[논문 리뷰] Efficient Parallel Schemes for Cell-free Massive MIMO Using Radio Stripes

Yihua Ma, Zhifeng Yuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 21.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 무선 스트립을 사용하여 액세스 포인트에서 동시 신호 처리를 가능하게 하여 셀리스 대량 MIMO의 효율적인 병렬 처리 기법을 제안한다. 간섭 인지 최대 비율 복합화와 분산 정규화된 제로포싱 알고리즘을 도입하여 기존 방법에 비해 뛰어난 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 달성하며, 시뮬레이션 결과는 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.

ABSTRACT

Cell-free massive MIMO provides ubiquitous connectivity for multiple users, and implementation using radio stripes is very efficient. This paper proposes a parallel scheme for radio stripes to allow access point to do signal processing simultaneously. Simple maximum ratio (MR) processing works in this scheme, but its performance is bad. Therefore, this paper further proposes two efficient parallel schemes to gain better performance. The first is interference-aware MR processing with a tailored user-centric strategy. The second is distributed regularized zero-forcing (D-RZF) algorithm which derives from LMMSE. Simulation results show that the proposed parallel schemes gain better performance than existing works.

연구 동기 및 목표

• 액세스 포인트 간 병렬 신호 처리를 가능하게 하여 셀리스 대량 MIMO의 계산 병목 현상을 해결한다.
• 확장 가능하고 분산 처리 기반의 방식으로 셀리스 대량 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시킨다.
• 무선 스트립 아키텍처와 호환되는 저복잡도이자 병렬 처리 가능한 신호 처리 기법을 설계한다.
• 중앙 집중식 처리 없이도 사용자 간 간섭을 줄이고 데이터 전송률 성능을 향상시킨다.

제안 방법

• 셀리스 네트워크를 상호 배타적인 병렬 처리 단위로 분할하여 분산 계산을 위한 무선 스트립 아키텍처를 활용한다.
• 강한 링크 사용자를 우선시하고 간섭을 완화하기 위해 간섭 인지 최대 비율(MR) 처리에서 사용자 중심 전략을 적용한다.
• 선형 최소 제곱 오차(LMMSE) 조절 기반의 분산 정규화된 제로포싱(D-RZF) 알고리즘을 개발하여 간섭 억제를 구현한다.
• 무선 스트립 간의 신호 처리 작업을 분리하여 병렬 계산을 가능하게 하여 조율 오버헤드를 감소시킨다.
• 최소한의 피드백으로 분산 조절을 지원하기 위해 국소화된 채널 상태 정보(CSI) 교환을 구현한다.
• D-RZF 알고리즘에 정규화를 도입하여 간섭 억제와 노이즈 증폭 사이의 균형을 조절한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 스트립을 활용한 셀리스 대량 MIMO에서 병렬 신호 처리를 효율적으로 구현하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 병렬 무선 스트립 환경에서 간섭 인지 최대 비율 복합화는 기존 MR 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 분산 정규화된 제로포싱 알고리즘이 낮은 피드백 및 계산 부하로 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 기법은 기존의 중심 집중식 또는 반분산식 접근 방식에 비해 스펙트럼 효율성과 공정성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 간섭 인지 MR 기법은 강한 링크 사용자를 우선시하고 사용자 간 간섭을 감소시켜 기존 MR보다 뛰어난 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 분산 정규화된 제로포싱(D-RZF) 알고리즘이 합산 전송률과 사용자 공정성 측면에서 기존 MR 및 간섭 인지 MR보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 병렬 기법이 기존 셀리스 대량 MIMO 접근 방식보다 더 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 아웃오지 확률을 달성함을 확인한다.
• D-RZF 기법은 채널 상태 정보가 완벽하지 않은 상황에서도 뛰어난 성능 유지를 보이며 피드백 오류에 대한 내성을 입증한다.
• 무선 스트립 기반 병렬 처리 방식은 각 액세스 포인트의 계산 부담을 감소시켜 대규모 네트워크에서의 확장 가능한 구현을 가능하게 한다.