[논문 리뷰] Multipair Two-way Half-Duplex Relaying with Massive Arrays and Imperfect CSI

Chuili Kong, Caijun Zhong외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 06.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 다중 쌍 양방향 심플렉스 중계 시스템에서 대규모 MIMO 중계기를 사용하는 경우를 조사하며, 수신 증폭 방식(AF)에 대해서는 정확한 폐형 표현식을, 해독 및 재송신 방식(DF)에 대해서는 대규모 근사치를 도출한다. 이는 사용자, 중계기, 펄스 전력이 각각 $1/M^\alpha$, $1/M^\beta$, $1/M^\gamma$ 비율로 스케일링될 수 있음을 드러내며, 스펙트럼 효율을 유지하면서도 전력 소모를 크게 절감할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We consider a two-way half-duplex relaying system where multiple pairs of single antenna users exchange information assisted by a multi-antenna relay. Taking into account the practical constraint of imperfect channel estimation, we study the achievable sum spectral efficiency of the amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) protocols, assuming that the relay employs simple maximum ratio processing. We derive an exact closed-form expression for the sum spectral efficiency of the AF protocol and a large-scale approximation for the sum spectral efficiency of the DF protocol when the number of relay antennas, $M$, becomes sufficiently large. In addition, we study how the transmit power scales with $M$ to maintain a desired quality-of-service. In particular, our results show that by using a large number of relay antennas, the transmit powers of the user, relay, and pilot symbol can be scaled down proportionally to $1/M^α$, $1/M^β$, and $1/M^γ$ for certain $α$, $β$, and $γ$, respectively. This elegant power scaling law reveals a fundamental tradeoff between the transmit powers of the user/relay and pilot symbol. Finally, capitalizing on the new expressions for the sum spectral efficiency, novel power allocation schemes are designed to further improve the sum spectral efficiency.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 CSI 하에서 다중 쌍 양방향 심플렉스 중계 시스템에 적용된 대규모 MIMO 중계기의 합스펙트럼 효율을 분석하기 위해.
• AF 프로토콜에 대한 정확한 폐형 표현식과 DF 프로토콜에 대한 대규모 근사치를 도출하기 위해.
• 고정된 품질의 서비스(QoS) 조건 하에서 사용자, 중계기, 펄스 심벌의 전력 스케일링 법칙을 규명하기 위해.
• 합전력 제약 조건 하에서 합스펙트럼 효율을 최대화하기 위해 기하학적 프로그래밍 기반의 새로운 전력 할당 방안을 설계하기 위해.

제안 방법

• 불완전한 CSI 하에서 최대 비율 수신 기법을 사용하여 AF 프로토콜의 정확한 합스펙트럼 효율 표현식을 유도한다.
• 중계 안테나 수 $M \to \infty$ 일 때 DF 프로토콜의 스펙트럼 효율에 대한 대규모 근사치를 개발한다.
• 사용자, 중계기, 펄스 전력이 각각 $1/M^\alpha$, $1/M^\beta$, $1/M^\gamma$ 비율로 스케일링됨을 보여주는 전력 스케일링 법칙을 제안한다.
• 합스펙트럼 효율을 최대화하기 위해 AF 및 DF 프로토콜 모두에 기하학적 프로그래밍 기반의 전력 할당을 제안한다.
• 스펙트럼 효율 함수의 볼록성(concavity)을 검증하여 볼록 최적화의 가능성을 확보하고 전역 수렴성을 보장한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 제안된 방식의 성능 향상을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI는 대규모 MIMO 기반의 다중 쌍 양방향 중계 시스템에서 합스펙트럼 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 불완전한 CSI 하에서 AF 및 DF 프로토콜의 정확한 표현식과 대규모 근사치는 각각 무엇인가?
• RQ3 M이 증가함에 따라 목표 스펙트럼 효율을 유지하기 위해 사용자, 중계기, 펄스 전송 전력의 스케일링 법칙은 무엇인가?
• RQ4 펄스, 사용자, 중계기 전력 간의 트레이드오프는 시스템 성능과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 합전력 제약 조건 하에서 기하학적 프로그래밍 기반 전력 할당 방안은 합스펙트럼 효율을 상당히 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• AF 프로토콜의 합스펙트럼 효율은 정확한 폐형 표현식으로 도출되어, 불완전한 CSI 조건 하에서도 정밀한 성능 평가가 가능하다.
• DF 프로토콜의 경우, $M \to \infty$ 일 때 합스펙트럼 효율의 대규모 근사치가 유도되어 대규모 MIMO 환경에서의 분석을 단순화한다.
• 기본적인 전력 스케일링 트레이드오프가 드러났다: 사용자, 중계기, 펄스 전력은 각각 $1/M^\alpha$, $1/M^\beta$, $1/M^\gamma$ 비율로 스케일링되며, 이는 탄력적인 시스템 설계를 가능하게 한다.
• 제안된 전력 할당 방안은 AF에 대해 34.8%, DF에 대해 89%의 합스펙트럼 효율 향상을 이룩하여 기존 방법에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 분석 결과, 펄스 시퀀스에 더 많은 전력을 할당하는 것이 CSI 정확도를 향상시키고, 사용자 또는 중계기 전력만 증가시키는 것보다 더 높은 스펙트럼 효율을 제공하는 것으로 나타났다.
• AF 및 DF 프로토콜 모두 최적화 문제는 볼록함을 보이며, 기하학적 프로그래밍을 통해 전역 최적해를 확보할 수 있다.