[論文レビュー] Interference Reduction in Multi-Cell Massive MIMO Systems I: Large-Scale Fading Precoding and Decoding

Alexei Ashikhmin, Thomas L. Marzetta+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 53

ひとこと要約

本稿では、マッハ・ミモ・システムにおけるセル間干渉を排除するために、遅い大規模 fading コefficient を活用する、大規模フェージング・プレコーディング（LSFP）と呼ばれる新しいマルチセル・プレコーディング方式を提案する。同じパイロット・シーケンスを共有するユーザーからの信号を、LSFP係数を用いて複数のセルにまたがって結合し、高速フェージング推定値に基づく従来の線形プレコーディングを適用することで、基地局のアンテナ数が増加するに従い、漸近的に干渉なし・雑音なしの通信が達成され、周波数再利用1で無限大のスペクトル効率が実現可能となる。

ABSTRACT

A wireless massive MIMO system entails a large number (tens or hundreds) of base station antennas serving a much smaller number of users, with large gains in spectral-efficiency and energy-efficiency compared with conventional MIMO technology. Until recently it was believed that in multi-cellular massive MIMO system, even in the asymptotic regime, as the number of service antennas tends to infinity, the performance is limited by directed inter-cellular interference. This interference results from unavoidable re-use of reverse-link training sequences (pilot contamination) by users in different cells. We devise a new concept that leads to the effective elimination of inter-cell interference in massive MIMO systems. This is achieved by outer multi-cellular precoding, which we call Large-Scale Fading Precoding (LSFP). The main idea of LSFP is that each base station linearly combines messages aimed to users from different cells that re-use the same training sequence. Crucially, the combining coefficients depend only on the slow-fading coefficients between the users and the base stations. Each base station independently transmits its LSFP-combined symbols using conventional linear precoding that is based on estimated fast-fading coefficients. Further, we derive estimates for downlink and uplink SINRs and capacity lower bounds for the case of massive MIMO systems with LSFP and a finite number of base station antennas.

研究の動機と目的

• マルチセル・マッハ・ミモ・システムにおけるスペクトル効率を制限するパイロット汚染の根本的問題に取り組むこと。
• 非協調セルラーネットワークにおいて、セル間干渉なしで周波数再利用1を実現すること。
• 現実的なネットワーク仮定のもとで、マッハ・ミモ・システムにおいて漸近的に干渉なし・雑音なしの通信を達成すること。
• 大規模フェージング係数のみに依存する、低オーバーヘッドでスケーラブルなプレコーディングおよびデコーディングフレームワークを設計すること。

提案手法

• 同じパイロット・シーケンスを再利用する異なるセルのユーザーのデータシンボルを、各基地局が線形に結合する大規模フェージング・プレコーディング（LSFP）を提案する。
• LSFPにおける結合係数は、ユーザーと基地局間の大規模フェージング係数にのみ依存し、変化が遅く、頻繁なフィードバックが不要である。
• 各基地局は、推定された高速フェージング係数を用いて、従来の線形プレコーディング（例：マッチドフィルタ）を独立に適用して送信を行う。
• 上行リンクでは、大規模フェージング・デコーディング（LSFD）プロトコルを導入し、ネットワーク制御装置が大規模フェージング行列を用いてMMSE推定値を計算し、ゼロフォーサーまたはMMSE結合を適用する。
• システムは2段階の信号処理モデルを採用する：下行リンクでLSFP、上行リンクでLSFDであり、両者とも大規模フェージングを用いてセル間干渉をキャンセルする。
• 理論的分析では、ランダム行列理論を用いて、基地局アンテナ数 M → ∞ の極限で、有効SINRが、送信シンボルの正確な復元を可能にする値に収束することを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数再利用1のマッハ・ミモ・システムにおいて、パイロット汚染によって引き起こされるセル間干渉を排除できるか？
• RQ2 大規模フェージング係数のみを活用することで、マルチセル・マッハ・ミモ・システムで無限大のスペクトル効率を達成できるか？
• RQ3 最小限の基地局間シグナリングで済む、低オーバーヘッドでスケーラブルなプレコーディング方式を設計できるか？
• RQ4 現実的なチャネル仮定のもとで、LSFPおよびLSFDを用いたマッハ・ミモ・システムの漸近的SINRおよび容量限界は何か？

主な発見

• 基地局アンテナ数 M が無限大に近づくと、下行リンクにおける推定信号と送信信号の相互情報量は、入力信号のエントロピーに収束し、完全な復元が可能であることを示す。
• 上行リンクにおいても、LSFDのもとで、推定信号と送信信号の相互情報量は入力信号のエントロピーに収束し、干渉なし・雑音なしの通信が達成されることを示す。
• 提案されたLSFPおよびLSFD方式により、漸近的に干渉なし・雑音なしの通信が実現され、周波数再利用1のもとで任意のスペクトル効率が達成可能となる。
• その鍵となる要因は、遅く変化する大規模フェージング係数を用いたセル間プレコーディング／デコーディングであり、最小限のフィードバックで実現可能である。
• 漸近的領域において、パイロット汚染がもともと課す根本的性能限界を克服し、無限大のスペクトル効率が達成される。
• 理論的分析により、有効チャネルが M → ∞ の極限で雑音なし・干渉なしとなることが確認されたが、非直交パイロットシーケンスであっても同様の結果が得られる。