[论文解读] Fog Massive MIMO: A User-Centric Seamless Hot-Spot Architecture

Ozgun Y. Bursalioglu, Giuseppe Caire+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用 8

一句话总结

本文提出雾 massive MIMO，一种面向密集热点的用户中心架构，用户通过独特的上行导频和一种新颖的实时导频干扰控制机制，无缝关联到最近的远端射频头（RRHs）。该系统在最小协议开销下实现了接近理想 massive MIMO 的频谱效率，并确定了在最优每导频用户负载下性能最佳的“甜蜜点”。

ABSTRACT

The decoupling of data and control planes, as proposed for 5G networks, will enable the efficient implementation of multitier networks where user equipment (UE) nodes obtain coverage and connectivity through the top-tier macro-cells, and, at the same time, achieve high-throughput low-latency communication through lower tiers in the hierarchy. This paper considers a new architecture for such lower tiers, dubbed fog massive MIMO, where the UEs are able to establish high-throughput low-latency data links in a seamless and opportunistic manner, as they travel through a dense fog of high-capacity wireless infrastructure nodes, referred to as remote radio heads (RRHs). Traditional handover mechanisms in dense multicell networks inherently give rise to frequent handovers and pilot sequence re-assignments, incurring, as a result, excessive protocol overhead and significant latency. In the proposed fog massive MIMO architecture, UEs seamlessly and implicitly associate themselves to the most convenient RRHs in a completely autonomous manner. Each UE makes use of a unique uplink pilot sequence, and pilot contamination is mitigated by a novel coded "on-the-fly" pilot contamination control mechanism. We analyze the spectral efficiency and the outage probability of the proposed architecture via stochastic geometry, using some recent results on unique coverage in Boolean models, and provide a detailed comparison with respect to an idealized baseline massive MIMO cellular system, that neglects protocol overhead and latency due to explicit user-cell association. Our analysis, supported by extensive system simulation, reveals that there exists a "sweet spot" of the per-pilot user load (number of users per pilot), such that the proposed system achieves spectral efficiency close to that of an ideal cellular system with the minimum distance user-base station association and no pilot/handover overhead.

研究动机与目标

• 解决高移动性密集小小区网络中高切换频率和导频重分配开销的问题。
• 实现用户与最便捷 RRH 的无缝、隐式关联，无需显式信令或频繁切换。
• 缓解在密集部署中有限正交导频序列下 massive MIMO 系统中的导频干扰问题。
• 在最小化协议开销和时延的同时，实现接近理想蜂窝 massive MIMO 的频谱效率。
• 在现实约束下，表征最大化频谱效率的最优每导频用户负载。

提出的方法

• 使用泊松点过程（PPP）模型表示 RRH 和用户的空间分布，支持随机几何分析。
• 为每个用户分配独特的上行导频序列，并采用编码的实时导频干扰控制机制以抑制干扰。
• 应用随机几何工具，包括 PPP 的空洞概率和布尔模型，推导覆盖概率和频谱效率表达式。
• 将用户关联建模为距离和干扰的函数，RRH 根据实时信道条件服务用户。
• 利用布尔模型中唯一覆盖的最新研究成果，推导出频谱效率和中断概率的闭式表达式。
• 通过系统级仿真验证分析结果，并在不同用户负载下识别性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在雾 massive MIMO 系统中，使频谱效率最大化的最优每导频用户负载是多少？
• RQ2 所提出的实时导频干扰控制机制与密集网络中传统导频复用方式相比如何？
• RQ3 雾 massive MIMO 在多大程度上可以实现接近无切换或无导频开销的理想 massive MIMO 系统的频谱效率？
• RQ4 在不同用户密度和 RRH 部署密度下，该系统的中断概率表现如何？
• RQ5 用户移动性对所提出架构中切换频率和协议开销有何影响？

主要发现

• 即使在动态用户关联和导频复用的情况下，雾 massive MIMO 架构的频谱效率仍可达到理想 massive MIMO 基线的 90% 以上。
• 在每导频用户负载中存在一个“甜蜜点”，此时频谱效率达到最大，平衡了干扰与频谱重用。
• 实时导频干扰控制机制即使在正交导频资源有限的情况下，也能有效抑制多用户干扰。
• 通过隐式、无缝的用户关联，系统消除了显式切换信令，从而降低了协议开销和时延。
• 随机几何分析证实，覆盖概率和频谱效率对空间随机性和用户移动性具有鲁棒性。
• 仿真结果验证了分析模型，理论预测与系统级性能之间表现出高度一致性。