[논문 리뷰] Fog Massive MIMO: A User-Centric Seamless Hot-Spot Architecture

Ozgun Y. Bursalioglu, Giuseppe Caire외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 20.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 23인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 사용자 중심의 아키텍처인 퍼그 마스티브 MIMO를 제안하며, 밀도 높은 핫스팟 환경에서 사용자가 유일한 업링크 피LOT 시퀀스와 새로운 실시간 피로트 간섭 제어 메커니즘을 통해 가장 가까운 리모트 라디오 헤드(RRHs)에 자동으로 연결되도록 한다. 이 시스템은 최소한의 프rotocol 오버헤드로 이상적인 마스티브 MIMO에 가까운 스펙트럼 효율을 달성하며, 최적의 성능을 위한 피로트당 사용자 부하의 '황금 지점'을 규명한다.

ABSTRACT

The decoupling of data and control planes, as proposed for 5G networks, will enable the efficient implementation of multitier networks where user equipment (UE) nodes obtain coverage and connectivity through the top-tier macro-cells, and, at the same time, achieve high-throughput low-latency communication through lower tiers in the hierarchy. This paper considers a new architecture for such lower tiers, dubbed fog massive MIMO, where the UEs are able to establish high-throughput low-latency data links in a seamless and opportunistic manner, as they travel through a dense fog of high-capacity wireless infrastructure nodes, referred to as remote radio heads (RRHs). Traditional handover mechanisms in dense multicell networks inherently give rise to frequent handovers and pilot sequence re-assignments, incurring, as a result, excessive protocol overhead and significant latency. In the proposed fog massive MIMO architecture, UEs seamlessly and implicitly associate themselves to the most convenient RRHs in a completely autonomous manner. Each UE makes use of a unique uplink pilot sequence, and pilot contamination is mitigated by a novel coded "on-the-fly" pilot contamination control mechanism. We analyze the spectral efficiency and the outage probability of the proposed architecture via stochastic geometry, using some recent results on unique coverage in Boolean models, and provide a detailed comparison with respect to an idealized baseline massive MIMO cellular system, that neglects protocol overhead and latency due to explicit user-cell association. Our analysis, supported by extensive system simulation, reveals that there exists a "sweet spot" of the per-pilot user load (number of users per pilot), such that the proposed system achieves spectral efficiency close to that of an ideal cellular system with the minimum distance user-base station association and no pilot/handover overhead.

연구 동기 및 목표

• 고속도 이동성이 높은 밀도 높은 소셀 네트워크에서 높은 핸드오버 빈도와 피로트 재할당 오버헤드 문제를 해결하기 위해.
• 명시적 신호 전송이나 빈번한 핸드오버 없이도 사용자가 가장 편리한 RRH에 자동으로 암시적으로 연결될 수 있도록 하기 위해.
• 밀도 높은 배치에서 정규직교 피로트 시퀀스가 제한된 마스티브 MIMO 시스템의 피로트 간섭 문제를 완화하기 위해.
• 핸드오버나 피로트 오버헤드가 없는 이상적인 셀룰러 마스티브 MIMO에 가까운 스펙트럼 효율을 달성하면서도 프rotocol 오버헤드와 지연을 최소화하기 위해.
• 현실적인 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율을 최대화하는 데 최적의 피로트당 사용자 부하를 규명하기 위해.

제안 방법

• 스토하스틱 기하학 분석을 가능하게 하기 위해 RRH와 사용자의 공간 분포를 포아송 점 프로세스(PPP) 모델로 표현한다.
• 각 사용자에게 고유한 업링크 피로트 시퀀스를 사용하고, 실시간 피로트 간섭 제어 메커니즘을 코딩하여 간섭을 억제한다.
• 보로울드 모델과 PPP의 빈도 확률을 포함한 스토하스틱 기하학 도구를 적용하여 커버리지 및 스펙트럼 효율 식을 유도한다.
• 사용자 연결을 거리와 간섭의 함수로 모델링하며, RRH는 실시간 채널 상태에 따라 사용자를 서비스한다.
• 최근의 보로울드 모델에서의 고유 커버리지 결과를 활용하여 스펙트럼 효율과 아웃리지 확률에 대한 폐쇄형 식을 유도한다.
• 시스템 수준의 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하고 다양한 사용자 부하 조건에서의 성능 트레이드오프를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼그 마스티브 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율을 최대화하는 데 최적의 피로트당 사용자 부하는 무엇인가?
• RQ2 제안된 실시간 피로트 간섭 제어 메커니즘이 밀도 높은 네트워크에서 전통적인 피로트 재사용 기법과 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 퍼그 마스티브 MIMO는 핸드오버나 피로트 오버헤드가 없는 이상적인 마스티브 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?
• RQ4 다양한 사용자 밀도와 RRH 배치 밀도 조건에서 시스템의 아웃리지 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 사용자 이동성은 제안된 아키텍처에서 핸드오버 빈도와 프rotocol 오버헤드에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 퍼그 마스티브 MIMO 아키텍처는 동적 사용자 연결과 피로트 재사용 조건에서도 이상적인 마스티브 MIMO 기준선의 90% 이상의 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 스펙트럼 효율이 최대가 되는 피로트당 사용자 부하의 '황금 지점'이 존재하며, 이는 간섭과 스펙트럼 재사용 간의 균형을 맞춘다.
• 실시간 피로트 간섭 제어 메커니즘이 제한된 정규직교 피로트를 가진 환경에서도 다중 사용자 간섭을 효과적으로 억제한다.
• 암시적이고 원활한 사용자 연결을 통해 명시적 핸드오버 신호 전송을 제거함으로써 프rotocol 오버헤드와 지연을 감소시킨다.
• 스토하스틱 기하학 분석을 통해 커버리지 확률과 스펙트럼 효율이 공간적 랜덤성과 사용자 이동성에 대해 강건함을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과는 분석 모델을 검증하며, 이론적 예측과 시스템 수준 성능 간의 밀접한 일치를 보였다.