[论文解读] Structured Massive Access for Scalable Cell-Free Massive MIMO Systems

Shuaifei Chen, Jiayi Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种可扩展的结构化大规模接入框架，用于无蜂窝大规模MIMO系统，整合了初始接入、导频分配、部分大尺度衰落解码（P-LSFD）及分数功率控制。与最优解码相比，该框架在K=60时仅损失1.7%的性能，同时通过用户中心的导频分配与功率控制策略，显著提升了公平性与可扩展性，实现了高 spectral efficiency。

ABSTRACT

How to meet the demand for increasing number of users, higher data rates, and stringent quality-of-service (QoS) in the beyond fifth-generation (B5G) networks? Cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO) is considered as a promising solution, in which many wireless access points cooperate to jointly serve the users by exploiting coherent signal processing. However, there are still many unsolved practical issues in cell-free massive MIMO systems, whereof scalable massive access implementation is one of the most vital. In this paper, we propose a new framework for structured massive access in cell-free massive MIMO systems, which comprises one initial access algorithm, a partial large-scale fading decoding (P-LSFD) strategy, two pilot assignment schemes, and one fractional power control policy. New closed-form spectral efficiency (SE) expressions with maximum ratio (MR) combining are derived. The simulation results show that our proposed framework provides high SE when using local partial minimum mean-square error (LP-MMSE) and MR combining. Specifically, the proposed initial access algorithm and pilot assignment schemes outperform their corresponding benchmarks, P-LSFD achieves scalability with a negligible performance loss compared to the conventional optimal large-scale fading decoding (LSFD), and scalable fractional power control provides a controllable trade-off between user fairness and the average SE.

研究动机与目标

• 解决在用户密度高且导频资源有限的情况下，无蜂窝大规模MIMO系统中的可扩展性挑战。
• 克服在K ≈ L的结构化大规模接入场景中出现的导频污染与干扰问题。
• 设计一种实用且可扩展的框架，用于初始接入、导频分配与功率控制，同时保持高谱效率与用户公平性。
• 在K → ∞时，确保每个接入点（AP）的信号处理具有有限复杂度，从而保障实际部署的可行性。
• 推导最大比合并（MR）下的闭式谱效率表达式，以支持系统设计与分析。

提出的方法

• 提出一种新型初始接入算法，使每个用户能被尽可能多的AP服务，同时保持可扩展性。
• 引入部分大尺度衰落解码（P-LSFD）策略，在与最优LSFD相比性能损失可忽略的前提下，显著降低计算复杂度。
• 基于用户几何分布与聚类关系，设计两种新型导频分配方案——用户分组（User-Group）与IB-KM，以最小化用户间干扰。
• 开发一种可扩展的分数功率控制策略，以在谱效率与用户公平性之间实现平衡。
• 推导在瑞利衰落信道下最大比合并（MR）的新型闭式谱效率表达式，并通过仿真验证其有效性。
• 采用线性最小均方误差（LP-MMSE）与最大比合并（MR）进行性能评估，并开展理论分析与仿真结果的对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 当用户数K趋近于AP数L时，如何在无蜂窝大规模MIMO系统中实现结构化大规模接入的可扩展性？
• RQ2 与最优LSFD相比，所提出的P-LSFD策略在多大程度上降低了复杂度，同时保持了谱效率？
• RQ3 在高密度场景下，不同导频分配方案如何影响用户公平性与谱效率？
• RQ4 所提出的分数功率控制策略在用户公平性与平均谱效率之间存在何种权衡？
• RQ5 所推导的MR合并闭式谱效率表达式与仿真结果相比，其紧致性如何？

主要发现

• 在K=60时，所提出的P-LSFD策略的95%保证谱效率仅比最优LSFD低1.7%，表明其在可扩展性方面性能损失可忽略。
• 在K=100时，用户分组导频分配方案相比GB-KM方案，将95%保证谱效率提升了22.4%，显著优于其他方案。
• 在K=100时，IB-KM导频分配方案相比GB-KM方案，将95%保证谱效率提升了5.9%，表明其在干扰管理方面表现更优。
• 在K=100时，用户分组方案相比可扩展方案，将95%保证谱效率提升了8.1%，凸显其在高密度场景下的用户中心优势。
• 为MR合并推导的谱效率表达式与仿真结果高度吻合，验证了其在系统设计中的准确性。
• 所提出的分数功率控制策略实现了用户公平性与平均谱效率之间的可控权衡，显著提升了系统的适应能力。