Pilot reuse for spatially correlated channels in massive MIMO networks
Ribeiro, Lucas Eduardo (2024-04-23)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202403282492
Kuvaus
Tiivistelmä
The aim of this thesis is to exploit the spatial correlation on wireless channels to improve spectral efficiency and reduce the overhead on the communication link of massive multiple-input multiple-output (mMIMO) networks. Spatial multiplexing of devices and mMIMO are crucial technologies to support massive connectivity through wireless systems. To fully exploit spatial multiplexing, accurate channel estimation through pilot signals is needed. However, as the number of devices increases, it becomes impossible to assign unique orthogonal pilot sequences to each user equipment (UE), degrading the channel estimation accuracy and, thereby, the spectral efficiency (SE).
The reuse of orthogonal pilot sequences is studied in a single-cell multiuser mMIMO scenario by leveraging the spatial correlation of the channels. Initially, the relationship between the UEs' angle-of-arrival (AoA), channel covariance matrices, and mutual interference is studied. Then, a pilot contamination metric is formulated based on the second-order statistics of the channels, which serves as a proxy function to the end metric performance indicators: SE and channel estimation error. Subsequently, a proper pilot assignment optimization problem is formulated.
In sequence, the thesis concentrates on developing algorithms for allocating pilot sequences to minimize pilot contamination. First, an algorithm based on the channel chart (CC) mapping is proposed. This method is subsequently extended to use a more sophisticated CC, in which the interference, rather than the position of the UEs, is depicted. Next, an extension to a multi-cell environment is introduced. The proposed method establishes a network-wide UE-interference map that merges the local features of uniform linear arrays (ULAs) into a global representation of the UEs' interference across the network. Simulation results have shown that the proposed pilot allocation algorithms can reduce pilot contamination, increasing the channel estimation accuracy and the SE.
Lastly, a method is introduced to determine the optimal pilot length that maximizes the SE in a mMIMO network with intra-cell reuse of orthogonal pilot sequences. To efficiently evaluate the SE for distinct pilot length values, τ, and avoid excessively long computer simulations, an approximated expression for the SINR is derived. The SINR is modeled as a random variable with a Gamma distribution in which the scale and shape parameters depend on the pilot length. The proposed solution has achieved accurate SE for distinct degrees of channel correlation and block length.
Tämän opinnäytetyön tavoitteena on hyödyntää langattomien kanavien spatiaalista korrelaatiota spektritehokkuuden parantamiseksi ja vähentämiseksi massiivisten moniantennijärjestelmien (mMIMO) viestintälinkin ylimääräistä kuormitusta. Laitteiden spatiaalinen moninkertaistaminen ja mMIMO ovat keskeisiä teknologioita massiivisen yhteyden tukemiseksi langattomien järjestelmien kautta. Tilallisen moninkertaistamisen täyden hyödyntämisen kannalta tarvitaan tarkkaa kanavaestimointia pilottisignaalien avulla. Kuitenkin laitteiden määrän kasvaessa tulee mahdottomaksi antaa ainutlaatuisia ortogonaalisia pilottisarjoja jokaiselle käyttäjälaitteelle (UE), mikä heikentää kanavan arvioinnin tarkkuutta ja siten spektritehokkuutta (SE).
Ortogonaalisten pilottisarjojen uudelleenkäyttöä tutkitaan yksisoluisessa monikäyttäjä-mMIMO-skenaariossa hyödyntämällä kanavien spatiaalista korrelaatiota. Aluksi tutkitaan UE:iden saapumiskulman (AoA), kanavan kovarianssimatriiseihin ja keskinäiseen häiriöön liittyvää suhdetta. Tämän jälkeen muodostetaan pilotin saastumisen mittari, joka perustuu kanavien toisen asteen tilastoihin ja toimii välittäjäfunktiona suoritusindikaattoreille: SE ja kanavan arvioinnin virhe. Tämän jälkeen laaditaan asianmukainen pilotin sijoittamisen optimointiongelma.
Opinnäytetyö keskittyy sitten kehittämään algoritmeja pilottijaksojen allokoimiseksi pilottisaastumisen minimoimiseksi. Ensimmäisenä esitetään algoritmi, joka perustuu kanavakarttaan (CC) kartoitukseen. Tämä menetelmä laajennetaan myöhemmin käyttämään kehittyneempää CC:ta, jossa kuvataan häiriötä käyttäjälaitteiden sijainnin sijaan. Seuraavaksi esitetään laajennus monisoluiseen ympäristöön. Ehdotettu menetelmä luo verkkoa kattavan UE-häiriökartan, joka yhdistää uniformien lineaariantenniryhmien (ULA) paikalliset ominaisuudet globaaliksi edustukseksi UE-häiriöstä koko verkossa. Simulaatiotulokset ovat osoittaneet, että ehdotetut pilottiallokaatioalgoritmit voivat vähentää pilottisaastumista, lisäten kanavan arvioinnin tarkkuutta ja SE:ta.
