Resource optimization in distributed massive MIMO under signaling and hardware limitations

Abstract

Abstract

Distributed massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems consist of a number of access points (APs) or remote radio heads (RRHs) distributed across an area, connected to the central units via fronthaul links for the data and channel state information (CSI) exchange, coherently serving user equipments (UEs) in the network. Ideally, this setup eliminates the inter-cell interference and provides uniform service to all the UEs.

In the first part of the thesis, a fully distributed beamforming design framework is introduced to address the limitations of fronthaul signaling associated with the CSI exchange for the cooperative beamforming design. For cooperative precoding design at the APs in the downlink (DL), a novel over-the-air (OTA) signaling resource is introduced to obtain the same cross-term CSI information traditionally exchanged via the fronthaul links. Specifically, by utilizing a bi-directional training procedure with the proposed OTA signaling resource, network-wide precoders can be computed locally at each AP. Furthermore, the framework is expanded to uplink (UL) to include cooperative combining designs at the APs.

In the second part of the thesis, a bi-directional training procedure is introduced to design both DL and UL beamformers together, using both centralized and distributed methods. This approach improves the effective data rate by reducing the overhead associated with separate training for the DL and UL beamformers. Furthermore, the training resources for DL and UL distributed beamforming design are minimized by devising a single multicast beamformer to serve pairs of UEs, active either in DL or UL.

In the third part of the thesis, the UE transmit powers in the UL are optimized, considering low-cost, power-efficient RF hardware at the RRHs. Due to the use of 1-bit analog-to-digital converters (ADCs), non-Gaussian quantization distortion is introduced, rendering a non-monotonic signal-to-interference-plus-noise-and-distortion ratio (SINDR) behavior with respect to the UE transmit power. The SINDR analysis demonstrates that adding appropriate dithering at the RRHs results in unimodal SINDR behavior. Consequently, various methods are proposed to jointly optimize the UE transmit powers and the RRH dithering levels to enhance the UL system performance.

The fully distributed beamforming designs proposed in this thesis outperform the non-cooperative approaches, and offer scalability that supports practical implementation, even in large networks. Additionally, RRHs equipped with 1-bit ADCs can significantly benefit from joint reception across multiple RRHs in a range of scenarios.

Tiivistelmä

Hajautetut massiiviset moniantennijärjestelmät (MIMO) koostuvat useista laajalle alueelle sijoitetuista yhteyspisteistä ja radiopäätteistä (AP ja RRH), jotka on yhdistetty keskusyksiköihin kanavatiedon (CSI) vaihtoa varten etuväylälinkkien kautta, palvellen käyttäjälaitteita (UE) verkossa koordinoidusti. Ihannetapauksessa tämä järjestely poistaa solujen välisen häiriön ja takaa tasalaatuisen palvelun kaikille käyttäjille.

Työn ensimmäisessä osassa esitämme hajautetun keilanmuodostuksen suunnittelukehyksen, joka poistaa CSI-vaihdon etuväyläsignaloinnin rajoituksia yhteistyökeilanmuodostuksen toteutuksessa. Alalinkin (DL) yhteistyökeilanmuodostusta varten esitämme AP:ille uuden resurssin suorasignalointiin (OTA), jonka avulla CSI-ristitermien tieto saadaan selvitettyä ilman tavallista etuväylälinkkien käyttöä. Erityisesti kaksisuuntaisen keilankoulutusmenetelmän avulla, joka hyödyntää ehdotettua OTA-signalointia, verkonlaajuinen keilanmuodostus voidaan hoitaa paikallisesti jokaisessa AP:ssä. Tämän lisäksi laajennamme ehdotettua suunnittelukehystä ylälinkin (UL) keilanmuodostuksen yhteislaskentasuunnitteluun AP:issä.

Työn toisessa osassa esitämme kaksisuuntaisen koulutusmenetelmän DL- ja UL-keilanmuodostuksen suunnitteluun sekä keskitetysti että hajautetusti. Tämä lähestymistapa lievittää DL- ja UL-keilanmuodostuksen erillisen koulutuksen signalointikuormaa parantaen käytännöllistä tiedonsiirtonopeutta. Lisäksi DL ja UL hajautetun keilanmuodostuksen koulutuksen signalointikuormaa minimoidaan luomalla yksittäisiä monilähetyskeiloja palvelemaan UE-pareja, jotka toimivat joko ala- tai ylälinkissä.

Työn kolmannessa osassa optimoimme UE:n lähetystehon ylälinkissä ottaen huomioon kustannustehokkaan ja energiapihin RF-laitteiston käytön RRH:ssa. 1-bittisten AD-muuntimien käytön takia ei-Gaussinen kvantisointivääristymä aiheuttaa signaali-kohina-vääristymä-suhteen (SINDR) epämonotonisuutta UE:n lähetystehon suhteen. SINDR analyysi osoittaa, että oikeanlainen kohinasäätö RRH:ssä palauttaa unimodaalin SINDR-käyttäytymisen. Tämän ansiosta ehdotamme eri menetelmiä UE:n tehonsyötön ja RRH-kohinasäätöjen yhteisoptimointiin UL-suorituskyvyn parantamiseksi.

Tässä työssä esittämämme täysin hajautetut keilanmuodostustekniikat päihittävät yhteistyötä hyödyntämättömät ratkaisut ja tarjoavat skaalautuvuutta käytännön sovelluksiin suurissakin verkoissa. Lisäksi RRH:t, joissa on 1-bittiset AD-muuntimet, hyötyvät merkittävästi yhteisvastaanotosta useiden RRH:ien kautta monissa eri skenaarioissa.