[논문 리뷰] Turbo Coded Single User Massive MIMO with Precoding

K. Vasudevan, Gyanesh Kumar Pathak외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 31.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 단일 사용자 전송을 위한 터보 코딩 및 프리코딩된 매크로 MIMO 시스템을 제안하며, 송신기에서 채널 상태 정보를 활용하여 채널 간 간섭을 억제한다. 시뮬레이션 결과, 재전송에 의해 비트 오류율(BER)이 크게 악화되지 않더라도, 안테나 어레이가 증가함에 따라 최대 312 비트/초/㎐의 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있음을 보여주며, Rayleigh 평탄 fading 채널에서 뛰어난 성능을 발휘함을 입증한다.

ABSTRACT

Precoding is a method of compensating the channel at the transmitter. This work presents a novel method of data detection in turbo coded single user massive multiple input multiple output (MIMO) systems using precoding. We show via computer simulations that, when precoding is used, re-transmitting the data does not result in significant reduction in bit-error-rate (BER), thus increasing the spectral efficiency, compared to the case without precoding. Moreover, increasing the number of transmit and receive antennas results in improved BER.

연구 동기 및 목표

• 터보 코딩과 프리코딩을 융합하여 단일 사용자 매크로 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율을 향상시키기.
• 프리코딩을 적용할 경우 재전송이 비트 오류율(BER) 성능에 악영향을 미치는지 조사하기.
• 프리코딩 하에서 송신 및 수신 안테나 수가 증가할 경우 시스템 성능에 미치는 영향 평가하기.
• 제한된 재전송 횟수에도 불구하고 프리코딩이 BER을 흐리지 않게 유지하면서 고스펙트럼 효율을 달성할 수 있음을 입증하기.
• Rayleigh 평탄 fading 조건 하에서 터보 코딩과 프리코딩의 융합이 매크로 MIMO 프레임워크에서 효과적으로 작용하는지 검증하기.

제안 방법

• 데이터 인코딩을 위해 재귀적 시스템 컨volution형(RSC) 인코더와 QPSK 변조를 사용한 터보 코딩 적용.
• 송신기에서 채널 상태 정보(CSI)를 활용해 매크로 MIMO 시스템의 채널 간 간섭(ICI)을 억제하기 위해 프리코딩 적용.
• 다중 재전송 동안 수신된 신호를 결합하여 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)를 향상시키는 신호 모델 적용; 결합 과정은 재전송 횟수에 따른 평균화 기반.
• 독립 동일분포(i.i.d.) 복소 가우시안 채널 계수를 가진 통계적 채널 모델을 사용하여, 결합 후 비트당 평균 신호 대 간섭+노이즈비(SINR) 유도.
• 채널 상호성 보장을 위해 시간분할 이중성(TDD) 운영 방식을 가정하여 수신기에서 송신기로 CSI 피드백 제공.
• Additive white Gaussian noise (AWGN) 조건 하에서 Rayleigh 평탄 fading을 가정하고, 10⁴ 프레임에 걸친 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 터보 코딩 매크로 MIMO 시스템에서 프리코딩이 데이터 재전송 시 BER 저하를 감소시키는가?
• RQ2 송신 및 수신 안테나 수가 증가할 경우 프리코딩 매크로 MIMO에서 BER과 스펙트럼 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 평탄 페이딩 조건 하에서 매크로 MIMO에 터보 코딩과 프리코딩을 융합할 경우 도달 가능한 스펙트럼 효율은 얼마인가?
• RQ4 제안된 시스템에서 비트당 평균 SINR은 재전송 횟수와 안테나 어레이 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 프리코딩을 적용했을 경우 다양한 스펙트럼 효율 수준에서도 시스템이 낮은 BER을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 프리코딩 덕분에 BER 저하를 방지하기 위해 재전송이 필요 없으며, 여러 차례의 재전송 동안 BER이 안정적으로 유지되어 더 높은 스펙트럼 효율 달성 가능.
• $N_t = 1023$, $N_r = 1$, $N_{rt} = 2$ 조건에서 스펙트럼 효율은 $\eta^p = 0.25$ 비트/초/㎐에 도달하며, 비트당 평균 신호 대 잡음비(SNR) 상한선은 무한대에 가까워 거의 이상적인 성능를 나타냄.
• $N_t = 400$, $N_r = 1$, $N_{rt} = 1$ 조건에서 시스템은 비트당 최대 스펙트럼 효율 $\eta^p = 312$ 비트/초/㎐를 달성하고, 비트당 SNR 상한선은 1.09 dB에 도달함.
• 비트당 평균 SNR 3.5 dB 조건에서 BER은 $N_{\text{tot}} = 32$일 때 $2 \times 10^{-6}$로 감소하여 SISO 경우($2 \times 10^{-2}$ BER)에 비해 뚜렷한 향상.
• 다양한 $N_t$, $N_r$, $N_{rt}$ 조건에서도 BER이 낮게 유지되어 안테나 수와 재전송 횟수 변화에 대해 뛰어난 내구성 확보.
• 결합 후 비트당 평균 SINR에 대한 이론적 상한선은 약 $\frac{2N_{rt}N_t}{N_r - 1}$이며, $N_t$와 $N_{rt}$에 따라 유리하게 증가함을 확인하여 더 큰 어레이에서의 성능 향상 입증.