[论文解读] Shared Angles-of-Departure in Massive MIMO Channels: Correlation Analysis and Performance Impact.

Xu Du, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 39被引用 5

一句话总结

本文研究了大规模MIMO系统中因共用出发角而导致的用户信道相关性。结果表明，即使在36根导ants以上的大型阵列中，用户相关性仍保持较高水平（超过0.4），且零 forcing波束成形可通过在存在相关性的情况下保持恒定的用户间干扰，实现系统速率随M线性增长。

ABSTRACT

In practical environments, recent massive MIMO measurements demonstrate that user channels can be correlated. In this paper, we study the user channel correlation induced by shared angles-of-departure. We first derive the user correlation distribution in the large array regime, and then examine the user correlation using actual measurements from a large array. As a data-driven observation, we discover that the correlation of all close-by users is higher than $0.4$ and barely reduces as the number of base-station antennas $M$ increases beyond $36$ antennas. Furthermore, nearly one-third of users, even when they are tens of wavelengths apart, have a correlation that is more than twice the correlation of an i.i.d. Rayleigh fading model. Lastly, we characterize the impact of user correlation on system performance. As $M$ increases, conjugate beamforming systems suffer a linearly growing inter-user interference due to correlated channels. However, for zero-forcing beamforming systems, the inter-user interference is a constant that does not increase with M. In particular, zero-forcing beamforming systems can serve a linearly increasing number of correlated users and achieve a linear growth in the system achievable rate as $M$ increases. Hence, spatial multiplexing correlated users can be an attractive massive MIMO design.

研究动机与目标

• 理解共用出发角对大规模MIMO系统中用户信道相关性的影响。
• 利用实测数据量化实际大阵列环境下的用户相关性。
• 分析信道相关性如何影响共轭波束成形与零 forcing波束成形方案中的用户间干扰。
• 评估随着基站导ants数M增加，相关用户信道条件下空间复用的可扩展性。

提出的方法

• 推导在共用出发角条件下，大规模阵列系统中用户相关性的分布。
• 利用大规模阵列实测的大规模MIMO数据验证理论结果。
• 将实测用户相关性与i.i.d.瑞利衰落模型进行对比，量化偏差程度。
• 分析在相关信道条件下，共轭波束成形与零 forcing波束成形中的用户间干扰行为。
• 表征在相关用户条件下，系统可实现速率随M增加的扩展行为。
• 采用数据驱动分析方法，识别用户对之间即使相距数十个波长仍存在的持续相关性模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 共用出发角如何影响大规模MIMO系统中的用户信道相关性？
• RQ2 当基站导ants数M超过36时，用户相关性在多大程度上仍持续存在？
• RQ3 用户相关性如何影响共轭波束成形与零 forcing波束成形中的用户间干扰？
• RQ4 在大规模MIMO系统中，随着M增加，相关用户的空间复用能否有效扩展？
• RQ5 实测数据与i.i.d.瑞利衰落模型之间的用户相关性在数量上有何差异？

主要发现

• 即使当基站导ants数M超过36，所有近距离用户的相关性仍高于0.4。
• 即使相距数十个波长，近三分之一的用户对，其相关性也超过i.i.d.瑞利衰落模型的两倍以上。
• 共轭波束成形系统因信道相关性导致用户间干扰随M线性增长。
• 尽管存在信道相关性，零 forcing波束成形系统仍能保持用户间干扰恒定，与M无关。
• 零 forcing波束成形可实现相关用户线性增加的空间复用，并使系统可实现速率随M线性增长。
• 由于零 forcing波束成形中干扰行为稳定，相关用户的空间复用是一种可行且可扩展的大规模MIMO设计。