[논문 리뷰] Massive MIMO with Multi-Antenna Users: When are Additional User Antennas Beneficial?

Xueru Li, Emil Björnson외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 30.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 16인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 사용자를 갖는 대량 MIMO 시스템을 분석하여, 추가적인 사용자 안테나가 스펙트럼 효율성(SE)을 크게 향상시킨다는 것을 보여준다. 특히 경량화된 시스템에서 그러한 효과가 두드러진다. MMSE-SIC 검출기와 대규모 시스템 근사치를 사용하여, 선형 검출기가 다중 안테나 사용자로부터 유도되는 다중화 이득을 완전히 활용할 수 있음을 입증하며, 기존의 전력 스케일링 법칙을 임의의 사용자 안테나 수 N으로 일반화함으로써, 1/M 비율로 파ilot 및 전송 전력 스케일링이 가능해지며, 이로 인해 SE 향상이 이루어진다.

ABSTRACT

We analyze the performance of massive MIMO systems with $N$-antenna users. The benefit is that $N$ streams can be multiplexed per user, at the price of increasing the channel estimation overhead linearly with $N$. Uplink and downlink spectral efficiency (SE) expressions are derived for any $N$, and these are achievable using estimated channels and per-user-basis MMSE-SIC detectors. Large-system approximations of the SEs are obtained. This analysis shows that MMSE-SIC has similar asymptotic SE as linear MMSE detectors, indicating that the SE increase from having multi-antenna users can be harvested using linear detectors. We generalize the power scaling laws for massive MIMO to handle arbitrary $N$, and show that one can reduce the multiplication of the pilot power and payload power as $\frac{1}{M}$ where $M$ is the number of BS antennas, and still notably increase the SE with $M$ before reaching a non-zero asymptotic limit. Simulations testify our analysis and show that the SE increases with $N$. We also note that the same improvement can be achieved by serving $N$ times more single-antenna users instead, thus the additional user antennas are particular beneficial for SE enhancement when there are few active users in the system.

연구 동기 및 목표

• 사용자가 다중 안테나(N ≥ 1)를 갖는 경우 대량 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율성(SE)을 분석함으로써, 기존의 단일 안테나 사용자 모델을 초월한다.
• 사용자 수가 증가함에 따라 선형 검출 기법을 사용함에도 불구하고, N-안테나 사용자로부터 유도되는 다중화 이득을 효과적으로 활용할 수 있는지 조사한다.
• 기존의 대량 MIMO 전력 스케일링 법칙을 임의의 N으로 일반화하여, 파ilot 및 전송 전력의 감소가 SE 향상 유지에 기여할 수 있는지 평가한다.
• 스펙트럼 효율성(SE) 및 시스템 부하 측면에서 다중 안테나 사용자 수를 줄이거나 단일 안테나 사용자 수를 늘일 경우의 성능 상충 관계를 평가한다.

제안 방법

• 각 사용자 기반 MMSE-SIC 검출기와 상행 파ilot 훈련 및 채널 상태 정보(CSI) 추정을 사용하여 상행 및 하행 스펙트럼 효율성의 하한을 유도한다.
• 랜덤 행렬 이론을 사용하여 M → ∞ 인 경우에 대규모 시스템 근사치를 적용함으로써, 점근적으로 날카로운 분석 표현을 도출한다.
• 기지국과 사용자 장치에서의 공간 상관성을 반영하기 위해 크론커 채널 모델을 사용하며, 상관 행렬 R_r,k 및 R_t,k를 포함한다.
• 기존 연구에서 유도된 전력 스케일링 법칙을 일반화하여, 파ilot 전력과 사용자 전송 전력이 모두 1/M 비율로 스케일링되더라도 비영일 수 있는 SE 한계를 유지할 수 있음을 보여준다.
• 행렬 역행렬 보조정리와 논문 [17]의 정리 5 및 6를 활용하여 SE 표현식의 결정론적 등가를 유도한다.
• 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하며, 다양한 N 값과 시스템 부하(K)에서의 SE 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자에게 다중 안테나(N > 1)를 부여함으로써, 파ilot 오버헤드 증가에도 불구하고 대량 MIMO 시스템에서 의미 있는 스펙트럼 효율성(SE) 향상이 이루어지는가?
• RQ2 선형 검출 기법(MMSE-SIC 등)이 다중 안테나 사용자로부터 유도되는 다중화 이득을 효과적으로 활용할 수 있는가, 아니면 비선형 처리가 필요한가?
• RQ3 N > 1일 경우 대량 MIMO의 전력 스케일링 법칙은 어떻게 변화하며, 파ilot 및 사용자 전송 전력을 1/M 비율로 감소시켜도 SE 향상이 유지되는가?
• RQ4 어떤 시스템 부하 범위(예: 낮은 K 대 비대칭 K)에서 다중 안테나 사용자가 SE 향상에 가장 유익한가?
• RQ5 다중 안테나 사용자로부터의 SE 향상은 N배의 단일 안테나 사용자 수를 서비스하는 것과 동일한가, 그리고 언제 전자가 유리한가?

주요 결과

• 스펙트럼 효율성(SE)은 사용자 안테나 수 N이 증가할수록 증가하며, 특히 활성 사용자 수 K가 작은 경량화된 시스템에서 두드러진다.
• MMSE-SIC 검출기는 최적의 비선형 검출기와 유사한 점근적 스펙트럼 효율성을 달성함으로써, 선형 처리가 다중 안테나 사용자로부터의 다중화 이득을 완전히 활용할 수 있음을 시사한다.
• 합산 스펙트럼 효율성은 BS 안테나 수 M에 비례하며, 파ilot 및 전송 전력이 1/M 비율로 스케일링되더라도 비영일 수 있는 점근적 한계에 도달한다.
• 다중 안테나 사용자의 SE 향상은 K가 작을 때 가장 두드러지며, 이는 N=1일 경우 대량 MIMO의 공간 다중화 능력이 미사용되고 있음을 의미한다.
• N배의 단일 안테나 사용자 수를 서비스하는 것과 다중 안테나 사용자 수를 제공하는 것이 유사한 SE 향상을 가져오지만, K가 작을 경우 다중 안테나 사용자가 특히 유리하다.
• M → ∞ 일 때 유도된 대규모 시스템 근사치는 매우 날카로우며, 다양한 N 및 K 값에서의 시뮬레이션 결과는 분석 예측을 확인한다.