[논문 리뷰] LOS-based Conjugate Beamforming and Power-Scaling Law in Massive-MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Geoffrey Ye Li|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 07.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 29인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 라이스키안 fading 채널에서 대량 MIMO 시스템에 대해 선형 시선(LOS) 기반 공액 beamforming 방식을 제안한다. 이는 파ilot 오염을 방지하고 CSI 피드백 과부하를 줄이기 위해 LOS 성분만을 사용한다. 이는 사용자 간 LOS 간섭과 빠른 fading이 특정 조건 하에서 제거될 수 있음을 보여주는 전력 스케일링 법칙을 유도한다. 이에 따라 전송 전력은 감소하면서도 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있다.

ABSTRACT

This paper is concerned with massive-MIMO systems over Rician flat fading channels. In order to reduce the overhead to obtain full channel state information and to avoid the pilot contamination problem, by treating the scattered component as interference, we investigate a transmit and receive conjugate beamforming (BF) transmission scheme only based on the line-of-sight (LOS) component. Under Rank-1 model, we first consider a single-user system with N transmit and M receive antennas, and focus on the problem of power-scaling law when the transmit power is scaled down proportionally to 1/MN. It can be shown that as MN grows large, the scattered interference vanishes, and the ergodic achievable rate is higher than that of the corresponding BF scheme based fast fading and minimum mean-square error (MMSE) channel estimation. Then we further consider uplink and downlink single-cell scenarios where the base station (BS) has M antennas and each of K users has N antennas. When the transmit power for each user is scaled down proportionally to 1/MN, it can be shown for finite users that as M grows without bound, each user obtains finally the same rate performance as in the single-user case. Even when N grows without bound, however, there still remains inter-user LOS interference that can not be cancelled. Regarding infinite users, there exists such a power scaling law that when K and the b-th power of M go to infinity with a fixed and finite ratio for a given b in (0, 1), not only inter-user LOS interference but also fast fading effect can be cancelled, while fast fading effect can not be cancelled if b=1. Extension to multi-cells and frequency-selective channels are also discussed shortly. Moreover, numerical results indicate that spacial antenna correlation does not have serious influence on the rate performance, and the BS antennas may be allowed to be placed compactly when M is very large.

연구 동기 및 목표

• 파일럿 오염과 대량 MIMO 시스템에서의 높은 CSI 피드백 과부하 문제를 해결하기 위해 라이스키안 채널의 LOS 성분만을 활용한다.
• 라이스키안 fading 하에서 공액 beamforming의 성능을 분석하며, 에르고딕 가용 신속도와 간섭 억제 능력을 중심으로 다룬다.
• 안정성 있는 스펙트럼 효율성을 유지하기 위해 전력 스케일링 법칙을 유도한다.
• 공간 상관성과 안테나 간격이 시스템 성능에 미치는 영향을 평가한다.
• 유한 및 무한 사용자 수를 가진 단일셀 및 멀티셀 상황에서 업링크/다운링크 환경으로 분석을 확장한다.

제안 방법

• 채널이 LOS 및 산란 성분으로 분해되는 질서 1의 라이스키안 페이딩 모델을 수립한다.
• 산란 성분을 간섭으로 간주하고, beamforming에 only LOS 성분을 사용하는 공액 beamforming 방식을 설계한다.
• 이 beamforming 방식 하에서 신호 대 간섭+노이즈 비율(SINR)의 통계적 표현을 유도한다.
• 기지국 안테나 수(M)와 사용자 안테나 수(N)가 증가함에 따라의 점근적 행동을 분석하기 위해 대규모 시스템 분석 기법을 적용한다.
• 전송 전력이 1/(MN) 비례로 스케일링되는 전력 스케일링 법칙을 도입하여 특정 점근적 조건 하에서 간섭 제거가 가능함을 보여준다.
• 공간 상관성 모델을 적용하여 안테나 상관성이 신속도 성능에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LOS 성분만을 기반으로 한 공액 beamforming이 대량 MIMO 시스템에서 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 사용자 수와 안테나 수가 증가함에 따라 간섭 제거와 성능 유지가 가능한 전력 스케일링 법칙은 무엇인가?
• RQ3 라이스키안 채널에서 LOS 기반 beamforming의 성능은 레이일리 페이딩에서 전체 CSI를 활용하는 전통적 방법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 공간 상관성과 안테나 간격은 LOS 기반 beamforming의 가용 신속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다중 사용자 대량 MIMO 시스템에서 사용자 간 LOS 간섭과 빠른 fading이 동시에 제거될 수 있는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 전송 전력이 1/(MN) 비례로 스케일링될 경우, LOS 기반 공액 beamforming 방식의 에르고딕 가용 신속도는 레이일리 페이딩에서 MMSE 추정 beamforming보다 높으며, 특히 MN이 매우 클수록 더욱 두드러진다.
• 단일 사용자 케이스에서 MN → ∞일 때 산란 간섭이 사라지고, 이로 인해 이론적 한계에 가까운 신속도를 달성한다.
• 유한한 K명의 사용자가 있는 다중 사용자 업링크/다운링크 케이스에서 M → ∞일 경우, 사용자 간 LOS 간섭이 존재하더라도 각 사용자는 단일 사용자 케이스와 동일한 신속도 성능을 달성한다.
• 무한 사용자 케이스에서 K와 M^α가 고정된 비율을 유지하며 무한히 증가할 경우(α ∈ (0,1)), 사용자 간 LOS 간섭과 빠른 fading이 모두 제거된다. 그러나 α = 1일 경우 이는 성립하지 않는다.
• 수치 결과는 기지국 또는 사용자 장치에서의 공간 상관성이 고도의 상관성 수준에서도 신속도 성능에 거의 영향을 주지 않음을 보여준다.
• 밀도 높은 안테나 어레이(예: d = 0.05λ)와 넓은 간격을 가진 어레이(예: d = 24λ) 사이의 성능 차이가 거의 없으며, M이 크다면 밀도 높은 어레이도 실용 가능함을 시사한다.