[论文解读] BER Analysis of Multi-Cellular MIMO Systems with Increasing Number of BS Antennas

José Carlos Marinello, Taufik Abrão|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 22被引用 6

一句话总结

本文分析了在基站（BS）天线数量增加时，多小区大规模MIMO系统中误比特率（BER）性能的表现。结果表明，即使在天线数量趋于无穷大时， pilot contamination 仍然是主要的限制因素，尽管大规模阵列带来了有利的信道硬化和阵列增益。

ABSTRACT

In this work, salient characteristics of a wireless communication system deploying a great number of antennas in the base station (BS), namely Massive MIMO system, are investigated. In particular, we found a simple and meaningful relationship that corroborates a fundamental assumption in recent related works: according the number of BS antennas $N$ grows, the product of the small-scale fading channel matrix with its conjugate transpose tends to a scaled identity, with a variability measure inversely proportional to $N$. Furthermore, analysis of the Massive MIMO system downlink is carried out from a bit-error-rate (BER) performance viewpoint, including some realistic adverse effects, such as interference from neighboring cells, channel estimation errors due to background thermal noise, and pilot contamination, which was recently shown to be the only impairment that remains in the MIMO multicell system with infinite number of BS antennas. Our numerical result findings show that, in the same way as with the sum capacity, the pilot contamination also limits the BER performance of a noncooperative multi-cell MIMO system with infinite number of BS antennas.

研究动机与目标

• 研究基站（BS）天线数量增加对多小区MIMO系统中BER性能的影响。
• 分析大规模MIMO下行链路传输中的实际损伤，如小区间干扰、信道估计误差和pilot contamination。
• 验证基本假设：随着N增大，信道矩阵与其共轭转置的乘积收敛于一个缩放的单位矩阵。
• 确定在天线数量趋于无穷的条件下，pilot contamination 是否仍然是限制因素。

提出的方法

• 推导当基站天线数量 $ N \to \infty $ 时，信道矩阵乘积 $ \textbf{H} \textbf{H}^H $ 的渐近行为，表明其收敛于一个缩放的单位矩阵。
• 在多小区大规模MIMO系统中，建立包含实际损伤（如小区间干扰、热噪声和pilot contamination）的下行链路传输模型。
• 使用统计信道模型，分析由背景热噪声引起的信道估计误差的影响。
• 应用大系统分析技术，评估在N不断增加时的BER性能，重点关注pilot contamination的残余影响。
• 量化有效信道增益的变异性与 $ N $ 成反比，支持信道硬化假设。
• 通过数值仿真评估不同pilot contamination水平和 $ N $ 下的BER性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着基站天线数量 $ N $ 增加，小尺度衰落信道矩阵与其共轭转置的乘积如何变化？
• RQ2 在一个非协作多小区大规模MIMO系统中，当基站天线数量趋于无穷大时，pilot contamination 对BER性能有何影响？
• RQ3 由热噪声引起的信道估计误差如何影响大规模MIMO系统的BER性能？
• RQ4 即使在阵列增益和信道硬化存在的情况下，在 $ N \to \infty $ 的渐近区域，pilot contamination 是否仍然是主要损伤？

主要发现

• 随着基站天线数量 $ N $ 增加，乘积 $ \textbf{H} \textbf{H}^H $ 收敛于一个缩放的单位矩阵，且有效信道增益的变异性与 $ N $ 成反比。
• 结果表明，pilot contamination 是在 $ N \to \infty $ 极限下唯一持续存在的损伤，即使其他损伤（如热噪声和小区间干扰）被消除。
• BER性能从根本上受到pilot contamination的限制，即使在 $ N \to \infty $ 的渐近区域，这与性能可无限提升的预期相矛盾。
• 分析证实，信道硬化和有效干扰抑制的假设在渐近条件下成立，但pilot contamination 仍是关键瓶颈。
• 数值结果表明，由于pilot contamination的持续影响，BER不会随着 $ N $ 增加而趋近于零。
• 本研究验证了和容量的标度行为可扩展至BER性能，其中pilot contamination 设定了一个根本的性能下限。