شکل‌دهی پرتو و تخصیص توان برای همزیستی شبکه‌های سلولی چندورودی-چندخروجی حجیم با شبکه‌های WiFi

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان- سمنان- ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل - بابل

3 استادیار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان- سمنان- ایران

چکیده

تکنیک همزیستی یک راه‌حل امیدوارکننده برای ارائه خدمات پیشرفته نسل پنجم (5G) با به اشتراک‌گذاری باندهای بدون مجوز با سیستم های WiFi است. در این مقاله، ما طراحی ماتریس شکل‌دهی پرتو و تخصیص توان را در سیستم چند سلولی چندورودی-چند‌خروجی حجیم (mMIMO) را که با یک شبکه WiFi همزیستی می‌کنند، مطالعه می‌کنیم. ماتریس‌های شکل‌دهی پرتو را بر اساس روش قطری‌سازی بلوکی (BD) در باندهای دارای مجوز و بدون مجوز به منظور ایجاد فضای پوچ برای از بین بردن تداخل بوجود آمده به ترتیب بر روی کاربران سلول‌های مجاور و دستگاه‌های WiFi طراحی می‌کنیم. در ادامه، مسئله تخصیص توان به منظور بیشینه کردن مجموع گذردهی قابل دستیابی به صورت یک مسئله بهینه سازی محدب فرمول‌بندی می‌گردد. علاوه‌بر این در این مسئله حداقل کیفیت سرویس (QoS) مربوط به هر کاربر سلول مرکزی را تضمین می‌گردد. مسئله فرمول‌بندی شده با روش کلاسیک بهینه‌سازی محدب حل می‌شود و ما یک الگوریتم پیشنهادی برای به دست آوردن جواب بهینه ارائه خواهیم داد. در بخش نتایج شبیه‌سازی، نشان داده شده است که طراحی شکل‌دهی پرتو و الگوریتم تخصیص توان (PAA) پیشنهادی نسبت به روش‌های معیار مرسوم عملکرد بهتری دارد. اضافه‌بر این، نشان داده می‌شود که الگوریتم PAA به خروجی بدست آمده از CVX بسیار نزدیک می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Beamforming and Power Allocation for Coexistence of Massive MIMO Cellular Network and WiFi Network

نویسندگان [English]

  • A. Taherpour 1
  • S. M. Hosseini Andargoli 2
  • V. Ghods 3
1 Department of Electrical and Computer Engineering, Semnan Branch, Islamic Azad University, Semnan, Iran
2 Department of Electrical and Computer Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
3 Department of Electrical and Computer Engineering, Semnan Branch, Islamic Azad University, Semnan, Iran
چکیده [English]

The coexistence technique is a promising solution to provide enhanced fifth-generation (5G) services by sharing unlicensed bands with WiFi systems. In this paper, we study beamforming design and power allocation in massive Multiple Input-Multiple Output (mMIMO) cellular multi-cell system coexisting with Wireless Fidelity (WiFi) network. We design the beamforming matrices based on the Block Diagonalization (BD) method in licensed and unlicensed bands in order to create spatial nulls for interference suppression on the users of adjacent cells and the WiFi devices, respectively. In the following, the power allocation problem is formulated as a convex optimization problem to maximize the achievable sum rate while one must guarantee the minimum quality of service (QoS) corresponding to each central cell user. The formulated problem is solved by the classical convex optimization method and we present a proposed algorithm to obtain the optimal solution. In the simulation results section, it is shown that the proposed beamforming and power allocation algorithm (PAA) outperforms the conventional benchmark methods. Also, it is indicated the output of PAA is significantly close to the output of the Matlab CVX toolbox.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Massive MIMO systems
  • Coexistence Communication Network
  • Unlicensed Band
  • Beamforming
  • Power Allocation

