[논문 리뷰] Energy-Spectral Efficiency Trade-off for a Massive SU-MIMO System with Transceiver Power Consumption

Sudarshan Mukherjee, Saif Khan Mohammed|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 20.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전력 앰프(PA) 및 수신기 회로 소비 전력까지 고려한 대규모 단일 사용자 MIMO 시스템에서 최적의 에너지 효율성-스펙트럼 효율성(EE-SE) 트레이드오프에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다. 기존의 고전 모델과 달리, 비방사 전력 소비로 인해 저역간 스펙트럼 효율성(SE)에서 에너지 효율성(EE)이 선형적으로 증가하며, 평균 채널 이득 G_c가 작을 경우 EE는 √G_c 비례로 열악해지며, 대규모 MIMO 환경에서는 PA 전력 비율이 약 50%에 수렴함을 보여준다.

ABSTRACT

We consider a single user (SU) massive MIMO system with multiple antennas at the transmitter (base station) and a single antenna at the user terminal (UT). Taking transceiver power consumption into consideration, for a given spectral efficiency (SE) we maximize the energy efficiency (EE) as a function of the number of base station (BS) antennas $M$, resulting in a closed-form expression for the optimal SE-EE trade-off. It is observed that in contrast to the classical SE-EE trade-off (which considers only the radiated power), with transceiver power consumption taken into account, the EE increases with increasing SE when SE is sufficiently small. Further, for a fixed SE we analyze the impact of varying cell size (i.e., equivalently average channel gain $G_c$) on the optimal EE. We show the interesting result that for sufficiently small $G_c$, the optimal EE decreases as $\mathcal{O}(\sqrt{G_c})$ with decreasing $G_c$. Our analysis also reveals that for sufficiently small SE (or large $G_c$), the EE is insensitive to the power amplifier efficiency.

연구 동기 및 목표

• 전력 앰프(PA) 손실 외에도 수신기 회로 소비 전력의 영향을 고려하여 대규모 MIMO 시스템에서 에너지 효율성(EE)에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• PA 및 회로 구성 요소를 포함한 현실적인 전력 모델 하에서 최적의 EE-SE 트레이드오프에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 고정된 SE에서 세포 크기(평균 채널 이득 G_c를 통해 표현)가 최적의 EE에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• SE 및 G_c에 따라 전체 시스템 전력의 PA 소비 비율을 정량화하여 PA 효율성 설계에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS)에 M개의 안테나와 사용자 단말기(UT)에 하나의 안테나를 갖는 단일 사용자 대규모 MIMO 다운링크를 모델링하며, 완벽한 채널 상태 정보(CSI)를 가정한다.
• 전체 시스템 전력은 전송기 PA 전력, 회로 전력(P_s, P_dec, P_BS, P_UT, P_OSC) 및 경로 손실에 따라 달라지는 방사 전력의 합으로 구성된다.
• 스펙트럼 효율성(SE)을 R = log₂(1 + γ||h||²)로 유도하며, 여기서 γ는 전송 전력과 경로 손실에 따라 달라진다.
• EE = R / (P_total)를 BS 안테나 수 M에 대해 최적화하여 최적의 M 및 최적의 EE에 대한 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• 제닝스 부등식을 적용하여 에르고딕 SE를 근사화하고 EE 및 PA 전력 비율에 대한 분석적 근사식을 유도한다.
• 점근적 분석을 통해 저SE 및 고SE 영역에서 EE 및 PA 전력 비율의 행동을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수신기 회로 전력 소비를 고려할 경우, 대규모 MIMO 시스템에서 고전적인 EE-SE 트레이드오프는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 PA 및 회로 전력 모두를 고려할 때 최적의 EE-SE 트레이드오프에 대한 폐쇄형 표현식은 무엇인가?
• RQ3 고정된 SE에서 세포 크기(평균 채널 이득 G_c로 표현)가 최적의 EE에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 전체 시스템 전력 중 PA가 소비하는 비율은 얼마이며, 이 비율은 SE 및 G_c에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 EE가 PA 효율성에 민감하지 않은 조건은 언제이며, 하드웨어 설계에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 충분히 작은 스펙트럼 효율성(SE)에서, 수신기 전력 소비를 고려할 경우 고전적인 PA 전용 모델에서의 단조 감소와는 달리 에너지 효율성(EE)이 SE와 함께 선형적으로 증가함을 보여준다.
• 고정된 SE에서 평균 채널 이득 G_c가 충분히 작을 경우 최적의 EE는 O(√G_c)로 감소하며, 이는 큰 세포에서 경로 손실에 매우 민감함을 시사한다.
• 대규모 MIMO 영역(고SE 또는 작은 G_c)에서는 PA가 소비하는 전력 비율이 약 50%에 수렴하며, 이는 고효율 PA의 필요성을 강조한다.
• 반대로 충분히 작은 SE 또는 큰 G_c에서는 PA 전력 비율이 거의 0에 수렴하여, 저효율이지만 고선형성인 PA도 수용 가능함을 보여준다.
• 최적의 기지국 안테나 수 M*는 G_c 감소에 따라 증가하며, 단일 안테나(비대규모)에서 대규모 MIMO 운영으로의 전이가 일어남을 보여준다.
• 수치 결과는 제안된 근사 최적 EE가 정확한 최적 EE와 매우 유사함을 확인하여 분석적 근사화 접근법의 타당성을 입증한다.