Massive MIMO voor betrouwbare communicatie

Mobiele communicatie evolueert voortdurend; momenteel worden 5G systemen geïnstalleerd en is er onderzoek naar 6G aan de gang. 5G-systemen beogen drie categorieën van toepassingen: enhanced mobile broadband (eMBB), massive machine-type communication (mMTC) en ultra-reliable low-latency Communications (URLLC). Massive multiple-input multiple-output (MIMO) wordt aanzien als een essentiële technologie om aan de vereisten van deze gebruiksscenario's te kunnen voldoen. Door een zeerg groot aantal antennes aan de basisstations te voorzien, kunnen de datasnelheden worden verhoogd, kunnen meer gebruikers tegelijkertijd worden bediend, en is er een potentieel om de betrouwbaarheid te verbeteren. Daarnaast zijn een groter bereik, verbeterde energie-efficiëntie, en eenvoudige gebruikersapparaten mogelijk. De prestaties van elk draadloos systeem worden bepaald door de onderliggende kanalen. Massive MIMO-kanalen vertonen verschillende gunstige eigenschappen: array-versterking die voortkomt uit het combineren van de signalen van de vele antennes, verbeterde mogelijkheden om gebruikers te onderscheiden door gunstige propagatie -- waarbij de gebruikerskanalen paarsgewijs orthogonaal worden -- en het effect waarbij het kanaal 'verhardt', waarbij de variaties in kanaalwinst afnemen naarmate het aantal antennes toeneemt. Eerdere theoretische werken gingen uit van onafhankelijke en identiek verdeelde complexe Gaussische kanalen. In de eerste onderzoeken naar massive MIMO-kanalen werd echter aangetoond dat typische buiten- en binnenomgevingen niet zo rijk zijn aan verstrooiing, maar dat de kanalen eerder ruimtelijk gecorreleerd zijn. Om de bovenstaande gebruiksscenario's mogelijk te maken, is onderzoek nodig naar de performantie van massive MIMO in de beoogde omgevingen. Dit doctoraat focust zich op de voordelen van het inzetten van massive MIMO-systemen om betrouwbare communicatie op te zetten voor toepassingen binnen de bovenstaande gebruiksscenario's. De eerste focus is de studie van een industriële omgeving die gericht is op het karakteriseren en modelleren van massive MIMO-kanalen om de mogelijkheid te beoordelen om aan de vereisten van URLLC in een fabriekscontext te kunnen voldoen. Zo wordt een volledig gedistribueerde array ingezet met als doel de ruimtelijke diversiteit beter te benutten. Het tweede gebied van het onderzoek betreft massive MIMO voor sub-GHz frequenties, een voorheen onontgonnen gebied, waarin de kanaalkenmerken bij het inzetten van een fysiek grote array voor IoT-netwerken worden bestudeerd. Er kan geconcludeerd worden dat massive MIMO inderdaad grote voordelen kan bieden bij het streven naar betrouwbare communicatie. Hoewel kanalen in reguliere binnenomgevingen geen onafhankelijke en identiek verdeelde complexe Gaussische kanalen zijn, kan het model worden gerechtvaardigd in rijke verstrooiende industriële omgevingen. Door massive MIMO worden de kleinschalige fading-effecten sterk gemilderd, en bij het inzetten van een gedistribueerde array ondervindt men ook minder grootschalige fading-effecten. In het Internet-of-Things (IoT)-scenario is er minder rijke verstrooing in het kanaal. Dankzij de fysiek grote array, kan men in dit geval nog altijd profiteren van de array-versterking en diversiteit om het bereik uit te breiden, de energie-efficiëntie te verbeteren, en de betrouwbaarheid te verhogen.