[论文解读] A Rate Splitting Strategy for Mitigating Intra-Cell Pilot Contamination in Massive MIMO

Christo Kurisummoottil Thomas, Bruno Clerckx+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用 15

一句话总结

该论文提出了一种单层速率复用（RS）策略，以缓解所有用户共享相同 pilot 序列的单小区大规模 MIMO 系统中的用户间 pilot 混叠问题。通过将消息划分为公共流和私有流，并对私有流采用最大比率预编码，对公共流采用基于加权信道估计的预编码器，该方案在高信噪比（SNR）下相比传统最大比率预编码实现了更高的频谱效率，数值结果表明其通过有效的干扰管理实现了非饱和的频谱效率增益。

ABSTRACT

The spectral efficiency (SE) of Massive MIMO (MaMIMO) systems is affected by low quality channel estimates. Rate-Splitting (RS) has recently gained some interest in multiuser multiple antenna systems as an effective means to mitigate the multi-user interference due to imperfect channel state information. This paper investigates the benefits of RS in the downlink of a single-cell MaMIMO system when all the users use the same pilot sequence for channel estimation. Novel expressions for the SE achieved in the downlink by a single-layer RS strategy (that relies on a single successive interference cancellation at each user side) are derived and used to design precoding schemes and power allocation strategies for common and private messages. Numerical results are used to show that the proposed RS solution achieves higher spectral efficiency that conventional MaMIMO with maximum ratio precoding.

研究动机与目标

• 解决所有用户使用相同 pilot 序列的单小区大规模 MIMO 系统中因 pilot 混叠导致的频谱效率（SE）下降问题。
• 设计一种速率复用（RS）策略，通过管理因 pilot 混叠导致的信道状态信息（CSI）不完美所引起的干扰，提升频谱效率。
• 推导在 RS 下的频谱效率闭式表达式，并提出一种在总发射功率约束下优化公共流与私有流功率分配的功率分配算法。
• 通过仿真证明，RS 相比传统最大比率预编码性能更优，尤其在高 SNR 下，实现非饱和的频谱效率增益。

提出的方法

• 针对单层 RS 方案，基于信道硬化边界，推导出公共流和私有流的下行链路频谱效率（SE）的新型闭式表达式。
• 对私有流应用最大比率（MR）预编码，对公共流预编码器采用所有用户信道估计的加权组合。
• 提出一种新型功率分配算法，在总发射功率约束下联合优化公共流与私有流之间的功率分配。
• 在每个用户处采用逐次干扰消除（SIC）过程：首先在将私有流视为噪声的前提下解码公共流，然后将其消除，再解码私有流。
• 采用凹近似技术处理频谱效率表达式非凹的特性，通过拉格朗日优化实现迭代功率分配。
• 利用矩阵迹和协方差性质，推导出涉及信道估计和预编码器的关键统计期望的解析表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 当所有用户共享相同 pilot 序列时，单层速率复用策略能否有效缓解大规模 MIMO 中的小区内 pilot 混叠问题？
• RQ2 在存在 pilot 混叠的情况下，所提出的 RS 方案的频谱效率与传统最大比率预编码相比如何？
• RQ3 在总功率约束下，公共流与私有流之间最优的功率分配策略是什么，以最大化和频谱效率？
• RQ4 RS 方案是否能在高 SNR 下实现非饱和的频谱效率？如果是，原因是什么？
• RQ5 在有限 M 的大规模 MIMO 系统中，RS 的性能如何随用户数和天线数的变化而变化？

主要发现

• 所提出的 RS 方案相比传统最大比率预编码，显著提升了频谱效率，尤其在高发射功率水平下。
• 在高 SNR 下，RS 的和频谱效率不会饱和，而传统 MaMIMO 会饱和，这是由于通过公共流实现了有效的干扰抑制。
• 当 M = 100 且 K = 10 时，在 20 dBm 发射功率下，RS 方案相比传统 MaMIMO 的和频谱效率最高可提升 30%。
• 随着用户数增加，性能增益逐渐减小，原因在于公共消息必须被所有用户成功解码，从而限制了公共速率。
• 采用 RS 的系统保持了更高的和 DoF（1 + (K−1)δ），相比传统 MaMIMO（Kδ），表明其具有更优的干扰管理能力。
• 所提出的功率分配算法成功收敛，并通过联合优化公共流与私有流功率，实现了接近最优的频谱效率。