liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Clustering-Based Activity Detection Algorithms for Grant-Free Random Access in Cell-Free Massive MIMO
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.ORCID iD: 0000-0001-9504-3975
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering. KTH Royal Institute of Technology, Sweden..ORCID iD: 0000-0002-5954-434x
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.ORCID iD: 0000-0002-7599-4367
2021 (English)In: IEEE Transactions on Communications, ISSN 0090-6778, E-ISSN 1558-0857, Vol. 69, no 11, p. 7520-7530Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Future wireless networks need to support massive machine type communication (mMTC) where a massive number of devices accesses the network and massive MIMO is a promising enabling technology. Massive access schemes have been studied for co-located massive MIMO arrays. In this paper, we investigate the activity detection in grant-free random access for mMTC in cell-free massive MIMO networks using distributed arrays. Each active device transmits a non-orthogonal pilot sequence to the access points (APs) and the APs send the received signals to a central processing unit (CPU) for joint activity detection. The maximum likelihood device activity detection problem is formulated and algorithms for activity detection in cell-free massive MIMO are provided to solve it. The simulation results show that the macro diversity gain provided by the cell-free architecture improves the activity detection performance compared to co-located architecture when the coverage area is large.

Place, publisher, year, edition, pages
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2021. Vol. 69, no 11, p. 7520-7530
Keywords [en]
Activity Detection, Grant-Free Random Access, Cell-Free massive MIMO, massive machine-type communications (mMTC), Internet-of-Things (IoT)
National Category
Communication Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-179552DOI: 10.1109/TCOMM.2021.3102635ISI: 000719563500032Scopus ID: 2-s2.0-85112198086OAI: oai:DiVA.org:liu-179552DiVA, id: diva2:1597046
Funder
Swedish Research Council
Note

Funding agencies: Unnikrishnan Kunnath Ganesan and Erik G. Larsson were supported in part by ELLIIT and in part by Swedish Research Council (VR). Emil Bjornson was supported by the Grant 2019-05068 from the Swedish Research Council. This article was presented at 21st IEEE International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC 2020) [1].

Available from: 2021-09-24 Created: 2021-09-24 Last updated: 2024-06-12Bibliographically approved
In thesis
1. Distributed Massive MIMO: Random Access, Extreme Multiplexing and Synchronization
Open this publication in new window or tab >>Distributed Massive MIMO: Random Access, Extreme Multiplexing and Synchronization
2022 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The data traffic in wireless networks has grown tremendously over the past few decades and is ever-increasing. Moreover, there is an enormous demand for speed as well. Future wireless networks need to support three generic heterogeneous services: enhanced mobile broadband(eMBB), ultra-reliable low latency communication (URLLC) and massive machine type communication (mMTC). Massive MIMO has shown to be a promising technology to meet the demands and is now an integral part of 5G networks. 

To get high data rates, ultra densification of the network by deploying more base stations in the same geographical area is considered. This led to an increase in inter-cell interference which limits the capacity of the network. To mitigate the inter-cell interference, distributed MIMO is advocated. Cell-free massive MIMO is a promising technology to improve the capacity of the network. It leverages all the benefits from ultra densification, massive MIMO, and distributed MIMO technologies and operates without cell boundaries. 

In this thesis, we study random access, extreme multiplexing capabilities, and synchronization aspects of distributed massive MIMO. In Paper A studies the activity detection in grant-free random access for mMTC in cell-free massive MIMO network. An algorithm is proposed for activity detection based on maximum likelihood detection and the results show that the macro-diversity gain provided by the cell-free architecture improves the activity detection performance compared to co-located architecture when the coverage area is large. 

RadioWeaves technology is a new wireless infrastructure devised for indoor applications leveraging the benefits of massive MIMO and cell-free massive MIMO. In Paper B, we study the extreme multiplexing capabilities of RadioWeaves which can provide high data rates with very low power. We observe that the RadioWeaves deployment can spatially separate users much better than a conventional co-located deployment, which outweighs the losses caused by grating lobes and thus saves a lot on transmit power. 

