[論文レビュー] LOS-based Conjugate Beamforming and Power-Scaling Law in Massive-MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Geoffrey Ye Li|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 29被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、Rician fadingチャネルにおける massive-MIMO システムにおいて、パイロット汚染を回避し、CSIのオーバーヘッドを低減するために、受信信号のライン・オブ・スイト（LOS）成分のみを用いる、LOSに基づく共役ビームフォーミング方式を提案する。本稿では、基地局のアンテナ数が増加する際、特定の条件下でユーザ間LOS干渉および高速 fading がキャンセル可能であることを示すパワー・スケーリング則を導出しており、これにより、送信パワーを低減しつつ高いスペクトル効率を実現可能である。

ABSTRACT

This paper is concerned with massive-MIMO systems over Rician flat fading channels. In order to reduce the overhead to obtain full channel state information and to avoid the pilot contamination problem, by treating the scattered component as interference, we investigate a transmit and receive conjugate beamforming (BF) transmission scheme only based on the line-of-sight (LOS) component. Under Rank-1 model, we first consider a single-user system with N transmit and M receive antennas, and focus on the problem of power-scaling law when the transmit power is scaled down proportionally to 1/MN. It can be shown that as MN grows large, the scattered interference vanishes, and the ergodic achievable rate is higher than that of the corresponding BF scheme based fast fading and minimum mean-square error (MMSE) channel estimation. Then we further consider uplink and downlink single-cell scenarios where the base station (BS) has M antennas and each of K users has N antennas. When the transmit power for each user is scaled down proportionally to 1/MN, it can be shown for finite users that as M grows without bound, each user obtains finally the same rate performance as in the single-user case. Even when N grows without bound, however, there still remains inter-user LOS interference that can not be cancelled. Regarding infinite users, there exists such a power scaling law that when K and the b-th power of M go to infinity with a fixed and finite ratio for a given b in (0, 1), not only inter-user LOS interference but also fast fading effect can be cancelled, while fast fading effect can not be cancelled if b=1. Extension to multi-cells and frequency-selective channels are also discussed shortly. Moreover, numerical results indicate that spacial antenna correlation does not have serious influence on the rate performance, and the BS antennas may be allowed to be placed compactly when M is very large.

研究の動機と目的

• パイロット汚染と massive-MIMO システムにおける高い CSI フィードバックオーバーヘッドを解消するため、チャネルの LOS 成分のみを活用する。
• Rician fading 環境下における共役ビームフォーミングの性能を、エルゴディック達成可能レートおよび干渉抑制の観点から分析する。
• アンテナ数の増加に伴いスペクトル効率を維持するパワー・スケーリング則を導出する。
• 空間相関およびアンテナ間隔がシステム性能に与える影響を評価する。
• 有限および無限のユーザを想定した上行リンク／下行リンクの単セルおよびマルチセル環境に拡張して分析する。

提案手法

• チャネルが LOS および散乱成分に分解されるランク1の Rician fading モデルを定式化する。
• 散乱成分を干渉とみなして、ビームフォーミングに LOS 成分のみを用いる共役ビームフォーミング方式を設計する。
• このビームフォーミング方式下での信号対干渉＋ノイズ比（SINR）の統計的表現を導出する。
• 基地局アンテナ数（M）およびユーザアンテナ数（N）が増加する際の漸近的挙動を大規模システム解析により検討する。
• 送信パワーを 1/(MN) にスケーリングするパワー・スケーリング則を導入し、特定の漸近的条件下で干渉キャンセリングを実現する。
• 指数的空間相関モデルを用いて、アンテナ相関がレート性能に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LOS 成分のみに基づく共役ビームフォーミングは、massive-MIMO システムで高いスペクトル効率を達成できるか？
• RQ2 アンテナ数の増加に伴い干渉キャンセリングとレート性能の維持を実現するためのパワー・スケーリング則は何か？
• RQ3 LOS に基づくビームフォーミングの性能は、Rayleigh fading 環境下で全 CSI を必要とする従来の手法と比べてどう異なるか？
• RQ4 空間相関およびアンテナ間隔は、LOS に基づくビームフォーミングにおける達成可能レートにどのような影響を与えるか？
• RQ5 マルチユーザ massive-MIMO システムにおいて、ユーザ間 LOS 干渉および高速 fading が同時にキャンセル可能な条件は何か？

主な発見

• 送信パワーを 1/(MN) にスケーリングした場合、LOS に基づく共役ビームフォーミング方式のエルゴディック達成可能レートは、Rayleigh fading 環境下でのMMSE推定ビームフォーミングを上回り、特に MN が非常に大きくなると顕著に顕著になる。
• 単一ユーザの場合、MN → ∞ において散乱干渉が消滅し、理論限界に近いレートを達成する。
• 有限ユーザ数 K を想定したマルチユーザ上行リンク／下行リンク環境において、M → ∞ となると、ユーザ間 LOS 干渉が存在するにもかかわらず、各ユーザは単一ユーザの場合と同等のレート性能を達成する。
• 無限ユーザの場合、K と M^α が固定比率で ∞ に近づく条件（α ∈ (0,1)）では、ユーザ間 LOS 干渉および高速 fading が両方キャンセル可能であるが、α = 1 の場合には失敗する。
• 数値結果から、基地局またはユーザ機器における空間相関が、高相関レベルであってもレート性能にほとんど影響を与えないことが示された。
• アンテナ間隔が d = 0.05λ のコンactアンテナアレイでも、d = 24λ の広い間隔のアレイでも、M が十分に大きい場合には同等のレート性能が達成可能であるため、コンパクトなアンテナアレイが M が大きい場合には実用的である。