[论文解读] Achievable Rates of FDD Massive MIMO Systems with Spatial Channel Correlation

Zhiyuan Jiang, Andreas F. Molisch+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文针对具有空间相关信道的FDD大规模MIMO系统，提出基于特征空间的训练序列与反馈码本设计，利用信道相关性以降低信道状态信息反馈（CSIT）获取开销。该方法在i.i.d. FDD系统基础上实现显著速率增益，并显著缩小与TDD大规模MIMO系统的性能差距，尤其在强相关性与中等规模天线数条件下表现优异，且在高相干性与高角扩展场景下优于JSDM方案。

ABSTRACT

It is well known that the performance of frequency-division-duplex (FDD) massive MIMO systems with i.i.d. channels is disappointing compared with that of time-division-duplex (TDD) systems, due to the prohibitively large overhead for acquiring channel state information at the transmitter (CSIT). In this paper, we investigate the achievable rates of FDD massive MIMO systems with spatially correlated channels, considering the CSIT acquisition dimensionality loss, the imperfection of CSIT and the regularized-zero-forcing linear precoder. The achievable rates are optimized by judiciously designing the downlink channel training sequences and user CSIT feedback codebooks, exploiting the multiuser spatial channel correlation. We compare our achievable rates with TDD massive MIMO systems, i.i.d. FDD systems, and the joint spatial division and multiplexing (JSDM) scheme, by deriving the deterministic equivalents of the achievable rates, based on popular channel models. It is shown that, based on the proposed eigenspace channel estimation schemes, the rate-gap between FDD systems and TDD systems is significantly narrowed, even approached under moderate number of base station antennas. Compared to the JSDM scheme, our proposal achieves dimensionality-reduction channel estimation without channel pre-projection, and higher throughput for moderate number of antennas and moderate to large channel coherence time, though at higher computational complexity.

研究动机与目标

• 解决因CSI反馈获取导致FDD大规模MIMO系统导频开销过高的问题，该问题严重限制了其性能与TDD系统的对比优势。
• 利用空间信道相关性以降低CSIT反馈与训练的维度，从而最小化资源开销。
• 设计基于多用户空间相关性的最优下行链路训练序列与用户反馈码本，以提升速率性能。
• 证明当空间相关性被合理利用时，FDD大规模MIMO系统可实现接近TDD系统性能的速率表现。
• 与JSDM及i.i.i.d. FDD系统进行性能对比，验证在高相干性与高角扩展环境下的优势。

提出的方法

• 提出利用信道相关矩阵主特征向量结构的特征空间信道估计算法，以挖掘信道的空间相关性特征。
• 设计适配于空间相关性结构的下行链路训练序列，以最小化估计误差并降低训练开销。
• 提出一种非对称反馈码本设计，对相关矩阵特征空间中的等效信道进行量化，从而降低反馈维度。
• 采用正则化迫零（RZF）预编码以抑制多用户干扰，同时考虑非理想CSI的反馈影响。
• 基于随机矩阵理论，推导在空间相关衰落信道下可实现速率的确定性等价表达式，实现可分析的性能评估。
• 提出一种无需信道预投影的降维方法，与JSDM方案不同，可实现对特征空间的直接反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用空间信道相关性来降低FDD大规模MIMO系统中CSIT反馈与训练的开销？
• RQ2 当空间相关性被有效利用时，FDD大规模MIMO系统在多大程度上可实现与TDD大规模MIMO系统相当的速率性能？
• RQ3 所提出的基于特征空间的训练与反馈方案与JSDM相比，在吞吐量与复杂度方面有何差异？
• RQ4 信道相干时间与角扩展对所提方案性能有何影响？
• RQ5 在有限反馈条件下，利用信道相关矩阵（二阶统计特性）是否能显著提升FDD大规模MIMO系统的可实现速率？

主要发现

• 所提出的基于特征空间的训练与反馈设计显著缩小了FDD与TDD大规模MIMO系统之间的速率差距，尤其在强空间相关性与中等规模基站天线数条件下表现突出。
• 当信道相关性强且基站天线数不过大时，FDD系统的可实现和速率甚至可超过TDD系统。
• 与JSDM方案相比，所提方法在中等到大相干时间与大角扩展场景下实现更高的频谱效率，但代价是更高的计算复杂度。
• 该方案可在不进行信道预投影的前提下实现信道估计的降维，相较于JSDM方案，实现更简单、更直接。
• 数值结果表明，与i.i.d. FDD系统相比，该方案实现显著的速率增益，验证了在FDD大规模MIMO中利用空间相关性的有效性。
• 当信道相关矩阵估计准确且用户数相对于基站天线数较小时，性能增益最为显著。