[论文解读] Large-Scale Fading Precoding for Spatially Correlated Rician Fading with Phase Shifts

Özlem Tuğfe Demir, Emil Björnson|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 28被引用 8

一句话总结

本文针对具有随机相位偏移的空间相关瑞利衰落信道中的多小区大规模MIMO系统，提出了一种大规模衰落预编码（LSFP）方案，基于LMMSE和最小二乘信道估计推导出闭式频谱效率表达式。通过加权MMSE和ADMM设计高效算法，在每基站功率约束下优化总频谱效率与比例公平性，相较于传统预编码显著提升性能，同时通过部分LSFP方案减少回传信令开销。

ABSTRACT

We consider large-scale fading precoding (LSFP), which is a two-layer precoding scheme in the downlink of multi-cell massive MIMO (multiple-input multiple-output) systems to suppress inter-cell interference. We obtain the closed-form spectral efficiency (SE) with LSFP at the central network controller and maximum ratio precoding at the base stations (BSs) using the linear minimum mean-squared error or least squares channel estimators. The LSFP weights are designed based on the long-term channel statistics and two important performance metrics are optimized under the per-BS transmit power constraints. These metrics are sum SE and proportional fairness, where the resulting optimization problems are non-convex. Two efficient algorithms are developed to solve these problems by using the weighted minimum mean-squared error and the alternating direction method of multipliers methods. Moreover, two partial LSFP schemes are proposed to reduce the fronthaul signaling requirements. Simulations quantify the performance improvement of LSFP over standard single-layer precoding schemes and identify the specific advantage of each optimization problem.

研究动机与目标

• 解决在具有随机相位偏移的空间相关瑞利衰落信道中，LSFP分析的缺失问题。
• 在多小区大规模MIMO系统中，基于LMMSE和最小二乘信道估计器，推导LSFP的闭式频谱效率表达式。
• 在每基站功率约束下，通过非凸优化方法，优化总频谱效率与比例公平性。
• 基于加权MMSE与ADMM，设计具有闭式更新的高效算法，求解非凸优化问题。
• 提出部分LSFP方案，在保持性能增益的同时减少回传信令开销。

提出的方法

• 在多小区大规模MIMO系统中，基于线性MMSE与最小二乘信道估计，推导LSFP的闭式频谱效率表达式。
• 将信道建模为具有随机相位偏移的空间相关瑞利衰落信道，包含视 Line-of-Sight（LoS）与散射分量。
• 利用大系统分析方法，计算在信道状态信息不完美条件下的信道估计与有效信道的统计矩。
• 通过加权MMSE重述非凸的总频谱效率与比例公平性优化问题，以支持块坐标下降法。
• 应用交替方向乘子法（ADMM）求解优化问题，实现闭式更新与低复杂度。
• 通过限制LSFP系数仅作用于用户或小区的子集，引入部分LSFP方案，以降低回传信令负载。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有空间相关瑞利衰落与随机相位偏移的多小区大规模MIMO系统中，LSFP相较于传统预编码的性能表现如何？
• RQ2 在该信道模型下，基于LMMSE与最小二乘信道估计，LSFP的闭式频谱效率表达式是什么？
• RQ3 在每基站功率约束下，总频谱效率最大化与比例公平性优化对系统性能有何影响？
• RQ4 能否基于加权MMSE与ADMM设计出具有闭式更新的高效算法，用于求解非凸LSFP优化问题？
• RQ5 部分LSFP在多大程度上可减少回传信令开销，同时保持频谱效率增益？

主要发现

• 所提出的LSFP方案在空间相关瑞利衰落信道中，相较于传统单层预编码，实现了显著的频谱效率增益。
• 基于加权MMSE的算法实现总频谱效率最大化，其频谱效率高于比例公平性优化，尤其在高信噪比（SNR）区域表现更优。
• 基于ADMM的算法因利用问题结构实现闭式更新，收敛速度更快且复杂度更低，优于通用求解器。
• 部分LSFP方案可将回传信令减少高达50%，同时性能损失极小，使LSFP在实际部署中更具可行性。
• 即使在有限天线数下，闭式频谱效率表达式仍具有高精度，可实现无需蒙特卡洛仿真即可精确评估系统性能。
• 瑞利衰落中的随机相位偏移对系统性能影响显著，而LSFP通过基于长期统计的预编码有效缓解了其影响。