[论文解读] Impact of Subcarrier Allocation and User Mobility on the Uplink Performance of Multi-User Massive MIMO-OFDM Systems

Abhinav Anand, Chandra R. Murthy|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 22被引用 12

一句话总结

本文分析了多用户大规模MIMO-OFDM系统中移动用户上行链路性能，提出了一种广义子载波分配方案，以最小化载波间干扰（ICI）和信道老化效应。推导了ICI功率、SINR和和速率的闭式表达式，表明ICI功率几乎不随用户功率分配而变化，从而可通过信道相干带宽利用实现更高 spectral efficiency 和更低导频开销，相较于使用ZF和MRC合并的先前工作，和速率增益显著。

ABSTRACT

This paper considers the uplink performance of a multi-user massive multiple-input multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) system with mobile users. Mobility brings two major problems to a MIMO-OFDM system: inter carrier interference (ICI) and channel aging. In practice, it is common to allot multiple contiguous subcarriers to a user as well as schedule multiple users on each subcarrier. Motivated by this, we consider a general subcarrier allocation scheme and derive expressions for the ICI power, uplink signal to interference plus noise ratio and the achievable uplink sum-rate, taking into account the ICI and the multi-user interference due to channel aging. We show that the system incurs a near-constant ICI power that depends linearly on the ratio of the number of users per subcarrier to the number of subcarriers per user, nearly independently of how the UEs distribute their power across the subcarriers. Further, we exploit the coherence bandwidth of the channel to reduce the length of the pilot sequences required for uplink channel estimation. We consider both zero-forcing and maximal-ratio combining at the receiver and compare the respective sum-rate performances. In either case, the proposed subcarrier allocation scheme leads to significantly higher sum-rates compared to previous work, owing to the near-constant ICI property as well as the reduced pilot overhead.

研究动机与目标

• 解决用户移动性引起的多用户大规模MIMO-OFDM系统性能下降问题，特别是载波间干扰（ICI）和信道老化的影响。
• 设计一种广义子载波分配方案，允许多个用户共享一个子载波，同时一个子载波服务多个用户，以提升频谱效率。
• 表征该方案下的ICI功率，并证明其在不同功率分配下表现出近乎恒定的特性。
• 通过利用信道的相干带宽，减少上行链路信道估计所需的导频序列长度，降低导频开销。
• 在移动性和ICI条件下，比较使用零 forcing（ZF）和最大比合并（MRC）的和速率性能。
• 推导SINR和可实现上行链路和速率的闭式表达式，考虑ICI、多用户干扰和信道老化的影响。

提出的方法

• 提出一种静态子载波分配方案，用户被分配多个连续子载波，子载波同时服务多个用户，利用信道硬化和近乎恒定的ICI实现性能均匀化。
• 推导出一个闭式表达式，其ICI功率几乎与子载波上用户功率分配无关，仅取决于每个子载波上的用户数与每个用户分配的子载波数之比。
• 利用信道的相干带宽，减少上行链路信道估计所需的导频序列长度，最小化导频开销。
• 在ZF和MRC合并下建模上行链路信号干扰加噪声比（SINR），并纳入ICI、信道老化和估计误差的影响。
• 应用Jensen不等式，通过取有效信道矩阵范数倒数的期望，近似可实现的上行链路速率。
• 采用“使用后即遗忘”CSI方法，通过用其期望值替换随机信道估计，简化SINR表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在用户在多个连续子载波上发送且子载波服务多个用户的广义子载波分配方案下，ICI功率如何表现？
• RQ2 用户移动性对大规模MIMO-OFDM系统上行链路和速率有何影响，特别是通过信道老化和ICI？
• RQ3 信道的相干带宽如何影响移动场景下上行链路信道估计所需的导频序列长度？
• RQ4 在移动性和ICI条件下，使用零 forcing（ZF）和最大比合并（MRC）的可实现上行链路和速率性能如何？
• RQ5 所提出的子载波分配方案与先前工作相比，在频谱效率和导频开销方面有何差异？

主要发现

• 所提系统中的ICI功率几乎恒定，仅线性依赖于每个子载波上的用户数与每个用户分配的子载波数之比，与用户在子载波上的功率分配方式无关。
• 由于ICI的近似恒定特性以及通过相干带宽利用减少的导频开销，系统相比先前工作实现了显著更高的上行链路和速率。
• 通过利用相干带宽，所提信道估计方案降低了导频开销，从而更高效地利用时频资源。
• 在ZF和MRC合并下，和速率性能均得到提升，其中MRC对信道估计误差和ICI表现出更强的鲁棒性。
• 推导出SINR和可实现上行链路速率的闭式表达式，速率通过Jensen不等式近似，支持实际性能评估。
• 证明了波束成形增益不确定性的方差与用户分配的功率以及信道估计平方的期望值成正比，有助于提升SINR稳定性。