[論文レビュー] Coordinated Nonorthogonal Pilot Design for Massive MIMO.

Kaiming Shen, Hei Victor Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、分数プログラミングを用いて、チャネル推定における重み付き平均二乗誤差（MSE）を最小化するため、マス・MIMOシステムにおける協調的非直交パイロット設計を提案する。パイロット干渉の影響を分離するために二次変換を適用することで、任意のパイロットが許可される場合に閉形式のパイロット最適化が可能となり、直交シーケンスに制限される場合には重み付き二部マッチングに帰着され、最先端の手法と比較して推定精度とデータレートの公平性が著しく向上する。

ABSTRACT

Pilot contamination is a limiting factor in multicell massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems because it can severely impair channel estimation. Prior works have suggested coordinating pilot design across cells in order to reduce the channel estimation error caused by pilot contamination. In this paper, we propose a method for coordinated pilot design using fractional programming to minimize the weighted mean squared-error (MSE) in channel estimation. In particular, we apply the recently proposed quadratic transform to the MSE expression which allows the effect of pilot contamination to be decoupled. The resulting problem reformulation enables the pilots to be optimized in closed form if they can be designed arbitrarily. When the pilots are restricted to a given set of orthogonal sequences, pilot optimization reduces to an assignment problem which can be solved by weighted bipartite matching. Furthermore, we consider the max-min fairness of data rates with orthogonal pilots and obtain an extension of the proposed method to correlated Rayleigh fading. Finally, simulations demonstrate the advantage of the proposed (orthogonal and nonorthogonal) pilot designs as compared with state-of-the-art methods in combating pilot contamination.

研究の動機と目的

• マルチセル・マス・MIMOシステムにおけるパイロット干渉を軽減し、チャネル推定精度の低下を是正すること。
• 協調的パイロット設計を通じて、チャネル推定における重み付き平均二乗誤差（MSE）を最小化すること。
• パイロット干渉の影響を分離する二次変換を用いて、閉形式のパイロット最適化を可能とすること。
• 直交シーケンスに制限されたパイロット条件下での最大最小公平性制約への拡張および相関レイリー fading 環境への適応。
• シミュレーションを通じて、既存の最先端のパイロット設計技術を上回る優れた性能を示すこと。

提案手法

• 目的関数の非凸性に対処するため、分数プログラミングを用いてチャネル推定MSE最小化問題を定式化する。
• MSE式に二次変換を適用し、パイロット干渉の影響を分離可能とし、最適化を簡素化する。
• パイロットベクトルが事前に定義されたシーケンス集合に制限されない場合の閉形式解を導出する。
• パイロットが与えられた直交シーケンス集合に制限される場合、問題を重み付き二部マッチング問題に再定式化する。
• 直交パイロット割り当て下でのデータレートの最大最小公平性を組み込むためのフレームワークの拡張。
• チャネル相関構造を最適化に組み込むことで、相関レイリー fading 環境に対応した手法の適応。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチセル・マス・MIMOシステムにおけるパイロット干渉は、どのように協調的パイロット設計によって効果的に軽減可能か？
• RQ2 非直交パイロット割り当て下で、実行可能な最適化フレームワークを用いて、重み付きMSEを最小化できるか？
• RQ3 提案手法は、既存の最先端のパイロット設計技術と比較して、どの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 直交パイロット制約下でのスケーリング特性はいかにか？また、データレートの最大最小公平性を確保するために適応可能か？
• RQ5 相関レイリー fading 環境下でも、提案手法はどの程度有効性を保つのか？

主な発見

• 二次変換によるパイロット干渉の効果的分離により、チャネル推定誤差が顕著に低減される。
• パイロットが制限されない場合、閉形式の最適パイロット設計が可能となり、反復的手法と比較して推定精度が向上する。
• 直交パイロット制約下では、問題は重み付き二部マッチングに帰着され、効率的かつ最適な割り当てが可能になる。
• 最大最小公平性への拡張により、特にセルエッジにおけるユーザー間でバランスの取れたデータレートが確保される。
• シミュレーションにより、直交および非直交パイロット設計の両方が、既存の最先端手法を上回ることを確認した。
• 相関レイリー fading 条件下でも、提案手法は強い性能向上を維持し、現実的なチャネル条件に対するロバストネスを示した。