[論文レビュー] Uplink Performance Analysis of Multicell MU-MIMO Systems with ZF Receivers

Hien Quoc Ngo, Michail Matthaiou+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、完全なチャネル状態情報を持つ基地局（BS）を備えたゼロフォース（ZF）受信機を用いたマルチセルマルチユーザーMIMOシステムにおける上行リンク性能指標—スループット、割り当て不能確率、シンボル誤り率—の正確な閉形式式を提供する。主な貢献は、非常に大きな数のBSアンテナアレイを用いる場合、ユーザーの送信電力をアンテナ数に反比例させることが可能であり、同時にサービス品質を維持できることを示したことである。これにより、干渉とノイズが効果的に抑制される。

ABSTRACT

We consider the uplink of a multicell multiuser multiple-input multiple-output system where the channel experiences both small and large-scale fading. The data detection is done by using the linear zero-forcing technique, assuming the base station (BS) has perfect channel state information. We derive new, exact closed-form expressions for the uplink rate, symbol error rate, and outage probability per user, as well as a lower bound on the achievable rate. This bound is very tight and becomes exact in the large-number-of-antennas limit. We further study the asymptotic system performance in the regimes of high signal-to-noise ratio (SNR), large number of antennas, and large number of users per cell. We show that at high SNRs, the system is interference-limited and hence, we cannot improve the system performance by increasing the transmit power of each user. Instead, by increasing the number of BS antennas, the effects of interference and noise can be reduced, thereby improving the system performance. We demonstrate that, with very large antenna arrays at the BS, the transmit power of each user can be made inversely proportional to the number of BS antennas while maintaining a desired quality-of-service. Numerical results are presented to verify our analysis.

研究の動機と目的

• 小規模フェージングと大規模フェージングの両方を含む現実的なチャネル条件下でのマルチセルマルチユーザーMIMOシステムの上行リンク性能を分析すること。
• 基地局に完全なチャネル状態情報が得られる条件下で、ZF検出法を用いた上行リンクスループット、割り当て不能確率、シンボル誤り率の正確な閉形式式を導出すること。
• 大きなアンテナ数の極限において正確になる、実現可能スループットのタイトな下限を確立すること。
• 高SNR、多数のアンテナ、および1セルあたりの多数のユーザーという条件下でのシステムの漸近的挙動を調査すること。
• 基地局のアンテナ数を増加させることで干渉とノイズを効果的に抑制でき、性能に損なわれることなくユーザーごとの電力削減を実現できることを示すこと。

提案手法

• 確率的幾何学およびランダム行列理論を用いて、上行リンクスループット、割り当て不能確率、シンボル誤り率の正確な閉形式式を導出する。
• モーメント生成関数（MGF）技術およびメイジャーのG関数を用いて、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）の分布を分析する。
• 二項定理展開および積分恒等式（例：[30, 式3.326.2]）を用いて、性能解析において生じる複雑な積分を簡略化する。
• アンテナ数が増加するにつれて正確なスループットに収束するタイトな実現可能スループット下限を導出する。
• 行列変量ガンマ分布および固有値分解を用いて、ZF受信機の有効チャネル利得をモデル化する。
• MGFの逆ラプラス変換を用いてSINRの累積分布関数（CDF）を導出し、割り当て不能確率の解析に応用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZF受信機を備えたマルチセルMU-MIMOシステムにおいて、基地局のアンテナ数が増加するに従って上行リンクスループットはどのように変化するか？
• RQ2 ZF検出法を用いたマルチセル上行リンクMU-MIMOシステムにおけるユーザーの正確な割り当て不能確率およびシンボル誤り率は何か？
• RQ3 高SNR条件下でのシステム性能はどのように振る舞い、送信電力を増加させることで性能を向上させられるか？
• RQ4 基地局のアンテナ数が非常に大きくなる状況において、所望のサービス品質を維持するための最小ユーザー送信電力は何か？
• RQ5 導出された実現可能スループット下限はどの程度タイトか？また、いつ正確な値に収束するか？

主な発見

• 高SNR条件下ではシステムは干渉制限的となり、ユーザーの送信電力を増加させても性能は向上しない。
• 導出された実現可能スループット下限はタイトであり、アンテナ数が非常に多い極限において正確な値に収束する。
• 非常に大きなアンテナアレイを基地局に備えることで、ユーザーの送信電力をアンテナ数に反比例させることが可能となり、所望のサービス品質を維持できる。
• 割り当て不能確率およびシンボル誤り率の導出式は正確に閉形式で表現されており、メイジャーのG関数および一般化ラゲール多項式を用いて表される。
• 数値的結果により、解析的式の正確性が確認され、高SNRおよび大規模アンテナ領域における漸近的挙動が妥当であることが検証された。
• ZF受信機は高SNR条件下でMMSE性能に近く、本稿で導出されたZFの下限はMMSE性能の下限としても成立する。