Viimeiseksi esitellään menetelmä optimaalisen pilotin pituuden määrittämiseksi, joka maksimoi SE:n mMIMO-verkossa ortogonaalisten pilotisarjojen solusisäisellä uudelleenkäytöllä. SE:n tehokkaaseen arvioimiseksi erilaisille pilotin pituuden arvoille, τ, ja liian pitkien tietokonesimulaatioiden välttämiseksi johdetaan likimääräinen lauseke SINR:lle. SINR mallinnetaan satunnaismuuttujana Gamma-jakaumassa, jossa mittakaava- ja muotoparametrit riippuvat pilotin pituudesta. Ehdotettu ratkaisu on saavuttanut tarkan SE:n eriasteisille kanavakorrelaatioille ja lohkon pituudelle.
Original papers
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Djelouat, H., & Juntti, M. (2020). Channel charting for pilot reuse in mMTC with spatially correlated MIMO channels. 2020 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps, 1–6. https://doi.org/10.1109/GCWkshps50303.2020.9367434 https://doi.org/10.1109/GCWkshps50303.2020.9367434
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Al-Tous, H., Tirkkonen, O., & Juntti, M. (2021). Exploiting spatial correlation for pilot reuse in single-cell mMTC. 2021 IEEE 32nd Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 654–659. https://doi.org/10.1109/PIMRC50174.2021.9569562 https://doi.org/10.1109/PIMRC50174.2021.9569562
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Al-Tous, H., Tirkkonen, O., & Juntti, M. (2022). Channel charting aided pilot reuse for massive MIMO systems with spatially correlated channels. IEEE Open Journal of the Communications Society, 3, 2390–2406. https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2022.3225054 https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2022.3225054
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Rathnayaka, I., Al-Tous, H., & Juntti, M. (2022). Channel charting aided pilot allocation in multi-cell massive MIMO mMTC networks. 2022 IEEE 23rd International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communication (SPAWC), 1–5. https://doi.org/10.1109/SPAWC51304.2022.9834004 https://doi.org/10.1109/SPAWC51304.2022.9834004
-
Ribeiro, L., & Juntti, M. (2024). Spectral efficiency maximization for massive MIMO uplink with intra-cell pilot reuse. IEEE Wireless Communications Letters, 13(3), 637–641. https://doi.org/10.1109/LWC.2023.3337895 https://doi.org/10.1109/LWC.2023.3337895
Osajulkaisut
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Djelouat, H., & Juntti, M. (2020). Channel charting for pilot reuse in mMTC with spatially correlated MIMO channels. 2020 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps, 1–6. https://doi.org/10.1109/GCWkshps50303.2020.9367434 https://doi.org/10.1109/GCWkshps50303.2020.9367434
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Al-Tous, H., Tirkkonen, O., & Juntti, M. (2021). Exploiting spatial correlation for pilot reuse in single-cell mMTC. 2021 IEEE 32nd Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 654–659. https://doi.org/10.1109/PIMRC50174.2021.9569562 https://doi.org/10.1109/PIMRC50174.2021.9569562
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Al-Tous, H., Tirkkonen, O., & Juntti, M. (2022). Channel charting aided pilot reuse for massive MIMO systems with spatially correlated channels. IEEE Open Journal of the Communications Society, 3, 2390–2406. https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2022.3225054 https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2022.3225054
-
Ribeiro, L., Leinonen, M., Rathnayaka, I., Al-Tous, H., & Juntti, M. (2022). Channel charting aided pilot allocation in multi-cell massive MIMO mMTC networks. 2022 IEEE 23rd International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communication (SPAWC), 1–5. https://doi.org/10.1109/SPAWC51304.2022.9834004 https://doi.org/10.1109/SPAWC51304.2022.9834004
-
Ribeiro, L., & Juntti, M. (2024). Spectral efficiency maximization for massive MIMO uplink with intra-cell pilot reuse. IEEE Wireless Communications Letters, 13(3), 637–641. https://doi.org/10.1109/LWC.2023.3337895 https://doi.org/10.1109/LWC.2023.3337895
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [37957]