[論文レビュー] Shared Angles-of-Departure in Massive MIMO Channels: Correlation Analysis and Performance Impact.

Xu Du, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、共通する送信角度（angles-of-departure）に起因する massive MIMO システムにおけるユーザーチャネル相関を調査する。36アンテナを超える大きなアレイであっても、ユーザーチャネル相関は依然として高く（0.4以上）維持され、ゼロフォーサー（zero-forcing）ビームフォーミングは、相関が存在してもユーザ間干渉を一定に保つことで、システムレートをMに比例してスケーリング可能であることを示している。

ABSTRACT

In practical environments, recent massive MIMO measurements demonstrate that user channels can be correlated. In this paper, we study the user channel correlation induced by shared angles-of-departure. We first derive the user correlation distribution in the large array regime, and then examine the user correlation using actual measurements from a large array. As a data-driven observation, we discover that the correlation of all close-by users is higher than $0.4$ and barely reduces as the number of base-station antennas $M$ increases beyond $36$ antennas. Furthermore, nearly one-third of users, even when they are tens of wavelengths apart, have a correlation that is more than twice the correlation of an i.i.d. Rayleigh fading model. Lastly, we characterize the impact of user correlation on system performance. As $M$ increases, conjugate beamforming systems suffer a linearly growing inter-user interference due to correlated channels. However, for zero-forcing beamforming systems, the inter-user interference is a constant that does not increase with M. In particular, zero-forcing beamforming systems can serve a linearly increasing number of correlated users and achieve a linear growth in the system achievable rate as $M$ increases. Hence, spatial multiplexing correlated users can be an attractive massive MIMO design.

研究の動機と目的

• 共通する送信角度が massive MIMO システムにおけるユーザーチャネル相関に与える影響を理解すること。
• 実測データを用いて、実用的な大規模アレイ環境下でのユーザーチャネル相関を定量化すること。
• チャネル相関が共役ビームフォーミングおよびゼロフォーサー・ビームフォーミング方式におけるユーザ間干渉に与える影響を分析すること。
• 基地局アンテナ数Mの増加に伴う、相関ユーザーチャネル下での空間多重のスケーラビリティを評価すること。

提案手法

• 共通する送信角度下での大規模アレイ領域におけるユーザーチャネル相関分布を導出する。
• 大規模アレイからの実際の massive MIMO 測定データを用いて理論的知見を検証する。
• i.i.d. レイリー fading モデルと比較して、測定されたユーザーチャネル相関のずれを定量化する。
• 相関チャネル下での共役ビームフォーミングおよびゼロフォーサー・ビームフォーミングにおけるユーザ間干渉の挙動を分析する。
• 相関ユーザーチャネル下での基地局アンテナ数Mの増加に伴うシステム実現可能レートのスケーリング特性を特徴付ける。
• データ駆動型分析を用いて、数十波長の距離に離れていても、ユーザペア間で持続的な相関パターンが存在することを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通する送信角度は、massive MIMO システムにおけるユーザーチャネル相関にどのように影響を与えるか？
• RQ2 基地局アンテナ数Mが36を超えて増加しても、ユーザーチャネル相関はどの程度持続するか？
• RQ3 共役ビームフォーミングとゼロフォーサー・ビームフォーミングの両方において、ユーザーチャネル相関はユーザ間干渉にどのように影響を与えるか？
• RQ4 Mの増加に伴って、相関ユーザーチャネル下での空間多重が、効果的にスケーリング可能か？
• RQ5 実測データと i.i.d. レイリー fading モデルとの間で、ユーザーチャネル相関にどの程度の定量的差が生じるか？

主な発見

• Mが36を超える大規模アレイであっても、密接に配置されたすべてのユーザペアについて、ユーザーチャネル相関は0.4以上で維持される。
• 数十波長の距離に離れていても、約3分の1のユーザペアが、i.i.d. レイリー fading モデルの2倍以上の相関を示す。
• 共役ビームフォーミングでは、Mの増加に伴いチャネル相関の影響でユーザ間干渉が線形に増加する。
• ゼロフォーサー・ビームフォーミングでは、チャネル相関が存在しても、Mの増加に関わらずユーザ間干渉が一定に保たれる。
• ゼロフォーサー・ビームフォーミングにより、相関ユーザーチャネル下でも、空間多重可能なユーザ数がMに比例して増加し、システム実現可能レートもMに比例して増加する。
• ゼロフォーサー・ビームフォーミングにおける安定した干渉挙動のおかげで、相関ユーザーチャネル下での空間多重は実用的かつスケーラブルな設計である。