liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Spectral and Energy Efficiency of Superimposed Pilots in Uplink Massive MIMO
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.ORCID iD: 0000-0002-5954-434X
Univ Pisa, Italy; Univ Paris Saclay, France.
2018 (English)In: IEEE Transactions on Wireless Communications, ISSN 1536-1276, E-ISSN 1558-2248, Vol. 17, no 11, p. 7099-7115Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Next-generation wireless networks aim at providing substantial improvements in spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE). Massive MIMO has been proved to be a viable technology to achieve these goals by spatially multiplexing several users using many base station (BS) antennas. A potential limitation of massive MIMO in multicell systems is pilot contamination, which arises in the channel estimation process from the interference caused by reusing pilots in neighboring cells. A standard method to reduce pilot contamination, known as regular pilot (RP), is to adjust the length of pilot sequences while transmitting data and pilot symbols disjointly. An alternative method, called superimposed pilot (SP), sends a superposition of pilot and data symbols. This allows use of longer pilots which, in turn, reduces pilot contamination. We consider the uplink of a multicell massive MIMO network, with i.i.d. Rayleigh fading channels, using maximum ratio combining and compare RP and SP in terms of SE and EE. To this end, we derive rigorous closed-form achievable rates with SP under a practical random BS deployment. We prove that the reduction of pilot contamination with SP is outweighed by the additional coherent and non-coherent interference. Numerical results show that when both methods are optimized, RP achieves comparable SE and EE to SP in practical scenarios.

Place, publisher, year, edition, pages
IEEE-INST ELECTRICAL ELECTRONICS ENGINEERS INC , 2018. Vol. 17, no 11, p. 7099-7115
Keywords [en]
Massive MIMO; spatial multiplexing; spectral efficiency (SE); energy efficiency (EE); superimposed pilots (SP); channel estimation; pilot contamination; achievable rates; stochastic geometry
National Category
Telecommunications
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-153185DOI: 10.1109/TWC.2018.2860939ISI: 000449978700001OAI: oai:DiVA.org:liu-153185DiVA, id: diva2:1267274
Conference
36th IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM)
Note

Funding Agencies|ELLIIT; Swedish Foundation for Strategic Research (SSF); ERC [MORE 305123]

Available from: 2018-11-30 Created: 2018-11-30 Last updated: 2020-01-15
In thesis
1. Exploring Alternative Massive MIMO Designs: Superimposed Pilots and Mixed-ADCs
Open this publication in new window or tab >>Exploring Alternative Massive MIMO Designs: Superimposed Pilots and Mixed-ADCs
2020 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The development of information and communication technologies (ICT) provides the means for reaching global connectivity that can help humanity progress and prosper. This comes with high demands on data traffic and number of connected devices which are rapidly growing and need to be met by technological development. Massive MIMO, where MIMO stands for multiple-input multiple-output, is a fundamental component of the 5G wireless communication standard for its ability to provide high spectral and energy efficiency, SE and EE, respectively. The key feature of this technology is the use of a large number of antennas at the base stations (BSs) to spatially multiplex several user equipments (UEs).

In the development of new technologies like Massive MIMO, many design alternatives need to be evaluated and compared in order to find the best operating point with a preferable tradeoff between low cost and complexity. In this thesis, two alternative designs for signal processing and hardware in Massive MIMO are studied and compared with the baseline operation in terms of SE, EE, and power consumption. The first design is called superimposed pilot (SP) transmission and is based on superimposing pilot and data symbols to eliminate the need to reserve dedicated time-frequency resources for pilots. This allows more data to be transmitted and supports longer pilot sequences that, in turn, reduce pilot contamination. The second design is mixed analog-to-digital converters (ADCs) and it aims at balancing the SE performance and the power consumption cost by allowing different ADC bit resolutions across the BS antennas.

The results show that the Massive MIMO baseline, when properly optimized, is the preferred choice in standard deployments and propagation conditions. However, the SP alternative design can increase the SE compared to the baseline by using the Massive-MIMO iterative channel estimation and decoding (MICED) algorithm proposed in this dissertation. In particular, the SE gains are found in cases with high mobility, high carrier frequencies, or high number of spatially multiplexed UEs. For the mixed-ADCs alternative design, improvements in the SE and EE compared to the Massive MIMO baseline can be achieved in cases with distributed BS antennas where interference suppression techniques are used.

Abstract [es]

El desarrollo en tecnologías de información y comunicación (en inglés, ICT) provee los medios para alcanzar la conectividad global que puede ayudar a la humanidad a progresar y prosperar. Esto implica que el avance tecnológico debe satisfacer la alta demanda de tráfico de data y número de equipos conectados que se encuentra en rápido crecimiento. La tecnología de múltiple-entrada múltiple-salida masiva, en inglés Massive MIMO, se considera una pieza fundamental de la quinta generación de comunicaciones inalámbricas (5G) debido a su capacidad de proveer una alta eficiencia espectral y energética (en inglés, SE y EE, respectivamente). Esta tecnología está caracterizada fundamentalmente por el uso de un alto número de antenas en la estación base (en inglés, BS) para multiplexar a varios usuarios en el espacio.

