[논문 리뷰] Trade-offs in Decentralized Multi-Antenna Architectures: The WAX Decomposition

Juan Vidal Alegría, Fredrik Rusek외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 29인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 분산 다중 안테나 시스템에서 정보 손실이 없는 처리를 가능하게 하는 새로운 행렬 분해인 WAX 분해를 소개한다. 안테나 패널을 구성 가능한 출력과 CPU 연결로 모델링함으로써, 각 패널당 계산 복잡도와 상호연결 대역폭 사이의 기본적인 상충 관계를 수립하며, 대규모 MIMO 및 LIS 아키텍처에서의 분산화의 한계를 이론적 경계로 정량화한다.

ABSTRACT

Current research on multi-antenna architectures is trending towards increasing the amount of antennas in the base stations (BSs) so as to increase the spectral efficiency. As a result, the interconnection bandwidth and computational complexity required to process the data using centralized architectures is becoming prohibitively high. Decentralized architectures can reduce these requirements by pre-processing the data before it arrives at a central processing unit (CPU). However, performing decentralized processing introduces also cost in complexity/interconnection bandwidth at the antenna end which is in general being ignored. This paper aims at studying the interplay between level of decentralization and the associated complexity/interconnection bandwidth requirement at the antenna end. To do so, we propose a general framework for centralized/decentralized architectures that can explore said interplay by adjusting some system parameters, namely the number of connections to the CPU (level of decentralization), and the number of multiplications/outputs per antenna (complexity/interconnection bandwidth). We define a novel matrix decomposition, the WAX decomposition, that allows information-lossless processing within our proposed framework, and we use it to obtain the operational limits of the interplay under study. We also look into some of the limitations of the WAX decomposition.

연구 동기 및 목표

• 다중 안테나 시스템에서 분산 수준(_CPU 연결 수_)과 분산 처리 복잡도(안테나 패널당 곱셈 연산 수/출력 수) 사이의 상충 관계를 분석하는 것.
• 일般적으로 중심화 또는 완전히 분산화된 설계에서 忽시되는, 안테나 측에서의 분산 처리 비용을 다루는 것.
• 조정 가능한 시스템 파rameter를 통해 중심화, 분산, 하이브리드 다중 안테나 아키텍처를 통합하는 일반적인 프레임워크를 개발하는 것.
• 다양한 분산 수준에서 정보 손실이 없는 처리를 가능하게 하는 도구로 WAX 분해를 제안하는 것.
• 제안된 프레임워크 하에서 복잡도와 대역폭 사이의 달성 가능한 상충 관계에 대한 이론적 한계를 도출하는 것.

제안 방법

• 안테나를 패널로 그룹화하고, 각 패널이 선형 변환을 적용하여 다수의 출력을 생성하는 일반적인 다중 안테나 아키텍처를 제안한다.
• 채널 행렬을 WAX 형식으로 분해함으로써 정보 손실이 없는 처리를 가능하게 하는 새로운 행렬 분해인 WAX 분해를 도입한다.
• 두 가지 핵심 파rameter로 시스템을 모델링한다: CPU 연결 수(분산 수준)와 패널당 출력 수(복잡도/상호연결 비용).
• QR 분해와 영공간 분석을 사용하여 WAX 분해의 존재에 필요한 조건을 유도한다.
• 질량 프로파일 분석과 행렬 영공간 제약 조건을 적용하여 분해의 가능성을 판단하는 조건을 도출한다.
• 채널 행렬의 구조와 사용자 수에 기반하여 주어진 CPU 연결 수에 대해 필요한 패널당 최소 곱셈 연산 수에 대한 이론적 경계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 다중 안테나 시스템에서 CPU 연결 수와 안테나 패널당 곱셈 연산 수/출력 수 사이의 기본적인 상충 관계는 무엇인가?
• RQ2 정보 손실이 없는 처리를 가능하게 하는 WAX 분해가 존재할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ3 채널 행렬의 구조와 사용자 수가 WAX 분해의 가능성 및 복잡도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 대역폭과 복잡도로 인해 분산화가 제약을 받을 경우, 달성 가능한 성능(스펙트럼 효율성)의 이론적 한계는 무엇인가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 기존의 중심화 및 분산 아키텍처, 특히 대규모 MIMO 및 LIS를 어떻게 일반화하는가?

주요 결과

• WAX 분해를 통해 채널 행렬을 WAX 형식으로 분해함으로써, 분산 다중 안테나 시스템에서 정보 손실이 없는 처리가 가능해지며, 사전 처리 과정에서 데이터 손실이 발생하지 않는다.
• WAX 분해의 존재를 위한 필수 조건은 A의 임의의 부분행렬의 질량이 사용자 수, CPU 연결 수, 패널 구조에 따라 의존하는 임계값을 초과해야 한다는 것이다.
• 주어진 CPU 연결 수에 대해 필요한 패널당 최소 곱셈 연산 수는 부등식 κ > (RK − L)/K로 제약되며, 여기서 κ는 A의 부분행렬의 질량이다.
• 주어진 CPU 연결 수에 대해 패널당 필요한 출력 수는 사용자 수와 시스템의 공간 multiplexing 이득에 따라 비례 증가한다.
• 프레임워크는 CPU 연결 수를 줄일수록 패널당 처리 복잡도가 증가하며, 이 상충 관계는 유도된 질량 조건을 통해 정량적으로 기술됨을 드러낸다.
• 분석 결과, 패널당 출력 수가 유도된 질량 제약 조건을 만족할 경우, 임의로 선택된 채널 행렬에 대해 WAX 분해가 확률 1로 가능함을 보여준다.