[논문 리뷰] Cell-Free Massive MIMO with Channel Aging and Pilot Contamination

Jiakang Zheng, Jiayi Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 25.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 채널 노후화와 파ilot 간섭을 고려한 셀리스 대량 MIMO 시스템을 다루며, 채널 추정기와 대역폭 효율성(SE)의 닫힌 형태 표현식을 제안하고, 대규모 fading 복원(LSFD) 및 매칭 필터(MF) 수신기의 경우를 분석한다. 결과적으로 셀리스 대량 MIMO는 정적 및 고속 이동 조건 모두에서 소셀 시스템보다 뛰어난 성능를 보이며, 채널 노후화에 대해 더 뛰어난 내구성과 더불어 대역폭 효율성 향상 효과를 보인다. 특히 분수형 전력 제어(FPC) 조건에서 두드러진다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the impact of channel aging on the performance of cell-free (CF) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems with pilot contamination. To take into account the channel aging effect due to user mobility, we first compute a channel estimate. We use it to derive novel closed-form expressions for the uplink spectral efficiency (SE) of CF massive MIMO systems with large-scale fading decoding and matched-filter receiver cooperation. The performance of a small-cell system is derived for comparison. It is found that CF massive MIMO systems achieve higher 95\%-likely uplink SE in both low- and high-mobility conditions, and CF massive MIMO is more robust to channel aging. Fractional power control (FPC) is considered to compensate to limit the inter-user interference. The results show that, compared with full power transmission, the benefits of FPC are gradually weakened as the channel aging grows stronger.

연구 동기 및 목표

• 채널 노후화가 파ilot 간섭이 존재하는 셀리스 대량 MIMO 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 실제 이동 조건 하에서 셀리스 대량 MIMO의 상향링크 대역폭 효율성(SE)을 전통적인 소셀 시스템과 비교하기 위해.
• 채널 노후화 조건에서 사용자 간 간섭을 완화하기 위해 분수형 전력 제어(FPC)의 효과를 평가하기 위해.
• 시간에 따라 변하는 채널 조건 하에서 대규모 fading 복원(LSFD) 및 매칭 필터(MF) 수신기의 상향링크 SE에 대한 새로운 닫힌 형태의 표현식을 유도하기 위해.
• 사용자 이동성으로 인한 시간에 따라 변화하는 채널에 대한 셀리스 대량 MIMO의 내구성을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 채널을 시간에 따라 상관관계가 있는 레이일라이프 fading 과정으로 모델링하며, 초기 상태와 혁신 성분을 포함하여 채널 노후화를 반영한다.
• 시간 간격 간의 채널 상태 간 상관관계를 활용하여 추정 정확도를 향상시키는 채널 추정기를 제안한다.
• 시간에 따라 변하는 채널 조건 하에서 대규모 fading 복원(LSFD) 및 매칭 필터(MF) 수신기의 상향링크 SE에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 동일한 APs가 서비스하는 다양한 사용자 간 채널 추정치 간 상관관계를 모델링하여 파ilot 간섭 영향을 통합한다.
• 사용자 간 간섭을 줄이기 위해 분수형 전력 제어(FPC)를 적용하고, 다양한 채널 노후화 조건 하에서 성능 향상을 평가한다.
• 스토케스틱 기하학과 통계적 채널 상태 정보를 사용하여 시간에 따라 변화하는 채널 통계를 고려한 가용 속도의 기대값을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 노후화는 파ilot 간섭이 존재하는 셀리스 대량 MIMO 시스템의 상향링크 대역폭 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 저속 및 고속 이동 조건 모두에서 셀리스 대량 MIMO의 성능는 기존 소셀 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 채널 노후화가 존재할 경우 분수형 전력 제어(FPC)가 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 셀리스 대량 MIMO의 채널 노후화에 대한 내구성은 소셀 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 시간에 상관관계가 있는 fading 조건 하에서 셀리스 대량 MIMO의 LSFD 및 MF 수신기의 상향링크 SE에 대한 닫힌 형태의 표현식은 무엇인가?

주요 결과

• 셀리스 대량 MIMO는 저속 및 고속 이동 조건 모두에서 소셀 시스템보다 더 높은 95% 확보 가능한 상향링크 대역폭 효율성을 달성한다.
• 셀리스 대량 MIMO는 소셀 시스템보다 채널 노후화에 더 뛰어난 내구성을 보이며, 이동성이 증가함에 따라 성능 유지가 뛰어나다.
• 분수형 전력 제어(FPC)는 사용자 간 간섭을 감소시키지만, 채널 노후화가 심해질수록 성능 향상 효과가 감소한다.
• 유도된 상향링크 SE에 대한 닫힌 형태의 표현식은 시간에 상관관계가 있는 채널 변화, 파ilot 간섭, 수신기 유형(LSFD 및 MF)을 정확히 반영한다.
• 채널 노후화 조건 하에서 LSFD 수신기는 MF 수신기 대비 사용자당 95% 확보 가능한 대역폭 효율성에서 두 배의 성능 향상을 보인다.
• 채널 노후화가 심해질수록 FPC와 전력 최대 전송 간 성능 격차가 좁아지며, 고속 이동 조건에서는 전력 제어의 수익 감소 현상이 나타난다.