[论文解读] Massive MIMO with Multi-Antenna Users: When are Additional User Antennas Beneficial?

Xueru Li, Emil Björnson+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 16被引用 8

一句话总结

本文分析了用户配备多天线的大规模MIMO系统，表明额外的用户天线可显著提升频谱效率（SE），尤其在系统负载较轻时。通过使用MMSE-SIC检测和大系统近似，证明线性检测器可充分利用多天线用户带来的复用增益，且功率缩减规律被推广至任意用户天线数N，即使导频和数据发射功率按1/M缩放，仍能实现SE增益。

ABSTRACT

We analyze the performance of massive MIMO systems with $N$-antenna users. The benefit is that $N$ streams can be multiplexed per user, at the price of increasing the channel estimation overhead linearly with $N$. Uplink and downlink spectral efficiency (SE) expressions are derived for any $N$, and these are achievable using estimated channels and per-user-basis MMSE-SIC detectors. Large-system approximations of the SEs are obtained. This analysis shows that MMSE-SIC has similar asymptotic SE as linear MMSE detectors, indicating that the SE increase from having multi-antenna users can be harvested using linear detectors. We generalize the power scaling laws for massive MIMO to handle arbitrary $N$, and show that one can reduce the multiplication of the pilot power and payload power as $\frac{1}{M}$ where $M$ is the number of BS antennas, and still notably increase the SE with $M$ before reaching a non-zero asymptotic limit. Simulations testify our analysis and show that the SE increases with $N$. We also note that the same improvement can be achieved by serving $N$ times more single-antenna users instead, thus the additional user antennas are particular beneficial for SE enhancement when there are few active users in the system.

研究动机与目标

• 分析用户配备多天线（N ≥ 1）时大规模MIMO系统的频谱效率（SE），扩展标准单天线用户模型的适用范围。
• 研究尽管导频开销随N线性增长，是否仍能通过实际的线性检测技术有效获取N天线用户带来的复用增益。
• 将现有大规模MIMO的功率缩放规律推广至任意N，评估导频与数据发射功率在保持SE增益的同时能否按比例缩减至1/M。
• 评估在频谱效率（SE）与系统负载方面，服务更少的多天线用户与更多单天线用户之间的性能权衡。

提出的方法

• 基于用户级MMSE-SIC检测器，结合上行导频训练与信道状态信息（CSI）估计，推导上行与下行频谱效率的下限。
• 应用大系统近似方法，假设M → ∞，利用随机矩阵理论推导出渐近紧致的解析表达式。
• 采用Kronecker信道模型，考虑基站与用户设备处的空间相关性，使用相关性矩阵R_r,k与R_t,k。
• 通过证明导频功率与用户数据发射功率均可按1/M缩放，同时保持非零SE极限，将先前工作的功率缩放规律推广至任意N。
• 利用矩阵求逆引理及文献[17]中的定理5与定理6，通过渐近频谱效率近似，推导出SE表达式的确定性等价形式。
• 通过仿真验证分析结果，比较不同N值与系统负载（K）下的SE性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管导频开销随N增加，为用户配备多天线（N > 1）是否能在大规模MIMO系统中带来有意义的频谱效率增益？
• RQ2 线性检测技术（如MMSE-SIC）是否能有效获取多天线用户的复用增益，还是必须依赖非线性处理？
• RQ3 当N > 1时，大规模MIMO的功率缩放规律如何变化？导频与用户发射功率能否按1/M比例缩减，同时保持SE增益？
• RQ4 在何种系统负载场景下（如低K与高K），使用多天线用户对SE提升最为有利？
• RQ5 多天线用户的SE增益是否等同于服务N倍的单天线用户？在何种情况下前者具有明显优势？

主要发现

• 频谱效率随用户天线数N增加而提升，尤其在活跃用户数K较小的轻载系统中更为显著。
• MMSE-SIC检测器可实现接近最优非线性检测器的渐近频谱效率，表明线性处理可完全利用多天线用户带来的复用增益。
• 总频谱效率随基站天线数M增长，即使导频与数据发射功率按1/M缩放，仍能保持非零的渐近极限。
• 当K较小时，多天线用户的SE增益最为显著，因为此时系统尚未充分利用单天线配置（N=1）下的大规模MIMO空间复用能力。
• 服务N倍的单天线用户可获得与为N个用户配备单天线相同的SE增益，但多天线用户在K较小时更具优势。
• 所推导的SE大系统近似在M → ∞时具有紧致性，仿真结果在不同N与K值下均与分析预测一致。