[논문 리뷰] Power Allocation for Multi-Pair Massive MIMO Two-Way AF Relaying with Linear Processing

Yongyu Dai, Xiaodai Dong|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 26.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다중 쌍의 매크로 MIMO 두 방향 수신 증폭-전달(AF) 중계 시스템에서 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 상황에서 최적의 전력 할당(OPA) 방식을 제안한다. MRC/MRT 또는 ZFR/ZFT beamforming을 사용하며, 도달 가능한 평균 속도의 폐쇄형 하한을 유도하고 기하학적 프로그래밍을 통해 합산 스펙트럼 효율을 최대화하는 OPA 문제를 수립한다. 점점 증가하는 중계 안테나 수에 따른 점근적 OPA 해를 분석한 결과, 최적의 전력은 MRC/MRT 하에서 대규모 페이딩 인자에 반비례하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a multi-pair two-way amplify-and-forward relaying system where multiple sources exchange information via a relay node equipped with large-scale antenna arrays. Given that channel estimation is non-ideal, and that the relay employs either maximum-ratio combining/maximum-ratio transmission (MRC/MRT) or zero-forcing reception/zero-forcing transmission (ZFR/ZFT) beamforming, we derive two corresponding closed-form lower bound expressions for the ergodic achievable rate of each pair sources. The closed-form expressions enable us to design an optimal power allocation (OPA) scheme that maximizes the sum spectral efficiency under certain practical constraints. As the antenna array size tends to infinity and the signal to noise ratios become very large, asymptotically optimal power allocation schemes in simple closed-form are derived. The capacity lower bounds are verified to be accurate predictors of the system performance by simulations, and the proposed OPA outperforms equal power allocation (EPA). It is also found that in the asymptotic regime, when MRC/MRT is used at the relay and the link end-to-end large-scale fading factors among all pairs are equal, the optimal power allocated to a user is inverse to the large-scale fading factor of the channel from the user to the relay, while OPA approaches EPA when ZFR/ZFT is adopted.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 CSI를 고려한 매크로 MIMO 두 방향 AF 중계 시스템에서 전력 할당 방식의 부족을 보완하기 위해.
• MRC/MRT 및 ZFR/ZFT beamforming 전략에 대해 폐쇄형 평균 도달 가능한 속도 하한을 도출하기 위해.
• 실제 제약 조건 하에서 합산 스펙트럼 효율을 최대화하는 최적의 전력 할당(OPA) 방식을 설계하기 위해.
• 중계 안테나 수가 무한히 증가할 때 점근적 OPA 행동을 분석하기 위해.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 속도 하한의 정확성을 검증하고, OPA가 등가 전력 할당(EPA)에 비해 우수한 성능을 보임을 시뮬레이션을 통해 입증하기 위해.

제안 방법

• 와이소르트 및 역와이소르트 행렬 성질을 활용하여 통계적 CSI(스테이티스티컬 CSI, SCSI) 기반의 폐쇄형 하한을 도출하여 평균 도달 가능한 속도를 유도한다.
• 유한한 중계 안테나 수 하에서 채널 추정 오차 및 beamforming 이득을 모델링하기 위해 [16,17]의 기법을 적용한다.
• 전력 제약 및 서비스 품질 제약 하에서 합산 스펙트럼 효율 최대화를 위한 OPA 문제를 기하학적 프로그래밍(GP)을 통해 해결한다.
• 중계 안테나 수가 무한히 증가할 때 점근적 OPA 해를 폐쇄형으로 유도한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 속도 하한의 정확성을 검증하고, OPA 성능을 스펙트럼 효율 측면에서 EPA와 비교한다.
• 불완전한 CSI 및 비이상적인 채널 추정 조건 하에서 MRC/MRT 및 ZFR/ZFT beamforming 전략을 모두 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI와 MRC/MRT beamforming을 고려한 다중 쌍 매크로 MIMO 두 방향 AF 중계 시스템에서 평균 도달 가능한 속도의 폐쇄형 하한은 무엇인가?
• RQ2 유한한 중계 안테나 수와 불완전한 CSI 하에서 ZFR/ZFT beamforming을 사용할 경우 평균 도달 가능한 속도는 어떻게 행동하는가?
• RQ3 실제 제약 조건 하에서 합산 스펙트럼 효율을 최대화하는 최적의 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 중계 안테나 수가 무한히 증가할 때 점근적 OPA는 어떻게 행동하는가?
• RQ5 다양한 페이딩 조건 하에서 스펙트럼 효율과 공정성 측면에서 OPA 방식은 등가 전력 할당(EPA)에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 유도된 폐쇄형 평균 도달 가능한 속도 하한은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 실제 시스템 성능을 정확히 예측하는 것으로 확인되었다.
• 제안된 OPA 방식은 모든 시스템 구성에서 합산 스펙트럼 효율 측면에서 등가 전력 할당(EPA)보다 뛰어난 성능을 보였다.
• MRC/MRT beamforming 하에서 점근적 영역에서는 최적의 전력이 유저에서 중계로 향하는 대규모 페이딩 인자에 반비례함을 확인하였다.
• ZFR/ZFT beamforming을 사용할 경우 OPA 방식은 EPA에 수렴하여 채널 변동에 대해 감도가 낮아지는 것으로 나타났다.
• 중계 안테나 수가 증가함에 따라 OPA는 단순한 폐쇄형 해로 수렴하여 저복잡도 구현이 가능해졌다.
• 기하학적 프로그래밍 기반 OPA는 CVX와 같은 표준 도구를 통해 효율적으로 해결 가능하여 실용적 구현이 가능함을 보였다.