[논문 리뷰] Interference Management in 5G Reverse TDD HetNets with Wireless Backhaul: A Large System Analysis

Luca Sanguinetti, Aris L. Moustakas외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 24.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 25인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 대규모 MIMO 매크로 기지국과 소셀을 갖춘 5G 이질적 네트워크에서 무선 백홀을 사용하는 역 TDD 프로토콜을 제안한다. 채널 상호성과 대규모 분석을 활용하여, 이중층 간 및 동일층 간 간섭을 관리하기 위해 연결형 RZF 선형 전달을 설계함으로써, 불완전한 CSI 조건에서도 저전력 전송(약 6 W)과 높은 스펙트럼 효율성(4.8 Gb/s/km²)을 달성한다. 이는 특정 CSI 품질 임계값을 초과하면 성능가 붕괴되는 조건을 포함한다.

ABSTRACT

This work analyzes a heterogeneous network (HetNet), which comprises a macro base station (BS) equipped with a large number of antennas and an overlaid dense tier of small cell access points (SCAs) using a wireless backhaul for data traffic. The static and low mobility user equipment terminals (UEs) are associated with the SCAs while those with medium-to-high mobility are served by the macro BS. A reverse time division duplexing (TDD) protocol is used by the two tiers, which allows the BS to locally estimate both the intra-tier and inter-tier channels. This knowledge is then used at the BS either in the uplink (UL) or in the downlink (DL) to simultaneously serve the macro UEs (MUEs) and to provide the wireless backhaul to SCAs. A geographical separation of co-channel SCAs is proposed to limit the interference coming from the UL signals of MUEs. A concatenated linear precoding technique employing either zero-forcing (ZF) or regularized ZF is used at the BS to simultaneously serve MUEs and SCAs in DL while nulling interference toward those SCAs in UL. We evaluate and characterize the performance of the system through the power consumption of UL and DL transmissions under the assumption that target rates must be satisfied and imperfect channel state information is available for MUEs. The analysis is conducted in the asymptotic regime where the number of BS antennas and the network size (MUEs and SCAs) grow large with fixed ratios. Results from large system analysis are used to provide concise formulae for the asymptotic UL and DL transmit powers and precoding vectors under the above assumptions. Numerical results are used to validate the analysis in different settings and to make comparisons with alternative network architectures.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 소셀과 무선 백홀을 갖춘 5G 이질적 네트워크에서 간섭과 에너지 효율성 문제를 해결하기 위해.
• 채널 상호성을 활용하여 매크로 및 소셀 계층에서 동시 업링크 및 다운링크 전송을 가능하게 하기 위해 역 TDD를 사용하기 위해.
• 이동 중인 사용자에 대한 불완전한 CSI 조건 하에서 비율 제약 조건을 충족하고 소셀 향한 간섭을 제거하는 연결형 RZF 전달 설계를 위해.
• 고정된 안테나 및 사용자 비율 조건 하에서 대규모 네트워크의 업링크 및 다운링크 전송의 점점 증가하는 전력 소비를 특성화하기 위해.

제안 방법

• 매크로 및 소셀 계층 간에 역 TDD를 적용하여 채널 상호성을 확보하고 백홀 경로를 통한 CSI 피드백이 필요 없도록 함.
• 대규모 MIMO 기지국을 사용하여 대규모 안테나 어레이를 통해 상호성에 기반해 내부 계층 및 이중층 간 채널을 추정함.
• 매크로 사용자에게 서비스를 제공하고 소셀에 대한 무선 백홀을 제공하기 위해 기지국에서 연결형 선형 전달을 ZF 또는 정규화된 ZF(RZF)로 적용함.
• 업링크 간섭 완화를 위해 기지국에서 MMSE 수신기를 구현하고, 다운링크 비율 제약 조건을 위해 RZF 전달을 적용함.
• 랜덤 행렬 이론을 사용한 대규모 분석을 통해 전송 전력과 비례 벡터에 대한 결정론적 등가를 유도함.
• 이동 중인 사용자에 대한 불완전한 CSI 조건 하에서 점점 증가하는 업링크 및 다운링크 전송 전력과 비례 벡터에 대한 폐형 표현을 유도함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 MIMO와 무선 백홀을 갖춘 소셀이 밀도 높은 5G 이질적 네트워크에서 불완전한 CSI가 전력 소비에 미치는 영향은 무엇인가요?
• RQ2 역 TDD는 이질적 네트워크에서 명시적 CSI 교환 없이 어떻게 간섭을 관리할 수 있나요?
• RQ3 전송 전력이 발산하여 네트워크가 기능 불능이 되는 시점까지의 CSI 품질 임계값은 무엇인가요?
• RQ4 제안된 RZF 전달 설계는 대규모 네트워크에서 비율 제약 조건과 간섭 제거를 어떻게 균형 잡는가요?
• RQ5 고정된 안테나 대 사용자 비율 조건 하에서 제안된 아키텍처의 점점 증가하는 전력 및 스펙트럼 효율성 한계는 무엇인가요?

주요 결과

• 10 MHz 대역폭에서 업링크 및 다운링크 전송 전력이 각각 약 6 W로 매우 낮은 전력 소비로도 총 면적 스펙트럼 효율성이 4.8 Gb/s/km²에 도달한다.
• 모든 전송 전력이 발산하여 고속 이동 사용자에 대해 네트워크가 기능 불능이 되는 특정 CSI 품질 임계값이 존재한다.
• 제안된 연결형 RZF 전달 설계는 정적 및 저속 이동 사용자에 대해 저전력 운영을 가능하게 하며 비율 제약 조건을 충족시킨다.
• 대규모 분석을 통해 점점 증가하는 전송 전력과 비례 벡터에 대한 폐형 표현을 도출함으로써 정밀한 시스템 설계가 가능해진다.
• 중간 정도의 CSI 추정 오차 수준에서는 성능이 안정적이지만, 특정 오차 수준을 초과하면 급격히 성능이 열화된다.
• 역 TDD의 사용은 백홀 신호 전송 없이도 계층 간 암묵적 조율을 가능하게 하여 시스템 복잡도를 감소시킨다.