[論文レビュー] Massive MIMO Antenna Selection: Asymptotic Upper Capacity Bound and Partial CSI

Chongjun Ouyang, Hongwen Yang|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、受信アンテナ選択を伴うマスティブ MIMO システムにおける部分的チャネル状態情報（CSI）を受信機で利用する場合の、低複雑性 asymptotic 上界容量を提案する。i.i.d. レイリー fading 環境における漸近的理論を活用することで、エルゴディック容量のタイトな上界を導出し、容量と CSI の関係がパレートの法則に従うことが判明した——つまり、最小限の CSI で大部分の容量が達成可能である。この知見に基づき、最先端手法と比較して大幅に CSI 収集と計算複雑性を低減しつつ、ほぼ最適なレートを達成する、適応的アンテナ選択アルゴリズムを設計した。

ABSTRACT

Antenna selection (AS) is regarded as the key promising technology to reduce hardware cost but keep relatively high spectral efficiency in multi-antenna systems. By selecting a subset of antennas to transceive messages, AS greatly alleviates the requirement on Radio Frequency (RF) chains. This paper studies receive antenna selection in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The receiver, equipped with a large-scale antenna array whose size is much larger than that of the transmitter, selects a subset of antennas to receive messages. A low-complexity asymptotic approximated upper capacity bound is derived in the limit of massive MIMO systems over independent and identical distributed (i.i.d.) Rayleigh flat fading channel, assuming that the channel side information (CSI) is only available at the receiver. Furthermore, numerical simulations are provided to demonstrate the approximation precision of the asymptotic results and the tightness of the capacity bound. Besides the asymptotic analysis of the upper bound, more discussions on the ergodic capacity of the antenna selection systems are exhibited. By defining the number of corresponding rows in the channel matrix as the amount of acquired CSI, the relationship between the achievable channel capacity and the amount of acquired CSI is investigated. Our findings indicate that this relationship approximately follows the Pareto principle, i.e., most of the capacity can be achieved by acquiring a small portion of full CSI. Finally, on the basis of this observed law, an adaptive AS algorithm is proposed, which can achieve most of the transmission rate but requires much less CSI and computation complexity compared to state-of-the-art methods.

研究の動機と目的

• 部分的 CSI を有するマスティブ MIMO システムにおける受信アンテナ選択のための低複雑性 asymptotic 上界容量を導出すること。
• マスティブ MIMO システムにおける実現可能容量と収集された CSI の量との関係を調査すること。
• スペクトル効率を損なわずに複雑性を顕著に低減できる、CSI 収集における根本的効率則を同定すること。
• 観察された CSI-容量関係を活用し、CSI フィードバックと計算量を最小限に抑えつつ高いスペクトル効率を維持する、適応的アンテナ選択アルゴリズムを設計すること。

提案手法

• i.i.d. レイリー平坦 fading 環境において、順序統計と大規模次元の確率的行列理論を用いて asymptotic 上界容量を導出する。
• 受信機側の CSI（部分的 CSI）のみを仮定し、収集された CSI 行数を CSI 収集作業の指標としてモデル化する。
• 数値シミュレーションを用いて、finite 次元のマスティブ MIMO システムにおいても asymptotic 上界容量のタイトさと精度を検証する。
• 実証的解析を通じて、収集された CSI と達成されたエルゴディック容量との間のパレート的関係を同定する。
• バッチ単位で CSI を動的に収集し、部分的 CSI に基づいてアンテナを選択することで、レートと複雑性のバランスを取る適応的アンテナ選択アルゴリズムを提案する。
• 複数のアンテナ構成において、エルゴディック容量と計算複雑性を指標に、アルゴリズムをグリーディ探索と比較評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的 CSI を有するマスティブ MIMO における受信アンテナ選択の asymptotic 上界容量は、どの程度タイトか？
• RQ2 マスティブ MIMO システムにおいて、収集された CSI の量と実現可能エルゴディック容量との関係は何か？
• RQ3 わずかな CSI 収集量で顕著な容量向上が得られるか？これはパレート的効率を示唆するか？
• RQ4 観察された CSI-容量関係を活用した、ほぼ最適な容量を達成しつつ、CSI フィードバックと計算複雑性を顕著に低減する適応的アンテナ選択アルゴリズムを設計可能か？
• RQ5 提案された適応的アルゴリズムは、全 CSI を用いたグリーディ探索と比較して、性能と複雑性の両面でどの程度優れるか？

主な発見

• asymptotic 上界容量は、finite 次元のマスティブ MIMO システムにおいても、導出式によってタイトに近似可能であり、性能ベンチマークとしての有効性が検証された。
• 実現可能エルゴディック容量と収集された CSI 行数との関係は、パレートの法則にほぼ従う——全 CSI 収集量の約 16–20% で、容量のおよそ 85% を達成可能である。
• 提案された適応的アンテナ選択アルゴリズムは、グリーディ探索のエルゴディック容量のおよそ 90% を達成しながら、CSI 収集と計算複雑性を最大で 2 次元のオーダー低減した。
• 適応的アルゴリズムにおける平均収集 CSI 数は、SNR が上昇するにつれて減少し、CSI 利用における観察されたパレート効率と整合的である。
• 高 SNR 環境（例：15 dB 以上）では、全テストアンテナ構成において、全 CSI グリーディ探索と比較して、適応的アルゴリズムの複雑性が 2 次元のオーダー低減された。
• 適応的アルゴリズムは、最小限の CSI フィードバックで高いスペクトル効率を維持し、最先端手法と比較して、レートと複雑性のトレードオフにおいて優れた性能を示した。