[논문 리뷰] Massive MIMO with Multi-cell MMSE Processing: Exploiting All Pilots for Interference Suppression

Xueru Li, Emil Björnson외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 14.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 33인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 다수의 셀을 고려한 대규모 MIMO 네트워크에서 모든 가용한 파ilot 시퀀스를 활용하여 내세포 및 이웃세포 간 간섭을 억제하는 새로운 다셀 MMSE 처리 기법을 제안한다. 각 기지국에서 전체 파ilot 채널 방향 추정을 활용함으로써, 기존의 단일셀 MMSE 및 다셀 ZF 대비 특히 고파일럿 재사용 또는 고사용자 밀도 환경에서 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하며, 정확한 대규모 SIR 근사치를 통해 저복잡도 전력 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, a new state-of-the-art multi-cell MMSE scheme is proposed for massive MIMO networks, which includes an uplink MMSE detector and a downlink MMSE precoder. The main novelty is that it exploits all available pilots for interference suppression. Specifically, let $K$ and $B$ denote the number of users per cell and the number of orthogonal pilot sequences in the network, respectively, where $β= B/K$ is the pilot reuse factor. Then our multi-cell MMSE scheme utilizes all $B$ channel directions, that can be estimated locally at each base station, to actively suppress both intra-cell and inter-cell interference. The proposed scheme is particularly practical and general, since power control for the pilot and payload, imperfect channel estimation and arbitrary pilot allocation are all accounted for. Simulations show that significant spectral efficiency (SE) gains are obtained over the single-cell MMSE scheme and the multi-cell ZF, particularly for large $β$ and/or $K$. Furthermore, large-scale approximations of the uplink and downlink SINRs are derived, which are asymptotically tight in the large-system limit. The approximations are easy to compute and very accurate even for small system dimensions. Using these SINR approximations, a low-complexity power control algorithm is also proposed to maximize the sum SE.

연구 동기 및 목표

• 내부 세포 파일럿 시퀀스만 활용하는 기존 대규모 MIMO 기법의 한계를 해결하기 위해.
• 모든 B개의 가용 파일럿 시퀀스를 네트워크 전역에서 활용하여 내세포 및 이웃세포 간섭을 동시에 억제하는 실용적인 다셀 MMSE 처리 기법을 개발하기 위해.
• 파일럿 전력 제어, 부정확한 채널 추정, 임의의 파일럿 할당 등 현실적인 시스템 조건을 고려하기 위해.
• 시스템 설계에 유용한 계산 효율성이 높고 점점 더 정밀해지는 대규모 근사치를 도출하기 위해 상향링크 및 하향링크 SIR의 대규모 근사치를 유도하기 위해.
• 유도된 SIR 근사치를 기반으로 총 스펙트럼 효율성을 최대화하는 저복잡도 전력 제어 알고리즘을 설계하기 위해.

제안 방법

• 제안된 기법은 지역 세포 외부의 모든 파일럿 시퀀스에서 추정한 총 B개의 채널 방향을 활용하는 상향링크 MMSE 검출 및 하향링크 MMSE 예측 기반 처리 기법을 사용한다.
• 모든 세포의 모든 사용자로부터의 채널 방향 추정치를 통합하여 간섭 억제를 모델링함으로써 내세포 및 이웃세포 간섭을 동시에 공동 억제할 수 있다.
• 랜덤 행렬 이론을 활용하여 i.i.d. 레이일레이 페이딩 및 대규모 시스템 한계(M, K → ∞) 조건 하에서 상향링크 및 하향링크 SIR의 대규모 근사치를 유도한다.
• 상향링크 및 하향링크 전력 제어에 각각 대각행렬 D, F, Ψ 및 벡터 τ, ϱ를 사용하여 SIR 근사치를 행렬 형태로 표현한다.
• SIR 근사치 식을 닫힌 형태로 해석함으로써 저복잡도 전력 제어 알고리즘을 설계하였으며, 이는 상향링크 및 하향링크에서 동일한 총 스펙트럼 효율성을 확보한다.
• 시뮬레이션을 통해 제안된 기법이 단일셀 MMSE 및 다셀 ZF 대비 상당한 SE 향상을 보임을 입증하였으며, 특히 β = B/K 가 클수록 또는 K 가 클수록 두드러진 성능 향상이 나타난다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 가용 파일럿 시퀀스를 세포 간 전역적으로 활용할 경우, 내부 세포 파일럿만 사용하는 기존 기법 대비 대규모 MIMO 네트워크에서 스펙트럼 효율성이 크게 향상되는가?
• RQ2 임의의 파일럿 할당 및 부정확한 채널 추정 조건 하에서 다셀 대규모 MIMO의 상향링크 및 하향링크 SIR에 대해 정확한 대규모 근사치를 어떻게 도출할 수 있는가?
• RQ3 파일럿 재사용 계수 β = B/K 는 제안된 다셀 MMSE 기법의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 유도된 SIR 근사치를 기반으로 총 스펙트럼 효율성을 최대화하는 저복잡도 전력 제어 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ5 파일럿 전력 제어 및 채널 추정 오차와 같은 현실적인 제약 조건 하에서도 제안된 기법이 높은 성능 유지를 보장하는가?

주요 결과

• 제안된 다셀 MMSE 기법은 특히 파일럿 재사용 계수 β 가 크거나 세포당 사용자 수 K 가 클 경우 단일셀 MMSE 및 다셀 ZF 대비 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성한다.
• 상향링크 및 하향링크 SIR의 대규모 근사치가 도출되었으며, 대규모 시스템 한계에서 점점 더 정밀해지며 작은 시스템 차원에서도 높은 정확도를 보인다.
• 대각행렬 D, F, Ψ 와 함께 표현된 행렬 형태의 SIR 근사치는 효율적인 계산 및 전력 제어 설계를 가능하게 한다.
• SIR 근사치를 활용하여 닫힌 형태의 식을 풀어 상향링크 및 하향링크에서 동일한 총 스펙트럼 효율성을 달성하는 저복잡도 전력 제어 알고리즘을 제안한다.
• 파일럿 전력 제어, 부정확한 채널 추정, 임의의 파일럿 할당 등 현실적인 손상 요소에 대해 강인한 성능 유지를 보이며, 실세계 구현에 매우 실용적이다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 기법이 기존 벤치마크 대비 뛰어난 성능을 보임을 확인하였으며, 특히 고파일럿 재사용 또는 고사용자 밀도 환경에서 모든 파일럿 시퀀스를 효과적으로 활용하여 간섭을 억제함으로써 성능 향상이 두드러진다.