Joint estimation of direction of arrival with unknown mutual coupling in massive Mimo networks and lte radio resource block allocation optimization in maritime channels

Abstract

Teknoloji bir kuşaktan diğerine evrilirken, yüksek veri hızı ve düşük gecikme gibi hizmet kalitesini yükselten parametrelerle daha iyi bir kullanım deneyimi sunmaktadır. Fakat bu iyileşme, beraberinde bazı zorluklar getirmektedir. Yaklaşan 5G teknolojisi, şu an tüm dünyada teoriden pratik uygulamaya geçmekte olan ve prototipleri geliştirilen teknolojilerin başında yer almaktadır. Çoklu (Massive yada Masif) MIMO, 5G kablosuz ağlarının gerçeklendirilmesinde önemli bir safhayı oluşturmaktadır. Fakat masif MIMO'nun performansını önemli derecede etkilyen ve düşük kapasite sorunlarına sebep olan etkenler mevcuttur. Bunların başında varış açısı yönünün (DoA) hatalı olarak kestirimine sebep olan karşılıklı bağlaşım etkisidir. Bu tezde, DoA ve anten dizilişlerindeki bilinmeyen karşılıklı bağlaşım etkilerinin tahmini için birçok optimizasyon tekniği incelenmiş ve masif MIMO ağları için indirgenmiş rank metoduyla genişletilmiş ortak döngüsel optimizasyon önerilmiştir. Bu çalışmanın temel omurgasını oluşturan yaklaşım indirgenmiş rank metoduyla ortak döngüsel optimizasyonu, kuadratik programlama (QP), sıkıştırılmış algılama, ve DoA ve bilinmeyen karşılıklı bağlaşımın saptanmasında kullanılan ve de yüksek çözünürlülük kapasitesine sahip L2 normu oluşturmaktadır. Önerilen yöntemin temelde dinamik bir yapıya sahip olması ve diğer yöntemlere kıyasla çok düşük karmaşıklık derecesi içermesi en büyük avantajlarındandır. Ayrıca, 5G standartlarının netleşmemesinden dolayısıyla LTE için mevcut deniz aşırı radyo kaynak bloğu tahsis yöntemleri incelenmiş ve mevcut kaynak tahsis algoritmalarıyla kıyaslanarak max-min optimizasyonu önerilmiştir. Önerilen tahsis yönteminin sonuçları, algoritmanın değişebilen yük ile daha adil kaynak tahsisi yaptığını yansıtmaktadır. Özetle, bu tez dışbükey optimizasyon ve doğrusal cebirin kablosuz iletişim uygulamalarındaki önemini göstermektedir.

The evolution of technology from one generation to other always brings a better user experiences in terms of high data rates and improved quality of service parameters like low latency. However, it also comes with its own challenges. The upcoming 5G technology is one of those technologies that is now moving from theory to practical implementation with prototypes being developed all around the world. Massive MIMO is the key enabler for such 5G networks and one of the concerns with massive MIMO is the mutual coupling effect that causes wrong direction of arrival (DoA) estimations that leads to low capacity issues. In this thesis, several optimization techniques related to estimations of DoA and unknown mutual coupling in antenna arrays are studied and an extended joint iterative optimization with reduced rank method is proposed in that cause considering massive MIMO networks. The backbone of the work is based on joint iterative method with reduced rank matrix optimization, quadratic programming (QP), compressed sensing and L2 norms that are used to determine the DoAs and unknown mutual coupling with higher resolution capabilities. The proposed method is dynamic in nature and has very low complexity order giving it a big advantage over other methods. Furthermore, in absence of any 5G standards radio resource block allocation methods for LTE over sea are studied and a max-min optimization is proposed which is then compared with the previous resource allocation algorithms. The results of the proposed resource allocation method reflects the superiority of the algorithm in terms of fairness with variable load. In summary, this thesis shreds light into the application of convex optimization and linear algebra in wireless communication domain.