Over-the-Air Beamforming Design for Full-Duplex Cell-Free Massive MIMO Systems

Technische Samenvatting: Ontwerp van Beamforming Over-the-Air voor Full-Duplex Cell-Free Massive MIMO-systemen

Probleemstelling
Dit artikel behandelt de uitdaging van het ontwerpen van gedistribueerde beamforming voor Full-Duplex (FD) Cell-Free Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-systemen. Hoewel FD-bedrijf bij Toegangspunten (AP's) gelijktijdige Uplink (UL) en Downlink (DL)-transmissie op hetzelfde tijds-frequentie-ressource mogelijk maakt, introduceert dit complexe interferentiecomponenten die afwezig zijn in Half-Duplex (HD)-systemen. Specifiek genereert FD-bedrijf residuële zelfinterferentie (SI) bij AP's, AP-naar-AP-koppeling, en, cruciaal, UE-naar-UE kruislink-interferentie.

Bestaande Over-the-Air (OTA) gedistribueerde beamforming-kaders, ontwikkeld voor HD-systemen, vertrouwen op iteratief bidirectioneel training (IBT) om kanaalkruistermen te reconstrueren zonder expliciete uitwisseling van Channel State Information (CSI). Echter, in FD-systemen veroorzaakt de gelijktijdige transmissie van UL- en DL-pilots "UE-naar-UE pilot-lekkage". Deze lekkage verontreinigt de bij User Equipments (UE's) ontvangen signalen, waardoor de reconstructie van de kruisterm-kanaalinformatie die noodzakelijk is voor AP-specifieke beamforming-updates, wordt aangetast. Bijgevolg slagen standaard OTA-methoden er niet in rekening te houden met de gekoppelde interferentie tussen UL- en DL-gebruikers, wat leidt tot suboptimale prestaties.

Methodologie
De auteurs stellen een volledig gedistribueerd beamforming-kader voor dat gebaseerd is op iteratief UL- en DL-pilot-signaleren onder een gezamenlijk UL- en DL-som-Mean-Squared Error (MSE)-criterium. De methodologie bestaat uit twee hoofdbestanddelen:

1. Perfecte CSI-benchmark: De auteurs leiden eerst de optimaliteitsvoorwaarden af voor gedistribueerde beamformers (DL-precoders, DL-combiners, UL-precoders en UL-combiners) onder de aanname van perfecte globale CSI. Zij formuleren een niet-convex gezamenlijk optimalisatieprobleem en lossen dit op met behulp van een alternatief optimalisatiekader. Om stabiliteit te garanderen onder sterke UE-naar-UE-interferentie, maken zij gebruik van "best-response"-updates, waarbij elke variabele wordt geoptimaliseerd terwijl de anderen vastgehouden worden.

2. OTA-implementatie met pilot-projectie: Om dit ontwerp te implementeren zonder expliciete CSI-uitwisseling, passen de auteurs het IBT-kader aan voor FD-bedrijf. Het protocol omvat drie tijdslots:

   • Slot 1 & 2: Standaard pilot-transmissie waarbij AP's en UE's geprecodeerde pilots uitwisselen om directe kanalen te schatten en lokale combiners/precoders bij te werken.
   • Slot 3 (De nieuwe bijdrage): Om pilot-lekkage aan te pakken, introduceren de auteurs een projectie in het pilot-domein. Voordat de ontvangen pilotsignalen worden teruggezonden naar de AP's voor kruisterm-reconstructie, projecteren de UE's de ontvangen signalen op de deelruimte van hun respectieve pilotsequenties (DL-UE's projecteren op de DL-pilot-deelruimte $P$, en UL-UE's op de UL-pilot-deelruimte $Q$). Deze projectie onderdrukt wiskundig de storende UE-naar-UE-componenten terwijl de gewenste signaal-deelruimte behouden blijft. Dit stelt AP's in staat om de kruistermen ($\xi$) die nodig zijn voor het bijwerken van DL-precoders en UL-combiners nauwkeurig te reconstrueren, ondanks de gelijktijdige transmissie-omgeving.

