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Can Dynamic TDD Enabled Half-Duplex Cell-Free Massive MIMO Outperform Full-Duplex Cellular Massive MIMO?
IEEE Transactions on Communications ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-05-11 , DOI: 10.1109/tcomm.2022.3174162
Anubhab Chowdhury 1 , Ribhu Chopra 2 , Chandra R. Murthy 1
Affiliation  

We consider a dynamic time division duplex (DTDD) enabled cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) system, where each half-duplex (HD) access point (AP) is scheduled to operate in the uplink (UL) or downlink (DL) mode based on the data demands of the user equipments (UEs), with the goal of maximizing the sum UL-DL spectral efficiency (SE). We develop a new, low complexity, greedy algorithm for the combinatorial AP scheduling problem, with an optimality guarantee theoretically established via showing that a lower bound of the sum UL-DL SE is sub-modular. We also consider pilot sequence reuse among the UEs to limit the channel estimation overhead. In CF systems, all the APs estimate the channel from every UE, making pilot allocation problem different from the cellular case. We develop a novel algorithm that iteratively minimizes the maximum pilot contamination across the UEs. We compare the performance of our solutions, both theoretically and via simulations, against a full duplex (FD) multi-cell mMIMO system. Our results show that, due to the joint processing of the signals at the central processing unit, CF-mMIMO with dynamic HD AP-scheduling significantly outperforms cellular FD-mMIMO in terms of the sum SE and 90% likely SE. Thus, DTDD enabled HD CF-mMIMO is a promising alternative to cellular FD-mMIMO, without the cost of hardware for self-interference suppression.

中文翻译:

支持动态 TDD 的半双工无蜂窝大规模 MIMO 能否胜过全双工蜂窝大规模 MIMO?

我们考虑一个支持动态时分双工 (DTDD) 的无蜂窝大规模多输入多输出 (CF-mMIMO) 系统,其中每个半双工 (HD) 接入点 (AP) 都计划在上行链路 (UL ) 或下行链路 (DL) 模式,基于用户设备 (UE) 的数据需求,目标是最大化总 UL-DL 频谱效率 (SE)。我们为组合 AP 调度问题开发了一种新的、低复杂度、贪心算法,通过显示和 UL-DL SE 的下限是子模来建立理论上的最优性保证。我们还考虑了 UE 之间的导频序列重用,以限制信道估计开销。在 CF 系统中,所有 AP 估计来自每个 UE 的信道,使得导频分配问题不同于蜂窝情况。我们开发了一种新颖的算法,可以迭代地最小化 UE 中的最大导频污染。我们将我们的解决方案的性能(无论是理论上还是通过仿真)与全双工 (FD) 多小区 mMIMO 系统进行比较。我们的结果表明,由于中央处理器对信号的联合处理,具有动态 HD AP 调度的 CF-mMIMO 在总 SE 和 90% 的可能 SE 方面显着优于蜂窝 FD-mMIMO。因此,支持 DTDD 的 HD CF-mMIMO 是蜂窝 FD-mMIMO 的一个有前途的替代方案,无需用于自干扰抑制的硬件成本。由于中央处理器对信号的联合处理,具有动态 HD AP 调度的 CF-mMIMO 在总 SE 和 90% 的可能 SE 方面明显优于蜂窝 FD-mMIMO。因此,支持 DTDD 的 HD CF-mMIMO 是蜂窝 FD-mMIMO 的一个有前途的替代方案,无需用于自干扰抑制的硬件成本。由于中央处理器对信号的联合处理,具有动态 HD AP 调度的 CF-mMIMO 在总 SE 和 90% 的可能 SE 方面明显优于蜂窝 FD-mMIMO。因此,支持 DTDD 的 HD CF-mMIMO 是蜂窝 FD-mMIMO 的一个有前途的替代方案,无需用于自干扰抑制的硬件成本。
更新日期:2022-05-11
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