[논문 리뷰] Realization of MIMO Channel Model for Spatial Diversity with Capacity and SNR Multiplexing Gains

Subrato Bharati, Prajoy Podder외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 24.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 공간 다중성을 활용하여 시스템의 신뢰성과 용량을 향상시키는 MIMO 채널 모델을 제안하며, 수신기 및 송신기의 고장으로 인한 영향을 고려하여 용량과 SNR 멀티플렉싱 이득을 분석한다. κ 값을 0.02에서 0.005로 감소시킬 경우 평균 MIMO 채널 용량이 80%를 초과함을 입증하였으며, 송신 안테나 수가 수신 안테나 수를 초과할 경우 결정론적 채널에서 고SNR 성능이 뛰어나다.

ABSTRACT

Multiple input multiple output (MIMO) system transmission is a popular diversity technique to improve the reliability of a communication system where transmitter, communication channel and receiver are the important elements. Data transmission reliability can be ensured when the bit error rate is very low. Normally, multiple antenna elements are used at both the transmitting and receiving section in MIMO Systems. MIMO system utilizes antenna diversity or spatial diversity coding system in wireless channels because wireless channels severely suffer from multipath fading in which the transmitted signal is reflected along various multiple paths before reaching to the destination or receiving section.Parallel transmission of MIMO system has also been implemented where both the real part and imaginary part of the original, detected and the corresponding received data sequence has been described graphically. The MIMO channel average capacity is achieved more than 80% for dissimilar levels of impairments in transceiver when the value of kappa (Level of impairments in transmitter hardware) reduces from 0.02 to 0.005. The finite-SNR multiplexing gain (Proportion of MIMO system capacity to SISO system capacity) has been observed for deterministic and uncorrelated Rayleigh fading channels correspondingly. The core difference is in the high SNR level. It may occur for two reasons: (a) there is a quicker convergence to the limits under transceiver impairments (b) deterministic channels that are built on digital architectural plans or topographical maps of the propagation environment acquire an asymptotic gain superior than multiplexing gain when the number of transmitting antenna is greater than the number of receiving antenna.

연구 동기 및 목표

• 통신 신뢰성을 향상시키기 위해 공간 다중성을 활용할 수 있는 실용적인 MIMO 채널 모델을 개발하는 것.
• 송수신기 하드웨어 결함(κ로 모델링)이 MIMO 시스템 용량과 멀티플렉싱 이득에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 결정론적 채널과 상관 없는 레이일레이 페이딩 채널 간의 고SNR 점점 다가가는 성능을 비교하는 것.
• 다양한 채널 조건에서 SISO 시스템 대비 유한-SNR 멀티플렉싱 이득을 평가하는 것.
• 결정론적 환경에서 송신 안테나 수가 수신 안테나 수를 초과할 경우 성능 향상이 어떻게 발생하는지 보여주는 것.

제안 방법

• 송신기와 수신기 양측에 다수의 안테나를 사용하여 공간 다중성을 활용하고 다중 경로 페이딩을 완화하는 MIMO 시스템.
• 전송, 검출, 수신 신호 시퀀스의 실수부 및 허수부를 채널 모델에 통합하여 분석을 위해 시각적으로 표현.
• 송수신기 결함은 κ 계수를 사용하여 모델링하며, κ 값의 다양한 수준(0.02에서 0.005)에서 시뮬레이션을 수행.
• 유한-SNR 멀티플렉싱 이득은 MIMO와 SISO 시스템 용량의 비율로 계산되며, 결정론적 채널과 레이일레이 페이딩 채널 모두에서 평가.
• 이론적 분석과 시뮬레이션을 통한 분석을 통해 고SNR 영역에서의 점점 다가가는 성능을 비교하며, 특히 다양한 안테나 구성에서의 성능을 분석.
• 디지털 설계도나 지형도를 사용하여 결정론적 채널 응답을 정의함으로써 정밀한 고SNR 이득 평가가 가능하도록 모델을 구성.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 송수신기 결함 계수(κ)를 감소시킬 경우 평균 MIMO 채널 용량은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 결정론적 채널과 상관 없는 레이일레이 페이딩 채널에서 SISO 대비 MIMO의 유한-SNR 멀티플렉싱 이득은 어떻게 되는가?
• RQ3 왜 송신 안테나 수가 수신 안테나 수를 초과할 경우 결정론적 채널에서 고SNR 점점 다가가는 이득이 뛰어나지는가?
• RQ4 제안된 MIMO 모델에서 실수부 및 허수부 신호 성분은 전송, 검출, 수신 과정에서 어떻게 행동하는가?
• RQ5 용량과 멀티플렉싱 이득 측면에서 고SNR에서 결정론적 채널과 스토케스틱(레이일레이) 페이딩 채널 간의 성능 격차는 무엇인가?

주요 결과

• 송수신기 결함 계수(κ)를 0.02에서 0.005로 감소시킬 경우 평균 MIMO 채널 용량이 80%를 초과한다.
• 유한-SNR 멀티플렉싱 이득은 결정론적 채널에서 상관 없는 레이일레이 페이딩 채널보다 더 높으며, 특히 고SNR에서 두드러진다.
• 송신 안테나 수가 수신 안테나 수를 초과할 경우 결정론적 채널은 멀티플렉싱 이득에 비해 점점 다가가는 이득이 뛰어나다.
• 디지털 설계도나 지형도를 기반으로 한 결정론적 채널 모델은 송수신기 결함 상황에서 용량 한계에 더 빨리 수렴하는 경향을 보인다.
• 제안된 MIMO 모델은 전송 및 수신 과정에서 실수부 및 허수부 신호 성분의 행동을 성공적으로 기록하여 시스템 성능의 그래픽적 분석을 가능하게 한다.
• 이 연구는 MIMO 시스템에서 공간 다중성이 신뢰성과 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다는 것을 확인하였으며, 특히 저결함 조건과 높은 안테나 수 조건에서 두드러진다.