莱斯信道下基于叠加导频的无蜂窝大规模 MIMO 系统性能研究

概述

本文在空间相关莱斯衰落信道下，研究了基于叠加导频（SP）无蜂窝大规模多输入多输出系统的频谱效率（SE）。通过引入SP，数据和导频符号可以在相同的时间/频率单元中同时传输，有效地减少了导频污染。信道估计是通过线性最小均方误差估计器来实现的。我们进一步提供了基于最大比合并的闭式SE表达式，同时考虑了完全和不完全导频移出。随后，我们推导出了大尺度衰落解码系数向量。数值结果验证了理论分析从准确性，表明SP在为大量用户服务时优于常规导频。

本文已于2023年在第23届International Conference on Communication Technology (IEEE ICCT 2023)会议发表，并线下进行英语汇报，文章于2024年2月收录于IEEE数据库。

1. 研究动机

根据TDD时分双工协议，在相干时间块中，我们需要首先发送导频序列进行信道估计。然后我们可以发送数据符号。当系统为大量用户服务时，没有足够的正交导频序列。我们需要重复使用一些先导序列，这会带来先导污染。SE性能由于训练持续时间的长度和相互正交的导频候选的数量之间的折衷而受到限制。

一种被称为叠加导频（SP）的方案已被证明，能在蜂窝网络与无蜂窝网络中有效减少导频污染。对于常规导频，我们简称为RP。在基于SP的系统中，数据和导频符号可以同时传输。导频序列的长度为τ，可能比中的对应序列长得多RP传输。这意味着，我们不太可能遭受导频复用带来的导频污染。在频谱效率方面，对数函数前面的常数项消失了。

关于CF mMIMO系统，它是提供统一通信质量的潜在技术之一。在这种高密度网络中，视距（LoS）路径更有可能出现在AP和用户设备之间。通常，在实际系统中，信道向量的元素在统计上是相关的。我们所做的是将叠加导频引入CF-mMIMO系统，并分析其在空间相关莱斯衰落信道上的性能。

2. 系统模型

让我们考虑一个具有K个单天线和M个接入点的上行链路系统。在每个AP上，我们有N个天线。这是信道，接收到的信号可以如下呈现：这部分是关于导频序列的，这部分是有关数据符号的。

我们将首先执行信道估计和导频去除。然后，我们将使用MRC和LSFD组合信号。将进一步推导SE和LSFD系数向量。

通过使用标准线性最小均方根估计器，我们可以得到从AP m到用户K的信道估计，即 $\widehat {\bf{h}}_{mk}^{}$ 。

现在我们已经接收到信号和信道估计。在AP m处，我们将减去导频部分。这就是我们所说的不完全导频移除。在CPU处，我们将把来自每个AP的信号和大尺度衰落解码系数结合起来。

3. 基于最大比合并的频谱效率分析

我们将在AP m处使用最大组合。在 ${{\bf{v}}_{mk}}$ 内部，只有第一部分是我们需要的，其余部分 ${\overline {\bf{v}} _{mk}}$ 与 ${{\bf{H}}_{mk}}$ 不相关。

最后，CPU上的信号如下：这里我们注意到， ${{{{\bf{\tilde h}}}_{mk}}}$ 不是独立的，同时也与 ${{\bf{v}}_{mk}}$ 无关。然后，我们可以给出用户K的信干噪比。

推导过程有点复杂，更多细节请参阅论文。这是SINR的最终结果。有一个近似值，因为我们认为 ${{{{\bf{\tilde h}}}_{mk}}}$ 和 ${{\bf{v}}_{mk}}$ 近似独立。

关于SINR，我们可以通过最大化广义瑞利商来获得次优的LSFD系数向量。

4. 仿真结果与分析

这是仿真时的一些参数设置：

该图描述了每个用户可实现的SE的累积分布函数（CDF）。我们有50个用户，当 $\tau =30$ 时，我们会经历导频复用所带来的导频污染。当 $\tau =100$ 时，我们没有复用导频，性能更好。在完全移除导频的情况下，模拟结果与分析结果一致。在不完全导频移除的情况下，我们的分析结果和模拟结果之间的差距很小。这是因为近似值。