[논문 리뷰] A Rate Splitting Strategy for Mitigating Intra-Cell Pilot Contamination in Massive MIMO

Christo Kurisummoottil Thomas, Bruno Clerckx외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 18인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 모든 사용자가 동일한 파ilot 시퀀스를 공유하는 Massive MIMO 시스템에서 내부 세포 파일럿 간섭을 완화하기 위해 단일 레이어 Rate Splitting (RS) 전략을 제안한다. 메시지를 공통 및 개인 스트림으로 분할하고, 개인 스트림에는 최대 비율 조절을, 공통 스트림에는 가중치가 부여된 채널 추정 기반 조절기를 사용함으로써, 기존의 최대 비율 조절보다 더 높은 스펙트럼 효율을 달성한다. 특히 고 SNR에서 효과적인 간섭 관리 덕분에 포화되지 않는 SE 향상이 수치 결과로 확인되었다.

ABSTRACT

The spectral efficiency (SE) of Massive MIMO (MaMIMO) systems is affected by low quality channel estimates. Rate-Splitting (RS) has recently gained some interest in multiuser multiple antenna systems as an effective means to mitigate the multi-user interference due to imperfect channel state information. This paper investigates the benefits of RS in the downlink of a single-cell MaMIMO system when all the users use the same pilot sequence for channel estimation. Novel expressions for the SE achieved in the downlink by a single-layer RS strategy (that relies on a single successive interference cancellation at each user side) are derived and used to design precoding schemes and power allocation strategies for common and private messages. Numerical results are used to show that the proposed RS solution achieves higher spectral efficiency that conventional MaMIMO with maximum ratio precoding.

연구 동기 및 목표

• 모든 사용자가 동일한 파일럿 시퀀스를 사용하는 단일 세포 Massive MIMO 시스템에서 파일럿 간섭으로 인한 스펙트럼 효율(SE) 저하 문제를 해결하기 위해.
• 파일럿 간섭으로 인한 불완전한 채널 상태 정보(CSI)로 인한 간섭을 관리함으로써 SE를 향상시키는 Rate Splitting(RS) 전략을 설계하기 위해.
• RS 하에서의 스펙트럼 효율(SE)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하고, 총 전송 전력 제약 조건 하에서 공통 및 개인 스트림의 전력 분배를 최적화하는 전력 할당 알고리즘을 개발하기 위해.
• 모의 실험을 통해 RS가 기존의 최대 비율 조절보다 우수하며, 특히 고 SNR에서 포화되지 않는 SE 향상을 보임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 단일 레이어 RS 설계에서 공통 메시지 및 개인 메시지에 대해 하드닝 경계를 적용하여 다운링크 스펙트럼 효율(SE)에 대한 새로운 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 개인 스트림에는 최대 비율(MR) 조절을 적용하고, 공통 스트림 조절기에는 모든 사용자 채널 추정치의 가중 조합을 사용한다.
• 총 전송 전력 제약 조건 하에서 공통 및 개인 스트림 간의 전력 할당을 동시에 최적화하는 새로운 전력 할당 알고리즘을 개발한다.
• 각 사용자에서 순차적 간섭 제거(SIC) 과정을 적용한다: 먼저 개인 스트림을 노이즈로 간주하고 공통 스트림을 디코딩한 후 제거하고, 그 다음 개인 스트림을 디코딩한다.
• SE 표현식이 비볼록임을 고려하여 볼록 근사 기법을 활용하여 라그랑주 최적화를 통한 반복적 전력 할당을 가능하게 한다.
• 행렬 트레이스 및 공분산 성질을 활용하여 채널 추정치 및 조절기와 관련된 주요 통계 기대치에 대한 해석적 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 사용자가 동일한 파일럿 시퀀스를 사용하는 상황에서 단일 레이어 RS 전략이 내부 세포 파일럿 간섭을 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 파일럿 간섭이 존재하는 상황에서 제안된 RS 전략의 스펙트럼 효율은 기존의 최대 비율 조절 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 총 전력 제약 조건 하에서 공통 및 개인 스트림 간의 최적 전력 할당 전략은 무엇이며, 이를 통해 합산 스펙트럼 효율을 최대화할 수 있는가?
• RQ4 RS 전략은 고 SNR에서 포화되지 않는 스펙트럼 효율을 달성하는가? 만약 그렇다면 그 이유는 무엇인가?
• RQ5 유한한 M을 가진 Massive MIMO 환경에서 RS의 성능은 사용자 수와 안테나 수의 증가에 따라 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 제안된 RS 전략은 특히 높은 전송 전력 수준에서 기존의 최대 비율 조절 방식보다 훨씬 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 고 SNR에서 RS를 사용할 경우 합산 스펙트럼 효율이 포화되지 않으며, 이는 공통 스트림에 의한 효과적인 간섭 제거 덕분이다. 반면 기존 MaMIMO는 포화된다.
• M = 100이고 K = 10일 때, 20 dBm 전송 전력에서 RS 전략은 기존 MaMIMO 대비 합산 SE에서 최대 30% 향상된다.
• 사용자 수가 증가할수록 성능 향상 폭이 감소한다. 이는 공통 메시지가 모든 사용자가 디코딩할 수 있어야 하므로 공통 전송률이 제한되기 때문이다.
• RS를 적용한 시스템은 기존 MaMIMO(Kδ)보다 높은 합산 도파민도(DoF)를 유지한다(1 + (K−1)δ), 간섭 관리 능력 향상을 시사한다.
• 제안된 전력 할당 알고리즘이 성공적으로 수렴하며, 공통 및 개인 스트림 전력의 공동 최적화를 통해 근사 최적의 SE를 달성한다.