[논문 리뷰] Impact of Subcarrier Allocation and User Mobility on the Uplink Performance of Multi-User Massive MIMO-OFDM Systems

Abhinav Anand, Chandra R. Murthy|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 12.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 22인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 이동하는 사용자를 포함한 다중 사용자 대량 MIMO-OFDM 시스템에서의 업링크 성능을 분석하며, 부호 간 간섭(ICI)과 채널 노후화 영향을 최소화하는 일반화된 서브차원 할당 방식을 제안한다. ICI 전력, SINR 및 합산 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, ICI 전력이 사용자 전력 할당에 관계없이 거의 일정함을 보이며, 이는 간섭 무결성 및 코herence 대역폭 활용을 통한 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 파ilot 오버헤드를 가능하게 한다. ZF 및 MRC 복합 기법을 사용한 이전 연구 대비 뚜렷한 합산 속도 향상을 보인다.

ABSTRACT

This paper considers the uplink performance of a multi-user massive multiple-input multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) system with mobile users. Mobility brings two major problems to a MIMO-OFDM system: inter carrier interference (ICI) and channel aging. In practice, it is common to allot multiple contiguous subcarriers to a user as well as schedule multiple users on each subcarrier. Motivated by this, we consider a general subcarrier allocation scheme and derive expressions for the ICI power, uplink signal to interference plus noise ratio and the achievable uplink sum-rate, taking into account the ICI and the multi-user interference due to channel aging. We show that the system incurs a near-constant ICI power that depends linearly on the ratio of the number of users per subcarrier to the number of subcarriers per user, nearly independently of how the UEs distribute their power across the subcarriers. Further, we exploit the coherence bandwidth of the channel to reduce the length of the pilot sequences required for uplink channel estimation. We consider both zero-forcing and maximal-ratio combining at the receiver and compare the respective sum-rate performances. In either case, the proposed subcarrier allocation scheme leads to significantly higher sum-rates compared to previous work, owing to the near-constant ICI property as well as the reduced pilot overhead.

연구 동기 및 목표

• 사용자 이동성으로 인한 다중 사용자 대량 MIMO-OFDM 시스템의 성능 저하, 특히 부호 간 간섭(ICI)과 채널 노후화를 해결하기 위해.
• 다수의 사용자를 한 서브차원에 할당하고, 한 사용자에게 다수의 서브차원을 할당할 수 있는 일반화된 서브차원 할당 방식을 개발하여 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 이 방식 하에서 ICI 전력의 특성을 규명하고, 다양한 전력 할당에 대해 거의 일정한 행동을 보임을 입증하기 위해.
• 채널의 코herence 대역폭을 활용하여 업링크 채널 추정을 위한 파ilot 시퀀스 길이를 줄여 파ilot 오버헤드를 감소시키기 위해.
• 이동성과 ICI를 고려한 ZF 및 최대비율 복합(MRC) 기법을 사용한 합산 속도 성능을 비교하기 위해.
• ICI, 다중 사용자 간섭 및 채널 노후화를 고려한 SINR 및 도달 가능한 업링크 합산 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 제공하기 위해.

제안 방법

• 사용자들이 다수의 연속된 서브차원을 할당받고, 서브차원이 다수의 사용자에게 서비스를 제공하도록 하는 정적 서브차원 할당 방식을 제안하며, 채널 경화성과 근사 일정한 ICI를 활용해 균일한 성능을 달성한다.
• 서브차원 간 전력 할당에 관계없이 거의 영향을 받지 않는 ICI 전력에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 이는 사용자 수/서브차원 수 비율에만 의존한다.
• 채널의 코herence 대역폭을 활용하여 업링크 채널 추정을 위한 파ilot 시퀀스 길이를 단축시켜 오버헤드를 최소화한다.
• ZF 및 MRC 복합 기법 하에서 ICI, 채널 노후화 및 추정 오차의 영향을 포함한 업링크 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 모델링한다.
• Jensen의 부등식을 적용하여 유효 채널 행렬 노름의 역수 기대값을 취해 도달 가능한 업링크 속도를 근사한다.
• 무엇을 사용할 것인지에 따라 채널 상태 정보(CSI)를 단순화하기 위해 '사용한 후 잊는' 접근법을 사용하여 랜덤 채널 추정치를 기대값으로 대체한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자들이 다수의 연속된 서브차원을 사용하고, 서브차원이 다수의 사용자에게 서비스를 제공하는 일반화된 서브차원 할당 방식 하에서 ICI 전력은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 사용자 이동성이 대량 MIMO-OFDM 시스템의 업링크 합산 속도에 미치는 영향은 무엇인가, 특히 채널 노후화와 ICI를 통해 어떻게 나타나는가?
• RQ3 이동 환경에서 업링크 채널 추정을 위한 필요 파ilot 시퀀스 길이에 채널의 코herence 대역폭이 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이동성과 ICI를 고려한 ZF 및 최대비율 복합(MRC) 기법 하에서 도달 가능한 업링크 합산 속도 성능은 어떠한가?
• RQ5 제안된 서브차원 할당 방식은 스펙트럼 효율성과 파ilot 오버헤드 측면에서 이전 연구 대비 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 시스템에서 ICI 전력은 근사적으로 일정하며, 사용자 수/서브차원 수 비율에만 선형적으로 의존하며, 사용자들이 서브차원 간 전력을 어떻게 분배하든 영향을 받지 않는다.
• 근사 일정한 ICI 특성과 코herence 대역폭 활용에 따른 파ilot 오버헤드 감소 덕분에, 이전 연구 대비 뚜렷한 업링크 합산 속도 향상을 달성한다.
• 코herence 대역폭을 활용함으로써 제안된 채널 추정 방식은 파ilot 오버헤드를 감소시켜 시간-주파수 자원의 효율적 사용을 가능하게 한다.
• ZF 및 MRC 복합 기법 모두에서 합산 속도 성능이 향상되었으며, MRC는 채널 추정 오차와 ICI에 대해 더 뛰어난 내구성을 보였다.
• SINR 및 도달 가능한 업링크 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하였으며, 속도는 Jensen의 부등식을 통해 근사화되어 실용적인 성능 평가를 가능하게 하였다.
• 빔포밍 이득 불확실성의 분산이 사용자 할당 전력과 채널 추정치 제곱의 기대값에 비례함을 입증하여 SINR 안정성에 기여하였다.