[논문 리뷰] Diversity Analysis of Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Shuai Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 대량 MIMO 시스템에서 분산 안테나-서브어레이 아키텍처를 제안하여 다양성 이득을 향상시키며, 각 서브어레인지에 무한대의 안테나가 있을 경우 다양성 이득이 $K_rK_tL - N_s + 1$ 으로 스케일링됨을 보여준다. 여기서 $K_r$, $K_t$ 는 수신기 및 송신기 서브어레인지 수, $L$ 은 전파 경로 수, $N_s$ 는 데이터 스트림 수이다. 이 아키텍처는 고신호대역비(SNR) 조건에서 공액배치 및 전통적인 부분 연결 구조보다 다양성 성능에서 뚜렷한 우월성을 보인다.

ABSTRACT

This paper is concerned with asymptotic diversity analysis for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems. First, for a single-user mmWave system employing distributed antenna subarray architecture in which the transmitter and receiver consist of Kt and Kr subarrays, respectively, a diversity gain theorem is established when the numbers of antennas at subarrays go to infinity. Specifically, assuming that all subchannels have the same number of propagation paths L, the theorem states that by employing such a distributed antenna-subarray architecture, a diversity gain of KrKtL-Ns+1 can be achieved, where Ns is the number of data streams. This result means that compared to the co-located antenna architecture, using the distributed antenna-subarray architecture can scale up the diversity gain or multiplexing gain proportionally to KrKt. The diversity gain analysis is then extended to the multiuser scenario as well as the scenario with conventional partially-connected RF structure in the literature. Simulation results obtained with the hybrid analog/digital processing corroborate the analysis results and show that the distributed subarray architecture indeed yields significantly better diversity performance than the co-located antenna architectures.

연구 동기 및 목표

• 실제 전파 조건 하에서 밀리미터파 대량 MIMO 시스템의 점점 증가하는 다양성 이득을 분석하기 위해.
• 공액배치 또는 전통적인 부분 연결 RF 아키텍처에 비해 분산 서브어레인지 아키텍처가 다양성 및 multiplexing 이득을 어떻게 향상시키는지 조사하기 위해.
• 제한된 RF 체인 수를 고려한 밀리미터파 대량 MIMO에서 다양성-multiplexing 트레이드오프(DMT)에 대한 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 하이브리드 아날로그/디지털 프리코딩 및 컨바이너 설계를 활용한 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증하기 위해.

제안 방법

• 무한대의 안테나를 각 서브어레인지에 할당하고 모든 서브채널에서 동일한 경로 수 $L$ 을 가정할 때, 단일 사용자 밀리미터파 시스템에 대한 다양성 이득 정리를 유도한다.
• 서브채널 행렬의 특이값 분해(SVD)를 사용하고, 다중 사용자 환경에서는 사용자별 채널을 분리하기 위해 ZF 디지털 프리코딩을 적용한다.
• 일반적인 대규모 감쇠 계수 분포 $\{g_{ij}\}$ 와 비일반적인 대규모 감쇠 계수 분포 $\{g_{ij}\}$ 의 두 경우에 대해 다양성 성능을 분석한다.
• 비교를 위해 완전 연결형 및 부분 연결형 RF 아키텍처를 사용한 하이브리드 아날로그/디지털 beamforming을 활용한다.
• 서브어레인지 수 $K_r$, $K_t$, 전파 경로 수 $L$, 데이터 스트림 수 $N_s$ 를 기반으로 다양성 이득을 계산하는 일반화된 프레임워크를 도입한다.
• 다양한 SNR 및 시스템 구성 조건 하에서 BER 성능 곡선을 활용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 서브어레인지에 무한대의 안테나를 가질 경우, 분산 서브어레인지 아키텍처를 사용한 밀리미터파 대량 MIMO 시스템에서 다양성 이득은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 공액배치 또는 부분 연결 아키텍처에 비해 서브어레인지 수 $K_r$ 및 $K_t$ 는 달성 가능한 다양성 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 밀리미터파 시스템에서 분산 서브어레인지 아키텍처와 전통적인 RF 아키텍처 간의 다양성-multiplexing 트레이드오프(DMT)는 어떻게 다를까?
• RQ4 비균일한 대규모 감쇠 계수 분포가 다양성 이득에 영향을 미치는가? 만약 그렇다면, 그 영향은 어떠한가?
• RQ5 제안된 분산 서브어레인지 아키텍처는 실용적인 하이브리드 프리코딩 제약 조건 하에서도 최대 다양성 이득을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 분산 서브어레인지 아키텍처를 갖춘 단일 사용자 밀리미터파 시스템의 다양성 이득은 $K_rK_tL - N_s + 1$ 이며, 이는 $K_rK_t$ 의 곱에 비례하여 증가한다.
• 기존의 부분 연결형 RF 아키텍처는 연구된 설정에서 최대 다양성 이득 3을 달성하지만, 분산 서브어레인지 아키텍처는 $K=2$ 와 $N_s=4$ 조건에서 최대 다양성 이득 9를 달성한다.
• 다중 사용자 다운링크 환경에서는 기지국의 서브어레인지 수($K_b$)를 늘릴수록 다양성 성능이 뚜렷이 향상되며, $K_b$ 가 증가할수록 성능 향상이 지속된다.
• 비균일한 대규모 감쇠 계수 분포 조건에서도 다양성 이득은 변화하지 않아, 서브어레인지 간 경로 손실 변동에 대해 뛰어난 내구성을 보인다.
• 하이브리드 연결형(겹치는 서브어레인지 기반) 아키텍처는 기존의 부분 연결형 아키텍처보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, 충분한 RF 체인이 확보될 경우 완전 연결형 성능에 가까워진다.
• 시뮬레이션 결과, 고신호대역비 영역에서 분산 서브어레인지 아키텍처는 공액배치 및 기존의 부분 연결형 아키텍처에 비해 BER 성능이 뚜렷이 향상됨을 확인하였다.