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

Qazwan Abdullah, Noorsaliza Abdullah+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用 2

一句话总结

本文提出了一种在下行链路大规模MIMO系统中通过利用完整的路径衰落知识和用户边缘的正交导频复用（PRS）来缓解导频污染（PC）的方案。通过基于路径衰落对用户进行分组，并为边缘用户分配正交导频，该方法提高了信道估计精度，尤其在使用迫零（ZF）预编码时，显著提升了下行链路数据速率，同时随着天线数量趋于无穷大，性能损失也得以减少。

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

研究动机与目标

• 为解决多小区下行链路大规模MIMO系统中的导频污染（PC）问题，该问题限制了频谱效率和数据速率（DR）。
• 通过利用系统中完整的路径衰落知识，提高信道估计精度。
• 减少因相邻小区中非正交导频序列导致的小区间干扰和性能损失。
• 通过用户分组和正交PRS分配，提升下行链路数据速率（DR）和信号干扰加噪声比（SINR）。

提出的方法

• 利用TDD系统中的信道互惠性，通过上行导频估计下行链路信道，同时结合路径衰落知识。
• 根据路径衰落系数将用户划分为中心用户和边缘用户，使用基于平均值和极值信道质量的阈值τμi进行划分。
• 为边缘用户专门分配正交导频复用序列（PRS），以消除导频污染，而中心用户则复用相同的PRS。
• 对分组后的用户应用最大比率传输（MRT）和迫零（ZF）预编码，并通过解析方法推导SINR和可实现数据速率。
• 在路径衰落和天线数量（M→∞）增加的条件下，推导ZF和MRT预编码下可实现下行链路数据速率和SINR的下限。
• 采用用户分组模型，其中边缘用户数（Kie）和中心用户数（Kic）由阈值τμi决定，并根据小区负载和用户分布调整总导频复用数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于路径衰落将正交导频复用序列（PRS）分配给边缘用户，如何提升大规模MIMO系统中的下行链路数据速率？
• RQ2 完整的路径衰落知识对信道估计精度和导频污染抑制有何影响？
• RQ3 在通过用户分组和正交PRS实现导频污染抑制后，MRT和ZF预编码方案在可实现数据速率和SINR方面有何对比？
• RQ4 能够最大化数据速率同时避免相干时间限制的最优导频序列数量（Kp）是多少？
• RQ5 当使用边缘用户正交PRS时，基站天线数量（M）的增加如何影响性能增益？

主要发现

• 当M = 256且K = 10时，随着分组参数τ的增加，可实现数据速率提升，尤其在使用正交PRS时更为显著。
• 使用3个正交导频序列（Kp = 3）的数据速率高于Kp = 1，证明了对边缘用户实施PRS复用的优势。
• ZF预编码相比MRT预编码实现更高的数据速率，因其具有更好的干扰抑制能力，尤其在高SINR条件下。
• 平均数据速率随Kp增加至某一程度（如Kp = 7）后开始下降，原因在于相干时间减少和导频开销增加。
• 所提方法通过用户分组和正交PRS实现更优的信道估计与干扰抑制，从而减少了导频污染带来的性能损失。
• 当M → ∞时，SINR和数据速率的下限显著提升，证实了正交PRS与路径衰落知识结合带来的渐近性能增益。