Cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems show great potentials in low-mobility scenarios, due to cell boundary disappearance and strong macro diversity. However, the great Doppler frequency offset (DFO) leads to serious inter-carrier interference in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology, which makes it difficult to provide high-quality transmissions for both high-speed train (HST) operation control systems and passengers. In this paper, we focus on the performance of CF massive MIMO-OFDM systems with both fully centralized and local minimum mean square error (MMSE) combining in HST communications. Considering the local maximum ratio (MR) combining, the large-scale fading decoding (LSFD) cooperation and the practical effect of DFO on system performance, exact closed-form expressions for uplink spectral efficiency (SE) expressions are derived. We observe that cooperative MMSE combining achieves better SE performance than uncooperative MR combining. In addition, HST communications with small cell and cellular massive MIMO-OFDM systems are compared in terms of SE. Numerical results reveal that the CF massive MIMO-OFDM system achieves a larger and more uniform SE than the other systems. Finally, the train antenna centric (TA-centric) CF massive MIMO-OFDM system is designed for practical implementation in HST communications, and three power control schemes are adopted to optimize the propagation of TAs for reducing the impact of the DFO.

中文翻译：

---

用于高速列车通信的无细胞大规模 MIMO-OFDM

由于小区边界消失和强大的宏分集性，无细胞 (CF) 大规模多输入多输出 (MIMO) 系统在低移动性场景中显示出巨大潜力。然而，大的多普勒频偏（DFO）导致正交频分复用（OFDM）技术存在严重的载波间干扰，难以为高速列车（HST）运行控制系统和高速列车（HST）运行控制系统提供高质量的传输。乘客。在本文中，我们专注于在 HST 通信中结合完全集中式和局部最小均方误差 (MMSE) 的 CF 大规模 MIMO-OFDM 系统的性能。考虑到局部最大比（MR）合并、大规模衰落解码（LSFD）协作以及DFO对系统性能的实际影响，导出了上行链路频谱效率 (SE) 表达式的精确封闭式表达式。我们观察到合作 MMSE 组合比非合作 MR 组合实现了更好的 SE 性能。此外，在 SE 方面比较了与小蜂窝和蜂窝大规模 MIMO-OFDM 系统的 HST 通信。数值结果表明，CF 大规模 MIMO-OFDM 系统比其他系统实现了更大、更均匀的 SE。最后，设计了以列车天线为中心（TA-centric）的CF大规模MIMO-OFDM系统，用于HST通信中的实际实施，并采用三种功率控制方案来优化TA的传播，以减少DFO的影响。在 SE 方面比较了与小蜂窝和蜂窝大规模 MIMO-OFDM 系统的 HST 通信。数值结果表明，CF 大规模 MIMO-OFDM 系统比其他系统实现了更大、更均匀的 SE。最后，设计了以列车天线为中心（TA-centric）的CF大规模MIMO-OFDM系统，用于HST通信中的实际实施，并采用三种功率控制方案来优化TA的传播，以减少DFO的影响。在 SE 方面比较了与小蜂窝和蜂窝大规模 MIMO-OFDM 系统的 HST 通信。数值结果表明，CF 大规模 MIMO-OFDM 系统比其他系统实现了更大、更均匀的 SE。最后，设计了以列车天线为中心（TA-centric）的CF大规模MIMO-OFDM系统，用于HST通信中的实际实施，并采用三种功率控制方案来优化TA的传播，以减少DFO的影响。