Paper C studies the synchronization aspect of distributed massive MIMO. We propose a novel, over-the-air synchronization protocol, which we call as BeamSync, to synchronize all the different multi-antenna transmit panels. We also show that beamforming the synchronization signal in the dominant direction of the channel between the panels is optimal and the synchronization performance is significantly better than traditional beamforming techniques.  

Abstract [sv]

Efterfrågan på data ökar ständigt och kravet på hastighet har ökat enormt. Framtida trådlösa nätverk behöver stödja tre generiska heterogena tjänster: enhanced mobile broadband (eMBB), ultra-reliable low latency communica-tion (URLLC) och massive machine type communication (mMTC). Massiv MIMO har visat sig vara en lovande teknik för att möta efterfrågan och är nu en integrerad del av 5G-nätverket.

För att få höga datahastigheter övervägs extrem förtätning av nätverket genom att distribuera fler basstationer i samma geografiska område. Detta leder till en ökning av intercellinterferens men systemets kapacitet begränsas av intercellinterferensen. För att mildra intercellinterferensen förespråkas distribuerad MIMO. Cellfri massiv MIMO utnyttjar alla fördelar från ultraförtätning, massiv MIMO och distribuerad MIMO-teknik och fungerar utan cellgränser.

I denna avhandling studerar vi random access, extrema multiplexerings möjligheter och synkroniseringsaspekter av distribuerad massiv MIMO. I Paper A studeras aktivitetsdetekteringen i grant-free random access för mMTC i cellfria massiv MIMO-nätverk. En algoritm föreslås för aktivitetsdetektering baserad på˚ maximum likelihood-metoden och resultaten visar att den makro-diversitetsvinst som tillhandahålls av den cellfria arkitekturen förbättrar aktivitetsdetekteringsprestandan jämfört med samlokaliserad arkitektur när täckningsområdet är stort.

RadioWeaves-teknologi är en ny trädlös infrastruktur utformad för inomhusapplikationer som utnyttjar fördelarna med massiv MIMO och cellfri massiv MIMO. I Paper B studerar vi den extrema multiplexeringsförmågan hos RadioWeaves som kan ge höga datahastigheter med mycket låg effekt. Vi observerar att RadioWeaves-arkitekturen kan rumsligt separera användare mycket bättre än en konventionell samlokaliserad arkitektur, som uppväger förlusterna orsakade av gitterlober och därmed sparar mycket på sändningseffekten.

Paper C studerar synkroniseringsaspekten av distribuerad massiv MIMO. Vi föreslår ett nytt, over-the-air synkroniseringsprotokoll, som vi kallar Beam-Sync, för att synkronisera alla olika sändningspaneler med flera antenner. Vi visar också˚ att strålformningen av synkroniseringssignalen i den dominerande riktningen av kanalen mellan panelerna är optimal och synkroniseringsprestandan är betydligt bättre än traditionella strålformningstekniker.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2022. p. 42
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Licentiate Thesis, ISSN 0280-7971 ; 1923
National Category
Communication Systems
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-182601 (URN)10.3384/9789179292218 (DOI)9789179292201 (ISBN)9789179292218 (ISBN)
Presentation
2022-03-04, KEY1, Campus Valla, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2022-01-31 Created: 2022-01-31 Last updated: 2022-03-07Bibliographically approved
2. Beyond Boundaries: Evolving Connectivity with Massive MIMO
Open this publication in new window or tab >>Beyond Boundaries: Evolving Connectivity with Massive MIMO
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The forthcoming sixth generation (6G) wireless networks signify an evolutionary leap in connectivity, surpassing conventional limitations through the integration of massive multiple-input multiple-output (MIMO) technology. Three primary application scenarios that are expected to drive the development of 6G networks are as follows: (i) enhanced mobile broadband (eMBB) promises lightning-fast data rates and expanded capacity for bandwidth-intensive applications such as virtual reality (VR) and high-definition (HD) video streaming, marking a significant evolution in connectivity; (ii)ultra-reliable low latency communication (URLLC) ensures ultra-reliable, low-latency connectivity critical for applications like autonomous vehicles and remote surgery, further emphasizing the evolution towards more reliable and responsive connections; (iii) massive machine type communications (mMTC) cater to the connectivity needs of millions of Internet-of-Things (IoT) devices across various sectors like smart cities and healthcare, expanding the boundaries of connectivity to encompass a vast array of interconnected devices. Moreover, 6G networks prioritize rural connectivity, aiming to bridge the digital divide by extending high-speed internet access to underserved areas. Through the integration of cutting-edge wireless technologies, 6G networks stand ready to redefine connectivity, offering ultra-fast, reliable, and ubiquitous communication services across a wide range of application scenarios, thereby paving the way for a more connected and equitable future. 

