[논문 리뷰] Multiuser SM-MIMO versus Massive MIMO: Uplink Performance Comparison

P. Raviteja, T. Lakshmi Narasimhan외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 대규모 다중 사용자 공간 변조 MIMO(SM-MIMO) 시스템을 위한 저복잡도 검출 알고리즘 두 가지—메시지 전파 검출(MPD-SM)과 국소 탐색 검출(LSD-SM)—을 제안한다. 16명의 사용자와 128개의 BS 안테나를 가진 조건에서 10⁻³ BER에서 SM-MIMO는 다수의 MIMO보다 4–5 dB의 SNR 성능 향상을 보이며, 주로 사용자당 공간 스트림 수가 적고 QAM 순서가 낮아지기 때문이다.

ABSTRACT

In this paper, we propose algorithms for signal detection in large-scale multiuser {\em spatial modulation multiple-input multiple-output (SM-MIMO)} systems. In large-scale SM-MIMO, each user is equipped with multiple transmit antennas (e.g., 2 or 4 antennas) but only one transmit RF chain, and the base station (BS) is equipped with tens to hundreds of (e.g., 128) receive antennas. In SM-MIMO, in a given channel use, each user activates any one of its multiple transmit antennas and the index of the activated antenna conveys information bits in addition to the information bits conveyed through conventional modulation symbols (e.g., QAM). We propose two different algorithms for detection of large-scale SM-MIMO signals at the BS; one is based on {\em message passing} and the other is based on {\em local search}. The proposed algorithms are shown to achieve very good performance and scale well. Also, for the same spectral efficiency, multiuser SM-MIMO outperforms conventional multiuser MIMO (recently being referred to as massive MIMO) by several dBs; for e.g., with 16 users, 128 antennas at the BS and 4 bpcu per user, SM-MIMO with 4 transmit antennas per user and 4-QAM outperforms massive MIMO with 1 transmit antenna per user and 16-QAM by about 4 to 5 dB at $10^{-3}$ uncoded BER. The SNR advantage of SM-MIMO over massive MIMO can be attributed to the following reasons: (i) because of the spatial index bits, SM-MIMO can use a lower-order QAM alphabet compared to that in massive MIMO to achieve the same spectral efficiency, and (ii) for the same spectral efficiency and QAM size, massive MIMO will need more spatial streams per user which leads to increased spatial interference.

연구 동기 및 목표

• 대규모 다중 사용자 SM-MIMO 시스템에서 사용자 수와 기지국(BS) 안테나 수가 많을 경우에도 확장 가능하고 저복잡도인 검출 알고리즘이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 동일한 스펙트럼 효율성과 시스템 부하 조건에서 SM-MIMO와 다수의 MIMO 간의 업링크 성능 상호 간의 트레이드오프를 조사하기 위해.
• SM-MIMO에서 공간 인덱스 비트와 감소된 QAM 순서가 기존의 다수의 MIMO에 비해 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 시스템 크기에 비례하여 효율적으로 확장되면서도 근사 최적 성능을 유지할 수 있는 검출 알고리즘 개발을 위해.
• 스펙트럼 효율성, QAM 순서, 공간 간섭을 고려하여 SM-MIMO가 다수의 MIMO보다 가지는 SNR 이점의 정량적 분석을 위해.

제안 방법

• SM-MIMO 검출 문제의 요인 그래프 표현을 기반으로 반복적 메시지 전파를 사용하는 메시지 전파 검출(MPD-SM) 알고리즘을 제안한다.
• 초기 해를 반복적인 국소 최적화를 통해 개선하여 비트 오류율(BER) 성능을 향상시키는 국소 탐색 검출(LSD-SM) 알고리즘을 도입한다.
• MPD-SM과 LSD-SM을 융합한 하이브리드 MPD-LSD-SM 기법을 제안하며, MPD-SM의 출력 결과를 LSD-SM의 초기 해로 사용하여 행렬 역행렬 계산 없이도 성능 향상을 이룬다.
• K명의 사용자, BS에서 N=128개의 수신 안테나, 사용자당 n_t=4개의 송신 안테나, 사용자당 n_rf=1개의 RF 체인을 가진 시스템 모델을 사용하여, 송신 안테나 선택을 통한 공간 multiplexing를 가능하게 한다.
• SM-MIMO와 다수의 MIMO 구성 간의 스펙트럼 효율성과 성능를 비교하기 위해 4-QAM 및 16-QAM 변조 방식을 사용한다.
• 시스템 부하 계수(α=K/N)를 다양하게 설정하고, 동일한 스펙트럼 효율성과 QAM 크기 조건에서 BER 성능을 비교 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메시지 전파 및 국소 탐색 검출 알고리즘이 대규모 다중 사용자 SM-MIMO 시스템에서 저복잡도로 근사 MMSE 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 동일한 스펙트럼 효율성을 확보한 상태에서 SM-MIMO는 다수의 MIMO보다 업링크 BER 성능에서 얼마나 향상되는가?
• RQ3 SM-MIMO에서 공간 인덱스 비트를 사용할 경우, 동일한 스펙트럼 효율성을 확보하기 위해 다수의 MIMO보다 QAM 순서를 얼마나 낮출 수 있는가?
• RQ4 다수의 MIMO에서 사용자당 공간 스트림 수가 증가할 경우 공간 간섭과 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시스템 부하 계수(K/N)가 증가함에 따라 제안된 검출 알고리즘이 복잡도와 BER 측면에서 어떻게 확장되는가?

주요 결과

• 사용자당 4개의 송신 안테나와 4-QAM를 사용하는 SM-MIMO는 16명의 사용자와 128개의 BS 안테나 조건에서 10⁻³ BER에서 사용자당 1개의 송신 안테나와 16-QAM를 사용하는 다수의 MIMO보다 4–5 dB의 SNR 성능 향상을 보였다.
• MPD-SM 알고리즘은 더 낮은 계산 복잡도를 유지하면서도 MMSE 검출기보다 더 우수한 BER 성능을 달성했다.
• LSD-SM 알고리즘은 복잡도가 다소 증가했음에도 불구하고 MPD-SM를 초월하는 성능을 보이며 국소 개선의 효과를 입증했다.
• 하이브리드 MPD-LSD-SM 기법은 전체 MMSE 검출에 비해 훨씬 낮은 복잡도로 근사 MMSE 성능을 달성했다.
• 동일한 스펙트럼 효율성과 QAM 크기(예: 4-QAM) 조건에서 다수의 MIMO는 사용자당 더 많은 공간 스트림(예: 2 또는 4)이 필요하여 공간 간섭이 증가하고 성능 저하가 발생한다.
• 낮은 부하에서 중간 부하까지의 다양한 부하 계수(α) 범위에서 SM-MIMO는 더 낮은 순서의 변조와 감소된 간섭으로 인해 일관되게 다수의 MIMO를 능가하는 성능을 보였다.