[论文解读] A Novel Heap-based Pilot Assignment for Full Duplex Cell-Free Massive MIMO with Zero-Forcing

Hieu V. Nguyen, Van‐Dinh Nguyen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 20被引用 16

一句话总结

本文提出了一种用于全双工协同大规模MIMO系统的新型基于堆的导频分配算法，结合零 forcing预编码，有效降低了导频污染和计算复杂度。通过在信道状态信息（CSI）不确定性下联合优化功率控制与接入点-用户设备（AP-UE）关联，该方法显著提升了频谱效率和信道估计质量，在高用户设备场景下相比现有半双工（HD）与全双工（FD）方案最高提升达9 bit/s/Hz。

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.

研究动机与目标

• 解决全双工协同大规模MIMO（FD CF-mMIMO）系统中导频资源受限下的导频污染与高训练复杂度问题。
• 设计一种低复杂度的鲁棒传输方案，联合优化在信道状态信息（CSI）不确定性下的功率控制与AP-UE关联。
• 通过利用全双工能力与结构化导频分配，提升FD CF-mMIMO系统的频谱效率（SE）与信道估计精度。
• 实现动态AP-UE关联，使AP可在全双工与半双工模式间切换，以最大化系统性能。

提出的方法

• 设计一种基于堆的导频分配算法，通过根据信道质量与干扰水平智能分配导频序列，有效最小化导频污染。
• 系统模型采用时分双工（TDD）机制，全双工多天线AP在同一资源上同时服务上行与下行用户设备。
• 将鲁棒频谱效率最大化问题建模为混合整数非凸规划问题，引入二值变量表示AP-UE关联，连续变量表示功率控制。
• 通过利用最优解的结构特性，将问题转化为更易处理的形式，进而通过内逼近（IA）方法高效求解。
• 所提出的基于IA的迭代算法具有多项式时间复杂度，使其可扩展至大规模AP与UE数量。
• 采用零 forcing（ZF）预编码与合并技术以抑制用户间干扰，同时通过鲁棒设计考虑CSI误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在导频资源有限的FD CF-mMIMO系统中，如何有效缓解导频污染？
• RQ2 导频分配结构对FD CF-mMIMO系统中信道估计质量与频谱效率有何影响？
• RQ3 能否在CSI不确定性下，通过低复杂度鲁棒设计联合优化功率控制与AP-UE关联？
• RQ4 所提出的基于堆的导频分配相较于随机或半双工（HD）导频分配，在频谱效率与估计精度方面表现如何？
• RQ5 在真实FD CF-mMIMO部署中，所提出的鲁棒ZF设计相比非鲁棒与现有方案的性能增益如何？

主要发现

• 当K=L>τ时，所提出的基于堆的导频分配相较于半双工（HD）方案，分别在τ=2与τ=8时将归一化均方误差（MSE）降低约5 dB与7 dB。
• 在K=L=20时，Heap-FD方案相比Rand-FD方案实现高达9 bit/s/Hz的频谱效率增益，表现出显著性能提升。
• 结合功率控制与AP-UE关联的鲁棒设计在CSI误差条件下仍能提升频谱效率，优于非鲁棒与现有方法。
• 服务图可视化结果表明，AP-UE关联动态且有利，基于信道质量形成强连接，AP更倾向于与邻近或高信道增益的用户设备关联。
• 基于内逼近的迭代算法实现多项式计算复杂度，使该方案在大规模AP与UE数量下仍具备可扩展性。
• 所提方法支持AP在全双工与半双工模式间切换，提升了系统灵活性与在真实信道条件下的性能表现。