[论文解读] Coordinated Nonorthogonal Pilot Design for Massive MIMO.

Kaiming Shen, Hei Victor Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于分数规划的协作非正交导频设计，用于大规模MIMO系统，以最小化信道估计中的加权均方误差（MSE）。通过应用二次变换解耦导频污染效应，该方法在允许任意导频时可实现闭式导频优化，并在正交序列受限时退化为加权二分图匹配，显著提升了估计精度和数据速率公平性，优于现有最先进方法。

ABSTRACT

Pilot contamination is a limiting factor in multicell massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems because it can severely impair channel estimation. Prior works have suggested coordinating pilot design across cells in order to reduce the channel estimation error caused by pilot contamination. In this paper, we propose a method for coordinated pilot design using fractional programming to minimize the weighted mean squared-error (MSE) in channel estimation. In particular, we apply the recently proposed quadratic transform to the MSE expression which allows the effect of pilot contamination to be decoupled. The resulting problem reformulation enables the pilots to be optimized in closed form if they can be designed arbitrarily. When the pilots are restricted to a given set of orthogonal sequences, pilot optimization reduces to an assignment problem which can be solved by weighted bipartite matching. Furthermore, we consider the max-min fairness of data rates with orthogonal pilots and obtain an extension of the proposed method to correlated Rayleigh fading. Finally, simulations demonstrate the advantage of the proposed (orthogonal and nonorthogonal) pilot designs as compared with state-of-the-art methods in combating pilot contamination.

研究动机与目标

• 解决多小区大规模MIMO系统中的导频污染问题，该问题会降低信道估计精度。
• 通过协作导频设计最小化信道估计中的加权均方误差（MSE）。
• 利用二次变换解耦导频污染效应，实现闭式导频优化。
• 在正交导频约束下，将方法扩展至最大-最小公平性约束和相关瑞利衰落信道。
• 通过仿真验证，该方法在性能上优于现有最先进的导频设计技术。

提出的方法

• 使用分数规划公式化信道估计MSE最小化问题，以处理目标函数的非凸性。
• 对MSE表达式应用二次变换，实现导频污染效应的解耦并简化优化过程。
• 当导频向量未受限于预定义序列集合时，推导出导频向量的闭式解。
• 当导频被限制在给定正交序列集合时，将问题重新表述为加权二分图匹配问题。
• 将框架扩展至在正交导频分配下引入最大-最小公平性以优化数据速率。
• 通过将信道相关性结构融入优化过程，将方法适配至相关瑞利衰落信道。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过协作导频设计有效缓解多小区大规模MIMO系统中的导频污染？
• RQ2 在非正交导频分配下，能否通过可处理的优化框架最小化信道估计的加权MSE？
• RQ3 与现有最先进的导频设计技术相比，所提方法的性能增益如何？
• RQ4 在正交导频约束下，该方法的可扩展性如何？是否可适配以确保数据速率的最大-最小公平性？
• RQ5 在相关瑞利衰落环境中，该方法的有效性在多大程度上仍能保持？

主要发现

• 通过二次变换有效解耦导频污染效应，所提方法显著降低了信道估计误差。
• 当导频未受约束时，该方法可实现闭式最优导频设计，相比迭代方法提升了估计精度。
• 在正交导频约束下，问题退化为加权二分图匹配，实现了高效且最优的导频分配。
• 扩展至最大-最小公平性可确保用户间数据速率的均衡，尤其在小区边缘场景中具有显著优势。
• 仿真结果表明，无论是正交还是非正交导频设计，所提方法在抑制导频污染方面均优于现有最先进的方法。
• 在相关瑞利衰落信道下，该方法仍保持显著的性能增益，展现出对真实信道条件的强鲁棒性。