[论文解读] Coded Pilot Access: A Random Access Solution for Massive MIMO Systems

Jesper H. Sørensen, Elisabeth de Carvalho+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用 6

一句话总结

本文提出了一种名为Coded Pilot Access（CPA）的新随机接入协议，适用于在人群场景中正交调度不可行的大规模MIMO系统。通过利用信道渐近正交性和功率不变性，CPA将导频污染建模为图码，并使用具有优化度分布的迭代置信传播来解决冲突，与时隙ALOHA相比，在400根天线时吞吐量提高36%，在1024根天线时提高85%。

ABSTRACT

We present a novel access protocol for crowd scenarios in massive MIMO (Multiple-input multiple-output) systems. Crowd scenarios are characterized by a large number of users with intermittent access behavior, whereby orthogonal scheduling is infeasible. In such scenarios, random access is a natural choice. The proposed access protocol relies on two essential properties of a massive MIMO system, namely asymptotic orthogonality between user channels and asymptotic invariance of channel powers. Signal processing techniques that take advantage of these properties allow us to view a set of contaminated pilot signals as a graph code on which iterative belief propagation can be performed. This makes it possible to decontaminate pilot signals and increase the throughput of the system. Numerical evaluations show that the proposed access protocol increases the throughput with 36%, when having 400 antennas at the base station, compared to the conventional method of slotted ALOHA. With 1024 antennas, the throughput is increased by 85%.

研究动机与目标

• 解决在人群场景中常见且密集间歇性用户流量下大规模MIMO系统中的随机接入挑战。
• 克服传统正交导频调度的局限性，后者因导频序列稀缺和用户竞争而变得不可行。
• 利用大规模MIMO的固有特性——信道正交性和信道硬化——实现对碰撞导频信号的可靠检测。
• 设计一种编码随机接入方案，将导频污染视为图码上的解码问题，实现迭代干扰消除。
• 优化系统参数（导频重复次数、帧结构、用户接入概率）以在现实约束下最大化频谱效率。

提出的方法

• 将随机接入用户的上行导频信号建模为图码，其中每个用户的导频传输为一个变量节点，每个时隙为一个校验节点。
• 在所得的或-与树上应用迭代置信传播，以估计发送的导频序列并解决因导频复用引起的冲突。
• 利用大规模MIMO中用户信道的渐近正交性以及信道功率的不变性，确保在存在干扰的情况下仍能可靠解码。
• 使用或-与树分析优化随机接入码的度分布，以最大化可实现吞吐量。
• 引入包含重复导频传输（冗余）的帧结构，以实现在同一数据包多个副本之间的连续干扰消除（SIC）。
• 调整关键参数，如时隙数τ、帧开销α和重复次数β，以在资源使用与解码性能之间取得平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模MIMO系统中的导频污染能否被建模为图码上的解码问题，以实现可靠的随机接入？
• RQ2 如何利用大规模MIMO的特性——特别是渐近信道正交性和信道硬化——来提升随机接入性能？
• RQ3 在存在导频碰撞和干扰的条件下，最大化吞吐量的编码随机接入方案的最优度分布是什么？
• RQ4 基站天线数量对所提方案相比传统ALOHA的性能增益有何影响？
• RQ5 在大规模MIMO环境中，将连续干扰消除（SIC）与编码导频接入结合时，系统吞吐量可提升多少？

主要发现

• 在400根基站天线时，所提出的Coded Pilot Access（CPA）方案相比时隙ALOHA将系统吞吐量提高了36%。
• 在1024根天线时，CPA相比ALOHA的吞吐量增益达到85%，显著缩小了与正规划定传输的性能差距。
• 最优重复次数β随天线数M增加而增加，表明由于信道正交性增强，SIC的可靠性得到提升。
• 最优时隙持续时间τ随M增加而增加，因为更高的M提升了SINR，使得在不牺牲解码性能的前提下可采用更长的τ。
• 使用码率为0.5的信道编码可支持更长的τ并提升SIC性能，尽管存在速率损失，但吞吐量仍高于非编码操作。
• CPA方案随M继续扩展，而ALOHA在M≈200时吞吐量趋于饱和（当R=0.5时），表明CPA在大规模MIMO环境中具有更优的可扩展性。