[논문 리뷰] Joint Spatial Division and Multiplexing: Opportunistic Beamforming and User Grouping

Ansuman Adhikary, Giuseppe Caire|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 30.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 21인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 주파수 분할 이중성(FDD) 마이크로모드 MIMO 시스템을 위한 공동 공간 분할 및 multiplexing(JSDM)을 제안한다. 이는 채널 공분산 유사성 기반의 사용자 그룹화 및 이중 단계 비례형 설계를 통해 마이크로모드 MIMO와 유사한 성능 향상을 가능하게 한다. 첫 번째 단계로 그룹 간 간섭을 억제하기 위한 프리-비앙포밍, 두 번째 단계로 그룹 내 간섭을 완화하기 위한 다중 사용자 MIMO 프리코딩을 적용한다. 주요 기여는 대규모 사용자 환경에서 사용자 선택을 통한 기회적 비앙포밍이 상당한 총수신률 향상을 이룬다는 것을 입증한 것이다. 반면, 대규모 안테나 환경에서는 DFT 기반 프리-비앙포밍 설계를 통해 최소한의 CSIT 피드백으로 최적의 총수신률 스케일링을 달성할 수 있다.

ABSTRACT

Joint Spatial Division and Multiplexing (JSDM) is a recently proposed scheme to enable massive MIMO like gains and simplified system operations for Frequency Division Duplexing (FDD) systems. The key idea lies in partitioning the users into groups with approximately similar covariances, and use a two stage downlink beamforming: a pre-beamformer that depends on the channel covariances and minimizes interference across groups and a multiuser MIMO precoder for the effective channel after pre-beamforming, to counteract interference within a group. We first focus on the regime of a fixed number of antennas and large number of users, and show that opportunistic beamforming with user selection yields significant gain, and thus, channel correlation may yield a capacity improvement over the uncorrelated "isotropic" channel result of Sharif and Hassibi. We prove that in the presence of different correlations among groups, a block diagonalization approach for the design of pre-beamformers achieves the optimal sum-rate scaling. Next, we consider the regime of large number of antennas and users, where user selection does not provide significant gain. Here, we propose a simplified user grouping algorithm to cluster users into groups when the number of antennas becomes very large, in a realistic setting where users are randomly distributed and have different angles of arrival and angular spreads depending on the propagation environment. Our subsequent analysis leads to a probabilistic scheduling algorithm, where users within each group are preselected at random based on probabilities derived from the large system analysis, depending on the fairness criterion. This is advantageous since only the selected users are required to feedback their channel state information (CSIT).

연구 동기 및 목표

• 채널 역성질이 없고 피드백 오버헤드가 높은 FDD 시스템에서 마이크로모드 MIMO와 유사한 성능을 달성하기 위해.
• 유사한 공분산 구조 기반의 사용자 그룹화를 통해 채널 상관성을 활용하여 FDD의 훈련 및 피드백 오버헤드를 줄이기 위해.
• 최소한의 전송자 채널 상태 정보(CSIT)를 유지하면서도 확장 가능한 비앙포밍 전략을 개발하기 위해.
• 유한한 안테나 수와 대규모 안테나 환경에서의 총수신률 스케일링 행동을 분석하고, 최적의 프리-비앙포밍 및 사용자 선택 전략을 규명하기 위해.
• 사전 분석 및 공정성 기준에 기반해 사용자를 사전 선택하는 확률적 스케줄링 알고리즘을 설계하여 피드백을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 유사한 채널 공분산 고유공간을 기반으로 사용자를 그룹화하여 공동 공간 분할 및 다중화(JSDM)를 실현한다.
• 이중 단계 비앙포밍 아키텍처를 적용한다: 첫 번째 단계로 공분산 기반 프리-비앙포밍을 통해 그룹 간 간섭을 억제하고, 두 번째 단계로 다중 사용자 MIMO 프리코딩을 통해 그룹 내 간섭을 제거한다.
• 대규모 안테나 환경에서는 DFT(이산 푸리에 변환) 행렬의 열을 사용하여 프리-비앙포밍을 설계하며, 이는 도착 각도와 각도 분산 기반으로 선택된다.
• 확률적 스케줄링 알고리즘을 제안하여 각 그룹 내 사용자를 대규모 시스템 분석에서 유도된 확률에 따라 사전 선택함으로써 피드백을 선택된 사용자에게만 국한시킨다.
• 각 그룹 내에서 기회적 비앙포밍을 적용하여 각 비앙포밍 막대당 가장 높은 SINR를 가진 사용자를 선택함으로써 다중 사용자 다양성을 활용한다.
• 극값 이론과 랜덤 행렬 이론을 사용한 점근적 분석을 통해 SINR 분포 및 총수신률 스케일링 행동을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 기지국 안테나 수와 대규모 사용자 수를 가진 FDD 시스템에서, 사용자 선택을 통한 기회적 비앙포밍이 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ2 JSDM는 대규모 사용자 환경에서 최적의 총수신률 스케일링을 달성하는가? 이는 이론적 상한선과의 격차는 얼마나 되는가?
• RQ3 대규모 MIMO 환경에서, 정확한 각도 정보가 아닌 근사 각도 정보만을 사용하여 프리-비앙포밍을 효율적으로 설계할 수 있는가?
• RQ4 다양한 도착 각도와 각도 분산을 가진 실제적인 무작위 분포 사용자 환경에서 최적의 사용자 그룹화 전략은 무엇인가?
• RQ5 확률적 스케줄링 기법은 피드백 오버헤드를 줄이면서도 양호한 총수신률 성능과 공정성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 고정된 안테나 수를 가진 대규모 사용자 환경에서, 다중 사용자 다양성을 활용한 기회적 비앙포밍과 사용자 선택은 상관 채널 조건에서도 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 이룬다.
• 블록 대각형 분해 프리-비앙포밍 설계는 상한선과 일정한 격차를 유지하며 최적의 총수신률 스케일링을 달성함으로써 그룹 간 간섭에 대한 강건성을 입증한다.
• 대규모 MIMO 환경에서는 프리-비앙포밍 설계가 사용자 도착 각도와 각도 분산 기반으로 DFT 행렬의 열을 선택하는 것으로 단순화되며, 이는 저복잡도 및 피드백 효율성 있는 운영을 가능하게 한다.
• 대규모 시스템 분석에 기반한 확률적 스케줄링 알고리즘이 유도되었으며, 이는 각 그룹 내 사용자를 사전 선택함으로써 피드백을 최소화하면서도 성능를 유지한다.
• JSDM 하에서 총수신률 스케일링이 최적임을 입증하였으며, 사용자 그룹 간 각도 지원이 겹치지 않을 경우 프리-비앙포밍 설계가 거의 용량 성능에 도달함을 확인하였다.
• 이론적 분석을 통해 고SINR 영역에서 SINR 분포의 성장 함수가 일정값으로 수렴함을 확인하였으며, 이는 극값 이론을 통한 정밀한 점근적 특성화를 가능하게 한다.