[论文解读] Experimental Performance Evaluation of Cell-free Massive MIMO Systems Using COTS RRU with OTA Reciprocity Calibration and Phase Synchronization

Yang Cao, Pan Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2022

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种基于商用现成（COTS）RRU的无绳（OTA）互易性校准框架，用于无蜂窝大规模MIMO系统，通过频域导频信号和基于遗传算法的RRU分组方法，实现精确的下行链路信道状态信息（CSI）估计。主要贡献在于构建了一个原型系统，展示了在存在校准延迟和相位漂移情况下的鲁棒性能，且在数据流受限时，本地预编码对延迟表现出不敏感性。

ABSTRACT

Downlink coherent multiuser transmission is an essential technique for cell-free massive multiple-input multiple output (MIMO) systems, and the availability of channel state information (CSI) at the transmitter is a basic requirement. To avoid CSI feedback in a time-division duplex system, the uplink channel parameters should be calibrated to obtain the downlink CSI due to the radio frequency circuit mismatch of the transceiver. In this paper, a design of a reference signal for over-the-air reciprocity calibration is proposed. The frequency domain generated reference signals can make full use of the flexible frame structure of the fifth generation (5G) new radio, which can be completely transparent to commercial off-the-shelf (COTS) remote radio units (RRUs) and commercial user equipments. To further obtain the calibration of multiple RRUs, an interleaved RRU grouping with a genetic algorithm is proposed, and an averaged Argos calibration algorithm is also presented. We develop a cell-free massive MIMO prototype system with COTS RRUs, demonstrate the statistical characteristics of the calibration error and the effectiveness of the calibration algorithm, and evaluate the impact of the calibration delay on the different cooperative transmission schemes.

研究动机与目标

• 为解决无蜂窝大规模MIMO系统中无CSI反馈的下行链路CSI获取挑战。
• 克服分布式RRU部署中射频硬件失配引起的互易性破坏问题。
• 开发一种与5G NR帧结构兼容的透明、COTS兼容的校准方法。
• 在真实原型系统中评估校准延迟和相位漂移对联合预编码与本地预编码方案的影响。

提出的方法

• 设计了一种用于OTA互易性校准的频域导频信号，完全透明于COTS用户设备（UE）和RRU。
• 引入一种平均Argos校准算法，用于基于分组的RRU校准，具有低复杂度。
• 采用交错RRU分组与遗传算法结合，以优化分布式RRU的校准性能。
• 使用5G COTS RRU实现无蜂窝大规模MIMO测试平台，并支持实时信道估计。
• 采用联合预编码（JP-RZF）与本地预编码（L-RZF）进行性能对比，评估校准延迟的影响。
• 基于原型系统实测数据，对校准误差与相位漂移影响进行统计分析。

Figure 1: Configuration of a special slot for OTA reciprocity calibration. D, U and G denote the states in the OFDM symbol for the transmitting, receiving and guard periods, respectively.

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不修改商用设备的前提下，实现COTS基础无蜂窝大规模MIMO系统中OTA互易性校准的透明化？
• RQ2 校准延迟对分布式CF-mMIMO中联合预编码与本地预编码方案频谱效率的影响是什么？
• RQ3 RRU之间的相位漂移如何影响系统性能，尤其是在本地预编码下？
• RQ4 基于分组的校准方法结合遗传算法优化，能否实现足够高的精度以支持实际部署？
• RQ5 在何种条件下，本地预编码对校准延迟和硬件失配表现出鲁棒性？

主要发现

• 原型系统在相位漂移范围为(−π/6, π/6)时实现了稳定校准，高信噪比下仅导致0.3 dB SNR损失和约0.1 bps/Hz的频谱效率（SE）下降。
• 当数据流数量小于或等于每个RRU的天线数时，本地预编码（L-RZF）对校准延迟表现出鲁棒性。
• 联合预编码（JP-RZF）对校准延迟高度敏感，尤其当数据流数量接近最大空间自由度时。
• 在20 ms校准延迟条件下，JP-RZF与L-RZF之间的性能差距极小，表明L-RZF在实际延迟条件下仍能保持稳定性能。
• 在高校准延迟下，基于EDU的L-RZF优于JP-RZF，表明局部化处理可有效缓解延迟引起的性能损失。
• 平均Argos校准算法在多RRU校准中实现了复杂度与精度之间的良好权衡。

Figure 3: Two-symbol CARS.