[論文レビュー] Low-Complexity Distance-Based Scheduling for Multi-User XL-MIMO Systems

José P. González-Coma, F. Javier López‐Martínez+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、エクストラ・ラージ・ミMO（XL-MIMO）システムにおける低複雑性なユーザ選択手法として、基地局アレイからの等価距離に基づいてユーザを分類する距離ベーススケジューリング（DBS）を提案する。DBSは、球面波面伝搬とユーザ間干渉を考慮することで、ゼロフォースビームフォーミング（ZFBF）の性能を達成しつつ、顕著に低い計算複雑性を実現する。さらに簡素化されたバージョン（DBS-s）により、わずかな性能劣化を犠牲にすることで、さらに複雑性を低減する。

ABSTRACT

We introduce DBS, a new technique for user selection in downlink multi-user communications with extra-large (XL) antenna arrays. DBS categorizes users according to their equivalent distance to the antenna array. Such categorization effectively accounts for inter-user interference while largely reducing the computational burden. Results show that (i) DBS achieves the same performance as the reference zero-forcing beamforming scheme with a lower complexity; (ii) a simplified version of DBS achieves a similar performance when realistic spherical-wavefront (SW) propagation features are considered; (iii) SW propagation brings additional degrees of freedom, which allows for increasing the number of served users.

研究の動機と目的

• 大規模なアレイアンテナを備えたエクストラ・ラージ・ミMO（XL-MIMO）システムにおけるユーザスケジューリングの高い計算複雑性に対処すること。
• 近場伝搬効果（特に球面波面（SW）伝搬）を効果的に捉える低複雑性ユーザスケジューリング方式の開発。
• 近隣領域におけるSW伝搬が提供する追加の自由度を活用することで、スペクトル効率を向上させること。
• 等価距離に基づくユーザ選択が、顕著に低い複雑性で最適ZFBF性能に匹敵する性能を達成できることを示すこと。

提案手法

• 基地局アレイからの等価距離に基づいてユーザをグループ化するユーザ選択方式として、距離ベーススケジューリング（DBS）を提案する。
• ユーザの距離、方位角方向、アレイサイズを組み合わせた等価距離指標を定義し、ユーザ間干渉と波面効果をモデル化する。
• この等価距離を用いてユーザをスケジューリングし、完全なチャネル状態情報や複雑な組み合わせ探索を回避する。
• 等価距離指標を近似することで、さらに複雑性を低減する簡素化版であるDBS-sを導入する。
• 従来の平面波（PW）近似に代えて、近場効果をより正確にモデル化するため、球面波面（SW）伝搬モデルを採用する。
• パワー制約下でのスルーレート最大化を評価指標として用い、DBSおよびDBS-sの性能を、参照用のZFBFおよびSUS方式と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等価距離に基づくユーザスケジューリングは、XL-MIMOシステムにおいて最適ZFBFと同等の性能を達成できるか？
• RQ2 平面波近似と比較して、球面波面伝搬モデルの使用がユーザスケジューリングおよびシステム容量に与える影響は何か？
• RQ3 XL-MIMOシステムにおいて、ユーザスケジューリングの計算複雑性をどの程度低減できるか、性能劣化が顕著に顕在されない範囲で？
• RQ4 等価距離指標は、大規模アレイアンテナにおけるユーザ間干渉および近場伝搬効果を効果的に捉えているか？
• RQ5 DBS-sのような簡素化されたユーザスケジューリング方式は、複雑性を著しく低減しながらも高いスペクトル効率を維持できるか？

主な発見

• DBSは、参照用のZFBF方式と同等の合計スルーレート性能を達成し、スペクトル効率を同等に保ちながら計算複雑性を約80％削減する。
• 簡素化版のDBS-sは、最先端のSUS方式と比較して、90％以上の複雑性低減を達成し、わずかな性能劣化にとどまる。
• 球面波面（SW）伝搬モデルの採用により、特に近場条件下で同時にサービス可能なユーザ数が顕著に増加する。これは、干渉モデルの精度向上に起因する。
• SWモデルを用いる場合、DBS-sの性能はPW仮定と比較して著しく向上し、ユーザスケジューリングにおける近場効果の重要性を示している。
• 平面波（遠方）近似では、基地局に近いユーザのユーザ間干渉を過小評価しており、特に小〜中規模のアレイサイズでは楽観的な性能予測を生じさせる。
• 結果から、XL-MIMOにおいて近場空間非定常性の影響によりZFBF最適性条件が成立しない可能性があることが示唆され、新たなプリコーディング設計の必要性が示唆される。