[논문 리뷰] Superimposed Pilots are Superior for Mitigating Pilot Contamination in Massive MIMO - Part I: Theory and Channel Estimation

Karthik Upadhya, Sergiy A. Vorobyov외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 02.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 대량 MIMO 시스템에서 피LOT 오염을 완화하기 위해 기존의 시간 multiplexed 피LOT보다 우수한 대안으로 초합성 피LOT을 제안한다. 피LOT과 데이터를 동시에 전송함으로써, 비반복적 채널 추정 방식을 통해 간섭을 감소시키며, 반복적 데이터 보조 변형은 추정 품질을 향상시키고 기존 방법보다 높은 업링크 SINR를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 효율성과 시스템 용량의 주요 제약 요소인 대량 MIMO 시스템에서의 피LOT 오염 문제를 해결하기 위해.
• 동일한 시간슬롯에서 피LOT 기반 기반의 새로운 채널 추정 프레임워크를 제안하기 위해, 피LOT 기반 기반의 피LOT과 데이터 심볼을 동시에 전송한다.
• 제안된 추정 방식 하에서 업링크 신호 대 간섭 + 노이즈 비율(SINR)에 대한 분석적 표현을 유도하기 위해.
• 시간 multiplexed 및 초합성 피LOT을 조합한 하이브리드 시스템이 완전히 시간 multiplexed 시스템보다 성능이 뛰어나다는 것을 입증하기 위해.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증하고, 추정 정확도 및 SINR 성능 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• 동일한 자원 블록 내에서 피LOT을 데이터 심볼에 통합하여, 초합성 피LOT를 사용한 비반복적 매칭 필터 기반 채널 추정 기법을 제안한다.
• 초합성 피LOT로부터 추정된 채널을 사용하여 매칭 필터 출력에서 업링크 SINR에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 동시 전송되는 데이터로 인한 간섭이 추정 품질을 떨어뜨리는 것으로 확인하고, 이 간섭 성분을 억제하기 위해 반복적 데이터 보조 방식을 제안한다.
• 반복적 데이터 보조 추정 방법 하에서 업링크 SINR에 대한 근사적인 폐쇄형 표현을 제공하여, 성능 분석 및 시스템 설계를 가능하게 한다.
• 일부 사용자는 시간 multiplexed 피LOT를 사용하고, 다른 일부는 초합성 피LOT를 사용하는 하이브리드 피LOT 전송 전략을 도입하여 시스템 수준 성능을 최적화한다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 이론적 SINR 표현의 정확성을 검증하고, 기존의 시간 multiplexed 방식에 비해 초합성 피LOT의 우수성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초합성 피LOT는 기존의 시간 multiplexed 피LOT보다 대량 MIMO 시스템에서 피LOT 오염을 더 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ2 피LOT와 데이터가 동시에 전송되는 초합성 피LOT 기반의 비반복적 채널 추정 방식은 업링크 SINR 측면에서 시간 multiplexed 피LOT에 비해 어떤가?
• RQ3 피LOT와 데이터가 초합성으로 통합된 상태에서 반복적 데이터 보조 추정은 채널 추정 정확도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 초합성 피LOT 시스템에서 동일 대역폭의 데이터 간섭은 채널 추정 정확도에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 시간 multiplexed 및 초합성 피LOT을 조합한 하이브리드 시스템은 스펙트럼 효율성 및 SINR 측면에서 완전히 시간 multiplexed 시스템보다 뛰어나게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 초합성 피LOT를 사용한 제안된 비반복적 채널 추정 방식은 기존의 시간 multiplexed 피LOT 방식보다 더 높은 업링크 SINR를 달성한다.
• 반복적 데이터 보조 추정 방법은 동일 대역폭의 데이터 간섭을 크게 감소시켜 채널 추정 정확도 향상과 더 높은 SINR를 이끌어낸다.
• 반복적 추정 방식 하에서의 업링크 SINR에 대한 근사 표현은 시뮬레이션 결과와 밀도적으로 일치함을 입증하여, 이들이 시스템 분석에 정확하게 적용될 수 있음을 보여준다.
• 시간 multiplexed 및 초합성 피LOT를 혼합한 하이브리드 시스템은 오직 시간 multiplexed 피LOT만을 사용하는 최적 설계 시스템보다 스펙트럼 효율성 및 간섭 억제 측면에서 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 초합성 피LOT가 피LOT 오염을 줄이고, 특히 고밀도 사용자 대량 MIMO 환경에서 시스템 성능을 향상시킨다는 것이 확인되었다.