[논문 리뷰] Coordinated Nonorthogonal Pilot Design for Massive MIMO.

Kaiming Shen, Hei Victor Cheng외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 21.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 분수계획법을 사용하여 대량의 MIMO 시스템에서 가중 평균 제곱오차(MSE)를 최소화하는 협동 비직교 피LOT 설계를 제안한다. 피LOT 간섭 효과를 분리하기 위해 이차 변환을 적용함으로써, 임의의 피LOT이 허용될 경우 닫힌 형태의 피LOT 최적화를 가능하게 하고, 직교 시퀀스가 제약 조건일 경우 가중 이분 매칭으로 감소하여, 최신 기술 대비 채널 추정 정확도와 데이터 전송률의 공정성을 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다셀프 대량 MIMO 시스템에서의 피LOT 간섭을 해결하여 채널 추정 정확도를 향상시킨다.
• 협동 피LOT 설계를 통해 채널 추정의 가중 평균 제곱오차(MSE)를 최소화한다.
• 이차 변환을 사용하여 피LOT 간섭 효과를 분리함으로써 닫힌 형태의 피LOT 최적화를 가능하게 한다.
• 직교 시퀀스 제약 조건 하에서 최대-최소 공정성 제약 조건을 충족하는 피LOT 설계로 방법을 확장한다.
• 모의 실험을 통해 기존 최신 기술 대비 뛰어난 성능을 입증한다.

제안 방법

• 비볼록성을 다루기 위해 분수계획법을 사용하여 채널 추정 MSE 최소화 문제를 수립한다.
• MSE 표현식에 이차 변환을 적용하여 피LOT 간섭 효과를 분리하고 최적화를 단순화한다.
• 피LOT 벡터가 사전에 정의된 시퀀스 집합에 제약되지 않은 경우 닫힌 형태의 해를 유도한다.
• 피LOT이 주어진 직교 시퀀스 집합으로 제한될 경우 문제를 가중 이분 매칭 문제로 재구성한다.
• 직교 피LOT 할당 하에서 데이터 전송률의 최대-최소 공정성을 확보하기 위해 프레임워크를 확장한다.
• 채널 상관 구조를 최적화에 통합하여 관련 레일리 fading 채널에 방법을 적응시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다셀프 대량 MIMO 시스템에서 피LOT 간섭을 협동 피LOT 설계를 통해 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 비직교 피LOT 할당 조건 하에서 가용한 최적화 프레임워크를 통해 가중 MSE를 최소화할 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법은 기존 최신 기술 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 직교 피LOT 제약 조건 하에서 방법의 스케일링 능력은 어떠한가? 그리고 데이터 전송률의 최대-최소 공정성을 확보하기 위해 적응 가능한가?
• RQ5 관련 레일리 fading 환경에서 제안된 방법은 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 이차 변환을 통해 피LOT 간섭 효과를 효과적으로 분리함으로써 채널 추정 오차를 크게 감소시킨다.
• 피LOT가 제약되지 않은 경우 닫힌 형태의 최적 피LOT 설계를 가능하게 하여 반복적 방법 대비 추정 정확도를 향상시킨다.
• 직교 피LOT 제약 조건이 있을 경우 문제는 가중 이분 매칭으로 감소하여 효율적이고 최적의 할당이 가능해진다.
• 최대-최소 공정성 확장으로 사용자 간 균형 잡힌 데이터 전송률을 확보할 수 있으며, 특히 셀 엣지 환경에서 유리하다.
• 모의 실험 결과, 직교 및 비직교 피LOT 설계 모두 기존 최신 기술 대비 피LOT 간섭 억제에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 관련 레일리 fading 조건 하에서도 강력한 성능 향상이 유지되어 현실적인 채널 조건에 대한 강인성을 입증했다.