En el desarrollo de nuevas tecnologías como Massive MIMO, muchas alternativas de diseño necesitan ser evaluadas y comparadas para encontrar el mejor punto de operación con un balance conveniente entre complejidad y bajo costo. En esta tesis, dos alternativas de diseño para el procesamiento de señales y el hardware de Massive MIMO son estudiadas y comparadas con la operación del diseño base en términos de eficiencia espectral, eficiencia energética y consumo de potencia. El primer diseño se denomina transmisión de pilotos superpuestos (en inglés, SP) y está basado en la superposición de señales piloto y de datos para eliminar la necesidad de asignar recursos dedicados a señales pilotos. Además, la transmisión de pilotos superpuestos permite reducir la interferencia que surge a raíz de reusar las señales pilotos en distintas celdas, este efecto se denomina contaminación de pilotos (en inglés pilot contamination). El segundo diseño se denomina conversores analógico-adigital (en inglés, ADC) mixtos (en inglés, mixed-ADCs) y se basa en permitir distintas resoluciones de bit en los conversores analógico-a-digital de las antenas en la estación base. Este diseño permite que la resolución de los conversores analógico-a-digital se adapte a las condiciones de propagación de las señales para balancear los beneficios en eficiencia espectral con el costo de potencia consumida.

Los resultados muestran que el diseño base de Massive MIMO, cuando esta optimizado de manera apropiada, es la opción preferida en despliegues y condiciones de propagación estándares. Sin embargo, la transmisión de pilotos superpuestos puede incrementar la eficiencia espectral en comparación al diseño base cuando se combina con el método iterativo para la estimación de canal y decodificación en Massive MIMO propuesto en esta tesis (en inglés, MICED). En particular, las ganancias en eficiencia espectral son obtenidas en escenarios con alta movilidad de usuarios, alta frecuencia portadora, o alto número de usuarios multiplexados en el espacio. Con respecto al diseño alternativo de conversores analógico-a-digital mixtos, la eficiencia espectral y energética pueden ser incrementadas en comparación al diseño base cuando las antenas de la estación base están distribuidas en el espacio y técnicas para suprimir interferencia entre usuarios son usadas.

Abstract [de]

Die Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologien (ICT) bietet die Möglichkeit eine globale Konnektivität zu erreichen, die Fortschritt und Wohlstand fördern kann. Dies bedeutet zugleich, dass der steigende Datenverkehr und die wachsende Anzahl verbundener Geräte eines entsprechenden technologischen Fortschritts bedarf. Massive MIMO, wobei MIMO für multiple-input multiple-output steht, ist eine fundamentale Komponente des drahtlosen 5G Kommunikationsstandards, da sie eine hohe spektrale Effizienz (SE) und Energieeffizienz bietet (EE). Die Hauptkomponente dieser Technologie ist die Nutzung einer großen Anzahl an Antennen auf Seiten der Basisstationen (BSs) um mehrere Nutzer zu bedienen, die ihre Signale zur selben Zeit auf derselben Frequenz senden während sie in der räumlichen Domäne getrennt sind (spatial multiplexing).

In der Entwicklung neuer Technologien wie Massive MIMO müssen viele Designalternativen evaluiert und verglichen werden um den optimalen Betriebspunkt im Sinne eines sinnvollen Gleichgewichts zwischen Kosteneffizienz und Komplexität zu finden.

In dieser Doktorarbeit werden zwei alternative Designs für Signalverarbeitung und Hardware in Massive MIMO Systemen untersucht und in Bezug auf spektrale Effizienz, Energieeffizienz und Stromverbrauch mit dem Massive MIMO Basisdesign verglichen. Das erste Design heißt überlagerte Pilotton Übertragung (superimposed pilot, SP) und basiert auf der Überlagerung von Pilotton und Datensignal, damit nicht mehr die Notwendigkeit besteht bestimmte Ressourcen für Pilottöne zu reservieren. Dies ermöglicht die Übertragung größerer Datenmengen und reduziert die Interferenz, die aus der wiederholten Nutzung der Pilottöne in verschiedenen Zellen resultiert (pilot contamination). Das zweite Design nennt sich gemischte analog zu digital Konverter (mixed analog-to-digital converters, ADCs) und erlaubt es einen Kompromiss zwischen hoher spektraler Effizienz und niedrigem Stromverbrauch zu finden. Dies geschieht indem die Bit Auflösung an jeder BS Antenne an die Ausbreitungsbedingungen der Signale angepasst wird.

Die Resultate zeigen, dass das Massive MIMO Basisdesign, wenn es richtig optimiert ist, bei Standardeinsätzen und unter normalen Ausbreitungsbedingungen, die bevorzugte Wahl ist. Das alternative SP Design kann jedoch die spektrale Effizienz im Vergleich zum Basisdesign durch die Nutzung des in dieser Dissertation vorgeschlagenen Massive MIMO iterativen Kanalschätzungs- und Dekodierungsalgorithmus (MICED) erhöhen. Die verbesserte spektrale Effizienz findet sich insbesondere in Fällen hoher Nutzermobilität, hoher Frequenzen oder hoher Anzahl an gleichzeitig bedienter Nutzer. Das gemischte analog zu digital Konverter Design ermöglicht in Fällen verteilter Basisstationen bei denen Interferenz unterdrückende Techniken genutzt werden eine verbesserte spektrale Effizienz und Energieeffizienz.

