Contamination aware channel estimation & distributed precoding for cell free massive mimo system with mobility support

Shajari Kohan, Mohadese (2026). Contamination aware channel estimation & distributed precoding for cell free massive mimo system with mobility support. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cell-Free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) systems have emerged as a promising architecture for next-generation wireless networks because they provide uniform coverage, high spectral efficiency, and improved user fairness by eliminating conventional cell boundaries. By enabling cooperation among a large number of geographically distributed access points (APs), CF-mMIMO systems exploit macro-diversity and spatial multiplexing gains. However, their practical deployment is constrained by several critical challenges, including pilot contamination during channel estimation, high computational complexity, fronthaul signalling limitations, and the need to support user mobility.
This thesis proposes an integrated framework for contamination-aware channel estimation and distributed precoding in CF-mMIMO systems with mobility support. A multi-stage contamination mitigation strategy is developed that combines spatial pilot assignment, successive interference cancellation, and contamination-aware linear minimum mean-square error (LMMSE) weighting. This approach explicitly accounts for the pilot-contamination structure and significantly improves channel-estimation accuracy compared with conventional LMMSE estimation.
To enable scalable and practical downlink transmission, a distributed minimum mean square error (MMSE) precoding scheme with signal-to-noise ratio (SNR)-adaptive regularization is proposed. The precoding is performed locally at each AP using partial channel state information, reducing fronthaul requirements while achieving performance comparable to centralized MMSE precoding. In addition, power allocation strategies are investigated to balance sum spectral efficiency, energy efficiency, and user fairness under per-AP power constraints.
User mobility is addressed through a temporal channel-correlation model and a dynamic access point selection and handover mechanism. The proposed mobility framework maintains service continuity while limiting handover frequency and load imbalance across APs. System performance is evaluated through extensive Monte Carlo simulations under realistic propagation conditions, including dual-band operation at sub-6 GHz and millimeter-wave frequencies.
Simulation results show that the proposed framework achieves substantial pilot-contamination reduction, near-centralized precoding performance, and stable operation under user mobility. These findings indicate that contamination-aware estimation combined with distributed MMSE precoding offers an effective and practical approach for deploying CF-mMIMO systems in future wireless networks.

Titre traduit

Estimation de canal sensible à la contamination et précodage distribué pour les systèmes MIMO massifs sans cellule avec support de la mobilité

Résumé traduit

Les systèmes MIMO massifs sans cellule (Cell-Free massive MIMO) constituent une architecture prometteuse pour les réseaux sans fil de cinquième génération et au-delà, en raison de leur capacité à offrir une couverture uniforme, une efficacité spectrale élevée et une meilleure équité entre les utilisateurs. En supprimant les frontières cellulaires traditionnelles et en faisant coopérer un grand nombre de points d’accès distribués, ces systèmes permettent d’exploiter pleinement la diversité spatiale. Toutefois, leur déploiement pratique est fortement limité par plusieurs défis majeurs, notamment la contamination des pilotes lors de l’estimation du canal, la complexité du précodage, les contraintes de fronthaul et la prise en charge de la mobilité des utilisateurs.
Ce mémoire propose un cadre intégré pour l’estimation du canal et le précodage distribué dans les systèmes MIMO Cell-Free massifs, en mettant l’accent sur la mitigation de la contamination par les pilotes et le soutien à la mobilité. Une méthode d’estimation du canal sensible à la contamination est développée, combinant une affectation spatiale des pilotes, un mécanisme d’annulation successive des interférences et une pondération adaptative tenant compte de la contamination résiduelle. Cette approche permet de réduire significativement l’impact des utilisateurs partageant les mêmes séquences de pilotes, améliorant ainsi la précision de l’estimation du canal par rapport à l’estimation LMMSE conventionnelle.
Par ailleurs, un schéma de précodage MMSE distribué avec régularisation adaptative est proposé afin d’atteindre des performances proches de celles du précodage MMSE centralisé, tout en limitant les exigences en termes de signalisation et de complexité de calcul. Le précodage est réalisé localement au niveau des points d’accès, en exploitant des informations de canal partielles, ce qui rend la solution compatible avec des architectures distribuées et évolutives. Une stratégie d’allocation de puissance équitable est également intégrée afin d’améliorer l’efficacité énergétique et l’équité entre les utilisateurs.
La mobilité des utilisateurs est prise en compte à travers un modèle temporel de corrélation du canal et un mécanisme de sélection dynamique des points d’accès, basé sur la puissance du signal reçu et les contraintes d’équilibrage de charge. Le système est évalué par des simulations de Monte Carlo approfondies, incluant des scénarios bi-bandes (3,5 GHz et 28 GHz), des modèles de propagation réalistes et des utilisateurs mobiles à vitesse piétonne.
Les résultats montrent que le cadre proposé permet une réduction significative de la contamination des pilotes, une amélioration notable de l’efficacité spectrale et énergétique, ainsi qu’un maintien de performances stables en présence de mobilité. Ces contributions démontrent que les techniques développées dans cette thèse constituent une solution viable et performante pour le déploiement pratique de systèmes Cell-Free de MIMO à grande échelle dans les futurs réseaux sans fil.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 116-123).
Mots-clés libres:	cell-free massive MIMO, estimation du canal, contamination des pilotes, précodage MMSE distribué, mobilité des utilisateurs, efficacité spectrale, efficacité énergétique, simulations de Monte Carlo
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Kadoch, Michel
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	04 mai 2026 19:26
Dernière modification:	04 mai 2026 19:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3893

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