Yang, Lihua;Yang, Longxiang;Zhu, Hongbo;Liang, Yan
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.12
no.3
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pp.1098-1112
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2018
Achievable sum rate and energy efficiency (EE) are investigated for the massive multiple-input multiple-output (Massive MIMO) downlink with channel aging in the time varying Ricean fading channel. Specifically, the expression of the achievable sum rate of the system for the maximum ratio transmission (MRT) precoder with aged channel state information (CSI) in the time varying Ricean fading channel is first presented. Based on the expression, the effect of both channel aging and the Ricean factor on the power scaling law are studied. It is found that the transmit power of base station (BS) is scaled down by $1/{\sqrt{M}}$(where M is the number of the BS antennas) when the Ricean factor K is equal to zero (i.e., time varying Rayleigh fading channel), indicating that aged CSI does not affect the power scaling law. However, the transmit power of the BS is scaled down by 1/M for the time varying Ricean fading channel (where $K{\neq}0$) indicating that the Ricean factor affects the power scaling law and sum rate, and channel aging only leads to a reduction of the sum rate. Second, the EE of the system is analyzed based on the general power consumption model. Both the theoretical analysis and the simulations show that the channel aging could degrade the sum rate and the EE of the system, and it does not affect the power scaling law.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.40
no.7
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pp.1239-1247
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2015
In frequency-division duplex (FDD) massive multiple-input multiple-output (MIMO) system, the computational complexity of downlink channel estimation is proportional to the number of antennas at a base station. Therefore, effective channel estimation techniques may have to be studied. In this paper, novel channel estimation algorithms using adaptive techniques such as Kalman and least mean square (LMS) filters are proposed in a channel model with temporal and spatial correlation.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.9
no.8
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pp.2797-2820
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2015
In order to accommodate huge number of antennas in a limited antenna size, a large scale antenna array is expected to have a three dimensional (3D) array structure. By using the Active Antenna Systems (AAS), the weights of the antenna elements arranged vertically could be configured adaptively. Then, a degree of freedom (DOF) in the vertical plane is provided for system design. So the three-dimension MIMO (3D MIMO) could be realized to solve the actual implementation problem of the massive MIMO. However, in 3D massive MIMO systems, the pilot contamination problem studied in 2D massive MIMO systems and the inter-cell interference as well as inter-vertical sector interference in 3D MIMO systems with vertical sectorization exist simultaneously, when the number of antenna is not large enough. This paper investigates the interference management towards the above challenges in 3D massive MIMO systems. Here, vertical sectorization based on vertical beamforming is included in the concerned systems. Firstly, a cooperative joint vertical beams adjustment and pilot assignment scheme is developed to improve the channel estimation precision of the uplink with pilots being reused across the vertical sectors. Secondly, a downlink interference coordination scheme by jointly controlling weight vectors and power of vertical beams is proposed, where the estimated channel state information is used in the optimization modelling, and the performance loss induced by pilot contamination could be compensated in some degree. Simulation results show that the proposed joint optimization algorithm with controllable vertical beams' weight vectors outperforms the method combining downtilts adjustment and power allocation.
In this paper, we investigate the achievable sum rate and energy efficiency of downlink massive multiple-input multiple-output antenna systems with zero-forcing precoding, by taking into account the randomness of user locations. Specifically, we propose two types of non-uniform user distributions, namely, center-intensive user distribution and edge-intensive user distribution. Based on these user distributions, we derive novel tight lower and upper bounds on the average sum rate. In addition, the impact of user distributions on the optimal number of users maximizing the sum rate is characterized. Moreover, by adopting a realistic power consumption model which accounts for the transmit power, circuit power and signal processing power, the energy efficiency of the system is studied. In particular, closed-form solutions for the key system parameters, such as the number of antennas and the optimal transmit signal-to-noise ratio maximizing the energy efficiency, are obtained. The findings of the paper suggest that user distribution has a significant impact on the system performance: for instance, the highest average sum rate is achieved with the center-intensive user distribution, while the lowest average sum rate is obtained with the edge-intensive user distribution. Also, more users can be served with the center-intensive user distribution.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.41
no.11
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pp.1630-1638
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2016
In this paper, we consider multiuser massive multiple-input and multiple-output (MIMO) system where multiusers simultaneously utilize massive antennas of base station (BS). With a downlink frame structure considering pilot signals, we derive the ergodic cell capacity based on zero-forcing beamforming (ZFBF) technique. This paper proves that the ergodic cell capacity is concave function with respect to the numbers of BS antennas and users, and derives the optimum numbers of BS antennas and users maximizing ergodic cell capacity. From the simulation results, it is shown that the derived numbers of BS antennas and users has the optimum value for the maximum ergodic cell capacity, and the ergodic cell capacity with the derived optimum values increases with respect to the transmit SNR(Signal to Noise Ratio).