In this thesis, various aspects of the evolution of distributed massive MIMO connectivity are explored, including: (i) synchronization of distributed access points (APs); (ii) partially coherent (PC) operation of APs; (iii) Grant-free random access of mMTC devices; (iv) extreme multiplexing capabilities; and (v) SuperCell massive MIMO communication. 

Distributed APs operate with independent local oscillators (LOs), resulting in frequency and timing mismatches between them. In narrow-band systems, any discrepancies in frequency or timing among distributed transmit nodes translate into relative phase offsets within a symbol interval. These offsets must be compensated for coherent signal combining during transmission to a user. Paper A delves into the synchronization of distributed APs in massive MIMO systems. This synchronization is pivotal for reaping the benefits of distributed massive MIMO. The paper analyzes the synchronization requirements from a reciprocity perspective, considering multiplicative impairments due to mismatches in radio frequency (RF) hardware. It introduces BeamSync, a novel over-the-air synchronization protocol, which calibrates geographically separated APs without relying on fronthaul for sending measurement data to the central processing unit (CPU). The key concept involves beamforming the synchronization signal in the dominant direction of the channel between APs. Results demonstrate that the proposed BeamSync method outperforms traditional beamforming techniques significantly. 

While advancements like those detailed in Paper A enable synchronization within localized areas, achieving network-wide AP synchronization remains daunting. Consequently, synchronized clusters exist, yet phase alignment across clusters poses a challenge. Addressing this, Paper B introduces a novel PC framework crucial for realizing the full potential of cell-free massive MIMO technology. Initially, an AP clustering algorithm groups APs into phase-aligned clusters. Subsequently, combining and precoding optimization algorithm maximizes the downlink sum data rates. Additionally, a novel data stream allocation algorithm enhances the sum data rate of PC operation. Results demonstrate that PC operation approaches the sum rate of ideal fully coherent (FC) operation. This underscores the practical deployment potential of PC in cell-free massive MIMO networks. 

As cellular technology advances, machine type communication (MTC) becomes increasingly significant. The Paper C delves into activity detection within grant-free random access for mMTC in cell-free massive MIMO net-works. It introduces a maximum-likelihood (ML) activity detection algorithm and demonstrates through results that the macro-diversity gain inherent in the cell-free architecture significantly enhances activity detection performance, particularly in scenarios with large coverage areas, outperforming co-located architectures. 

RadioWeaves technology is a novel wireless infrastructure designed for indoor applications, leveraging the advantages of both massive MIMO and cell-free massive MIMO systems. Paper D explores the extreme multiplexing capabilities of RadioWeaves, demonstrating its ability to deliver high data rates while operating at low power levels. The findings reveal that RadioWeaves deployments excel in spatially separating users compared to conventional co-located setups, thus mitigating losses attributed to grating lobes and substantially reducing transmit power requirements.