Abstract [sv]

Utvecklingen av informations- och kommunikationsteknik (IKT) gör det möjligt för människor från hela världen att kopplas samman och utbyta kunskaper. Ju mer vi vet och förstår om varandra, desto större är chansen att mänskligheten kan uppnå globala utvecklingsmål och välstånd.

IKT-utvecklingen är associerad med höga krav på datatakter och antal uppkopplade enheter. Dessa krav ökar ständigt och måste mötas med teknologisk utveckling. Massiv MIMO, där MIMO står för multiple-input multiple-output, är flerantennteknik och en grundsten i nästa generations trådlösa kommunikationssystem. Huvudanledningen till detta är att tekniken kan förbättra spektraleffektiviteten (SE), vilket är ett mått på hur väl vi kan kommunicera data över begränsade radiofrekvensresurser. Tekniken förbättrar även energieffektiviteten (EE), vilket är ett mått på hur effektivt tekniken använder energi till att kommunicera data.

Massiv MIMO bygger på användandet av ett stort antal av antenner på basstationerna för att kommunicera med ett flertal användare samtidigt och på samma frekvensresurser. Detta möjliggörs genom ”rumslig multiplexing” vilket betyder att signaler från användare på olika platser kan separeras på basstationen i den rumsliga domänen. Denna separering kräver att basstationen först mäter egenskaperna hos signaler som kommer från de olika användarnas positioner.

När en ny teknik, såsom Massiv MIMO, utvecklas är det viktigt att olika alternativa designer utvärderas och jämförs för att identifiera den bästa varianten. Detta kan exempelvis vara den variant som uppnår en viss balans mellan hög kommunikationsprestanda och låg kostnad. I denna avhandling utvärderas två alternativa sätt att designa signalbehandlingen och hårdvaran i Massiv MIMO. Dessa jämförs med konventionell Massiv MIMO i termer av SE, EE och effektförbrukning.

Den första alternativa designen kallas överlagrade piloter och bygger på att kända pilotsignaler och okända datasignaler skickas samtidigt från användarna, istället för efter varandra. Pilotsignalerna används för att mäta upp de trådlösa kanalerna som signalerna färdas över medan datasignalerna innehåller den information som ska kommuniceras. Genom att överlagra pilotsignalerna så behövs inga dedikerade radioresurser för piloter och därmed finns det mer resurser för datasändning. Dessutom minskar överlagrandet de störningar som kommer från andra användare som använder samma pilot, vilket kallas pilotkontaminering.

Den andra alternativa designen kallas mixade analog-till-digital (AD) omvandlare. En AD-omvandlare är en krets som behövs på varje antenn för att omvandla analoga radiosignaler till digitala signaler som kan processas i en dator. Bitupplösningen i AD-omvandlaren avgör hur många nivåer som kan användas för att representera den analoga signalen. Ju högre bitupplösning desto fler nivåer och därmed en mer noggrann representation, men detta leder även till högre beräkningskomplexitet och effektförbrukning. Mixade AD-omvandlare försöker balansera mellan hög prestanda och låg komplexitet genom att optimera bitupplösningen på varje antenn i ett Massiv MIMO system.

Avhandlingens resultat visar att det går att öka SE i Massiv MIMO genom att använda överlagrade piloter, ifall den föreslagna algoritmen MICED (Massive-MIMO iterative channel estimation and decoding) används. Förbättringarna är särskilt stora när användarna har hög mobilitet, när en hög bärfrekvens används eller när antalet rumsligt multiplexade användare är högt. När det gäller mixade AD-omvandlare så kan små förbättringar i SE uppnås, jämfört med konventionell Massiv MIMO, när bitupplösningen i AD-omvandlarna optimeras under förutsättning att signalstyrkan varierar mellan basstationens antenner.

Sammanfattningsvis så kan de alternativa designerna av Massiv MIMO som studerats i avhandlingen ge små prestandaförbättringar jämfört med konventionella metoder. Men trots detta så kan de konventionella metoderna uppnå en bra avvägning mellan hög prestanda och låg komplexitet ifall de optimeras väl.  

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2020. p. 116
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 2041
National Category
Telecommunications
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-163131 (URN)10.3384/diss.diva-163131 (DOI)9789179299217 (ISBN)
Public defence
2020-02-13, Ada Lovelace, Campus Valla, Linköping, 13:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2020-01-15 Created: 2020-01-15 Last updated: 2020-01-17Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Verenzuela, DanielBjörnson, Emil
By organisation
Communication SystemsFaculty of Science & Engineering
In the same journal
IEEE Transactions on Wireless Communications
Telecommunications

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 27 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf