An Energy Efficient Design for Next-Generation Cellular System with Massive MIMO and Small Cell Network

Abstract

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems and small cell network (SCN) systems have recently been proposed as an important evolution path for next-generation cellular networks. The information and communications technologies (ICT) industry appreciated from the operator’s efficiency cost and optimal power cost networks. Generally, for the energy consumption, when there is no service request or only a certain number of requirement, the small cell network system can keep only the needed base stations on active mode, so the small cell network system may consume less power than Massive MIMO system. In this thesis, we propose an architecture of the next-generation cellular system having both Massive MIMO architecture and small cell network systems, which is optimized based on a capital expenditure (CAPEX) and operator expenditure (OPEX) combined cost model. According to the distribution of the cellular users, the system will select the optimal system architecture to meet the communication requirements, by a comprehensively considering both the operator’s cost and power consumption. It has been verified by the computer simulation that the next-generation cellular system with Massive MIMO system and small cell network system which works through the proposed algorithm improves the energy efficiency. The periodical payment of both Massive MIMO system and small cell network system, although the unit payment of small cell network system is cheaper than Massive MIMO system, but due to the large number of cell-sites, the total payment will be too expensive. So, by combining the advantages and disadvantages of Massive MIMO system and small cell network system, a more optimal system id found according to the number of users and the distribution of them.;차세대 이동통신 시스템에서는 에너지 능률을 개선하기 위하여 다중-입력 다중-출력 (MIMO) 시스템과 셀룰러 네트워킹 (SCN) 시스템을 겸하여 이용 할 것으로 예상됨에 따라, 각 시스템의 통신 요구를 만족하기 위해서 최대 능률을 고려하여 최적화된 시스템을 선택하게 될 것으로 기대되고 있다. 이러한 이종의 셀룰러 시스템 환경에서는 사용자의 수가 다르기 때문에 활성화된 기지국에 데이터를 전송하게 될 때 inter-interference가발생하게 된다. 본 논문에서는 이종의 차세대 이동통신 시스템 환경의 에너지 능률을 개선시키기 위해 두 가지 셀룰러 시스템을 제안하였다. 먼저 수학기반의 전송전력 소비적 각 capital expenditure 과 operator expenditure 로 비교하였다. 각 시스템이 셀 반경 안에 통신 요구량에 따라, QoS를 만족하기 위해 전송전력뿐만 아니라 기지국 구조를 만들기 위한 전력을 종합적으로 고려하여 사용자의 수가 많아지게 되면 SCN 시스템보다 MIMO 시스템이 더 낫다는 것이 증명이 되었다. 비교결과 사용자의 수가 많아지게 되면 SCN 시스템보다 MIMO 시스템이 더 낫다는 것을 증명하였고, 이에 따라 QoS를 최대한 보장해주기 위해 셀 반경 안의 통신 요구량에 따라 전송전력과 기지국 구조를 만들기 위한 전력을 종합적으로 고려하여 선택하도록 하는 시스템을 제안하였다. 그리고 MIMO 시스템에서는 기지국에서 각각 안테나 분배 량과 사용자 량의 상황에 따라 전송되도록 신호를 채널 감지 이론을 바탕으로 정의하였다. SCN 시스템 경우에서는 Shannon 이론을 바탕으로 최적화 채널 capacity을 정의하고 전송전력을 위해 에너지 능률을 확인 하였다. 마지막으로 예상 차세대 이동통신 시스템 구조를 고려하여 통신 요구가 적은 경우에 기지국에 최적화하여 활성화 되도록 되어 있고, 통신 요구가 굉장히 많아지면 시스템이 자동적으로 최적화된 시스템을 선택하도록 설계하였다.