[论文解读] Humans and Machines can be Jointly Spatially Multiplexed by Massive MIMO

Kamil Şenel, Emil Björnson+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2018

IoT Networks and Protocols参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型的非正交导频设计与资源分配方案，用于大规模MIMO网络，以联合服务人机通信（HTC）和机器类型通信（MTC）设备。结果表明，Welch界相等（WBE）序列在导频设计中表现最优，并证明大规模MIMO可在不额外占用频谱资源的情况下实现HTC与MTC的空间复用，从而在导频资源短缺及多样化的QoS需求下显著提升频谱效率。

ABSTRACT

Future cellular networks are expected to support new communication paradigms such as machine-type communication (MTC) services along with conventional human-type communication (HTC) services. This requires base stations to serve a large number of devices in relatively short channel coherence intervals, which renders allocation of orthogonal pilot sequences per-device in each cell impractical. Furthermore, the stringent power constraints, place-and-play type connectivity and various data rate requirements of MTC devices make it impossible for the traditional cellular architecture to accommodate MTC and HTC services together. Massive multiple-input-multiple-output (mMIMO) technology has the potential to allow the coexistence of HTC and MTC services, thanks to its inherent spatial multiplexing properties and low transmission power requirements. In this work, we first tackle the optimal non-orthogonal pilot design problem and demonstrate that the optimal pilot sequences are Welch bound equality sequences. In the second part, we investigate the performance of a single cell under a shared physical channel assumption for MTC and HTC services and propose a novel scheme for sharing the time-frequency resources. The analysis reveals that mMIMO can significantly enhance the performance of such a setup and allow the inclusion of MTC services into the cellular networks without requiring additional resources.

研究动机与目标

• 解决大规模MTC部署中导频资源短缺的问题，其中由于设备数量庞大，正交导频不再实际可行。
• 研究大规模MIMO如何在单小区设置下，通过共享时频资源，实现HTC与MTC服务的共存。
• 提出并评估新型资源分配方案，以实现HTC与MTC设备之间导频与数据的非正交共享。
• 在真实功率与时延约束下，分析共享物理信道设置下的频谱效率与性能权衡。

提出的方法

• 建立非正交导频设计问题，并证明Welch界相等（WBE）序列在最小化导频污染与最大化频谱效率方面具有最优性。
• 建立单小区大规模MIMO系统模型，基站配备M根天线，服务于K个单天线设备，包括K_h个HTC设备与K_m个MTC设备。
• 利用线性最小均方误差（LMMSE）合并方法推导统计信道估计，同时考虑导频与数据传输中的干扰。
• 提出三种方案（SC-1、SC-2、SC-3），用于HTC与MTC设备之间的时分与并发训练/数据传输，采用不同的功率与速率分配策略。
• 利用随机几何与随机矩阵理论推导遍历频谱效率表达式，综合考虑信道估计误差与非正交导频带来的干扰。
• 分析在不同设备数量、导频长度与功率分配下的性能表现，给出可实现速率的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在支持大量MTC设备且采用非正交接入的大规模MIMO系统中，最优导频序列设计为何？
• RQ2 HTC与MTC服务共存对共享时频资源块中的频谱效率有何影响？
• RQ3 大规模MIMO技术是否可在不增加频谱资源或正交资源分配的前提下，实现HTC与MTC设备的空间复用？
• RQ4 与正交方案相比，非正交资源共享在频谱效率与可靠性方面的性能增益为何？

主要发现

• 证明Welch界相等（WBE）序列是非正交导频序列的最优选择，可最小化信道估计的均方误差总和。
• 所提出的非正交资源共享方案在频谱效率方面优于正交方案，尤其在设备密度高且导频开销有限时优势显著。
• 大规模MIMO通过利用阵列增益与波束成形，即使在导频序列非正交的情况下，也能实现HTC与MTC设备的联合空间复用。
• 大规模MIMO带来的频谱效率增益显著：仿真结果表明，在相同频谱资源下，系统可支持的MTC设备数量最多可达传统系统的10倍。
• 随着基站天线数量的增加，正交与非正交方案之间的性能差距逐渐缩小，凸显大规模MIMO对导频污染的鲁棒性。
• 所提方案使MTC设备能够实现低复杂度、即插即用的可靠连接，满足严格的时延与功耗约束。