[论文解读] Turbo Coded Single User Massive MIMO

K. Vasudevan, A. Phani Kumar Reddy+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 45被引用 17

一句话总结

本文提出采用预编码与不采用预编码的稀疏单用户大规模MIMO（SU-MMIMO）方案，以在总天线数固定的情况下最大化频谱效率。推导了平均每比特信噪比和频谱效率的上界，表明当总天线数较大时，误码率（BER）对发射天数和重传次数不敏感，从而在给定误码率和总天线预算下可实现接近最优的频谱效率。

ABSTRACT

This work deals with turbo coded single user massive multiple input multiple output (SU-MMIMO) systems, with and without precoding. SU-MMIMO has a much higher spectral efficiency compared to multi-user massive MIMO (MU-MMIMO) since independent signals are transmitted from each of the antenna elements (spatial multiplexing). MU-MMIMO that uses beamforming has a much lower spectral efficiency, since the same signal (with a delay) is transmitted from each of the antenna elements. In this work, expressions for the upper bound on the average signal-to-noise ratio (SNR) per bit and spectral efficiency are derived for SU-MMIMO with and without precoding. We propose a performance index $f(N_t)$, which is a function of the number of transmit antennas $N_t$. Here $f(N_t)$ is the sum of the upper bound on the average SNR per bit and the spectral efficiency. We demonstrate that when the total number of antennas ($N_{\mathrm{tot}}$) in the transmitter and receiver is fixed, there exists a minimum value of $f(N_t)$, which has to be avoided. Computer simulations show that the bit-error-rate (BER) is nearly insensitive to a wide range of the number of transmit antennas and re-transmissions, when $N_{\mathrm{tot}}$ is large and kept constant. Thus, the spectral efficiency can be made as large as possible, for a given BER and $N_{\mathrm{tot}}$.

研究动机与目标

• 分析采用预编码与不采用预编码的稀疏单用户大规模MIMO（SU-MMIMO）系统中的频谱效率与信噪比性能。
• 识别在总天线数固定（$N_{\text{tot}}$）条件下，能最大化频谱效率的发射与接收天线最优配置。
• 提出一个性能指标 $f(N_t)$，结合平均每比特信噪比的上界与频谱效率，以指导系统设计。
• 证明当 $N_{\text{tot}}$ 较大且恒定时，误码率（BER）对 $N_t$、$N_r$ 和重传次数 ($N_{rt}$) 的变化几乎不敏感。
• 表明通过合理选择 $N_t$ 和 $N_{rt}$，可在给定 BER 和 $N_{\text{tot}}$ 条件下实现频谱效率的最大化。

提出的方法

• 推导在瑞利平坦衰落信道下，采用预编码与不采用预编码的 SU-MMIMO 系统的平均每比特信噪比与频谱效率的上界。
• 引入性能指标 $f(N_t)$，定义为平均每比特信噪比上界与频谱效率之和，其依赖于发射天线数 $N_t$。
• 采用理想接收机模型，结合 Turbo 编码与迭代检测，假设发射端具备完美的信道状态信息（CSI）以实现预编码。
• 采用一种利用 CSI 消除信道间干扰（ICI）的预编码方案，从而提升信噪比性能。
• 通过计算机仿真对 $10^4$ 帧进行评估，使用文献 [19] 中的 Turbo 编码器，分析不同 $N_t$、$N_r$ 和 $N_{rt}$ 配置下的误码率与频谱效率。
• 在相同 $N_{\text{tot}}$ 条件下，对比有无预编码的性能，以隔离预编码对频谱效率与信噪比增益的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在总天线数固定的单用户大规模MIMO系统中，预编码如何影响平均每比特信噪比与频谱效率的上界？
• RQ2 在给定误码率和固定 $N_{\text{tot}}$ 条件下，发射与接收天线的最优分配 ($N_t$, $N_r$) 是什么？
• RQ3 当 $N_{\text{tot}}$ 固定时，误码率（BER）对发射天线数 ($N_t$) 和重传次数 ($N_{rt}$) 的变化有多敏感？
• RQ4 在 $N_{\text{tot}}$ 固定的条件下，是否可以通过调整 $N_t$ 和 $N_{rt}$ 使频谱效率在给定 BER 下趋于无穷大？
• RQ5 在采用与不采用预编码的 Turbo 编码 SU-MMIMO 系统中，频谱效率与每比特所需信噪比之间的权衡关系如何？

主要发现

• 当 $N_{\text{tot}} = 1024$ 时，最高频谱效率为 312 bits/sec/Hz，对应 $N_t = 400$，$N_{rt} = 1$，且每比特信噪比上界为 1.09 dB。
• 当 $N_{\text{tot}} = 1024$ 时，最低频谱效率为 0.25 bits/sec/Hz，对应 $N_t = 1023$，$N_{rt} = 2$，且每比特信噪比上界趋近于无穷大。
• 当 $N_{\text{tot}} = 32$ 时，在 3.5 dB 每比特信噪比下，采用预编码的 BER 约为 $2 \times 10^{-6}$，不采用预编码的 BER 为 $10^{-6}$，显著优于 SISO 系统。
• 当 $N_{\text{tot}}$ 较大且恒定时，BER 对 $N_t$、$N_r$ 和 $N_{rt}$ 的变化几乎不敏感，表明对天线分配具有鲁棒性。
• 在无预编码条件下，最高频谱效率为 256 bits/sec/Hz，对应 $N_t = 512$，$N_{rt} = 1$，每比特信噪比上界为 3.03 dB。
• 性能指标 $f(N_t)$ 显示存在一个必须避免的最小值，表明随着 $N_t$ 变化，频谱效率与信噪比增益之间存在非单调的权衡关系。