[論文レビュー] Uplink Spectral Efficiency Analysis of Multi-Cell Multi-User Massive MIMO over Correlated Ricean Channel

Juan Cao, Dongming Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、相関のあるライスフェージングチャネルにおけるマルチセルマルチユーザー massive MIMOの上行リンクスペクトル効率を分析し、パイロット支援 LMMSE と視線（LOS）ベースのチャネル推定を比較している。パイロット混信が LMMSE の性能を有限の漸近レートに制限する一方、LOS ベースの推定は基地局（BS）アンテナ数に比例して線形に増加するレートを達成し、アンテナ数が増加するに従い LMMSE を上回る性能を示す。

ABSTRACT

In this paper, the performance of uplink spectral efficiency in massive multiple input multiple output (MIMO) over spacially correlated Ricean fading channel is presented. The maximum ratio combining (MRC) receiver is employed at the base station (BS) for two different methods of channel estimation. The first method is based on pilot-assisted least minimum mean square error (LMMSE) estimation, the second one is based on line-of-sight (LOS) part. The respective analytical expressions of uplink data rate are given for these two methods. Due to the existence of pilot contamination, the uplink data rate of pilot-assisted LMMSE estimation method approaches to a finite value (we name it as asymptotic rate in the paper) when the BS antenna number is very large. However, the data rate of LOS method goes linearly with the number of BS antennas. The expression of the uplink rate of LOS method also show that for Ricean channel, the spacial correlation between the BS antennas may not only decrease the rate, but also increase the rate, which depends on the locations of the users. This conclusion explains why the spacial correlation may increase, rather than decrease the data rate of pilot-assisted LMMSE. We also discuss the power scaling law of the two methods, and the asymptotic expressions of the two methods are the same and both independent of the antenna correlation.

研究の動機と目的

• 空間相関のあるライスフェージング下でのマルチセルマルチユーザー massive MIMO システムにおける上行リンクスペクトル効率の分析を目的とする。
• パイロット混信の制約下で、パイロット支援 LMMSE と LOS パートに基づく推定という2つのチャネル推定手法を比較することを目的とする。
• 空間相関がスペクトル効率に与える影響を調査し、それが性能を向上または低下させる条件を同定することを目的とする。
• 両推定手法におけるスペクトル効率の漸近的表現およびパワースケーリング則を導出することを目的とする。
• ユーザーの位置に応じて、空間相関がライスチャネルにおけるスペクトル効率を増加させる可能性がある条件を特定することを目的とする。

提案手法

• 基地局（BS）における最大比率合成（MRC）を用いて、2つのチャネル推定手法の上行リンクデータレートについて閉形式の表現を導出する。
• パイロット支援最小二乗誤差（LMMSE）推定を適用するが、セル間でパイロットを再利用するためパイロット混信に起因して性能が劣化する。
• 代替手法として、チャネルの視線（LOS）成分のみを推定値として用い、散乱成分を干渉とみなす手法を提案する。
• 大システム解析を用いて、基地局アンテナ数 N → ∞ の場合の漸近的スペクトル効率表現を導出する。
• 構造化されたチャネル共分散行列を用いて空間相関を組み込み、ライス K ファクタを用いて LOS 力と散乱力の相対的強度を表現する。
• パワースケーリング則および漸近的 SIR 表現を導出し、漸近的領域ではアンテナ相関に依存しないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイロット混信は、相関のあるライスチャネルにおけるパイロット支援 LMMSE 推定の漸近的スペクトル効率にどのように影響するか？
• RQ2 基地局アンテナ数が増加するに従い、LOS ベースのチャネル推定が LMMSE 推定を上回るスペクトル効率を達成できるか？
• RQ3 基地局アンテナ間の空間相関が、ライスフェージングにおいてスペクトル効率を低下させるのではなく増加させる条件は何か？
• RQ4 ユーザーの基地局からの相対的位置は、空間相関がスペクトル効率に与える影響にどのように関与するか？
• RQ5 両推定手法の漸近的スペクトル効率の挙動は何か？また、N → ∞ のとき、両者は同じ表現に収束するか？

主な発見

• パイロット支援 LMMSE 推定の上行リンクスペクトル効率は、基地局アンテナ数が増加するに従い、持続的なパイロット混信のため有限の漸近値に収束する。
• これに対して、LOS ベースの推定手法は、基地局アンテナ数に比例してスペクトル効率が線形に増加し、アンテナ数が増加するに従い LMMSE 手法を上回る。
• 両手法の漸近的スペクトル効率表現は同一であり、空間相関に依存しないが、有限 N 時の挙動は異なる。
• 空間相関は、ユーザーの位置に応じてスペクトル効率を増加または減少させる可能性がある。特に、相関が LOS ビームフォーミングと整合する位置にユーザーがいる場合には性能が向上する。
• LOS ベース手法の SIR は、K ファクタと LOS 力増幅係数を含む閉形式表現に漸近的に収束し、干渉項は消滅する。
• パワースケーリング則により、送信パワーを $ N^{-rac{1}{2}} $ の割合でスケーリングしてもスペクトル効率に損失が生じないことが示され、massive MIMO システムのエネルギー効率を支援する。