[논문 리뷰] Multi-user Massive MIMO Communication Systems Based on Irregular Antenna Arrays

Xiaohu Ge, Ran Zi외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 18.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 43인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 상호 커플링 효과를 고려한 비정규 안테나 어레이를 사용하는 다중 사용자 매크로 MIMO 시스템을 조사하며, 에르고딕 가능 수신률, SER, 및 아웃지 전가 확률에 대한 분석 모델을 제안한다. 결과적으로 안테나 수가 임계값을 초과할 경우 비정규 어레이가 정규 어레이보다 스펙트럼 효율에서 뛰어난 성능을 보이며, 안테나 수가 증가함에 따라 최대 가능 수신률이 나타남을 보여준다.

ABSTRACT

In practical mobile communication engineering applications, surfaces of antenna array deployment regions are usually uneven. Therefore, massive multi-input-multi-output (MIMO) communication systems usually transmit wireless signals by irregular antenna arrays. To evaluate the performance of irregular antenna arrays, the matrix correlation coefficient and ergodic received gain are defined for massive MIMO communication systems with mutual coupling effects. Furthermore, the lower bound of the ergodic achievable rate, symbol error rate (SER) and average outage probability are firstly derived for multi-user massive MIMO communication systems using irregular antenna arrays. Asymptotic results are also derived when the number of antennas approaches infinity. Numerical results indicate that there exists a maximum achievable rate when the number of antennas keeps increasing in massive MIMO communication systems using irregular antenna arrays. Moreover, the irregular antenna array outperforms the regular antenna array in the achievable rate of massive MIMO communication systems when the number of antennas is larger than or equal to a given threshold.

연구 동기 및 목표

• 비정규 안테나 어레이를 사용하는 매크로 MIMO 시스템에서 상호 커플링의 영향을 비균일한 표면을 가진 실제 환경에서의 구현 시나리오에 대해 분석하기.
• 공간적으로 변화하는 상호 커플링 효과를 고려하여 비정규 어레이의 채널 상관도 및 에르고딕 수신 이득을 모델링하기.
• 다중 사용자 매크로 MIMO 시스템에서 비정규 어레이를 고려할 때 핵심 성능 지표인 에르고딕 가능 수신률, 심볼 오류율(SER), 평균 아웃지 전가 확률에 대한 하한을 유도하기.
• 상호 커플링 조건 하에서 비정규 어레인지와 정규 어레인지의 성능을 비교하여, 비정규성이 스펙트럼 효율을 향상시키는 조건을 규명하기.

제안 방법

• 행렬 상관 계수를 기반으로 한 채널 상관도 모델을 제안하여 비정규 안테나 어레이 내 상호 커플링 효과를 정량화한다.
• 비정규 어레이 구성에서 신호 전력 신뢰성을 평가하기 위해 에르고딕 수신 이득을 지표로 정의한다.
• 랜덤 행렬 이론과 대규모 시스템 분석을 사용하여 업링크 에르고딕 가능 합수신률에 대한 하한을 유도한다.
• QPSK 변조 및 레이일리 fading 조건 하에서 평균 SER 및 평균 아웃지 전가 확률에 대한 해석적 표현을 수립한다.
• 기지국(BS) 안테나 수가 무한대에 가까워질 때의 점근적 분석을 수행하여 매크로 MIMO 환경에서의 시스템 거동을 연구한다.
• 다양한 SNR, 어레이 크기, 어레이 비정규성 파라미터 조건에서 몬테카를로 시뮬레이션 및 수치적 평가를 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정규 안테나 어레이에서의 상호 커플링은 다중 사용자 매크로 MIMO 시스템의 에르고딕 가능 수신률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비정규 어레인지의 스펙트럼 효율 및 오류율 측면에서 정규 어레인지에 비해 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 비정규 어레인지가 포함된 매크로 MIMO 시스템에서 가능한 수신률은 안테나 수가 증가함에 따라 계속 증가하는가, 아니면 포화점이 존재하는가?
• RQ4 기지국 안테나 수, 사용자 SNR, 어레이 비정규성(예: 원의 반지름)이 SER 및 아웃지 전가 확률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비정규 매크로 MIMO 시스템에서 안테나 수가 무한대에 접근할 때 핵심 성능 지표의 점근적 행동은 어떠한가?

주요 결과

• 안테나 수가 증가함에 따라 비정규 안테나 어레이를 갖는 매크로 MIMO 시스템에서 최대 가능 수신률이 존재하며, 이는 성능 포화점이 있음을 시사한다.
• 안테나 수가 특정 임계값 이상일 경우 비정규 안테나 어레이가 가능 수신률 측면에서 정규 어레이를 초월함을 확인하였다.
• 사용자 SNR 향상과 기지국 안테나 수 증가 시, 상호 커플링 유무에 관계없이 업링크 에르고딕 가능 합수신률의 하한이 증가함을 확인하였다.
• 수치적 결과는 상호 커플링 존재 시 이상적인 커플링 없음 경우에 비해 수신률이 감소함을 확인하였으며, 시뮬레이션을 통해 이 격차가 정량화됨을 보였다.
• 사용자 SNR, 기지국 안테나 수, 어레이 비정규성(더 큰 원의 반지름) 증가 시 평균 SER 및 아웃지 전가 확률이 감소하여 신뢰성이 향상됨을 입증하였다.
• 점근적 분석 결과, 안테나 수가 무한대에 접근함에 따라 성능 경계가 안정된 값으로 수렴함을 확인하였으며, 이는 이론적 일관성을 뒷받침한다.