[論文レビュー] Superimposed Pilots are Superior for Mitigating Pilot Contamination in Massive MIMO - Part I: Theory and Channel Estimation

Karthik Upadhya, Sergiy A. Vorobyov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、マッピングMIMOシステムにおけるパイロット混信を軽減するための、従来の時分割多重パイロットに優る代替手法として、重畳パイロットを提案する。パイロットとデータを同時に送信することで、非反復的チャネル推定方式により干渉を低減し、反復的データ支援型のバリエーションにより推定品質をさらに向上させ、従来手法に比べて高い上行リンクSINRを達成する。

ABSTRACT

Superimposed pilots are introduced, in this two-part paper, as an alternative to time-multiplexed pilot and data symbols for mitigating pilot contamination in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. In this part of the two-part paper, a non-iterative scheme for uplink channel estimation based on superimposed pilots is first proposed and an expression for the uplink signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), at the output of a matched filter employing this channel estimate, is derived. Based on this expression, it is observed that the quality of the channel estimate can be improved by reducing the interference that results from transmitting data alongside the pilots, and an iterative data-aided scheme is also proposed that reduces this component of interference. Approximate expressions for the uplink SINR are provided for the iterative data-aided method as well. In addition, it is shown that a hybrid system with users utilizing both time-multiplexed and superimposed pilots is superior to an optimally designed system that employs only time-multiplexed pilots. Numerical simulations demonstrating the superiority of the proposed channel estimation schemes based on superimposed pilots and the accuracy of the approximations are also given in this part.

研究の動機と目的

• スペクトル効率とシステム容量の面で大きな障害要因となる、マッピングMIMOシステムにおけるパイロット混信を解消すること。
• パイロットとデータシンボルを同じタイムスロット内で同時に送信する、重畳パイロットを用いた新しいチャネル推定フレームワークを提案すること。
• 提案された推定方式における上行リンク信号対干渉加算ノイズ比（SINR）の解析的表現を導出すること。
• 時分割多重と重畳パイロットを併用するハイブリッド方式が、完全に時分割多重方式を上回ることを示すこと。
• 数値シミュレーションを通じて理論的考察を検証し、推定精度とSINR性能の向上を実証すること。

提案手法

• 同じリソースブロック内でパイロットをデータシンボルに埋め込む重畳パイロットを用いた、非反復的マッチドフィルタベースのチャネル推定技術を提案する。
• 重畳パイロットからの推定チャネルを用いて、マッチドフィルタ出力における上行リンクSINRの解析的表現を導出する。
• 同時に送信されるデータによる干渉が推定品質を劣化させることを特定し、この干渉成分を抑える反復的データ支援方式を提案する。
• 反復的データ支援推定方式における上行リンクSINRの近似閉形式表現を提供し、性能解析とシステム設計を可能にする。
• 一部のユーザーが時分割多重パイロット、他のユーザーが重畳パイロットを使用するハイブリッドパイロット伝送戦略を導入し、システムレベルの性能を最適化する。
• 数値シミュレーションを用いて理論的SINR表現の妥当性を検証し、従来の時分割多重方式に比べて重畳パイロットの優位性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重畳パイロットは、従来の時分割多重パイロットに比べ、マッピングMIMOシステムにおけるパイロット混信をより効果的に低減できるか？
• RQ2 パイロットとデータが重畳される状況下で、重畳パイロットに基づく非反復的チャネル推定方式の上行リンクSINR性能は、時分割多重パイロット方式に比べてどの程度優れているか？
• RQ3 パイロットとデータが重畳される場合、反復的データ支援推定により、チャネル推定品質はどの程度向上するか？
• RQ4 重畳パイロットシステムにおいて、同周波数帯域のデータによる干渉がチャネル推定精度に与える影響は何か？ また、その影響はどのように軽減できるか？
• RQ5 時分割多重と重畳パイロットを併用するハイブリッドシステムは、完全に時分割多重方式に比べ、スペクトル効率およびSINRの面で優位性を示すか？

主な発見

• 重畳パイロットを用いた提案された非反復的チャネル推定方式は、従来の時分割多重パイロット方式に比べ、より高い上行リンクSINRを達成する。
• 反復的データ支援推定法は、同周波数帯域のデータによる干渉を顕著に低減し、チャネル推定精度の向上とSINRの増大を実現する。
• 反復的方式における上行リンクSINRの近似式は、シミュレーション結果とよく一致しており、システム解析に適した精度を持つことが確認された。
• 時分割多重と重畳パイロットを併用するハイブリッドシステムは、完全に時分割多重方式を採用した最適化システムに比べ、スペクトル効率および干渉抑圧性能において優れている。
• 数値シミュレーションにより、重畳パイロットがパイロット混信を低減し、特にユーザー密度の高いマッピングMIMO環境においてシステム性能を向上させることを確認した。