In this paper, we study the channel estimation problem in correlated massive multiple-input-multiple-output (MIMO) systems with a reduced number of radio-frequency (RF) chains. Importantly, other than the knowledge of channel correlation matrices, we make no assumption as to the structure of the channel. To address the limitation in the number of RF chains, we employ hybrid beamforming, comprising a low dimensional digital beamformer followed by an analog beamformer implemented using phase shifters. Since there is no dedicated RF chain per transmitter/receiver antenna, the conventional channel estimation techniques for fully-digital systems are impractical. By exploiting the fact that the channel entries are uncorrelated in its eigen-domain, we seek to estimate the channel entries in this domain. Due to the limited number of RF chains, channel estimation is typically performed in multiple time slots. Under a total energy budget, we aim to design the hybrid transmit beamformer (precoder) and the receive beamformer (combiner) in each training time slot, in order to estimate the channel using the minimum mean squared error criterion. To this end, we choose the precoder and combiner in each time slot such that they are aligned to transmitter and receiver eigen-directions, respectively. Further, we derive a water-filling-type expression for the optimal energy allocation at each time slot. This expression illustrates that, with a low training energy budget, only significant components of the channel need to be estimated. In contrast, with a large training energy budget, the energy is almost equally distributed among all eigen-directions. Simulation results show that the proposed channel estimation scheme can efficiently estimate correlated massive MIMO channels within a few training time slots.


翻译:在本文中,我们研究相关大型多投入-多输出系统(MIMO)的频道估算问题,因为无线电频率链数减少。 重要的是,除了对频道相关矩阵的了解之外,我们对频道结构不作任何假设。 为解决RF链数的限制, 我们使用混合光束, 由低维数字光束组成, 并使用相向转换器执行模拟光束。 由于没有专用的每个低发送器/收件器天线的RF链, 完全数字系统的传统频道估算技术是不切实际的。 利用频道条目在其eigen- domain中不相干的事实, 我们试图估算频道的结构。 由于RF链数量有限, 频道的估算通常在多个时间档中进行。 在总能源预算下, 我们的目标是设计混合传输光度( 预译器), 在每个培训时间槽中, 所有的接收器( combenger), 以便利用最小的 平均时间序列中的时间段 来估算频道, 显示每个平均时间段的能量序列值 。

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