[论文解读] Uplink Spectral Efficiency Analysis of Multi-Cell Multi-User Massive MIMO over Correlated Ricean Channel

Juan Cao, Dongming Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文分析了在空间相关瑞利衰落信道下，多小区多用户大规模MIMO系统的上行链路频谱效率，比较了导频辅助的LMMSE与视 Line-of-Sight (LOS) 基的信道估计方法。结果表明，尽管导频污染将LMMSE性能限制在有限的渐近速率，但基于LOS的估计方法可随基站（BS）天线数量线性增加速率，在天线数量增加时优于LMMSE。

ABSTRACT

In this paper, the performance of uplink spectral efficiency in massive multiple input multiple output (MIMO) over spacially correlated Ricean fading channel is presented. The maximum ratio combining (MRC) receiver is employed at the base station (BS) for two different methods of channel estimation. The first method is based on pilot-assisted least minimum mean square error (LMMSE) estimation, the second one is based on line-of-sight (LOS) part. The respective analytical expressions of uplink data rate are given for these two methods. Due to the existence of pilot contamination, the uplink data rate of pilot-assisted LMMSE estimation method approaches to a finite value (we name it as asymptotic rate in the paper) when the BS antenna number is very large. However, the data rate of LOS method goes linearly with the number of BS antennas. The expression of the uplink rate of LOS method also show that for Ricean channel, the spacial correlation between the BS antennas may not only decrease the rate, but also increase the rate, which depends on the locations of the users. This conclusion explains why the spacial correlation may increase, rather than decrease the data rate of pilot-assisted LMMSE. We also discuss the power scaling law of the two methods, and the asymptotic expressions of the two methods are the same and both independent of the antenna correlation.

研究动机与目标

• 分析在空间相关瑞利衰落信道下，多小区多用户大规模MIMO系统中的上行链路频谱效率。
• 在导频污染约束下，比较两种信道估计方法：导频辅助的LMMSE与基于LOS部分的估计方法。
• 研究空间相关性对频谱效率的影响，并确定其增强或降低性能的条件。
• 推导两种估计方法下的频谱效率渐近表达式与功率缩减规律。
• 确定空间相关性是否能根据用户位置提升瑞利衰落信道中的频谱效率。

提出的方法

• 推导了在基站（BS）使用最大比率合并（MRC）时，两种信道估计方法的上行链路数据速率的闭式表达式。
• 采用导频辅助的最小均方误差（LMMSE）估计方法，该方法因小区间导频复用而受到导频污染影响。
• 提出一种替代方法：仅使用信道的视 Line-of-Sight (LOS) 分量作为估计信道，将散射分量视为干扰。
• 通过大系统分析，推导出当基站天线数 N → ∞ 时的渐近频谱效率表达式。
• 通过结构化的信道协方差矩阵引入空间相关性，并通过Ricean K因子建模，以表示LOS功率相对于散射功率的比值。
• 推导功率缩减规律与渐近SINR表达式，表明在渐近区域中，天线相关性不影响结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空间相关瑞利衰落信道下的大规模MIMO系统中，导频污染如何影响导频辅助LMMSE估计的渐近频谱效率？
• RQ2 随着基站天线数量的增加，基于LOS的信道估计方法是否能在频谱效率方面优于导频辅助LMMSE估计方法？
• RQ3 在何种条件下，基站天线之间的空间相关性会提高而非降低瑞利衰落信道中的频谱效率？
• RQ4 用户相对于基站的位置如何影响空间相关性对频谱效率的影响？
• RQ5 两种估计方法的渐近频谱效率行为如何？当 N → ∞ 时，它们是否收敛到相同的表达式？

主要发现

• 由于持续存在的导频污染，导频辅助LMMSE估计的上行链路频谱效率在基站天线数增加时趋近于一个有限的渐近值。
• 相比之下，基于LOS的估计方法的频谱效率随基站天线数线性增加，最终超越LMMSE方法。
• 尽管在有限N时行为不同，但两种方法的渐近频谱效率表达式完全相同，且与空间相关性无关。
• 空间相关性可能增强或降低频谱效率，具体取决于用户位置：当相关性与LOS波束成形对齐时，性能得以提升。
• 基于LOS方法的SINR收敛到一个包含K因子与LOS功率增益的闭式表达式，而干扰项在渐近下趋于零。
• 功率缩减规律表明，发射功率可按 $ N^{-rac{1}{2}} $ 规律缩放而不会损失频谱效率，支持大规模MIMO系统的能量效率。