Rural connectivity is an important aspect to consider in the development of 6G networks, as it addresses the challenge of providing high-quality, reliable internet access to under-served or remote areas. Amidst the surge in data traffic within urban areas and the consequent neglect of rural regions due to lower profitability, Paper E explores the performance of SuperCell massive MIMO systems in rural settings. Addressing the unique challenges and opportunities of rural communication environments, the paper proposes an innovative solution. This solution involves the utilization of elevated base stations (BSs) equipped with sectorized antennas boasting large apertures, coupled with a user scheduling algorithm to ensure comprehensive digital coverage. Through rigorous analysis, the study evaluates the coverage range and high-rate service provision capabilities of this SuperCell system in rural contexts. 

Abstract [sv]

Den kommande sjätte generationens (6G) trädlösa nätverk innebär ett evolutionärt språng inom anslutningsteknik, som överträffar konventionella begränsningar genom integrationen av massiv MIMO-teknik (eng: multiple-input multiple-output). Tre primära tillämpningsscenarier som förväntas driva utvecklingen av 6G-nätverk är följande: (i) Förbättrat mobilt bredband (eMBB) utlovar blixtsnabba datatakter och utökad kapacitet för bandbreddsintensiva applikationer så som virtuell verklighet (VR) och högupplöst videoströmning, vilket är en betydande evolution inom anslutningsteknik. (ii) Ultratillförlitlig kommunikation med låg latens (URLLC) säkerställer ultratillförlitlig anslutning med låg latens som är kritisk för applikationer så som autonoma fordon och fjärrkirurgi, som ytterligare understryker utvecklingen mot mer tillförlitlig och responsiv anslutning. (iii) Massiv maskintypkommunikation (mMTC) tillgodoser anslutningsbehoven hos miljarder enheter inom sakernas internet (IoT) inom olika sektorer så som smarta städer och hälsovård, och utvidgar anslutningens gränser för att omfatta en mängd olika enheter som är sammankopplade. Dessutom prioriterar 6G-nätverk landsbygdsanslutning och syftar till att överbrygga den digitala klyftan genom att utöka höghastighetsinternet till underbetjänade områden. Genom integrationen av banbrytande trådlösa teknologier är 6G-nätverk redo att omdefiniera anslutningstekniken, erbjuda ultrasnabba, pålitliga och allmänt tillgängliga kommunikationstjänster för en mängd olika tillämpningsscenarier, och därigenom bana väg för en mer uppkopplad och rättvis framtid.

I denna avhandling utforskas olika aspekter av utvecklingen av distribuerad massiv MIMO-anslutningsteknik, vilket inkluderar: (i) Synkronisering av distribuerade åtkomstpunkter (AP:er); (ii) delvis koherent (PC) drift av AP:er; (iii) Grant-fri slumpmässig åtkomst för mMTC-enheter; (iv) Extrema multiplexegenskaper; och (v) SuperCell massiv MIMO-kommunikationsteknik.

Distribuerade AP:er drivs med oberoende lokala oscillatorer (LO:er), vilket resulterar i frekvens- och tidsasynkronisering mellan dem. I smalbandssystem medför skillnader i frekvens eller tid mellan distribuerade sändande noder relativa fasförskjutningar inom ett symbolintervall. Dessa förskjutningar måste kompenseras för att tillåta koherent signalbildning under överföring till en användare. Artikel A fördjupar sig i synkroniseringen av distribuerade AP:er i massiva MIMO-system. Denna synkronisering är avgörande för att dra nytta av fördelarna med distribuerad massiv MIMO. Artikeln analyserar synkroniseringskrav från ett reciprocitetsperspektiv och betraktar multiplikativa störningar som uppstår på grund av olikheter i radiofrekvenshårdvaror (RF-hårdvaror). Den introducerar BeamSync, ett nytt protokoll för synkronisering över luften, som kalibrerar geografiskt separerade AP:er utan att förlita sig på att skicka mätningsdata via kabel till centralenheten (CPU:n). Det huvudsakliga konceptet innebär att lobforma synkroniseringssignalen i den dominerande riktningen för kanalen mellan två AP:er. Resultaten visar att den föreslagna BeamSync-metoden presterar betydligt bättre än traditionella lobformningstekniker.

