uma sequência piloto escolhida aleatoriamente de um conjunto pré-especificado e o receptor, por meio do sinal recebido, uma sobreposição de todas as sequências piloto transmitidas, realiza uma UAD (do inglês User Activity Detection). A maioria dos trabalhos sobre UAD assume um modelo de canal com desvanecimento plano. Nesta tese, uma solução é proposta para o problema de UAD em canais com desvanecimento seletivo em frequência com base em uma aproximação polinomial da resposta em frequência do canal que transforma o modelo de sistema de comunicação em um modelo de sistema esparso em blocos. É então proposto um algoritmo de baixa complexidade, BOMP-PA (do inglês Block Orthogonal Matching Pursuit - Polynomial Approximation), que realiza conjuntamente UAD e estimação de canal, esta última com base em um número reduzido de parâmetros. Resultados de simulação revelam um excelente desempenho de UAD mesmo com sequências piloto curtas. Na sequência, expandimos o escopo desta tese para contemplar as promissoras redes cell-free, que consistem em vários APs (do inglês Access Points) distribuídos em toda a área de cobertura da célula, cada um equipado com múltiplas antenas configurando assim um sistema MIMO (do inglês Multiple-Input Multiple-Output) distribuído. Propomos refinamentos no algoritmo BOMP-PA proposto visando sua aplicabilidade em redes cell-free tanto numa abordagem centralizada na CPU (do inglês Central Processing Unit) quanto numa abordagem descentralizada na qual cada AP executa o algoritmo BOMP-PA localmente e envia suas decisões à CPU que, por sua vez, realiza uma UAD final. Ambas as abordagens proporcionaram uma melhora no desempenho de UAD. Por outro lado, as técnicas de acesso múltiplo não ortogonal (NOMA, do inglês Non-Orthogonal Multiple Access) vêm sendo amplamente consideradas por permitirem a transmissão de sinais de diferentes usuários em um número limitado de recursos e com desempenho satisfatório. Dentre as técnicas NOMA, o acesso múltiplo por códigos esparsos (SCMA, do inglês Sparse Code Multiple Access) vem recebendo uma crescente atenção. Esta tese realiza uma integração das etapas de UAD e estimação de canal realizadas pelo algoritmo BOMP-PA com a transmissão/detecção de dados uplink através do SCMA. Resultados de simulação revelam um desempenho satisfatório da UAD, estimativa de canal e detecção de dados, o que faz do algoritmo proposto um forte candidato para mMTC.

Abstract: Machine-to-machine communication (M2M) is an important and timely research topic, especially massive machine type communication (mMTC) in which a massive number of Internet of Things (IoT) devices transmit data sporadically and at low rates. Consequently, only a small portion of users are active at any given time. This scenario occurs, for instance, in Industry 4.0, in which sensors send measurements to a control center. With these characteristics, it is not feasible for each user (IoT device) to have a unique pilot sequence due to the large overhead generated. As a solution, the so-called grant-free multiple access method has received great attention. In this method, random access to the medium occurs without a schedule or concession to transmit. To achieve this, each active user initially transmits a randomly chosen pilot sequence from a pre-specified set, and the receiver, through the received signal, a superposition of all transmitted pilot sequences, performs a user activity detection (UAD). Most works on UAD assume a flat fading channel model. In this thesis, a solution is proposed for the UAD problem in frequency-selective fading channels based on a polynomial approximation of the channel frequency response that transforms the communication system model into a block-sparse system model. A low complexity algorithm is then proposed, Block Orthogonal Matching Pursuit-Polynomial Approximation (BOMP-PA), which jointly performs UAD and channel estimation, the latter based on a reduced number of parameters. Simulation results reveal an excellent UAD performance even with short pilot sequences. Next, we expand the scope of this thesis to include the promising cell-free networks, which consist of several Access Points (APs) distributed throughout the coverage area of the cell, each equipped with multiple antennas thus configuring a distributed Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) system. We propose refinements to the proposed BOMP-PA algorithm aiming at its applicability in cell-free networks, both in an approach centralized in a Central Processing Unit (CPU) and in a decentralized approach in which each AP executes the BOMP-PA algorithm locally and sends its decisions to the CPU, which in turn performs a final UAD. Both approaches provide an improvement in UAD performance. On the other hand, non-orthogonal multiple access (NOMA) techniques have been widely considered because they allow the transmission of signals from different users in a limited number of resources and with satisfactory performance. Among the NOMA techniques, sparse code multiple access (SCMA) has been receiving increasing attention. This thesis integrates the UAD and channel estimation steps performed by the BOMP-PA algorithm with the uplink transmission/detection of data through SCMA. Simulation results reveal satisfactory performance of UAD, channel estimation, and data detection, which makes the proposed algorithm a strong candidate for mMTC.