[论文解读] Cell-Free Massive MIMO with Channel Aging and Pilot Contamination

Jiakang Zheng, Jiayi Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文研究了在信道老化与 pilot 污染条件下的无蜂窝大规模 MIMO 系统，提出了一种信道估计算法，并推导出大规模衰落检测（LSFD）与匹配滤波（MF）接收机的上行链路频谱效率（SE）闭式表达式。结果表明，无论在静态还是高速移动场景下，无蜂窝大规模 MIMO 均优于小型蜂窝系统，对信道老化具有更强的鲁棒性，并在频谱效率增益方面表现更优，尤其在分数功率控制（FPC）下更为显著。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the impact of channel aging on the performance of cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems with pilot contamination. To take into account the channel aging effect due to user mobility, we first compute a channel estimate. We use it to derive novel closed-form expressions for the uplink spectral efficiency (SE) of CF massive MIMO systems with large-scale fading decoding and matched-filter receiver cooperation. The performance of a small-cell system is derived for comparison. It is found that CF massive MIMO systems achieve higher 95\%-likely uplink SE in both low- and high-mobility conditions, and CF massive MIMO is more robust to channel aging. Fractional power control (FPC) is considered to compensate to limit the inter-user interference. The results show that, compared with full power transmission, the benefits of FPC are gradually weakened as the channel aging grows stronger.

研究动机与目标

• 分析信道老化对存在 pilot 污染的无蜂窝大规模 MIMO 系统的影响。
• 在真实的移动性条件下，比较无蜂窝大规模 MIMO 与传统小型蜂窝系统的上行链路频谱效率（SE）。
• 评估分数功率控制（FPC）在信道老化条件下抑制用户间干扰的有效性。
• 推导在存在信道老化时，采用大规模衰落检测（LSFD）与匹配滤波（MF）接收的上行链路 SE 的新型闭式表达式。
• 量化无蜂窝大规模 MIMO 对用户移动引起的时变信道的鲁棒性。

提出的方法

• 将信道建模为具有初始状态与创新分量的时间相关瑞利衰落过程，以捕捉信道老化效应。
• 提出一种信道估计算法，利用不同时隙之间信道状态的相关性，提升估计精度。
• 在时变信道条件下，推导出使用大规模衰落检测（LSFD）与匹配滤波（MF）接收机的上行链路 SE 闭式表达式。
• 通过建模由同一接入点（AP）服务的不同用户之间信道估计的相关性，引入 pilot 污染效应。
• 应用分数功率控制（FPC）以降低用户间干扰，并在不同信道老化条件下评估其性能增益。
• 利用随机几何与统计信道状态信息，计算可达速率的期望值，以考虑时变的信道统计特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 信道老化如何影响存在 pilot 污染的无蜂窝大规模 MIMO 系统的上行链路频谱效率？
• RQ2 在低速与高速移动条件下，无蜂窝大规模 MIMO 的性能与传统小型蜂窝系统相比如何？
• RQ3 在存在信道老化时，分数功率控制（FPC）对系统性能有何影响？
• RQ4 无蜂窝大规模 MIMO 对信道老化的鲁棒性与小型蜂窝系统相比如何？
• RQ5 在时间相关衰落条件下，无蜂窝大规模 MIMO 采用 LSFD 与 MF 接收时，上行链路 SE 的闭式表达式是什么？

主要发现

• 在低速与高速移动场景下，无蜂窝大规模 MIMO 均实现了比小型蜂窝系统更高的 95% 可靠上行链路频谱效率。
• 无蜂窝大规模 MIMO 对信道老化更具鲁棒性，在用户移动性增加时仍能保持更优性能。
• 分数功率控制（FPC）可降低用户间干扰，但其性能增益随信道老化加剧而减弱。
• 推导出的上行链路 SE 闭式表达式准确，且能同时考虑时相关信道变化、pilot 污染与接收机类型（LSFD 与 MF）。
• 在信道老化存在时，LSFD 接收机相比 MF 接收机在 95% 可靠每用户 SE 上实现了两倍增益。
• 随着信道老化加剧，FPC 与全功率传输之间的性能差距缩小，表明在高速移动下功率控制的增益呈递减趋势。