De uiteindelijke beamformers worden bijgewerkt met de best-response-methode binnen de alternatieve optimalisatielus om convergentie te garanderen.

Belangrijkste Bijdragen

• FD-specifiek OTA-kader: Het artikel breidt OTA-gedistribueerde beamforming uit naar FD cell-free massive MIMO, door het unieke interferentielandschap (SI, AP-koppeling en UE-naar-UE kruislink-interferentie) expliciet te modelleren en aan te pakken.
• Projectie in het pilot-domein: Er wordt een nieuwe signaalverwerkingstechniek geïntroduceerd om UE-naar-UE pilot-lekkage te mitigeren. Door ontvangen signalen voorafgaand aan hertransmissie te projecteren op pilot-deelruimtes, maakt de methode nauwkeurige kruisterm-reconstructie bij AP's mogelijk, wat anders onmogelijk is bij gelijktijdige FD-pilot-transmissie.
• Gezamenlijke optimalisatie: Het ontwerp optimaliseert UL- en DL-beamformers gezamenlijk onder een som-MSE-criterium, in plaats van ze apart te behandelen, waardoor de koppelingseffecten die inherent zijn aan FD-bedrijf worden vastgelegd.
• Stabiliteit van convergentie: De integratie van best-response-updates blijkt de convergentiegedrag te verbeteren in aanwezigheid van sterke interferentie.

Numerieke Resultaten
Numerieke simulaties werden uitgevoerd op een netwerk met 16 AP's (4 antennes elk) en 32 UE's (16 DL, 16 UL, 4 antennes elk). Het voorgestelde schema werd vergeleken met:

1. Scheiding OTA-training: Waar UL en DL onafhankelijk worden getraind (kruislink-interferentie wordt genegeerd).
2. Lokaal MMSE: Een baseline die uitsluitend lokale CSI gebruikt zonder kruisterm-reconstructie.
3. HD-scenario: Een baseline waarbij UL en DL op orthogonale resources opereren.

De resultaten tonen aan dat het voorgestelde FD-OTA-schema bereikt:

• Snellere convergentie: Het algoritme convergeert sneller dan baseline-schema's.
• Hogere effectieve somrate: De voorgestelde methode levert een hogere som van UL- en DL-rates op vergeleken met Separate OTA en Local MMSE-ontwerpen.
• Robuustheid tegen interferentie: De prestatiewinsten zijn bijzonder significant voor UE's die sterke interferentie ervaren. Hoewel het interferentiebewuste UL-precoder-ontwerp de UL-rates licht kan verminderen ten opzichte van Separate OTA (vanwege interferentiemitigatie), verbeteren de gekoppelde updates de DL-rates aanzienlijk, wat leidt tot een netto winst in totale systeemdoorvoer.
• Ressource-efficiëntie: Zelfs met beperkte totale resources presteert de voorgestelde methode beter dan baselines, en de prestatiekloof wordt groter naarmate de beschikbare resources toenemen, omdat de trainingsoverhead verwaarloosbaar wordt ten opzichte van de winsten in spectrale efficiëntie.

Betekenis
Het artikel beweert dat de primaire betekenis ligt in het mogelijk maken van de praktische implementatie van FD cell-free massive MIMO-systemen. Door het specifieke probleem van pilot-lekkage in gedistribueerde OTA-training op te lossen, stelt het kader AP's in staat om de spectrale efficiëntiewinsten van FD-bedrijf volledig te benutten zonder centrale CSI-uitwisseling of uitgebreide fronthaul-signaleren te vereisen. Het werk stelt vast dat expliciete rekening houden met UE-naar-UE kruislink-interferentie en het gebruik van projectie in het pilot-domein essentieel zijn om de theoretische voordelen van FD in gedistribueerde draadloze netwerken te realiseren.