[論文レビュー] Multi-user Massive MIMO Communication Systems Based on Irregular Antenna Arrays

Xiaohu Ge, Ran Zi+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 43被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、相互結合効果を伴う不規則なアレイを用いた多ユーザー massive MIMOシステムを調査し、確率的達成速率、SER、アウトージェ確率のための解析的モデルを提案する。結果から、アンテナ数が閾値を超えると、不規則アレイが規則的アレイを上回るスペクトル効率を示し、アンテナ数が増加するに従い最大達成可能速率が現れることが示された。

ABSTRACT

In practical mobile communication engineering applications, surfaces of antenna array deployment regions are usually uneven. Therefore, massive multi-input-multi-output (MIMO) communication systems usually transmit wireless signals by irregular antenna arrays. To evaluate the performance of irregular antenna arrays, the matrix correlation coefficient and ergodic received gain are defined for massive MIMO communication systems with mutual coupling effects. Furthermore, the lower bound of the ergodic achievable rate, symbol error rate (SER) and average outage probability are firstly derived for multi-user massive MIMO communication systems using irregular antenna arrays. Asymptotic results are also derived when the number of antennas approaches infinity. Numerical results indicate that there exists a maximum achievable rate when the number of antennas keeps increasing in massive MIMO communication systems using irregular antenna arrays. Moreover, the irregular antenna array outperforms the regular antenna array in the achievable rate of massive MIMO communication systems when the number of antennas is larger than or equal to a given threshold.

研究の動機と目的

• 不均一な表面を有する実世界の展開状況における、不規則アレイを用いた massive MIMO システムにおける相互結合の影響を分析すること。
• 空間的に変化する相互結合効果を考慮した、不規則アレイにおけるチャネル相関および確率的受信利得のモデル化。
• 不規則アレイを有する多ユーザー massive MIMO システムにおける、確率的達成可能和速率、符号誤り率（SER）、平均アウトージェ確率といった主要性能指標の下限を導出すること。
• 相互結合を考慮した場合の不規則アレイと規則的アレイの性能を比較し、スペクトル効率が向上する条件を同定すること。

提案手法

• 行列相関係数に基づくチャネル相関モデルを提案し、不規則アレイにおける相互結合効果を定量化する。
• 不規則アレイ構成における信号電力の信頼性を評価する指標として、確率的受信利得を定義する。
• ランダム行列理論および大システム解析を用いて、上行リンクの確率的達成可能和速率の下限を導出する。
• QPSK変調およびレイノルズファージング下での平均 SER および平均アウトージェ確率の解析的表現を確立する。
• 基地局（BS）アンテナ数が無限大に近づく際の漸近的解析を実施し、massive MIMO モードにおけるシステム動作を調査する。
• モンテカルロシミュレーションおよびさまざまな SNR、アレイサイズ、アレイの不規則性パラメータにおける数値評価を通じて、解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則アレイにおける相互結合効果は、多ユーザー massive MIMO システムにおける確率的達成可能速率にどのように影響するか？
• RQ2 スペクトル効率および誤り率の観点から、不規則アレイは規則的アレイをどの程度上回る性能を示すか？
• RQ3 アンテナ数を増加させても、不規則アレイを有する massive MIMO システムにおける達成可能速率は無限に増加し続けるのか、それとも飽和点が存在するのか？
• RQ4 基地局アンテナ数、ユーザーの SNR、アレイの不規則性（例：円の半径）が、SER およびアウトージェ確率にどのように影響するか？
• RQ5 不規則 massive MIMO システムにおいて、アンテナ数が無限大に近づく際の主要性能指標の漸近的挙動は何か？

主な発見

• アンテナ数が増加するに従い、不規則アレイを有する massive MIMO システムには最大達成可能速率が存在し、性能の飽和点が示された。
• アンテナ数が特定の閾値以上である場合、不規則アレイは確率的達成可能速率の観点で規則的アレイを上回ることが示された。
• ユーザーの SNR が高く、基地局アンテナ数が多いほど、相互結合の有無に関わらず上行リンクの確率的達成可能和速率の下限が増加する。
• 数値結果から、相互結合の存在が理想状態（結合なし）と比較して達成可能速率を低下させることを確認し、シミュレーションによりその差を定量的に評価した。
• ユーザーの SNR、基地局アンテナ数、アレイの不規則性（大きな円の半径）が増加するにつれて、平均 SER およびアウトージェ確率は低下し、信頼性の向上が示された。
• 漸近的解析から、アンテナ数が無限大に近づくに従い、性能の境界値が安定した値に収束することが示され、理論的一致性が確認された。