[논문 리뷰] Shared Angles-of-Departure in Massive MIMO Channels: Correlation Analysis and Performance Impact.

Xu Du, Ashutosh Sabharwal|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 공유되는 출발각으로 인해 발생하는 대량 MIMO 시스템 내 사용자 채널 상관관계를 조사한다. 공유되는 출발각이 존재함에도 불구하고 36개 이상의 안테나를 갖는 큰 배열에서도 사용자 상관관계가 높게 유지됨(0.4 초과)을 보여주며, 이는 제로포싱 beamforming이 상관관계에도 불구하고 일정한 사용자 간 간섭을 유지함으로써 시스템 전송률을 M에 따라 선형적으로 증가시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In practical environments, recent massive MIMO measurements demonstrate that user channels can be correlated. In this paper, we study the user channel correlation induced by shared angles-of-departure. We first derive the user correlation distribution in the large array regime, and then examine the user correlation using actual measurements from a large array. As a data-driven observation, we discover that the correlation of all close-by users is higher than $0.4$ and barely reduces as the number of base-station antennas $M$ increases beyond $36$ antennas. Furthermore, nearly one-third of users, even when they are tens of wavelengths apart, have a correlation that is more than twice the correlation of an i.i.d. Rayleigh fading model. Lastly, we characterize the impact of user correlation on system performance. As $M$ increases, conjugate beamforming systems suffer a linearly growing inter-user interference due to correlated channels. However, for zero-forcing beamforming systems, the inter-user interference is a constant that does not increase with M. In particular, zero-forcing beamforming systems can serve a linearly increasing number of correlated users and achieve a linear growth in the system achievable rate as $M$ increases. Hence, spatial multiplexing correlated users can be an attractive massive MIMO design.

연구 동기 및 목표

• 공유되는 출발각이 대량 MIMO 시스템 내 사용자 채널 상관관계에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 실제 측정을 통해 실용적인 대규모 어레이 환경에서 사용자 상관관계를 정량화하는 것.
• 채널 상관관계가 공액 beamforming 및 제로포싱 beamforming 방식에서 사용자 간 간섭에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 기지국 안테나 수 M이 증가함에 따라 상관관계가 있는 사용자 채널 조건 하에서 공간 다중화의 확장성 평가하기

제안 방법

• 공유되는 출발각 조건 하에서 대규모 어레이 영역에서 사용자 상관관계 분포를 유도한다.
• 큰 어레이에서의 실제 대량 MIMO 측정 데이터를 사용하여 이론적 결과를 검증한다.
• 이론적 결과와 i.i.d. 레이일레이 페이딩 모델 간의 편차를 정량화하기 위해 측정된 사용자 상관관계를 비교한다.
• 상관관계가 있는 채널 조건 하에서 공액 beamforming 및 제로포싱 beamforming의 사용자 간 간섭 행동을 분석한다.
• 증가하는 M에 따라 상관관계가 있는 사용자 조건 하에서 시스템의 실현 가능한 전송률의 스케일링 행동을 특성화한다.
• 데이터 기반 분석을 통해 수십 개의 파장 떨어져 있음에도 불구하고 사용자 쌍 간에 지속적인 상관관계 패턴을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유되는 출발각은 대량 MIMO 시스템 내 사용자 채널 상관관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기지국 안테나 수 M이 36를 초과하여 증가함에 따라 사용자 상관관계는 어느 정도 지속되는가?
• RQ3 공액 beamforming 대비 제로포싱 beamforming에서 사용자 상관관계는 사용자 간 간섭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 대량 MIMO에서 M이 증가함에 따라 상관관계가 있는 사용자들의 공간 다중화는 효과적으로 확장될 수 있는가?
• RQ5 실제 측정치와 i.i.d. 레이일레이 페이딩 모델 간의 사용자 상관관계 정량적 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 기지국 안테나 수 M이 36를 초과하더라도, 밀접하게 배치된 모든 사용자 쌍에 대해 사용자 상관관계가 0.4 이상 유지된다.
• 실제로 수십 개의 파장 떨어져 있음에도 불구하고, 거의 1/3의 사용자 쌍이 i.i.d. 레이일레이 페이딩 모델보다 두 배 이상 높은 상관관계를 보인다.
• 공액 beamforming 시스템은 채널 상관관계로 인해 M 증가에 따라 사용자 간 간섭이 선형적으로 증가한다.
• 제로포싱 beamforming 시스템은 채널 상관관계가 있음에도 불구하고 M이 증가하더라도 사용자 간 간섭이 일정하게 유지된다.
• 제로포싱 beamforming은 상관관계가 있는 사용자들을 선형적으로 증가하는 수준의 공간 다중화를 가능하게 하며, M에 따라 시스템 실현 가능한 전송률도 선형적으로 증가시킨다.
• 제로포싱 beamforming에서 간섭 행동이 안정적이므로, 상관관계가 있는 사용자들의 공간 다중화는 실현 가능하고 확장 가능한 대량 MIMO 설계 전략이 될 수 있다.