Kapaciteten i cellulära nätverk kan förbättras genom den aldrig tidigare skådade array förstärkning och rumslig multiplexing som erbjuds av Massive MIMO. Sedan starten har man trott att den sammanhållna störning som orsakas av pilotkontamination skapar en ändlig kapacitetsgräns, eftersom antalet antenner går till oändligheten. I detta dokument bevisar vi att detta är inkorrekt och en artefakt från att använda förenklade kanalmodeller och suboptimala förkodning/kombinationsprogram. Vi visar att med multicell MMSE förkodning / kombinering och en liten mängd rumslig kanal korrelation eller storskaliga blekningsvariationer över matrisen, ökar kapaciteten utan bindning när antalet antenner ökar, även under pilot förorening. Mer exakt, resultatet håller när kanalen covariance matriser av de förorenande användarna är asymptotiskt linjärt oberoende, vilket är i allmänhet fallet. Om även diagonalerna i covariansmatriserna är linjärt oberoende, är det tillräckligt att känna till dessa diagonaler (och inte hela covariansmatriserna) för att uppnå en obegränsad asymptotisk kapacitet. Shannon-kapaciteten hos en kanal manifesterar den spektraleffektivitet (SE) som den stöder. Massiv MIMO (multiple-input multiple-output) förbättrar summan SE av cellulära nätverk genom rumslig multiplexing av ett stort antal användarutrustningar (UES) per cell [1]. Det anses därför vara en viktig tidsdelningsteknik (TDD) för nästa generations cellulära nät [2]–[4]. Den största skillnaden mellan massiv MIMO och klassisk multianvändare MIMO är det stora antalet antenner, M, vid varje basstation (BS) vars signaler bearbetas av enskilda radiofrekvenskedjor. Genom att utnyttja kanaluppskattningar för sammanhängande ta emot kombinera, den upplänk signalkraften hos en önskad UE förstärks av en faktor M, medan effekten av buller och oberoende störningar inte ökar. Samma princip gäller för sändningsförkodningen i nedlänken. Eftersom kanalskattningarna erhålls genom upplänkssignalering och pilotresurserna begränsas av kanalkonsistenstiden, måste samma piloter återanvändas i flera celler. Detta leder till pilotkontamination som har två huvudsakliga konsekvenser: kanaluppskattningens kvalitet minskar på grund av pilotinterferens E. Björnson är med hjälp av semiblind uppskattning för att separera subrymden för önskade UE-kanaler från subrymden för störande kanaler [15]-[19]. Denna metod kan helt avlägsna pilotkontamination om M och kanalkonsistensblockets storlek går i oändlighet [18]. Tyvärr är kanalkonsistensen fast och begränsad i praktiken (det är därför vi inte kan ge unika piloter till varje cell), så vi kan inte närma oss denna gräns i praktiken. Den tredje kategorin använder flera pilotfaser med olika pilotsekvenser för att successivt eliminera pilotkontamination [20], [21], utan behov av statistisk information. Den totala pilotlängden är dock större eller lika med det totala antalet UE, vilket skulle göra det möjligt att fördela ömsesidigt ortogonala piloter till alla UE och därmed trivialt undvika problemet pilot förorening. Detta är inte en skalbar lösning för nätverk med många celler. Den fjärde kategorin är förkodning av pilotkontamination som avvisar störningar genom koherent gemensam överföring/mottagning över hela nätet [22], [23]. Denna metod verkar uppnå ett obegränsat SE-bolag, men detta har inte formellt bevisats och kräver att data för alla UE är tillgängliga vid varje BS, vilket kanske inte är genomförbart i praktiken. Sammanfattningsvis förefaller det som om pilotkontamination är en grundläggande fråga som uppvisar en ändlig SE-gräns, utom i osannolika specialfall. Vi visar i detta dokument att detta i grunden är ett missförstånd, sporrat av populariteten av att analysera suboptimala kombinations-/förkodningsprogram, såsom MR och S-MMSE, och fokusera på orealistiska i.i.d. Rayleigh blekningskanaler (som i föregående arbete [8], [9] på M-MMSE). Vi bevisar att SE ökar utan att bindas i närvaro av pilotkontamination när M-MMSE kombineras/förkodas, om piloten delar UEs har asymptotiskt linjärt oberoende covariansmatriser. Observera att R 1 och R 2 i (1) är linjärt oberoende om [a b c] T och [d e f ] T är icke-parallella vektorer, vilket händer nästan säkert för slumpmässigt genererade covariansmatriser. Därför är våra resultat beroende av ett villkor som är mest sannolikt nöjda i praktiken-det är det allmänna fallet, medan tidigare arbete med asymptotik av Massive MIMO anses praktiskt taget osannolika specialfall. I motsats till tidigare arbete utnyttjas inget multicellellt samarbete häri och det finns inget behov av ortogonalt stöd för kovariansmatriser. I konferensdokumentet [24] visade vi huvudresultatet i ett upplänksscenario med två användare. 1 I detta dokument bevisar vi resultatet för både upplänk och nedlänk i en allmän miljö. Avsnitt II bevisar och förklarar intuitionen av resultaten i en tvåanvändarinställning, medan Avsnitt III generaliserar resultaten till en multicellinställning. Resultaten visas numeriskt i avsnitt IV och de viktigaste slutsatserna sammanfattas i avsnitt V.1 Efter att ha lämnat in vårt konferensdokument [24] dök det relaterade arbetet upp [25]. I det dokumentet beaktas det genomsnittliga kvadratfelet i upplänksdatadetekteringen av en enda cell med flera UE per pilotsekvens. Författarna visar att felet går asymptotiskt till noll för linjärt oberoende matriser. Papperet [25] innehåller dock ingen matematisk analys av det uppnåeliga SE-bolaget.
Den senaste tidens utveckling visar dock att även i närvaro av pilotkontamination är kapaciteten hos massiva MIMO-system obegränsad i takt med att antalet antenner ökar, när det gäller rumsligt korrelerade kanaler.
Massive MIMO has Unlimited Capacity
{'venue': 'ArXiv', 'journal': 'ArXiv', 'mag_field_of_study': ['Mathematics', 'Computer Science']}