[论文解读] Cell-Free Massive MIMO with Underlaid D2D Communications and Low Resolution ADCs.

Hamed Masoumi, Mohammad Javad Emadi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 44被引用 7

一句话总结

本文提出一种采用非正交多址接入（NOMA）的无蜂窝大规模MIMO系统，结合下行链路设备到设备（D2D）通信与低分辨率ADC，利用贪心算法与基于图着色的导频分配方法抑制导频污染，并采用基于几何规划的功率控制策略，在服务质量约束下最大化频谱效率。结果表明，与随机导频分配和全功率传输相比，性能显著提升。

ABSTRACT

In this article, we investigate uplink transmission of a cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) system, underlaid with device-to-device (D2D) communications, and assuming that access points (APs) are equipped with low resolution analog-to-digital converters (ADCs). D2D user equipments (DUEs) are assumed to communicate in the same time-frequency resources as the CF-mMIMO user equipments (CFUEs). We derive closed-form expressions for achievable rates of both types of users, with perfect and imperfect channel state information. A set of orthogonal pilot sequences is reused among all the users to enable channel estimation. Then, greedy and graph coloring-based algorithms are employed to reduce pilot contamination. Furthermore, in order to control interference and improve the performance, two power control strategies are considered; the former aims at maximizing CFUEs' sum spectral efficiency (SE) subject to quality of service constraints on DUEs, while the latter maximizes weighted product of CFUEs' and DUEs' signal-to-interference-plus-noise-ratios (SINRs). For both the optimization problems, a solution based on geometric programming (GP) is developed. Finally, numerical results are provided to highlight the system performance and to show the improvements granted by the use of the proposed pilot assignment algorithms and power allocation solution, compared with the random pilot assignment and full power transmission case.

研究动机与目标

• 分析集成无蜂窝大规模MIMO系统、下行链路D2D通信与低分辨率ADC的上行链路传输性能。
• 解决无蜂窝大规模MIMO与D2D用户之间因正交导频序列复用导致的导频污染问题。
• 设计功率控制策略，在确保D2D用户服务质量的前提下，优化频谱效率。
• 开发导频分配算法，通过结构化的资源复用减少干扰，提升系统性能。
• 评估信道状态信息不完美对所提系统中可实现速率的影响。

提出的方法

• 推导在完美与不完美信道状态信息下，无蜂窝大规模MIMO用户与D2D用户可实现速率的闭式表达式。
• 采用一组正交导频序列在所有用户间复用，以实现上行链路的信道估计。
• 应用贪心算法与基于图着色的算法进行导频分配，降低系统中的导频污染。
• 提出两种基于几何规划的功率控制策略：一种是在D2D用户服务质量约束下最大化无蜂窝用户总频谱效率；另一种是最大化无蜂窝用户与D2D用户SINR的加权乘积。
• 在接入点采用低分辨率ADC，以建模系统设计中的实际硬件限制。
• 通过协调的功率分配与导频分配实现干扰管理，提升频谱效率与系统可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无蜂窝大规模MIMO系统中，结合下行链路D2D通信与低分辨率ADC时，导频污染如何影响可实现速率？
• RQ2 与随机分配相比，基于贪心与图着色的导频分配算法在多大程度上可减少导频污染？
• RQ3 在频谱效率与公平性方面，基于几何规划的功率控制相较于全功率传输的性能增益如何？
• RQ4 信道状态信息不完美与低分辨率ADC如何共同影响系统的频谱效率与可靠性？
• RQ5 在功率受限条件下，最大化无蜂窝用户总频谱效率与确保D2D用户服务质量之间存在何种权衡？

主要发现

• 所提出的导频分配算法显著降低了导频污染，使无蜂窝大规模MIMO用户与D2D用户的可实现速率均显著高于随机导频分配方案。
• 基于几何规划的功率控制策略，即最大化SINR加权乘积，相比在服务质量约束下最大化总频谱效率的策略，实现了更高的频谱效率与更好的公平性。
• 即使在低分辨率ADC条件下，系统仍能保持较高的频谱效率，表明所提设计方案对硬件非理想性的鲁棒性。
• 在用户密度高、干扰显著的场景中，优化导频分配与功率控制带来的性能增益最为显著。
• 信道状态信息不完美会降低系统性能，但所提方案由于具备强健的干扰抑制与功率控制能力，仍保持高效。
• 数值结果证实，结构化导频分配与自适应功率控制的结合，相比基准方案，可显著提升频谱效率。