[論文レビュー] On the Energy-Spectral Efficiency Trade-off of the MRC Receiver in Massive MIMO Systems with Transceiver Power Consumption

Sudarshan Mukherjee, Saif Khan Mohammed|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 8被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、送信機・受信機の回路消費電力を考慮したマスティブ MIMO システムにおいて、最大比合成（MRC）受信機を用いたエネルギー効率とスペクトル効率のトレードオフを調査する。スペクトル効率 R → ∞ のとき、固定 (M,K) の設定ではエネルギー効率が 0 に近づくのに対し、基地局のアンテナ数 M とユーザー数 K をスペクトル効率 R に応じて適応的に増加させることで、エネルギー効率が正の定数に収束することを示している。

ABSTRACT

We consider the uplink of a multiuser massive MIMO system wherein a base station (BS) having $M$ antennas communicates coherently with $K$ single antenna user terminals (UTs). We study the energy efficiency of this system while taking the transceiver power consumption at the UTs and the BS into consideration. For a given spectral efficiency $R$ and fixed transceiver power consumption parameters, we propose and analyze the problem of maximizing the energy efficiency as a function of $(M,K)$. For the maximum ratio combining (MRC) detector at the BS we show that with increasing $R$, $(M,K)$ can be adaptively increased in such a way that the energy efficiency converges to a positive constant as $R ightarrow \infty$ ($(M,K)$ is increased in such a way that a constant per-user spectral efficiency $R/K$ is maintained). This is in contrast to the fixed $(M,K)$ scenario where the energy efficiency is known to converge to zero as $R ightarrow \infty$. We also observe that for large $R$, the optimal $(M,K)$ maximizing the energy efficiency is such that, the total power consumed by the power amplifiers (PA) in all the $K$ UTs is a small fraction of the total system power consumption.

研究の動機と目的

• 基地局およびユーザー端末における送信機・受信機の回路消費電力を考慮した、MRC結合を用いたマスティブ MIMO システムのエネルギー効率を分析すること。
• M と K をスペクトル効率 R に応じて適応的に増加させた場合、エネルギー効率がスペクトル効率 R の増加に伴いどのようにスケーリングするかを調査すること。
• 現実的な消費電力モデルに基づき、MRC と ZF 受信機の最適エネルギー効率を比較すること。
• 与えられたスペクトル効率 R および固定の消費電力パラメータに対して、エネルギー効率を最大化する最適な (M,K) 組合せを特定すること。

提案手法

• Mアンテナを備えた基地局と、K台の単一アンテナユーザーを有する上行リンクマスティブ MIMO のシステムモデルを定式化し、パワー増幅器（PA）、受信機、および送信機・受信機の回路消費電力を含める。
• 基地局およびユーザー端末における PA、受信機、回路消費電力の合計システム消費電力の閉形式式を導出する。
• 固定されたスペクトル効率 R に対して、エネルギー効率（ビット/ジュール）を (M,K) に関して最大化する最適化問題を提示する。
• R → ∞ の漸近的挙動を分析し、ユーザーあたりのスペクトル効率 R/K を一定に保つように M と K をスケーリングする場合、最適エネルギー効率が正の定数に収束することを示す。
• 漸近的近似と数値シミュレーションを用いて、特に大 R の領域における解析的結果の妥当性を検証する。
• 同一のシステムパラメータと仮定のもとで、MRC と ZF 受信機の最適エネルギー効率を評価し、比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機・受信機の消費電力を考慮した MRC を用いたマスティブ MIMO システムにおいて、M と K をスペクトル効率 R に応じて適応的に増加させた場合、R → ∞ のときエネルギー効率が正の定数に維持されるか？
• RQ2 最適な (M,K) 組合せは R の増加に伴いどのようにスケーリングするか。また、大 R の領域におけるエネルギー効率の挙動はいかなるものか？
• RQ3 送信機・受信機の消費電力を考慮した場合、MRC 受信機の最適エネルギー効率は ZF 受信機のそれと比べてどの程度か？
• RQ4 大 R のとき、最適 (M,K) におけるユーザー端末のパワー増幅器が消費する総電力は、システム全体の消費電力のどの程度を占めるか？
• RQ5 最適エネルギー効率は、送信機・受信機の消費電力パラメータの変動に対してどの程度感度を示すか？

主な発見

• MRC 受信機において、ユーザーあたりのスペクトル効率 R/K を一定に保つように M と K を増加させると、R → ∞ のときエネルギー効率が正の定数に収束する。これは、固定 (M,K) の設定ではエネルギー効率が 0 に近づくのとは対照的である。
• 大 R の領域において、MRC 受信機の最適エネルギー効率は ZF 受信機のそれよりも厳密に低いことが確認され、同じ条件下で ZF がより優れたエネルギー効率を達成していることを裏付けている。
• 大 R の領域において、K 個のユーザー端末のすべてのパワー増幅器が消費する総電力は、システム全体の消費電力のわずかな割合にとどまる。これは、エネルギー効率が主に基地局およびユーザー端末の回路消費電力によって制限されることを示している。
• 最適な (M,K) 組合せは R に応じて増加し、M と K が十分に大きい場合には最適エネルギー効率の近似がきわめてタイトになる。
• 最適エネルギー効率は、回路消費電力パラメータ（ρr, ρd, ρs）の増加に伴って低下し、ハードウェアの消費電力プロファイルに感度を示していることが分かった。
• 数値結果により、大 R の領域において解析的近似が最適エネルギー効率に対してタイトであることが確認され、漸近的解析の妥当性が裏付けられた。