[논문 리뷰] Pilot Assignment Schemes for Cell-Free Massive MIMO Systems

Priyabrata Parida, Harpreet S. Dhillon|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 20.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 셀리스 대량 MIMO 시스템에서 피로트 간섭을 완화하기 위해 확률적 순차 침착(_RSA_) 프로세스를 기반으로 한 분산형, 확장 가능한 피로트 할당 방식을 제안한다. RSA 기반 방식은 동일 피로트 사용자 간 최소 거리를 보장하며, 특히 원격 라디오 헤드(RRH) 밀도가 높을 경우 중심 집합 최적화 방법과 경쟁 가능한 스펙트럼 효율성을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 업링크 트레이닝에서 주요 용량 제한 요인인 셀리스 대량 MIMO 시스템 내 피로트 간섭을 해결한다.
• 동일 피로트 사용자 간 최소 간격을 유지함으로써 간섭을 줄이는 분산형이고 확장 가능한 피로트 할당 방식을 설계한다.
• 사용자 및 RRH 위치를 고려한 중심 집합 최적화 방법과 비교하여 제안된 방식의 성능을 평가한다.
• 기존의 RSA 프로세스 이론을 활용해 피로트 할당 확률과 동일 피로트 사용자 밀도에 대한 분석적 프레임워크를 제공한다.
• 실제 시스템 구성 조건에서 분산형 확장성과 스펙트럼 효율성 성능 간의 트레이드오프를 평가한다.

제안 방법

• 통계역학 분야의 확률적 순차 침착(RSA) 프로세스를 변형하여 분산형, 확장 가능한 방식으로 피로트를 할당함으로써 동일 피로트 사용자 간 최소 거리를 보장한다.
• RSA 문헌에서 확보된 분석 도구를 활용하여 일반 사용자에 대한 평균 피로트 할당 확률에 대한 정확한 이론적 표현을 유도한다.
• 사용자 위치만을 이용하여 동일 피로트 사용자 간 최소 거리를 최대화하는 중심 집합형 최대-최소 거리 기반 방식을 개발한다.
• 스펙트럼 그래프 이론을 활용해 전파 조건이 유사한 사용자를 군집화하고, 각 군집 내에서 정규 직교 피로트를 할당하기 위해 분기 및 가격(BnP) 알고리즘을 적용하는 두 번째 중심 집합형 방식을 설계한다.
• 경로 손실 모델과 레이일레이 페이딩 가정을 사용하여 균일하게 분포된 사용자 및 RRH를 가진 2차원 원형 영역에서 실제적인 전파 조건을 시뮬레이션한다.
• 모든 방식을 다양한 사용자 및 RRH 밀도, 피로트 재사용 계수, 시스템 부하 조건에서 구현하고 비교하여 스펙트럼 효율성과 내성에 대한 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 셀리스 대량 MIMO 시스템에서 피로트 간섭을 최소화하면서도 확장성을 유지하는 분산형 피로트 할당 방식을 설계할 수 있는가?
• RQ2 중심 집합 최적화 방법과 비교할 때 RSA 기반 피로트 할당 방식의 사용자 스펙트럼 효율성 성능은 어느 정도인가?
• RQ3 RSA 기반 방식의 성능은 RRH 밀도와 피로트당 평균 사용자 수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 RSA 프로세스의 분석적 프레임워크는 셀리스 mMIMO 네트워크에서 피로트 할당 확률과 동일 피로트 사용자 밀도를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ5 다양한 시스템 크기와 구성 조건에서 RSA 기반 방식과 근사 최적의 BnP 기반 방식 간의 성능 격차는 어떠한가?

주요 결과

• RSA 기반 피로트 할당 방식은 모든 RRH 및 사용자 밀도에서 중심 집합형 최대-최소 거리 기반 방식과 비교해 경쟁 가능한 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 고밀도 RRH 환경에서는 RSA 기반 방식이 근사 최적의 BnP 기반 방식과 거의 동일한 성능을 보이며, 총 사용자 스펙트럼 효율성 비율의 누적분포함수(CDF)가 높은 일관성을 보인다.
• 피로트당 평균 사용자 수가 낮을 경우 RSA 방식이 최대-최소 및 K-means 기반 방식보다 약간 우수한 성능을 보이며, 특히 저밀도 RRH 환경에서 두드러진다.
• 피로트당 평균 사용자 수가 높아질 경우, 밀도가 높은 환경에서 피로트 할당 확률이 감소함에 따라 최대-최소 방식이 RSA보다 약간 우수한 성능을 보인다.
• BnP 기반 방식은 소규모 시스템(예: 48명의 사용자)에서는 근사 최적의 총 사용자 스펙트럼 효율성을 제공하지만, 계산 복잡도가 높아 대규모 네트워크로의 확장성에 제약이 있다.
• RSA 프로세스 기반의 분석 모델은 시뮬레이션 결과에 의해 검증된 바와 같이 평균 피로트 할당 확률과 동일 피로트 사용자 밀도를 정확히 예측할 수 있다.