[論文レビュー] Cell-Free Massive MIMO with Channel Aging and Pilot Contamination

Jiakang Zheng, Jiayi Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、チャネル老化およびパイロット干渉を伴うセルフリース・マスィブMIMOシステムを調査し、チャネル推定器を提案するとともに、大規模フェージング・デコード（LSFD）受信機およびマッチドフィルタ（MF）受信機における上行リンクスペクトル効率（SE）の閉形式式を導出する。結果から、静的および高移動度環境の両方において、セルフリース・マスィブMIMOは小セルシステムを上回る性能を示し、チャネル老化に対して優れたロバストネスと、特に分圧力制御（FPC）下で顕著なSE向上を達成することが明らかになった。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the impact of channel aging on the performance of cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems with pilot contamination. To take into account the channel aging effect due to user mobility, we first compute a channel estimate. We use it to derive novel closed-form expressions for the uplink spectral efficiency (SE) of CF massive MIMO systems with large-scale fading decoding and matched-filter receiver cooperation. The performance of a small-cell system is derived for comparison. It is found that CF massive MIMO systems achieve higher 95\%-likely uplink SE in both low- and high-mobility conditions, and CF massive MIMO is more robust to channel aging. Fractional power control (FPC) is considered to compensate to limit the inter-user interference. The results show that, compared with full power transmission, the benefits of FPC are gradually weakened as the channel aging grows stronger.

研究の動機と目的

• チャネル老化がパイロット干渉を伴うセルフリース・マスィブMIMOシステムに与える影響を分析すること。
• 現実的な移動状態下で、セルフリース・マスィブMIMOの上行リンクスペクトル効率（SE）を、従来の小セルシステムと比較すること。
• チャネル老化下でのユーザー間干渉低減に有効である分圧力制御（FPC）の有効性を評価すること。
• 時間相関フェージング下での大規模フェージング・デコード（LSFD）およびマッチドフィルタ（MF）受信における上行リンクSEの新しい閉形式式を導出すること。
• ユーザー移動に起因する時間的チャネル変動に対するセルフリース・マスィブMIMOのロバストネスを定量化すること。

提案手法

• チャネル老化を捉えるために、初期状態とイノベーション成分を有する時刻相関レイノールドフェージング過程としてチャネルをモデル化する。
• 時間間隔におけるチャネル状態間の相関を活用することで推定精度を向上させるチャネル推定器を提案する。
• 時間変動チャネル下での大規模フェージング・デコード（LSFD）およびマッチドフィルタ（MF）受信機を用いた上行リンクSEの閉形式式を導出する。
• 同じAPが複数ユーザーをサービスする状況を想定し、異なるユーザーのチャネル推定値間の相関をモデル化することでパイロット干渉の影響を組み込む。
• ユーザー間干渉低減のため分圧力制御（FPC）を適用し、異なるチャネル老化条件下での性能向上を評価する。
• 確率的幾何学的手法と統計的チャネル状態情報（CSI）を用いて、時間変動するチャネル統計を考慮した実現可能レートの期待値を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネル老化は、パイロット干渉を伴うセルフリース・マスィブMIMOシステムの上行リンクスペクトル効率にどのように影響するか？
• RQ2 低移動度および高移動度の両状況下で、セルフリース・マスィブMIMOの性能は、従来の小セルシステムと比べてどのように異なるか？
• RQ3 チャネル老化が存在する状況下で、分圧力制御（FPC）がシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 チャネル老化に対するロバストネスについて、セルフリース・マスィブMIMOは小セルシステムと比較してどの程度優れているか？
• RQ5 時間相関フェージング下で、LSFDおよびMF受信機を用いたセルフリース・マスィブMIMOの上行リンクSEの閉形式式は何か？

主な発見

• セルフリース・マスィブMIMOは、低移動度および高移動度の両環境において、小セルシステムよりも高い95％確率上行リンクスペクトル効率を達成する。
• セルフリース・マスィブMIMOは小セルシステムよりもチャネル老化に対してよりロバストであり、移動度が上昇するに従い、劣化しにくい性能を維持する。
• 分圧力制御（FPC）はユーザー間干渉を低減するが、チャネル老化が強くなるに従い、その性能向上効果は薄れる。
• 導出された上行リンクSEの閉形式式は正確であり、時間相関チャネル変動、パイロット干渉、受信機タイプ（LSFDおよびMF）をすべて反映している。
• チャネル老化が存在する状況下で、LSFD受信機はMF受信機に比べて95％確率上行リンクスペクトル効率を2倍に向上させる。
• チャネル老化が進行するに従い、FPCとフルパワー送信の性能差が縮小するため、高移動度下ではパワー制御の利点が薄れる傾向にある。