非理想UE硬件对集中运行的无蜂窝大规模MIMO网络的影响 | 西南交大李宁, 范平志

研究意义

在即将到来的6G网络时代，无线通信的发展将面临更多机遇和挑战。无蜂窝大规模MIMO已经被视为6G关键技术，它融合了多个前沿技术，包括大规模多输入多输出（Massive MIMO）和分布式天线阵列，具有显著的优势。无蜂窝大规模MIMO的独特之处在于其基站架构，将大量远程天线分布在整个覆盖区域从而克服了小区间干扰，为通信网络带来了更高的容量、更低的延迟、更高的可靠性和更广泛的覆盖。其次，中央处理器（CPU）在集中运行时可以实现对整个网络性能的全面优化，提供更高的数据传输速度和更稳定的连接，为用户提供卓越的通信体验。然而，用户设备（UE）硬件的非理想特性可能会对通信性能产生重大负面影响。

本研究的目标在于深入探讨非理想UE硬件对无蜂窝大规模MIMO网络在集中运行模式下的影响。其核心问题是如何提高最差用户的频谱效率，这已成为关键的技术指标。传统的最大-最小功率控制策略注重极端的公平性问题，以帮助网络中的一个UE为代价，牺牲其他所有用户的利益，尤其在大型无蜂窝网络中表现得更为明显。然而，实际情况是大多数UE几乎不会影响到最不幸的UE，但无论如何都被迫减小其发射功率，从而导致通信资源的浪费。因此，本研究的目标是提出创新的解决方案，以最大限度地提高最弱用户的频谱效率，同时最大程度地减小对其他用户的负面影响。这项研究的结果将有助于优化无蜂窝大规模MIMO网络的性能，提高频谱效率，改善用户体验。

本文工作

为了解决上述问题，本文研究了非理想UE硬件对空间相关信道下集中运行的无蜂窝大规模MIMO网络的影响。基于非理想UE硬件模型导出最小均方误差 (MMSE) 估计器并且表明：即使有效信噪比接近无穷大，导频污染和不完美的硬件都会引起估计误差平层。之后，确定非理想UE硬件下集中式无蜂窝大规模MIMO网络的遍历上行容量的下界。此外，获得最佳接收合并向量以最大化上行链路频谱效率（SE）。考虑到MMSE接收器的计算复杂性，提供最大比（MR）和正则化迫零（RZF）组合方案作为替代方案。将RZF与MMSE方案在不同级别的硬件损伤下进行比较，本文研究结果表明，RZF接收器的总和SE损失可以忽略不计。对于MR组合，基于MMSE估计器和使用后忘记边界（UatF）技术获得了一种新颖的封闭形式上行链路可实现SE表达式。该表达式为了解UE硬件损伤时可实现的上行链路性能提供了重要的见解。此外，对于各种硬件损伤因素，针对不同的接收合并方案公开了导频序列长度对平均总和SE的影响。为了提高最大-最小公平方案的整体SE，开发了一种具有UE硬件损伤的启发式分数功率控制方案。该方案可以本质上避免牺牲其他UE的SE，同时最大化整个网络中最不幸的UE的SE。最后，理论性能分析和功率控制算法通过仿真得到验证，并为选择满足实际需求的硬件提供了基本的设计指南。

本文的创新点如下：

(1) 针对集中式无蜂窝大规模MIMO网络中的UE硬件损伤，采用了完善的通用模型。基于 MMSE估计器和UE硬件损伤模型，导出了信道估计的封闭表达式，包括理想硬件情况作为特殊情况。

(2) 利用非理想UE硬件的MMSE信道估计得出上行链路遍历容量的下界。基于获得的下界，利用广义瑞利商来确定在非理想UE硬件的情况下无蜂窝大规模MIMO网络的最大频谱效率和最佳接收合并方案。鉴于最佳接收合并的高计算复杂度，针对具有非理想UE硬件的网络提供了低复杂度的MR和RZF合并方案。

(3) 上行链路可实现的频谱效率的封闭式表达式是在MR合并的帮助下基于UatF边界技术导出的，它提供了对非理想UE硬件下可实现的上行链路性能的基本见解，并指导了网络的设计。此外，对于各种硬件损伤因素，针对不同的接收合并方案公开了导频序列长度对平均总和SE的影响。

(4) 为了提高最大-最小公平性SE方案的整体SE，提出了一种具有UE硬件损伤的启发式分数功率控制方案，该方案可以为最不幸的UE实现几乎相同的SE，而不降低整个网络中其他UE的SE。

实验结果

仿真实验以数字方式显示了非理想UE硬件如何影响集中式无蜂窝大规模MIMO网络的性能，包括信道估计、频谱效率和功率控制方案。

图1显示了信道估计的NMSE作为有效SNR的函数。增加硬件损伤因子会导致NMSE上升，表明使用非理想的UE硬件可能会降低信道估计精度。在低信噪比下，硬件损伤对信道估计的影响可以忽略不计。然而，在高信噪比下影响显著。此外，在高SNR和导频污染的情况下，存在非零的估计误差平层，其中误差平层随着硬件损伤水平的增加而升高。

图2展示了在无蜂窝大规模MIMO网络中采用MR、RZF和MMSE合并方案时，每个UE 上行链路SE的累积分布函数（CDF）。MMSE合并方案在相同的硬件损伤水平下提供最高的SE。相比之下，MR方案产生最低的SE，而推荐的RZF方案性能接近最佳的MMSE接收合并。

图3描述了对于存在导频污染和不存在的情况，采用MMSE合并方案下的每个具有硬件损伤的UE的上行链路SE。在理想硬件下，没有导频污染的SE高于有导频污染的SE。然而，当存在硬件损伤时，情况恰恰相反。这表明，增加导频长度带来的信道估计质量的增益不足以弥补对数前因子的损失。

图4展示了导频序列长度如何影响不同硬件损伤水平下的平均总和SE。对于MMSE和RZF合并方案，增加导频序列长度可以将平均总和SE提高到某一点，然后随导频长度衰减。然而，当导频长度增加时，MR合并的总和SE下降，因为增强的信道估计质量带来的SE增益不大于减小对数前因子带来的SE损失。

图5显示了最大-最小公平性和分数功率控制方案的每个UE的上行链路SE。与分数功率控制方案相比，最大-最小公平功率控制的CDF曲线均以比较大的值开始。这是因为最大-最小公平功率控制优化了最不幸的UE的性能，而牺牲了网络中其他所有UE的性能。为此，我们采用的具有UE硬件损伤的分数功率控制方案可以为最不幸的UE实现几乎相同的SE，而不会降低整个网络中其他UE的SE。

研究团队

李宁, 范平志：西南交通大学

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Li N, Fan P Z. Impact of non-ideal UE hardware on cell-free massive MIMO network with centralized operation. Sci China Inf Sci, 2023, doi: 10.1007/s11432-023-3885-2