[논문 리뷰] Pilot Contamination Elimination for Channel Estimation with Complete Knowledge of Large-Scale Fading in Downlink Massive MIMO Systems

Qazwan Abdullah, Noorsaliza Abdullah외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 33인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 다운링크 매크로 MIMO 시스템에서 완전한 대규모 fading 지식과 균일한 패ilot 재사용(PRS)을 활용하여 피LOT 오염(PC)을 완화하는 방법을 제안한다. 대규모 fading에 기반해 사용자를 그룹화하고 엣지 사용자에게 균일한 패일롯을 할당하여 채널 추정 정확도를 향상시키고, 특히 제로포싱(ZF) 조절 기법을 사용할 경우 더 높은 다운링크 데이터 전송률을 달성하며, 안테나 수가 무한대로 증가함에 따라 성능 저하를 줄인다.

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output is a very important technology for future fifth-generation systems. However, massive massive multiple input multiple output systems are still limited because of pilot contamination, impacting the data rate due to the non-orthogonality of pilot sequences transmitted by users in the same cell to the neighboring cells. We propose a channel estimation with complete knowledge of large-scale fading by using an orthogonal pilot reuse sequence to eliminate PC in edge users with poor channel quality based on the estimation of large-scale fading and performance analysis of maximum ratio transmission and zero forcing precoding methods. We derived the lower bounds on the achievable downlink DR and signal-to-interference noise ratio based on assigning PRS to a user grouping that mitigated this problem when the number of antenna elements approaches infinity The simulation results showed that a high DR can be achieved due to better channel estimation and reduced performance loss

연구 동기 및 목표

• 다중셀 다운링크 매크로 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성과 데이터 전송률(DR)을 제한하는 피LOT 오염(PC) 문제를 해결하기 위해.
• 시스템 내 완전한 대규모 fading 지식을 활용하여 채널 추정 정확도를 향상시키기 위해.
• 이웃 셀에서 비균일한 패일롯 시퀀스로 인한 이웃 셀 간 간섭과 성능 저하를 줄이기 위해.
• 사용자 그룹화와 균일한 PRS 할당을 통해 다운링크 데이터 전송률(DR)과 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 향상시키기 위해.

제안 방법

• TDD에서 채널 상호보정성을 활용하여 업링크 패일롯을 통해 다운링크 채널을 추정하고, 대규모 fading 지식을 활용한다.
• 대규모 fading 계수를 기반으로 사용자를 중심 사용자와 엣지 사용자로 분류하며, 평균 및 극단적 채널 품질 값에서 유도된 임계값 τμi를 사용한다.
• 엣지 사용자에게만 균일한 패일롯 재사용 시퀀스(PRS)를 할당하여 피LOT 오염을 제거하고, 중심 사용자에게는 동일한 PRS를 재사용한다.
• 그룹화된 사용자에게 최대 비율 전송(MRT)과 제로포싱(ZF) 조절 기법을 적용하며, SINR과 실현 가능한 데이터 전송률을 분석적으로 유도한다.
• 대규모 fading과 안테나 수 증가(M→∞) 조건 하에서 ZF 및 MRT 조절 기법의 실현 가능한 다운링크 DR과 SINR에 하한을 유도한다.
• 사용자 그룹화 모델을 사용하여 엣지 사용자 수(Kie)와 중심 사용자 수(Kic)는 임계값 τμi에 의해 결정되며, 셀 부하와 사용자 분포에 따라 총 패일롯 재사용을 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 fading에 기반해 엣지 사용자에게 균일한 패일롯 재사용 시퀀스(PRS)를 할당할 경우 매크로 MIMO 시스템에서 다운링크 데이터 전송률은 어떻게 향상되는가?
• RQ2 완전한 대규모 fading 지식은 채널 추정 정확도와 피LOT 오염 완화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 사용자 그룹화와 균일한 PRS를 통해 피LOT 오염을 완화했을 때, MRT와 ZF 조절 기법은 실현 가능한 데이터 전송률과 SINR 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다운링크 전송률을 극대화하면서 동기 시간 제약을 피하기 위해 최적의 패일롯 시퀀스 수(Kp)는 얼마인가?
• RQ5 기지국 안테나 수(M)가 증가함에 따라 엣지 사용자에게 균일한 PRS를 사용할 경우 성능 향상은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• M = 256이고 K = 10일 때, 그룹화 파rameter τ를 증가시킬수록 실현 가능한 데이터 전송률이 향상되며, 특히 균일한 PRS를 사용할 경우 두드러진다.
• 3개의 균일한 패일롯 시퀀스(Kp = 3)를 사용할 경우 Kp = 1보다 더 높은 데이터 전송률을 달성하여 엣지 사용자에 대한 PRS 재사용의 이점을 입증한다.
• ZF 조절 기법은 간섭 억제 성능이 뛰어나 MRT보다 더 높은 데이터 전송률을 달성하며, 특히 고SINR 조건에서 두드러진다.
• Kp가 증가함에 따라 데이터 전송률은 점점 증가하다가 특정 지점(예: Kp = 7)에 도달한 후 감소하며, 이는 동기 시간이 줄어들고 패일롯 오버헤드가 증가하기 때문이다.
• 제안된 방법은 사용자 그룹화와 균일한 PRS를 통해 더 나은 채널 추정과 간섭 억제를 가능하게 하여 피LOT 오염으로 인한 성능 저하를 감소시킨다.
• M → ∞일 때, SINR과 데이터 전송률의 하한이 크게 향상되어 균일한 PRS와 대규모 fading 지식이 가져다주는 점근적 성능 향상이 확인된다.