مراجع

[1] Z. H. Shaik, E. Björnson and E. G. Larsson, "MMSE-Optimal Sequential Processing for Cell-Free Massive MIMO With Radio Stripes," in IEEE Transactions on Communications, vol. 69, no. 11, pp. 7775-7789, Nov. 2021.
[2] Marzetta, T. L., & Ngo, H. Q. (2016). Fundamentals of massive MIMO. Cambridge University Press.
[3] F. A. Pereira de Figueiredo, "An Overview of Massive MIMO for 5G and 6G," in IEEE Latin America Transactions, vol. 20, no. 6, pp. 931-940, June 2022.
[4] Y. Huang, Y. He, W. He, L. Shi, T. Cheng and Y. Sui, "Channel Estimation in Massive MIMO Systems Based on Generalized Block Adaptive Matching Pursuit Algorithm," in IEEE Wireless Communications Letters, vol. 9, no. 12, pp. 2098-2101, Dec. 2020.
[5] C. Cano and D. J. Leith, "Unlicensed LTE/WiFi coexistence: Is LBT inherently fairer than CSAT?," 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC), 2016, pp. 1-6.
[6] Y. Pang, A. Babaei, J. Andreoli­Fang, and B. Hamzeh, “Wi­Fi coexistence with dutycycled LTE­U,” Wireless Communications and Mobile Computing, vol.2017, 2017.
[7] M. M. Bin Tariq, K. Faizan, M. Ali and F. Qamar, "LTE-Unlicensed and WiFi: Sharing Unlicensed Spectrum in 5GHz Band," 2019 15th International Conference on Emerging Technologies (ICET), Peshawar, Pakistan, 2019, pp. 1-6.
[8] F. Meucci, O. Cabral, F. J. Velez, A. Mihovska and N. R. Prasad, "Spectrum Aggregation with Multi-band User Allocation over Two Frequency Bands," 2009 IEEE Mobile WiMAX Symposium, Napa Valley, CA, USA, 2009, pp. 81-86, doi: 10.1109/MWS.2009.25.
[9] M. Alotaibi, M. Sirbu and J. Peha, "Impact of spectrum aggregation technology and frequency on cellular networks performance," 2015 IEEE International Symposium on Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN), Stockholm, Sweden, 2015, pp. 326-335.
[10] Tsinos, C. G., Foukalas, F., & Tsiftsis, T. A. (2017). Resource allocation for licensed/unlicensed carrier aggregation MIMO systems. IEEE Transactions on Communications, 65(9), 3765-3779.
[11] G. Geraci, A. Garcia-Rodriguez, D. López-Pérez, A. Bonfante, L. G. Giordano and H. Claussen, "Enhancing coexistence in the unlicensed band with massive MIMO," 2017 IEEE International Conference on Communications (ICC), 2017, pp. 1-6.
[12] Y. Zhao, X. Chi, L. Qian, Y. Zhu and F. Hou, "Resource Allocation and Slicing Puncture in Cellular Networks With eMBB and URLLC Terminals Coexistence," in IEEE Internet of Things Journal, vol. 9, no. 19, pp. 18431-18444, 1 Oct.1, 2022.
[13] Fang, Y., Wang, C., Ding, G., & Sun, Y. (2015). Optimal traffic balancing scheme in small cells between licensed and unlicensed bands. In 2015 International Conference on Wireless Communications & Signal Processing (WCSP) (pp. 1-6). IEEE.
[14] Cano, C., & Leith, D. J. (2015, June). Coexistence of WiFi and LTE in unlicensed bands: A proportional fair allocation scheme. In 2015 IEEE international conference on communication workshop (ICCW) (pp. 2288-2293).IEEE.
[15] Li, P., Han, L., Xu, S., Wu, D. O., & Gong, P. (2020). Resource allocation for 5G-enabled vehicular networks in unlicensed frequency bands. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 69(11), 13546-13555.
[16] H. Bao, Y. Huo, X. Dong and C. Huang, "Joint Time and Power Allocation for 5G NR Unlicensed Systems," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 20, no. 9, pp. 6195-6209, Sept. 2021.
[17] Elsherif, A. R., Chen, W. P., Ito, A., & Ding, Z. (2015). Resource allocation and inter-cell interference management for dual-access small cells. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 33(6), 1082-1096.
[18] S. Zimmo, A. Moubayed, A. R. Hussein and A. Shami, "Power-Aware Coexistence of Wi-Fi and LTE in the Unlicensed Band Using Time-Domain Virtualization," in IEEE Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 44, no. 3, pp. 289-301, Summer 2021.
[19] L. Wang et al., "Spatial-Reuse-Based Efficient Coexistence for Cellular and WiFi Systems in the Unlicensed Band," in IEEE Internet of Things Journal, vol. 9, no. 3, pp. 1885-1898, 1 Feb.1, 2022.
[20] Taherpour, Abbas, Seyed Mehdi Hosseini Andargoli, and Vahid Ghods. "Joint power allocation and user assignment for licensed/unlicensed band users in massive MIMO cellular systems." Physical Communication 52 (2022): 101590.
[21] وصال حکمی، سید اکبر مصطفوی، زیبا عارفی نژاد "تخصیص منابع مبتنی بر یادگیری تقویتی برای بهبود گذردهی در ارتباطات D2D سلولی" مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 50، شماره 3، صفحات 1165-1177، پاییز 1399.
[22] Boyd, S., Boyd, S. P., & Vandenberghe, L. (2004). Convex optimization. Cambridge university press.
[23] جواد واحدیان اکندی، سید مهدی حسینی اندرگلی، "تخصیص منابع با هدف برقراری عدالت در بهره‌وری انرژی کاربران در شبکه‌های مخابراتی با قابلیت برداشت انرژی بی‌سیم". مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 49، شماره 3، صفحات 1415-1426، پاییز 1398.
[24] E. Björnson, M. Bengtsson and B. Ottersten, "Receive combining vs. multistream multiplexing in multiuser MIMO systems," 2011 IEEE Swedish Communication Technologies Workshop (Swe-CTW), Stockholm, Sweden, 2011, pp. 103-108.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار