[论文解读] Multiple Preambles for High Success Rate of Grant-Free Random Access with Massive MIMO

Hao Jiang, Daiming Qu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 13被引用 9

一句话总结

本文提出一种使用多个短导频的超导频方案，显著提升了大规模MIMO系统中免授权随机接入的成功率。通过利用大规模MIMO信道中的准正交性，该方法实现了可靠的用户设备（UE）检测与信道估计，在每个超导频使用两个或三个导频的情况下，即使有19个活跃UE，成功率也能超过99%，且无需增加导频资源分配。

ABSTRACT

Grant-free random access (RA) with massive MIMO is a promising RA technique with low signaling overhead that provides significant benefits in increasing the channel reuse efficiency. Since user equipment (UE) detection and channel estimation in grant-free RA rely solely on the received preambles, preamble designs that enable high success rate of UE detection and channel estimation are very much in need to ensure the performance gain of grant-free RA with massive MIMO. In this paper, a super preamble consisting of multiple consecutive preambles is proposed for high success rate of grant-free RA with massive MIMO. With the proposed approach, the success of UE detection and channel estimation for a RA UE depends on two conditions: 1) it is a solvable UE; 2) its super preamble is detected. Accordingly, we theoretically analyze the solvable rate of RA UEs with multiple preambles and propose a reliable UE detection algorithm to obtain the super preambles of RA UEs by exploiting the quasi-orthogonality characteristic of massive MIMO. Theoretical analysis and simulation results show that turning a preamble into a super preamble consisting of two or three shorter preambles, the success rate of UE detection and channel estimation could be significantly increased using the proposed approach.

研究动机与目标

• 解决由于导频碰撞和错误信道估计导致的大规模MIMO系统中免授权随机接入成功率低的问题。
• 克服单导频设计限制检测UE数量的局限性。
• 为大规模机器类型通信（mMTC）提供高性能、低开销的随机接入方案，同时保持最小的信令开销。
• 开发一种利用大规模MIMO空间复用增益的可靠UE检测与信道估计方法。
• 证明将单个导频拆分为两个或三个更短的导频可提升系统性能，且不增加资源使用。

提出的方法

• 引入一种超导频结构，由每个随机接入UE连续传输L个短导频组成。
• 构建导频选择矩阵以表示活跃UE的超导频选择，支持联合检测。
• 提出一种可靠的UE检测算法，利用大规模MIMO信道的准正交性来解析超导频。
• 在成功检测到导频选择矩阵后，使用矩阵求逆技术估计信道响应。
• 理论分析表明，随着L增大，导频选择矩阵满行秩的概率提高，从而提升可解码率。
• 在独立瑞利衰落与空间相关衰落信道下进行仿真，验证方法的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模MIMO系统中，每个超导频使用多个导频如何影响随机接入UE的可解码率？
• RQ2 所提出的UE检测算法能否通过利用大规模MIMO信道的准正交性实现高成功率？
• RQ3 信道相关性（空间相关衰落与独立衰落）对所提多导频方案性能有何影响？
• RQ4 在所提方法下，同时接入的UE数量如何影响信道估计的NMSE？
• RQ5 在不增加导频资源分配的前提下，使用超导频替代单导频可将免授权随机接入的成功率提升多少？

主要发现

• 使用L=2或L=3的超导频相比单导频方案，显著提升了UE检测与信道估计的成功率。
• 在独立瑞利衰落信道下，所提UE检测算法实现近乎完美的性能，成功率曲线与L=2和L=3的可解码率曲线高度吻合。
• 在空间相关衰落信道下，成功率依然很高——在N=19个活跃UE时达到99%的成功率，表明对真实信道条件具有强鲁棒性。
• 信道估计的NMSE随同时接入UE数量的增加仅略有上升，当N=7时上升约1 dB，表明估计性能稳定。
• 在相同总导频长度下，所提方法可检测的UE数量超过L=2方案的三倍，且远超单导频系统的十倍以上。
• 理论分析与仿真结果均表明，导频选择矩阵为满行秩的概率较高，从而确保了可靠的信道估计。