[논문 리뷰] A Novel Heap-based Pilot Assignment for Full Duplex Cell-Free Massive MIMO with Zero-Forcing

Hieu V. Nguyen, Van‐Dinh Nguyen외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 07.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 20인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 제로포싱 예측을 사용하는 풀디플렉스 셀리스 대량 MIMO 시스템에 대해 힙 기반 파ilot 할당 알고리즘을 제안하며, 파ilot 오염과 계산 복잡도를 감소시킨다. 채널 불확실성 하에서 전력 제어와 AP-UE 연결을 공동 최적화함으로써, 기존의 HD 및 FD 방식보다 최대 9 비트/s/Hz 높은 스펙트럼 효율성과 채널 추정 품질을 달성한다. 특히 다수의 UE가 존재하는 환경에서 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

This paper investigates the combined benefits of full-duplex (FD) and cell-free massive multiple-input multipleoutput (CF-mMIMO), where a large number of distributed access points (APs) having FD capability simultaneously serve numerous uplink and downlink user equipments (UEs) on the same time-frequency resources. To enable the incorporation of FD technology in CF-mMIMO systems, we propose a novel heapbased pilot assignment algorithm, which not only can mitigate the effects of pilot contamination but also reduce the involved computational complexity. Then, we formulate a robust design problem for spectral efficiency (SE) maximization in which the power control and AP-UE association are jointly optimized, resulting in a difficult mixed-integer nonconvex programming. To solve this problem, we derive a more tractable problem before developing a very simple iterative algorithm based on inner approximation method with polynomial computational complexity. Numerical results show that our proposed methods with realistic parameters significantly outperform the existing approaches in terms of the quality of channel estimate and SE.

연구 동기 및 목표

• 풀디플렉스 셀리스 대량 MIMO(FD CF-mMIMO) 시스템에서 제한된 파ilot 자원으로 인한 파ilot 오염과 높은 학습 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 채널 상태 정보(CSI) 불확실성 하에서 전력 제어와 AP-UE 연결을 공동 최적화하는 저복잡도의 강건한 전송 설계를 개발하기 위해.
• 풀디플렉스 기능과 구조화된 파ilot 할당을 활용하여 FD CF-mMIMO에서 스펙트럼 효율성(SE)과 채널 추정 정확도를 향상시키기 위해.
• AP가 풀디플렉스와 하프디플렉스 모드를 전환할 수 있도록 동적 AP-UE 연결을 가능하게 하여 시스템 성능을 최대화하기 위해.

제안 방법

• 채널 품질과 간섭 수준에 기반하여 파ilot 시퀀스를 지능적으로 할당함으로써 파ilot 오염을 최소화하는 힙 기반 파ilot 할당 알고리즘을 설계하였다.
• 시스템 모델은 시간분할이중성(TDD) 운영 방식을 사용하며, 다중 안테나 AP가 동일한 자원에서 동시에 업링크 및 다운링크 UE를 지원한다.
• 이중 변수를 사용한 AP-UE 연결과 연속 변수를 사용한 전력 제어를 포함하여, 혼합정수비선형비볼록 프로그램으로 스펙트럼 효율성 최대화 문제를 수립하였다.
• 최적 해의 구조적 특성을 활용하여 문제를 더 다룰 수 있는 형태로 변형함으로써, 내부 근사화(IA) 방법을 통해 효율적인 해를 도출할 수 있도록 하였다.
• IA 기반의 반복적 알고리즘이 다항식 시간 복잡도를 확보하여, 대규모 AP 및 UE 수에 대해서도 확장 가능함을 입증하였다.
• 인터유저 간섭을 억제하기 위해 제로포싱(ZF) 예측 및 복합화를 적용하였으며, CSI 오차를 고려한 강건한 설계를 구현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 파ilot 자원이 존재하는 FD CF-mMIMO 시스템에서 파ilot 오염을 효과적으로 완화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 파ilot 할당 구조가 FD CF-mMIMO 시스템에서 채널 추정 정확도와 스펙트럼 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 FD CF-mMIMO 시스템에서 CSI 불확실성 하에 전력 제어와 AP-UE 연결을 공동 최적화하는 저복잡도의 강건한 설계가 가능한가?
• RQ4 제안된 힙 기반 파ilot 할당은 무작위 또는 HD 기반 파ilot 할당 대비 스펙트럼 효율성과 추정 정확도에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 실제 FD CF-mMIMO 환경에서 제안된 강건한 ZF 기반 설계는 비강건 및 기존 방식 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 힙 기반 파ilot 할당은 K=L>τ 조건에서 τ=2 및 τ=8일 때 각각 HD 대비 약 5 dB와 7 dB 낮은 정규화된 MSE를 달성한다.
• Heap-FD 방식은 K=L=20일 때 Rand-FD 방식 대비 최대 9 비트/s/Hz 높은 스펙트럼 효율성을 확보하여 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.
• 전력 제어와 AP-UE 연결을 공동 최적화하는 강건한 설계가 CSI 오차 상황에서도 SE 성능을 향상시켜, 비강건 및 기존 방법보다 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 서비스 맵 시각화 결과는 채널 품질에 기반한 동적이고 유리한 AP-UE 연결이 이루어졌음을 확인하였으며, AP와 근접하거나 채널 이득이 높은 UE 간 강력한 연결이 형성됨을 보여준다.
• 내부 근사화 기반 반복적 알고리즘이 다항식 계산 복잡도를 확보하여, 대규모 AP 및 UE 수가 존재하는 환경에서도 확장 가능한 솔루션을 제공한다.
• 제안된 방법은 AP가 FD 및 HD 모드를 전환할 수 있도록 하여, 현실적인 채널 조건 하에서도 시스템의 유연성과 성능을 향상시킨다.