[논문 리뷰] Multiplexing Analysis of Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Ha H. Nguyen외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 07.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 분산 안테나 서브어레이 아키텍처를 사용한 mmWave 매크로 MIMO 시스템에서 공간 다중화 성능을 분석하며, 서브어레이 안테나 수가 증가함에 따라 $ K_rK_t\bar{L} $의 이득을 달성하는 점 渐차적 다중화 이득 공식을 유도한다. 결과적으로 분산 서브어레이는 공locating된 어레이에 비해 다중화 이득을 크게 증가시키며, 유도된 다중화-다양성 트레이드오프는 mmWave 시스템의 설계에 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

This paper is concerned with spatial multiplexing analysis for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems. For a single-user mmWave system employing distributed antenna subarray architecture in which the transmitter and receiver consist of Kt and Kr subarrays, respectively, an asymptotic multiplexing gain formula is firstly derived when the numbers of antennas at subarrays go to infinity. Specifically, assuming that all subchannels have the same average number of propagation paths L, the formula implies that by employing such a distributed antenna-subarray architecture, an exact average maximum multiplexing gain of KrKtL can be achieved. This result means that compared to the co-located antenna architecture, using the distributed antenna-subarray architecture can scale up the maximum multiplexing gain proportionally to KrKt. In order to further reveal the relation between diversity gain and multiplexing gain, a simple characterization of the diversity-multiplexing tradeoff is also given. The multiplexing gain analysis is then extended to the multiuser scenario. Moreover, simulation results obtained with the hybrid analog/digital processing corroborate the analysis results.

연구 동기 및 목표

• 분산 안테나 서브어레이 아키텍처를 사용한 mmWave 매크로 MIMO 시스템에서 공간 다중화 성능을 분석하기 위해.
• 서브어레이 안테나 수가 무한히 증가할 때 단일 사용자 및 다중 사용자 환경에서 점 渐차적 다중화 이득 공식을 유도하기 위해.
• 제안된 아키텍처 하에서 mmWave 시스템의 다중화-다양성 트레이드오프(DMT)를 특성화하기 위해.
• 기존 부분적으로 연결된 RF 구조로의 분석 확장을 수행하고 시뮬레이션을 통해 결과를 검증하기 위해.
• 다중화 및 다양성 이득 측면에서 분산 서브어레이는 공locating된 안테나 어레이에 비해 성능 향상이 얼마나 되는지 정량화하기 위해.

제안 방법

• 서브어레이 안테나 수가 무한해질 때, $ K_t $ 송신 및 $ K_r $ 수신 서브어레이를 갖는 단일 사용자 mmWave 시스템에 대해 점 渐차적 다중화 이득 공식을 유도하며, 각 서브채널이 i.i.d.이며 평균 $ \bar{L} $개의 경로를 가진다고 가정한다.
• 대규모 어레이 점 渐차적 분석을 통해 최대 다중화 이득이 어레이 기하학적 형태와 무관하게 $ K_rK_t\bar{L} $ 비례하여 증가함을 보인다.
• 다양성-다중화 트레이드오프(DMT) 프레임워크를 적용하여 다중화 이득과 다양성 이득 간의 동시 트레이드오프를 특성화한다.
• 하이브리드 아날로그/디지털 beamforming을 적용한 다중 사용자 다운링크 및 업링크 시스템으로 분석을 확장하며, 유효 채널 행렬을 RF 및 베이스밴드 프리코딩/컴비닝 행렬의 곱으로 모델링한다.
• 균일 선형 어레이(ULAs)를 사용한 근사 평면 fading 모델을 적용하고, 각 사용자에 대해 최적의 RF 및 베이스밴드 beam포머를 가정한다.
• 다양성 이득 제약 조건 하에서 다중화 이득에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하며, 각 사용자에 대해 공식 $ G_m^{(i)} = \sum_{l=1}^{L_s^{(i)}} \left(1 - \frac{d^{(i)}}{L_s^{(i)} - l + 1}\right)^+ $ 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서브어레이 크기가 증가함에 따라 분산 안테나 서브어레이 아키텍처를 사용한 mmWave 매크로 MIMO 시스템의 점 渐차적 공간 다중화 이득은 무엇인가?
• RQ2 서브어레이 아키텍처가 공locating된 안테나 어레이에 비해 다중화 이득 스케일링 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 분산 서브어레이 아키텍처 하에서 mmWave 매크로 MIMO 시스템의 다중화-다양성 트레이드오프(DMT)는 무엇인가?
• RQ4 유도된 다중화 이득 표현식은 하이브리드 프리코딩을 적용한 다중 사용자 다운링크 및 업링크 환경으로 확장 가능한가?
• RQ5 다중 사용자 mmWave 시스템에서 주어진 다양성 이득 제약 조건 하에서의 가용 다중화 이득은 얼마인가?

주요 결과

• 서브어레이 수가 무한해질 때, $ K_t $ 송신 및 $ K_r $ 수신 서브어레이를 갖는 단일 사용자 시스템의 점 渐차적 최대 공간 다중화 이득은 $ K_rK_t\bar{L} $이며, 여기서 $ \bar{L} $은 각 서브채널당 평균 경로 수이다.
• 이 결과는 분산 서브어레이가 $ K_rK_t $ 비례하여 최대 다중화 이득을 통계적으로 증가시킬 수 있음을 시사하며, 공locating된 어레이에 비해 상당한 이점이 있음을 의미한다.
• 다중 사용자 다운링크에서는 다양성 이득 $ d $ 하에서 총 다중화 이득이 $ G_m = K_u \sum_{l=1}^{K_bL} \left(1 - \frac{d}{K_bL - l + 1}\right)^+ $ 로 표현되며, 여기서 $ K_b $ 는 RF 체인 수이다.
• 업링크 시스템은 동일한 조건 하에서 다운링크와 동일한 다중화 이득 표현식을 달성하여 대칭적인 성능을 보인다.
• 유도된 DMT 특성화 결과는 다양성 이득과 다중화 이득 간에 직접적인 트레이드오프가 존재함을 드러내며, QoS 요구사항에 따라 시스템 설계 시 트레이드오프를 가능하게 한다.
• 하이브리드 아날로그/디지털 처리를 통한 시뮬레이션 결과는 분석 예측을 확인하며, 유도된 다중화 이득 공식의 타당성을 검증한다.