[논문 리뷰] How Does Performance Scale with Antenna Number for Extremely Large-Scale MIMO?

Haiquan Lu, Yong Zeng|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 30.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 14인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전통적인 균일 평면파(UPW) 가정 대신 일반적인 구형 파면 모델을 사용하여 초대규모 MIMO(XL-MIMO)에서 성능 스케일링을 조사한다. SNR에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, 각도 범위에 의해 제어되는 감소 수익의 영향을 받아 SNR가 안테나 수 M에 대해 선형보다 느리게 증가함을 보이며, 위상 기반 레일리 거리와는 다름없이 진폭 차이에 기반한 새로운 임계 거리 기준을 제안한다. 또한, 다수 사용자 간 간섭은 각도 분리 외에도 같은 방향에서 거리 분리에 의해도 억제될 수 있음을 밝혀내어 간섭 억제에 새로운 자유도를 제공한다.

ABSTRACT

Extremely large-scale multiple-input multiple-output (XL-MIMO) communications correspond to systems whose antenna size is so large that conventional assumptions, such as uniform plane wave (UPW) impingement, are no longer valid. This paper studies the channel modelling and performance analysis of XL-MIMO communication based on the generic spherical wavefront propagation model. First, for the single-user uplink/downlink communication with the optimal maximum ratio combining/transmission (MRC/MRT), we rigorously derive a new closed-form expression for the resulting signal-to-noise ratio (SNR), which includes the conventional SNR expression based on UPW assumption as a special case. Our result shows that instead of scaling linearly with the base station (BS) antenna number $M$, the SNR with the more generic spherical wavefront model increases with $M$ with diminishing return, governed by a new parameter called angular span. One important finding from our derivation is the necessity to introduce a new distance criterion, termed critical distance, to complement the classical Rayleigh distance for separating the near- and far-field propagation regions. While Rayleigh distance is based on the phase difference across array elements and hence depends on the electrical size of the antenna, the critical distance cares about the amplitude/power difference and only depends on its physical size. We then extend the study to the multi-user XL-MIMO communication system, for which we demonstrate that inter-user interference (IUI) can be mitigated not just by angle separation, but also by distance separation along the same direction. This offers one new degree of freedom (DoF) for interference suppression with XL-MIMO.

연구 동기 및 목표

• 초대규모 안테나 어레이로 인해 원거리 근사가 성립하지 않는 전통적인 균일 평면파(UPW) 가정의 한계를 해결하기 위함.
• 배치 요소 간 위상과 진폭 변화를 모두 고려한 일반적인 구형 파면 전파 모델을 사용하여 채널을 정확히 모델링하기 위함.
• 단일 사용자 XL-MIMO 시스템에서 최적의 최대 비율 복합/전송(MRC/MRT) 조건 하에서 신호 대 잡음비(SNR)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위함.
• 전기적 크기와 무관하게 진폭/전력 차이에 기반하여 근거리와 원거리 영역을 구분하는 새로운 임계 거리 기준을 정의하고, 이를 통해 근거리 분석을 정교화하기 위함.
• 다중 사용자 XL-MIMO 시스템으로 분석을 확장하여, 사용자 간 간섭(IUI)이 각도 분리 외에도 같은 방향에서의 거리 분리에 의해도 억제될 수 있음을 보여주고, 간섭 억제에 새로운 자유도를 제공하기 위함.

제안 방법

• 논문은 초대규모 MIMO 채널을 구형 파면 전파 모델로 모델링하여, 대규모 안테나 어레이 전역에서 위상과 진폭 변화를 모두 고려한다.
• 최적의 MRC/MRT beamforming 조건 하에서 단일 사용자 업링크/다운링크 시스템의 SNR에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 기존 UPW 기반 SNR 표현식을 일반화한다.
• 대규모 안테나 어레이에 대한 이산 합산을 다루기 위해 적분 근사를 사용하여 이산 합산을 연속 적분으로 변환함으로써 분석적 취급 가능성을 확보한다.
• 배치 양단에서 사용자에 의해 형성되는 각도, 즉 배열 양단에서 사용자에 의해 형성되는 각도를 정의하는 각도 범위는 SNR 스케일링 행동을 지배하는 핵심 매개변수로 도입된다.
• 배열의 물리적 크기와 진폭/전력 차이에 기반하여 정의된 새로운 임계 거리가 제안되며, 이는 근거리와 원거리 영역을 구분하는 데 사용된다.
• 다중 사용자 시스템으로의 분석을 확장하기 위해, 구형 파면 모델을 사용하여 효과적 간섭 전력 계산을 수행하고, 각도 기반 및 거리 기반 분리에 의한 간섭 억제 성과를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XL-MIMO 시스템에서 기존의 균일 평면파(UPW) 가정 대신 더 정확한 구형 파면 모델을 사용할 경우, 기지국(BS) 안테나 수 M에 따른 SNR는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 구형 파면 모델 하에서 M이 무한대에 접근할 때 XL-MIMO의 SNR 향상에 대한 근본적 한계는 무엇이며, 이 행동을 지배하는 매개변수는 무엇인가?
• RQ3 기존의 레일리 거리 기준은 XL-MIMO에서 근거리 효과를 어떻게 잘못 포착하는가? 근거리와 원거리 영역을 정확히 분리하기 위해 어떤 대체 거리 기준이 필요한가?
• RQ4 다중 사용자 XL-MIMO에서 사용자 간 간섭(IUI)은 각도 분리 외에도 같은 방향에서의 거리 분리에 의해도 억제될 수 있는가? 이는 시스템의 합산 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존의 UPW 기반 모델링은 XL-MIMO에서 얼마나 과도하게 성능을 과대평가하는가? 특히 IUI 억제 및 합산 속도 추정 측면에서 어떤가?

주요 결과

• 구형 파면 모델링을 사용한 XL-MIMO에서 SNR는 안테나 수 M에 대해 선형보다 느리게 증가하며, 각도 범위에 의해 제어되며, M → ∞일 때 유한한 한계에 도달함을 보이며, 이는 기존 UPW 모델이 M에 대해 무한한 선형 증가를 예측하는 것과 대조된다.
• 기존 UPW 기반 SNR 표현식은 XL-MIMO 상황에서는 유효하지 않으며, M에 따라 무한한 SNR 증가를 가정함으로써 성능를 과대평가하고 있음을 입증한다.
• 신규로 도입된 임계 거리는 배열의 물리적 크기와 진폭/전력 차이에만 의존하며, 위상 기반 레일리 거리보다 더 정확한 근거리/원거리 경계를 제공한다.
• 다중 사용자 XL-MIMO에서 사용자 간 간섭(IUI)은 각도 분리 외에도 같은 방향에서의 거리 분리에 의해도 억제될 수 있으며, 간섭 관리에 추가적인 자유도를 제공한다.
• 수치 결과는 기존 UPW 기반 모델링이 IUI를 심각하게 과소평가하고 합산 속도를 과대평가함을 확인하며, 정확한 XL-MIMO 시스템 평가를 위해 구형 파면 모델링의 필요성을 강조한다.
• 유도된 SNR 표현식은 r ≫ Md/2 조건에서 고전적 UPW 기반 SNR로 감소함을 보이며, 적절한 조건 하에서 이전 모델과의 일관성을 입증한다.