[논문 리뷰] Multi-cell Massive MIMO Beamforming in Assuring QoS for Large Numbers of Users

Long D. Nguyen, Hoang Duong Tuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 10.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 21인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다셀 매크로 MIMO 시스템에서 에너지 효율성을 극대화하면서도 대량의 사용자에게 품질보증(QoS)을 보장하기 위해 시간 분수별 빔포밍 기법을 제안한다. 시간 슬롯을 분수로 나누고 전력 및 시간 할당을 최적화함으로써, 8×8 매크로 MIMO 어레이가 최대 160명의 사용자를 서비스할 수 있으며, 이는 전송 안테나 수를 크게 초월한다.

ABSTRACT

Massive multi-input multi-output (MIMO) uses a very large number of low-power transmit antennas to serve much smaller numbers of users. The most widely proposed type of massive MIMO transmit beamforming is zero-forcing, which is based on the right inverse of the overall MIMO channel matrix to force the inter-user interference to zero. The performance of massive MIMO is then analyzed based on the throughput of cell-edge users. This paper reassesses this beamforming philosophy, to instead consider the maximization of the energy efficiency of massive MIMO systems in assuring the quality-of- service (QoS) for as many users as possible. The bottleneck of serving small numbers of users by a large number of transmit antennas is unblocked by a new time-fraction-wise beamforming technique, which focuses signal transmission in fractions of a time slot. Accordingly, massive MIMO can deliver better quality-of-experience (QoE) in assuring QoS for much larger numbers of users. The provided simulations show that the numbers of users served by massive MIMO with the required QoS may be twice or more than the number of its transmit antennas.

연구 동기 및 목표

• 기존 매크로 MIMO가 간섭과 하드웨어 제약으로 인해 대량의 사용자를 서비스하는 데 한계를 가진다는 문제를 해결하기 위해.
• 각 사용자별 전송률(QoS) 제약과 총 전송 전력 예산 하에서 에너지 효율성을 극대화하기 위해.
• 시스템 설계에 현실적인 매크로 MIMO 안테나 간 공간 상관성을 통합하기 위해.
• 에너지 효율 빔포밍의 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 효율적인 계산 알고리즘 개발을 위해.
• 시간 분수별 전송을 활용하여 매크로 MIMO가 전송 안테나 수를 훨씬 초월한 사용자를 서비스할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시간 슬롯을 다수의 분수로 나누고, 각 분수에 사용자 부분집합을 할당하는 새로운 시간 분수별 빔포밍 기법을 도입한다.
• QoS 및 전력 제약 하에서 에너지 효율 극대화의 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 경로 따라가기 알고리즘을 개발한다.
• 실제 매크로 MIMO 구현 조건을 반영하기 위해 채널 모델에 공간 상관성을 통합한다.
• 에너지 효율 목표의 비볼록성을 다루기 위해 로그 및 역함수 기반의 볼록 근사 기법을 사용한다.
• 각 시간 분수 내에서 사용자 간 간섭을 억제하기 위해 제로포싱(ZF) 및 정규화 ZF(RZF) 빔포밍을 적용한다.
• QoS 제공 및 에너지 효율성 간 균형을 맞추기 위해 시간 할당과 전력 할당을 동시에 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매크로 MIMO 시스템은 전송 안테나 수를 초월한 사용자를 QoS 보장을 유지하면서도 서비스할 수 있는가?
• RQ2 다셀 매크로 MIMO 환경에서 기존 빔포밍 대비 시간 분수별 빔포밍은 에너지 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 공간 상관성이 매크로 MIMO 시스템의 구현 가능한 사용자 수와 에너지 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 QoS 및 전력 제약 하에서 시간 분수 간 최적의 시간 및 전력 할당은 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 경로 따라가기 알고리즘은 현실적인 채널 모델을 가진 에너지 효율 빔포밍의 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 8×8 매크로 MIMO 어레이는 각 셀당 최대 160명의 사용자를 개인별 QoS 요구사항을 충족시키면서 서비스할 수 있으며, 전송 안테나 수를 20배 초월한다.
• 동일한 하드웨어 제약 조건 하에서 시간 분수별 빔포밍 기법은 기존 빔포밍 대비 지원 가능한 사용자 수를 최대 2배까지 증가시킨다.
• 3셀 네트워크에서 시간 분수별 RZF 빔포밍은 ρ=0.5일 때 각 셀당 최대 150명의 사용자를 지원하며, 사용자 용량과 에너지 효율성 측면에서 표준 RZF보다 뛰어나다.
• 시간 분수 비율 τ/(1−τ)와 전력 할당은 사용자 분포에 따라 크게 변화하며, 이는 근접 사용자 및 셀 엣지 사용자를 시간 분수 간 균형 잡히고 적응적으로 서비스하고 있음을 보여준다.
• 제안된 경로 따라가기 알고리즘은 효율적으로 수렴하며, 비볼록 에너지 효율 극대화 문제에 대한 실용적인 해결책을 제공한다.
• 시뮬레이션 결과 시간 분수별 접근법이 고밀도 사용자 환경과 공간 상관성 하에서도 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 유지함을 확인하였다.