[논문 리뷰] A Novel MCMC Based Receiver for Large-Scale Uplink Multiuser MIMO Systems

Tanumay Datta, Naveen Kumar외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 29.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 10~100개의 안테나를 갖는 대규모 업링크 다중사용자 MIMO 시스템을 대상으로, 랜덤화된 MCMC(R-MCMC-R) 검출 및 MCMC 기반 채널 추정 알고리즘을 제안한다. 랜덤 샘플링과 다중 재시작을 조합함으로써 전통적인 MCMC의 정체 문제를 해결하여 낮은 복잡도로 근사 최적 성능을 달성하고, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM에서 완벽한 채널 지식에 가까운 BER 성능을 확보한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose low complexity algorithms based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) technique for signal detection and channel estimation on the uplink in large scale multiuser multiple input multiple output (MIMO) systems with tens to hundreds of antennas at the base station (BS) and similar number of uplink users. A BS receiver that employs a randomized sampling method (which makes a probabilistic choice between Gibbs sampling and random sampling in each iteration) for detection and a Gibbs sampling based method for channel estimation is proposed. The algorithm proposed for detection alleviates the stalling problem encountered at high SNRs in conventional MCMC algorithm and achieves near-optimal performance in large systems. A novel ingredient in the detection algorithm that is responsible for achieving near-optimal performance at low complexities is the joint use of a {\it randomized MCMC (R-MCMC) strategy} coupled with a {\it multiple restart strategy} with an efficient restart criterion. Near-optimal detection performance is demonstrated for large number of BS antennas and users (e.g., 64, 128, 256 BS antennas/users). The proposed MCMC based channel estimation algorithm refines an initial estimate of the channel obtained during pilot phase through iterations with R-MCMC detection during data phase. In time division duplex (TDD) systems where channel reciprocity holds, these channel estimates can be used for multiuser MIMO precoding on the downlink. Further, we employ this receiver architecture in the frequency domain for receiving cyclic prefixed single carrier (CPSC) signals on frequency selective fading between users and the BS. The proposed receiver achieves performance that is near optimal and close to that achieved with perfect channel knowledge.

연구 동기 및 목표

• 고 SNR 조건에서 대규모 업링크 다중사용자 MIMO 시스템에서 기존 MCMC 기반 검출의 정체 문제를 해결한다.
• 64~256개의 기지국 안테나와 사용자를 갖는 시스템에서 근사 최적 성능을 달성하는 저복잡도 검출 알고리즘을 개발한다.
• 초기 피LOT 추정치를 데이터 단계 피드백을 통해 개선하는 반복적 MCMC 기반 채널 추정 기법을 설계한다.
• 주파수 선택성 fading 채널에서 순환 접두사 단일 대역(_CPSC_) 신호를 위한 주파수 도메인 처리로 수신기 아키텍처를 확장한다.
• 고차원 QAM을 사용하는 실용적인 다중사용자 MIMO 환경에서 완벽한 채널 지식에 가까운 성능을 입증한다.

제안 방법

• 각 반복에서 길버스 샘플링과 랜덤 샘플링 사이를 확률적으로 선택하는 랜덤화된 MCMC(R-MCMC) 전략을 도입하여 局부 최소값에 갇히는 것을 방지하고 정체를 피한다.
• 해결 공간의 다양한 영역을 탐색하기 위해 효율적인 재시작 기준을 갖춘 다중 재시작 전략을 구현하여 근사 최적 해에의 수렴을 향상시킨다.
• 검출된 심볼을 다음 반복의 채널 추정 향상에 피드백하는 반복 피드백 루프를 통해 검출과 채널 추정을 통합한 프레임워크를 사용한다.
• 시간 도메인 신호 모델을 DFT와 CPSC 신호 처리를 통해 주파수 도메인 등가 모델로 변환함으로써 R-MCMC-R 검출 알고리즘을 주파수 도메인에서 적용한다.
• 주파수 도메인 신호 모델을 선형 시스템으로 기술한다: $\mathbf{z}^j = \mathbf{A} \mathbf{h}^j + \mathbf{w}^j$, 여기서 $\mathbf{A}$ 는 검출된 심볼로부터 구성되어 채널 추정의 반복적 처리를 가능하게 한다.
• 검출 단계의 반복 피드백 루프를 활용해 피LOT 단계에서 확보한 초기 채널 추정치를 향상시키기 위해 채널 추정 단계에서 길버스 샘플링을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MCMC 검출에서 랜덤 샘플링 전략이 고SNR 조건의 대규모 MIMO 시스템에서 정체 문제를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 랜덤 샘플링과 다중 재시작을 병행할 경우, 단독으로 각각 사용할 때보다 16-QAM 및 64-QAM에서 검출 성능이 얼마나 향상되는가?
• RQ3 주파수 선택성 fading 환경에서 반복적 MCMC 기반 채널 추정은 완벽한 채널 상태 정보와 비교해 얼마나 우수한 성능을 보이는가?
• RQ4 제안된 MCMC 기반 수신기 아키텍처는 대규모 사용자 및 기지국 안테나를 갖는 주파수 도메인 CPSC MIMO 시스템에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 실용적인 다중사용자 MIMO 환경에서 R-MCMC-R 검출과 반복적 채널 추정을 조합했을 때 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 R-MCMC-R 검출 알고리즘이 기지국과 사용자 각각 64, 128, 256개의 안테나를 갖는 대규모 업링크 MIMO 시스템에서 최대우도성능에 가까운 근사 최적 성능을 달성한다.
• 4-QAM에서는 랜덤 샘플링만으로도 낮은 복잡도로 근사 ML 성능을 확보할 수 있으나, 16-QAM 및 64-QAM에서는 성능 저하를 방지하기 위해 랜덤 샘플링과 다중 재시작의 병합이 필수적이다.
• 반복적 MCMC 기반 채널 추정 기법은 완벽한 채널 지식이 있을 경우와 매우 유사한 BER 성능을 확보하며, 특히 검출과 추정 간 여러 차례 반복 후 성능 향상이 두드러진다.
• 주파수 선택성 fading 조건에서 $K = N = 16$, $L = 6$, $I = 64$, $Q = 9$, 4-QAM 조건에서 BER은 반복 횟수가 증가함에 따라 향상되고 완벽한 채널 상태 정보 수준에 수렴한다.
• 제안된 방법은 기존 MCMC 검출의 정체 문제를 효과적으로 해결하여 고SNR 조건에서 대규모 시스템에서도 신뢰성 있는 수렴을 가능하게 한다.
• MCMC 수신기의 주파수 도메인 구현은 다양한 변조 방식과 시스템 크기에서 높은 성능를 유지하며 확장성과 강건성을 입증한다.