Distributed MMSE-based uplink receive combining, downlink transmit precoding and optimal power allocation in cell-free massive MIMO systems

EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking

Research

Robbe Van Rompaey¹  Marc Moonen¹ 

[1] Department of Electrical Engineering, KU Leuven, Kasteelpark Arenberg 10 - bus 2446, 3001, Leuven, Belgium;

关键词: Cell-free massive MIMO (CFmMIMO);    Uplink receive combining;    downlink transmit precoding;    Optimal power allocation;    distributed processing;    Minimum-mean-squared-error (MMSE);   

DOI  :  10.1186/s13638-023-02251-6

 received in 2022-02-24, accepted in 2023-05-17,  发布年份 2023

来源: Springer

【 摘 要 】

In cell-free massive multiple-input multiple-output systems, a large number of distributed wireless access points (AP) simultaneously serve a number of user equipments (UEs). This setup has recently been introduced as a promising alternative for the current 5G cellular networks. The setup has the ability to offer a good quality of service, especially for the UEs on the cell edges, be it that there is still a need for low-complexity signal processing algorithms. In this paper, the problem of optimal power allocation combined with uplink receive combining and downlink transmit precoding is tackled by providing efficient distributed MMSE-based algorithms. The necessary fronthaul communications to estimate the combining/precoding vectors and the necessary large-scale channel statistics are reduced to a minimum and rely on in-network summation that can be accomplished whenever the APs can be arranged into a tree-topology. Non-weighted max-sum and max–min are used as utilities for the power allocation, but the algorithms are not limited to these cases. Simulations show that the proposed algorithms outperform heuristic power allocation methods, both in uplink and downlink.

