[논문 리뷰] Turbo Coded Single User Massive MIMO

K. Vasudevan, A. Phani Kumar Reddy외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 06.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 45인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 고정된 총 안테나 수 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 예측편성 여부에 관계없이 터보코드 적용 단일 사용자 대량 MIMO(SU-MMIMO)를 제안한다. 평균 비트당 신호대임계비(SNR) 및 스펙트럼 효율성의 상한을 유도하여, 총 안테나 수가 클 경우 오류율(BER)이 송신 안테나 수와 재전송 횟수에 민감하지 않음을 입증함으로써, 주어진 BER 및 총 안테나 예산 조건에서 근사 최적의 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

This work deals with turbo coded single user massive multiple input multiple output (SU-MMIMO) systems, with and without precoding. SU-MMIMO has a much higher spectral efficiency compared to multi-user massive MIMO (MU-MMIMO) since independent signals are transmitted from each of the antenna elements (spatial multiplexing). MU-MMIMO that uses beamforming has a much lower spectral efficiency, since the same signal (with a delay) is transmitted from each of the antenna elements. In this work, expressions for the upper bound on the average signal-to-noise ratio (SNR) per bit and spectral efficiency are derived for SU-MMIMO with and without precoding. We propose a performance index $f(N_t)$, which is a function of the number of transmit antennas $N_t$. Here $f(N_t)$ is the sum of the upper bound on the average SNR per bit and the spectral efficiency. We demonstrate that when the total number of antennas ($N_{\mathrm{tot}}$) in the transmitter and receiver is fixed, there exists a minimum value of $f(N_t)$, which has to be avoided. Computer simulations show that the bit-error-rate (BER) is nearly insensitive to a wide range of the number of transmit antennas and re-transmissions, when $N_{\mathrm{tot}}$ is large and kept constant. Thus, the spectral efficiency can be made as large as possible, for a given BER and $N_{\mathrm{tot}}$.

연구 동기 및 목표

• 터보코드 적용 단일 사용자 대량 MIMO(SU-MMIMO) 시스템에서 예측편성 유무에 관계없이 스펙트럼 효율성 및 SNR 성능을 분석하기 위해.
• 고정된 총 안테나 수($N_{\text{tot}}$) 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 극대화하는 송신 및 수신 안테나의 최적 구성($N_t$, $N_r$)을 규명하기 위해.
• 평균 비트당 신호대임계비 상한과 스펙트럼 효율성을 조합한 성능 지표 $f(N_t)$를 제안하여 시스템 설계를 안내하기 위해.
• 총 안테나 수 $N_{\text{tot}}$ 가 크고 일정할 경우 비트오류율(BER)이 송신 안테나 수 $N_t$, 수신 안테나 수 $N_r$, 재전송 횟수($N_{rt}$)의 변화에 거의 민감하지 않음을 입증하기 위해.
• 주어진 BER 및 $N_{\text{tot}}$ 조건 하에서 적절한 $N_t$ 및 $N_{rt}$ 선택을 통해 스펙트럼 효율성을 극대화할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• Rayleigh 평탄 fading 채널 조건 하에서 예측편성 유무에 관계없이 SU-MMIMO에 대한 평균 비트당 신호대임계비 및 스펙트럼 효율성의 상한을 유도한다.
• 송신 안테나 수 $N_t$ 에 따라 변하는 평균 비트당 신호대임계비 상한과 스펙트럼 효율성의 합으로 구성된 성능 지표 $f(N_t)$ 를 도입한다.
• 완벽한 채널 상태 정보(CSI)를 가진 이상적 수신기 모델을 사용하며, 터보 부호화 및 반복 검출을 가정한다.
• 채널 상태 정보를 활용하여 상호채널간 간섭(IC)을 완화하는 예측편성 기법을 적용하여 신호대임계비 성능을 향상시킨다.
• 터보 인코더를 [19] 에서 사용하여 $10^4$ 프레임에 걸쳐 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고, 다양한 $N_t$, $N_r$, $N_{rt}$ 설정에서 BER 및 스펙트럼 효율성을 평가한다.
• 동일한 $N_{\text{tot}}$ 조건 하에서 예측편성 유무를 비교하여 예측편성의 영향을 스펙트럼 효율성 및 신호대임계비 향상도에만 집중적으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 총 안테나 수 조건 하에서 예측편성이 단일 사용자 대량 MIMO 시스템의 평균 비트당 신호대임계비 상한 및 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 주어진 BER 및 고정된 $N_{\text{tot}}$ 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 극대화하는 송신 및 수신 안테나 분포($N_t$, $N_r$)는 무엇인가?
• RQ3 총 안테나 수 $N_{\text{tot}}$ 를 일정하게 유지할 경우 비트오류율(BER)은 송신 안테나 수($N_t$) 및 재전송 횟수($N_{rt}$)의 변화에 얼마나 민감한가?
• RQ4 고정된 $N_{\text{tot}}$ 조건 하에서 $N_t$ 와 $N_{rt}$ 를 조정함으로써 주어진 BER 조건에서 스펙트럼 효율성을 임의로 크게 만들 수 있는가?
• RQ5 터보코드 기반 SU-MMIMO에서 예측편성 유무에 따라 스펙트럼 효율성과 비트당 필요 신호대임계비(SNR) 사이의 성능 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• $N_{\text{tot}} = 1024$ 인 경우, $N_t = 400$, $N_{rt} = 1$ 일 때 스펙트럼 효율성이 최고로 312 비트/초/㎐에 도달하며, 비트당 신호대임계비 상한은 1.09 dB이다.
• $N_{\text{tot}} = 1024$ 인 경우, $N_t = 1023$, $N_{rt} = 2$ 일 때 스펙트럼 효율성이 최저로 0.25 비트/초/㎐에 도달하며, 비트당 신호대임계비 상한은 무한에 수렴한다.
• $N_{\text{tot}} = 32$ 인 경우, 비트당 신호대임계비 3.5 dB 조건에서 예측편성 적용 시 BER 약 $2 \times 10^{-6}$, 미적용 시 약 $10^{-6}$ 로 나타나 SISO 시스템 대비 뚜렷한 향상을 보인다.
• 총 안테나 수 $N_{\text{tot}}$ 가 크고 일정할 경우 BER는 $N_t$, $N_r$, $N_{rt}$ 의 변화에 거의 민감하지 않으며, 안테나 할당에 대한 강건성을 시사한다.
• 예측편성 미적용 조건에서 $N_t = 512$, $N_{rt} = 1$ 일 때 스펙트럼 효율성이 최고로 256 비트/초/㎐에 도달하며, 비트당 신호대임계비 상한은 3.03 dB이다.
• 성능 지표 $f(N_t)$ 는 반드시 피해야 할 최소값을 나타내며, $N_t$ 가 변화함에 따라 스펙트럼 효율성과 신호대임계비 향상도 사이에 비단조적(trade-off) 관계가 있음을 시사한다.