Journal of Advanced Information Technology and Convergence
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v.8
no.2
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pp.13-25
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2018
The paper analyzes the sum spectral efficiency (SE) for a heterogeneous cellular network (HetNet) which has the backhaul, provided with wireless full-duplex massive multiple-input multiple-out (MIMO) with hardware distortions. We derive approximate expressions to obtain the uplink/downlink sum SE of the backhaul. The analytic results have been shown to be exact when compared to Monte Carlo simulations. From the analysis, it is shown that the desired signal and the hardware distortion noise have the same order. The sum SE generally improves when the number of receive antennas increases but degrades when the hardware quality reduces. A sum SE performance ceiling is introduced by the hardware quality level.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.39
no.3
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pp.280-285
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2015
We consider a linear transceiver design method for multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) downlink channels where a base station (BS) equipped with a finitely large number of antennas. Although a matched-filter precoder is a capacity-achieving method in massive MIMO downlink systems, it cannot guarantee to achieve the multi-user MIMO capacity in a finitely large number of antennas due to inter-user interferences. In this paper, we propose a two-stage precoder design method that maximizes the sum-rate of cell-edge users when the BS equipped with a finitely large number of antennas. At the first stage, a matched-filter precoder is adopted to exploit both beamforming gain and the reduction of the dimension of effective channels. Then, we derive the second stage precoder that maximizes the sum-rate by minimizing the weighted mean square error (WMSE). From simulation and analysis, we verify the effectiveness of the proposed method.
In this paper, we investigated the performance of directional and omnidirectional precoding schemes when transmitting to improve downlink performance in massive MIMO. Omnidirectional precoding was used to broadcast a common signal, such as a synchronization or control signal, to all users. The main purpose of omnidirectional precoding is to design the precoding matrix so that the signal transmitted in the downlink is the same in all directions and emitted with maximum energy. We propose a flexible omnidirectional precoding method for full-dimensional massive MIMO that can set the spatial coverage range to less than 120 degrees. The constraints of omnidirectionality of all antennas, equal transmit power, and maximum transmit rate are used to design the encoding matrix of the proposed method. The performance was evaluated in terms of spatial coverage by considering changing the spatial coverage of the antenna array by changing the distance between neighboring antennas in the antenna array.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.51
no.11
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pp.33-39
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2014
We propose an optimal number of transmit antennas which maximizes energy-efficiency (EE) in multi-user massive multiple-input multiple-output (MIMO) downlink system with the maximal ratio transmission (MRT) precoding. With full channel state information at the transmitter (CSIT), we find a closed form solution by partial differential function with proper approximations using average channel gain, independence of individual channels, and average path loss. With limited feedback, we get a solution numerically by the bisection with approximations in the same manner, and analyze an effect of feedback bits on the optimal number of transmit antennas. Simulation results show that the optimal numbers of transmit antenna getting from proposed closed form solution and exhaustive search are nearly same.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.52
no.8
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pp.3-9
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2015
Under the maximum transmit power constraint and the minimum rate constraint, we propose the optimal number of transmit antennas and transmit power which maximize energy-efficiency (EE) in multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) downlink system with the maximal ratio transmission (MRT) precoding. Because the optimization problem for the instantaneous channel is difficult to solve, we use independence of individual channel, average channel gain and path loss to approximate the objective function. Since the approximated EE optimization problem is two-dimensional search problem, we find the optimal number of transmit antennas and transmit power using Lagrange multipliers and our proposed algorithm. Simulation results show that the number of transmit antennas and power obtained by proposed algorithm are almost identical to the value by the exhaustive search.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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