[論文レビュー] A Rate Splitting Strategy for Mitigating Intra-Cell Pilot Contamination in Massive MIMO

Christo Kurisummoottil Thomas, Bruno Clerckx+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、全ユーザーが同じパイロットシーケンスを共有する Massive MIMO システムにおけるセル内パイロット混信を軽減するため、1層のレートスプリット（RS）戦略を提案する。メッセージを共通ストリームとプライベートストリームに分割し、プライベートストリームには最大比波束成形を、共通ストリームには重み付きチャネル推定に基づく波束成形器を適用することで、特に高SNRにおいて従来の最大比波束成形よりも高いスペクトル効率を達成する。数値結果では、効果的な干渉管理により、飽和しないスペクトル効率の向上が示されている。

ABSTRACT

The spectral efficiency (SE) of Massive MIMO (MaMIMO) systems is affected by low quality channel estimates. Rate-Splitting (RS) has recently gained some interest in multiuser multiple antenna systems as an effective means to mitigate the multi-user interference due to imperfect channel state information. This paper investigates the benefits of RS in the downlink of a single-cell MaMIMO system when all the users use the same pilot sequence for channel estimation. Novel expressions for the SE achieved in the downlink by a single-layer RS strategy (that relies on a single successive interference cancellation at each user side) are derived and used to design precoding schemes and power allocation strategies for common and private messages. Numerical results are used to show that the proposed RS solution achieves higher spectral efficiency that conventional MaMIMO with maximum ratio precoding.

研究の動機と目的

• 全ユーザーが同じパイロットシーケンスを使用する単セル Massive MIMO システムにおいて、パイロット混信によって引き起こされるスペクトル効率（SE）の低下を解消すること。
• パイロット混信による不完全なチャネル状態情報（CSI）に起因する干渉を管理することで、SEを向上させるレートスプリット（RS）戦略の設計。
• RS下でのスペクトル効率の閉形式表現を導出するとともに、全送信電力制約下で共通ストリームとプライベートストリームの電力分配を最適化するための電力割り当てアルゴリズムの開発。
• シミュレーションを通じて、RSが従来の最大比波束成形を上回ることを示し、特に高SNRにおいて飽和しないスペクトル効率の向上が得られることを確認。

提案手法

• 1層RS方式における共通メッセージおよびプライベートメッセージの両方のダウンリンクスペクトル効率（SE）について、ハードニングバインドを用いて新しい閉形式表現を導出する。
• プライベートストリームには最大比（MR）波束成形を適用し、共通ストリームの波束成形器には全ユーザーのチャネル推定値の重み付き組み合わせを用いる。
• 全送信電力制約下で共通ストリームとプライベートストリームの電力の両方を同時に最適化する、新規の電力割り当てアルゴリズムを構築する。
• 各ユーザーでの逐次干渉キャンセレーション（SIC）プロセスを採用：まず共通ストリームをプライベートストリームをノイズとして扱って復調し、その後その成分を除去してからプライベートストリームを復調する。
• SE式の非凹性に対処するため、凹近似技術を用い、ラグランジュ最適化を用いた反復的電力割り当てを可能にする。
• 行列トレースおよび共分散性質を用いて、チャネル推定値および波束成形器を含む主な統計的期待値の解析的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全ユーザーが同じパイロットシーケンスを共有する状況下で、1層のレートスプリット戦略はセル内パイロット混信を効果的に軽減できるか？
• RQ2 パイロット混信の影響下でも、提案されたRS方式のスペクトル効率は従来の最大比波束成形と比べてどのように異なるか？
• RQ3 全電力制約下で合計スペクトル効率を最大化するための共通ストリームとプライベートストリーム間の最適電力割り当て戦略は何か？
• RQ4 RS方式は高SNRにおいて飽和しないスペクトル効率を達成するか？ もしそうであるならば、その理由は何か？
• RQ5 有限Mの Massive MIMO 環境下で、ユーザー数およびアンテナ数の増加に伴うRSの性能スケーリング特性はいかなるものか？

主な発見

• 提案されたRS方式は、特に送信電力が高い状況において、従来の最大比波束成形よりも顕著に高いスペクトル効率を達成する。
• 高SNRにおいて、RSによる合計スペクトル効率は、従来のMaMIMOとは異なり飽和せず、共通ストリームによる効果的な干渉抑制に起因する。
• M = 100、K = 10 の条件下で、20 dBmの送信電力において、RS方式は従来のMaMIMOに比べて合計SEで最大30%の向上を示す。
• ユーザー数が増加するにつれて性能向上が減少するが、これは共通メッセージが全ユーザーで復調可能でなければならないため、共通レートに制限が生じるためである。
• RS方式では、従来のMaMIMO（Kδ）と比較して、より高い合計自由度（DoF）1 + (K−1)δ を維持しており、より優れた干渉管理が可能であることを示している。
• 提案された電力割り当てアルゴリズムは正常に収束し、共通ストリームとプライベートストリームの電力を共同最適化することで、ほぼ最適なスペクトル効率を達成している。