[논문 리뷰] Interference Reduction in Multi-Cell Massive MIMO Systems I: Large-Scale Fading Precoding and Decoding

Alexei Ashikhmin, Thomas L. Marzetta외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 15.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 20인용 수 53

한 줄 요약

이 논문은 대규모 MIMO 시스템에서 이웃 셀 간 간섭을 제거하기 위해 느린 대규모 fading 계수를 활용하는 새로운 다셀 조절 방식인 대규모 fading 조절(LSFP)을 제안한다. 동일한 파ilot 시퀀스를 공유하는 사용자들 간의 신호를 LSFP 계수를 사용해 결합하고, 빠른 fading 추정치를 기반으로 기존 선형 조절을 적용함으로써, 기지국 안테나 수가 증가함에 따라 점차 간섭 없고 잡음 없는 통신이 가능해지며, 주파수 재사용 1을 통해 무한한 스펙트럼 효율을 달성할 수 있다.

ABSTRACT

A wireless massive MIMO system entails a large number (tens or hundreds) of base station antennas serving a much smaller number of users, with large gains in spectral-efficiency and energy-efficiency compared with conventional MIMO technology. Until recently it was believed that in multi-cellular massive MIMO system, even in the asymptotic regime, as the number of service antennas tends to infinity, the performance is limited by directed inter-cellular interference. This interference results from unavoidable re-use of reverse-link training sequences (pilot contamination) by users in different cells. We devise a new concept that leads to the effective elimination of inter-cell interference in massive MIMO systems. This is achieved by outer multi-cellular precoding, which we call Large-Scale Fading Precoding (LSFP). The main idea of LSFP is that each base station linearly combines messages aimed to users from different cells that re-use the same training sequence. Crucially, the combining coefficients depend only on the slow-fading coefficients between the users and the base stations. Each base station independently transmits its LSFP-combined symbols using conventional linear precoding that is based on estimated fast-fading coefficients. Further, we derive estimates for downlink and uplink SINRs and capacity lower bounds for the case of massive MIMO systems with LSFP and a finite number of base station antennas.

연구 동기 및 목표

• 다셀 대규모 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율을 제한하는 지속적인 문제인 파ilot 오염 문제를 해결하기 위해.
• 비협력적 이동통신 네트워크에서 이웃 셀 간 간섭 없이 주파수 재사용 1을 가능하게 하기 위해.
• 현실적인 네트워크 가정 하에 대규모 MIMO에서 점차 간섭 없고 잡음 없는 통신을 달성하기 위해.
• 대규모 fading 계수만을 기반으로 하여 저지연, 확장 가능한 조절 및 복호화 프레임워크를 설계하기 위해.

제안 방법

• 각 기지국이 동일한 파ilot 시퀀스를 재사용하는 서로 다른 셀의 사용자들에 대한 데이터 심볼을 선형으로 조합하는 대규모 fading 조절(LSFP)을 제안한다.
• LSFP의 조합 계수는 사용자와 기지국 간의 대규모 fading 계수에만 의존하며, 이는 느리게 변화하고 주기적인 피드백이 거의 필요하지 않다.
• 각 기지국은 전송을 위해 추정된 빠른 fading 계수를 기반으로 기존 선형 조절(예: 매칭 필터)을 독립적으로 적용한다.
• 상행링크에서는 대규모 fading 복호화(LSFD) 프로토콜을 도입하여, 네트워크 컨트롤러가 대규모 fading 행렬을 사용해 최소제곱오차(MMSE) 추정치를 계산하고, 제로포싱 또는 MMSE 조합을 적용한다.
• 이 시스템은 이중 단계 신호 처리 모델을 사용한다: 하행링크에서는 LSFP, 상행링크에서는 LSFD를 적용하며, 양방향 모두 대규모 fading을 활용해 이웃 셀 간 간섭을 제거한다.
• 이론적 분석은 랜덤 행렬 이론을 사용하여 M → ∞일 때 효과적 신호대간섭임계비(SINR)가 전송된 심볼을 완전히 복구할 수 있는 값으로 수렴함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 재사용 1에서 파ilot 오염으로 인한 이웃 셀 간 간섭을 대규모 MIMO 시스템에서 제거할 수 있는가?
• RQ2 오직 대규모 fading 계수만을 활용해 다셀 대규모 MIMO에서 무한한 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ3 최소한의 기지국 간 신호 교환을 요구하는 저지연, 확장 가능한 조절 방식을 설계할 수 있는가?
• RQ4 실제 채널 가정 하에 LSFP 및 LSFD를 사용하는 대규모 MIMO 시스템의 점차적 SINR 및 용량 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 기지국 안테나 수 M이 무한대에 수렴할 때, 하행링크에서 추정된 신호와 전송된 신호 간 상호정보량은 입력 신호의 엔트로피로 수렴하며, 이는 완전한 복구를 의미한다.
• 상행링크에서 LSFD 하에 추정된 신호와 전송된 신호 간 상호정보량 역시 입력 신호의 엔트로피로 수렴하며, 간섭 없고 잡음 없는 통신을 의미한다.
• 제안된 LSFP 및 LSFD 방식은 점차 간섭 없고 잡음 없는 통신을 달성하여 주파수 재사용 1 하에서 임의의 스펙트럼 효율을 가능하게 한다.
• 핵심 요인은 느리게 변화하고 피드백이 거의 필요 없는 대규모 fading 계수를 이용해 이웃 셀 간 조절/복호화를 수행하는 것이다.
• 이론적 분석은 M → ∞의 극한에서 효과적 채널이 잡음 없고 간섭 없는 상태로 수렴함을 확인하였으며, 비직교 파ilot 시퀀스가 존재하더라도 마찬가지다.
• 이론적 분석은 효과적 채널이 M → ∞의 극한에서 잡음 없고 간섭 없는 상태로 수렴함을 확인하였으며, 비직교 파ilot 시퀀스가 존재하더라도 마찬가지다.