[論文レビュー] Asymptotic Coverage Probability and Rate in Massive MIMO Networks

Tianyang Bai, Robert W. Heath|arXiv (Cornell University)|May 10, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 6被引用数 31

ひとこと要約

本稿は、ポアソン分布に従う基地局を有する massive MIMO ネットワークにおける漸近的カバレッジ確率およびスペクトル効率を分析し、パイロット混信にもかかわらず、大規模なアンテナアレイを用いることで、ユーザーあたりのダウンリンクおよびアップリンクレートが良好にスケーリングすることを示している。ステッキアスティックジオメトリと大システム解析を用いて、カバレッジおよびレートの閉形式表現を導出し、ランダムなセルラー展開において massive MIMO が単一アンテナシステムを著しく上回ることを実証している。

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is a transmission technique for cellular systems that uses many antennas to support not-as-many users. Thus far, the performance of massive MIMO has only been examined in finite cellular networks. In this letter, we analyze its performance in random cellular networks with Poisson distributed base station locations. Specifically, we provide analytical expressions for the asymptotic coverage probability and rate in both downlink and uplink when each base station has a large number of antennas. The results show that, though limited by pilot contamination, massive MIMO can provide significantly higher asymptotic data rate per user than the single-antenna network.

研究の動機と目的

• ランダムに配置された基地局を有する大規模セルラー網における massive MIMO の性能を分析すること。
• ポアソン分布の基地局配置下でのダウンリンクおよびアップリンクにおける漸近的カバレッジ確率およびスペクトル効率を特徴づけること。
• 大規模なアンテナ数を有する massive MIMO システムにおけるパイロット混信の影響を定量すること。
• ステッキアスティックジオメトリおよび大システム極限を用いて、カバレッジおよびレートの解析的表現を導出すること。

提案手法

• 基地局を密度 λb のホモジニアスなポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• TDD 操作を仮定し、パイロット再利用およびミートチングフィルタリングビームフォーミングをアップリンクおよびダウンリンクの両方で用いる。
• 大システム解析を用いて、M → ∞ のとき、干渉電力の M² による正規化が確実にある決定的関数に収束することを示す。
• キャンベルの公式および大数の法則を適用して、干渉項の収束を導出する。
• 逆SIRのラプラス変換を用いて、ダウンリンクのカバレッジ確率を計算する。
• チャネルコherence時間に比例する形で、漸近的セルあたり合計レートを特徴づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M → ∞ のとき、ポアソン分布に従う基地局を有する massive MIMO ネットワークにおけるカバレッジ確率はどのように振る舞うか？
• RQ2 パイロット混信下でのアップリンクおよびダウンリンクにおける漸近的スペクトル効率（ユーザーあたり）は何か？
• RQ3 パイロット混信の存在が、大規模 massive MIMO システムにおける漸近的性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ステッキアスティックジオメトリを用いて、ランダムなセルラー展開におけるカバレッジおよびレートの解析的表現を導出できるか？

主な発見

• 漸近的ダウンリンクカバレッジ確率は、干渉源までの距離にのみ依存する決定的関数に収束し、アンテナ数 M とは無関係である。
• パイロット混信が存在する中でも、massive MIMO におけるユーザーあたりの漸近的スペクトル効率は、単一アンテナシステムよりも著しく高い。
• 漸近的セルあたり合計レートはチャネルコherence時間に比例してスケーリングされ、大規模な M による根本的な性能向上を示している。
• パイロット混信は性能を制限するが、アレイゲインおよび干渉抑圧のおかげで、massive MIMO が高スペクトル効率を達成できることに影響しない。
• M → ∞ のとき、干渉電力の M² による正規化は確実に決定的値に収束し、解析が容易になる。