Beamspace dimensionality reduction, a classical tool in array processing, has been shown in recent work to significantly reduce computational complexity and training overhead for adaptive reception in massive multiuser (MU) MIMO. For sparse multipath propagation and uniformly spaced antenna arrays, beamspace transformation, or application of a spatial FFT, concentrates the energy of each user into a small number of spatial frequency bins. Empirical evaluations demonstrate the efficacy of linear Minimum Mean Squared Error (LMMSE) detection performed in parallel using a beamspace window of small, fixed size for each user, even as the number of antennas and users scale up, while being robust to moderate variations in the relative powers of the users. In this paper, we develop a fundamental geometric understanding of this ``unreasonable effectiveness'' in a regime in which zero-forcing solutions do not exist. For simplified channel models, we show that, when we enforce a suitable separation in spatial frequency between users, the interference power falling into a desired user's beamspace window of size $W$ concentrates into a number of dominant eigenmodes smaller than $W$, with the desired user having relatively small projection onto these modes. Thus, linear suppression of dominant interference modes can be accomplished with small noise enhancement. We show that similar observations apply for MIMO-OFDM over wideband multipath channels synthesized from measured 28 GHz data. We propose, and evaluate via information-theoretic benchmarks, per-subcarrier reduced dimension beamspace LMMSE in this setting.


翻译:波束空间降维作为阵列处理中的经典工具,在近期研究中被证明能显著降低大规模多用户(MU)MIMO自适应接收的计算复杂度与训练开销。对于稀疏多径传播与均匀间隔天线阵列,波束空间变换(即应用空间FFT)可将每个用户的能量集中至少量空间频率区间。实证研究表明,即使在天线数和用户数规模增长时,采用固定小尺寸波束空间窗口为每个用户并行执行线性最小均方误差(LMMSE)检测仍能保持高效性,且对用户相对功率的中等变化具有鲁棒性。本文在迫零解不存在的场景下,从几何角度深入阐释这种“超常有效性”的根本原理。针对简化信道模型,我们证明:当用户在空间频率上满足适当间隔时,落入目标用户尺寸为$W$的波束空间窗口的干扰功率会集中在少于$W$个主导特征模上,而目标用户在这些模上的投影相对较小。因此,可通过较小的噪声增强实现主导干扰模的线性抑制。我们进一步指出,基于实测28 GHz数据合成的宽带多径信道中,MIMO-OFDM系统也存在类似特性。在此背景下,我们提出并基于信息论基准评估了每子载波降维波束空间LMMSE方法。

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