Yhteistoiminnallinen keilanmuodostus langattomissa solukko- ja kognitiiviradioverkoissa

Väitöskirjassa tutkitaan tukiasemien yhteistoiminnallisia lähetyskeilanmuodostusmenetelmiä matkapuhelinverkoissa. Tukiasemasta lähetetyt informaatiosignaalit voidaan suunnata palveltaville käyttäjille muodostamalla erillisiä lähetyskeiloja vaiheistamalla ja painottamalla signaalia digitaalisesti monen antennin yli. Käyttäjien erottelu tilatasossa moniantennitekniikan mahdollistaman keilanmuodostuksen avulla voi moninkertaistaa tukiasemasolun tiedonsiirtokapasiteetin, koska useampia käyttäjiä voidaan palvella yhtäaikaisesti samalla taajuuskaistalla. Nykyisissä neljännen sukupolven (4G) matkapuhelinverkoissa suorituskykyä merkittävästi rajoittava tekijä on monisoluhäiriö, joka aiheutuu viereisten tukiasemasolujen samanaikaisista ja samaa taajuutta käyttävistä lähetyksistä. Monisoluhäiriö rajoittaa erityisesti tukiasemasolujen reunoilla olevien käyttäjien tiedonsiirtonopeuksia. Kyseistä häiriötä voidaan minimoida käyttämällä yhteistoiminnallista keilanmuodostusta, missä vierekkäiset tukiasemat tekevät yhteistyötä keskenään optimoidessaan lähetyskeilojaan. Yhteistoiminnallinen keilanmuodostus onkin tärkeässä roolissa tulevaisuuden 5G matkapuhelinverkkojen suunnittelussa.

Yhteistoiminnallinen lähetyskeilanmuodostus vaatii radiokanavan vaikutuksen suhteellisen tarkkaa tuntemista tukiasemassa jo ennen varsinaista lähetystä. Keilanmuodostus voidaan toteuttaa joko keskitetysti tai hajautetusti. Keskitetyssä toteutuksessa eri tukiasemien keräämä tieto radiokanavasta kootaan yhteen paikkaan, esimerkiksi päätukiasemaan, jossa keilanmuodostukseen tarvittavat painokertoimet optimoidaan ja signaloidaan vastaaville tukiasemille. Keskitetty toteutus vaatii paljon informaationvaihtoa verkon sisällä. Hajautetut menetelmät pyrkivät käytännönläheisempään toteutukseen pienentämällä informaationvaihdon määrää ja yksinkertaistamalla yhteistoiminnallista keilanmuodostusprosessia. Väitöskirjassa kehitetyt hajautetut menetelmät mahdollistavat tukiasemien välisen informaationvaihdon määrän pienentämisen ja viiveen kontrolloimisen. Kyseiset menetelmät soveltuvat käytännön toteutuksiin paremmin kuin aiemmin kehitetyt hajautetut algoritmit.

Yhteistoiminnallista keilanmuodostusta tutkitaan myös tulevaisuuden kognitiiviradioverkoissa, joissa radiotaajuuksien käyttöä tehostetaan entisestään sallimalla sekundaarijärjestelmän toimiminen primaarijärjestelmän omistamalla taajuuskaistalla edellyttäen, että aiheutettu häiriö pysyy tietyn tason alapuolella. Väitöskirjassa kehitetään yhteistoiminnallisia keilanmuodostusmenetelmiä minimoimaan häiriötä ja samanaikaisesti optimoimaan sekundaarijärjestelmän suorituskykyä.