Repeater-Assisted Massive MIMO Full-Duplex Communications

Technische Samenvatting: Repeater-ondersteunde Massive MIMO Full-Duplex Communicatie

Probleemstelling
Dit artikel behandelt de prestatiebeperkingen van massive multiple-input multiple-output (mMIMO) systemen, die vaak worden beperkt door signaalverzwakking, problemen met line-of-sight (LoS) propagatie en schaduwvorming. Hoewel gedistribueerde MIMO-architecturen (bijv. cell-free mMIMO) oplossingen bieden, vereisen deze doorgaans complexe synchronisatie en een zware fronthaul-infrastructuur. Om deze problemen te verzachten, onderzoeken de auteurs een systeem dat gebruikmaakt van netwerkgestuurde, single-antenna repeaters die signalen versterkt en opnieuw uitzendt. De specifieke uitdaging die wordt aangepakt, is de optimalisatie van repeater-gewichten in een full-duplex (FD) setting waarbij een basisstation (BS) gelijktijdig meerdere uplink (UL) en downlink (DL) single-antenna gebruikers (UE) bedient over hetzelfde frequentieband. De kern van de moeilijkheid ligt in het beheren van de extra interferentie en ruisinjectie die door de repeaters wordt geïntroduceerd, terwijl de gewogen som van de minimale spectrale efficiënties (SE's) voor zowel UL- als DL-gebruikers wordt gemaximaliseerd.

Methodologie
De auteurs stellen een systeemmodel voor waarbij $L$ single-antenna repeaters een $M$-antenne FD mMIMO BS ondersteunen die $K_{dl}$ DL- en $K_{ul}$ UL-gebruikers bedient. Het kanaalmodel omvat directe verbindingen en samengestelde indirecte verbindingen via de repeaters, waarbij rekening wordt gehouden met zelfinterferentie (SI) bij de BS en inter-gebruikersinterferentie. De BS maakt gebruik van zero-forcing (ZF) precoding voor DL en combining voor UL.

Om de systeemprestaties te optimaliseren, formuleren de auteurs een niet-convexe optimalisatieprobleem (P1) gericht op het maximaliseren van de gewogen som van de minimale UL- en DL-SE's, onderworpen aan QoS-restricties en repeater-vermogenslimieten. Het probleem wordt geherformuleerd (P2) met behulp van hulpvariabelen om de min-max structuur te behandelen. Vanwege de niet-convexe signaal-naar-interferentie-plus-ruisverhouding (SINR) restricties, gebruiken de auteurs een Successive Convex Approximation (SCA) techniek gebaseerd op de Convex-Concave Procedure (CCP).

Belangrijke methodologische stappen zijn onder meer:

1. Feasibility Pursuit: Om te garanderen dat het algoritme vanuit een willekeurige initialisatie naar een haalbare oplossing convergeert, worden niet-negatieve haalbaarheidsparameters ($\phi$) geïntroduceerd. Deze worden iteratief naar nul gedreven door regularisatietermen aan de doelfunctie toe te voegen.
2. Convexificatie: De niet-convexe SINR-restricties worden benaderd met convexe ondergrenzen afgeleid van het SCA-framework, waardoor het probleem wordt getransformeerd naar een convex optimalisatieprobleem (P3).
3. Iteratieve Oplossing: Het resulterende convexe probleem wordt efficiënt op een iteratieve wijze opgelost met behulp van CVX.

Belangrijkste Bijdragen

• Framework Ontwikkeling: Het artikel vestigt een framework om de prestatiewinsten in multiuser FD mMIMO-systemen te kwantificeren die worden ondersteund door een zwerm repeaters, een scenario dat niet uitgebreid is behandeld in de bestaande literatuur, die vaak uitgaat van half-duplex (HD) operatie.
• Optimalisatiealgoritme: Een efficiënt iteratief algoritme wordt voorgesteld om de versterkingsgewichten van de repeaters te optimaliseren. Dit algoritme richt zich specifiek op het maximaliseren van de gewogen minimale SE terwijl de nadelige effecten van door repeaters veroorzaakte ruis en interferentie worden gemitigeerd.
• Uitgebreide Analyse: De studie analyseert zowel UL- als DL-prestaties onder ZF-verwerking, waarbij de samengestelde kanalen en de residuele zelfinterferentie bij de FD basisstation expliciet worden gemodelleerd.

Numerieke Resultaten
Het voorgestelde systeem (RA-FD Optimized) werd geëvalueerd tegen drie benchmarks:

1. RA-FD (Random): Dezelfde opzet maar met willekeurige repeater-gewichten.
2. RA-HD (Optimized): Een half-duplex tegenhanger met geoptimaliseerde repeater-gewichten.
3. FD-mMIMO: Een gecentraliseerd FD-systeem zonder repeater-ondersteuning.

Belangrijkste bevindingen zijn onder meer:

• Superioriteit van Optimalisatie: Het optimaliseren van de repeater-gewichten is cruciaal. Het geoptimaliseerde RA-FD systeem presteert aanzienlijk beter dan het RA-FD systeem met willekeurige gewichten, wat aantoont dat effectief interferentiebeheer mogelijk is.
• FD Winsten: FD-operatie levert substantiële verbeteringen op ten opzichte van HD-tegenhangers, met gemiddelde per-UE SE-verbeteringen van 98% in DL en 252% in UL.
• Voordelen van Repeaters: De inclusie van gedistribueerde repeaters in het FD mMIMO-systeem biedt verdere winsten. Vergeleken met de gecentraliseerde FD-mMIMO baseline toont het voorgestelde systeem consistente verbeteringen in zowel UL- als DL-scenario's.
• Grootte van de Verbetering: Het geoptimaliseerde FD-ontwerp bereikt spectrale efficiëntie-verbeteringen van respectievelijk tot 4-voudig en 2,5-voudig vergeleken met zijn half-duplex tegenhanger. Wat betreft eerlijkheid (minimale SE), bereikt het voorgestelde ontwerp een meer dan 10-voudige verbetering ten opzichte van conventionele niet-repeater-ondersteunde mMIMO-systemen.
• Ontwerpgevoeligheid: De resultaten benadrukken dat als het RA-FD systeem niet zorgvuldig wordt ontworpen (d.w.z. zonder gewichtsoptimalisatie), de prestaties onder die van RA-HD systemen kunnen dalen door versterkte ruis en interferentie.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de nadelige effecten van geïnjecteerde ruis en interferentie door de heruitzendingen van de repeater effectief kunnen worden gemitigeerd door de voorgestelde gewichtsoptimalisatie. Door QoS-niveaus te garanderen voor zowel UL- als DL-gebruikers, toont de studie aan dat repeater-ondersteunde FD mMIMO-netwerken veelbelovende prestatiewinsten kunnen behalen. Specifiek concluderen de auteurs dat in dergelijke systemen, FD-operatie bij de BS een verbetering van tot wel 82% oplevert in de minimale gewogen som SE van het systeem vergeleken met de HD-tegenhanger. Het werk onderstreept het potentieel van het combineren van swarm repeaters met FD mMIMO om de dekking en spectrale efficiëntie in beyond 5G-netwerken te verbeteren, mits de versterkingswinsten strikt worden geoptimaliseerd.