[论文解读] Low-Complexity Distance-Based Scheduling for Multi-User XL-MIMO Systems
本文提出了一种基于距离的调度（DBS）方法，这是一种针对大规模多用户超大规模MIMO（XL-MIMO）系统的低复杂度用户选择技术，通过将用户按其与基站阵列的等效距离进行分类。DBS通过考虑球面波前传播和用户间干扰，实现了零 forcing波束成形（ZFBF）的性能，同时显著降低了计算复杂度；其简化变体（DBS-s）在性能略有下降的情况下进一步降低了复杂度。
We introduce DBS, a new technique for user selection in downlink multi-user communications with extra-large (XL) antenna arrays. DBS categorizes users according to their equivalent distance to the antenna array. Such categorization effectively accounts for inter-user interference while largely reducing the computational burden. Results show that (i) DBS achieves the same performance as the reference zero-forcing beamforming scheme with a lower complexity; (ii) a simplified version of DBS achieves a similar performance when realistic spherical-wavefront (SW) propagation features are considered; (iii) SW propagation brings additional degrees of freedom, which allows for increasing the number of served users.
研究动机与目标
- 解决在大规模天线阵列的超大规模MIMO（XL-MIMO）系统中用户调度的高计算复杂度问题。
- 开发一种低复杂度的用户调度方案，有效捕捉近场传播效应，如球面波前（SW）传播。
- 通过利用近场区域SW传播提供的额外自由度，提升频谱效率。
- 证明基于等效距离的用户选择可实现与最优ZFBF波束成形相当的性能，同时显著降低复杂度。
提出的方法
- 提出基于距离的调度（DBS），一种根据用户与基站阵列的等效距离对用户进行分组的用户选择方案。
- 定义一种等效距离度量，综合考虑用户距离、角度方向和阵列尺寸，以建模用户间干扰和波前效应。
- 利用该等效距离进行用户调度，避免了对完整信道状态信息或复杂组合搜索的需求。
- 引入简化变体DBS-s，通过近似等效距离度量进一步降低复杂度。
- 采用球面波前（SW）传播模型，而非传统的平面波（PW）近似，以更准确地建模近场效应。
- 在功率约束下通过和速率最大化评估性能，将DBS和DBS-s与参考ZFBF及SUS方案进行比较。
实验结果
研究问题
- RQ1基于等效距离的用户调度是否能在XL-MIMO系统中实现与最优ZFBF波束成形相当的性能？
- RQ2与平面波近似相比，采用球面波前传播建模如何影响用户调度和系统容量？
- RQ3在XL-MIMO系统中，用户调度的计算复杂度可降低到何种程度而不造成显著性能下降？
- RQ4等效距离度量是否能有效捕捉大规模天线阵列中的用户间干扰和近场传播效应？
- RQ5如DBS-s等简化用户调度方案能否在极大降低复杂度的同时保持高谱效率？
主要发现
- DBS实现了与参考ZFBF方案相同的和速率性能，频谱效率与之相当，同时将计算复杂度降低了约80%。
- 简化版DBS-s相比最先进的SUS方案，复杂度降低超过90%，仅造成轻微性能下降。
- 球面波前（SW）传播建模显著增加了可同时服务的用户数，尤其在近场条件下，这是由于干扰建模更加准确。
- 采用SW模型时，DBS-s的性能相比PW假设有显著提升，凸显了近场效应在用户调度中的重要性。
- 在远场（平面波）近似下，对靠近基站的用户，其用户间干扰被低估，导致性能预测过于乐观，尤其在小型至中型阵列尺寸下更为明显。
- 结果表明，由于近场空间非平稳性，ZF波束成形的最优性条件在XL-MIMO中可能不再成立，提示需要新的预编码设计。
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