[论文解读] Massive MIMO and Waveform Design for 5th Generation Wireless Communication Systems

Arman Farhang, Nicola Marchetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

PAPR reduction in OFDM参考文献 40被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于FBMC的Massive MIMO作为有前途的5G波形解决方案，利用自均衡技术减少子载波数量，并通过无导频信道跟踪缓解导频污染问题。自均衡特性使得子载波间的信道增益近乎平坦，而无导频均衡则校正了被污染的信道估计，从而在最小训练开销下提升了SINR性能。

ABSTRACT

This article reviews existing related work and identifies the main challenges in the key 5G area at the intersection of waveform design and large-scale multiple antenna systems, also known as Massive MIMO. The property of self-equalization is introduced for Filter Bank Multicarrier (FBMC)-based Massive MIMO, which can reduce the number of subcarriers required by the system. It is also shown that the blind channel tracking property of FBMC can be used to address pilot contamination -- one of the main limiting factors of Massive MIMO systems. Our findings shed light into and motivate for an entirely new research line towards a better understanding of waveform design with emphasis on FBMC-based Massive MIMO networks.

研究动机与目标

• 为解决传统OFDM在5G中的局限性，探索在大规模MIMO系统中使用替代波形，特别是FBMC。
• 研究Massive MIMO的空间复用与阵列分集增益如何与FBMC的频谱效率及对同步误差的鲁棒性相结合。
• 利用FBMC固有的无导频均衡能力解决Massive MIMO网络中的导频污染问题。
• 通过FBMC中的自均衡减少子载波数量，从而降低系统复杂度与延迟。

提出的方法

• 在Massive MIMO系统中采用滤波器组多载波（FBMC）波形，以利用其低带外辐射和对定时偏移的鲁棒性。
• 提出在基于FBMC的Massive MIMO中引入“自均衡”概念，即通过大量接收天线（M）进行线性合并，可平滑子载波间的信道畸变，使各子载波的增益趋于相等。
• 采用最小均方误差（MMSE）和匹配滤波（MF）线性合并技术分析SINR性能，并在真实信道条件下验证自均衡效果。
• 通过Godard类算法实现无导频信道跟踪，以校正因导频污染而受损的信道估计，利用数据符号迭代更新合并器抽头权重。
• 通过仿真与理论分析，对比无导频跟踪与传统MF及完美CSI下MMSE的SINR性能。
• 在TDD模式下的多小区网络中评估系统性能，考虑导频复用，重点关注延迟、峰均功率比（PAPR）与频带效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于大规模阵列分集增益，基于FBMC的Massive MIMO是否能在子载波间实现自均衡，从而减少对大量子载波的需求？
• RQ2 FBMC的无导频均衡能力在多小区Massive MIMO网络中如何缓解导频污染？
• RQ3 当长数据包传输过程中CSI出现老化时，无导频信道跟踪能在多大程度上提升SINR性能？
• RQ4 在基于FBMC的Massive MIMO中，使用更宽的子载波时，频谱效率、延迟与计算复杂度之间的权衡如何？
• RQ5 与OFDM系统相比，FBMC与Massive MIMO的结合在抗同步误差与频率偏移方面表现如何？

主要发现

• 基于FBMC的Massive MIMO中的自均衡通过基站的线性合并平滑了子载波间的信道畸变，从而减少了对子载波数量的需求。
• MMSE合并的SINR性能在所有子载波上几乎保持恒定，且与理论预测一致，证实了自均衡效应的存在。
• 采用Godard类算法的无导频跟踪技术，可在数次迭代内将SINR性能从含噪声CSI下的MF提升至接近无噪声CSI下的MMSE水平。
• 无导频跟踪技术通过遍历数据符号实现最新CSI估计，有效缓解了长上行/下行包中因CSI老化导致的性能损失。
• 由于自均衡，使用更宽的子载波可降低滤波器组处理的延迟，提高频带效率（无需循环前缀），并降低PAPR。
• FBMC与Massive MIMO的结合保留了FBMC的优点——低带外辐射与灵活的载波聚合能力，同时克服了其传统上与MIMO不兼容的问题。