Universidade Federal do Ceará
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Teleinformática

Defesa de Dissertação de Mestrado – Felipe Lima Mota

Título: User-Centric Cell-Free Massive MIMO with Max-Min Power Control – A Comparative Study Against Cellular Massive MIMO and Small Cells

Data: 11/09/2026
Horário: 09:30
Local: https://meet.google.com/aep-mysu-mkx

Banca Examinadora:
Walter da Cruz Freitas Junior (UFC, Orientador)
Yuri Carvalho Barbosa Silva (UFC)
Vicente Angelo de Sousa Junior (UFRN)

Resumo:
A arquitetura Cell-Free Massive MIMO (CF-mMIMO) distribui muitos pontos de acesso na área de cobertura e coordena sua transmissão por uma unidade central de processamento, reduzindo a degradação de borda que limita implantações celulares convencionais. Esta dissertação avalia o desempenho e a justiça no enlace de descida de CF-mMIMO user-centric com controle de potência max-min, comparando essa arquitetura com Cellular Massive MIMO e Small Cells sob o mesmo número total de antenas, orçamento nominal total de potência de transmissão, largura de banda, número de usuários e modelo de canal. O cenário tem área de 400m×400m, K = 8 usuários, 64 antenas totais, desvanecimento Rayleigh com sombreamento log-normal, precodificação MMSE e prelog TDD. A operação user-centric seleciona, para cada usuário, os N ∈ {5,10,20,40,64} APs de maior ganho de larga escala. A justiça é medida pela taxa do pior usuário por realização, e o limite use-and-then-forget (UatF) avalia o endurecimento de canal em relação ao teto com CSI perfeito. As taxas a seguir são valores de CSI perfeito, ou seja, o teto. Os resultados mostram que a configuração CF-mMIMO de cluster completo e possível atinge taxa média por usuário de 144,7Mbps, superando o Cellular Massive MIMO em 24% e as Small Cells em 36%. O ganho é maior na taxa esperada do pior usuário: 102,4Mbps para CF-mMIMO contra 55,8Mbps para Cellular Massive MIMO e 35,7Mbps para Small Cells. Um cluster user-centric com apenas N = 10 APs, correspondente a 16% do cluster completo, já supera o Cellular Massive MIMO em taxa média e em taxa do pior usuário sob potência igual. Sob o teto com CSI perfeito e alocação instantânea, o controle max-min aumenta ainda mais a taxa esperada do pior usuário em N = 10, com ganho de 28%, ao custo de uma redução de 19% na taxa média. Uma referência de alocação fracionária mostra que esse ganho não é recuperável por heurística de forma fechada: o melhor expoente melhora a taxa do pior usuário em apenas 3,7% sobre a potência igual, deixando o programa cônico 23,5% à frente, a cerca de quatro ordens de magnitude mais de computação nesta implementação cônica. Como violação de piso em vez de taxa, nenhuma configuração CF-mMIMO deixa usuário abaixo de 1,0bit/s/Hz em 300 realizações, contra 0,7% do Cellular Massive MIMO e 30,7% das Small Cells. A análise UatF, contudo, mostra uma diferença de retenção de taxa compatível com endurecimento de canal mais forte no arranjo co-localizado: o Cellular Massive MIMO captura 86% do seu teto com CSI perfeito, enquanto o CF-mMIMO com uma antena por AP captura 40%. Sob a métrica primária o ranking inverte: o Cellular obtém a maior taxa UatF média (102,8 contra 59,1Mbps), enquanto o CF-mMIMO mantém vantagem na cauda inferior do pior usuário (38,2 contra 29,6Mbps, intervalos disjuntos). Esses resultados indicam que CF-mMIMO user-centric é efetivo para melhorar desempenho de borda e justiça, enquanto APs multiantena, CSI imperfeito, reuso de pilotos e processamento distribuído escalável permanecem extensões importantes para implantação prática.

Palavras-chave: Cell-Free Massive MIMO; User-Centric clustering; Max-Min power control; Worst-User rate; Outage probability; Use-and-then-forget bound.