[论文解读] Massive MIMO with Multi-cell MMSE Processing: Exploiting All Pilots for Interference Suppression

Xueru Li, Emil Björnson+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用 33

一句话总结

本文提出了一种新型的多小区MMSE处理方案，用于大规模MIMO网络，通过利用所有小区中的可用导频序列来抑制同小区和跨小区干扰。通过在每个基站采用全导频信道方向估计，该方案在高导频复用或高用户密度场景下，相较于传统的单小区MMSE和多小区ZF，显著提升了频谱效率，且通过精确的大规模SINR近似实现了低复杂度功率控制。

ABSTRACT

In this paper, a new state-of-the-art multi-cell MMSE scheme is proposed for massive MIMO networks, which includes an uplink MMSE detector and a downlink MMSE precoder. The main novelty is that it exploits all available pilots for interference suppression. Specifically, let $K$ and $B$ denote the number of users per cell and the number of orthogonal pilot sequences in the network, respectively, where $β= B/K$ is the pilot reuse factor. Then our multi-cell MMSE scheme utilizes all $B$ channel directions, that can be estimated locally at each base station, to actively suppress both intra-cell and inter-cell interference. The proposed scheme is particularly practical and general, since power control for the pilot and payload, imperfect channel estimation and arbitrary pilot allocation are all accounted for. Simulations show that significant spectral efficiency (SE) gains are obtained over the single-cell MMSE scheme and the multi-cell ZF, particularly for large $β$ and/or $K$. Furthermore, large-scale approximations of the uplink and downlink SINRs are derived, which are asymptotically tight in the large-system limit. The approximations are easy to compute and very accurate even for small system dimensions. Using these SINR approximations, a low-complexity power control algorithm is also proposed to maximize the sum SE.

研究动机与目标

• 解决传统大规模MIMO方案仅利用同小区导频序列进行干扰抑制的局限性。
• 设计一种实用的多小区MMSE处理方案，利用网络中所有B个可用导频序列，以抑制同小区和跨小区干扰。
• 考虑实际系统条件，包括导频功率控制、信道估计不完善以及任意导频分配。
• 推导上行链路和下行链路SINR的大规模近似，确保在渐近意义上紧密且计算高效，适用于系统设计。
• 设计一种低复杂度功率控制算法，利用推导出的SINR近似以最大化总谱效率。

提出的方法

• 所提出的方案采用上行链路MMSE检测和下行链路MMSE预编码，利用网络中所有导频序列估计出的所有B个信道方向，而不仅限于本小区的导频序列。
• 通过整合所有小区中所有用户信道方向的估计值，建模干扰抑制，实现同小区与跨小区干扰的联合抑制。
• 基于随机矩阵理论，推导上行链路和下行链路SINR的大规模近似，假设信道为i.i.d.瑞利衰落，并在大系统极限（M, K → ∞）下进行分析。
• SINR近似以矩阵形式表达，使用对角矩阵D、F和Ψ，以及上行链路和下行链路功率控制的向量τ和ϱ。
• 通过闭式求解SINR近似方程，设计一种低复杂度功率控制算法，确保上行链路和下行链路具有相同的总谱效率。
• 通过仿真验证，结果表明该方案在总谱效率方面显著优于单小区MMSE和多小区ZF，尤其在β = B/K较大或K较大时表现更优。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅使用同小区导频的传统方案相比，通过利用所有小区中可用的导频序列，是否能显著提升大规模MIMO网络的频谱效率？
• RQ2 在具有任意导频分配和不完善信道估计的多小区大规模MIMO系统中，如何推导出上行链路和下行链路SINR的精确大规模近似？
• RQ3 导频复用因子β = B/K对所提出的多小区MMSE方案性能增益有何影响？
• RQ4 能否基于推导出的SINR近似设计一种低复杂度功率控制算法，以最大化总谱效率？
• RQ5 在导频功率控制和信道估计误差等实际条件影响下，该方案是否仍能保持高性能？

主要发现

• 所提出的多小区MMSE方案在导频复用因子β较大或每小区用户数K较高时，相较于单小区MMSE和多小区ZF，实现了显著的频谱效率增益。
• 推导出上行链路和下行链路SINR的大规模近似，并在大系统极限下证明其渐近紧密，即使在小系统维数下也保持高度准确性。
• SINR近似以包含对角矩阵D、F和Ψ的矩阵形式表达，支持高效计算与功率控制设计。
• 提出一种低复杂度功率控制算法，利用SINR近似通过求解闭式方程，实现上行链路和下行链路相同的总谱效率。
• 该方案对实际系统非理想因素具有鲁棒性，包括导频功率控制、信道估计不完善和任意导频分配，因此在实际部署中极具可行性。
• 仿真结果证实，该方案在高导频复用或高用户密度场景下显著优于现有基准方案，其优势源于对所有导频序列的有效利用以实现干扰抑制。