[논문 리뷰] Design of Non-orthogonal and Noncoherent Massive MIMO for Scalable URLLC Beyond 5G

He Chen, Zheng Dong외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 5G 초과 시스템에서 확장 가능한 초고신뢰성 저지연 통신(sURLLC)을 위한 비직교, 비코herent 대량 MIMO 프레임워크를 제안한다. 대규모 안테나 어레이와 고유로 분해 가능한 복소도그룹(UDCG) 기반의 차별화된 변조 방식을 활용함으로써, 순간적인 채널 상태 정보 없이도 신뢰성 있는 사용자 신호 분리를 가능하게 하여, 기존의 코herent ZF 및 유클리드 거리 기반 설계 대비 뛰어난 오류 성능을 달성한다. 특히 셀 엣지 사용자에게서 두드러진다.

ABSTRACT

This paper is to design and optimize a non-orthogonal and noncoherent massive multiple-input multiple-output (MIMO) framework towards enabling scalable ultra-reliable low-latency communications (sURLLC) in wireless systems beyond 5G. In this framework, the huge diversity gain associated with the large-scale antenna array in massive MIMO systems is leveraged to ensure ultrahigh reliability. To reduce the overhead and latency induced by the channel estimation process, we advocate the noncoherent communication technique which does not need the knowledge of instantaneous channel state information (CSI) but only depends on the large-scale fading coefficients for information decoding. To boost the scalability of the system considered, we enable the non-orthogonal channel access of multiple users by devising a new differential modulation scheme to assure that each transmitted signal matrix can be uniquely determined in the noise-free case and be reliably estimated in noisy cases when the antenna array size is scaled up. The key idea is to make the transmitted signals from multiple users be superimposed properly over the air such that when the sum-signal is correctly detected, the signals sent by all users can be uniquely determined. To further improve the average error performance when the array antenna number is large, we propose a max-min Kullback-Leibler (KL) divergence-based design by jointly optimizing the transmitted powers of all users and the sub-constellation assignment among them. Simulation results show that the proposed design significantly outperforms the existing max-min Euclidean distance-based counterpart in terms of error performance. Moreover, our proposed approach also has a better error performance than the conventional coherent zero-forcing (ZF) receiver with orthogonal channel training, particularly for cell-edge users.

연구 동기 및 목표

• 5G 초과 무선 네트워크에서 초고신뢰성 저지연 통신(URLLC)의 확장성, 신뢰성 및 저지연 요구사항을 해결하기 위해.
• 대규모 MIMO에서 피일 기반 채널 추정이 필요 없도록 하기 위해, 대규모 페이딩 계수에만 의존하는 비코herent 통신을 채택함으로써 피일 오버헤드를 제거하기 위해.
• 새로운 차별화된 변조 방식을 통해 대규모 MIMO 시스템에서 비직교 다중접근(NOMA)을 실현하면서도 수신기에서 고유하게 신호를 복원할 수 있도록 보장하기 위해.
• 최소-최대 쿨백-라이블러(KL) 발산 기준을 사용하여 사용자 전력 할당과 서브-복소도 할당을 공동으로 설계함으로써 시스템 성능을 최적화하기 위해.
• 특히 고속 이동성 및 고강도 fading 환경에서 셀 엣지 사용자에게서 기존 방법 대비 오류 성능을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 대규모 페이딩 계수에만 기반하여 신호를 복원하는 비코herent 대량 MIMO 프레임워크를 도입함으로써 피일 오버헤드를 제거하고 지연을 감소시킨다.
• 각 사용자 신호가 중첩된 합신호로부터 고유하게 복원될 수 있도록 보장하기 위해 고유로 분해 가능한 복소도그룹(UDCG)을 활용한 새로운 차별화된 변조 방식을 설계한다.
• 모든 사용자 중 최소 신뢰성을 최대화하기 위해 전송 전력 할당과 서브-복소도 할당을 동시에 최적화하기 위해 최소-최대 KL 발산 기반 최적화를 적용한다.
• 노이즈가 없는 경우 전송 신호 행렬이 고유하게 복원 가능한 조건과, 어레이 크기가 증가함에 따라 노이즈 조건에서도 안정적으로 추정 가능한 조건을 이론적으로 유도한다.
• 신호 공분산 행렬을 $ \mathbf{R} = \mathbf{X}_T^H \mathbf{D} \mathbf{X}_T $ 형태로 표현하는 행렬 분해 접근법을 사용하며, UDCG 조건 하에서 $ \mathbf{X}_T $ 의 유일성을 보장한다.
• 제안된 UDCG가 서로 다른 신호 행렬이 서로 다른 가능도 함수를 생성함을 증명하여, 신뢰성 있는 최대우도 검출이 가능함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비직교 접근 방식을 사용하는 비코herent 대량 MIMO가 수신기에서 채널 상태 정보 없이도 확장 가능하고 초고신뢰성 및 저지연 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ2 대규모 안테나 어레이를 갖춘 비코herent 대량 MIMO 시스템에서 중첩된 합신호로부터 사용자 신호를 고유하게 복원할 수 있는가?
• RQ3 비코herent 대량 MIMO 시스템에서 최소 사용자 신뢰성을 최대화하는 최적의 전력 할당 및 복소도 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 제안된 최소-최대 KL 발산 기반 설계는 기존의 최소-최대 유클리드 거리 기반 설계와 비교해 오류 성능에서 어떻게 다를까?
• RQ5 특히 셀 엣지 사용자에게서 제안된 프레임워크가 코herent 제로포싱(ZF) 수신기와 정규화된 교육을 사용하는 경우에 비해 얼마나 뛰어나게 성능을 냅니까?

주요 결과

• 제안된 UDCG 기반 차별화된 변조를 사용하는 비코herent 대량 MIMO 시스템은 노이즈가 없는 경우 고유한 신호 복원이 가능하며, 안테나 수가 증가함에 따라 노이즈 조건에서도 신뢰성 있는 추정이 가능하다.
• 최소-최대 KL 발산 기반 설계는 고신호대노이즈비에서 기존의 최소-최대 유클리드 거리 기반 설계 대비 오류 성능에서 뚜렷한 우월성을 보인다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 기존의 코herent ZF 수신기와 정규화된 교육을 사용하는 경우보다 오류 성능이 뛰어나며, 특히 고경로 손실과 간섭을 겪는 셀 엣지 사용자에게서 두드러진다.
• 비코herent 검출을 통해 피일 오버헤드 감소와 저지연 작동을 실현함으로써, 프레임워크는 대규모 연결성을 지원하는 확장 가능한 sURLLC를 가능하게 한다.
• 이론적 분석을 통해 공분산 행렬 $ \mathbf{R} $ 에 의해 신호 행렬 $ \mathbf{X}_T $ 가 고유하게 결정됨을 증명하여, UDCG 조건 하에서 신뢰성 있는 검출이 보장됨을 입증한다.
• 최적화 프레임워크는 모든 사용자 중 최소 신뢰성을 최대화함으로써 공정성을 확보하고, 이질적인 채널 조건에서도 강건성을 향상시킨다.