[논문 리뷰] Channel Hardening and Favorable Propagation in Cell-Free Massive MIMO with Stochastic Geometry

Zheng Chen, Emil Björnson|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 01.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 28인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 확률적 기하학을 사용하여 확률적으로 배치된 접근점(접근점)을 갖는 셀리스 매크로MIMO에서 채널 경화성과 유리한 전파 현상을 조사한다. 이는 현실적인 배치에서는 이러한 특성이 보장되지 않으며 경로 손실 지수, 안테나 구성 및 사용자 간격에 크게 의존함을 발견하였으며, 이는 성능 분석이 채널 경화성이나 정규성에 대한 가정이 아닌 정확한 속도 표현식에 기반해야 한다는 결론을 이끌어낸다.

ABSTRACT

Cell-Free (CF) Massive MIMO is an alternative topology for future wireless networks, where a large number of single-antenna access points (APs) are distributed over the coverage area. There are no cells but all users are jointly served by the APs using network MIMO methods. Prior works have claimed that CF Massive MIMO inherits the basic properties of cellular Massive MIMO, namely channel hardening and favorable propagation. In this paper, we evaluate if one can rely on these properties when having a realistic stochastic AP deployment. Our results show that channel hardening only appears in special cases, for example, when the pathloss exponent is small. However, by using 5--10 antennas per AP, instead of one, we can substantially improve the hardening. Only spatially well-separated users will exhibit favorable propagation, but when adding more antennas and/or reducing the pathloss exponent, it becomes more likely for favorable propagation to occur. The conclusion is that we cannot rely on channel hardening and favorable propagation when analyzing and designing CF Massive MIMO networks, but we need to use achievable rate expressions and resource allocation schemes that work well also in the absence of these properties. Some options are reviewed in this paper.

연구 동기 및 목표

• 스토케스틱하게 설치된 단일 안테나 접근점(APs)을 갖는 셀리스 매크로MIMO에서 채널 경화성과 유리한 전파 현상이 성립하는지 평가하기.
• 경로 손실 지수, 안테나 구성(단일 대 다중 안테나 AP) 및 사용자 간 공간적 간격이 채널 경화성과 유리한 전파 현상에 미치는 영향 평가하기.
• 채널 경화성에 기반한 전통적인 용량 하한이 셀리스 매크로MIMO에 대해 유효한지, 아니면 실제 성능을 심각하게 과소평가하는지 판단하기.
• 채널 경화성 또는 유리한 전파 현상의 존재에 의존하지 않는 가능도 있는 속도 표현식과 자원 할당 기법을 제안하기.
• 스토케스틱 기하학 기반으로 채널 이득 분포와 그 분산을 분석하여 경화성 및 수직 조건을 정량화하기.

제안 방법

• 실제의 무작위 배치를 반영하기 위해 2차원 평면상에 동질적 푸아송 점 프로세스(PPP)로 접근점을 모델링하기.
• 캠프벨 정리를 사용하여 경로 손실과 레이일리 fading을 고려해 다수의 AP에 의해 서비스를 받는 사용자의 기대 채널 이득과 그 분산을 계산하기.
• 자유공간 영역(거리 1 이하)과 이후 $ r^{- ext{α}} $ 모델을 조합한 하이브리드 경로 손실 모델 하에서 기대 채널 전력과 그 분산에 대한 폐쇄형 표현식 유도하기.
• 분산 대 평균 비율(변동 계수)을 분석하여 채널 경화성 정도를 정량화하기: 낮은 비율일수록 더 강한 경화성 의미함.
• 사용자 채널 벡터 간 내적을 평가하여 유리한 전파 조건 평가하기: 사용자 간 효과적 채널이 거의 수직일 경우를 정의함.
• 스토케스틱 기하학을 사용하여 다양한 설치 파rameter(예: 경로 손실 지수, 안테나 수) 하에서 채널 이득의 분포 및 통계적 성질 기술하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스토케스틱하게 설치된 접근점이 있는 셀리스 매크로MIMO에서 채널 경화성이 어떤 조건에서 발생하는가?
• RQ2 경로 손실 지수가 셀리스 매크로MIMO에서 채널 경화성 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 셀리스 매크로MIMO에서 유리한 전파를 달성할 수 있으며, 어떤 설치 조건(예: 사용자 간격, 안테나 수)이 이를 촉진하는가?
• RQ4 채널 경화성에 기반한 전통적인 용량 하한이 셀리스 매크로MIMO에서 실제 성능을 과소평가하거나 과대평가하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 단일 안테나 AP 대비 다중 안테나 AP를 도입할 경우 채널 경화성과 유리한 전파 현상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스토케스틱한 AP 설치를 갖는 셀리스 매크로MIMO에서는 일반적으로 채널 경화성이 관찰되지 않으며, 경로 손실 지수가 작을 경우와 같은 특수한 경우에만 발생함.
• AP당 5~10개의 안테나를 도입하면 동일한 총 안테나 밀도 조건에서도 단일 안테나 AP보다 채널 경화성이 크게 향상됨.
• 사용자 간 공간적 간격이 충분히 확보될 경우에만 유리한 전파—즉, 사용자 간 효과적 채널이 거의 수직이 되는 현상—이 신뢰성 있게 발생함.
• 경로 손실 지수를 낮추고 AP당 안테나 수를 늘리면 유리한 전파의 가능성은 증가하지만, 충분한 사용자 간격이 없으면 그 효과는 제한됨.
• 채널 이득의 변동 계수(경화성 측정 척도)는 경로 손실 지수가 작을수록 다중 안테나 AP를 사용할수록 최소화됨.
• 채널 경화성 또는 유리한 전파 현상에 기반한 전통적인 용량 하한은 셀리스 매크로MIMO에서 실제 성능을 심각하게 과소평가할 수 있으므로, 더 정확한 가능도 있는 속도 표현식을 사용해야 함.