[论文解读] Superimposed Pilots are Superior for Mitigating Pilot Contamination in Massive MIMO - Part I: Theory and Channel Estimation

Karthik Upadhya, Sergiy A. Vorobyov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用 6

一句话总结

本文提出将导频信号叠加作为传统时分复用导频在大规模MIMO系统中减轻导频污染的更优替代方案。通过在相同时隙内同时传输导频与数据，该方法采用非迭代信道估计方案减少干扰，其迭代式数据辅助变体进一步提升了估计质量，并实现了比传统方法更高的上行链路SINR。

ABSTRACT

Superimposed pilots are introduced, in this two-part paper, as an alternative to time-multiplexed pilot and data symbols for mitigating pilot contamination in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. In this part of the two-part paper, a non-iterative scheme for uplink channel estimation based on superimposed pilots is first proposed and an expression for the uplink signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), at the output of a matched filter employing this channel estimate, is derived. Based on this expression, it is observed that the quality of the channel estimate can be improved by reducing the interference that results from transmitting data alongside the pilots, and an iterative data-aided scheme is also proposed that reduces this component of interference. Approximate expressions for the uplink SINR are provided for the iterative data-aided method as well. In addition, it is shown that a hybrid system with users utilizing both time-multiplexed and superimposed pilots is superior to an optimally designed system that employs only time-multiplexed pilots. Numerical simulations demonstrating the superiority of the proposed channel estimation schemes based on superimposed pilots and the accuracy of the approximations are also given in this part.

研究动机与目标

• 为解决大规模MIMO系统中的导频污染问题，该问题严重制约频谱效率与系统容量。
• 提出一种基于导频信号叠加的新型信道估计框架，其中导频与数据符号在同一时隙内同时传输。
• 推导在所提估计方案下上行链路信号干扰加噪声比（SINR）的解析表达式。
• 证明混合系统（结合时分复用与导频信号叠加导频）的性能优于全时分复用系统。
• 通过数值仿真验证理论分析结果，表明估计精度与SINR性能均得到提升。

提出的方法

• 提出一种基于匹配滤波的非迭代导频信号叠加信道估计技术，其中导频嵌入在同一资源块内的数据符号中。
• 推导使用导频信号叠加估计信道所得匹配滤波器输出的上行链路SINR解析表达式。
• 识别出同时传输数据引起的干扰会降低估计质量，并提出一种迭代式数据辅助方案以抑制该干扰分量。
• 为迭代式数据辅助估计方法提供上行链路SINR的近似闭式表达式，支持性能分析与系统设计。
• 引入一种混合导频传输策略，部分用户使用时分复用导频，另一部分用户使用导频信号叠加导频，以优化系统级性能。
• 通过数值仿真验证理论SINR表达式的准确性，并证明导频信号叠加方案在性能上优于传统时分复用方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 导频信号叠加是否能比传统时分复用导频更有效地减轻大规模MIMO系统中的导频污染？
• RQ2 基于导频信号叠加的非迭代信道估计方案在上行链路SINR方面与时分复用导频相比表现如何？
• RQ3 当导频与数据叠加时，迭代式数据辅助估计在多大程度上能进一步提升信道估计质量？
• RQ4 同频段数据对导频信号叠加系统中信道估计精度有何影响？该影响如何被抑制？
• RQ5 结合时分复用与导频信号叠加导频的混合系统是否在频谱效率与SINR方面优于全时分复用系统？

主要发现

• 所提出的基于导频信号叠加的非迭代信道估计方案相比传统时分复用导频方案，实现了更高的上行链路SINR。
• 迭代式数据辅助估计方法显著降低了同频段数据引起的干扰，从而提升了信道估计精度并获得更高的SINR。
• 迭代方案下上行链路SINR的近似表达式与仿真结果高度吻合，验证了其在系统分析中的准确性。
• 采用混合导频类型（时分复用与导频信号叠加）的系统在频谱效率与干扰抑制方面优于仅使用时分复用导频的最优设计系统。
• 数值仿真结果证实，导频信号叠加可有效减轻导频污染并提升系统性能，尤其在高用户密度的大规模MIMO部署中表现更优。