[논문 리뷰] Low-Complexity Distance-Based Scheduling for Multi-User XL-MIMO Systems

José P. González-Coma, F. Javier López‐Martínez외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 28.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 13인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 초대규모 MIMO(XL-MIMO) 시스템에서 저복잡도 사용자 선택 기법인 거리 기반 스케줄링(DBS)을 제안한다. DBS는 사용자를 기지국 어레이에 대한 등效 거리 기반으로 분류하며, 구면파면 전파 및 사용자 간 간섭을 고려함으로써 최소자승 beamforming(ZFBF) 성능을 달성하면서도 계산 복잡도를 크게 감소시킨다. 간소화된 변형인 DBS-s는 약간의 성능 손실를 감수하면서도 더 낮은 복잡도를 달성한다.

ABSTRACT

We introduce DBS, a new technique for user selection in downlink multi-user communications with extra-large (XL) antenna arrays. DBS categorizes users according to their equivalent distance to the antenna array. Such categorization effectively accounts for inter-user interference while largely reducing the computational burden. Results show that (i) DBS achieves the same performance as the reference zero-forcing beamforming scheme with a lower complexity; (ii) a simplified version of DBS achieves a similar performance when realistic spherical-wavefront (SW) propagation features are considered; (iii) SW propagation brings additional degrees of freedom, which allows for increasing the number of served users.

연구 동기 및 목표

• 대규모 안테나 어레이를 갖는 초대규모 MIMO(XL-MIMO) 시스템에서 사용자 스케줄링의 높은 계산 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 근거리 전파 효과를 효과적으로 반영할 수 있는 저복잡도 사용자 스케줄링 기법을 개발하기 위해.
• 근거리 영역에서 구면파면(SW) 전파에 의해 제공되는 추가적인 자유도를 활용하여 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해.
• 등효과 거리 기반 사용자 선택이 최적의 ZF beamforming 성능에 근접한 성능을 달성하면서도 상당히 감소된 복잡도로 이루어질 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 기지국 어레이에 대한 사용자 등효과 거리 기반으로 사용자를 그룹화하는 사용자 선택 기법인 거리 기반 스케줄링(DBS)을 제안한다.
• 사용자 거리, 각도 방향, 어레이 크기를 통합한 등효과 거리 지표를 정의하여 사용자 간 간섭과 파면 효과를 모델링한다.
• 이 등효과 거리를 사용하여 사용자 전송을 스케줄링함으로써 전체 채널 상태 정보나 복잡한 조합 검색이 필요 없도록 한다.
• 등효과 거리 지표를 근사화하여 복잡도를 추가로 감소시키는 단순화된 변형인 DBS-s를 도입한다.
• 기존의 평면파(PW) 근사 대신 구면파면(SW) 전파 모델을 사용하여 근거리 효과를 더 정확히 모델링한다.
• 전력 제약 조건 하에서 합산율 최적화를 통해 성능을 평가하며, DBS 및 DBS-s를 기준 ZFBF 및 SUS 기법과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 등효과 거리 기반 사용자 스케줄링이 XL-MIMO 시스템에서 최적의 ZF beamforming 성능에 근접한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 평면파 근사 대비 구면파면 전파 모델링을 사용할 경우 사용자 스케줄링 및 시스템 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 XL-MIMO 시스템에서 성능 저하 없이 사용자 스케줄링의 계산 복잡도를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 등효과 거리 지표가 대규모 안테나 어레이에서 사용자 간 간섭과 근거리 전파 효과를 효과적으로 반영하는가?
• RQ5 DBS-s와 같은 간소화된 사용자 스케줄링 기법이 복잡도를 극적으로 감소시키면서도 높은 스펙트럼 효율을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• DBS는 기준 ZF beamforming(ZFBF) 기법과 동일한 합산율 성능를 달성하며, 스펙트럼 효율성은 그대로 유지하면서 계산 복잡도를 약 80% 감소시킨다.
• 간소화된 DBS-s 변형은 최신 기술 수준의 SUS 기법 대비 복잡도를 90% 이상 감소시켰으며, 성능 저하도 미미하다.
• 구면파면(SW) 전파 모델링 덕분에 특히 근거리 조건에서 동시에 서비스 가능한 사용자 수가 크게 증가한다. 이는 간섭 모델링의 정확도 향상 덕분이다.
• SW 모델을 사용할 경우 DBS-s의 성능이 평면파(PW) 가정 대비 크게 향상되며, 이는 근거리 효과가 사용자 스케줄링에 있어 중요한 영향을 미친다는 것을 입증한다.
• 원거리 영역의 평면파 근사 모델은 기지국에 가까운 사용자에 대해 사용자 간 간섭을 과소평가하여, 특히 소형에서 중간 크기의 어레이에서 과도하게 낙관적인 성능 예측을 초래한다.
• 결과적으로 ZF beamforming 최적성 조건이 XL-MIMO 환경에서는 근거리 공간 비정상성으로 인해 성립하지 않을 수 있으며, 이는 새로운 예비코드 설계의 필요성을 시사한다.