[論文レビュー] Pilot Assignment Schemes for Cell-Free Massive MIMO Systems

Priyabrata Parida, Harpreet S. Dhillon|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、パイロット干渉を軽減するために、確率的逐次吸着（RSA）プロセスに基づく分散型でスケーラブルなパイロット割り当て方式を、セルフリースマス・MIMOシステムに提案する。RSAに基づく方式は、共用パイロットユーザー間の最小距離を保証し、特にリモートラジオヘッド（RRH）密度が高い状況でも、集中型最適化手法と同等のスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

In this work, we propose three pilot assignment schemes to reduce the effect of pilot contamination in cell-free massive multiple-input-multiple-output (MIMO) systems. Our first algorithm, which is based on the idea of random sequential adsorption (RSA) process from the statistical physics literature, can be implemented in a distributed and scalable manner while ensuring a minimum distance among the co-pilot users. Further, leveraging the rich literature of the RSA process, we present an approximate analytical approach to accurately determine the density of the co-pilot users as well as the pilot assignment probability for the typical user in this network. We also develop two optimization-based centralized pilot allocation schemes with the primary goal of benchmarking the RSA-based scheme. The first centralized scheme is based only on the user locations (just like the RSA-based scheme) and partitions the users into sets of co-pilot users such that the minimum distance between two users in a partition is maximized. The second centralized scheme takes both user and remote radio head (RRH) locations into account and provides a near-optimal solution in terms of sum-user spectral efficiency (SE). The general idea is to first cluster the users with similar propagation conditions with respect to the RRHs using spectral graph theory and then ensure that the users in each cluster are assigned different pilots using the branch and price (BnP) algorithm. Our simulation results demonstrate that despite admitting distributed implementation, the RSA-based scheme has a competitive performance with respect to the first centralized scheme in all regimes as well as to the near-optimal second scheme when the density of RRHs is high.

研究の動機と目的

• 上行リンク訓練における主要な容量制限要因である、セルフリースマス・MIMOシステムにおけるパイロット干渉を解消すること。
• 共用パイロットユーザー間の最小距離を維持することで干渉を低減する、分散型でスケーラブルなパイロット割り当て方式を設計すること。
• ユーザーおよびRRHの位置を考慮した集中型最適化手法と比較して、提案手法の性能をベンチマークすること。
• 確立されたRSAプロセス理論を用いて、パイロット割り当て確率および共用パイロットユーザー密度の解析的フレームワークを提供すること。
• 現実的なシステム構成における、分散型スケーラビリティとスペクトル効率性能のトレードオフを評価すること。

提案手法

• 統計物理学における確率的逐次吸着（RSA）プロセスを応用し、共用パイロットユーザー間の最小距離を保証する分散型でスケーラブルなパイロット割り当てを実現する。
• RSA文献に由来する解析的手法を活用し、通常ユーザーの平均パイロット割り当て確率を正確に表現する理論的式を導出する。
• ユーザーの位置情報のみを用いて、共用パイロットユーザー間の最小距離を最大化するようにユーザーを分割する集中型のmax-min距離ベースの方式を開発する。
• スペクトルグラフ理論を用いて、類似した伝搬条件を持つユーザーをクラスタリングし、各クラスタ内で直交パイロットを割り当てるための分枝価格法（BnP）アルゴリズムを適用する第二の集中型方式を設計する。
• 2次元円形領域において、一様に分布するユーザーおよびRRHを想定し、パスロスモデルとレイノールドフェージング仮定を用いて、現実的な伝搬条件をシミュレートする。
• ユーザーおよびRRH密度、パイロット再利用係数、システム負荷を変化させながら、すべての方式を実装・比較し、スペクトル効率および耐障害性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、セルフリースマス・MIMOシステムにおいてパイロット干渉を最小限に抑えつつ、スケーラビリティを維持する分散型パイロット割り当て方式を設計できるか？
• RQ2 パイロット干渉の観点から、RSAベースのパイロット割り当て方式は集中型最適化手法と比較して、どの程度のユーザーのスペクトル効率性能を達成するか？
• RQ3 RRH密度および1つのパイロットあたりの平均ユーザー数に依存して、RSAベースの方式の性能はどのように変化するか？
• RQ4 RSAプロセスの解析的フレームワークは、セルフリースマスmMIMOネットワークにおけるパイロット割り当て確率および共用パイロットユーザー密度を正確に予測できるか？
• RQ5 さまざまなシステムサイズおよび構成において、RSAベースの方式と近似最適なBnPベースの方式との間の性能ギャップはどの程度か？

主な発見

• RSAベースのパイロット割り当て方式は、すべてのRRH密度およびユーザー密度において、集中型max-min距離ベースの方式と同等のスペクトル効率を達成する。
• 高密度のRRH環境では、RSAベースの方式は近似最適なBnPベースの方式とほぼ同等の性能を示し、合計ユーザースペクトル効率比の累積分布関数（CDF）から、高い性能の一貫性が確認された。
• 1つのパイロットあたりの平均ユーザー数が低い場合、RSA方式はmax-minおよびK-meansベースの方式をわずかに上回る性能を示すが、特にRRH密度が低い状況で顕著である。
• 1つのパイロットあたりの平均ユーザー数が高い場合、密度の高い環境におけるパイロット割り当て確率の低下を考慮すると、max-min方式がRSA方式をわずかに上回る。
• BnPベースの方式は、小規模なシステム（例：48ユーザー）では近似最適な合計ユーザースペクトル効率を提供するが、計算複雑度の高さにより、より大きなネットワークへのスケーラビリティに制限がある。
• RSAプロセスに基づく解析モデルは、シミュレーション結果と整合性を保ちながら、平均パイロット割り当て確率および共用パイロットユーザー密度を正確に予測している。