[论文解读] On the Achievable Rates of Decentralized Equalization in Massive MU-MIMO Systems

Charles Jeon, Kaipeng Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文提出两种非中心化的基站架构——部分去中心化（PD）和完全去中心化（FD）——用于大规模多用户MIMO（MU-MIMO）系统，以降低互连带宽和计算复杂度。通过利用一种新型非线性近似消息传递（LAMA）算法，该方法在仅造成极小速率损失的情况下实现了接近中心化处理的性能，表明采用LAMA的去中心化均衡相较于最优解，其频谱效率损失可忽略不计。

ABSTRACT

Massive multi-user (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) promises significant gains in spectral efficiency compared to traditional, small-scale MIMO technology. Linear equalization algorithms, such as zero forcing (ZF) or minimum mean-square error (MMSE)-based methods, typically rely on centralized processing at the base station (BS), which results in (i) excessively high interconnect and chip input/output data rates, and (ii) high computational complexity. In this paper, we investigate the achievable rates of decentralized equalization that mitigates both of these issues. We consider two distinct BS architectures that partition the antenna array into clusters, each associated with independent radio-frequency chains and signal processing hardware, and the results of each cluster are fused in a feedforward network. For both architectures, we consider ZF, MMSE, and a novel, non-linear equalization algorithm that builds upon approximate message passing (AMP), and we theoretically analyze the achievable rates of these methods. Our results demonstrate that decentralized equalization with our AMP-based methods incurs no or only a negligible loss in terms of achievable rates compared to that of centralized solutions.

研究动机与目标

• 解决大规模MU-MIMO系统中因集中式处理导致的高互连与芯片I/O数据速率问题。
• 克服传统线性均衡器（如ZF和MMSE）在大规模MIMO系统中面临的计算复杂度挑战。
• 设计去中心化架构，在保持高频频谱效率的同时减少硬件瓶颈。
• 在大系统极限和有限维系统中，对去中心化均衡的性能进行理论分析与验证。

提出的方法

• 提出两种前馈式去中心化架构：部分去中心化（PD）和完全去中心化（FD），其中基站天线阵列被划分为C个簇。
• 每个簇独立进行本地信号处理，配备独立的射频链路和基带硬件，随后融合各簇输出结果。
• 采用三种均衡方法：ZF、线性MMSE（L-MMSE）以及一种基于近似消息传递（AMP）的新型非线性LAMA均衡器。
• 建立状态演化（SE）框架，用于在大系统极限下解析预测可实现速率与误码率性能。
• 采用一种融合规则，通过加权平均方式组合各簇输出，以最小化有效噪声方差，最优权重通过最小化噪声功率推导得出。
• 通过仿真验证理论预测结果，针对有限维系统（如96×16和32×16 MIMO）对比LAMA-FD、L-MMSE-FD与LAMA-PD的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化均衡架构是否能在大规模MU-MIMO系统中实现接近中心化解的频谱效率？
• RQ2 在去中心化架构中，非线性LAMA均衡的性能与线性ZF和L-MMSE相比如何？
• RQ3 簇数（C）对去中心化架构中可实现速率与误码率性能有何影响？
• RQ4 互连与I/O带宽瓶颈在多大程度上限制了大规模MU-MIMO的实际部署？去中心化处理能否缓解此问题？
• RQ5 状态演化框架在预测有限维系统中去中心化均衡性能时的准确性如何？

主要发现

• 在96×16 MIMO系统中，完全去中心化（FD）架构下的LAMA均衡性能与集中式LAMA-PD的个体最优（IO）性能相比，频谱效率差距仅约1 dB。
• 在固定速率1.99比特/用户/符号使用条件下，C=3簇的LAMA-FD要求基站到用户信噪比倒数β⁻¹ ≈ 6，该值接近AWGN极限，显著低于最大比合并（MRC）所需值。
• 在32×16系统中，LAMA-FD（C=3）优于LAMA-PD，表明在有限维系统中，FD架构的融合机制可带来性能增益。
• 符号误码率（SER）的仿真结果与渐近理论预测高度吻合，验证了状态演化框架的准确性。
• LAMA-FD在中等基站-用户比条件下，仅造成可忽略的速率退化，实现了接近最优的性能，频谱效率损失极小。
• 由于更有效地利用空间分集增益并减少簇间干扰，FD架构在高频频谱效率区域的可实现速率优于PD架构。