Uplink Linear Receivers for Multi-Cell Multiuser MIMO With Pilot Contamination: Large System Analysis

Abstract

Abstract-Base stations with a large number of transmit antennas have the potential to serve a large number of users at high rates. However, the receiver processing in the uplink relies on channel estimates which are known to suffer from pilot interference. In this work, making use of the similarity of the uplink received signal in CDMA with that of a multi-cell multi-antenna system, we perform a large system analysis when the receiver employs an MMSE filter with a pilot contaminated estimate. We assume a Rayleigh fading channel with different received powers from users. We find the asymptotic Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) as the number of antennas and number of users per base station grow large while maintaining a fixed ratio. Through the SINR expression we explore the scenario where the number of users being served are comparable to the number of antennas at the base station. The SINR explicitly captures the effect of pilot contamination and is found to be the same as that employing a matched filter with a pilot contaminated estimate. We also find the exact expression for the interference suppression obtained using an MMSE filter which is an important factor when there are significant number of users in the system as compared to the number of antennas. In a typical set up, in terms of the five percentile SINR, the MMSE filter is shown to provide significant gains over matched filtering and is within 5 dB of MMSE filter with perfect channel estimate. Simulation results for achievable rates are close to large system limits for even a 10-antenna base station with 3 or more users per cell.

Detecção De Sinais No Enlace Reverso De Sistemas Mimo De Larga Escala Com Múltiplos Usuários E Células

“…Caso o transmissor conhecesse antecipadamente a matriz de coeficientes do canal, ele poderia aplicar uma transformação no vetor de entrada de forma a alterar K x com o objetivo de maximizar a expressão de capacidade em (2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20). Entretanto, assumiu-se que apenas o receptor possui conhecimento da matriz H, impossibilitando a referida maximização.…”

“…(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18) Se em determinado passo da busca ∆Λ(∆d s (n)) não for positivo, o primeiro estágio termina e o algoritmo passa ao segundo estágio. Desenvolvimento similar pode ser realizado para os demais estágios do algoritmo MLAS.…”

“…Destaca-se que a aproximação em (4-23) depende do correto cancelamento de interferência realizado em (4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20). Inicialmente, a eficiência deste cancelamento de interferência depende do resultado da detecção do detector interno empregado na primeira etapa da primeira iteração, porém, conforme as iterações progridem, devido à melhoria da detecção dos símbolos transmitidos, o resultado do PIC também melhora.…”

“…Tendo em vista a elevada complexidade computacional do detector ML apresentado na subseção anterior, procurou-se empregar a estratégia LAS para a proposição de estimadores/detectores conjuntos que se aproximem do resultado do detector descrito em (5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22)(23)(24). A estratégia LAS foi escolhida uma vez que ela busca se aproximar do resultado da detecção ML com complexidade computacional reduzida.…”

“…As vantagens mencionadas anteriormente dos sistemas MIMO quando o número de antenas nas EB cresce indefinidamente são demonstradas em [14,15] considerando que as células são isoladas umas das outras e que as EB possuem pleno conhecimento acerca dos estados dos canais de comunicação envolvidos. De forma a investigar os efeitos das interferências entre-células e do conhecimento parcial dos estados dos canais, diversos trabalhos vêm sendo realizados [16][17][18]. Especialmente no que se refere à aquisição das informações dos estados dos canais por meio do envio de sequências piloto, surge, em cenários multi-celulares, o problema conhecido por contaminação por pilotos (pilot contamination) [19].…”