[논문 리뷰] Interference-Nulling Time-Reversal Beamforming for mm-Wave Massive MIMO in Multi-User Frequency-Selective Indoor Channels

Carlos A. Viteri-Mera, Fernando L. Teixeira|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 16.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 주로 주파수 선택성이고 다중 경로가 있는 실내 채널에서 다수의 사용자 간 간섭(IUI)을 완화하기 위해 mm-Wave 대량 MIMO 시스템에 대해 간섭 제거 시간 역전(TR) beamforming을 제안한다. 주어진 TR beamforming 이득을 유지하면서 주파수 도메인 전처리 필터를 설계하여 IUI를 제거함으로써, INTR는 다양성 및 다중화 이득을 동시에 확보하며, 모든 시나리오에서 기존의 TR 및 보정된 TR보다 BER과 총 데이터율 측면에서 뛰어난 성능을 보이며, 특히 높은 사용자 부하 또는 제한된 안테나 수 조건에서 두각을 나타낸다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mm-wave) and massive MIMO have been proposed for next generation wireless systems. However, there are many open problems for the implementation of those technologies. In particular, beamforming is necessary in mm-wave systems in order to counter high propagation losses. However, conventional beamsteering is not always appropriate in rich scattering multipath channels with frequency selective fading, such as those found in indoor environments. In this context, time-reversal (TR) is considered a promising beamforming technique for such mm-wave massive MIMO systems. In this paper, we analyze a baseband TR beamforming system for mm-wave multi-user massive MIMO. We verify that, as the number of antennas increases, TR yields good equalization and interference mitigation properties, but inter-user interference (IUI) remains a main impairment. Thus, we propose a novel technique called interference-nulling TR (INTR) to minimize IUI. We evaluate numerically the performance of INTR and compare it with conventional TR and equalized TR beamforming. We use a 60 GHz MIMO channel model with spatial correlation based on the IEEE 802.11ad SISO NLoS model. We demonstrate that INTR outperforms conventional TR with respect to average BER per user and achievable sum rate under diverse conditions, providing both diversity and multiplexing gains simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 높은 어레이 이득을 제공함에도 불구하고 다수의 사용자 간 간섭(IUI)으로 인해 성능이 심각하게 저하되는 mm-Wave 대량 MIMO 시스템에서 기존 시간 역전(TR) beamforming의 한계를 해결한다.
• 60 GHz 대역에서 흔한 풍부한 산란과 주파수 선택성 환경에서 IUI로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.
• TR의 공간 집중 특성을 유지하면서 IUI를 제거함으로써 다양성 및 다중화 이득을 동시에 달성하는 새로운 beamforming 기법을 개발한다.
• 공간 상관성과 나카가미 분포를 따르는 채널 탭을 가진 실제적인 60 GHz MIMO 채널 조건에서 제안된 방법을 평가한다.
• INTR가 기존 TR 및 보정된 TR보다 평균 BER과 실현 가능한 총 데이터율 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 입증하며, 특히 높은 사용자 부하 또는 낮은 안테나 수 조건에서 두각을 나타낸다.

제안 방법

• 기존 TR beamformer를 수정하여 다수의 사용자 간 간섭(IUI)을 제거하는 주파수 도메인 전처리 필터링 기법인 간섭 제거 시간 역전(INTR) beamforming을 제안한다.
• 전처리 필터 설계를 제약 조건이 있는 최적화 문제로 공식화: 원래 TR 해와의 거리 최소화를 목표로 하되, 각 사용자 수신기에서 IUI 전력이 0이 되도록 강제한다.
• IEEE 802.11ad SISO 비선로(비직시선, NLoS) 모델 기반의 60 GHz MIMO 채널 모델을 사용하며, 전력-지연 프로파일(PDP)과 공간 상관성은 기하학적 산란 모델에서 유도한다.
• mm-Wave 환경에서의 현실적인 fading을 반영하기 위해 채널 인과적 응답(CIR) 진폭을 나카가미 분포로 모델링한다.
• 전처리를 통한 기저대역 TR beamforming을 적용하여 다중 경로 성분을 활용해 공간과 시간에 에너지를 집중시키며 다양성 이득을 확보한다.
• 1,000회의 공간 상관성 있는 채널 실현에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하며, 각 실행에 대해 10⁶개의 BPSK 심볼을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 선택성 페이딩이 있는 mm-Wave 대량 MIMO 시스템에서 기존 시간 역전(TR) beamforming의 성능이 다수의 사용자 간 간섭(IUI)으로 인해 어떻게 제한되는가?
• RQ2 공간 상관성이 높은 실내 mm-Wave 환경에서 수정된 TR beamforming 기법이 다양성 및 다중화 이득을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ3 제안된 INTR 기법은 기존 TR 및 보정된 TR beamforming 대비 IUI를 얼마나 줄이는가?
• RQ4 실제 60 GHz MIMO 채널 조건에서 INTR의 성능은 사용자 수와 송신 안테나 수가 증가함에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 INTR 프레임워크에서 전처리 필터 길이가 IUI 완화 및 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• INTR는 사용자 수가 많거나 안테나 수가 제한된 조건에서 기존 TR 대비 평균 비트 오류율(BER)에서 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 특히 높은 사용자 부하에서 두각을 나타낸다.
• 64개의 안테나와 5명의 사용자 조건에서 INTR는 높은 사용자 부하 상황에서 기존 TR 대비 BER 향상이 가장 두드러지며, 강력한 IUI 완화 능력을 입증한다.
• 128개의 안테나와 50명의 사용자가 있는 극단적인 경우, INTR는 170 bps/Hz를 초과하는 스펙트럼 효율을 달성하여 고밀도 사용자 환경에서 뛰어난 다중화 이득을 보여준다.
• 일부 시나리오에서 INTR의 실현 가능한 총 데이터율은 기존 TR의 두 배에 이를 정도로, 다양성 및 다중화 이득을 동시에 제공하는 능력을 확인한다.
• 전처리 필터 길이를 늘일수록 IUI 완화 성능이 향상되며, 이는 더 긴 필터가 주파수 도메인에서 간섭 제거 정확도를 향상시킴을 확인한다.
• 송신 안테나 수가 많을 경우 보정된 TR(ETR)는 불필요하다. 기존 TR이 충분한 등화를 달성하기 때문이며, INTR는 IUI를 직접 타겟으로 삼아 성능을 추가로 향상시킨다.