Massive MIMO in 5G new radio : uplink sounding reference signal coordination to combat pilot contamination

Massive MIMO systems are key enablers for 5G communications as they have the potential to improve performance for a high number of terminals. To guarantee the success of this technology, the main challenge to solve is the efficient management of pilot contamination. In fact, users connected to different Base Stations transmit orthogonal uplink pilot sequences to allow channel estimation, but when the number of terminals is high, the use of such resources becomes infeasible as the portion of the frame dedicated to the channel training phase proportionally increases with the orthogonality of the pilots. Thus, in practical systems, a certain level of interference must be tolerated and, as a consequence, a better understanding of the most convenient allocation of the pilot resources is fundamental to improve the overall performance of Massive MIMO systems. Ongoing 5G standardisation activities are debating the amount of resources to be dedicated to the transmission of pilot sequences, focussing on uplink Sounding Reference Signals (UL SRS) design. The aim of this thesis is to provide an extensive performance evaluation of various UL SRS allocation strategies in practical deployments, shedding light on their strengths and weaknesses. Furthermore, a novel UL SRS Fractional Reuse (FR) scheme is introduced, denoted FR Neighbour-Aware. This generalizes the fixed reuse paradigm, and entails a trade-off between I) aggressively sharing some UL SRS resources, and II) protecting other UL SRS resources with the aim of relieving neighbouring BSs from pilot contamination. Said features result in a cell Throughput improvement over both fixed reuse and state-of-the-art FR based on a cell-centric perspective. Moreover, system performance are evaluated by adopting an uplink open loop Fractional Power Control algorithm, aiming to help cell border users, while controlling the interference caused to neighbouring cells. This thesis work is fruit of the cooperation between Politecnico di Milano university and the Small Cell research group of Nokia Bell Labs, based in Dublin, Ireland and Stuttgart, Germany. Part of the obtained results can be found in our submitted paper.

I sistemi Massive MIMO sono elementi chiave per le comunicazioni 5G, migliorando le prestazioni di un elevato numero di terminali connessi. Per garantire il successo di questa tecnologia, la sfida principale è la gestione efficiente del problema relativo alla pilot contamination. Infatti, gli utenti connessi alle stazioni radio base trasmettono sequenze pilota ortogonali per permettere la stima di canale ma, quando il loro numero aumenta, l’ utilizzo di tali risorse diventa insostenibile, in quanto la porzione del radio frame a loro dedicata cresce proporzionalmente con l’ ortogonalità delle sequenze. In sistemi pratici, quindi, un certo livello di interferenza deve essere tollerato e capire qual’è la migliore allocazione delle risorse pilota è fondamentale per migliorare le prestazioni. Gli attuali gruppi di standardizzazione 5G stanno discutendo la quantità di risorse da dedicare alla trasmissione di sequenze pilota, concentrandosi sulla progettazione degli UpLink Sounding Reference Signals (UL SRS). Questa tesi fornisce un’ ampia analisi delle prestazioni per varie strategie di allocazione degli UL SRS in scenari pratici, facendo luce sui loro punti di forza e svantaggi. Si propone inoltre un nuovo schema per il riuso parziale degli UL SRS, indicato come FR-NA. Esso implica un compromesso tra I) condividere aggressivamente le risorse per gli UL SRS, e II) proteggere altre risorse per gli UL SRS, attenuando la pilot contamination alle BSs limitrofe. Conseguentemente, si assiste a un miglioramento del Throughput di cella, rispetto sia agli schemi a riuso fisso che a quelli a riuso parziale, i quali considerano solo la cella di appartenenza. Infine, le prestazioni sono valutate adottando un algoritmo di controllo di potenza in uplink, denominato Fractional Power Control. La sua introduzione aiuta gli utenti affetti da scarso coverage, limitando al contempo l’ interferenza verso celle circostanti. Questo lavoro di tesi è frutto della collaborazione tra il Politecnico di Milano e il gruppo di ricerca Small Cell di Nokia Bell Labs, operante a Dublino, Irlanda e Stoccarda, Germania. Parte dei risultati è contenuta nel nostro articolo proposto.