Extremely large-scale multiple-input-multipleoutput (XL-MIMO) has been reviewed as a promising technology for future sixth-generation (6G) networks to achieve higher performance. In practice, various linear precoding schemes, such as zero-forcing (ZF) and regularized ZF (RZF) precoding, are sufficient to achieve near-optimal performance in traditional massive MIMO (mMIMO) systems. It is critical to note that in large-scale antenna arrays the operation of channel matrix inversion poses a significant computational challenge for these precoders. Therefore, we explore several iterative methods for determining the precoding matrix for XL-MIMO systems instead of direct matrix inversion. Taking into account small- and large-scale fading as well as spatial correlation between antennas, we study their computational complexity and convergence rate. Furthermore, we propose the Jacobi-Preconditioning Conjugate Gradient (Jac-PCG) iterative inversion method, which enjoys a faster convergence speed than the CG method. Besides, the closed-form expression of spectral efficiency (SE) considering the interference between subarrays in downlink XL-MIMO systems is derived. In the numerical results, it is shown that the complexity given by the Jac-PCG algorithm has about 54% reduction than the traditional RZF algorithm at basically the same SE performance.


翻译:超大规模多输入多输出(XL-MIMO)被视为未来第六代(6G)网络实现更高性能的潜在关键技术。在实际应用中,各类线性预编码方案(如迫零(ZF)和正则化迫零(RZF)预编码)在传统大规模MIMO(mMIMO)系统中足以实现接近最优的性能。需要特别指出的是,在大规模天线阵列中,信道矩阵求逆运算给这些预编码器带来了显著的计算挑战。因此,我们探索了几种迭代方法用于确定XL-MIMO系统的预编码矩阵,以替代直接矩阵求逆。综合考虑小尺度衰落、大尺度衰落以及天线间的空间相关性,我们研究了这些方法的计算复杂度和收敛速率。此外,我们提出了Jacobi预条件共轭梯度(Jac-PCG)迭代求逆方法,其收敛速度优于共轭梯度(CG)方法。同时,推导了下行XL-MIMO系统中考虑子阵列间干扰的频谱效率(SE)闭式表达式。数值结果表明,在基本相同的SE性能下,Jac-PCG算法的复杂度比传统RZF算法降低约54%。

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