Toward Green and Resilient Cell-Free Massive MIMO Networks: Radio Deployment Optimization and Resource Orchestration
2026 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Sustainable development
SDG 9: Industry, innovation and infrastructure, SDG 11: Sustainable cities and communities
Abstract [en]
Mobile networks are evolving into critical societal infrastructure, while the energy footprint, deployment cost, and resilience of the radio access network (RAN) are emerging as the most pressing design constraints of the path toward future generations of mobile networks. Modular network design combined with intelligent resource orchestration holds the solution for these emerging challenges. Cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO) relies on coherent joint transmission by densely distributed low-cost radio units (RUs) and offers fairness among user equipment (UEs). Its distributed nature provides the required modularity for the radio access part, but efficient deployment and network orchestration frameworks are necessary to harness this modularity. To address this gap, this thesis develops deployment and resource-orchestration frameworks for cell-free massive MIMO networks. The work is structured along three research directions.
The first direction addresses efficient radio deployment for cell-free massive MIMO networks. Ray-tracing-based propagation modeling at 28, 39, and 60 GHz characterizes the millimeter-wave channel under different geometries, frame materials, and passenger configurations. Building on this channel model, a joint RU placement and resource allocation framework is formulated as a mixed-integer optimization problem that minimizes the number of deployed RUs while guaranteeing UE rate requirements under access point cooperation and precoding schemes. Numerical results on an airplane-cabin scenario show an 80% reduction in the number of RUs compared to a line-of-sight-based baseline.
The second direction develops an end-to-end power-consumption model and joint orchestration of radio, fronthaul, and cloud-processing resources for cell-free massive MIMO deployed over an open-RAN architecture with both optical and wireless fronthaul. Scenario-sampling-based group-Lasso optimization for centralized precoding and a block-coordinate-descent method for distributed precoding jointly minimize the active number of antennas, radio units, processors, and fronthaul resources. The proposed orchestration achieves up to 70% end-to-end power savings over cloud-only, and 15% over radio-only orchestration. The results reveal that distributing antennas across the coverage area is structurally more energy-efficient than concentrating them at a few sites.
The third direction addresses survivability in cell-free massive MIMO and discusses resilient network design challenges. The analysis demonstrates that dense small-radio deployment is shown to be critical for simple connectivity during disasters, whereas cell-free massive MIMO also enables high capacity in the impacted region.
Abstract [sv]
Mobilnät utvecklas till kritisk samhällsinfrastruktur, samtidigt som energiavtrycket, utbyggnadskostnaden och resiliensen hos radioaccessnätet (RAN) framträder som de mest angelägna designbegränsningarna på vägen mot framtida generationer av mobilnät. Modulär nätverksdesign i kombination med intelligent resursorkestrering utgör lösningen på dessa framväxande utmaningar.
Cellfri massiv MIMO (multiple-input multiple-output) bygger på koherent gemensam sändning från tätt distribuerade lågkostnadsradioenheter (RU:er) och erbjuder rättvisa mellan användarutrustningar (UE:er). Dess distribuerade natur ger den modularitet som krävs för radioaccessdelen, men effektiva ramverk för utbyggnad och nätverksorkestrering är nödvändiga för att dra nytta av denna modularitet. För att adressera denna lucka utvecklar denna avhandling ramverk för utbyggnad och resursorkestrering för cellfria massiva MIMO-nät. Arbetet är strukturerat längs tre forskningsinriktningar.
Den första inriktningen behandlar effektiv radioutbyggnad för cellfria massiva MIMO-nät. Strålföljningsbaserad (ray tracing) propagationsmodellering vid 28, 39 och 60 GHz millimetervågskanalen under olika geometrier, rammaterial och passagerarkonfigurationer. Med utgångspunkt i denna kanalmodell formuleras ett gemensamt ramverk för RU-placering och resursallokering som ett blandat heltalsoptimeringsproblem, vilket minimerar antalet utplacerade RU:er samtidigt som UE:ernas datahastighetskrav garanteras under samverkans- och förkodningsscheman för access-punkter. Numeriska resultat för ett flygplanskabinsscenario visar en minskning på 80% av antalet RU:er jämfört med en referenslösning baserad på fri sikt.
Den andra inriktningen utvecklar en end-to-end-modell för effektförbrukning samt gemensam orkestrering av radio-, fronthaul- och molnbearbetningsresurser för cell-fri massiv MIMO utbyggd över en Open RAN-arkitektur med både optisk och trådlös fronthaul. Scenariosamplingsbaserad grupp-Lasso-optimering för centraliserad förkodning och en blockkoordinatnedstigningsmetod för distribuerad förkodning minimerar gemensamt det aktiva antalet antenner, radioenheter, processorer och fronthaul-resurser. Den föreslagna orkestreringen uppnår upp till 70% end-to-end-effektbesparingar jämfört med enbart molnorkestrering, och 15% jämfört med enbart radioorkestrering. Resultaten visar att en fördelning av antenner över täckningsområdet är strukturellt mer energieffektiv än att koncentrera dem till ett fåtal platser.
Den tredje inriktningen behandlar överlevnadsförmåga i cellfri massiv MIMO och diskuterar utmaningar vid design av resilienta nät. Analysen visar att tät utbyggnad av små radioenheter är nödvändig för enkel uppkoppling under katastrofer, medan cellfri massiv MIMO dessutom möjliggör hög kapacitet i det drabbade området.
Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2026. , p. 89
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2026:66
Keywords [en]
cell-free massive MIMO, energy efficiency, network resiliency, O-RAN, functional splits, wireless fronthaul, indoor dense spaces, access-point deployment, resource orchestration, ray tracing
Keywords [sv]
Cellfri massiv MIMO, energieffektivitet, nätverksrobusthet, O-RAN, funktionella uppdelningar, trådlös fronthaul, täta inomhusmiljöer, accesspunktsplacering, resursorkestration, strålspårning
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Information and Communication Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-387106ISBN: 978-91-8106-658-6 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-387106DiVA, id: diva2:2091786
Public defence
2026-09-03, https://kth-se.zoom.us/s/66064285928, Kollegiesalen , Brinellvägen 8, Stockholm, 13:30 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Vinnova
Note
QC 20260813
2026-08-132026-08-122026-08-19Bibliographically approved
List of papers