[논문 리뷰] On the Spectral and Energy Efficiencies of Full-Duplex Cell-Free Massive MIMO

Hieu V. Nguyen, Van‐Dinh Nguyen외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 03.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 47인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 현실적인 하드웨어 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 극대화하기 위해 풀드уп렉스 셀리스 매크로MIMO 시스템에서 전력 제어, AP-UE 연결 및 AP 선택을 종합적으로 최적화하는 방법을 제안한다. 제로포싱 예측편성과 새로운 힙 기반 파ilot 할당 기법을 활용하여 다항시간 수렴성을 보장하는 저복잡도 반복 알고리즘을 개발하였으며, 기존의 소셀 및 집중형 매크로MIMO 시스템에 비해 상당한 SE 및 EE 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In-band full-duplex (FD) operation is practically more suited for short-range communications such as WiFi and small-cell networks, due to its current practical limitations on the self-interference cancellation. In addition, cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) is a new and scalable version of MIMO networks, which is designed to bring service antennas closer to end user equipments (UEs). To achieve higher spectral and energy efficiencies (SE-EE) of a wireless network, it is of practical interest to incorporate FD capability into CF-mMIMO systems to utilize their combined benefits. We formulate a novel and comprehensive optimization problem for the maximization of SE and EE in which power control, access point-UE (AP-UE) association and AP selection are jointly optimized under a realistic power consumption model, resulting in a difficult class of mixed-integer nonconvex programming. To tackle the binary nature of the formulated problem, we propose an efficient approach by exploiting a strong coupling between binary and continuous variables, leading to a more tractable problem. In this regard, two low-complexity transmission designs based on zero-forcing (ZF) are proposed. Combining tools from inner approximation framework and Dinkelbach method, we develop simple iterative algorithms with polynomial computational complexity in each iteration and strong theoretical performance guaranteed. Furthermore, towards a robust design for FD CF-mMIMO, a novel heap-based pilot assignment algorithm is proposed to mitigate effects of pilot contamination. Numerical results show that our proposed designs with realistic parameters significantly outperform the well-known approaches (i.e., small-cell and collocated mMIMO) in terms of the SE and EE. Notably, the proposed ZF designs require much less execution time than the simple maximum ratio transmission/combining.

연구 동기 및 목표

• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 풀드업렉스 셀리스 매크로MIMO 시스템의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 극대화하는 데 도전하는 것.
• 혼합정수비선형 최적화 프레임워크 내에서 전력 제어, 액세스 포인트-사용자 장비(AP-UE) 연결 및 활성 AP 선택을 종합적으로 최적화하는 것.
• 새로운 힙 기반 파ilot 할당 알고리즘을 통해 잔여 자기간섭과 파ilot 오염을 완화하는 것.
• 강력한 이론적 수렴 보장 조건을 갖춘 저복잡도, 다항시간 반복 알고리즘을 개발하는 것.

제안 방법

• 실제 전력 소비 모델을 고려한 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 극대화를 위한 혼합정수비선형 최적화 문제를 수립한다.
• 이진 변수(비트 AP 선택)와 연속 변수(전력 제어) 간의 강력한 결합을 활용하여 문제를 더 다룰 수 있는 형태로 재구성한다.
• 내부 근사 프레임워크와 딜레인바흐 방법을 적용하여 반복 단계당 다항시간 계산 복잡도를 갖는 반복 알고리즘을 설계한다.
• 다운링크 및 업링크 신호 처리를 위한 두 가지 저복잡도 제로포싱 기반 전송 설계를 제안한다.
• 풀드업렉스 셀리스 매크로MIMO에서 파ilot 오염 영향을 줄이기 위해 힙 기반 파ilot 할당 알고리즘을 도입한다.
• 주성분 분석을 통한 저랭크 근사 기법을 활용하여 채널 추정 및 예측편성의 계산 복잡도를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 풀드업렉스 셀리스 매크로MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 어떻게 종합적으로 극대화할 수 있는가?
• RQ2 잔여 자기간섭과 파ilot 오염은 시스템 성능에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 전력 제어, AP-UE 연결 및 AP 선택의 종합 최적화는 기존 시스템에 비해 상당한 SE 및 EE 향상을 이끌 수 있는가?
• RQ4 혼합정수비선형 최적화 문제의 성격을 어떻게 저복잡도 알고리즘으로 효과적으로 다룰 수 있는가?
• RQ5 제안된 ZF 기반 설계는 최대 비율 전송/복합화 대비 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성 및 계산 시간 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 ZF 기반 설계는 기존의 소셀 및 집중형 매크로MIMO 시스템에 비해 상당히 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성한다.
• 수치 결과는 제안된 알고리즘이 기존 방법들보다 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 측면에서 뛰어나며, 특히 현실적인 시스템 파arameter 조건 하에서 뚜렷한 성능 향상을 보임을 보여준다.
• 제안된 힙 기반 파ilot 할당은 파ilot 오염을 효과적으로 감소시켜 시스템 신뢰성과 성능을 향상시킨다.
• 반복 알고리즘은 반복 단계당 다항시간 복잡도를 가지며, 최대 비율 전송/복합화 대비 실행 시간이 상당히 줄어든다.
• 전력 제어, AP-UE 연결 및 AP 선택의 종합 최적화는 스펙트럼 효율성에 뚜렷한 향상을 가져오며, 유리한 전파 조건 하에서는 성능 향상이 약 두 배에 가까이 된다.
• 내부 근사 및 딜레인바흐 방법을 통한 이론적 성능 보장이 제공되어 제안된 프레임워크 하에서 수렴성과 최적성 보장을 확보한다.