【 授权许可】

CC BY   
© The Author(s) 2023

【 图 表 】

40517_2023_252_Article_IEq73.gif

40517_2023_252_Article_IEq69.gif

Fig. 2

Fig. 4

Fig. 1

Fig. 3

Fig. 2

40517_2023_252_Article_IEq62.gif

Fig. 1

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 1

40517_2023_252_Article_IEq55.gif

40517_2023_252_Article_IEq53.gif

Fig. 3

40517_2023_252_Article_IEq51.gif

40517_2023_252_Article_IEq50.gif

40517_2023_252_Article_IEq49.gif

40517_2023_252_Article_IEq48.gif

40517_2023_252_Article_IEq47.gif

40517_2023_252_Article_IEq46.gif

40517_2023_252_Article_IEq45.gif

40517_2023_252_Article_IEq43.gif

40517_2023_252_Article_IEq42.gif

40517_2023_252_Article_IEq41.gif

40517_2023_252_Article_IEq40.gif

40517_2023_252_Article_IEq39.gif

40517_2023_252_Article_IEq37.gif

40517_2023_252_Article_IEq35.gif

Fig. 2

40517_2023_252_Article_IEq33.gif

Fig. 1

40517_2023_252_Article_IEq31.gif

40517_2023_252_Article_IEq30.gif

40517_2023_252_Article_IEq29.gif

Fig. 3

40517_2023_252_Article_IEq26.gif

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 19

Fig. 18

Fig. 12

Fig. 2

Fig. 4

Fig. 2

Fig. 16

Fig. 1

Fig. 3

Fig. 14

Fig. 3

Fig. 13

Fig. 12

Fig. 1

Fig. 11

42004_2023_911_Article_IEq62.gif

Fig. 10

42004_2023_911_Article_IEq60.gif

Fig. 9

Fig. 7

Fig. 7

Fig. 6

Fig. 2

Fig. 5

Fig. 9

Fig. 1

42004_2023_911_Article_IEq48.gif

Fig. 5

Fig. 4

Fig. 3

Fig. 2

Fig. 2

Fig. 1

Fig. 5

42004_2023_911_Article_IEq37.gif

42004_2023_911_Article_IEq45.gif

Fig. 1

42004_2023_911_Article_IEq042.gif

42004_2023_911_Article_IEq041.gif

Fig. 1

42004_2023_911_Article_IEq36.gif

Fig. 6

42004_2023_911_Article_IEq33.gif

42004_2023_911_Article_IEq32.gif

Fig. 2

Fig. 1

Fig. 5

42004_2023_911_Article_IEq031.gif

42004_2023_911_Article_IEq30.gif

Fig. 5

42004_2023_911_Article_IEq28.gif

Fig. 8

Fig. 1

42004_2023_911_Article_IEq25.gif

Fig. 4

42004_2023_911_Article_IEq23.gif

Fig. 3

42004_2023_911_Article_IEq20.gif

42004_2023_911_Article_IEq19.gif

42004_2023_911_Article_IEq18.gif

42004_2023_911_Article_IEq17.gif

42004_2023_911_Article_IEq16.gif

42004_2023_911_Article_IEq15.gif

Fig. 3

42004_2023_911_Article_IEq13.gif

42004_2023_911_Article_IEq12.gif

42004_2023_911_Article_IEq10.gif

42004_2023_911_Article_IEq9.gif

42004_2023_911_Article_IEq8.gif

Fig. 7

Fig. 2

Fig. 1

40854_2023_495_Article_IEq32.gif

Fig. 9

Fig. 1

12302_2023_750_Article_IEq9.gif

12302_2023_750_Article_IEq8.gif

Fig. 4

Fig. 6

Fig. 8

Fig. 2

40854_2023_495_Article_IEq22.gif

Fig. 1

Fig. 10

Fig. 1

12302_2023_750_Article_IEq5.gif

42004_2023_932_Article_IEq5.gif

Fig. 8

Fig. 3

Fig. 3

Fig. 7

40538_2023_419_Article_IEq1.gif

Fig. 3

Fig. 2

Fig. 1

12864_2023_9424_Article_IEq11.gif

Fig. 6

Fig. 4

Fig. 3

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 6

13046_2023_2715_Article_IEq1.gif

12864_2023_9407_Article_IEq46.gif

Fig. 4

Fig. 6

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 1

Fig. 2

42004_2023_932_Article_IEq2.gif

12864_2023_9424_Article_IEq2.gif

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 7

Fig. 7

Fig. 7

Fig. 1

Fig. 3

Fig. 5

Fig. 4

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 2

Fig. 1

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 3

Fig. 3

12888_2023_4935_Article_IEq1.gif

Fig. 3

Fig. 2

Fig. 2

Fig. 5

Fig. 3

Fig. 3

Fig. 1

Fig. 3

Fig. 2

Fig. 2

Fig. 1

Fig. 3

Fig. 6

Fig. 5

Fig. 1

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

40517_2023_259_Article_IEq76.gif

40517_2023_259_Article_IEq75.gif

Fig. 3

40517_2023_259_Article_IEq73.gif

40517_2023_259_Article_IEq72.gif

40517_2023_259_Article_IEq71.gif

40517_2023_259_Article_IEq70.gif

Fig. 2

40517_2023_259_Article_IEq67.gif

40517_2023_259_Article_IEq62.gif

40517_2023_259_Article_IEq61.gif

Fig. 1

40517_2023_259_Article_IEq58.gif

40517_2023_259_Article_IEq57.gif

40517_2023_259_Article_IEq88.gif

40517_2023_259_Article_IEq87.gif

40517_2023_259_Article_IEq56.gif

40517_2023_259_Article_IEq54.gif

40517_2023_259_Article_IEq53.gif

40517_2023_259_Article_IEq86.gif

40517_2023_259_Article_IEq52.gif

Fig. 4

40517_2023_259_Article_IEq51.gif

Fig. 2

40517_2023_259_Article_IEq90.gif

40517_2023_259_Article_IEq89.gif

40517_2023_259_Article_IEq48.gif

40517_2023_259_Article_IEq85.gif

40517_2023_259_Article_IEq84.gif

40517_2023_259_Article_IEq46.gif

40517_2023_259_Article_IEq45.gif

Fig. 2

Fig. 1

40517_2023_259_Article_IEq42.gif

40517_2023_259_Article_IEq41.gif

Fig. 1

40517_2023_259_Article_IEq36.gif

40517_2023_259_Article_IEq35.gif

Fig. 2

40517_2023_259_Article_IEq31.gif

40517_2023_259_Article_IEq30.gif

Fig. 1

40517_2023_259_Article_IEq28.gif

40517_2023_259_Article_IEq27.gif

Fig. 2

Fig. 1

42004_2023_919_Article_IEq176.gif

42004_2023_919_Article_IEq175.gif

Fig. 2

Fig. 5

Fig. 8

Fig. 5

42004_2023_919_Article_IEq171.gif

Fig. 4

Fig. 1

42004_2023_919_Article_IEq168.gif

13011_2023_540_Article_IEq40.gif

40517_2023_259_Article_IEq25.gif

Fig. 4

Fig. 1

40517_2023_259_Article_IEq19.gif

40517_2023_259_Article_IEq18.gif

40517_2023_259_Article_IEq16.gif

40517_2023_259_Article_IEq15.gif

Fig. 3

40517_2023_259_Article_IEq13.gif

Fig. 2

40517_2023_259_Article_IEq11.gif

40517_2023_259_Article_IEq8.gif

40517_2023_259_Article_IEq7.gif

40517_2023_259_Article_IEq6.gif

40517_2023_259_Article_IEq5.gif

13011_2023_540_Article_IEq19.gif

Fig. 2

40517_2023_259_Article_IEq2.gif

40517_2023_259_Article_IEq1.gif

13011_2023_540_Article_IEq14.gif

Fig. 1

13011_2023_540_Article_IEq10.gif

Fig. 7

13011_2023_540_Article_IEq8.gif

13011_2023_540_Article_IEq7.gif

13011_2023_540_Article_IEq6.gif

13011_2023_540_Article_IEq5.gif

Fig. 1

Fig. 1

13011_2023_540_Article_IEq3.gif

Fig. 12

13011_2023_540_Article_IEq1.gif

42004_2023_919_Article_IEq130.gif

Fig. 1

Fig. 11

Fig. 7

41116_2023_37_Article_IEq177.gif

Fig. 1

41116_2023_37_Article_IEq291.gif

41116_2023_37_Article_IEq290.gif

41116_2023_37_Article_IEq289.gif

41116_2023_37_Article_IEq287.gif

41116_2023_37_Article_IEq286.gif

41116_2023_37_Article_IEq285.gif

41116_2023_37_Article_IEq283.gif

41116_2023_37_Article_IEq279.gif

41116_2023_37_Article_IEq275.gif

41116_2023_37_Article_IEq273.gif

41116_2023_37_Article_IEq272.gif

41116_2023_37_Article_IEq271.gif

41116_2023_37_Article_IEq269.gif

41116_2023_37_Article_IEq252.gif

41116_2023_37_Article_IEq251.gif

41116_2023_37_Article_IEq249.gif

41116_2023_37_Article_IEq245.gif

41116_2023_37_Article_IEq243.gif

41116_2023_37_Article_IEq241.gif

41116_2023_37_Article_IEq238.gif

Fig. 1

Fig. 1

41116_2023_37_Article_IEq230.gif

41116_2023_37_Article_IEq227.gif