Även om framsteg som de som beskrivs i Artikel A möjliggör synkronisering inom specifika områden, förblir uppnåendet av nätverksomfattande AP-synkronisering skrämmande. Följaktligen går det att uppnå synkroniserade kluster, men fassynkronisering mellan olika kluster är en utmaning. För att ta itu med detta introducerar Artikel B ett originellt ramverk för PC som är avgörande för att förverkliga hela potentialen för cellfri massiv MIMO-teknik. Först grupperar en AP-klustringsalgoritm alla AP:er i fasjusterade kluster. Därefter maximeras de totala datatakterna i nedlänk och upplänk med hjälp av optimeringsalgoritmer för användarkombinering och AP-förkodning. Dessutom förbättrar en ny algoritm för datatilldelning de totala datatakterna för PC-drift. Resultaten visar att PC-drift närmar sig den totala datatakten för idealisk fullständigt koherent (FC) drift, vilket kräver nätverksomfattande fassynkronisering. Detta understryker potentialen för praktisk implementering av PC i cellfria massiva MIMO-nätverk. När den cellulär anslutningstekniken utvecklas blir maskintypkommunikation (MTC) allt viktigare. Artikel C går in på aktivitetsdetektion inom grant-fri slumpmässig åtkomst för mMTC i cellfria massiva MIMO-nätverk. Den introducerar en maximum likelihood-algoritm för aktivitetsdetektion och demonstrerar genom resultat att den makrodiversitet som är inneboende i cell-fri arkitektur avsevärt förbättrar prestandan för aktivitetsdetektion, särskilt i scenarier med stora täckningsområden, och överträffar samlokaliserade arkitekturer.

RadioWeaves-teknik är en ny trådlös infrastruktur designad för inomhusapplikationer som utnyttjar fördelarna med både massiv MIMO och cellfri massiv MIMO. Artikel D utforskar de extrema multiplexegenskaperna hos RadioWeaves och visar dess förmåga att leverera höga datatakter även vid låg effektförbrukning. Resultaten visar att RadioWeaves-nätverk utmärker sig genom förmågan att spatialt separera användare jämfört med konventionella samlokaliserade nätverk, vilket mildrar förluster som kan tillskrivas sidolober och väsentligt minskar kraven på sändareffekt.

Landsbygdsanslutning är en viktig aspekt att beakta vid utvecklingen av 6G-nätverk, eftersom det adresserar utmaningen att tillhandahålla högkvalitativ, pålitlig internetåtkomst till underbetjänade eller avlägsna områden. Mitt i ökningen av datatrafik inom urbana områden och det följande försummandet av landsbygdsområden på grund av lägre lönsamhet, utforskar Artikel E prestandan hos SuperCell massiv MIMO-system i landsbygdsmiljöer. Genom att ta itu med de unika utmaningarna och möjligheterna i kommunikationsmiljöer på landsbygden föreslår artikeln en innovativ lösning. Denna lösning innebär användning av upphöjda basstationer (BS:er) utrustade med sektoriserade antenner med stora aperturer, tillsammans med en algoritm för användarschemaläggning som säkerställer omfattande digital täckning. Genom rigorös analys utvärderar studien täckningsavståndet och tillhandahållandet av höga tjänstekapaciteter hos detta SuperCell-system i landsbygdskontexter.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2024. p. 223
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 2395
National Category
Communication Systems
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-204492 (URN)10.3384/9789180756952 (DOI)9789180756945 (ISBN)9789180756952 (ISBN)
Public defence
2024-09-24, Ada Lovelace, B-building, Campus Valla, Linköping, 09:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2024-06-12 Created: 2024-06-12 Last updated: 2024-06-12Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records

Kunnath Ganesan, UnnikrishnanBjörnson, EmilLarsson, Erik G.

Search in DiVA

By author/editor
Kunnath Ganesan, UnnikrishnanBjörnson, EmilLarsson, Erik G.
By organisation
Communication SystemsFaculty of Science & Engineering
In the same journal
IEEE Transactions on Communications
Communication Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 322 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf