[论文解读] Asymptotic Coverage Probability and Rate in Massive MIMO Networks

Tianyang Bai, Robert W. Heath|arXiv (Cornell University)|May 10, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 6被引用 31

一句话总结

本文分析了泊松分布基站的大规模MIMO网络中的渐近覆盖概率和频谱效率，表明尽管存在 pilot contamination，下行链路和上行链路每个用户的速率仍能随大规模阵列而有利地增长。通过随机几何和大系统分析，推导出覆盖和速率的闭式表达式，证明大规模MIMO在随机蜂窝部署中显著优于单天线系统。

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is a transmission technique for cellular systems that uses many antennas to support not-as-many users. Thus far, the performance of massive MIMO has only been examined in finite cellular networks. In this letter, we analyze its performance in random cellular networks with Poisson distributed base station locations. Specifically, we provide analytical expressions for the asymptotic coverage probability and rate in both downlink and uplink when each base station has a large number of antennas. The results show that, though limited by pilot contamination, massive MIMO can provide significantly higher asymptotic data rate per user than the single-antenna network.

研究动机与目标

• 分析大规模MIMO在随机分布基站的大规模蜂窝网络中的性能。
• 表征在泊松基站部署下，下行链路和上行链路的渐近覆盖概率和频谱效率。
• 量化在大规模天线系统中 pilot contamination 对性能的影响。
• 利用随机几何和大系统极限，推导出覆盖和速率的可处理解析表达式。

提出的方法

• 将基站建模为密度为 λb 的齐次泊松点过程（PPP）。
• 假设TDD制式，上下行链路均采用 pilot 重用和匹配滤波波束成形。
• 使用大系统分析表明，当 M → ∞ 时，归一化为 M² 的干扰功率几乎必然收敛到一个确定性函数。
• 应用Campbell公式和大数定律，推导出干扰项的收敛性。
• 通过计算SIR倒数的拉普拉斯变换，求得下行链路覆盖概率。
• 表征每小区的渐近和速率与信道相干时间成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 当 M → ∞ 时，泊松分布基站的大规模MIMO网络中，覆盖概率的行为如何？
• RQ2 在 pilot contamination 下，上下行链路每个用户的渐近频谱效率是多少？
• RQ3 pilot contamination 的存在如何影响大规模大规模MIMO系统的渐近性能？
• RQ4 能否利用随机几何推导出随机蜂窝部署中覆盖和速率的可处理解析表达式？

主要发现

• 渐近下行链路覆盖概率收敛到仅依赖于到干扰源距离的确定性函数，与天线数 M 无关。
• 即使存在 pilot contamination，大规模MIMO的每个用户渐近频谱效率也显著高于单天线系统。
• 每小区的渐近和速率与信道相干时间成线性比例，表明大 M 带来了根本性的性能增益。
• pilot contamination 限制了性能，但由于阵列增益和干扰抑制，大规模MIMO仍能实现高 spectral efficiency。
• 当 M → ∞ 时，归一化为 M² 的干扰功率几乎必然收敛到一个确定值，从而实现了可处理的分析。