[論文レビュー] Impact of Subcarrier Allocation and User Mobility on the Uplink Performance of Multi-User Massive MIMO-OFDM Systems

Abhinav Anand, Chandra R. Murthy|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 22被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、移動ユーザーを伴うマルチユーザー massive MIMO-OFDMシステムにおける上行リンク性能を分析し、周波数間干渉（ICI）およびチャネル老化効果を最小化する一般化されたサブキャリア割り当て方式を提案する。ICIパワー、SINR、および和レートの閉形式式を導出しており、ICIパワーがユーザーのパワー割り当てにかかわらずほぼ一定であることが示され、コherence帯域幅の活用によりスペクトル効率を向上させるとともにパイロットオーバーヘッドを低減できる。Zeroforcing（ZF）および最大比率合成（MRC）結合を用いた先行研究と比較して顕著な和レート向上が得られる。

ABSTRACT

This paper considers the uplink performance of a multi-user massive multiple-input multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) system with mobile users. Mobility brings two major problems to a MIMO-OFDM system: inter carrier interference (ICI) and channel aging. In practice, it is common to allot multiple contiguous subcarriers to a user as well as schedule multiple users on each subcarrier. Motivated by this, we consider a general subcarrier allocation scheme and derive expressions for the ICI power, uplink signal to interference plus noise ratio and the achievable uplink sum-rate, taking into account the ICI and the multi-user interference due to channel aging. We show that the system incurs a near-constant ICI power that depends linearly on the ratio of the number of users per subcarrier to the number of subcarriers per user, nearly independently of how the UEs distribute their power across the subcarriers. Further, we exploit the coherence bandwidth of the channel to reduce the length of the pilot sequences required for uplink channel estimation. We consider both zero-forcing and maximal-ratio combining at the receiver and compare the respective sum-rate performances. In either case, the proposed subcarrier allocation scheme leads to significantly higher sum-rates compared to previous work, owing to the near-constant ICI property as well as the reduced pilot overhead.

研究の動機と目的

• ユーザー移動性に起因するマルチユーザー massive MIMO-OFDMシステムの性能劣化、特に周波数間干渉（ICI）およびチャネル老化の原因を特定する。
• 複数ユーザーが1つのサブキャリアに割り当てられ、複数サブキャリアが1ユーザーに割り当てられる一般化されたサブキャリア割り当て方式を提案し、スペクトル効率を向上させる。
• 本方式下でのICIパワーを特徴づけ、異なるパワー割り当てにおいてもほぼ一定の挙動を示すことを示す。
• チャネルのコherence帯域幅を活用することで、上行リンクチャネル推定に必要なパイロットシーケンス長を短縮し、パイロットオーバーヘッドを低減する。
• 移動性およびICIを考慮した上で、ゼロフォーリング（ZF）および最大比率結合（MRC）における和レート性能を比較する。
• ICI、マルチユーザー干渉、およびチャネル老化を考慮したSINRおよび実現可能な上行リンク和レートの閉形式式を提供する。

提案手法

• ユーザーが複数の連続サブキャリアを割り当てられ、サブキャリアが複数ユーザーを同時に処理できる静的サブキャリア割り当て方式を提案し、チャネル硬化およびほぼ一定のICIを活用して均一な性能を実現する。
• ICIパワーの閉形式式を導出するが、これはサブキャリア上のユーザーのパワー割り当てにほとんど依存せず、ユーザー数/サブキャリアとサブキャリア数/ユーザーの比にのみ依存する。
• チャネルのコherence帯域幅を活用して、上行リンクチャネル推定に必要なパイロットシーケンス長を短縮し、パイロットオーバーヘッドを最小化する。
• ZFおよびMRC結合下での上行リンク信号対干渉加算ノイズ比（SINR）をモデル化し、ICI、チャネル老化、推定誤差の影響を組み込む。
• ジェンセンの不等式を用いて、有効チャネル行列ノルムの逆数の期待値を取ることで、実現可能な上行リンクレートを近似する。
• 『使用後すぐに忘れる』CSIアプローチを採用し、確率的チャネル推定値をその期待値に置き換えることでSINR式を簡略化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーが複数の連続サブキャリアを用い、サブキャリアが複数ユーザーを同時に処理する一般化されたサブキャリア割り当て方式下で、ICIパワーはどのように振る舞うか？
• RQ2 ユーザー移動性が、特にチャネル老化およびICIを通じて、massive MIMO-OFDMシステムにおける上行リンク和レートに及ぼす影響は何か？
• RQ3 移動環境下で、チャネルのコherence帯域幅は、上行リンクチャネル推定に必要なパイロットシーケンス長にどのように影響を与えるか？
• RQ4 移動性およびICIを考慮した上で、ゼロフォーリング（ZF）および最大比率結合（MRC）における実現可能な上行リンク和レートはどの程度か？
• RQ5 提案されたサブキャリア割り当て方式は、先行研究と比較してスペクトル効率およびパイロットオーバーヘッドの点でどのように優れているか？

主な発見

• 提案システムにおけるICIパワーはほぼ一定であり、サブキャリアあたりのユーザー数とユーザーあたりのサブキャリア数の比に線形に依存するが、ユーザーがサブキャリア上でパワーをどのように割り当てるかには依存しない。
• コherence帯域幅の活用によるパイロットオーバーヘッド低減とほぼ一定のICI特性のおかげで、先行研究と比較して顕著に高い上行リンク和レートを達成できる。
• コherence帯域幅を活用することで、提案されたチャネル推定方式はパイロットオーバーヘッドを低減し、時間周波数リソースのより効率的な利用を可能にする。
• ZFおよびMRC結合の両方において和レート性能が向上し、特にMRCはチャネル推定誤差およびICIに対してより高い耐性を示す。
• SINRおよび実現可能な上行リンクレートの閉形式式を導出しており、レートはジェンセンの不等式を用いて近似され、実用的な性能評価が可能になる。
• ビームフォーミングゲインの不確実性の分散が、ユーザーの割り当てられたパワーおよびチャネル推定値の二乗の期待値に比例することが示され、SINRの安定性に寄与する。