[논문 리뷰] Uplink Spectral Efficiency Analysis of Multi-Cell Multi-User Massive MIMO over Correlated Ricean Channel

Juan Cao, Dongming Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 19.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 상관관계가 있는 라이스 채널에서 다셀 다유저 매크로 MIMO 시스템의 업링크 스펙트럼 효율성을 분석하며, 피LOT 보정된 LMMSE와 라인 오브 사이트(LOS)-기반 채널 추정을 비교한다. 피LOT 오염으로 인해 LMMSE 성능은 유한한 점 渐진율에 도달하지만, LOS 기반 추정은 기지국(BS) 안테나 수에 따라 선형으로 증가하는 스펙트럼 효율을 달성하여 안테나 수가 증가함에 따라 LMMSE를 능가한다.

ABSTRACT

In this paper, the performance of uplink spectral efficiency in massive multiple input multiple output (MIMO) over spacially correlated Ricean fading channel is presented. The maximum ratio combining (MRC) receiver is employed at the base station (BS) for two different methods of channel estimation. The first method is based on pilot-assisted least minimum mean square error (LMMSE) estimation, the second one is based on line-of-sight (LOS) part. The respective analytical expressions of uplink data rate are given for these two methods. Due to the existence of pilot contamination, the uplink data rate of pilot-assisted LMMSE estimation method approaches to a finite value (we name it as asymptotic rate in the paper) when the BS antenna number is very large. However, the data rate of LOS method goes linearly with the number of BS antennas. The expression of the uplink rate of LOS method also show that for Ricean channel, the spacial correlation between the BS antennas may not only decrease the rate, but also increase the rate, which depends on the locations of the users. This conclusion explains why the spacial correlation may increase, rather than decrease the data rate of pilot-assisted LMMSE. We also discuss the power scaling law of the two methods, and the asymptotic expressions of the two methods are the same and both independent of the antenna correlation.

연구 동기 및 목표

• 공간 상관성이 있는 라이스 fading 하에서 다셀 다유저 매크로 MIMO 시스템의 업링크 스펙트럼 효율성을 분석한다.
• 피LOT 재사용으로 인한 피LOT 오염 제약 조건 하에서 피LOT 기반 LMMSE와 LOS 부분 기반 추정의 두 채널 추정 방법을 비교한다.
• 공간 상관성이 스펙트럼 효율에 미치는 영향을 조사하고, 성능 향상 또는 저하를 초래하는 조건을 규명한다.
• 두 추정 방법에 대해 스펙트럼 효율과 전력 스케일링 법칙의 점 渐진 표현을 유도한다.
• 사용자 위치에 따라 공간 상관성이 라이스 채널에서 스펙트럼 효율을 증가시킬 수 있는지 여부를 규명한다.

제안 방법

• 기지국(BS)에서 최대 비례 수신(MRC)을 사용할 때 두 채널 추정 방법에 대해 업링크 데이터율에 대한 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 피LOT 기반 최소 제곱 오차(LMMSE) 추정을 적용하며, 이는 셀 간 피LOT 재사용으로 인해 피LOT 오염에 노출된다.
• 안테나 수가 무한대에 가까워질 때, 대규모 시스템 분석을 통해 점 渐진 스펙트럼 효율 표현을 유도한다.
• 구조화된 채널 공분산 행렬을 통해 공간 상관성을 통합하고, 라이스 K-팩터를 사용해 라인 오브 사이트(LOS) 전력 대 산란 전력의 비율을 모델링한다.
• 전력 스케일링 법칙과 점 渐진 SIR 표현을 유도하며, 점 渐진 영역에서 안테나 상관성의 영향이 없음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피LOT 오염은 공간 상관성이 있는 라이스 채널에서 피LOT 기반 LMMSE 추정의 점 渐진 스펙트럼 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기지국 안테나 수가 증가함에 따라 LOS 기반 채널 추정이 스펙트럼 효율 측면에서 피LOT 기반 LMMSE 추정을 능가할 수 있는가?
• RQ3 공간 상관성이 라이스 fading에서 스펙트럼 효율을 감소시키는 대신 증가시킬 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ4 사용자 위치가 기지국(BS)에 비해 어떤지에 따라 공간 상관성이 스펙트럼 효율에 미치는 영향은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 두 추정 방법의 점 渐진 스펙트럼 효율 행동은 어떠한가? N → ∞ 일 때 동일한 표현으로 수렴하는가?

주요 결과

• 피LOT 기반 LMMSE 추정의 업링크 스펙트럼 효율은 기지국(BS) 안테나 수가 증가함에 따라 지속적인 피LOT 오염으로 인해 유한한 점 渐진 값에 도달한다.
• 반면, LOS 기반 추정 방법은 기지국(BS) 안테나 수에 따라 선형으로 증가하는 스펙트럼 효율을 달성하며, 안테나 수가 증가함에 따라 LMMSE 방법을 초월한다.
• 두 방법의 점 渐진 스펙트럼 효율 표현은 동일하며, 공간 상관성과 무관하게 독립적이다. 유한한 N 값에서는 행동이 다를 수 있으나 점 渐진 영역에서는 동일하다.
• 공간 상관성은 사용자 위치에 따라 스펙트럼 효율을 증가시키거나 감소시킬 수 있다: 상관성이 LOS beamforming 방향과 일치할 경우 성능 향상이 이루어진다.
• LOS 기반 방법의 SIR는 K-팩터와 LOS 전력 이득을 포함하는 폐쇄형 표현으로 수렴하며, 간섭 항은 점 渐진적으로 사라진다.
• 전력 스케일링 법칙에 따르면, 전송 전력은 $ N^{-rac{1}{2}} $ 비율로 스케일링되어도 스펙트럼 효율에 손실 없이 유지되며, 이는 매크로 MIMO 시스템의 에너지 효율성을 뒷받침한다.