[论文解读] Design of Non-orthogonal and Noncoherent Massive MIMO for Scalable URLLC Beyond 5G

He Chen, Zheng Dong+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种非正交、非相干的大规模MIMO框架，用于太赫兹-5G系统中的可扩展超可靠低时延通信（sURLLC）。通过利用大规模阵列和一种新型可唯一分解的星座组（UDCG）差分调制方案，该框架在无需瞬时信道状态信息的情况下实现了可靠的用户信号分离，相较于传统的相干ZF和基于欧几里得距离的设计，其误码性能更优，尤其在小区边缘用户中表现突出。

ABSTRACT

This paper is to design and optimize a non-orthogonal and noncoherent massive multiple-input multiple-output (MIMO) framework towards enabling scalable ultra-reliable low-latency communications (sURLLC) in wireless systems beyond 5G. In this framework, the huge diversity gain associated with the large-scale antenna array in massive MIMO systems is leveraged to ensure ultrahigh reliability. To reduce the overhead and latency induced by the channel estimation process, we advocate the noncoherent communication technique which does not need the knowledge of instantaneous channel state information (CSI) but only depends on the large-scale fading coefficients for information decoding. To boost the scalability of the system considered, we enable the non-orthogonal channel access of multiple users by devising a new differential modulation scheme to assure that each transmitted signal matrix can be uniquely determined in the noise-free case and be reliably estimated in noisy cases when the antenna array size is scaled up. The key idea is to make the transmitted signals from multiple users be superimposed properly over the air such that when the sum-signal is correctly detected, the signals sent by all users can be uniquely determined. To further improve the average error performance when the array antenna number is large, we propose a max-min Kullback-Leibler (KL) divergence-based design by jointly optimizing the transmitted powers of all users and the sub-constellation assignment among them. Simulation results show that the proposed design significantly outperforms the existing max-min Euclidean distance-based counterpart in terms of error performance. Moreover, our proposed approach also has a better error performance than the conventional coherent zero-forcing (ZF) receiver with orthogonal channel training, particularly for cell-edge users.

研究动机与目标

• 为太赫兹-5G无线网络中的超可靠低时延通信（URLLC）提供可扩展性、可靠性和低时延支持。
• 通过仅依赖大尺度衰落系数的非相干通信，消除大规模MIMO中基于导频的信道估计需求。
• 在大规模MIMO系统中实现非正交多址接入（NOMA），并通过新型差分调制方案确保接收端可唯一恢复信号。
• 通过联合设计用户功率分配与子星座分配，利用最大-最小Kullback-Leibler（KL）散度准则优化系统性能。
• 在高速移动和高衰落环境中，提升现有方法的误码性能，尤其针对小区边缘用户。

提出的方法

• 提出一种非相干大规模MIMO框架，仅基于大尺度衰落系数进行信号解调，消除导频开销并降低时延。
• 设计一种基于新型可唯一分解星座组（UDCG）的差分调制方案，确保接收端可从叠加和信号中唯一恢复各用户信号。
• 采用基于最大-最小KL散度的优化方法，联合分配用户发射功率与子星座，最大化所有用户中最小可靠性。
• 推导出在无噪声情况下，信号矩阵可唯一解码的理论条件，并证明在噪声条件下，随着阵列规模增大，其仍具有鲁棒可估性。
• 采用矩阵分解方法，将信号协方差矩阵表示为 $ \mathbf{R} = \mathbf{X}_T^H \mathbf{D} \mathbf{X}_T $，在UDCG条件下确保 $ \mathbf{X}_T $ 的唯一性。
• 证明所提出的UDCG可确保不同信号矩阵产生不同的似然函数，从而实现可靠的最大似然检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接收端无信道状态信息的情况下，非相干大规模MIMO结合非正交接入能否实现可扩展、超可靠且低时延的通信？
• RQ2 在大规模天线阵列的非相干大规模MIMO系统中，如何从叠加和信号中唯一恢复用户信号？
• RQ3 在非相干大规模MIMO系统中，何种最优功率分配与星座分配策略可最大化最小用户可靠性？
• RQ4 与传统的最大-最小欧几里得距离设计相比，所提出的基于最大-最小KL散度的设计在误码性能方面表现如何？
• RQ5 与采用正交训练的相干零 forcing（ZF）接收机相比，该框架在性能上有多大的提升，尤其是在小区边缘用户方面？

主要发现

• 所提出的基于UDCG的非相干大规模MIMO系统在无噪声情况下可实现唯一信号恢复，并在噪声条件下随着天线数量增加实现可靠估计。
• 基于最大-最小KL散度的设计在误码性能方面显著优于传统的最大-最小欧几里得距离设计，尤其在高信噪比条件下。
• 仿真结果表明，所提方案在误码性能上优于传统相干ZF接收机（采用正交训练），尤其在遭受高路径损耗和干扰的小区边缘用户中表现更优。
• 该框架通过非相干检测实现低导频开销和低时延操作，支持大规模连接，从而实现可扩展的sURLLC。
• 理论分析证明，在UDCG条件下，信号矩阵 $ \mathbf{X}_T $ 可由协方差矩阵 $ \mathbf{R} $ 唯一确定，确保了可靠检测。
• 优化框架通过最大化所有用户中的最小可靠性，保障了公平性，增强了在异构信道条件下的鲁棒性。