[論文レビュー] A Novel Heap-based Pilot Assignment for Full Duplex Cell-Free Massive MIMO with Zero-Forcing

Hieu V. Nguyen, Van‐Dinh Nguyen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 20被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、ゼロフォーリング・プレコーディングを用いたフルデュプレックス（FD）セルフリー massive MIMO システムにおける、ヒープに基づくパイロット割り当てアルゴリズムを提案する。この手法により、パイロット混信と計算複雑度が低減され、チャネル不確実性下でのパワー制御とAP-UE接続の共同最適化により、スペクトル効率とチャネル推定品質が向上し、ハイ・UE環境下では従来のHDおよびFD方式を最大9ビット/秒/Hz上回る性能を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the combined benefits of full-duplex (FD) and cell-free massive multiple-input multipleoutput (CF-mMIMO), where a large number of distributed access points (APs) having FD capability simultaneously serve numerous uplink and downlink user equipments (UEs) on the same time-frequency resources. To enable the incorporation of FD technology in CF-mMIMO systems, we propose a novel heapbased pilot assignment algorithm, which not only can mitigate the effects of pilot contamination but also reduce the involved computational complexity. Then, we formulate a robust design problem for spectral efficiency (SE) maximization in which the power control and AP-UE association are jointly optimized, resulting in a difficult mixed-integer nonconvex programming. To solve this problem, we derive a more tractable problem before developing a very simple iterative algorithm based on inner approximation method with polynomial computational complexity. Numerical results show that our proposed methods with realistic parameters significantly outperform the existing approaches in terms of the quality of channel estimate and SE.

研究の動機と目的

• フルデュプレックスセルフリー massive MIMO（FD CF-mMIMO）システムにおけるパイロット混信と高い訓練複雑度を解消すること。
• チャネル状態情報（CSI）の不確実性下で、パワー制御とAP-UE接続を共同最適化する低複雑度のロバストな伝送設計を開発すること。
• フルデュプレックス機能と構造的パイロット割り当てを活用することで、FD CF-mMIMOにおけるスペクトル効率（SE）とチャネル推定精度を向上させること。
• APがフルデュプレックスとハーフデュプレックスモードを切り替えることで、システム性能を最大化する動的AP-UE接続を可能とすること。

提案手法

• チャネル品質と干渉レベルに基づき、インテリジェントにパイロットシーケンスを割り当てるヒープベースのパイロット割り当てアルゴリズムを設計し、パイロット混信を最小化する。
• システムモデルは、FD対応の多アンテナAPが同じリソース上で上行リンクと下行リンクのUEを同時に処理する時分割デュプレックス（TDD）運用を採用する。
• バイナリ変数を用いたAP-UE接続と連続変数を用いたパワー制御を組み込んだ、混合整数非凸最適化問題としてスペクトル効率最大化問題を定式化する。
• 最適解の構造的性質を活用することで、問題をより取り扱いやすい形に変換し、内挿近似（IA）法による効率的解法を可能にする。
• IAに基づく反復的アルゴリズムにより、多項式時間の計算複雑度を達成し、APおよびUEの数が多数でもスケーラブルである。
• ユーザ間干渉を抑えるためにゼロフォーリング（ZF）プレコーディングと結合が用いられ、CSI誤差を考慮したロバスト設計が実装されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られたパイロットリソースを持つFD CF-mMIMOシステムにおいて、どのようにしてパイロット混信を効果的に低減できるか？
• RQ2 パイロット割り当て構造は、FD CF-mMIMOにおけるチャネル推定品質とスペクトル効率にどのような影響を及えるか？
• RQ3 CSI不確実性下で、パワー制御とAP-UE接続を共同最適化する低複雑度のロバスト設計は可能か？
• RQ4 提案されたヒープベースのパイロット割り当ては、ランダムまたはHDベースの割り当てと比較して、スペクトル効率（SE）と推定精度の面でどの程度優れているか？
• RQ5 実際のFD CF-mMIMO展開において、提案されたロバストZFベースの設計は、非ロバストおよび既存の手法に比べてどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 提案されたヒープベースのパイロット割り当ては、K=L>τの場合、τ=2では約5 dB、τ=8では約7 dB、HD対比で正規化MSEを低減する。
• K=L=20のとき、Heap-FD方式はRand-FD方式に比べ最大9ビット/秒/Hz高いスペクトル効率を達成し、顕著な性能向上を示す。
• パワー制御とAP-UE接続の共同最適化を実施したロバスト設計は、CSI誤差下でもSE性能を向上させ、非ロバストおよび既存手法を上回る。
• サービスマップの可視化により、チャネル品質に基づく動的で有利なAP-UE接続が確認され、APと近距離または高チャネル利得を持つUEとの強い接続が形成されている。
• 内挿近似に基づく反復的アルゴリズムにより、多項式時間の計算複雑度を達成し、APおよびUEの数が多い場合でも解法がスケーラブルである。
• 提案手法により、APがFDモードとHDモードを切り替えることが可能となり、現実のチャネル状態下でもシステムの柔軟性と性能が向上する。