[논문 리뷰] On the Spatial Degrees of Freedom of Multicell and Multiuser MIMO Channels

Taejoon Kim, David J. Love외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 14.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 24인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 일정한 채널 계수를 가진 다셀 및 다유저 MIMO 다중접근 채널에 대한 공간 도메인 자유도(DoF)의 외부 경계를 유도하며, 영향을 최소화하고 간섭 일치를 통해 최적의 DoF를 달성할 수 있음을 보여준다. L > 1개의 세포에서 단순한 선형 전처리 기법, 특히 수신 영향 제거를 통해 최적의 DoF를 달성할 수 있으며, DoF 스케일링은 K, L, M에 의해 결정된다. 또한 특정 안테나 및 사용자 구성 조건 하에서 전체 DoF 이득을 얻을 수 있음을 증명한다.

ABSTRACT

We study the converse and achievability for the degrees of freedom of the multicellular multiple-input multiple-output (MIMO) multiple access channel (MAC) with constant channel coefficients. We assume L>1 homogeneous cells with K>0 users per cell where the users have M antennas and the base stations are equipped with N antennas. The degrees of freedom outer bound for this L-cell and K-user MIMO MAC is formulated. The characterized outer bound uses insight from a limit on the total degrees of freedom for the L-cell heterogeneous MIMO network. We also show through an example that a scheme selecting a transmitter and performing partial message sharing outperforms a multiple distributed transmission strategy in terms of the total degrees of freedom. Simple linear schemes attaining the outer bound (i.e., those achieving the optimal degrees of freedom) are explores for a few cases. The conditions for the required spatial dimensions attaining the optimal degrees of freedom are characterized in terms of K, L, and the number of transmit streams. The optimal degrees of freedom for the two-cell MIMO MAC are examined by using transmit zero forcing and null space interference alignment and subsequently, simple receive zero forcing is shown to provide the optimal degrees of freedom for L>1. By the uplink and downlink duality, the degrees of freedom results in this paper are also applicable to the downlink. In the downlink scenario, we study the degrees of freedom of L-cell MIMO interference channel exploring multiuser diversity. Strong convergence modes of the instantaneous degrees of freedom as the number of users increases are characterized.

연구 동기 및 목표

• 일정한 채널 계수를 가진 다셀 및 다유저 MIMO 다중접근 채널에 대한 공간 도메인 자유도(DoF)의 외부 경계를 규명하는 것.
• 전송 및 수신 영향 제거와 같은 선형 전처리 기법을 사용할 때 최적 DoF를 달성할 수 있는 조건을 규명하는 것.
• 두 세포에서의 DoF 분석을 L세포 이질적 MIMO 네트워크로 확장하여 간섭 일치 및 영역 정렬에 중점을 두는 것.
• 상향링크-하향링크 이중성에 의해 상향링크 및 하향링크 DoF 결과의 동등성을 확립하는 것.
• 하향링크 MIMO 간섭 채널에서 다중 사용자 다양성이 미치는 영향과 사용자 수 증가에 따른 순간 DoF 수렴 특성 조사

제안 방법

• 이질적 MIMO 네트워크에서의 총 DoF 한계에 대한 통찰을 활용하여 L세포, K사용자 MIMO MAC에 대한 DoF 외부 경계를 유도한다.
• 외부 간섭을 낮은 차원의 부분공간으로 정렬하기 위해 간섭 일치 및 영역 정렬 기법을 적용한다.
• 연속된 채널 행렬의 영역의 정규 직교 기저를 이용해 투영 행렬 Γγ의 재귀적 구성으로 간섭 일치를 보장한다.
• L > 2일 경우, (L−1)개의 외부 간섭 채널을 하나의 행렬로 통합하여 고차원 간섭을 관리하기 위해 채널 집합 기법을 도입한다.
• 집합된 간섭 채널의 영역의 교차를 기반으로 한 전처리기 Pm을 제안하여, 수신 신호는 유지하면서 간섭 신호는 억제한다.
• 상향링크에서 수신 영향 제거를 통해 DoF 최적성을 확립하고, 이중성에 의해 하향링크로 확장함으로써 간단한 선형 처리로 최적 DoF를 달성할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정한 채널 계수를 가진 L세포, K사용자 MIMO 다중접근 채널에 대한 공간 도메인 자유도의 외부 경계는 무엇인가?
• RQ2 영향 제거와 같은 단순한 선형 전처리 기법이 일정한 계수를 가진 다셀 MIMO 네트워크에서 최적 자유도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 L > 2개의 세포를 포함하는 L세포 MIMO 네트워크에서 간섭 일치는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 다셀 MIMO MAC에서 최적 DoF를 달성하기 위한 M, N, K, L에 필요한 조건은 무엇인가?
• RQ5 사용자 수 증가에 따라 하향링크 MIMO 간섭 채널에서 다중 사용자 다양성은 순간 DoF에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 두 세포 MIMO MAC의 최적 자유도는 전송 영향 제거 및 영역 간섭 일치를 통해 달성되며, 총 DoF는 min(2M, 2N, max(M,N))로 제한된다.
• L > 1개의 세포에서 단순한 수신 영향 제거가 최적 자유도를 달성함을 입증하여, 다셀 환경에서 선형 처리만으로도 DoF 최적성이 달성됨을 시사한다.
• L > 2일 경우, 집합된 간섭 채널과 기하학적 중복도 분석을 통해 DoF 외부 경계를 유도하며, γ = min(⌈(N − (L−1)M)/(L−1)M⌉, K)는 정렬된 간섭 스트림의 수를 결정한다.
• 필요한 전송 스트림 수 M은 M = (L−1)(K−γ)β + β로 주어지며, 이는 간섭 억제와 함께 사용자당 β개의 간섭 없는 차원을 유지함을 보장한다.
• γ = K일 경우 DoF가 최대화되며, 전처리기 Pm은 모든 집합된 간섭 채널의 영역의 교차에서 형성되며, 이 경우 N = (L−1)γM + Kβ가 필요하다.
• 논문은 상향링크 DoF 결과가 이중성에 의해 하향링크로 확장됨을 확인하였으며, 사용자 수 증가에 따라 순간 DoF가 DoF 외부 경계로 강하게 수렴하는 현상을 관찰하였다.