[논문 리뷰] On the Energy-Spectral Efficiency Trade-off of the MRC Receiver in Massive MIMO Systems with Transceiver Power Consumption

Sudarshan Mukherjee, Saif Khan Mohammed|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 11.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 8인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 수신기로 최대 비율 복합(MRC)을 사용하는 매크로 MIMO 시스템에서 에너지-스펙트럼 효율성 간 상충 관계를 다루며, 수신기 및 송신기 회로 소비 전력까지 고려한다. M과 K를 스펙트럼 효율 R에 따라 적응적으로 증가시킬 경우, R→∞일 때 에너지 효율이 양의 상수로 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 고정된 (M,K) 설정에서는 에너지 효율이 0으로 수렴하는 것과 대조된다.

ABSTRACT

We consider the uplink of a multiuser massive MIMO system wherein a base station (BS) having $M$ antennas communicates coherently with $K$ single antenna user terminals (UTs). We study the energy efficiency of this system while taking the transceiver power consumption at the UTs and the BS into consideration. For a given spectral efficiency $R$ and fixed transceiver power consumption parameters, we propose and analyze the problem of maximizing the energy efficiency as a function of $(M,K)$. For the maximum ratio combining (MRC) detector at the BS we show that with increasing $R$, $(M,K)$ can be adaptively increased in such a way that the energy efficiency converges to a positive constant as $R ightarrow \infty$ ($(M,K)$ is increased in such a way that a constant per-user spectral efficiency $R/K$ is maintained). This is in contrast to the fixed $(M,K)$ scenario where the energy efficiency is known to converge to zero as $R ightarrow \infty$. We also observe that for large $R$, the optimal $(M,K)$ maximizing the energy efficiency is such that, the total power consumed by the power amplifiers (PA) in all the $K$ UTs is a small fraction of the total system power consumption.

연구 동기 및 목표

• 기지국과 사용자 단말기에서 수신기 및 송신기 회로 전력 소비를 고려한 매크로 MIMO 시스템의 에너지 효율성을 분석하기 위해.
• M과 K를 적응적으로 증가시킬 때 스펙트럼 효율 R이 증가함에 따라 에너지 효율이 어떻게 스케일링되는지 조사하기 위해.
• 실제 전력 소비 모델을 기반으로 MRC 및 ZF 수신기의 최적 에너지 효율을 비교하기 위해.
• 주어진 스펙트럼 효율 R과 고정된 전력 소비 매개변수에 대해 에너지 효율을 최대화하는 최적의 (M,K) 조합을 결정하기 위해.

제안 방법

• M개의 안테나를 가진 기지국과 K개의 단일 안테나 사용자로 구성된 업링크 매크로 MIMO 시스템 모델을 수립하며, 전력 증폭기(PA), 수신기, 수신기 및 송신기 회로 전력 소비를 포함한다.
• 기지국과 단말기에서 PA, 수신기, 회로 전력 소모를 포함한 총 시스템 전력 소모에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도한다.
• 고정된 스펙트럼 효율 R에 대해 에너지 효율(비트/재정)을 최대화하기 위한 (M,K)에 대한 최적화 문제를 제안한다.
• R→∞일 때 최적 에너지 효율의 점근적 행동을 분석하여, 각 사용자 스펙트럼 효율 R/K를 유지하도록 M과 K가 스케일링될 경우 양의 상수로 수렴함을 보여준다.
• 점근적 근사와 수치 시뮬레이션을 사용하여 분석 결과를 검증하며, 특히 큰 R 영역에서의 성능을 중심으로 검증한다.
• 동일한 시스템 파rameter와 가정 조건 하에서 MRC와 ZF 수신기의 최적 에너지 효율을 평가하여 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MRC 기반 매크로 MIMO 시스템에서 수신기 및 송신기 전력 소모를 고려할 때, M과 K를 적응적으로 증가시키면 스펙트럼 효율 R→∞일 경우 에너지 효율이 양의 상수로 유지될 수 있는가?
• RQ2 최적의 (M,K) 조합은 R이 증가함에 따라 어떻게 스케일링되며, 큰 R 영역에서의 에너지 효율 행동은 어떠한가?
• RQ3 수신기 및 송신기 전력 소모를 고려할 때 MRC 수신기의 최적 에너지 효율은 ZF 수신기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 큰 R에서 최적의 (M,K) 조합에서 사용자 단말기의 전력 증폭기에서 소비되는 총 시스템 전력의 비율은 얼마인가?
• RQ5 최적 에너지 효율은 수신기 및 송신기 전력 소비 매개변수의 변동에 얼마나 민감한가?

주요 결과

• MRC 수신기의 경우, 각 사용자 스펙트럼 효율 R/K를 유지하도록 M과 K를 증가시킬 경우 R→∞일 때 에너지 효율이 양의 상수로 수렴한다. 이는 고정된 (M,K) 설정에서는 에너지 효율이 0으로 수렴하는 것과 대비된다.
• 큰 R에서 MRC 수신기의 최적 에너지 효율은 ZF 수신기의 최적 에너지 효율보다 엄격히 낮으며, 동일 조건에서 ZF가 더 높은 에너지 효율을 달성함을 확인한다.
• 큰 R에서 모든 K개의 사용자 단말기의 전력 증폭기에서 소비되는 총 전력은 총 시스템 전력의 작은 비율을 차지하며, 이는 에너지 효율이 주로 기지국과 단말기의 회로 전력에 의해 제한됨을 시사한다.
• 최적의 (M,K) 조합은 R이 증가함에 따라 증가하며, M과 K가 충분히 클 경우 최적 에너지 효율의 근사가 정확해진다.
• 최적 에너지 효율은 수신기 및 송신기 전력 소비 매개변수(ρr, ρd, ρs)가 증가함에 따라 감소하며, 하드웨어 전력 프로파일에 민감함을 보인다.
• 수치 결과는 큰 R에서 최적 에너지 효율의 분석적 근사가 정확하며, 점근적 분석의 타당성을 검증한다.